新工科背景下基于專業(yè)核心課程的進(jìn)階式實(shí)踐課程創(chuàng)新與探索
——以測控技術(shù)與儀器專業(yè)為例

戴 梅 李 鑫 毛麗民 謝 啟

常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 江蘇常熟 215500

新一輪的科技和產(chǎn)業(yè)變革正在世界范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展,對(duì)高等工程教育提出新的挑戰(zhàn)。新工科計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生,為我國邁向工業(yè)強(qiáng)國行列提供新型工科人才。工程能力和創(chuàng)新能力是新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)的核心要素,而實(shí)踐活動(dòng)是關(guān)鍵的達(dá)成途徑之一。當(dāng)前,人才培養(yǎng)的校內(nèi)實(shí)踐教學(xué)體系主要由“課程實(shí)驗(yàn)—課程設(shè)計(jì)—畢業(yè)設(shè)計(jì)”三部分構(gòu)成,提高綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)在課程實(shí)驗(yàn)中的占比、以項(xiàng)目—任務(wù)驅(qū)動(dòng)課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)改革的探索,極大地促進(jìn)了人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。然而,課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目僅為部分課程實(shí)驗(yàn)的綜合,內(nèi)容局限于個(gè)別課程,作為專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的中間環(huán)節(jié),對(duì)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力發(fā)展的支撐仍顯薄弱。本文以測控技術(shù)與儀器專業(yè)為例,針對(duì)當(dāng)前課程設(shè)計(jì)在新型工科人才培養(yǎng)方面的不足和卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0專業(yè)建設(shè)的要求,基于專業(yè)核心課程群構(gòu)建進(jìn)階式創(chuàng)新實(shí)踐課程,以大項(xiàng)目思維拓展集中實(shí)踐課程外延,與專業(yè)核心課程的研究型學(xué)習(xí)相融合,提升學(xué)生高階思維能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

一、當(dāng)前測控專業(yè)課程設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

測控技術(shù)與儀器專業(yè)一般在第二學(xué)期開始設(shè)置專業(yè)核心課程,經(jīng)過四個(gè)學(xué)期修完電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、信號(hào)分析與處理、傳感器原理與檢測技術(shù)、誤差理論與數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)控制原理和單片機(jī)原理與接口技術(shù)等必修課程,在應(yīng)用實(shí)踐性較強(qiáng)的三電課程和單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程之后,分別設(shè)有相應(yīng)課程的集中實(shí)踐環(huán)節(jié),以訓(xùn)練學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐和解決實(shí)際問題的能力。在工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)下,電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)和單片機(jī)課程設(shè)計(jì)開展以結(jié)果為導(dǎo)向,以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法和內(nèi)容的改革,取得一定成效。然而,面對(duì)新工科人才培養(yǎng)和“卓工計(jì)劃2.0”提出的挑戰(zhàn),課程在以下幾方面還存在不足。

(一)內(nèi)容與專業(yè)結(jié)合不緊密,未能突顯專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)

在新的培養(yǎng)方案中明確提出,測控專業(yè)面向工業(yè)自動(dòng)化測試領(lǐng)域培養(yǎng)能夠解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的應(yīng)用工程師,能夠運(yùn)用測試測量與控制專業(yè)知識(shí)從事測試系統(tǒng)或相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)工作。當(dāng)前,電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目主要圍繞數(shù)字電路和電源電路的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行訓(xùn)練,較少涉及信號(hào)的測試測量。一方面,該階段尚未開設(shè)信號(hào)獲取相關(guān)課程;另一方面,在實(shí)踐方式上,仿真難以體現(xiàn)模擬信號(hào)的實(shí)際變化趨勢,而面包板搭建或萬用板焊接方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理的完成率較低。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目側(cè)重內(nèi)部模塊和外設(shè)的綜合應(yīng)用,以技能訓(xùn)練為主要目標(biāo),領(lǐng)域特征不顯著。

