工程教育認證背景下測控專業(yè)課程實驗教學方法探索與改革

白潔，曹建安，湯曉君，孔忻

摘? 要：實驗教學是工程教育認證重點關注的方向之一，是解決復雜工程問題的重要手段。文章分析了西安交通大學測控專業(yè)課程實驗教學現(xiàn)狀及存在問題，結合工程教育認證理念，從優(yōu)化實驗項目、豐富實驗內(nèi)容、重視實驗過程評價等方面提出了改革與創(chuàng)新的方向，并且形成了持續(xù)改進的有效機制。以電氣測量技術課程實驗教學改革為例，敘述了改革的全過程和對課程建設起到的積極作用。

關鍵詞：工程教育認證;實驗教學改革;測控技術與儀器

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）30-0113-04

Abstract： Experimental teaching is one of the focuses of engineering education accreditation and an important means to solve complex engineering problems. This paper analyzes the current situation and existing problems of the core course experimental teaching of measurement and control specialty in Xi'an Jiaotong University. Combined with the concept of engineering education certification， the paper puts forward the direction of reform and innovation from aspects of optimizing experimental projects， enriching experimental contents and paying attention to the evaluation of experimental process， and forms an effective mechanism for continuous improvement. Taking the experimental teaching reform of electrical measurement technology as an example， the whole process of the reform and the positive effect on the course construction are described.

Keywords： engineering education accreditation; reform of experimental teaching; measurement and control technology and instruments

工程教育專業(yè)認證是國際通行的工程教育質量保證制度，也是實現(xiàn)工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎，這關系到畢業(yè)學生的前途。其基本理念是以學生為中心（SC），成果為導向（OBE），持續(xù)改進（CQI）為機制，它已經(jīng)獲得了社會的普遍認可，對于全面推進專業(yè)建設，提高我國本科生畢業(yè)質量及推向國際服務市場意義重大。工程教育專業(yè)認證是培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、教學計劃、教學過程和考核評價為一體的閉環(huán)體系，根據(jù)評價考核結果反饋依次逆向修改直至培養(yǎng)目標。西安交通大學測控技術與儀器專業(yè)的培養(yǎng)目標是將學生定位在智能制造、信息、能源、電氣、環(huán)境、航空航天、醫(yī)療等領域， 成為從事儀器科學與技術相關的科學研究、技術開發(fā)、設計制造、工程管理等方面工作的研究型、創(chuàng)新型人才。這就要求學生不但要系統(tǒng)地掌握儀器科學與技術專業(yè)知識，將其應用于解決測控技術與儀器領域復雜工程問題的工作實踐中，同時還要具有根據(jù)工程需要，設計、開發(fā)儀器和測控系統(tǒng)的能力、工程項目的管理能力、能相互協(xié)作、自主學習與適應發(fā)展的能力。通過對畢業(yè)學生、用人單位和行業(yè)專家的問卷調(diào)查和走訪調(diào)研，發(fā)現(xiàn)畢業(yè)生的薄弱環(huán)節(jié)主要集中在“解決測控技術與儀器領域復雜工程問題”上，追根溯源，需要對培養(yǎng)方案和專業(yè)課程教學大綱進行進一步完善，歸根結底要在專業(yè)課程的教學上進行改革與創(chuàng)新，尤其是“復雜工程問題的解決”方面，專業(yè)課程實驗就要充當重要的角色[1]。

在工程教育認證這個大背景下，國內(nèi)高校專業(yè)課程實踐教學已經(jīng)進行了有益的嘗試和探索，提出了一些行之有效的方法[2]。我們對這些方法進行了分析并加以借鑒，現(xiàn)以電氣測量技術課程為例，提出了專業(yè)課程實驗的改革措施，并加以實踐和總結。

一、專業(yè)課程實驗教學存在的問題

隨著工程教育認證理念（復雜工程）的提出，暴露出我們的課程實驗教學仍存在許多問題。專業(yè)課程實驗設計基本上是根據(jù)理論課程的內(nèi)容要求進行設計的，為了讓學生能夠快速準確地完成實驗，老師往往把實驗內(nèi)容和步驟都寫得非常詳細，學生只要按照實驗指導書的引導，按實驗步驟基本上就能順利地完成實驗，學生也能有所收獲[3]。但是在整個實驗過程中，學生都是按部就班地被動做實驗，沒有主動思考和學習的機會，無法調(diào)動學生實驗的積極性。一般說來實驗過程太過順利不利于學生學習能力的培養(yǎng)，教師應該預想到學生實驗過程中可能出現(xiàn)的問題，精心設計實驗，制造些小的BUG，這樣既能激發(fā)學生主動學習、解決問題的積極性，也能在遇到問題時不會產(chǎn)生無從下手的窘境。目前實驗教學中的弊端包括以下4個方面。

