戴 梅 李 鑫 毛麗民 謝 啟

常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(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,對高等工程教育提出新的挑戰(zhàn)。新工科計劃應(yīng)運而生,為我國邁向工業(yè)強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,而實踐活動是關(guān)鍵的達成途徑之一。當(dāng)前,人才培養(yǎng)的校內(nèi)實踐教學(xué)體系主要由“課程實驗—課程設(shè)計—畢業(yè)設(shè)計”三部分構(gòu)成,提高綜合性、設(shè)計性實驗在課程實驗中的占比、以項目—任務(wù)驅(qū)動課程設(shè)計等實踐教學(xué)改革的探索,極大地促進了人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。然而,課程設(shè)計項目僅為部分課程實驗的綜合,內(nèi)容局限于個別課程,作為專業(yè)實踐教學(xué)體系的中間環(huán)節(jié),對學(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,針對當(dāng)前課程設(shè)計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)建進階式創(chuàng)新實踐課程,以大項目思維拓展集中實踐課程外延,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、工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

一、當(dāng)前測控專業(yè)課程設(shè)計現(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)過四個學(xué)期修完電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、信號分析與處理、傳感器原理與檢測技術(shù)、誤差理論與數(shù)據(jù)分析、自動控制原理和單片機原理與接口技術(shù)等必修課程,在應(yīng)用實踐性較強的三電課程和單片機原理與接口技術(shù)課程之后,分別設(shè)有相應(yīng)課程的集中實踐環(huán)節(jié),以訓(xùn)練學(xué)生動手實踐和解決實際問題的能力。在工程教育專業(yè)認證標準下,電子技術(shù)課程設(shè)計和單片機課程設(shè)計開展以結(jié)果為導(dǎo)向,以項目為驅(qū)動的教學(xué)方法和內(nèi)容的改革,取得一定成效。然而,面對新工科人才培養(yǎng)和“卓工計劃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

在新的培養(yǎng)方案中明確提出,測控專業(yè)面向工業(yè)自動化測試領(lǐng)域培養(yǎng)能夠解決實際復(fù)雜工程問題的應(yīng)用工程師,能夠運用測試測量與控制專業(yè)知識從事測試系統(tǒng)或相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)工作。當(dāng)前,電子技術(shù)課程設(shè)計項目主要圍繞數(shù)字電路和電源電路的實現(xiàn)進行訓(xùn)練,較少涉及信號的測試測量。一方面,該階段尚未開設(shè)信號獲取相關(guān)課程;另一方面,在實踐方式上,仿真難以體現(xiàn)模擬信號的實際變化趨勢,而面包板搭建或萬用板焊接方式實現(xiàn)信號調(diào)理的完成率較低。單片機課程設(shè)計項目側(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,領(lǐng)域特征不顯著。

(二)實施進程不全面,未實現(xiàn)工程項目全流程覆蓋

課程設(shè)計一般安排課內(nèi)16學(xué)時,首先由教師布置項目任務(wù),引導(dǎo)學(xué)生分析項目需求、確定技術(shù)指標、進行分組分工;接著學(xué)生利用課外時間預(yù)習(xí)自學(xué),查找文獻資料、了解理論知識、比較候選方案;在現(xiàn)場教學(xué)階段,充分發(fā)揮學(xué)生主動性,進行項目具體設(shè)計并通過仿真軟件驗證;最后完成結(jié)果驗收工作。由于受限于學(xué)時數(shù)的約束,原理性電路設(shè)計(或包含軟件設(shè)計)未能進行實物驗證,缺失了工程項目實踐的重要環(huán)節(jié),工程項目中人員、成本、進度管理等非技術(shù)因素也未得到體現(xiàn),在學(xué)生工程實踐能力培養(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)計和單片機技術(shù)課程設(shè)計局限于個別課程,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)核心課程群的進階式實踐體系構(gòu)建思路

