基于項目實踐的創(chuàng)新性人才培養(yǎng)“工程測試技術”課程改革

韓素立 羅華旭 王珺璇 王仁平 邵晶

[摘 要] “工程測試技術”作為一門多學科交叉知識匯集的綜合性課程，是由傳感系統(tǒng)與信息技術、計算機網(wǎng)絡技術、檢測技術、智能控制技術匯集而成的針對測控方面的應用的智能集合。不同的測試系統(tǒng)的機構原理與基本特性存在較大的差異性，而課程中對于測控系統(tǒng)的講解偏向論述，學生缺少直觀的切入式體驗。故此，教學過程中，以實現(xiàn)測試技術與工程應用融合為目標，以嵌入式系統(tǒng)開發(fā)為主線，以項目教學為教學手段將上述教學內(nèi)容有機結合，實施項目教學改革，從而加深測控學子對傳感器原理與應用的理解，使學生的學習能力、實踐能力和創(chuàng)新能力得到提高。該文對此進行了研究和論證。

[關鍵詞] 工程測試技術;項目教學;實踐能力課程改革

[基金項目] 青島理工大學機械與汽車工程學院教改項目資金支持

[作者簡介] 韓素立，工學博士，青島理工大學機械與汽車工程學院講師，碩士生導師，主要從事精密儀器、光學測試等相關研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）23-0162-03? ? [收稿日期] 2019-11-27

一、前言

隨著《中國制造2025》發(fā)展戰(zhàn)略的實施，對傳統(tǒng)的工程教育同樣提出了新的挑戰(zhàn)。就機械電子方向的學生而言，“工程測試技術”是一門重要專業(yè)課，該課程對傳感器技術從機械電子方面進行了詳盡的講解，而傳感器是現(xiàn)代信息時代獲取信息的主要途徑和手段，未來機械電子行業(yè)的發(fā)展離不開傳感器技術。“工程測試技術”課程的預期目標是在學生已學習知識的基礎上，融合各方面的專業(yè)知識，深入了解不同測試系統(tǒng)的結構原理和基本特性，進一步對測式系統(tǒng)的使用方法與工程應用進行分析。由于該課程中傳感器種類繁多，原理與特性存在差異，因此該課程需要學生熟練掌握所修其他專業(yè)課程知識。

“工程測試技術”課程內(nèi)容包括測控系統(tǒng)的基本特性、不同測試系統(tǒng)的工作原理、信號分析等內(nèi)容。各種測控系統(tǒng)的機構原理與基本特性存在較大的差異性，而課程中對于測試系統(tǒng)的講解偏向論述，學生缺少直觀的切入式體驗。另外有些教學內(nèi)容在先修課程“機械工程控制基礎”“機械設計”“數(shù)字電子技術”“模擬電子技術技術”“電工電子學”“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”等課程中均有所涉及，容易給學生一種課程內(nèi)容更新率低的感覺，降低學生的學習熱情。

“工程測試技術”課程綜合性強，內(nèi)容具有抽象性并且難以掌握，這使得我們在教學的時候很難完全通過書本對學生進行具有系統(tǒng)性、高效率以及高質量的教學。同時這門課程內(nèi)容極多，在有限的課時里我們的學生往往無法完全掌握需要學習的內(nèi)容。就以往的教學方法而言，面對教學任務重并且學生學習難度大的科目，課后練習是最常見的解決方法，但對于這種抽象性高并且存在設計及實踐學習內(nèi)容的課程往往收效不高。那么面對這種情況，如何將書本上抽象的文字內(nèi)容轉變?yōu)閷W生手上的實踐項目，寓教于行，成為一個亟待解決的問題。為了響應項目教學改革。教學項目作為導師與學生共同完成的項目需要具有難度適中、貼近課程內(nèi)容、符合技術發(fā)展方向等要求，因此筆者提出了一種基于光電識別的尋穴定位自動按摩系統(tǒng)的教學項目。

二、項目教學案例設計背景

“工程測試技術”這門科目知識跨度大、綜合性強，針對這些問題，學院在實施“工程測試技術”教學過程中，以實現(xiàn)測試系統(tǒng)與傳感器融合為目標，以實現(xiàn)基于光電識別的尋穴定位自動按摩系統(tǒng)為出發(fā)點，以嵌入式系統(tǒng)開發(fā)為主線，以項目教學為教學手段，將上述教學內(nèi)容有機結合，實施項目教學改革[1-2]。

