能力达成导向的测试系统实验课程实践

崔 勇，胡庆雷，王秋生，董韶鹏，富 立

（北京航空航天大学1.自动化科学与电气工程学院，2.机械与控制工程国家级虚拟仿真实验教学中心，北京100191）

0 引言

测试测量技术是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通讯技术、计算机技术构成信息科学的三大支柱，是当代信息技术的关键和基础［1～3］。测试和测量系统负责信息的采集，数据处理和分析，是自然和生产生活领域中获取信息数据的基本途径和重要手段［4～6］。

测试系统综合实验课程体系建设的主要目标是为满足面向工程教育的人才培养，同时适应“双一流”建设对一流人才培养的需求［7～9］。以往，该课程体系的教学内容分散在包括“信号与测试技术”（核心专业课）、“航空测试系统”（检测方向核心专业课）以及通识课“无线传感器网络导论”等多门课程中。存在知识点不连贯、不系统，实验内容重复设置等问题，非常不利于培养学生建立综合的系统工程观能力。此外，测试系统综合实验课程体系还缺少能够满足我校本科生培养的具有航空航天特色的系统性、综合性的内容，因此，迫切需要开发和建设一门具有测试测量领域基础知识和最新知识融合的实验课程体系。

1 课程体系的顶层设计

测试系统综合实验课程体系在知识体系上可划分为传感器测量基础性实验和测试综合实验两部分。传感器测量基础实验部分侧重培养学生对基础概念、基础知识的掌握和基础实践能力的培养；测试综合实验部分，结合多门课程的知识，设计具有综合应用场景的实验内容，侧重培养学生的系统工程能力。我们开发的测试系统综合实验课程体系内容包括了传感器测量基础性实验和测量信号分析实验，并在此基础上引入了面向航空航天应用、嵌入式应用和物联网应用的测试系统综合实验内容。这些实验内容安排由浅入深、由基础到综合，侧重强化学生测试测量领域知识的运用和实践能力培养，同时兼顾提升学生面向未来的适应性能力。开发的课程体系如图1所示。这一实验课程体系的顶层设计中重点突出应用性和工程性，同时具备航空航天特色（如引入了包括机载大气数据采集系统实验、飞行器大气参数解算实验等具有航空航天特色的测试测量实验）。课程内容的设置既保证了航空航天领域杰出人才培养力，又可满足培养时代发展需求的一流工程人才的需求。同时，在实验课程开发过程中，补充了测试测量领域反映新概念、新原理、新技术的内容（如物联网、无线传感器网络等实验内容），力求使学生了解测试测量领域新的科技和产业的发展。

图1 测试系统综合实验课程体系设计

2 实验开发与实践

本课程体系所开发的实验包括：传感器测量基础实验（包括传感器测量信号分析基础实验、活塞压力计系统静态特性校准实验等十个实验，九大类传感器）、飞行大气数据测试系统实验（包括航空压力传感器静态校准实验和大气数据系统飞行参数解算实验）、无线片上系统实验（包括数字I/O，定时器、中断、串口、集成温湿度测量以及光强测量等七个实验）和基于ZigBee的无线传感器网络实验（包括星形网络和Mesh网络实验）。依据实验内容，开发了包括传感器基础实验平台、大气数据测试系统实验平台和无线传感器网络实验平台。

2.1 传感器基础实验平台

传感器基础实验部分依托传感器系统综合实验平台开展，实验平台采用模块式结构，可按照实验要求灵活组合［10～12］。基于该平台已开发了包括：压力计系统静态特性校准实验、温度传感器实验、电感式传感器实验、应变传感器实验、超声传感器实验、电容式传感器实验、电涡流传感器实验、光纤光电传感器实验和霍尔传感器实验。通过这些实验，使学生掌握了常用传感器敏感机理、结构及应用、常用物理参数的测量原理等内容。通过实验过程，进一步加强了学生对测试测量技术基本的理论的理解，培养了学生正确、合理地选择常用的传感器和检测方法的能力。

传感器基础实验平台及部分传感器模块如图2所示。

图2 传感器基础实验平台及部分传感器模块

2.2 大气数据测试系统实验平台

大气数据测试系统为综合性实验，自行开发的实验平台如图3所示。该部分实验内容涉及自动控制元件、信号与测试技术、航空测试系统等相关的理论与工程应用，对培养学生的理论分析能力、工程设计能力具有重要的作用。实验内容主要包括航空压力传感器静态校准实验和大气数据系统飞行参数解算实验。通过实验可使学生深入理解机载大气测量系统的组成和工作作原理，完成对实际大气数据系统中用到的压力泵、真空泵、气阀、气罐等组件的综合测试和控制，最终实现飞行大气参数的在线解算。

图3 大气数据测试系统实验平台

2.3 无线传感器网络实验平台

实验平台以ZigBee协议为自组网络实现物联网多节点组网控制（图4）。实验平台共包含7个独立的无线模块，无线模块的主芯片是TI公司的无线片上系统CC2530。实验平台集成了多种传感器以及多种无线组网模式，可实现多种物联网构架。基于该平台，设计了包括：基于无线片上系统的数字I/O实验、基于无线片上系统的定时器实验、基于无线片上系统的外部中断实验、基于无线片上系统的串口通信实验、基于无线片上系统的A/D转换实验、基于无线片上系统光强度测量实验、基于无线片上系统集成温湿度测量实验、基于ZigBee的星形无线传感网络综合实验和基于ZigBee的Mesh无线传感网络综合实验。

图4 无线传感器网络实验平台

依托该物联网实验平台，引导学生将理论知识和实际知识相结合，进一步加深学生对于无线传感器网络中典型概念、设计方法、使用方法等知识的掌握。

3 能力达成导向

结合我校自动化专业的实践教学现状，并与世界500强企业技术人员交流、到国内航空航天企业与院所走访、到国内和国外的著名大学调研等形式，准确把握自动化新兴技术现状及发展趋势，设计了具有闭环反馈机制、以能力达成导向的教学持续改进体系。确定了包括专业能力、个人能力、文化能力、方法能力、领导能力、社会能力、全局能力、组织能力、交互能力的学生能力达成指标体系（图5（a）、（b）、（c））。基于该体系，通过调查问卷的形式，采集分析了40名学生的各项能力达成情况，基于熵权法找到了本课程培养过程中学生的能力达成短板，如图5（d）中所示的“领导能力”和“社会能力”。基于分析结果，未来可对本课程实施持续提升或改进，例如，拟通过设计综合开放性实验内容，将单独完成实验模式转换为不同分工合作完成的实验模式，促进同学们在实验过程中的相互交流，锻炼其领导能力和社会能力，从而避免学生能力培养过程的“碎片化”问题。

4 结语

经过2018-2020年的迭代建设和教学反馈，完成了测试系统综合实验课程体系的能力达成指标体系的建立，并开发了面向能力达成导向的综合实践教学内容，完成了多个实验项目的建设。根据学生调研反馈的能力达成结果，改进了实验方法，完成实验教学工作的持续改进。实验内容紧密联合工程应用，较大地激发了学生的学习热情，对培养学生创造力和综合运用知识的能力具有重要作用。