新工科背景下基于专业核心课程的进阶式实践课程创新与探索——以测控技术与仪器专业为例

戴 梅 李 鑫 毛丽民 谢 启

常熟理工学院电气与自动化工程学院 江苏常熟 215500

新一轮的科技和产业变革正在世界范围内蓬勃发展,对高等工程教育提出新的挑战。新工科计划应运而生,为我国迈向工业强国行列提供新型工科人才。工程能力和创新能力是新型工程技术人才培养的核心要素,而实践活动是关键的达成途径之一。当前,人才培养的校内实践教学体系主要由“课程实验—课程设计—毕业设计”三部分构成,提高综合性、设计性实验在课程实验中的占比、以项目—任务驱动课程设计等实践教学改革的探索,极大地促进了人才培养质量的提高。然而,课程设计项目仅为部分课程实验的综合,内容局限于个别课程,作为专业实践教学体系的中间环节,对学生工程能力和创新能力发展的支撑仍显薄弱。本文以测控技术与仪器专业为例,针对当前课程设计在新型工科人才培养方面的不足和卓越工程师教育培养计划2.0专业建设的要求,基于专业核心课程群构建进阶式创新实践课程,以大项目思维拓展集中实践课程外延,与专业核心课程的研究型学习相融合,提升学生高阶思维能力、工程实践能力和创新能力。

一、当前测控专业课程设计现状

测控技术与仪器专业一般在第二学期开始设置专业核心课程,经过四个学期修完电路、模拟电子技术、数字电子技术、信号分析与处理、传感器原理与检测技术、误差理论与数据分析、自动控制原理和单片机原理与接口技术等必修课程,在应用实践性较强的三电课程和单片机原理与接口技术课程之后,分别设有相应课程的集中实践环节,以训练学生动手实践和解决实际问题的能力。在工程教育专业认证标准下,电子技术课程设计和单片机课程设计开展以结果为导向,以项目为驱动的教学方法和内容的改革,取得一定成效。然而,面对新工科人才培养和“卓工计划2.0”提出的挑战,课程在以下几方面还存在不足。

(一)内容与专业结合不紧密,未能突显专业培养目标

在新的培养方案中明确提出,测控专业面向工业自动化测试领域培养能够解决实际复杂工程问题的应用工程师,能够运用测试测量与控制专业知识从事测试系统或相关产品的设计开发工作。当前,电子技术课程设计项目主要围绕数字电路和电源电路的实现进行训练,较少涉及信号的测试测量。一方面,该阶段尚未开设信号获取相关课程;另一方面,在实践方式上,仿真难以体现模拟信号的实际变化趋势,而面包板搭建或万用板焊接方式实现信号调理的完成率较低。单片机课程设计项目侧重内部模块和外设的综合应用,以技能训练为主要目标,领域特征不显著。

(二)实施进程不全面,未实现工程项目全流程覆盖

课程设计一般安排课内16学时,首先由教师布置项目任务,引导学生分析项目需求、确定技术指标、进行分组分工;接着学生利用课外时间预习自学,查找文献资料、了解理论知识、比较候选方案;在现场教学阶段,充分发挥学生主动性,进行项目具体设计并通过仿真软件验证;最后完成结果验收工作。由于受限于学时数的约束,原理性电路设计(或包含软件设计)未能进行实物验证,缺失了工程项目实践的重要环节,工程项目中人员、成本、进度管理等非技术因素也未得到体现,在学生工程实践能力培养上尚有不足。

(三)缺乏学科交叉融合,两度一性不足

现有电子技术课程设计和单片机技术课程设计局限于个别课程,注重技能型训练,忽略测试测量领域的学科交叉融合,与专业核心课程群耦合度不高,项目要求较基础,缺乏挑战性,在高阶性思维能力、工程创新能力培养上未形成强力支撑,不能满足新工科背景下应用型工程人才的培养需求。

二、基于专业核心课程群的进阶式实践体系构建思路

针对测控技术与仪器专业课程设计的不足,剖析问题根源,重新梳理两门课程设计与专业核心课程间的关系,明确以测试测量领域工程项目驱动整体实践教学,以工程实践在不同阶段的要求为出发点设计一条有序衔接、分层递进的项目主线,围绕项目主线重塑实践教学体系,将学科专业知识以及设计与专业技能模块化项目进行组合或嵌入项目之中,以项目为载体突出对学生高阶性思维、工程能力和创新能力等综合素质的培养,推进建设实践项目化、工程项目课程化的实践教学体系。