近年來，國家明確表明要推進中醫(yī)藥創(chuàng)新，并且提出了運用現(xiàn)代科技開發(fā)基于中醫(yī)理論儀器與設備的戰(zhàn)略規(guī)劃。并且目前我國的中醫(yī)理療設備還處于剛剛起步的狀態(tài)，世面上的中醫(yī)設備往往還只是單純的電子設備，拿世面上比較常見的眼部穴位按摩儀來說，它無法根據(jù)使用者的個體差異調(diào)節(jié)按摩的位置和力度，只能單純的重復單一的動作和寥寥的幾個程序。隨著國民對中醫(yī)理論的逐漸認可，中醫(yī)理療市場對高自動化、高精確度的中醫(yī)理療設備的需求日益增加。所以一種基于光電識別的尋穴定位自動按摩系統(tǒng)項目是被市場需要且符合技術發(fā)展方向。

同時對于學生而言，一種基于光電識別的尋穴定位自動按摩系統(tǒng)的設計過程中涉及“工程測試技術”中測試系統(tǒng)原理、傳感器技術、自動控制原理等多方面內(nèi)容，項目貼近課程。一種基于光電識別的尋穴定位自動按摩系統(tǒng)的設計難度主要在于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)及各種傳感器的配合使用，對于學生來說都是學習計劃里內(nèi)容與實踐的有機結合，雖然存在一定難度但完全是有可能實現(xiàn)的。

三、項目教學案例設計

（一）技術路線確定

首先引導學生明確項目設計主方向，接著由學生確定三軸聯(lián)動平臺與按摩裝置的機械結構及連接方式，完成裝置的機械設計;合理選取各類傳感器，并確定傳感器放置位置;選用主控芯片，完成電路原理設計、PCB設計;編寫穴位定位程序、按摩力度控制程序、按摩溫度控制程序，按摩路徑控制程序;編寫數(shù)據(jù)處理程序使中央控制器對裝置實現(xiàn)閉環(huán)控制;完成裝置組裝，進行調(diào)試升級。

（二）項目成員分工確定

召集小組成員，明確項目工作任務，一起討論任務分配，最終選出分別負責機械結構設計、電控設計、程序設計的小組成員，完成分工并定期召開組會解決小組成員的階段性問題。

（三）具體項目設計過程

1.機械機構設計。機械機構部分由導師明確功能，與學生共同設計結構，整個機械結構應分為三軸移動平臺部分與按摩頭裝置，三軸移動平臺部分負責尋穴定位功能的實現(xiàn)，按摩頭部分負責按摩的反饋調(diào)節(jié)控制，三軸移動平臺與按摩頭裝置的設計圖如圖1、圖2所示：

如圖1所示，本項目中的一種基于光電識別的尋穴定位自動按摩裝置包括XYZ三軸移動平臺、按摩裝置、穴位定位裝置、人體參數(shù)采集裝置，及電控裝置，其中人體參數(shù)采集裝置、穴位定位裝置和按摩裝置均設置在XYZ三軸移動平臺的Z軸上，人體參數(shù)采集裝置能夠通過相關裝置內(nèi)的應變式位移壓力傳感器和溫度傳感器對使用者按摩部位進行體表溫度和體表壓力采集，穴位定位裝置通過裝置內(nèi)的光電傳感器對使用者進行穴位定位，按摩裝置通過Z軸與XYZ三軸移動平臺連接，且XYZ三軸移動平臺能夠帶動按摩裝置運動以調(diào)節(jié)按摩裝置的整體位置。電控裝置置于XYZ三軸移動平臺的底部且與XYZ三軸移動平臺、按摩裝置、穴位定位裝置、人體參數(shù)采集裝置均電連接并能夠對XYZ三軸移動平臺、按摩裝置、穴位定位裝置、人體參數(shù)采集裝置分別進行控制。

按摩裝置包括按摩套筒、偏心按摩裝置、用于帶動所述偏心按摩機構旋轉按摩的旋轉按摩驅動機構。其中，偏心按摩裝置設置在按摩套筒內(nèi)，用于帶動所述偏心按摩機構旋轉按摩的旋轉按摩驅動機構包括旋轉電機安裝座和旋轉電機，旋轉電機安裝在電機安裝座上，并固定在XYZ三軸移動平臺的底部。偏心按摩裝置包括按摩頭和連接偏心輪，按摩頭安裝在連接偏心輪的輪圈上，偏心輪中心固定在按摩套筒內(nèi)側且與旋轉電機輸出軸固定連接。

