測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

戎舟 劉瑞蘭

摘 要：綜合實(shí)驗(yàn)是測(cè)控專業(yè)一門重要的實(shí)踐課程。該課程以測(cè)控系統(tǒng)為主線，加強(qiáng)各專業(yè)課之間的銜接，能夠?yàn)楹罄m(xù)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)打下必要的基礎(chǔ)。但是由于學(xué)生缺乏系統(tǒng)、綜合的概念，軟硬件設(shè)計(jì)能力不強(qiáng)，要想取得良好的實(shí)踐教學(xué)效果，必須合理設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)方法進(jìn)行研究探索和改革，以達(dá)到提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、系統(tǒng)綜合能力和解決問(wèn)題能力的目的。

關(guān)鍵詞：綜合實(shí)驗(yàn);測(cè)控專業(yè);教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9132（2019）29-0010-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2019.29.004

對(duì)于高校的工科專業(yè)來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)相互影響、相輔相成，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和解決問(wèn)題能力具有重要的意義。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)針對(duì)某一門課程理論教學(xué)進(jìn)行驗(yàn)證和實(shí)踐，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，而綜合實(shí)驗(yàn)須結(jié)合多門課程的知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)及提出問(wèn)題、分析和解決問(wèn)題的科研能力[1]。近年來(lái)，很多高校在專業(yè)綜合課程及綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方面展開(kāi)了研究和探索[2]-[4]。

專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的目的是使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在正確理解系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，完成相應(yīng)硬件電路的搭建、軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手能力和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。下面結(jié)合測(cè)控專業(yè)課程特色和學(xué)生先修課的學(xué)習(xí)狀況，對(duì)課程內(nèi)容、教學(xué)方法和綜合能力培養(yǎng)等方面進(jìn)行改革探索，以提高教學(xué)效果和學(xué)生對(duì)課程的興趣。

一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

原來(lái)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程存在內(nèi)容單一、綜合類實(shí)驗(yàn)偏少、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與新的專業(yè)知識(shí)脫節(jié)等問(wèn)題。我們利用測(cè)控實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和單片機(jī)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)箱等設(shè)備，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了改革，共設(shè)計(jì)了五個(gè)實(shí)驗(yàn)：虛擬數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生鞏固和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)采集卡的使用，采集實(shí)際的信號(hào)，在計(jì)算機(jī)中用LabVIEW設(shè)計(jì)示波器，顯示多路信號(hào)和所測(cè)試的參數(shù);RLC參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要求搭建進(jìn)行RLC測(cè)試的硬件電路，利用數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，采集響應(yīng)信號(hào)至計(jì)算機(jī)進(jìn)行RLC參數(shù)的計(jì)算;光強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要求采用I2C總線的光強(qiáng)模塊，由單片機(jī)采集信號(hào)后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示，上位機(jī)能對(duì)光強(qiáng)模塊進(jìn)行測(cè)試分辨率的設(shè)置;煙霧報(bào)警系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇煙霧傳感器、AD轉(zhuǎn)換芯片和控制器，提前將需求告訴教師，為他們配置硬件模塊和芯片，實(shí)驗(yàn)時(shí)搭建硬件電路，在上位機(jī)進(jìn)行結(jié)果顯示;直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控實(shí)驗(yàn)可以在數(shù)據(jù)采集平臺(tái)、MYRIO平臺(tái)或單片機(jī)上進(jìn)行，相應(yīng)的元器件也由學(xué)生自己設(shè)計(jì)后提出，最后完成的系統(tǒng)要求采用PID實(shí)現(xiàn)控制，學(xué)生也可以根據(jù)興趣搭建其他的測(cè)控系統(tǒng)，自由發(fā)揮。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括硬件和軟件部分，實(shí)驗(yàn)過(guò)程涉及傳感器技術(shù)、電子測(cè)量原理、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用、數(shù)據(jù)采集、虛擬儀器技術(shù)、自控原理和誤差理論與數(shù)據(jù)處理等多門專業(yè)課程和相應(yīng)的基礎(chǔ)課程，將這些知識(shí)綜合到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，使學(xué)生在整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力方面得到訓(xùn)練，真正提高設(shè)計(jì)能力、計(jì)算機(jī)能力和工程實(shí)踐能力。

