李濤濤，何 宇，凌熊健

機電類專業(yè)物探儀器開發(fā)所涉主體課程群建設(shè)與實踐

李濤濤，何 宇，凌熊健

（萍鄉(xiāng)學院 機械電子工程學院，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

為滿足儀器儀表行業(yè)高速發(fā)展對人才的需求，高校應(yīng)適時改革人才培養(yǎng)模式和課程體系。針對應(yīng)用型本科高校機電類專業(yè)學生從事物探儀器開發(fā)在校綜合能力培養(yǎng)的需要，結(jié)合物探儀器的功能組成和所涉課程特點，探索性地開展物探類儀器開發(fā)所涉主體課程群建設(shè)與實踐研究。構(gòu)建了基于物探儀器“四組成單元”的主體理論與實踐課程群，通過儀器的“三次分解”建成了主體課程群對應(yīng)的教學資源庫，對設(shè)置各類實踐環(huán)節(jié)開展了綜合實踐創(chuàng)新。在“新工科”大背景下，該主體課程群的建設(shè)與實踐研究可為物探儀器開發(fā)所需的應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供借鑒。

機電類專業(yè)；物探儀器；課程群建設(shè)

引言

儀器儀表產(chǎn)業(yè)是我國裝備制造業(yè)的重要組成部分，是國家的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)[1]。我國儀器儀表產(chǎn)業(yè)起步較晚，以物探行業(yè)的探地雷達[2,3]為例，其開始研制比德國晚了近70年。經(jīng)過近半個世紀的努力，我國已經(jīng)成為儀器儀表的大國，探地雷達裝備及技術(shù)已經(jīng)媲美歐美發(fā)達國家[4]。面對我國儀器儀表行業(yè)的高速發(fā)展，高校作為行業(yè)進步的人才動力源，為滿足行業(yè)發(fā)展需要，必須適時地改革人才培養(yǎng)模式和教學課程體系。

儀器儀表開發(fā)是機械與電子類專業(yè)學生從業(yè)的主要方向之一，而物探儀器作為儀器儀表的其中一類，是從事地球物理勘探所必不可少的設(shè)備。物探類儀器通過感測地球物理場的變化來探測地下巖性、構(gòu)造等，主要由電信號收發(fā)單元（傳感器）、主控單元（主機）、機械結(jié)構(gòu)（殼體）和數(shù)據(jù)處理單元（處理軟件）四部分組成，儀器的組成結(jié)構(gòu)相對固定。因此，相較于其他儀器開發(fā)而言，物探類儀器開發(fā)涉及專業(yè)課程知識面較窄。

當前，大部分從事物探行業(yè)的人所學專業(yè)為機電類和物探類，物探類專業(yè)主要從事物探儀器的工程應(yīng)用，機電類專業(yè)主要從事物探儀器開發(fā)，兩類專業(yè)學生因缺乏對方的知識背景進而制約了其在行業(yè)的成長速度和前景。為此，以物探儀器開發(fā)項目作為驅(qū)動，我們對應(yīng)用型本科高校機電類專業(yè)的部分所涉主體課程群進行建設(shè)和實踐：一方面實現(xiàn)課程群的交叉融合，知識點的有效串聯(lián)，將課程所學應(yīng)用到具體項目；另一方面以培養(yǎng)和鍛煉學生的儀器開發(fā)的綜合能力作為成果導向，以勝任未來儀器開發(fā)類工作。

1 物探儀器開發(fā)所涉主體課程群建設(shè)

物探儀器產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)要求一定是交叉學科的，培養(yǎng)課程群（體系）的建立要以物探儀器行業(yè)需求為導向，以工程實際為背景，以物探儀器儀表開發(fā)為主線，強化學生物探儀器產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用能力的人才培養(yǎng)模式。儀器儀表類人才需要掌握機、光、電甚至材料和工藝等知識，是名副其實的“知識復合型”人才，因此，培養(yǎng)課程體系建設(shè)相對復雜，需要打破學科與專業(yè)之間的壁壘[5]。在新工科和工程教育論證的大背景下[6]，課程體系建設(shè)應(yīng)當以通識教育為基礎(chǔ)，在實現(xiàn)“多學科交叉融合”的同時，更加注重“實踐圍繞”[7]。

主體課程群作為培養(yǎng)課程體系的基礎(chǔ)內(nèi)容和具體表象，是由除通識教育課程之外的專業(yè)基礎(chǔ)核心課程和專業(yè)核心課程組成，可進一步劃分為主體理論課程群和主體實踐課程群。萍鄉(xiāng)學院是江西省首批向應(yīng)用型高校轉(zhuǎn)型發(fā)展試點院校，為專一的物探儀器開發(fā)主體課程群改革建設(shè)提供了良好的外部條件。主體課程群建設(shè)是在機電類專業(yè)已有專業(yè)課程建設(shè)的基礎(chǔ)上，增加部分物探相關(guān)的基礎(chǔ)專業(yè)課程，調(diào)整好各主體課程群之間的關(guān)系，把重心放在課程間的內(nèi)容銜接整合上。

