機(jī)電專業(yè)《測控電路》課程教學(xué)改革探析

許向榮，于復(fù)生，李彥鳳

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東濟(jì)南，250101；2.山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南，250101）

0 引言

機(jī)電專業(yè)旨在培養(yǎng)能夠運(yùn)用機(jī)械加工、電子設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制、檢測傳感、伺服傳動(dòng)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵性技術(shù)，從事機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)等方面工作的高級工程技術(shù)人才。機(jī)電一體化產(chǎn)品的主要特征就是智能化，因此機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)離不開測控系統(tǒng)，關(guān)鍵是測控電路的設(shè)計(jì)。因此，《測控電路》課程教學(xué)與改革在機(jī)電專業(yè)本科生的教學(xué)培養(yǎng)中起著非常重要的作用。通過測控電路的學(xué)習(xí)，不僅要使機(jī)電專業(yè)本科生學(xué)會(huì)分析機(jī)電測控系統(tǒng)中的典型電路，而且能夠運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行機(jī)電一體化測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而解決工程應(yīng)用中的實(shí)際問題，為今后從事本專業(yè)的技術(shù)和研究工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

目前，很多高校進(jìn)行了關(guān)于《測控電路》課程教學(xué)改革的研究。劉得軍等對測控技術(shù)及儀器專業(yè)本科生的《測控電路》教學(xué)方法進(jìn)行了改革與探索，提出了一些改革措施，如建立課程架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多課程融合等［1］；趙茜針對測控技術(shù)及儀器專業(yè)本科生的《測控電路》教學(xué)改革進(jìn)行了探討，提出了加強(qiáng)課程建設(shè)的必要性及相關(guān)措施［2］。黃凱征針對測控技術(shù)及儀器專業(yè)本科生《測控電路》教學(xué)的現(xiàn)狀及存在問題，并結(jié)合電子技術(shù)教學(xué)改革的現(xiàn)狀，提出了一些課程教學(xué)的改革方法［3］。張玉萍等提出了測控技術(shù)及儀器專業(yè)本科生的《測控電路》課程的模塊式教學(xué)模式，并探討了《測控電路》課程考核方式的改革思路與措施［4－5］。

由以上來看，現(xiàn)有研究多數(shù)基于《測控電路》在測控技術(shù)與儀器專業(yè)本科生中的教學(xué)改革研究，很少有針對其在機(jī)電專業(yè)本科生中的教學(xué)改革研究。機(jī)電專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)側(cè)重于機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)，以機(jī)為主，以電為輔，機(jī)電有機(jī)結(jié)合；而測控技術(shù)及儀器專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)側(cè)重于精密測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，以電為主。可以看出機(jī)電專業(yè)和測控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)差異較大，其教學(xué)改革的方法也應(yīng)有所不同。此外，關(guān)于教學(xué)改革的研究多數(shù)沒有應(yīng)用實(shí)例來驗(yàn)證其改革效果?；谏鲜鲈颍恼略谘芯苛恕稖y控電路》在機(jī)電專業(yè)中課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，查找出該課程的課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)中存在的主要問題，并分別從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等方面的改革進(jìn)行了初步探討，并將其應(yīng)用到機(jī)電專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，取得了明顯的改革效果。

1 《測控電路》課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1 課堂教學(xué)現(xiàn)狀

由于機(jī)電專業(yè)與測控技術(shù)及儀器專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)不同，其在專業(yè)課程設(shè)置中的地位明顯不同，機(jī)電專業(yè)的《測控電路》課程是選修課，而測控技術(shù)及儀器專業(yè)的《測控電路》課程是必修課。因而在教學(xué)內(nèi)容的難易程度、應(yīng)用范圍以及學(xué)習(xí)方法上都應(yīng)有所不同。

但是，目前《測控電路》在機(jī)電專業(yè)的課堂教學(xué)中往往采用的還是在測控技術(shù)及儀器專業(yè)中的教學(xué)模式，即只一味地給學(xué)生灌輸一些典型測控電路模塊的原理性知識，進(jìn)行簡單的電路分析，而沒有及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，并將其放在機(jī)電一體化系統(tǒng)中來學(xué)習(xí)。因此，一方面對于機(jī)電專業(yè)的學(xué)生來說該教學(xué)內(nèi)容偏難，做不到及時(shí)更新；另一方面也無法使學(xué)生形成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，因此使得學(xué)生不能利用所學(xué)知識去分析、解決和設(shè)計(jì)實(shí)際的機(jī)電一體化系統(tǒng)中的測控問題，而且學(xué)生普遍反映測控電路復(fù)雜、抽象、難理解，極大地打擊了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，學(xué)習(xí)效果不佳，因而很難達(dá)到教學(xué)目的。

