測控技術(shù)課程體系的綜合學(xué)年設(shè)計(jì)研究

吳海濱 王北一 于雙

摘? 要：為了使測控技術(shù)課程體系的相關(guān)課程加強(qiáng)銜接、避免重疊，加強(qiáng)工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，研究了綜合學(xué)年設(shè)計(jì)方案。首先，分析國內(nèi)外大學(xué)的現(xiàn)有方案，確定了按測控技術(shù)測量信息流向，構(gòu)建以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的學(xué)年設(shè)計(jì)原則。其次，通過構(gòu)建以精品課為核心的測控技術(shù)知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，調(diào)整和修訂課程的內(nèi)容，強(qiáng)化系列課程內(nèi)容的交叉融合，改革傳統(tǒng)教學(xué)方法，構(gòu)建以應(yīng)用為主的研究性教學(xué)結(jié)構(gòu)，圍繞測控技術(shù)知識(shí)結(jié)構(gòu)編寫或修訂系列教材等方法，提出了綜合學(xué)年設(shè)計(jì)的內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)置、評價(jià)方式、實(shí)施過程與完善方案。最后，分析了實(shí)現(xiàn)綜合學(xué)年設(shè)計(jì)的硬件與軟件條件。方案在3輪本科生授課中試行，調(diào)查結(jié)果表明，支持綜合學(xué)年設(shè)計(jì)的學(xué)生約占80%，總體受到良好評價(jià)，可進(jìn)一步完善并推廣試用。

關(guān)鍵詞：測控技術(shù);綜合學(xué)年設(shè)計(jì);實(shí)踐教學(xué);工程認(rèn)證

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2019）21-0074-03

Abstract： In order to strengthen the connection of the relevant courses of the measurement and control technology curriculum system， avoid overlap， and strengthen the cultivation of engineering practical ability， the design plan of the comprehensive academic year is studied. First of all， this paper analyzes the existing plans of universities at home and abroad， determines the flow of information according to the measurement and control technology， and constructs the academic year design principle guided by ability cultivation. Secondly， by constructing the measurement and control technologyand knowledge structure system with the fine product course as the core， adjusting and revising the content of the course， strengthening the cross-integration of the contents of the series of courses， reforming the traditional teaching methods， and constructing the research-based teaching structure based on the application， this paper puts forward the content structure setting， evaluation mode， implementation process and perfection scheme of the comprehensive academic year design around the methods of compiling or revising a series of teaching materials around the knowledge structure of measurement and control technology. Finally， the hardware and software conditions to realize the comprehensive academic year design are analyzed. The plan has been tried out in three rounds of undergraduate education. The results of the survey show that about 80% of the students support the design of the comprehensive academic year， which is generally well evaluated and can be further improved and popularized.

Keywords： measurement and control technology; comprehensive academic year design; practical teaching; engineering certification

引言

“測控技術(shù)”是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的主干內(nèi)容，主要包括參數(shù)測量、參數(shù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析與處理等三方面?！皽y控技術(shù)”相關(guān)基礎(chǔ)課程有傳感技術(shù)、測控電路、誤差理論、精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、微計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等;學(xué)習(xí)上述基礎(chǔ)課程之后，再開設(shè)智能儀器、測試技術(shù)等課程將知識(shí)溶匯貫通。上述課程按照“信息流的方向”設(shè)置，但在授課過程中，存在各門課程內(nèi)容銜接不足、多門課程內(nèi)容重疊等問題。

在上述背景下，制定合理的綜合學(xué)年設(shè)計(jì)方案是使測控技術(shù)相關(guān)課程融會(huì)貫通的重要環(huán)節(jié)之一。某一門課程的學(xué)年設(shè)計(jì)內(nèi)容，或多或少地與其它課程內(nèi)容相關(guān)，在強(qiáng)調(diào)“檢測技術(shù)”與“儀器”的整體性時(shí)則更是如此。