通常物探類儀器可整體劃分成四個組成單元，具體包括：電信號收發(fā)單元、主控單元、機械結(jié)構(gòu)單元和數(shù)據(jù)處理單元。儀器的組成結(jié)構(gòu)相對固定，如探地雷達包括天線、雷達主機、天線及主機機構(gòu)、數(shù)據(jù)處理軟件，地震儀[8]包括檢波器、主機、地震儀殼體、數(shù)據(jù)處理軟件。在儀器開發(fā)工作中所設(shè)定的具體崗位也相對固定，依次為IC工程師、硬件工程師、結(jié)構(gòu)工程師和軟件（算法）工程師。結(jié)合物探儀器組成及開發(fā)的特點，從傳感器對電信號收發(fā)，到主控單元對信號的采集與傳輸，一直到最后信號的處理與解釋，以及設(shè)備機械結(jié)構(gòu)載體的設(shè)計，依次開展所涉主體理論與實踐課程群的建設(shè)，具體如圖1所示。課程體系中除了傳統(tǒng)了機電類專業(yè)核心課程外，融入了地球物理專業(yè)的基礎(chǔ)專業(yè)課程——地球物理勘探原理，專門針對地震、地電場信號創(chuàng)新了數(shù)字信號處理課程設(shè)計內(nèi)容。

圖1 主體課程群結(jié)構(gòu)圖

所構(gòu)建的物探儀器開發(fā)所涉主體課程群涵蓋了交叉學科的不同專業(yè)課程，圍繞物探儀器開發(fā)這一核心問題，將每門主體課程關(guān)聯(lián)到物探儀器開發(fā)的每一個環(huán)節(jié)。學生專業(yè)知識能力提升的同時，鍛煉了交叉學科知識的理解和綜合應(yīng)用能力。這樣的課程構(gòu)建以學生的儀器開發(fā)能力培養(yǎng)為目標，以從事儀器開發(fā)為職業(yè)目標，充分體現(xiàn)了OBE工程教育模式的人才培養(yǎng)特點。

2 物探儀器開發(fā)主體課程群教學資源建設(shè)

在物探儀器開發(fā)所涉主體課程群構(gòu)建完成的基礎(chǔ)上，以常規(guī)的物探儀器（如探地雷達、地震儀等）作為資源載體，我們對物探儀器進行三次分解，開展主體課程教學資源的建設(shè)。首先結(jié)合常規(guī)物探儀器“四組成單元”特點，對儀器進行“一次分解”得到一級單元；再結(jié)合各一級單元的組成功能模塊進行“二次分解”得到二級子單元，并將二級子單元歸類到主體課程群的相應(yīng)課程中；最后結(jié)合每門課程知識點，對每門課程下歸類的二級子單元進行“三次分解”得到三級子單元。回溯三級子單元在物探儀器實際開發(fā)過程中所涉及的知識點，構(gòu)建課程教學時關(guān)于物探儀器二級子單元的例程資源庫和關(guān)于物探儀器一級單元的實驗項目庫，以及關(guān)于物探儀器組成單元的綜合實訓項目庫。

以探地雷達的數(shù)據(jù)處理單元開發(fā)為例，開展所涉及主體課程教學資源建設(shè)，具體如圖2所示。首先依據(jù)物探儀器的組成特點，將探地雷達一次分解出雷達天線、雷達主機、天線及主機外殼、數(shù)據(jù)處理軟件四個一級單元。再根據(jù)組成功能模塊進行二次分解，得到二級子單元，并將每個二級子單元歸類到主體課程中。如數(shù)據(jù)處理軟件分解成探地雷達數(shù)據(jù)采集上下位機采集軟件和探地雷達數(shù)據(jù)處理軟件三個二級子單元，對應(yīng)的主體課程包括C/C++語言程序設(shè)計、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字信號處理、地球物理勘探原理。最后結(jié)合每門主體課程的知識點對每個二級子單元進行三次分解得到三級子單元。如對探地雷達數(shù)據(jù)處理軟件三次分解后得到雷達數(shù)據(jù)的歸一化處理、背景噪聲處理、時頻變換、濾波器、小波變換等，涉及數(shù)字信號處理課程中的采樣定理、離散時間信號相關(guān)性與頻率分析、頻域與時域信號特性、傅里葉變換、濾波器設(shè)計等知識點。進一步回溯分解過程，依次基于三級子單元、二級子單元和一級單元構(gòu)建課程的知識點例程資源庫、實驗實訓項目庫和綜合實踐項目庫，可分別用于開展基礎(chǔ)性實驗實訓、深度性實驗實訓和探究性實驗實訓。在OBE工程教育模式下，所構(gòu)建的這種由易及難、由淺及深的三級實踐教學資源庫，可給予學生學習能力的分階段、分層級地鍛煉，同時建立起學生學習能力達成度有效的評價體制。