(二)實(shí)施進(jìn)程不全面,未實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目全流程覆蓋

課程設(shè)計(jì)一般安排課內(nèi)16學(xué)時(shí),首先由教師布置項(xiàng)目任務(wù),引導(dǎo)學(xué)生分析項(xiàng)目需求、確定技術(shù)指標(biāo)、進(jìn)行分組分工;接著學(xué)生利用課外時(shí)間預(yù)習(xí)自學(xué),查找文獻(xiàn)資料、了解理論知識(shí)、比較候選方案;在現(xiàn)場教學(xué)階段,充分發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性,進(jìn)行項(xiàng)目具體設(shè)計(jì)并通過仿真軟件驗(yàn)證;最后完成結(jié)果驗(yàn)收工作。由于受限于學(xué)時(shí)數(shù)的約束,原理性電路設(shè)計(jì)(或包含軟件設(shè)計(jì))未能進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證,缺失了工程項(xiàng)目實(shí)踐的重要環(huán)節(jié),工程項(xiàng)目中人員、成本、進(jìn)度管理等非技術(shù)因素也未得到體現(xiàn),在學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)上尚有不足。

(三)缺乏學(xué)科交叉融合,兩度一性不足

現(xiàn)有電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)和單片機(jī)技術(shù)課程設(shè)計(jì)局限于個(gè)別課程,注重技能型訓(xùn)練,忽略測試測量領(lǐng)域的學(xué)科交叉融合,與專業(yè)核心課程群耦合度不高,項(xiàng)目要求較基礎(chǔ),缺乏挑戰(zhàn)性,在高階性思維能力、工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)上未形成強(qiáng)力支撐,不能滿足新工科背景下應(yīng)用型工程人才的培養(yǎng)需求。

二、基于專業(yè)核心課程群的進(jìn)階式實(shí)踐體系構(gòu)建思路

針對(duì)測控技術(shù)與儀器專業(yè)課程設(shè)計(jì)的不足,剖析問題根源,重新梳理兩門課程設(shè)計(jì)與專業(yè)核心課程間的關(guān)系,明確以測試測量領(lǐng)域工程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)整體實(shí)踐教學(xué),以工程實(shí)踐在不同階段的要求為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)一條有序銜接、分層遞進(jìn)的項(xiàng)目主線,圍繞項(xiàng)目主線重塑實(shí)踐教學(xué)體系,將學(xué)科專業(yè)知識(shí)以及設(shè)計(jì)與專業(yè)技能模塊化項(xiàng)目進(jìn)行組合或嵌入項(xiàng)目之中,以項(xiàng)目為載體突出對(duì)學(xué)生高階性思維、工程能力和創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)的培養(yǎng),推進(jìn)建設(shè)實(shí)踐項(xiàng)目化、工程項(xiàng)目課程化的實(shí)踐教學(xué)體系。

圍繞有序銜接、分層遞進(jìn)的設(shè)計(jì)宗旨,對(duì)電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)和單片機(jī)技術(shù)課程設(shè)計(jì)統(tǒng)籌規(guī)劃,對(duì)課程的目標(biāo)、內(nèi)容、達(dá)成方式和階段性功能重新設(shè)計(jì),逐步形成“一條主線、兩門課程”的建設(shè)思路。