教學(xué)方法研究被各國普遍重視，具有獨(dú)特的創(chuàng)新性的研究價(jià)值，以哈佛大學(xué)的 “案例教學(xué)法”為例，最新得到教育行業(yè)的普遍認(rèn)可;牛津大學(xué)、普林斯頓大學(xué)的“模擬訓(xùn)練法”，通過模擬現(xiàn)實(shí)政治中各類問題的解決方式，使學(xué)生學(xué)到書本上根本學(xué)不到的技能;芝加哥大學(xué)的“觀點(diǎn)烹調(diào)法”，利用交流觀點(diǎn)和開展評論而豐富知識(shí);京都大學(xué)的“演習(xí)教學(xué)法”已成為傳統(tǒng)的教學(xué)科目。其做法是在指定教授的指導(dǎo)下，學(xué)生按特定題目各抒己見，展開討論，互相切磋，在教室里得到難得的自我表現(xiàn)機(jī)會(huì)[1-3];英國高校的“自主和交互式學(xué)習(xí)”的教學(xué)方法[4-6]：允許學(xué)生自主設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)方案。方案設(shè)計(jì)大都以小組形式圍繞“問題”展開，如大作業(yè)、綜合設(shè)計(jì)、研究項(xiàng)目等。方案的“立項(xiàng)評審”由指導(dǎo)教師、部分學(xué)生、用人單位組成的評審小組來進(jìn)行，它既是學(xué)生接受幫助和指導(dǎo)的過程，又是促進(jìn)學(xué)生獨(dú)立思考、意義構(gòu)建、交流表達(dá)、自我負(fù)責(zé)、能力培養(yǎng)的過程。進(jìn)行“自主和交互式學(xué)習(xí)”時(shí)，學(xué)生可以自行選定學(xué)習(xí)內(nèi)容、時(shí)間、方式、進(jìn)行有目的的學(xué)習(xí)，可分散進(jìn)行或集體學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)形式既包括查閱文獻(xiàn)資料、自學(xué)、討論、請教專家等，也包括調(diào)查、實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)、制作、測試、統(tǒng)計(jì)以及利用多媒體技術(shù)進(jìn)行跨時(shí)空的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。這種教學(xué)是一種開放式、自主式、創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)過程，有利于開發(fā)學(xué)生諸如溝通、交流、角色轉(zhuǎn)換、任務(wù)分工、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、磋商談判、妥協(xié)讓步等人際交流技能。蘇格蘭阿伯丁大學(xué)的創(chuàng)新性教學(xué)方式[7，8]包括，討論組、課堂反轉(zhuǎn)等方式，融合學(xué)習(xí)小組之間的配合與討論，教師主導(dǎo)的課堂講授擴(kuò)展的教科書知識(shí)，討論組提前準(zhǔn)備工程案例以備討論。日本大學(xué)的“講座制”也是反轉(zhuǎn)課堂與工程實(shí)踐結(jié)合的一種成功方式，同樣需要學(xué)生準(zhǔn)備案例資料，以學(xué)生討論為主，教師輔助研究糾正，雙方互動(dòng)。上述教學(xué)方式，充分發(fā)揮了學(xué)生的能動(dòng)性，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力和復(fù)雜工程問題解決能力。美國高校也將上述授課模式作為教學(xué)的基本方向。

綜上，將多門課程的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)系統(tǒng)化，將學(xué)年設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)為多樣、發(fā)散的工程實(shí)踐問題，以學(xué)生為主體提出方案并實(shí)現(xiàn)，再輔以教師的指導(dǎo)是綜合學(xué)年設(shè)計(jì)的主流發(fā)展方向。本文擬借鑒上述研究成果在內(nèi)容、形式、硬件條件方面的方案，提出適用于測控技術(shù)與儀器專業(yè)的綜合學(xué)年設(shè)計(jì)方案。

一、綜合學(xué)年設(shè)計(jì)的原則與方法

在院系的統(tǒng)籌安排下，十余名授課教師和實(shí)驗(yàn)教師參與開展“測控技術(shù)”課程內(nèi)容體系梳理與教學(xué)方法改革研究工作。目的是：1. 使多門課程加強(qiáng)銜接、避免重疊，按信息流向梳理展開;2. 加強(qiáng)課程的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，設(shè)計(jì)以學(xué)生為主體，主動(dòng)、分層次的教學(xué)方法。