二、教學(xué)方法改革

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)類課程主要由教師給出實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，學(xué)生按照要求按部就班完成，缺乏對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和探索能力的培養(yǎng)。針對(duì)以上問(wèn)題，我們結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的實(shí)際情況，從預(yù)習(xí)、興趣培養(yǎng)和分層教學(xué)等幾方面進(jìn)行改革探索。

（一）細(xì)化預(yù)習(xí)要求

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)是整個(gè)教學(xué)不可缺少的環(huán)節(jié)，直接決定了實(shí)驗(yàn)效果的好壞。綜合實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置的每個(gè)實(shí)驗(yàn)都是一個(gè)小系統(tǒng)，大部分既涉及硬件的設(shè)計(jì)又涉及軟件的編程，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)復(fù)雜并有一定難度，所以針對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)給學(xué)生布置相應(yīng)的預(yù)習(xí)任務(wù)，要求學(xué)生查找實(shí)驗(yàn)原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和元器件使用等資料，在完全理解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，擬訂方案，理清每個(gè)模塊要實(shí)現(xiàn)的功能。硬件部分必須預(yù)先設(shè)計(jì)并畫(huà)好電路圖，軟件部分先給出流程圖并搭好程序框架，完成部分算法。在有準(zhǔn)備的前提下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，才能很好地理解系統(tǒng)，順利完成實(shí)驗(yàn)，避免了部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)不知所措的情況發(fā)生。

（二）加強(qiáng)興趣培養(yǎng)

綜合實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)，部分學(xué)生存在實(shí)踐動(dòng)手能力較差的問(wèn)題，所以如何培養(yǎng)學(xué)生的興趣是要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。綜合實(shí)驗(yàn)采用LabVIEW作為上位機(jī)開(kāi)發(fā)的平臺(tái)，編程方便靈活，界面顯示清晰生動(dòng)。學(xué)生在先修的虛擬儀器課程中學(xué)過(guò)LabVIEW編程，通過(guò)生動(dòng)的課堂教學(xué)、課后練習(xí)和互動(dòng)，大部分學(xué)生很感興趣，同時(shí)該課程有專門章節(jié)介紹設(shè)計(jì)實(shí)例，學(xué)生對(duì)測(cè)試系統(tǒng)框架有基本的概念。在此基礎(chǔ)上結(jié)合傳感器、電子測(cè)量原理、嵌入式系統(tǒng)等專業(yè)課程的內(nèi)容，每個(gè)系統(tǒng)從信號(hào)輸入到結(jié)果顯示目的明確，并且能直觀地看到測(cè)試結(jié)果。當(dāng)通過(guò)細(xì)心調(diào)試，排除各種問(wèn)題，看到正確的測(cè)試結(jié)果時(shí)，學(xué)生便能體會(huì)到成功的喜悅，提高其對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。另外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中教師要耐心指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生積極探索，共同探討出現(xiàn)的問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行擴(kuò)展，逐漸培養(yǎng)學(xué)生對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的興趣，在興趣中體會(huì)學(xué)習(xí)的快樂(lè)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)鍛煉實(shí)踐動(dòng)手能力。

（三）設(shè)置分層教學(xué)

雖然是同一個(gè)專業(yè)同一個(gè)班級(jí)，但是學(xué)生的學(xué)習(xí)理解和動(dòng)手實(shí)踐能力有較大的差別，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用分層要求的方式，可以有效滿足不同層次學(xué)生的需求，真正做到因材施教。對(duì)于基礎(chǔ)好的學(xué)生，可以讓其自己選擇硬件平臺(tái)和芯片模塊，最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)可根據(jù)要求自行命題實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)，所有實(shí)驗(yàn)可在基本要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展。例如，硬件部分增加無(wú)線模塊，通過(guò)無(wú)線方式將測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī);軟件上可進(jìn)一步考慮優(yōu)化算法，以提高測(cè)試精度，軟件界面設(shè)計(jì)美觀交互性好等，讓學(xué)生靈活運(yùn)用已學(xué)知識(shí)，激發(fā)其創(chuàng)新思維，發(fā)展其個(gè)性特長(zhǎng)。對(duì)于基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，要求其充分預(yù)習(xí)，如有問(wèn)題隨時(shí)和教師溝通。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用教師提供的芯片模塊和平臺(tái)，并由教師重點(diǎn)指導(dǎo)，幫助其提高動(dòng)手能力和對(duì)各專業(yè)課程的進(jìn)一步理解，樹(shù)立其自信心，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。