針對測控技術(shù)與儀器專業(yè)課程設(shè)計的不足,剖析問題根源,重新梳理兩門課程設(shè)計與專業(yè)核心課程間的關(guān)系,明確以測試測量領(lǐng)域工程項目驅(qū)動整體實踐教學(xué),以工程實踐在不同階段的要求為出發(fā)點設(shè)計一條有序銜接、分層遞進的項目主線,圍繞項目主線重塑實踐教學(xué)體系,將學(xué)科專業(yè)知識以及設(shè)計與專業(yè)技能模塊化項目進行組合或嵌入項目之中,以項目為載體突出對學(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),推進建設(shè)實踐項目化、工程項目課程化的實踐教學(xué)體系。

圍繞有序銜接、分層遞進的設(shè)計宗旨,對電子技術(shù)課程設(shè)計和單片機技術(shù)課程設(shè)計統(tǒng)籌規(guī)劃,對課程的目標、內(nèi)容、達成方式和階段性功能重新設(shè)計,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,涵蓋信號感知、信號調(diào)理、信號轉(zhuǎn)換和信號處理等關(guān)鍵環(huán)節(jié),且與測試測量系統(tǒng)中信號的流向形成對應(yīng)關(guān)系。核心課程群的課程設(shè)置契合了整條信號鏈。傳感器原理與檢測技術(shù)課程對各種物理量、化學(xué)量和生物量轉(zhuǎn)換為電/光信號的工作原理和方法技術(shù)進行闡述,為信號感知環(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)知識及基本電路設(shè)計方法,對由傳感器轉(zhuǎn)獲取的信號進行放大、調(diào)制等信號調(diào)理工作。單片機原理與接口技術(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,也為整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)提供技術(shù)基礎(chǔ)。信號分析與處理、誤差理論與數(shù)據(jù)分析和自動控制原理等課程又為去除信號中的干擾成分、評估信號的誤差程度、對信號誤差進行調(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)項目的模塊化集合,相關(guān)核心課程的知識要求、能力要求和素質(zhì)要求支撐測控系統(tǒng)的集成設(shè)計與實現(xiàn)畢業(yè)要求的達成。因此,以工業(yè)自動化測試領(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)雜工程項目,具有較高的教學(xué)實踐價值。一方面,具有實際工程背景的復(fù)雜工程項目模塊化解構(gòu)后,應(yīng)用到對應(yīng)核心課程的項目化教學(xué)中,既提升理論教學(xué)的效果,又對該模塊進行深入的研究性學(xué)習(xí),為后續(xù)系統(tǒng)集成打下堅實基礎(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,避免課程相互獨立,在研究性學(xué)習(xí)上重點不突出帶來的學(xué)習(xí)時間、成本負擔(dān)。貫穿核心課程群的大項目式驅(qū)動學(xué)習(xí),能促進課程群教學(xué)內(nèi)部融合,更有利于學(xué)生工程意識的發(fā)展,對系統(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)計創(chuàng)新實踐課程

在大項目主線確立后,基于學(xué)生實踐能力的遞進式提高原則,先后設(shè)置兩門創(chuàng)新實踐課程。將原有的電子技術(shù)課程設(shè)計升級改造為大學(xué)生電子設(shè)計創(chuàng)新實踐,在時間節(jié)點上仍安排在電路、模電和數(shù)電理論課程修完之后,學(xué)時數(shù)增加到32學(xué)時。本階段的實踐教學(xué)要求設(shè)定為項目的純電子電路實現(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)計信號調(diào)理電路。當(dāng)輸入量在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化時,信號調(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)計符合行業(yè)規(guī)范和技術(shù)標準。