(一)貫穿核心課程群的大項(xiàng)目主線

測試測量及控制理論和方法技術(shù)是測控技術(shù)與儀器專業(yè)教學(xué)的核心內(nèi)容,涵蓋信號(hào)感知、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理等關(guān)鍵環(huán)節(jié),且與測試測量系統(tǒng)中信號(hào)的流向形成對(duì)應(yīng)關(guān)系。核心課程群的課程設(shè)置契合了整條信號(hào)鏈。傳感器原理與檢測技術(shù)課程對(duì)各種物理量、化學(xué)量和生物量轉(zhuǎn)換為電/光信號(hào)的工作原理和方法技術(shù)進(jìn)行闡述,為信號(hào)感知環(huán)節(jié)提供理論和技術(shù)支撐。電路、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)等核心課程能讓學(xué)生掌握電子元器件、基本電子電路等基礎(chǔ)知識(shí)及基本電路設(shè)計(jì)方法,對(duì)由傳感器轉(zhuǎn)獲取的信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)制等信號(hào)調(diào)理工作。單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程中模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊是測試測量系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵,也為整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)基礎(chǔ)。信號(hào)分析與處理、誤差理論與數(shù)據(jù)分析和自動(dòng)控制原理等課程又為去除信號(hào)中的干擾成分、評(píng)估信號(hào)的誤差程度、對(duì)信號(hào)誤差進(jìn)行調(diào)制提供理論和方法的支撐。

核心課程群可以映射為測試測量系統(tǒng)項(xiàng)目的模塊化集合,相關(guān)核心課程的知識(shí)要求、能力要求和素質(zhì)要求支撐測控系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)要求的達(dá)成。因此,以工業(yè)自動(dòng)化測試領(lǐng)域?qū)嶋H工程問題為背景,凝練出貫穿核心課程群的復(fù)雜工程項(xiàng)目,具有較高的教學(xué)實(shí)踐價(jià)值。一方面,具有實(shí)際工程背景的復(fù)雜工程項(xiàng)目模塊化解構(gòu)后,應(yīng)用到對(duì)應(yīng)核心課程的項(xiàng)目化教學(xué)中,既提升理論教學(xué)的效果,又對(duì)該模塊進(jìn)行深入的研究性學(xué)習(xí),為后續(xù)系統(tǒng)集成打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。另一方面,有利于集中學(xué)習(xí)資源提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率,避免課程相互獨(dú)立,在研究性學(xué)習(xí)上重點(diǎn)不突出帶來的學(xué)習(xí)時(shí)間、成本負(fù)擔(dān)。貫穿核心課程群的大項(xiàng)目式驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí),能促進(jìn)課程群教學(xué)內(nèi)部融合,更有利于學(xué)生工程意識(shí)的發(fā)展,對(duì)系統(tǒng)的解構(gòu)和模塊的集成能力訓(xùn)練,更有利于解決復(fù)雜工程問題。

(二)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)踐課程

在大項(xiàng)目主線確立后,基于學(xué)生實(shí)踐能力的遞進(jìn)式提高原則,先后設(shè)置兩門創(chuàng)新實(shí)踐課程。將原有的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)升級(jí)改造為大學(xué)生電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)踐,在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上仍安排在電路、模電和數(shù)電理論課程修完之后,學(xué)時(shí)數(shù)增加到32學(xué)時(shí)。本階段的實(shí)踐教學(xué)要求設(shè)定為項(xiàng)目的純電子電路實(shí)現(xiàn),要求學(xué)生能夠根據(jù)給定被測量構(gòu)造測量場景,選擇傳感器,設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路。當(dāng)輸入量在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化時(shí),信號(hào)調(diào)理電路的輸出值能夠與輸入量成為線性關(guān)系,電路設(shè)計(jì)符合行業(yè)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

本實(shí)踐課程的項(xiàng)目設(shè)置立足測控專業(yè)的測試測量屬性,通過純硬件實(shí)現(xiàn)的達(dá)成途徑深化學(xué)生對(duì)電子電路的理解,能夠扭轉(zhuǎn)當(dāng)前重軟件輕硬件的狀況。與此同時(shí),純硬件的實(shí)現(xiàn)方式具有創(chuàng)新性,在培養(yǎng)學(xué)生工程調(diào)試能力方面具有積極作用。從軟件仿真到實(shí)物調(diào)試,學(xué)生面臨的是真實(shí)場景下的工程實(shí)踐問題,解決這些問題需要聯(lián)系相關(guān)理論結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),打通理論到工程實(shí)踐的壁壘,解決當(dāng)前實(shí)踐教學(xué)的沉疴,是培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才的關(guān)鍵步驟。

