李仙麗， 張逸群， 馬 娟

(西安電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

0 引言

“精密測(cè)試技術(shù)”屬于信息科學(xué)的范疇，與計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)構(gòu)成完整的信息技術(shù)學(xué)科，是在“自動(dòng)控制原理”、“信號(hào)分析與處理”等先修課程基礎(chǔ)上，面向測(cè)控技術(shù)與儀器、控制科學(xué)與工程、機(jī)械制造及自動(dòng)化等專業(yè)開設(shè)的一門重要的綜合性專業(yè)核心課[1～3]。本課程的目的是使學(xué)生系統(tǒng)掌握各種測(cè)試系統(tǒng)中涉及到的傳感器原理與應(yīng)用方法、信號(hào)分析處理方法以及能夠組建完整的測(cè)試系統(tǒng)、分析和處理工程測(cè)試系統(tǒng)中的實(shí)際技術(shù)問(wèn)題，這些內(nèi)容在過(guò)程控制、質(zhì)量檢測(cè)、故障診斷、模態(tài)分析等方面應(yīng)用極其廣泛[4]。因此，“精密測(cè)試技術(shù)”這門課對(duì)于自動(dòng)控制、機(jī)械制造業(yè)的信息化和創(chuàng)新型、綜合性、適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展人才培養(yǎng)中發(fā)揮著及其重要的作用。

“精密測(cè)試技術(shù)”課程內(nèi)容涉及傳感、電工電子、控制技術(shù)、信號(hào)分析與處理、機(jī)械等多學(xué)科知識(shí)，是一門面向應(yīng)用、具有很強(qiáng)的實(shí)踐性與綜合性的課程。如果采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生將處于被動(dòng)接受知識(shí)狀態(tài)，缺乏興趣和學(xué)習(xí)積極性，無(wú)法理論聯(lián)系實(shí)際。實(shí)踐教學(xué)則受到實(shí)驗(yàn)條件的限制難于接近工程實(shí)際。

1 教學(xué)案例選擇路

案例式教學(xué)起源于哈佛大學(xué)的情景案例教學(xué)課，是指教師根據(jù)教學(xué)要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)案例，組織學(xué)生針對(duì)案例內(nèi)容，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行思考、分析和討論，從而提升學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力[5～7]。案例式教學(xué)法采取在實(shí)踐中學(xué)習(xí)的方式，可以最大程度調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)熱情和實(shí)踐能力。案例式教學(xué)的核心在于教學(xué)的案例選擇，案例選擇合適，教學(xué)過(guò)程中學(xué)生的積極性高，教學(xué)效果就會(huì)事半功倍；案例選擇不當(dāng)，則事倍功半，無(wú)法體現(xiàn)案例式教學(xué)的優(yōu)勢(shì)。目前教材中的教學(xué)案例大部分知識(shí)點(diǎn)單一，且較為陳舊，脫離當(dāng)前工程實(shí)際，難以引起學(xué)生興趣。因此，如何選擇合適的案例是主要教改內(nèi)容之一。

針對(duì)該教改內(nèi)容，本文對(duì)課程大綱內(nèi)涉及的案例進(jìn)行了選擇，新的案例設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋無(wú)人駕駛汽車、紅外熱像儀體溫篩查系統(tǒng)、智能手機(jī)觸屏以及指紋識(shí)別技術(shù)等，均是具有一定前沿性、創(chuàng)新性且具有較強(qiáng)工程應(yīng)用背景的工業(yè)案例，每個(gè)案例對(duì)應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容如下所述：

1)精密測(cè)試技術(shù)概論

這部分包括測(cè)試系統(tǒng)的概念及分類、測(cè)試技術(shù)的主要應(yīng)用、發(fā)展方向和前景，以及測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成、性能指標(biāo)分析。課時(shí)安排總計(jì)4課時(shí)。涉及的案例有：

案例1：無(wú)人駕駛汽車案例-測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用；

案例2：實(shí)驗(yàn)室展開天線形面測(cè)量系統(tǒng)案例-測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成。

半夜兩點(diǎn)，妻子從別墅的二層走到一層客廳，看到丈夫還在跟一幫賭友玩牌，就對(duì)他們說(shuō)：“聽著，能不能讓我在自己的房子里安安靜靜地睡一會(huì)兒？”丈夫說(shuō)：“輕點(diǎn)，親愛的，現(xiàn)在這已經(jīng)不是我們的房子了……”

2)傳感器原理及應(yīng)用

這部分內(nèi)容包括電阻、電容、電感、壓電、超聲、紅外、光電傳感器的工作原理及其應(yīng)用，課時(shí)安排總計(jì)16課時(shí)。涉及的案例有：

案例1：數(shù)字式體重秤實(shí)現(xiàn)案例-電阻應(yīng)變傳感器；

案例2：智能家居(智能電飯煲、智能空調(diào)、智能垃圾桶等)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)案例-電阻熱效應(yīng)等傳感器；

案例3：汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)、醫(yī)用B超系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)案例-超聲波傳感器；

案例4：智能手機(jī)觸屏以及指紋識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)案例-電容式傳感器；

案例5：紅外熱像儀體溫篩查系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)案例-紅外傳感器；

案例6; 智能機(jī)器人感官觸摸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)案例-壓電式傳感器；

