基于案例引導(dǎo)和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置方向?qū)I(yè)學(xué)位研究生工程實(shí)踐課程建設(shè)

胡永輝 閆勇 錢相臣 張文彪

摘? 要：工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)是專業(yè)學(xué)位研究生教育的核心，建設(shè)工程實(shí)踐類課程是提高專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)質(zhì)量的重要舉措。文章探討了基于案例引導(dǎo)和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的“先進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)工程實(shí)踐”課程建設(shè)與教學(xué)方案，利用精心設(shè)計(jì)的綜合性案例進(jìn)行工程知識(shí)和實(shí)踐技能的教學(xué)，同時(shí)以工程研發(fā)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐過(guò)程。教學(xué)實(shí)踐表明，該教學(xué)模式能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)處理工程問(wèn)題的實(shí)踐動(dòng)手能力，取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：專業(yè)學(xué)位;工程實(shí)踐;案例教學(xué);項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G640? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）05-0074-03

Abstract： The development of practical engineering skills is essential for the education of students pursuing professional master's degrees. An important measure to improve the quality of education is to develop engineering practice courses. This paper discusses the case study based and project-driven teaching methodology for the course entitled "Engineering Practice of Advanced Measurement Systems."Comprehensive industrial case studies were specially selected to teach engineering knowledge and practical skills. Meanwhile， engineering practices are driven by research and development projects. Teaching practices prove that the methodology employed can stimulate students' interest and enthusiasm， help them develop ability to solve practical engineering problems by exploiting extensive knowledge， and therefore achieve the learning outcomes.

Keywords： professional degree; engineering practice; caseteaching; project-driven teaching.

一、概述

專業(yè)學(xué)位研究生教育是我國(guó)研究生教育體系的重要組成部分，其目標(biāo)是培養(yǎng)具有較強(qiáng)的專業(yè)能力和良好的職業(yè)素養(yǎng)、能夠創(chuàng)造性地從事實(shí)際工作的高層次應(yīng)用型專門人才，以適應(yīng)國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。與學(xué)術(shù)型研究生教育相比，專業(yè)學(xué)位研究生教育注重工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，這體現(xiàn)在課程學(xué)習(xí)、專業(yè)實(shí)踐和學(xué)位論文三個(gè)培養(yǎng)環(huán)節(jié)中[1]：課程設(shè)置以行業(yè)需求為導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)專業(yè)基礎(chǔ)、工程能力和職業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ木C合培養(yǎng)，注重發(fā)揮在線教學(xué)、案例教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的協(xié)同優(yōu)勢(shì);專業(yè)實(shí)踐依托企業(yè)、聯(lián)合培養(yǎng)基地或校內(nèi)導(dǎo)師承擔(dān)的應(yīng)用型科研課題，面向?qū)I(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需求，開展技術(shù)開發(fā)、工程設(shè)計(jì)和規(guī)劃管理等工作，鍛煉運(yùn)用專業(yè)知識(shí)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，提高實(shí)踐創(chuàng)新思維和工程思維;學(xué)位論文選題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際或具有明確的工程背景，可以采用調(diào)研報(bào)告、產(chǎn)品開發(fā)、案例分析等多種形式，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以應(yīng)用價(jià)值、經(jīng)濟(jì)或社會(huì)效益為核心。

