測控專業課程實踐環節循環運行模式研究

孫紅鴿，臧 義，劉建娟

（河南工業大學 電氣工程學院，河南 鄭州450001）

0 引言

作為高等工程教育質量保障的重要機制，工程教育專業認證對學生培養質量提出了全方面的要求。加強實踐教學與理論教學相結合，培養實踐能力強、能解決復雜工程問題的應用型人才已成為國家工程教育的重要任務［1，2］。在高校工程類專業教育中，實踐教學是培養學生動手能力與實踐精神的主要和重要環節，作為工科的測控技術與儀器專業，實踐環節尤為重要［3］。本文在分析了目前普通工科高校測控專業實踐環節中存在的問題后，提出了基于專業核心課程群的實踐環節改進方案，對于持續提高學生實踐能力、進而培養其解決復雜工程問題的能力具有積極的促進作用。

1 實踐教學環節現狀

美國著名教育家家本杰明·布盧姆（Benjamin S.Bloom）在教育目標中提出了認知領域的六個層次分類，目前多采用的是學者們修訂后的版本，即記憶（Remember）、理解（Understand）、應用（Apply）、分析（Analyze）、評價（Evaluate）和創造（Create）［4］。工程教育認證中畢業要求完全覆蓋了上述學習規律。目前我國普通高校實踐環節比較注重的是前三階段能力的培養，這種培養模式導致畢業生的能力與工程教育認證的要求還有一定差距［5］，具體表現如下。

1）學生參與不足

實踐環節實施過程中，學生參與力度不夠，“以學生為中心”難以實現。目前高校的實習和實踐活動一般由學校統一進行安排，學生只是被動地接受和執行，實踐教學效果大受影響；另外，目前大多數課內實驗均以驗證性為主，盡管存在綜合性但大部分是多實驗模塊的綜合。學生按照指導書完成實驗儀器設備插接導線即可，但只能見到給定的測量信號和最終的轉換顯示結果，對于中間轉換電路的組成原理及電路分析一無所知，工程實踐能力提高有限。此外，一旦做實驗時沒有出現預期的結果，學生則認為是儀器的問題，而無尋找問題出現緣由的主動性，更談不上分析問題、解決問題了。

2）工程實踐能力培養不足

現今的實踐教學模式，在學生“工程性”和“創新性”方面的培養明顯不足，難以達到工程教育專業認證中提出的“解決復雜工程問題”。目前多數高校測控專業實驗室的現狀是：實驗設備多是模塊化、封裝化的形式，該類模塊的優點是理論電路顯示清晰，實驗模塊較為結實耐用；缺點在于，學生看不到真實的元器件，對內部電路一無所知，不利于學生工程實踐能力的培養。

3）設備故障影響實驗效果

檢測技術實驗室實驗設備利用率高，實驗設備使用時間較長，設備老化、實驗器材損壞等現象較為嚴重。為保障實驗的有效開展，課題組老師利用課余時間帶領部分學生對一些傳感器、實驗模塊及實驗臺進行了修理。但實驗室實驗設備數量大，使用頻率高，并且使用時間較為集中，損壞率也較高，靠教師們的個人努力很難保證所有設備完好。由于廠家維修人員調度問題，也會存在維修和更換不及時的時候，導致學生抱怨設備老化。

4）持續改進欠缺

缺少可持續的總體設計，難以滿足工程教育專業認證中持續改進的要求。

為進一步把“以學生為中心、成果導向、持續改進”的理念，切實滲入測控專業人才培養中，針對目前實踐教學存在的問題，結合專業實驗室現狀，根據測控專業課程之間的連貫性，及課程內實驗環節之間的連續性，為切實提高學生的動手能力，進行了此次專業核心課程群實踐環節教學模式改革研究。

2 核心課程群實踐環節教學模式改革

“持續改進”是工程教育專業認證中非常重要的理念。“持續”既表現在認證過程中，促進教育教學改革的持續深化，也表現在設計課程體系、改進課程教學、為學生多樣化發展提供合適的平臺方面。

2.1 實踐能力持續提升的培養模式設計

測控技術與儀器專業核心課程中，以信號為主線的“傳感器原理”、“測控電路”、“測試與檢測技術基礎”三門課程具有連續性，這些課程的實驗實踐環節之間也具有一定的銜接，如果三門課程孤立的教學，不利于學生綜合能力的培養［6］。因此，根據測控專業課程之間、課程內實驗環節之間的連續性，對課程教學體系，尤其是實驗環節教學的連續性進行了改革，以持續提升學生的實踐能力。

本著“以學生為中心”、“成果導向”的理念，切實提高學生的實踐能力，本次改革的內容貫穿大學四年，培養模式如圖1所示。

圖1 測控專業實踐能力提升模式

大一，新生參觀實驗室，可以見到專用模塊和學生自己制作的模塊，并告知這些也是他們能夠和必須完成的。通過這種直觀的方式提起他們的興趣，增加新生的信心并初步確立目標。

大二，學生學習“傳感器原理”課程后，在實驗時用到上屆學生制作的實驗模塊；告知他們，大三學完測控電路課程之后他們也將制作這樣的電路板，給學弟學妹使用，進一步明確學習目標并樹立責任意識。

大三，學完“測控電路”課程，完成測控電路、測試與檢測技術基礎實驗和課程設計之后，在實訓環節讓學生自行完成實驗模塊的設計、制作、調試以及分析總結。隨著這種循環模式的不斷完善和學生水平的不斷提升，課程組指導教師會不斷提高要求，最終向學生培養模式的工程化靠近。在此期間，學生可以結合所學知識，參加各類大賽，提升實戰能力。