本項目中的一種基于光電識別的尋穴定位自動按摩裝置，上述機械結構設計及裝配說明由學生總結并保存，方便之后的項目教學中學生參考以及學習。

2.電控設計。該部分設計學生在完成機械設計之后自主尋找合適的配件進行購買，之后在保證安全的情況下完成電控部分的組裝。該部分的設計涉及“模擬電子電路”及“數(shù)字電子電路”中的知識，項目小組成員應該復習相關內(nèi)容，明確儀器設計時應采用各種先進技術以獲得最佳經(jīng)濟效果[3]。成本高昂的電路難以獲得廣泛應用[4]。為了買件的準確性，學生需要在購買配件之前完成電路原理圖的設計并由導師完成檢查改進，電路原理圖如圖3所示：

本部分設計需要確定實現(xiàn)此項功能的配件，其中按摩力度定量控制由應變式壓力傳感器實現(xiàn)，按摩點溫度定量控制由溫度傳感器與發(fā)熱片實現(xiàn)，人體參數(shù)采集及穴位定位由光電傳感器實現(xiàn)，閉環(huán)回路控制由壓力傳感器、溫度傳感器、光電傳感器的相互協(xié)助控制實現(xiàn)。

3.程序設計。由于本部分設計對于學生而言存在一定難度，導師應要求學生在開始程序編寫之前透徹了解一種基于光電識別的尋穴定位自動按摩裝置中各部分的工作原理及裝置運行邏輯，并繪制程序框圖。在檢查無誤后，導師進行保存，方便尋找后續(xù)程序編寫中出現(xiàn)的問題，同時為之后的同學提供參考。程序框圖如圖4所示：在此部分的設計中，導師應該引導學生復習課程中所學知識，并對其進行擴展，在引導學生自主學習的同時，注重學生動手能力的培養(yǎng)，讓學生真正做到在實踐中學習。

四、結束語

針對“工程測試技術”課程中概念抽象、知識點發(fā)散、實踐性強的特點，采取了項目教學內(nèi)容。以光電識別穴位自動按摩為案例，利用多種傳感器及光電識別技術在嵌入式開發(fā)系統(tǒng)中實現(xiàn)基于光電識別的自動尋穴定位。通過引導學生完成項目，將課程中的理論知識融入到動手實踐中去，化抽象為具體，使學生更為深入的理解傳感器原理。在學生學習自主性得到提高的同時，提升了教學效果。

參考文獻

[1]孟凡芹，朱泓，吳旭東，等.面向“新工業(yè)革命”工程教育人才培養(yǎng)質量標準體系構建策略[J].高等工程教育研究，2015（05）：15-20.

[2]朱正偉，李茂國.面向新工業(yè)革命的中國工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國高教研究，2018（03）：44-50.

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[5]劉奇元，陳衛(wèi)國，曾武軍.機械工程測試技術課程的案例式教學實踐[J].大學教育，2017（4）：79-80.

Course Reform of Engineering Testing Technology in Innovative Talent Training Based on Project Practice

—Taking the Project of Acupoint-seeking and Positioning Massage System Based on Photoelectric Recognition as an Example

HAN Su-li，LUO Hua-xu，WANG Jun-xuan，WANG Ren-ping，SHAO Jing

（School of Mechanical & Automotive Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao，Shandong 266520，China）

Abstract：Engineering Testing Technology，as a comprehensive course of interdisciplinary knowledge collection，is an intelligent collection of sensor system and information technology，computer network technology，industry technology and intelligent control technology for measurement and control applications.There are great differences in the mechanism principle and basic characteristics of different test systems.However，in the course，the theoretical explanation of the measurement and control system is emphasized，but the students lack intuitive experience.Therefore，in the process of teaching，the integration of testing technology and engineering application is the goal，the development of embedded system is the main line，and the project teaching is the teaching means.In this paper the above-mentioned teaching contents are organically combined，and the project teaching reform is carried out，so as to deepen the students' understanding of the principle and application of sensors，expand students' learning ability and improve the practical and innovative abilities.

Key words：Engineering Testing Technology;project education;practical abilities;curriculum reform