三、綜合能力培養(yǎng)

大部分課內(nèi)實(shí)驗(yàn)是針對(duì)某一個(gè)知識(shí)點(diǎn)而設(shè)置的，在系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)方面的訓(xùn)練不夠。我們?cè)趯I(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)中詳細(xì)說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容和可以提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，但沒(méi)有給出實(shí)驗(yàn)原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)要從查找文獻(xiàn)資料開(kāi)始，理解整體系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)系統(tǒng)模塊，搭建硬件，設(shè)計(jì)軟件算法和運(yùn)行界面，到最后分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，通過(guò)一系列環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，須將各門課程銜接起來(lái)，提高學(xué)生的系統(tǒng)概念和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

按照以往的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生一般對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較感興趣，對(duì)報(bào)告的撰寫(xiě)重視不夠，存在一些問(wèn)題，如報(bào)告撰寫(xiě)不規(guī)范、條理不清楚、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容說(shuō)明不全面以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析不深入等。為此，我們做了明確要求，除了實(shí)驗(yàn)報(bào)告的固定要求外，參照小論文的格式進(jìn)行撰寫(xiě)，開(kāi)頭要求給出摘要，說(shuō)明系統(tǒng)功能、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和測(cè)試結(jié)果;實(shí)驗(yàn)內(nèi)容部分要求給出系統(tǒng)框圖及說(shuō)明、硬件模塊功能介紹和相應(yīng)的電路、軟件的實(shí)現(xiàn)思路和流程;最后詳細(xì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。除了實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容外，還對(duì)格式和字體做了明確規(guī)定，要求學(xué)生按照模板格式撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

經(jīng)過(guò)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)等環(huán)節(jié)的訓(xùn)練和嚴(yán)格要求，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的綜合素質(zhì)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)作風(fēng)，為學(xué)生今后參加科研工作和走上工作崗位打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

四、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)幾年的改革探索，專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程取得了良好的教學(xué)效果。通過(guò)課程的學(xué)習(xí)和鍛煉，學(xué)生受益匪淺。學(xué)生表示，雖然實(shí)驗(yàn)前后要投入較多時(shí)間，實(shí)驗(yàn)中也很辛苦，但是永遠(yuǎn)記得實(shí)驗(yàn)成功那一刻的喜悅。也有學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中留言：“作為一名工科生，動(dòng)手能力的鍛煉是必不可少的，通過(guò)這門課程能很好地鍛煉動(dòng)手能力，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力?！?/p>

我們將繼續(xù)對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行探索研究，并將專業(yè)的新技術(shù)融入到實(shí)驗(yàn)中取去，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)高素質(zhì)的人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]王黨樹(shù)，王新霞.測(cè)控專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)與思考[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2016（10）：28.

[2]王海，徐群，許德章.工科院校測(cè)控專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育，2011（191）：119.

[3]李軍，周杏鵬，祝學(xué)云.開(kāi)放式柔性測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006（6）：79.

[4]劉麗娜，張寶峰，韓芳芳.專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探討[J].教育教學(xué)論壇，2011（8）：122.[責(zé)任編輯 李愛(ài)莉]

作者簡(jiǎn)介：戎舟（1970.11— ），女，漢族，江蘇丹陽(yáng)人，副教授，研究方向：虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控。

劉瑞蘭（1972.9— ），女，漢族，湖北大冶人，副教授，研究方向：軟測(cè)量技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與目標(biāo)跟蹤等。

課題項(xiàng)目：本文系南京郵電大學(xué)校教改項(xiàng)目《測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)與改革實(shí)踐》（課題立項(xiàng)號(hào)：JG00517JX25）階段性研究成果。