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

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

(三)儀器類專業(yè)綜合創(chuàng)新實踐課程

本實踐課程設(shè)置在所有專業(yè)核心課程結(jié)束之后,從原來16學(xué)時的單片機技術(shù)課程設(shè)計擴展為32學(xué)時的儀器類專業(yè)綜合創(chuàng)新實踐課程,是電子設(shè)計創(chuàng)新實踐的進階。本階段延續(xù)前述實踐課程的項目任務(wù),以通過單片機系統(tǒng)實現(xiàn)工程級的應(yīng)用為教學(xué)目標,要求學(xué)生沿用前述課程或者改進的信號獲取和信號調(diào)理模塊,設(shè)計信號轉(zhuǎn)換、信號分析處理和信息輸出模塊,進行測試測量系統(tǒng)集成,并對系統(tǒng)的性能指標進行測試改進。課程還涉及高階性的要求,例如濾波算法的設(shè)計和系統(tǒng)校準算法的研究等。

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

綜上所述,基于測控專業(yè)核心課程群的進階式實踐課程構(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目驅(qū)動下,在第一階段的電子設(shè)計創(chuàng)新實踐中,實現(xiàn)大項目部分內(nèi)容的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作;第二階段的實踐以前一階段的結(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),提高項目實施效率。

三、具體實施案例

按照以上建設(shè)思路,對兩門實踐課程的教學(xué)目的、教學(xué)實施過程、考核評價方式等方面重新設(shè)計,以測溫儀的設(shè)計為例進行闡述。

(一)教學(xué)目的

(1)第一階段實踐目標。設(shè)計一純電子電路系統(tǒng),實現(xiàn)溫度信號的采集,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應(yīng)關(guān)系。

(2)第二階段實踐目標。設(shè)計一測溫儀,溫度范圍為-20℃～199℃,精度為0.1℃,具有實時溫度顯示、℃/℉轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲及傳輸、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能,符合行業(yè)規(guī)范和技術(shù)標準要求。

(二)教學(xué)實施過程

(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)生主動查找文獻資料,根據(jù)項目需求查找接觸式測溫的方案。第二階段的任務(wù)布置中,重點在于引導(dǎo)學(xué)生對測溫儀功能和指標方面的需求分析,行業(yè)規(guī)范和技術(shù)標準的解讀促進學(xué)生對工程應(yīng)用的理解。

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

(3)設(shè)計與仿真。在第一階段中主要對信號調(diào)理電路環(huán)節(jié)進行設(shè)計,通過Multisim軟件對電路的功能和技術(shù)指標進行驗證并改進電路設(shè)計。在第二階段主要對主控制模塊、顯示模塊、通信模塊進行設(shè)計,并設(shè)計系統(tǒng)電源電路;對數(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)存儲程序和外部通信程序進行設(shè)計,通過Proteus軟件進行部分硬件電路設(shè)計和程序設(shè)計仿真并改進。

(4)實物制作與調(diào)試。第一階段成果為純電子電路,制作PCB板實物,輸出部分以高精度電壓表進行測量,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),實現(xiàn)測溫。該部分溫度的測量可以分為兩個溫度段,以0℃為分界點,0℃以上部分采用可加熱控制溫度源作為測量對象,0℃以下部分以冷凍冰柜為測量對象。

(5)總結(jié)匯報。該環(huán)節(jié)對項目進行總結(jié),完成課程報告,并匯報答辯。

(三)考核評價方式

將單一的以最終成果進行評價的方式改為對實踐過程的全流程全方位評價。評價方式的改進對以小組為單位進行的集中實踐尤為重要,不再以簡單的技術(shù)效果來評價,而是對技術(shù)、態(tài)度、團隊合作、工程進度、工程管理方面綜合評價,有利于激發(fā)學(xué)生的實踐熱情,積極為團隊做出力所能及的貢獻。

結(jié)語

實踐表明,基于課程群的進階式實踐課程體系,增強了學(xué)生對系統(tǒng)和模塊關(guān)系的認知,特別有利于工程實踐中項目需求分析能力的提升,突顯各階段的實踐能力訓(xùn)練重點。專業(yè)核心課程群的協(xié)同聯(lián)動,促進課程間的融合程度,對課程內(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。項目設(shè)計中的挑戰(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)計劃2.0的工程人才培養(yǎng)新要求。