测控技术与仪器专业实践教学体系的分析与设计

2018-01-15熊飞丽王光明孟祥贵

实验科学与技术 2017年6期

熊飞丽，王光明，孟祥贵，李季

测控技术与仪器专业是仪器科学与技术学科一级学科所属的唯一本科专业,目前国内有260余所高校设置有该专业。作为信息学科的源头,测控技术与仪器专业知识已从过去单纯的精密仪器、光学仪器、电子仪器等逐步发展成为集传感器技术、计算机技术、电子技术、控制技术、现代光学、精密机械等多种新技术于一身的宽口径、知识密集型综合学科专业。相关技术和产品在当今国民经济和国防领域的信息化带动机械化进程中起着基础性作用,应用范围十分广泛,专业人才需求旺盛。

从专业技术要求方面而言,测控技术与仪器专业主要培养具有研究、设计、制造、应用、维护和管理现代仪器仪表和测控技术装备的能力,掌握信息获取和处理技术的人才。因此,培养学生获取、分析、加工和利用信息的能力是当今信息社会对本专业新型人才培养所提出的基本要求。

随着建设创新型国家对高素质工程技术人才的迫切需求,各高校测控技术与仪器专业都在努力探索提升本科生工程教育质量的新途径,特别是积极采用国际化的工程教育改革理念进行专业教学改革。尽管各高校测控技术与仪器专业的应用背景各有特色,总的来看各高校在本科四年的学科知识结构、专业课程体系、课堂教学和基本实践环节等设置方面的差别并不是很大。但是在各高校踊跃参与国际工程教育专业认证的大背景下,如何进一步提升学生的工程实践能力,建立本科四年全覆盖的工程实践能力和工程素质培养体系,强化实践教学环节和实践内容的设计,仍然是未得到较好解决的难题之一。

本文以现代工程教育理念为指导,结合测控技术及仪器学科的基础知识体系,以培养实践与创新能力为目标,对测控技术与仪器专业学生的实践知识与能力构成进行了分析,提出了贯穿大学四年的实践教学体系的设计思路,并对具体实践教学环节的设计实施方法进行了说明。

2 测控技术与仪器本科专业工程实践能力的构成分析

仪器的功能在于用物理、化学或生物的方法,获取被检测对象物理、化学特性变化的信息,并通过信息的转换处理,使其成为易于人们观察和识别、判断、管理 (信息显示、转换和运用)的量化信息形式,或进一步生成能对被测对象特性进行调整、利用的控制信息。“信息的测量和获取”是仪器本科专业理论与技术体系的基本特征。这种基本特征既决定了本专业理论和技术在前沿科学研究、国民经济各产业装备制造、人民生活消费品生产等领域应用广泛,是支撑人类有序、高效生产活动和现代社会生活的基础,也决定了社会对本专业人才会有巨大的需求。

随着经济全球化竞争以及产品技术创新需求的增加,社会迫切需要大批工程创新型人才。如何提升学生的工程实践和创新能力,培养能够面向业界、面向世界、面向未来的卓越工程师,是本专业实践教学改革面临的主要问题。

厘清本专业工程能力和素质的结构和内涵,是有针对性进行实践教学内容设计和实验手段建设的前提。根据卓越工程师的培养目标,本专业学生的工程实践能力应包括基本实践、专业实践、综合工程实践3个能力层次,通过3个层次能力的培养,可以深化对所学社会科学、自然科学基础、工程科学技术等理论知识的理解和掌握,综合形成较全面的工程素质。本文对这3个能力层次和综合素质具体构成进行如下初步分析。

2.1 基本实践技能的构成

1)能以所学的数学、物理、化学、电学等自然科学基本知识,以及电学、力学、材料、信息等工程技术知识为基础,具有制订基础实验方案、开展实验和数据分析、对所学自然科学和工程技术基本原理和方法进行验证的能力。在计算机编程、工程制图、常用电子仪器使用、电子元件选择等方面具有较全面的实践技能。

2.2 专业实践能力的构成

2)能以传感、控制、计算机接口、信号处理与系统、精密机械设计、工程光学等专业技术基础课程知识为基础,具有设计传感器单元、仪器部件、测试系统的能力。

3)通过精密测试理论、仪器和测试系统设计、现代虚拟仪器等专业课程的学习,具有对测试与仪器工程问题进行需求分析、建立数学模型、分析求解和评估论证的能力。并通过各类型实践环节,使学生掌握传感、控制、计算机、测量及误差信息处理等的专业综合实践技能,具备使用现代化工程分析、仿真和设计工具的能力。