（一）實驗內(nèi)容缺乏實際工程問題

原電氣測量技術課程實驗包括5個實驗項目，其中1個為軟件編程平臺的學習，主要是學習數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的方法;4個為設計性實驗項目，包括溫度、電路參數(shù)（電阻、電容和電感）、電量參數(shù)及磁測量等，這些實驗內(nèi)容比較傳統(tǒng)，學生只要在實驗室環(huán)境中在試驗平臺上測量和處理數(shù)據(jù)即可。一般說來，我們給學生提供的實驗環(huán)境是理想的，而實際工程現(xiàn)場遠遠不是這樣的，那里會有電磁干擾、噪聲、振動與灰塵，對其處理方法也會與實驗室不同。因此，我們應該引入更符合工程實際的實驗項目，可將老師的科研課題與課程實驗結合起來。

（二）實驗手段缺乏先進性

我們目前的測試方法和手段比較傳統(tǒng)，制作試驗箱作為實驗平臺。這樣，硬件平臺已經(jīng)固定，學生發(fā)揮的余地就不大，學生的積極性也就不高，更不要說學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，很難達到工程教育認證的要求。

（三）實驗考核缺乏過程評價機制

現(xiàn)有的實驗教學考核方式包括出勤+實驗報告兩部分，實驗考核機制單一，從中只能看出學生做完了實驗，看不到實驗過程中學生思維方式以及實驗的操作能力。工程教育認證中堅持以能力為導向，要以多種方式從多個角度考查學生能力[4]，這與工程教育認證中的“過程評價”和“評價-改進-再評價”的閉環(huán)管理方式不符。

（四）實驗指導教師缺乏工程經(jīng)驗

實驗指導教師常年在教育的第一線，專業(yè)知識深厚、理論基礎扎實，但也存在著實際工程經(jīng)驗少等問題，更不要說培養(yǎng)學生具有解決工程實際問題的能力[5]。另一方面，大部分實驗指導教師對工程教育認證理念認識不夠，不能以學生為中心，所以要加強對教師及學生的工程教育認證宣傳工作。

二、測控技術和儀器專業(yè)課程實驗教學改革措施

針對上述問題，結合工程教育專業(yè)認證的理念，對測控技術和儀器專業(yè)課程實驗教學進行了改革。

（一）梳理課程教學大綱

根據(jù)測控技術和儀器專業(yè)的培養(yǎng)目標要求，細化畢業(yè)要求的指標點，根據(jù)各項畢業(yè)要求指標點梳理專業(yè)課程內(nèi)容，制定課程教學目標[6]。例如：電氣測量技術課程的教學目標對畢業(yè)要求的支撐關系如表1所示。

（二）更新實驗教學內(nèi)容

為了能讓學生更好地了解測控技術與儀器專業(yè)的科技前沿技術，緊跟行業(yè)潮流，對課程實驗內(nèi)容進行了重新梳理，盡量選取與工程實際接近的項目，可以是老師以前的科研項目，也可以將競賽題目分解成合適的實驗項目。

在原有實驗平臺的基礎上，又自制了2臺實驗設備，一是高壓電流測試試驗臺;另一個是電機轉速實驗平臺。我們只給學生提供實驗對象，提出測試指標，學生據(jù)此完成硬件調(diào)理電路以及軟件編程進行全過程的數(shù)據(jù)處理，最終寫出類似論文格式的實驗報告。實驗指導由教師協(xié)助、監(jiān)督學生設計以及完成實驗的各個環(huán)節(jié)。

為了培養(yǎng)學生的組織管理和協(xié)作能力，進行有效溝通和交流，學生一般3人為一組，每人都必須承擔實驗項目的部分內(nèi)容，這樣既鍛煉了學生團隊合作能力，也提升學生溝通和表達的能力。因為學生從頭到尾都是自己設計硬件調(diào)理電路，在實驗方法和元器件的選擇等方面可以加深對測量系統(tǒng)組建的理解，認識到元器件選型及電路組成對整個測量系統(tǒng)的經(jīng)濟及使用性能的影響，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和解決實際工程問題的能力。此外，還鼓勵學生自定題目，自主設計，激發(fā)學生參與實驗的積極性與主動性，這些對于其工程實踐能力以及創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)大有益處。

（三）改進實驗教學方法

學生在實驗室做實驗基本上是理想環(huán)境，實際的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境要復雜的多，比如電磁輻射、噪聲和振動等問題就無可避免，所以在實驗方案設計和元器件的選擇上都要充分考慮，將可持續(xù)發(fā)展、環(huán)保和循環(huán)再利用等理念引入實驗當中，這樣才能獲得較為真實的工程體驗。這對實驗指導教師的指導水平和工程素養(yǎng)提出了較高的要求，可采用實驗指導教師走出去，企業(yè)專家走進來的方式解決該問題。