然而，由于我國(guó)自2009年起才開始進(jìn)行全日制專業(yè)學(xué)位研究生教育，大部分高校還尚未建立起一套健全的實(shí)踐能力培養(yǎng)體系，在課程設(shè)置、教學(xué)模式、研究課題、導(dǎo)師指導(dǎo)、學(xué)位論文等方面趨同于學(xué)術(shù)型培養(yǎng)模式，造成專業(yè)學(xué)位研究生缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法滿足社會(huì)對(duì)高層次應(yīng)用型人才的需求。具體來(lái)講，我國(guó)專業(yè)學(xué)位研究生實(shí)踐能力培養(yǎng)中存在的主要問(wèn)題表現(xiàn)為[2]：1. 專業(yè)型與學(xué)術(shù)型研究生采用同樣的課程體系，缺乏工程實(shí)踐類課程，教學(xué)內(nèi)容偏重于理論知識(shí)，授課方式以填鴨式講授為主，因此課程教學(xué)環(huán)節(jié)未體現(xiàn)理論與實(shí)際相結(jié)合，無(wú)法提高學(xué)生利用專業(yè)知識(shí)分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力;2. 校內(nèi)導(dǎo)師缺乏在企業(yè)一線從事產(chǎn)品研發(fā)或技術(shù)改造的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而企業(yè)導(dǎo)師對(duì)研究生進(jìn)行工程實(shí)踐指導(dǎo)的積極性與參與度不高，另外，高校對(duì)教師的考核主要以學(xué)術(shù)成果為依據(jù)，致使專業(yè)學(xué)位研究生的研究課題與培養(yǎng)過(guò)程學(xué)術(shù)化傾向明顯;3. 企業(yè)與高校缺乏統(tǒng)一的合作目標(biāo)，難以建立長(zhǎng)期、穩(wěn)定的校外實(shí)踐基地或校企聯(lián)合實(shí)踐基地，學(xué)生在校外基地的實(shí)踐活動(dòng)無(wú)法得到校內(nèi)導(dǎo)師或?qū)W校管理部門的有效監(jiān)督，人才培養(yǎng)質(zhì)量得不到保障。

針對(duì)上述部分問(wèn)題，華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院面向控制工程領(lǐng)域全日制專業(yè)學(xué)位研究生開設(shè)了“先進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)工程實(shí)踐”課程，以加強(qiáng)在課程學(xué)習(xí)階段的實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。該課程依托“檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置”二級(jí)學(xué)科，圍繞測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制所需專業(yè)知識(shí)與實(shí)踐技能精選教學(xué)內(nèi)容，采用案例引導(dǎo)和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的教學(xué)方法[3]，以教師講授、課堂討論、學(xué)生實(shí)踐相結(jié)合的方式組織課堂教學(xué)，以項(xiàng)目任務(wù)完成情況為主要考核依據(jù)，使學(xué)生體驗(yàn)完整的項(xiàng)目開發(fā)流程，引導(dǎo)學(xué)生建立工程思維，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)處理實(shí)際工程問(wèn)題的實(shí)踐動(dòng)手能力。本文結(jié)合作者近年來(lái)的課程建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐，介紹該課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面的改革與探索，以期為相關(guān)課程的建設(shè)提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

二、課程規(guī)劃與教學(xué)內(nèi)容

“檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置”學(xué)科研究被控對(duì)象的信息獲取、轉(zhuǎn)換、傳遞與處理的理論、方法和技術(shù)，是一門以應(yīng)用為主、理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的綜合性學(xué)科。該專業(yè)方向的研究生主要來(lái)自于自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器等本科專業(yè)，具備由電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論、信號(hào)與信息處理技術(shù)構(gòu)成的知識(shí)體系。然而，由于在本科階段上述知識(shí)體系被割裂為多門獨(dú)立課程進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生往往無(wú)法對(duì)本學(xué)科知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通與綜合應(yīng)用。為此，“先進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)工程實(shí)踐”課程的教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為以案例和項(xiàng)目實(shí)施為主線，將本學(xué)科的基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識(shí)串聯(lián)起來(lái)，通過(guò)案例講解、操作演示和項(xiàng)目實(shí)踐使學(xué)生掌握測(cè)量系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與研制能力。