綜合學(xué)年設(shè)計(jì)方案的制定主要遵循兩個(gè)原則：1. 內(nèi)容方面以增進(jìn)課程知識(shí)的銜接與綜合應(yīng)用為目標(biāo);2. 形式方面以學(xué)生為主體、分層次教學(xué)為目標(biāo)。綜合學(xué)年設(shè)計(jì)方案制定的主要方法如下：

（一）教學(xué)團(tuán)隊(duì)和省精品課建設(shè)

課題組形成合理的教學(xué)梯隊(duì)，多名教師從事教學(xué)、科研工作近30年，具有豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，是我校測控技術(shù)與儀器專業(yè)骨干教師，年輕教師年富力強(qiáng)，已成為業(yè)務(wù)骨干。上述教師承擔(dān)著測控技術(shù)與儀器專業(yè)大部分主干課程的授課任務(wù)。

早在2004年專業(yè)平臺(tái)課傳感技術(shù)被列為學(xué)院唯一一門省級資源共享課，進(jìn)入學(xué)校重點(diǎn)培育目錄。圍繞著省精品課建設(shè)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持不懈地進(jìn)行教學(xué)方法研究，試圖尋求一種適合當(dāng)前大眾化教育背景下培養(yǎng)高素質(zhì)人才的高等教育教學(xué)方法，并先后完成了多項(xiàng)教學(xué)改革項(xiàng)目，積累了較豐富教學(xué)方法改革經(jīng)驗(yàn)。此后，對該課程進(jìn)行了O2O建設(shè)，修訂了教學(xué)大綱，調(diào)整了教學(xué)內(nèi)容，編寫了適合本專業(yè)的特色教材，制作了多媒體課件。在研究現(xiàn)代教育理論和教學(xué)思想基礎(chǔ)上，對現(xiàn)代教學(xué)方法進(jìn)行了深入的理論研究和探討，逐步形成了一種教學(xué)方法——?jiǎng)討B(tài)分層異步教學(xué)法，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)分層異步教學(xué)法課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)和實(shí)踐教學(xué)結(jié)構(gòu)，并在“傳感技術(shù)”教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)踐，收到了較好的效果，并因此獲得黑龍江省教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。

（二）以被測量信息流為主線，構(gòu)建以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的方案

傳感技術(shù)是專業(yè)平臺(tái)課，它以物理學(xué)、電工學(xué)、電子學(xué)、工程光學(xué)等課程為基礎(chǔ)，同時(shí)又是后續(xù)的檢測技術(shù)、智能儀器、無損檢測等專業(yè)平臺(tái)課，在知識(shí)體系中作為先修課程的專業(yè)課、后續(xù)課程的基礎(chǔ)課。傳感技術(shù)、測控電路、誤差理論、精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、單片機(jī)、儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、智能儀器以及微計(jì)算機(jī)控制技術(shù)系列課程是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的主干，上述信息流知識(shí)構(gòu)成了整體儀器系統(tǒng)。傳感器是儀器的最前端，是所有信號的來源，測量之首;測控電路在傳感器的后續(xù)部分，把傳感器的轉(zhuǎn)換電路輸出的信號進(jìn)一步放大、濾波、整流等;單片機(jī)是智能儀器的運(yùn)算部分，精密機(jī)械部分及儀器設(shè)計(jì)構(gòu)成測控儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

以往的教學(xué)方式，各門專業(yè)課各自為戰(zhàn)，相互之間的聯(lián)系不緊密或者存在重復(fù)的問題。從課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及學(xué)年設(shè)計(jì)形成一個(gè)完整的教學(xué)過程，學(xué)生們學(xué)習(xí)的是一門門獨(dú)立的課程，缺少了課程之間知識(shí)的融合過程。一直到大學(xué)四年級進(jìn)行學(xué)年設(shè)計(jì)，因課題組的課題內(nèi)容而異，因?qū)煹姆较虬才哦?。以傳感器為信息流源頭，以測控電路、單片機(jī)、智能儀器、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為實(shí)現(xiàn)傳感、通信、計(jì)算的主體部分，同時(shí)不確定度分析是測控儀器的精髓，精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是構(gòu)成測控儀器的骨架，于是我們以被測量信息流為主線構(gòu)建出測控儀器的課程方案。融合相關(guān)課程的內(nèi)容，刪去課程內(nèi)容交疊的部分，增加課程之間的學(xué)科交叉部分和關(guān)聯(lián)部分的銜接，將幾門課程知識(shí)綜合在一起開設(shè)綜合學(xué)年設(shè)計(jì)，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，為未來的工作建立良好的基礎(chǔ)。