（四）完善考核評價體系

實驗考核體系是實驗教學過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，也是持續(xù)改進的依據(jù)，持續(xù)跟蹤改進效果并收集信息用于下一步改進，形成“評價-改進-再評價”的閉環(huán)管理，這是一種質量持續(xù)不斷提高的循環(huán)式上升過程[7]。

對整個實驗過程進行評價，調(diào)動了學生完成實驗的積極性，對學生綜合能力的培養(yǎng)具有積極的作用。這與工程教育認證體系中所強調(diào)的過程評價也吻合。電氣測量技術課程實驗最終成績采用過程評價的方式，包括：實驗中的各個環(huán)節(jié)是否做到位+解決問題的能力+協(xié)作能力+溝通能力+學習能力+實驗報告。

三、實施與效果

我們以電氣測量技術課程實驗教學設計為例，簡述實驗實施過程及效果。

（一）實驗實施過程

實驗設計包括2個部分的內(nèi)容，教師設計實驗和學生完成實驗，見圖1所示。

1. 教師設計實驗部分

理論課程教師與實驗指導教師商議共同設計實驗內(nèi)容，具體實驗設計及考核學生整個實驗過程由實驗指導教師完成。

（1）實驗目標

根據(jù)理論課程內(nèi)容以及要求學生對復雜工程問題的解決來設計實驗。要求學生搭建一個測量大電流的測試平臺。對于這樣的題目，學生首先要了解被測對象的特性，尋找合適的測量方法。

（2）實驗內(nèi)容

首先學生閱讀相關文獻，了解測量大電流的幾種方法，找出它們之間的優(yōu)劣及適用場合，根據(jù)實驗要求確定合適的測量方案。

（3）測量系統(tǒng)組建平臺方案的確定

在學生確定了大電流測量方案后，就要設計大電流測量系統(tǒng)的總體結構框圖，了解每一環(huán)節(jié)的作用和設計方法。

（4）實驗步驟

教師列出實驗步驟，設計問題，讓學生解決問題，引導學生完成實驗內(nèi)容。

因為每個學生的學習能力是不同的，有些能力好的同學很容易理解老師的意圖，可以較好地完成測量方法的選擇及設計實現(xiàn)。但有些同學不行，所以，老師就必須更加細化步驟，先讓同學跟著步驟完成實驗，然后再回過頭來思考為什么這樣做？這樣做能達到什么樣的目的？如果學生想通了這一切，那么他們在如何發(fā)現(xiàn)問題和解決問題上會有一個飛躍，同時也會具有舉一反三的能力。這樣手把手教學生同時不斷讓他們學習解決問題的方法，激發(fā)了學生自主學習的積極性，最終對于完成整個實驗具有自豪感，同時增強了自信心。

2. 學生實驗部分

學生根據(jù)教師設計的實驗步驟，以問題驅動完成實驗，具體的實驗步驟見表2所示。

圖2為學生繞制的240匝的羅氏線圈，因為每組學生繞制線圈的匝數(shù)不同，可讓學生分析線圈大小對測試結果的影響。

圖3為羅氏線圈的輸出波形，該圖是將羅氏線圈采集的200A、400A和800A三個不同的電流合成在一起的波形圖。

（二）改革實施效果

測控81班有學生30名，70%的學生80分以上，10%的學生90分以上，其中失分最多的是調(diào)理電路設計和誤差分析兩部分內(nèi)容，所以今后在課堂上教師要加強這兩部分內(nèi)容的講解，多舉實例，詳細分析。同時，在實驗設計上也要更加細致和有針對性，引導學生較好地完成實驗。從學生實驗報告中的“實驗體會”可以看出，學生對這種形式的實驗是比較認可的，整個實驗環(huán)節(jié)都由學生自己完成，教師引導，提出問題，學生因循解決問題，完成整個實驗。

四、結束語

結合工程教育認證中實踐教學的理念，以學生中心、產(chǎn)出導向和持續(xù)改進為目標，對專業(yè)工程實踐和復雜工程問題提出解決方案。以電氣測量技術課程的實驗教學為例，重點說明了對課程教學大綱、更新課程實驗教學內(nèi)容、創(chuàng)新實驗教學方法和改進考核評價體系的改革。從最終的實施效果來看，達到了改革的目的，以學生為中心、以成果為導向、以持續(xù)改進為機制，形成“評價-改進-再評價”的閉環(huán)管理方式，使學生在工程實踐中分析問題及解決問題的能力得到了提升。

參考文獻：

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