1.2 實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

實(shí)踐教學(xué)中，通常都采用實(shí)驗(yàn)箱，教師講解原理后由學(xué)生進(jìn)行簡單的插接就完成演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，再加上課時(shí)與實(shí)驗(yàn)條件的限制，使得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏離實(shí)際的機(jī)電一體化測控系統(tǒng)，不能從根本上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐動(dòng)手能力，結(jié)果往往是有些學(xué)生根本不理解實(shí)驗(yàn)的目的，就完成了實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果可想而知［6］。

因此，有必要針對現(xiàn)有的教學(xué)方法進(jìn)行改革探索，以加強(qiáng)《測控電路》的課程教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，真正培養(yǎng)具有創(chuàng)新思想和動(dòng)手能力的學(xué)生，以適應(yīng)社會(huì)和用人單位的要求。

2 《測控電路》課程教學(xué)改革

針對《測控電路》在機(jī)電專業(yè)課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，文章分別從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面對《測控電路》課程進(jìn)行了課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)改革探討。

2.1 課堂教學(xué)改革

2.1.1 課堂教學(xué)內(nèi)容改革在課程教學(xué)內(nèi)容改革上，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：（1）篩

教師首先要認(rèn)真研究教學(xué)大綱，以該大綱為依據(jù)，并結(jié)合機(jī)電專業(yè)培養(yǎng)要求，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)的篩選，盡量選取符合本專業(yè)并與工程實(shí)際應(yīng)用結(jié)合比較緊密的測控電路進(jìn)行講解，在有限的課時(shí)內(nèi)，使學(xué)生能夠獲得盡可能多的知識。如機(jī)電一體化專業(yè)的代表性產(chǎn)品是數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人，因此在篩選測控電路的教學(xué)內(nèi)容時(shí)，要多以數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等機(jī)電一體化系統(tǒng)中的典型電路為例進(jìn)行講授，真正讓學(xué)生能夠?qū)⒗碚摵蛯?shí)際聯(lián)系起來，更好地掌握測控電路的相關(guān)知識。

（2）新

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和集成技術(shù)的快速發(fā)展，測控電路中所用到的元器件更新?lián)Q代很快，因此教師不能一成不變地只教授教材中的知識，而要積極引導(dǎo)學(xué)生通過圖書館或網(wǎng)絡(luò)等途徑去了解微電子技術(shù)發(fā)展中的新動(dòng)態(tài)和新產(chǎn)品，并對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新，及時(shí)添加新知識、新技術(shù)，做到“常流常新”。例如在《測控電路》第六章中講到信號轉(zhuǎn)換電路的A／D轉(zhuǎn)換電路時(shí)，除了講授典型的A／D轉(zhuǎn)換器（逐次逼近式、雙積分式及并行比較式）之外，應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生課下去查閱新型的A／D轉(zhuǎn)換器，學(xué)生經(jīng)過查閱相關(guān)資料，獲得了兩種新型的A／D轉(zhuǎn)換器：流水線型和Σ－Δ型A／D轉(zhuǎn)換器，并對其特點(diǎn)、原理及應(yīng)用進(jìn)行了學(xué)習(xí)，既鍛煉了學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力，又開闊了學(xué)生的視野，增長了知識。

（3）通

要注意知識的融會(huì)貫通。雖然測控電路是測控系統(tǒng)的核心，但是，離開了傳感器，單片機(jī)控制等，測控電路就無從談起，無法真正地實(shí)現(xiàn)測量與控制。因此在進(jìn)行測控電路教學(xué)內(nèi)容的安排時(shí)，要充分考慮課程知識的融會(huì)貫通，盡量選擇一個(gè)系統(tǒng)來進(jìn)行教學(xué)，例如當(dāng)講到參數(shù)獨(dú)立可調(diào)的PID控制電路時(shí)，一般會(huì)以溫度測控系統(tǒng)為例來進(jìn)行講解（如圖1所示）。該系統(tǒng)首先要對溫度傳感器及其接口電路進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)，同時(shí)還涉及到《傳感器技術(shù)》課程的相關(guān)內(nèi)容，然后要對傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大、濾波及PID調(diào)節(jié)，同時(shí)還涉及到《測控電路》課程的相關(guān)內(nèi)容，因此，從溫度傳感器到信號的放大、濾波、PID調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)逐步進(jìn)行講解，既可讓學(xué)生做到了溫故而知新，對學(xué)過的知識有了一定的鞏固，又可使學(xué)生體會(huì)到以前所學(xué)課程的意義，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的成就感。