（三）改變教學(xué)方式，使學(xué)生自律積極，并且兼顧學(xué)生個(gè)體特點(diǎn)

如前所述，長期以來，我國各大學(xué)采用的以教師為主體的教學(xué)方法早已無法滿足培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的需要，嚴(yán)重阻礙了教學(xué)質(zhì)量的提高。課堂傳統(tǒng)授課方式是不必可少的一種類型，是一直以來畢業(yè)生畢業(yè)目標(biāo)達(dá)成的一種重要保障形式。同時(shí)，課堂教學(xué)方式不是一成不變的，改革傳統(tǒng)的、說教式的教學(xué)方法，采用研究性教學(xué)進(jìn)行授課，使學(xué)生自主、自發(fā)地學(xué)習(xí)，教師輔助以基礎(chǔ)知識(shí)的講授，關(guān)鍵問題的提示、討論式和參與式有機(jī)地融合在每一個(gè)單元的教學(xué)中。

動(dòng)態(tài)分層異步提倡培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)的學(xué)生，課堂的主宰由教師變?yōu)閷W(xué)生，由學(xué)生收集資料，鎖定問題，反轉(zhuǎn)課堂，是一種新的教學(xué)模式。授課過程中，將傳統(tǒng)的各章節(jié)內(nèi)容分割為多個(gè)類別，授課之前的預(yù)習(xí)工作顯得尤為重要。反轉(zhuǎn)課堂前，教師根據(jù)學(xué)生查找的資料提出若干問題，并提前布置給學(xué)生，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)查詢、企業(yè)調(diào)研等方式提前在組內(nèi)形成方案和報(bào)告，上課時(shí)，通過組內(nèi)討論、組間討論實(shí)現(xiàn)知識(shí)固化過程。教師系統(tǒng)講授單元知識(shí)后，再分組討論，教師進(jìn)行指導(dǎo)。該教學(xué)形式，能夠培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)性和自主解決工程復(fù)雜問題的能力。學(xué)生根據(jù)自身的特點(diǎn)能力不同，可以參加不同的討論組，參加不同的問題討論，這樣兼顧了學(xué)生的個(gè)體特點(diǎn)。研究性教學(xué)方法教學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 研究性教學(xué)方法教學(xué)結(jié)構(gòu)

（四）貫徹理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力

課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)是課堂授課形式的重要補(bǔ)充，甚至具有同等的重要性。課程實(shí)驗(yàn)大綱、課程設(shè)計(jì)大綱的制定，應(yīng)該充分反映課程體系的特點(diǎn)、課程內(nèi)容的特點(diǎn)。課程設(shè)計(jì)題目的確定，將系列課程知識(shí)綜合到一個(gè)學(xué)年設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，通過設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試、分析等一系列實(shí)踐活動(dòng)，強(qiáng)化工程教育，著力培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力。

（五）創(chuàng)建多種形式的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維

利用傳感技術(shù)與可靠性實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源，創(chuàng)設(shè)大學(xué)生課外活動(dòng)基地，組織學(xué)生開展課外研學(xué)與創(chuàng)新活動(dòng)，指導(dǎo)學(xué)生參加創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、開放性試驗(yàn)項(xiàng)目、創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目、創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目以及創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目等，引導(dǎo)大學(xué)生積極開展社會(huì)調(diào)研、科技創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)，增強(qiáng)大學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、知識(shí)應(yīng)用與創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)發(fā)展能力。