围绕有序衔接、分层递进的设计宗旨,对电子技术课程设计和单片机技术课程设计统筹规划,对课程的目标、内容、达成方式和阶段性功能重新设计,逐步形成“一条主线、两门课程”的建设思路。

(一)贯穿核心课程群的大项目主线

测试测量及控制理论和方法技术是测控技术与仪器专业教学的核心内容,涵盖信号感知、信号调理、信号转换和信号处理等关键环节,且与测试测量系统中信号的流向形成对应关系。核心课程群的课程设置契合了整条信号链。传感器原理与检测技术课程对各种物理量、化学量和生物量转换为电/光信号的工作原理和方法技术进行阐述,为信号感知环节提供理论和技术支撑。电路、模拟电子技术和数字电子技术等核心课程能让学生掌握电子元器件、基本电子电路等基础知识及基本电路设计方法,对由传感器转获取的信号进行放大、调制等信号调理工作。单片机原理与接口技术课程中模数转换模块是测试测量系统数字化转换的关键,也为整个系统功能的实现提供技术基础。信号分析与处理、误差理论与数据分析和自动控制原理等课程又为去除信号中的干扰成分、评估信号的误差程度、对信号误差进行调制提供理论和方法的支撑。

核心课程群可以映射为测试测量系统项目的模块化集合,相关核心课程的知识要求、能力要求和素质要求支撑测控系统的集成设计与实现毕业要求的达成。因此,以工业自动化测试领域实际工程问题为背景,凝练出贯穿核心课程群的复杂工程项目,具有较高的教学实践价值。一方面,具有实际工程背景的复杂工程项目模块化解构后,应用到对应核心课程的项目化教学中,既提升理论教学的效果,又对该模块进行深入的研究性学习,为后续系统集成打下坚实基础。另一方面,有利于集中学习资源提高学生的学习效率,避免课程相互独立,在研究性学习上重点不突出带来的学习时间、成本负担。贯穿核心课程群的大项目式驱动学习,能促进课程群教学内部融合,更有利于学生工程意识的发展,对系统的解构和模块的集成能力训练,更有利于解决复杂工程问题。

(二)大学生电子设计创新实践课程

在大项目主线确立后,基于学生实践能力的递进式提高原则,先后设置两门创新实践课程。将原有的电子技术课程设计升级改造为大学生电子设计创新实践,在时间节点上仍安排在电路、模电和数电理论课程修完之后,学时数增加到32学时。本阶段的实践教学要求设定为项目的纯电子电路实现,要求学生能够根据给定被测量构造测量场景,选择传感器,设计信号调理电路。当输入量在一定范围内连续变化时,信号调理电路的输出值能够与输入量成为线性关系,电路设计符合行业规范和技术标准。

本实践课程的项目设置立足测控专业的测试测量属性,通过纯硬件实现的达成途径深化学生对电子电路的理解,能够扭转当前重软件轻硬件的状况。与此同时,纯硬件的实现方式具有创新性,在培养学生工程调试能力方面具有积极作用。从软件仿真到实物调试,学生面临的是真实场景下的工程实践问题,解决这些问题需要联系相关理论结合工程经验,打通理论到工程实践的壁垒,解决当前实践教学的沉疴,是培养应用型本科人才的关键步骤。

本实践课程同时具挑战度。从核心课程的学期分布上来看,本课程实施时,学生尚未学习信号获取相关课程,给项目完成带来一定挑战度。学生需要结合任务要求查阅文献资料,并且自学补充相关知识,才能对被测量的采集方案进行比较和设计。在项目任务的设置上,通过具有一定挑战度的任务促使学生主动学习,充分发挥自身实践主体作用,积极完成任务。

(三)仪器类专业综合创新实践课程

本实践课程设置在所有专业核心课程结束之后,从原来16学时的单片机技术课程设计扩展为32学时的仪器类专业综合创新实践课程,是电子设计创新实践的进阶。本阶段延续前述实践课程的项目任务,以通过单片机系统实现工程级的应用为教学目标,要求学生沿用前述课程或者改进的信号获取和信号调理模块,设计信号转换、信号分析处理和信息输出模块,进行测试测量系统集成,并对系统的性能指标进行测试改进。课程还涉及高阶性的要求,例如滤波算法的设计和系统校准算法的研究等。