本課程按照測(cè)量系統(tǒng)的研制流程和信號(hào)流向分為8個(gè)教學(xué)單元，如表1所示。第1單元進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)案例和研發(fā)流程的總體介紹，使學(xué)生對(duì)本課程所涉及的專業(yè)知識(shí)以及擬開展的項(xiàng)目實(shí)踐具有總體的認(rèn)識(shí)和把握;第2單元涉及電子電路分析與設(shè)計(jì)技術(shù)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)常用電子元器件，掌握交直流電路、電源電路、放大和濾波電路的分析與設(shè)計(jì)方法;第3單元有關(guān)傳感器及其信號(hào)調(diào)理電路，要求學(xué)生掌握常用傳感器信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)方法;第4單元介紹印制電路板（PCB）的基礎(chǔ)知識(shí)與設(shè)計(jì)規(guī)范，要求學(xué)生使用Altium Designer軟件完成電路原理圖和PCB的設(shè)計(jì);第5單元有關(guān)電子線路焊接與調(diào)試，要求學(xué)生使用焊接工具及常用電子測(cè)量?jī)x表完成電路板的組裝和調(diào)試;第6單元為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)，采用單片機(jī)開發(fā)板完成傳感器信號(hào)的采集與傳輸;第7單元為數(shù)字信號(hào)處理與測(cè)量軟件設(shè)計(jì)，學(xué)生在上位機(jī)使用Visual C#編程語(yǔ)言完成測(cè)量數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)與在線處理;第8單元為實(shí)驗(yàn)測(cè)試與項(xiàng)目報(bào)告，學(xué)生對(duì)所研制的測(cè)量系統(tǒng)開展測(cè)試評(píng)估，并撰寫項(xiàng)目研制報(bào)告。本課程以本科階段的多門專業(yè)課為基礎(chǔ)，涉及知識(shí)面廣、應(yīng)用性強(qiáng)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

在教學(xué)內(nèi)容的選擇上，本課程主要以工程案例為引導(dǎo)介紹相關(guān)的工程知識(shí)與實(shí)踐技能，而非本科階段所學(xué)理論知識(shí)的重復(fù)或深入，從而使學(xué)生充分領(lǐng)悟理論知識(shí)如何在工程項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用以及實(shí)際工程問(wèn)題的復(fù)雜性。例如，在講授運(yùn)算放大器時(shí)，首先簡(jiǎn)要回顧理想運(yùn)算放大器的特性、分析方法與典型電路，然后結(jié)合案例講解實(shí)際運(yùn)算放大器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)、噪聲、穩(wěn)定性、芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)、芯片選型，以及進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)等內(nèi)容。由于相關(guān)的實(shí)踐知識(shí)較為瑣碎且課時(shí)有限，課堂教學(xué)注重知識(shí)框架的構(gòu)建與重難點(diǎn)的講解，同時(shí)精選了較多的技術(shù)資料用于學(xué)生自學(xué)與查閱。

三、教學(xué)方法

如表1所示，本課程采用教師講授與學(xué)生實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，其中教師講授采用案例引導(dǎo)式教學(xué)方法，而學(xué)生實(shí)踐以實(shí)際項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，二者同步進(jìn)行且各占一半學(xué)時(shí)，從而使學(xué)生能夠?qū)W(xué)到的工程知識(shí)與實(shí)踐技能及時(shí)應(yīng)用于項(xiàng)目實(shí)踐，并鞏固和強(qiáng)化對(duì)工程知識(shí)的理解和實(shí)踐技能的掌握。

（一）工程案例教學(xué)

本課程選取典型測(cè)量系統(tǒng)案例作為主線，講授案例中各組成部分的原理和實(shí)現(xiàn)方法，將零散的教學(xué)內(nèi)容凝聚起來(lái)，從而構(gòu)成一個(gè)完整的教學(xué)體系。通過(guò)具體案例，將抽象的工程知識(shí)與實(shí)際系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，學(xué)生能夠充分了解所學(xué)知識(shí)的內(nèi)涵、目的和意義，從而有效提高其學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)力。

基于實(shí)際工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)和教師科研成果，設(shè)計(jì)了若干貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程的綜合性案例，如基于光散射的粉塵濃度測(cè)量系統(tǒng)、基于靜電感應(yīng)的傳動(dòng)帶振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)等，覆蓋常規(guī)測(cè)量系統(tǒng)研制所需工程知識(shí)，并將案例中重復(fù)的知識(shí)點(diǎn)合并講解。綜合性案例不僅具有完整的軟、硬件設(shè)計(jì)文件和實(shí)際系統(tǒng)，還編寫了關(guān)于方案論證、知識(shí)點(diǎn)解析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試等內(nèi)容的講義，從而使學(xué)生能夠完全掌握案例的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。此外，為了幫助學(xué)生強(qiáng)化對(duì)特定知識(shí)點(diǎn)的掌握，根據(jù)美國(guó)模擬器件（ADI）公司的參考設(shè)計(jì)[4]、美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司的Measurement Studio例程、開源科學(xué)計(jì)算庫(kù)Math.NET、開源圖形控件ZedGraph等網(wǎng)絡(luò)資源以及教學(xué)開發(fā)板光盤資料建成了內(nèi)容豐富的知識(shí)點(diǎn)案例庫(kù)，學(xué)生可在本課程項(xiàng)目研制以及今后科研、工作中自學(xué)和參考。