大四，經過之前的理論學習及實踐鍛煉，為畢業設計做了充分的準備。學生可以利用前期設計過程中掌握的知識解決畢業設計遇到的問題，也可以利用前期發現的問題，提出改進的電路、設計全新的實驗裝置，作為畢業設計的課題。

由上述培養模式可見，項目的目標是朝著“大學生全程科研訓練計劃”的模式發展，學生從入學開始即可接觸研究并跟隨大學四年，最后可以與畢業設計無縫銜接；這種方式以學生為中心，持續培養學生的工程實踐能力，逐步提高學生解決復雜工程問題的能力，能切實完成工程教育專業認證對學生能力培養的要求。

2.2 實踐循環模式課程體系設置

上述培養模式需要解決的關鍵問題在于梳理課程體系，設置各個階段的理論或實踐課程；隨后結合課程的知識體系和工程實際，合理的制定各個階段的實踐項目，并且使項目的研究內容保持銜接；最后完成具體的實踐指導指南，便于引導學生理解實施。

“傳感器原理”、“測試與檢測技術基礎”兩門課程的實驗設置，主要是在學生理解傳感器原理的基礎上，通過實驗加深對傳感器和信號檢測原理的理解。通常給定測量信號，經相應傳感器轉換成電信號后，利用相應的測量轉換模塊轉換成電壓信號。而每一種傳感器的專用“測量轉換模塊”正是“測控電路”課程的重要知識。“測控電路”課程中學生學習了測控電路設計的理論基礎，目前課內實驗主要是驗證電路設計的理論。三門課程內容有交叉，在實驗內容設置上需有所側重或對用過的傳感器開發新用途。以振動信號的測量為例，內容涉及到“傳感器原理”課程的差動變壓器特性實驗和“測控電路”課程的信號調制與解調實驗、信號放大實驗、信號濾波實驗等。前者重在對傳感器原理的理解，應用差動變壓器式傳感器實現靜態特性位移的測量。后者使用差動變壓器式傳感器對動態振動信號進行測量；在這個實驗中它既是感測，同時也是對信號的調制，雖然是熟悉的傳感器，卻是新的用途。

此外，為了進一步提高學生的理論和實踐的結合，需要一個實際操作環節。基于以上三門課程關系的分析提出如下方案：測控專業學生在大二學習“傳感器原理”，完成相應課內實驗；大三上下學期分別設置“測試與檢測技術基礎”、“測控電路”課程，完成課程內實驗；課程結束之后，引入一個將理論與實踐結合的“實訓”環節，完成理論的綜合應用和總結。各個階段的實踐要求在下節具體介紹。

3 實施情況

3.1 循環模式實施及各環節要求

大二學生學習完“傳感器原理”后，根據課程內實驗設置完成相應實驗項目，可以采用傳統專用實驗模塊進行實驗，理解基本理論；同時采用上屆學生自制的、元器件裸露在外的實驗電路板（低電壓，沒有安全隱患）進行對比實驗，可以對電路模塊中各個基本單元的功能進行進一步分析，為后續“測控電路”課程學習打下基礎。優點還包括能看到基礎的元器件和電路連接，直觀、易于理解和查錯。該實踐環節邏輯關系如圖2所示。

圖2 “傳感器原理”實驗兩種裝置對比操作

大三學完“測試與檢測技術基礎”、“測控電路”課程，完成課程內實驗之后，進入理論與實踐結合的“實訓”環節。在這個環節，為學生提供部分傳感器原理實驗中的轉換模塊及必須的檢測儀器，供學生研究實驗轉換模塊，繪制模塊原理圖并進行仿真；然后為其提供相應的器件，完成實驗模塊的制作、調試及對比分析。制作測試成功并經過指導老師檢查合格的模塊，將用于下屆學生做“傳感器原理”、“測控電路”和“測試與檢測技術基礎”實驗，開展對比分析，其關系如圖3所示。

圖3 大三學生測控電路課程的理論實踐升華

在這個階段，學生完成理論和實踐的結合，使理論實踐得到升華，同時，隨著學生能力的提升，設計要求可以相應提高，逐步向工程化方向發展。

3.2 循環模式實施效果

在此輪改革的實施過程中，根據學生要強化實踐的要求，增加了實訓環節，通過制作實驗模塊加深了學生對課程內容的理解；以上實驗項目中提到的所有轉換模塊均由學生自己制作完成，學生的分析問題能力、動手實踐能力均得到了鍛煉；所做模塊配合傳統模塊化的專用轉換模塊一同為低年級學生開展實驗，將傳統的模塊化、封裝化的電路開放化，學生可以直接看到電路元器件和連接，當出現問題時，可以根據裸露的電路，使用相應的儀器進行檢測，從而培養學生在實驗結果不理想時主動分析問題來源及原因的習慣。找到問題后，學生要主動解決問題，改掉之前出現問題就找老師的習慣，提高了學生分析問題解決問題的能力，變被動學習為主動學習。上述實踐活動貫穿整個培養周期，形成了實踐環節的循環運行模式。

4 結語

此次教學模式改革結合工程教育專業認證理念，對測控技術與儀器專業核心課程群進行梳理，設計了實驗課程逐層深入的循環培養模式，以期持續提升學生的實踐能力。經過近年來的逐步實施，我校測控專業學生實踐能力得到了顯著提升。開展過程中也遇到了一些問題，比如對于學生成果的考評，目前仍缺乏有效的研究。隨著項目的持續開展和完善，受益的學生將會越來越多，其優勢會更加明顯。