本阶段实践课程并不仅是在项目达成方式上的进阶,也是学生能力培养的进阶,更是工程项目的反思及改进。经过测试测量系统所有模块对应课程的学习,在课程中有针对性地进行项目各模块深入探究。首先引导学生对前述课程中的信息获取方案从指标完成度、技术难易程度、成本等方面进行评价,提出改进方案,接着是后续模块的设计以及实现。

综上所述,基于测控专业核心课程群的进阶式实践课程构建体现了CDIO工程教育模式思想,在贯穿核心课程群的大项目驱动下,在第一阶段的电子设计创新实践中,实现大项目部分内容的构思、设计、实现和运作;第二阶段的实践以前一阶段的结果反思和其他核心课程群的探究性学习为构思过程,在构思环节内部形成小闭环,提高项目实施效率。

三、具体实施案例

按照以上建设思路,对两门实践课程的教学目的、教学实施过程、考核评价方式等方面重新设计,以测温仪的设计为例进行阐述。

(一)教学目的

(1)第一阶段实践目标。设计一纯电子电路系统,实现温度信号的采集,测温范围为-20℃～199℃,以0～5V电压形式输出,要求输出电压与输入温度成对应关系。

(2)第二阶段实践目标。设计一测温仪,温度范围为-20℃～199℃,精度为0.1℃,具有实时温度显示、℃/℉转换、数据存储及传输、历史数据查询等功能,符合行业规范和技术标准要求。

(二)教学实施过程

(1)任务布置。在第一阶段的任务布置中,教师从家用电器的温度测量入手,引导学生理解温度检测的两种方式,并根据任务需求选择适合的方式,接着引导学生主动查找文献资料,根据项目需求查找接触式测温的方案。第二阶段的任务布置中,重点在于引导学生对测温仪功能和指标方面的需求分析,行业规范和技术标准的解读促进学生对工程应用的理解。

(2)方案选择。学生经过前期项目需求的分析后,根据项目的硬件需求和软件需求(对应第二阶段)拟订备选方案,教师带领学生进行讨论,主要基于方案的难易程度、成本、时间等方面展开评估,在综合考量的基础上选出可实施方案。

(3)设计与仿真。在第一阶段中主要对信号调理电路环节进行设计,通过Multisim软件对电路的功能和技术指标进行验证并改进电路设计。在第二阶段主要对主控制模块、显示模块、通信模块进行设计,并设计系统电源电路;对数据采集程序、数据分析处理程序、显示程序、数据存储程序和外部通信程序进行设计,通过Proteus软件进行部分硬件电路设计和程序设计仿真并改进。

(4)实物制作与调试。第一阶段成果为纯电子电路,制作PCB板实物,输出部分以高精度电压表进行测量,考查输入温度与输出电压之间的关系。第二阶段在PCB板制作完成后,烧录程序后,软硬件联调,实现测温。该部分温度的测量可以分为两个温度段,以0℃为分界点,0℃以上部分采用可加热控制温度源作为测量对象,0℃以下部分以冷冻冰柜为测量对象。

(5)总结汇报。该环节对项目进行总结,完成课程报告,并汇报答辩。

(三)考核评价方式

将单一的以最终成果进行评价的方式改为对实践过程的全流程全方位评价。评价方式的改进对以小组为单位进行的集中实践尤为重要,不再以简单的技术效果来评价,而是对技术、态度、团队合作、工程进度、工程管理方面综合评价,有利于激发学生的实践热情,积极为团队做出力所能及的贡献。

结语

实践表明,基于课程群的进阶式实践课程体系,增强了学生对系统和模块关系的认知,特别有利于工程实践中项目需求分析能力的提升,突显各阶段的实践能力训练重点。专业核心课程群的协同联动,促进课程间的融合程度,对课程内的探究性学习起到积极作用,提高学生的学习兴趣。项目设计中的挑战性和高阶性要求能够支撑新工科和卓越工程师教育培养计划2.0的工程人才培养新要求。