圖2 主體課程群教學資源庫構(gòu)建（以探地雷達為例）

3 物探儀器開發(fā)綜合實踐創(chuàng)新

以往上述所構(gòu)建主體實踐課程群中的每門課程實驗實踐項目都具有一定的關(guān)聯(lián)性，但課程之間的關(guān)聯(lián)性較差，缺少統(tǒng)一的工程項目背景，致使學生無法實現(xiàn)課程間知識點的串聯(lián)，進而缺乏對專業(yè)知識系統(tǒng)整體的掌握。我們所構(gòu)建的主體課程群教學資源庫，對主體實踐課程群進行改革，所有課程實踐環(huán)節(jié)以物探儀器開發(fā)為主線，通過實驗實訓項目庫完成對單一課程的實踐能力鍛煉，再通過綜合實踐項目實現(xiàn)對學生專業(yè)綜合實踐能力提升。

結(jié)合物探儀器“四組成單元”的特點，我們探索性建立了綜合實踐微項目庫，如“單通道雷達主機設(shè)計”“管線檢車雷達設(shè)計”“單/多通道雷達采集下位機軟件開發(fā)”“雷達數(shù)據(jù)輕型處理軟件開發(fā)”等。在主體課程群完成后，獨設(shè)實驗實踐課程的方式完成綜合實踐微項目開發(fā)，該環(huán)節(jié)綜合應(yīng)用主體課程群知識，以開發(fā)特定物探儀器微項目為最終目標。如“隧道900MHz探地雷達天線開發(fā)”，學生需要基于三維CAD和機械設(shè)計課程完成天線殼體和撐桿機構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，需要利用單片機原理及應(yīng)用、C語言程序設(shè)計、電工電子技術(shù)基礎(chǔ)等課程完成雷達采控卡、下位機采集傳輸程序開發(fā)。

總結(jié)

針對應(yīng)用型本科高校機電類專業(yè)學生未來從事物探儀器開發(fā)工作，開展主體課程群建設(shè)與實踐創(chuàng)新研究，是地方本科院校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)型道路上，為社會培養(yǎng)專業(yè)人才的一次積極探索。根據(jù)市場對跨學科、綜合性人才需求特點，適時開展機電類專業(yè)培養(yǎng)方案、主體課程群建設(shè)與實踐的改革，可以為我校應(yīng)用型轉(zhuǎn)型發(fā)展和應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供借鑒。

[1] 于洋, 劉軍, 趙亞威. 面向儀器儀表產(chǎn)業(yè)的課程體系改革研究[J]. 教育現(xiàn)代化, 2016, 3（38）: 101~102.

[2] 何宇, 向天毅, 凌志文, 等. 基于地質(zhì)雷達的透水磚鋪裝道路結(jié)構(gòu)層厚檢測方法試驗研究[J]. 萍鄉(xiāng)學院學報, 2019, 36（3）: 21~25.

[3] 許獻磊. 車載探地雷達系統(tǒng)的開發(fā)及其應(yīng)用實驗研究[D]. 北京: 中國礦業(yè)大學, 2013.

[4] 米宏澤. 地球物理勘查儀器研發(fā)新成果及國產(chǎn)品牌化發(fā)展研究[J]. 礦產(chǎn)勘查, 2018, 9（3）: 413~419.

[5] 林麗君. 測控技術(shù)與儀器專業(yè)本科課程體系改革與實踐[J]. 知識經(jīng)濟, 2018（13）: 142~143.

[6] 趙曉艷, 劉攀, 張虎, 等. 多學科融合的新工科機電類人才培養(yǎng)模式探索[J]. 農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備, 2020（3）: 88~89.

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[8] 王巨龍, 張懷柱, 玄金鵬. 寬頻帶地震儀數(shù)據(jù)采集及壓縮傳輸?shù)难芯縖J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2020, 43（4）: 100~103.

Construction and Practice of the Main Course Group Related to the Development of Geophysical Prospecting Instruments for Mechanical and Electrical Majors

LI Tao-tao, HE Yu, LING Xiong-jian

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Pingxiang University, Pingxiang Jiangxi 337000, China)

In order to meet the needs of talents in the rapid development of the instrumentation industry, colleges and universities must reform the learner training mode and curriculum system in a timely manner. Students majoring in mechanical and electrical engineering in application-oriented university require comprehensive ability to engage in developing geophysical prospecting instruments. In view of the need, the construction and practice of the main course group related to the development of geophysical prospecting instruments are explored combing with the functional composition of geophysical prospecting instruments and the characteristic of the involved courses. Based on the “four component units” of geophysical prospecting instruments, the main theory and practice course group is constructed. The teaching resource library for the main course group is built through the “three times decomposition” of instruction. The comprehensive practical innovation is carried out by means of setting up various practical links. With national strategy of “Emerging Engineering Education”, the research can provide reference for the training of applied talents for geophysical prospecting instrument development.

mechanical and electrical majors; geophysical prospecting instruments; course group construction

2020-03-07

江西省高等學校教學改革研究省級項目（JXJG-19-22-12）；江西省教育廳科學技術(shù)研究項目（GJJ181104）

李濤濤（1988—），男，江西萍鄉(xiāng)人，講師，博士，研究方向：地質(zhì)雷達裝備及技術(shù)。

G642.3

A

2095-9249（2020）03-0089-03

〔責任編校：吳侃民〕