4)通过本领域专业知识的系统学习,能够在把握本专业知识体系和构成特点、理解学科内涵的基础上,主动了解学科前沿和发展趋势,具备对专业技术发展的敏感性。

2.3 综合工程实践能力的构成

1)了解工程问题的实际解决过程,包含需求分析、设计、制造、营销、维护、回收等环节的构成链条,初步具有提出、分析、解决综合工程问题所需的科学和系统思维能力。

2)具有质疑探究、批判性思考和创造性思维能力。基于现有技术而不局限于已有技术,掌握在复杂系统中发现并筛选出不确定性因素的分析方法,主动汲取反馈信息,具有不断改进完善创新的工程设计意识。能创造性地发现、评估和选择实现工程任务目标所需的技术和方法。具备进行产品开发和设计、技术改造与创新的初步能力。

3)具有有效的沟通与交流能力。能够使用技术语言进行工程文件的编纂,熟练掌握一门外语,能在跨文化的环境下进行设计概念、方案、思路和技术成果的传播、沟通与表达,具有良好的人际交往能力。

4)具有团队协助与组织管理能力。现代工程问题的复杂性决定了其在实现过程中需要广泛的协作,应能充分认识协作精神对个人发展成长的重要作用,具有能与不同文化、专业背景的人协同工作的团队合作意识和基本能力。

2.4 工程素质的构成

1)具有社会责任意识。了解技术发展给人类带来的积极和消极影响,能充分认识技术进步对社会、生态、资源环境改善的促进作用,具有很强的社会责任感。具有追求真理、客观求实、严谨细致、精益求精的科学精神。

2)具有良好的职业操守。坚守正确的价值取向和行为道德标准,讲究诚实守信和公平公正,遵守伦理道德规范。熟悉本专业适用的技术标准知识和职业健康安全知识,自觉执行各种技术标准和职业行为法规,具有良好的产品质量、安全、服务意识。

3)具备较强的工程意识。牢固树立工程实践过程中的系统意识、质量意识、成本意识、环保意识、人文意识,能正确认识本专业领域对于客观世界和社会的影响,了解与本专业相关的法律、法规,熟悉国家在环境保护和可持续发展等方面的方针和政策。

4)具有开阔的国际视野。了解国内外文化、历史、经济和运行规则等的差异,能用国际化的眼光观察本专业领域的产品需求和技术发展特点,具有良好的开放心态,以及适应多变快变环境的自信和能力。

5)具有终生学习的意识与能力。具有与世界工程发展保持同步的思想意识,以及终身学习和追求卓越的执着态度,锲而不舍的坚定意志。能根据社会急需和学科前沿,自觉进行新知识的学习,不断保持和增强其发展后劲和职业竞争力。

3 以提高工程实践和创新能力为目标的全程实践教学体系设计

工程教育的核心是工程能力的培养,这种工程能力不能狭义地理解为 “实践动手能力”,而应包括基本实践、专业实践、综合工程实践等不同能力层次。应以测控技术与仪器专业的技术基础知识为主线,将工程能力的培养融入大学四年专业教育的各环节、贯穿于专业学习的全过程。设计形成以专业教学系列课程为依托,理论教学与实践教学为一体、全方位培养工程能力的综合实践教学体系。基本思路有如下6个方面。

3.1 以工程技术应用能力培养为主线，构建贯穿大学四年的实践教学体系

测控专业重点在 “测”而不在 “控”,研究专业课程的知识体系,总结、创新实践教学内容和方法,促进理论教学内容的理解和深化。通过课程实验、综合课程实践、课外创新、学科竞赛、企业实习、毕业设计等实践环节的综合优化设计,构建由简单到复杂,由单一到综合,从低级到高级,目的明确,循序渐进,逐层提高的,包含认知实践、基础实践、综合实践和创新实践4个层次的实践教学体系。实现学生专业理论知识和实践创新能力的融合式、梯次式培养,使学生能将测控技术与仪器专业的基础理论和实践知识融会贯通,牢固掌握测控技术与仪器专业的技术体系和知识、能力主线。实践教学体系中的能力构成与培养方式的对应关系如表1所示。

3.2 优化、整合基础性实验内容，提高学生的基本和专业实践技能，深化学生对专业知识体系的把握

传统的实践教学主要围绕基础和专业基础课程设置,实验内容主要是对所学课程理论知识的验证,受到学生自主学习时间有限、实验场地不足、实验室开放时间等因素的制约,使学生的自主实践的机会偏少,特别是在实验过程中缺少从测控技术与仪器专业角度对学生的引导,大学四年期间实践内容的连贯性、系统性不强,造成学生对本专业知识、能力结构和培养目标的认识不具体,在基础课程学习过程中不能主动地将当前课堂、实践教学内容与培养目标相关联,不利于启迪学生的专业思维,调动学生主动学习、主动实践的积极性。