案例7：非接觸式鐵軌在線探傷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)案例-電渦流式傳感器；

案例8：工業(yè)產(chǎn)品在線計(jì)數(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)案例-光電、磁電式傳感器。

3)測(cè)試信號(hào)處理及分析

主要內(nèi)容包括測(cè)試信號(hào)的時(shí)域和頻域描述方法、測(cè)試信號(hào)的處理方法(包括數(shù)字信號(hào)處理方法、自相關(guān)分析法、隨機(jī)信號(hào)統(tǒng)計(jì)法等)，課時(shí)安排總計(jì)6課時(shí)。涉及的案例有：

案例1：汽車變速箱故障頻率點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)案例-互功率密度函數(shù)法；

案例2：輸油管道泄漏點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)案例-自相關(guān)分析法；

案例3：利用Matlab的數(shù)字濾波器分析醫(yī)用心電圖信號(hào)-窗函數(shù)。

4)計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的組成

教學(xué)內(nèi)容主要包括：A/D、D/A、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、各種通訊接口技術(shù)以及計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的總線技術(shù)、虛擬儀器設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試儀器設(shè)計(jì)。課時(shí)安排總計(jì)4課時(shí)。涉及的案例為基于分布式光纖光柵的天線形面變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，屬于本實(shí)驗(yàn)室的科研產(chǎn)出，可以讓學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2 案例教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)示例

案例式教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)就在于合理高效的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)。本文以紅外輻射溫度傳感器為例，設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容安排如表1所示。

表1 紅外輻射溫度傳感器教學(xué)內(nèi)容安排

上課之前，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布紅外熱像儀體溫篩查系統(tǒng)的教學(xué)案例(如圖1所示)，讓學(xué)生對(duì)案例有所了解，便于課堂互動(dòng)。課堂的授課首先是案例的提出，就案例產(chǎn)生的結(jié)果提出問(wèn)題，案例呈現(xiàn)可以通過(guò)多媒體和動(dòng)畫演示等方式，啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生積極加入案例分析中來(lái)。

圖1 外熱像儀體溫篩查系統(tǒng)的教學(xué)案例

其次，教師將紅外輻射相關(guān)的理論知識(shí)串接到案例剖析過(guò)程中，主要包括紅外輻射三大定律普朗克定律、斯蒂芬-玻爾茲曼定律和維恩位移定律，并引導(dǎo)學(xué)生采用Matlab等相關(guān)軟件基于普朗克定律繪制出不同溫度下，物體的自發(fā)輻射功率、輻射波長(zhǎng)與物體的溫度之間的關(guān)系曲線圖，如圖2所示。圖中，橫軸是輻射波長(zhǎng)，縱軸是輻射功率。從圖中可以看出，物體的自發(fā)輻射功率與物體的溫度呈一定比例關(guān)系。基于該數(shù)學(xué)關(guān)系，設(shè)計(jì)得到紅外熱輻射體溫篩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(如圖3所示)。

圖2 物體的輻射功率與自身溫度的關(guān)系

圖3 外熱像儀體溫篩查系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 案例教學(xué)考核評(píng)價(jià)改革設(shè)計(jì)

在教學(xué)方法上，實(shí)施案例式教學(xué)方式后，在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容的需要，運(yùn)用具體的事例組織學(xué)生自主進(jìn)行學(xué)習(xí)、研究，分組協(xié)作、交流、討論。考核方式上，采用案例過(guò)程考核和綜合測(cè)試、期末考試相結(jié)合的方式，具體如表2所示。其中，案例學(xué)習(xí)表現(xiàn)主要考察案例過(guò)程的交流討論次數(shù)、內(nèi)容和主觀表現(xiàn)。綜合測(cè)試采用雨課堂等PPT插件完成隨機(jī)抽取的測(cè)試題，測(cè)試題主要為客觀題。期末考試則采用試卷考核方式。

表2 考核項(xiàng)目及分值

4 結(jié)語(yǔ)

本文作者已經(jīng)在2020年3月至2020年6月疫情期間網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過(guò)程中做過(guò)一學(xué)期案例式教學(xué)方式的嘗試和探索，教學(xué)效果良好，學(xué)生興趣濃厚，在教師指導(dǎo)下學(xué)生自主在家里完成了基于OpenMV的PID算法精密控制云臺(tái)、感光燈電路設(shè)計(jì)、快件尺寸光電檢測(cè)系統(tǒng)等設(shè)計(jì)，學(xué)生評(píng)教滿意度達(dá)98%。

案例式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂的混合教學(xué)方法不僅與實(shí)踐緊密結(jié)合，可以引起學(xué)生興趣，而且可以促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)、探索性學(xué)習(xí)。學(xué)生不僅能自主開展課程學(xué)習(xí)，還可以與同學(xué)進(jìn)行分組協(xié)作學(xué)習(xí)，就案例進(jìn)行交流、討論等。因此，這種教學(xué)方法特別適合應(yīng)用基礎(chǔ)型和實(shí)踐基礎(chǔ)類課程，例如“精密測(cè)試技術(shù)”這門課，通過(guò)這種新型教學(xué)方式和組織、實(shí)施方式，在學(xué)習(xí)知識(shí)夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)的同時(shí)，更能鍛煉和提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與思考、積極創(chuàng)新與發(fā)展、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與協(xié)調(diào)等能力。