二、綜合學(xué)年設(shè)計(jì)的硬件與軟件條件

綜合學(xué)年設(shè)計(jì)圍繞測控技術(shù)及儀器專業(yè)的省級精品課“傳感技術(shù)”展開。近五年，綜合學(xué)年設(shè)計(jì)相關(guān)課程修訂了教學(xué)計(jì)劃，調(diào)整了教學(xué)內(nèi)容，編寫了適合本專業(yè)的特色教材，為綜合學(xué)年設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。以傳感器與可靠性專業(yè)實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)，得到了國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。教研組所在研究室購買二十余臺(tái)檢測技術(shù)相關(guān)設(shè)備，以光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)一體化技術(shù)為特色，在光學(xué)儀器原理和設(shè)計(jì)、精密計(jì)量測試?yán)碚撆c系統(tǒng)、虛擬儀器與智能儀器、計(jì)算機(jī)測試與控制技術(shù)、傳感技術(shù)、光電檢測技術(shù)與儀器等多領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與探討，豐富了實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，為綜合學(xué)年設(shè)計(jì)提供了硬件條件。

教研組走訪了哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國計(jì)量大學(xué)等設(shè)立綜合學(xué)年設(shè)計(jì)或相近教學(xué)改革計(jì)劃的高等院校，借鑒其優(yōu)勢和特點(diǎn)優(yōu)化自己的學(xué)年綜合設(shè)計(jì)分組、分類討論專題。同時(shí)，利用問卷調(diào)查、用人單位走訪、畢業(yè)生訪談等方式，調(diào)查用人單位和畢業(yè)生對此教學(xué)改革方式的認(rèn)可程度和有效程度，并且根據(jù)回饋，有針對性地改進(jìn)方案。

三、試行效果與分析

綜合學(xué)年設(shè)計(jì)自2012年構(gòu)想并擬定試行方案，到目前為止為7輪本科生授課試行，累計(jì)1500余人次?？傮w受到本科生及后續(xù)課程教師的良好評價(jià)。部分學(xué)生制成了不同原理的檢測系統(tǒng)。同時(shí)，綜合學(xué)年設(shè)計(jì)為本科生各類設(shè)計(jì)大賽提供培訓(xùn)和設(shè)備。

調(diào)查結(jié)果顯示，支持綜合學(xué)年設(shè)計(jì)的學(xué)生占80%。持不支持態(tài)度的學(xué)生認(rèn)為，信息量過大、任務(wù)繁重，影響了課上知識(shí)的有效吸收，這是今后需著重改進(jìn)之處。

本文設(shè)計(jì)的綜合學(xué)年設(shè)計(jì)方案，可推廣至具有測控技術(shù)與儀器系或相近專業(yè)的其它院校，也可將學(xué)年設(shè)計(jì)模式應(yīng)用于工科其它專業(yè)。

四、結(jié)論

本文提出了適用于測控技術(shù)與儀器專業(yè)相關(guān)課程的綜合學(xué)年設(shè)計(jì)方案——分別在團(tuán)隊(duì)建設(shè)、課程體系、方法改進(jìn)、平臺(tái)創(chuàng)新等環(huán)節(jié)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與創(chuàng)新。此外，分析了實(shí)驗(yàn)室條件和教學(xué)資料對綜合學(xué)年設(shè)計(jì)的支持。7輪本科生授課試行結(jié)果表明，方案受到本科生及后續(xù)課程教師的良好評價(jià)，部分學(xué)生制成了不同原理的檢測系統(tǒng)，支持率達(dá)80%。本文方案可推廣至具有相近專業(yè)的其它院校，也可將學(xué)年設(shè)計(jì)模式應(yīng)用于工科其它專業(yè)。今后工作重點(diǎn)為進(jìn)一步細(xì)化各具體設(shè)計(jì)任務(wù)的難度系數(shù)，以適用于不同層次的學(xué)生。

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*基金項(xiàng)目：黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“基于省精品課的測控技術(shù)課程體系構(gòu)建及教學(xué)方法綜合改革創(chuàng)新研究”（編號：JG2201201114）

作者簡介：吳海濱（1977-），男，漢族，上海人，博士，教授，研究方向：傳感技術(shù)精品資源課、O2O、MOOC的教學(xué)內(nèi)容與方法研究。

*通訊作者：王北一（1983-），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，博士，副教授，研究方向：科技管理、成果轉(zhuǎn)化等。