測(cè)量系統(tǒng)研制涉及較多的工具設(shè)備、儀器儀表和設(shè)計(jì)軟件，通過(guò)教師講授、教學(xué)視頻播放、實(shí)際操作演示等途徑進(jìn)行教學(xué)，使學(xué)生獲得直接經(jīng)驗(yàn)，快速掌握各種研發(fā)工具的使用方法和技巧。

（二）工程項(xiàng)目實(shí)踐

為了使學(xué)生將學(xué)習(xí)的工程知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐、強(qiáng)化工程意識(shí)、提高實(shí)踐動(dòng)手能力、培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神，要求學(xué)生以小組為單位開展測(cè)量系統(tǒng)項(xiàng)目研制。學(xué)生在項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)下開展文獻(xiàn)調(diào)研、總體方案設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件程序設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試并撰寫項(xiàng)目研制報(bào)告。實(shí)際研發(fā)項(xiàng)目能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，促使學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施中學(xué)會(huì)運(yùn)用理論知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題。

在課程初期，學(xué)生在教師指導(dǎo)下分為多個(gè)小組，并確定研制項(xiàng)目，項(xiàng)目選題應(yīng)涵蓋主要教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，可以在項(xiàng)目題庫(kù)中選擇，也可以根據(jù)研究課題自主確定。之后各小組按照案例教學(xué)進(jìn)度同步開展項(xiàng)目研制，達(dá)到即學(xué)即用、學(xué)有所用的目的。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮其主動(dòng)性和創(chuàng)造性;教師主要起引導(dǎo)和組織作用，以啟發(fā)式、互動(dòng)式和探究式教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐中自主學(xué)習(xí)、自主研究的習(xí)慣和能力。例如，針對(duì)學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐中遇到的各種實(shí)際問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生利用教學(xué)案例、搜索引擎、技術(shù)論壇、社交媒體等途徑自主解決。

為了便于學(xué)生開展工程實(shí)踐，為每個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)配備了一套完整的開發(fā)工具箱，包括焊接工具、測(cè)量?jī)x表、教學(xué)開發(fā)板等，并給予一定額度的研制經(jīng)費(fèi)，用于購(gòu)置電子元器件和加工PCB。此外，由于總課時(shí)有限，本課程每周開1次課，總共16周，從而保證學(xué)生在課外具有足夠的項(xiàng)目研制時(shí)間，課程結(jié)束時(shí)能夠基本完成項(xiàng)目研制。

（三）考核方式

本課程采取過(guò)程考核與終期考核相結(jié)合的方式。過(guò)程考核主要考察學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的參與度以及對(duì)項(xiàng)目目標(biāo)的完成所做的貢獻(xiàn);終期考核由項(xiàng)目匯報(bào)、實(shí)物演示、答辯三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，以項(xiàng)目完成度為主要依據(jù)考察學(xué)生工程實(shí)踐能力的掌握情況。為使考核結(jié)果客觀公正，采取教師打分和學(xué)生互評(píng)相結(jié)合的評(píng)價(jià)模式。

四、結(jié)束語(yǔ)

“先進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)工程實(shí)踐”課程以實(shí)際項(xiàng)目為載體，用完整的工程項(xiàng)目貫穿學(xué)科知識(shí)點(diǎn)，將工程知識(shí)與實(shí)踐技能滲透于項(xiàng)目案例中，學(xué)生通過(guò)直接參與并完成項(xiàng)目研發(fā)任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用能力和從事相關(guān)領(lǐng)域工作的工程實(shí)踐能力。教學(xué)實(shí)踐表明，案例引導(dǎo)和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的教學(xué)模式能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)其積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，增強(qiáng)專業(yè)理論與工程實(shí)踐之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，是一種行之有效的工程實(shí)踐類課程教學(xué)方法。

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