2.1.2 課程教學(xué)方法改革

在課程教學(xué)方法改革上，要做到以下幾點(diǎn)：

（1）采用“啟發(fā)式研究性教學(xué)”方法

采用啟發(fā)式教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生自己去探索研究發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)方法，如測控電路的分析多數(shù)是以運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)的應(yīng)用電路，因此對這類電路的分析，通常采用“虛短、虛斷、基爾霍夫定律”這三個(gè)概念，一般將這三個(gè)概念統(tǒng)稱為分析測控電路的“三板斧”。只要用好這三板斧，幾乎所有的集成運(yùn)算放大器組成的測控電路的分析都可以迎刃而解（如圖2所示）。因此，在開始講授典型測控電路之前，首先要引導(dǎo)學(xué)生自己去歸納總結(jié)出該學(xué)習(xí)方法。

圖2 分析測控電路三板斧圖

（2）要基于CDIO理念，變“填鴨式教學(xué)法”為“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法”［7－8］

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是在課程開始時(shí)，就布置貫穿整門課程的實(shí)際項(xiàng)目，然后以項(xiàng)目為主線，逐步學(xué)習(xí)其中的典型測控電路，直到最后設(shè)計(jì)出測控系統(tǒng)。以測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，在講解其自上而下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法時(shí)，如果單純地講解“總體方案的設(shè)計(jì)—具體單元的設(shè)計(jì)—具體元件的設(shè)計(jì)”三個(gè)步驟，會(huì)比較枯燥、抽象，難懂。如果結(jié)合實(shí)例進(jìn)行講解就會(huì)使整個(gè)方法變得生動(dòng)有趣。一般以典型的溫度測控系統(tǒng)為例，在總體設(shè)計(jì)方案階段，首先要弄清被測量和控制量、系統(tǒng)性能、精度、功能、開發(fā)周期及成本等要求，然后將該溫度測控系統(tǒng)劃分為若干個(gè)功能電路，設(shè)計(jì)好每個(gè)功能電路后，再進(jìn)行具體元件的設(shè)計(jì)。在此過程中，教師只起引導(dǎo)的作用，由學(xué)生作為主體來進(jìn)行，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，積極地探索、思考與研究，激發(fā)他們的求知欲，從而提高他們的創(chuàng)新實(shí)踐能力。同時(shí)可以結(jié)合電路仿真軟件，如Proteus、Multisim等，做到邊學(xué)習(xí)邊仿真，以加深學(xué)生的知識理解，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)興趣，增加學(xué)生設(shè)計(jì)測控電路的自信心［9－12］。

2.2 實(shí)踐教學(xué)改革

《測控電路》的教學(xué)目標(biāo)要求“教、學(xué)、做”三統(tǒng)一，因此需要大量的動(dòng)手實(shí)踐來支撐理論教學(xué)的效果。但是，隨著課程學(xué)時(shí)的壓縮，如果能夠在有限的資源和學(xué)時(shí)內(nèi)保證學(xué)生的高效學(xué)習(xí)，需要任課教師進(jìn)行深入的探討與實(shí)踐。

2.2.1 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容改革

在實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容改革上，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：

（1）加大多層次化實(shí)踐體系中設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的比重

多層次化實(shí)踐體系一般可分成演示性實(shí)驗(yàn)、操作性實(shí)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次［13］。演示性實(shí)驗(yàn)和操作性實(shí)驗(yàn)主要幫助學(xué)生加深對測控電路原理的知識理解，通過改變某些關(guān)鍵元件的參數(shù)，觀察示波器輸出波形的變化，使學(xué)生加深理解如何合理選擇電路的參數(shù)；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識，一般由教師給學(xué)生提供一些簡單實(shí)用的設(shè)計(jì)題目，或者由學(xué)生通過圖書館或網(wǎng)絡(luò)等多種途徑，進(jìn)行文獻(xiàn)資料的查閱后自擬題目，完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)。因此，在安排好演示性實(shí)驗(yàn)和操作性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，盡可能增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例，使學(xué)生真正能夠掌握從設(shè)計(jì)、仿真、制板、焊接、調(diào)試的全過程，從而增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對知識的理解，拓寬其知識面，進(jìn)而提高課程教學(xué)效率和效果。

（2）在課程設(shè)計(jì)或綜合實(shí)踐周中，搭建機(jī)電專業(yè)單片機(jī)傳感器測控創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)

該平臺(tái)以傳感器技術(shù)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、測控電路等課程知識為基礎(chǔ)進(jìn)行機(jī)電測控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，包括從任務(wù)的提出，技術(shù)要求的撰寫，總體方案的設(shè)計(jì)選擇，可行性分析等各個(gè)環(huán)節(jié)，使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體，真正培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力。