传感、信号预处理、数据采集接口、计算机信息处理是本专业知识体系的核心环节,也是信息获取的基本途径。学生的基本实验技能、特别是专业实践能力的培养应主要围绕这些环节展开。在设置基础实验内容时,应明确验证型、设计型、综合型实验在专业知识体系中所处的位置,以及相应的实践能力培养要求。

通过增加与课堂教学内容紧密结合的设计型、综合型实验,促进学生自主开展验证性实验。例如,以典型工业测试系统为应用背景,开设包含多种传感器和信息获取接口的综合测试实验,让学生独立分析系统测试原理,开展测试方案论证和详细内容设计,了解工程测试系统的研究开发过程,理解实验内容在测控技术与仪器专业知识体系中的位置和作用,以深化学生对专业知识体系的把握。

3.3 采用CDIO自主实践教学模式，提高学生的工程能力和素质

CDIO(conceive构思,design设计,implement实现,operate运行)是一种新型工程教育模式。它以真实的产品或系统的CDIO全过程为背景载体进行工程能力培养,使学生能以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程,由于其符合现代工程技术人才培养的一般规律,日益受到教育界的重视。设计与社会需求联系紧密、能反映工程CDIO过程的典型传感器、测量仪器、测试系统实践项目 (project),作为开展CDIO教学的载体,并有意识地在教学计划中将其贯穿于不同基础课程和专业课程的课堂和实践教学内容中,引导学生熟悉现代工程问题的分析和解决过程。例如,设计涵盖传感器选择、二次仪表、误差处理、显示环节设计等测控技术核心内容的综合性实践项目,通过目标驱动、问题导向、“做中学”等实践模式,构建主动学习、主动实践的环境氛围。使学生在学习产品、过程、系统开发技巧的同时,能够深化课程理论知识的理解和掌握,实现知识、能力、素质的一体化培养。

表1 实践教学体系中的能力构成与培养方式对应关系

3.4 以学科竞赛为牵引，构建开放式的创新实践环境，激发学生的创新热情

以各类大学生设计与创新大赛为突破口,组织学生积极参加学科竞赛,在创新活动中选派有丰富科研和工程经验的教师加强对学生的启发和引导,以充分调动学生的主观能动性,促进培养方式由“要我做”向 “我要做” “我能做”方向转化,培养学生从事创新活动的自信心和创造能力。

加强实验室的创新环境建设,面向学生的创新活动建立完善的实验室硬软件环境,既包括能体现本专业学科优势的、先进的传感与电路器材、仪器设备、软件开发平台,也包括学生自主实验室运行管理制度等。总体形成开放的,以学生为中心的创新环境。

3.5 整合课内外、校内外实践教学资源，为学生提供更多的工程认知和实践机会

丰富多学科的校内外实践教学模式,为学生提供更多的实践机会。打破原有以教研室为依托、相对封闭、自成体系的实验室组织管理模式,联合自动控制、机械工程、计算机等学科的专业实验室,形成跨学科的实践教学资源群,实现可跨专业的实验课程选修,扩大学生的视野,启迪多专业多角度思维与实践能力的培养。

以测控技术与仪器专业实验室为基础,借助各学科科研实验室以及校外大型军民用装备制造企业,整合课内外、校内外实践教学资源,并充分利用现有丰富的网络资源,建设实践教学项目资源库。创新多种实践教学模式,实现传统与先进测控技术相结合、实践能力训练与创新能力培养相结合、通用工程技术实践与专业工程技术训练相结合的多层次、多模式实践能力培养。使学生在校期间能够接受 “现场工程师”的完整训练,以提高学生应用专业知识分析问题和解决问题的综合能力。

3.6 采取多种国际合作培养模式，拓宽学生视野，培养跨文化交流能力

国际化和全球化是高等教育发展的必然趋势。实施学生互换项目、举办国际学术会议、开办暑期学校等方式,加强学生的国际交流,着力拓宽学生国际视野,增加学生国际学习经历,使学生能接触到学科领域的前沿,并能以国际发展的眼光了解本专业的发展动态,从而得到真正的创新能力和跨文化交流能力的训练。参与工程教育认证,通过认证,可以把握国际通行的学术标准,推动教学内容的改革与创新,促进课程质量标准的交流和教学资源的共享,保证本专业人才培养的质量。