本實(shí)踐課程同時(shí)具挑戰(zhàn)度。從核心課程的學(xué)期分布上來看,本課程實(shí)施時(shí),學(xué)生尚未學(xué)習(xí)信號(hào)獲取相關(guān)課程,給項(xiàng)目完成帶來一定挑戰(zhàn)度。學(xué)生需要結(jié)合任務(wù)要求查閱文獻(xiàn)資料,并且自學(xué)補(bǔ)充相關(guān)知識(shí),才能對(duì)被測量的采集方案進(jìn)行比較和設(shè)計(jì)。在項(xiàng)目任務(wù)的設(shè)置上,通過具有一定挑戰(zhàn)度的任務(wù)促使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí),充分發(fā)揮自身實(shí)踐主體作用,積極完成任務(wù)。

(三)儀器類專業(yè)綜合創(chuàng)新實(shí)踐課程

本實(shí)踐課程設(shè)置在所有專業(yè)核心課程結(jié)束之后,從原來16學(xué)時(shí)的單片機(jī)技術(shù)課程設(shè)計(jì)擴(kuò)展為32學(xué)時(shí)的儀器類專業(yè)綜合創(chuàng)新實(shí)踐課程,是電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)踐的進(jìn)階。本階段延續(xù)前述實(shí)踐課程的項(xiàng)目任務(wù),以通過單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工程級(jí)的應(yīng)用為教學(xué)目標(biāo),要求學(xué)生沿用前述課程或者改進(jìn)的信號(hào)獲取和信號(hào)調(diào)理模塊,設(shè)計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)分析處理和信息輸出模塊,進(jìn)行測試測量系統(tǒng)集成,并對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行測試改進(jìn)。課程還涉及高階性的要求,例如濾波算法的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)校準(zhǔn)算法的研究等。

本階段實(shí)踐課程并不僅是在項(xiàng)目達(dá)成方式上的進(jìn)階,也是學(xué)生能力培養(yǎng)的進(jìn)階,更是工程項(xiàng)目的反思及改進(jìn)。經(jīng)過測試測量系統(tǒng)所有模塊對(duì)應(yīng)課程的學(xué)習(xí),在課程中有針對(duì)性地進(jìn)行項(xiàng)目各模塊深入探究。首先引導(dǎo)學(xué)生對(duì)前述課程中的信息獲取方案從指標(biāo)完成度、技術(shù)難易程度、成本等方面進(jìn)行評(píng)價(jià),提出改進(jìn)方案,接著是后續(xù)模塊的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)。

綜上所述,基于測控專業(yè)核心課程群的進(jìn)階式實(shí)踐課程構(gòu)建體現(xiàn)了CDIO工程教育模式思想,在貫穿核心課程群的大項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下,在第一階段的電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)踐中,實(shí)現(xiàn)大項(xiàng)目部分內(nèi)容的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作;第二階段的實(shí)踐以前一階段的結(jié)果反思和其他核心課程群的探究性學(xué)習(xí)為構(gòu)思過程,在構(gòu)思環(huán)節(jié)內(nèi)部形成小閉環(huán),提高項(xiàng)目實(shí)施效率。

三、具體實(shí)施案例

按照以上建設(shè)思路,對(duì)兩門實(shí)踐課程的教學(xué)目的、教學(xué)實(shí)施過程、考核評(píng)價(jià)方式等方面重新設(shè)計(jì),以測溫儀的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行闡述。

(一)教學(xué)目的

(1)第一階段實(shí)踐目標(biāo)。設(shè)計(jì)一純電子電路系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的采集,測溫范圍為-20℃～199℃,以0～5V電壓形式輸出,要求輸出電壓與輸入溫度成對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)第二階段實(shí)踐目標(biāo)。設(shè)計(jì)一測溫儀,溫度范圍為-20℃～199℃,精度為0.1℃,具有實(shí)時(shí)溫度顯示、℃/℉轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能,符合行業(yè)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(二)教學(xué)實(shí)施過程