2.2.2 實(shí)踐教學(xué)方法改革

在實(shí)踐教學(xué)方法改革上，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：

（1）要軟件仿真和硬件電路相結(jié)合，以實(shí)驗(yàn)電路為主，軟件仿真為輔

傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式是學(xué)生先抄寫預(yù)習(xí)報(bào)告，然后到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，搭建實(shí)驗(yàn)電路，但是由于學(xué)生積極性不高，往往不預(yù)習(xí)就去現(xiàn)場做實(shí)驗(yàn)，因此往往搞不清需要什么樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；再加上實(shí)驗(yàn)設(shè)備和耗材昂貴，所以有相當(dāng)一部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是只能進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，無法進(jìn)行實(shí)際開設(shè)，因此在很大程度上扼殺了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造能力。因此，在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限的情況下，為了保證正常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)度，便于學(xué)生設(shè)計(jì)和降低實(shí)驗(yàn)成本，一方面可以利用小型實(shí)驗(yàn)面包板引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電路中元器件的拼插接設(shè)計(jì)；另一方面也可以利用諸如Proteus、Multism等電子仿真軟件，由學(xué)生在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真、調(diào)試［14－15］，化難為易，變抽象為具體，最后達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這種教學(xué)模式既可提高學(xué)生設(shè)計(jì)電路的信心和創(chuàng)新能力，讓他們體會(huì)到了親手搭建電路的快樂；同時(shí)，也可減輕高校的實(shí)驗(yàn)投入。但是需要注意的是軟件仿真畢竟不是真實(shí)的硬件儀器儀表，在真實(shí)性方面往往會(huì)有些偏離，不能完全替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段，因此只能輔助實(shí)驗(yàn)電路的教學(xué)。

（2）通過其它教學(xué)環(huán)節(jié)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)際測控系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試與制作

由于《測控電路》的知識很抽象，難以理解。因此，在教學(xué)經(jīng)費(fèi)允許的情況下，在其它教學(xué)環(huán)節(jié)（如課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)或電子大賽等）中，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)際測控系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，仿真，制作與調(diào)試，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高實(shí)踐教學(xué)效果，讓學(xué)生真正從理論中走向?qū)嵺`。

3 《測控電路》教學(xué)改革的成效

為了探索《測控電路》在機(jī)電專業(yè)中課程教學(xué)改革的效果，將該教學(xué)改革方法應(yīng)用到機(jī)電專業(yè)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過布置具體的設(shè)計(jì)任務(wù)，由學(xué)生作為主體發(fā)現(xiàn)問題，然后獲取信息、分析問題、制定方案，最后實(shí)施方案、解決問題。圖3為仿人表情機(jī)器人頭部系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖，是學(xué)生針對仿人表情機(jī)器人頭部系統(tǒng)動(dòng)作設(shè)計(jì)開發(fā)的控制電路。在該設(shè)計(jì)過程中，由于表情機(jī)器人頭部系統(tǒng)的表情動(dòng)作主要由直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)來完成的，因此學(xué)生在經(jīng)過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料之后，針對該表情機(jī)器人頭部系統(tǒng)的各個(gè)表情動(dòng)作分別進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路模塊，完成了從設(shè)計(jì)、仿真到制作調(diào)試的整個(gè)環(huán)節(jié)，最終完成了該表情機(jī)器人測控電路的設(shè)計(jì)。經(jīng)過這一系列的實(shí)踐，從根本上轉(zhuǎn)變了學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，大大調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了對《測控電路》課程教學(xué)內(nèi)容的理解，培養(yǎng)了其分析解決實(shí)際工程項(xiàng)目問題的能力。通過課程教學(xué)改革實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)該課程教學(xué)改革效果明顯。

圖3 仿人表情機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

4 結(jié)語

《測控電路》教學(xué)與實(shí)踐改革的目的是真正培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)學(xué)生，以更好地服務(wù)社會(huì)。作為大學(xué)教師，要不斷探索嘗試新的教學(xué)方法和手段，利用先進(jìn)的教育教學(xué)理念CDIO武裝頭腦，綜合課程與實(shí)踐中出現(xiàn)的諸多問題，要勇于改革與創(chuàng)新，真正通過深化課程教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)改革，并將該教學(xué)改革方法應(yīng)用到機(jī)電專業(yè)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)中，取得了明顯的改革效果。從根本上轉(zhuǎn)變了學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，大大調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了對《測控電路》課程教學(xué)內(nèi)容的理解，培養(yǎng)了其分析解決實(shí)際工程項(xiàng)目問題的能力。

［1］劉得軍，錢步仁，艾清慧，等.＂測控電路＂教學(xué)方法改革與探索［J］.中國電力教育，2013（30）：110－111.

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