(1)任務(wù)布置。在第一階段的任務(wù)布置中,教師從家用電器的溫度測量入手,引導(dǎo)學(xué)生理解溫度檢測的兩種方式,并根據(jù)任務(wù)需求選擇適合的方式,接著引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)查找文獻(xiàn)資料,根據(jù)項(xiàng)目需求查找接觸式測溫的方案。第二階段的任務(wù)布置中,重點(diǎn)在于引導(dǎo)學(xué)生對(duì)測溫儀功能和指標(biāo)方面的需求分析,行業(yè)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的解讀促進(jìn)學(xué)生對(duì)工程應(yīng)用的理解。

(2)方案選擇。學(xué)生經(jīng)過前期項(xiàng)目需求的分析后,根據(jù)項(xiàng)目的硬件需求和軟件需求(對(duì)應(yīng)第二階段)擬訂備選方案,教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行討論,主要基于方案的難易程度、成本、時(shí)間等方面展開評(píng)估,在綜合考量的基礎(chǔ)上選出可實(shí)施方案。

(3)設(shè)計(jì)與仿真。在第一階段中主要對(duì)信號(hào)調(diào)理電路環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì),通過Multisim軟件對(duì)電路的功能和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證并改進(jìn)電路設(shè)計(jì)。在第二階段主要對(duì)主控制模塊、顯示模塊、通信模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),并設(shè)計(jì)系統(tǒng)電源電路;對(duì)數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)分析處理程序、顯示程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序和外部通信程序進(jìn)行設(shè)計(jì),通過Proteus軟件進(jìn)行部分硬件電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)仿真并改進(jìn)。

(4)實(shí)物制作與調(diào)試。第一階段成果為純電子電路,制作PCB板實(shí)物,輸出部分以高精度電壓表進(jìn)行測量,考查輸入溫度與輸出電壓之間的關(guān)系。第二階段在PCB板制作完成后,燒錄程序后,軟硬件聯(lián)調(diào),實(shí)現(xiàn)測溫。該部分溫度的測量可以分為兩個(gè)溫度段,以0℃為分界點(diǎn),0℃以上部分采用可加熱控制溫度源作為測量對(duì)象,0℃以下部分以冷凍冰柜為測量對(duì)象。

(5)總結(jié)匯報(bào)。該環(huán)節(jié)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié),完成課程報(bào)告,并匯報(bào)答辯。

(三)考核評(píng)價(jià)方式

將單一的以最終成果進(jìn)行評(píng)價(jià)的方式改為對(duì)實(shí)踐過程的全流程全方位評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方式的改進(jìn)對(duì)以小組為單位進(jìn)行的集中實(shí)踐尤為重要,不再以簡單的技術(shù)效果來評(píng)價(jià),而是對(duì)技術(shù)、態(tài)度、團(tuán)隊(duì)合作、工程進(jìn)度、工程管理方面綜合評(píng)價(jià),有利于激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐熱情,積極為團(tuán)隊(duì)做出力所能及的貢獻(xiàn)。

結(jié)語

實(shí)踐表明,基于課程群的進(jìn)階式實(shí)踐課程體系,增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)系統(tǒng)和模塊關(guān)系的認(rèn)知,特別有利于工程實(shí)踐中項(xiàng)目需求分析能力的提升,突顯各階段的實(shí)踐能力訓(xùn)練重點(diǎn)。專業(yè)核心課程群的協(xié)同聯(lián)動(dòng),促進(jìn)課程間的融合程度,對(duì)課程內(nèi)的探究性學(xué)習(xí)起到積極作用,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)性和高階性要求能夠支撐新工科和卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的工程人才培養(yǎng)新要求。