機(jī)電類專業(yè)物探儀器開發(fā)所涉主體課程群建設(shè)與實(shí)踐

李濤濤，何 宇，凌熊健

機(jī)電類專業(yè)物探儀器開發(fā)所涉主體課程群建設(shè)與實(shí)踐

李濤濤，何 宇，凌熊健

（萍鄉(xiāng)學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

為滿足儀器儀表行業(yè)高速發(fā)展對(duì)人才的需求，高校應(yīng)適時(shí)改革人才培養(yǎng)模式和課程體系。針對(duì)應(yīng)用型本科高校機(jī)電類專業(yè)學(xué)生從事物探儀器開發(fā)在校綜合能力培養(yǎng)的需要，結(jié)合物探儀器的功能組成和所涉課程特點(diǎn)，探索性地開展物探類儀器開發(fā)所涉主體課程群建設(shè)與實(shí)踐研究。構(gòu)建了基于物探儀器“四組成單元”的主體理論與實(shí)踐課程群，通過儀器的“三次分解”建成了主體課程群對(duì)應(yīng)的教學(xué)資源庫，對(duì)設(shè)置各類實(shí)踐環(huán)節(jié)開展了綜合實(shí)踐創(chuàng)新。在“新工科”大背景下，該主體課程群的建設(shè)與實(shí)踐研究可為物探儀器開發(fā)所需的應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供借鑒。

機(jī)電類專業(yè)；物探儀器；課程群建設(shè)

引言

儀器儀表產(chǎn)業(yè)是我國裝備制造業(yè)的重要組成部分，是國家的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)[1]。我國儀器儀表產(chǎn)業(yè)起步較晚，以物探行業(yè)的探地雷達(dá)[2,3]為例，其開始研制比德國晚了近70年。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的努力，我國已經(jīng)成為儀器儀表的大國，探地雷達(dá)裝備及技術(shù)已經(jīng)媲美歐美發(fā)達(dá)國家[4]。面對(duì)我國儀器儀表行業(yè)的高速發(fā)展，高校作為行業(yè)進(jìn)步的人才動(dòng)力源，為滿足行業(yè)發(fā)展需要，必須適時(shí)地改革人才培養(yǎng)模式和教學(xué)課程體系。

儀器儀表開發(fā)是機(jī)械與電子類專業(yè)學(xué)生從業(yè)的主要方向之一，而物探儀器作為儀器儀表的其中一類，是從事地球物理勘探所必不可少的設(shè)備。物探類儀器通過感測地球物理場的變化來探測地下巖性、構(gòu)造等，主要由電信號(hào)收發(fā)單元（傳感器）、主控單元（主機(jī)）、機(jī)械結(jié)構(gòu)（殼體）和數(shù)據(jù)處理單元（處理軟件）四部分組成，儀器的組成結(jié)構(gòu)相對(duì)固定。因此，相較于其他儀器開發(fā)而言，物探類儀器開發(fā)涉及專業(yè)課程知識(shí)面較窄。

當(dāng)前，大部分從事物探行業(yè)的人所學(xué)專業(yè)為機(jī)電類和物探類，物探類專業(yè)主要從事物探儀器的工程應(yīng)用，機(jī)電類專業(yè)主要從事物探儀器開發(fā)，兩類專業(yè)學(xué)生因缺乏對(duì)方的知識(shí)背景進(jìn)而制約了其在行業(yè)的成長速度和前景。為此，以物探儀器開發(fā)項(xiàng)目作為驅(qū)動(dòng)，我們對(duì)應(yīng)用型本科高校機(jī)電類專業(yè)的部分所涉主體課程群進(jìn)行建設(shè)和實(shí)踐：一方面實(shí)現(xiàn)課程群的交叉融合，知識(shí)點(diǎn)的有效串聯(lián)，將課程所學(xué)應(yīng)用到具體項(xiàng)目；另一方面以培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的儀器開發(fā)的綜合能力作為成果導(dǎo)向，以勝任未來儀器開發(fā)類工作。

1 物探儀器開發(fā)所涉主體課程群建設(shè)

物探儀器產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)要求一定是交叉學(xué)科的，培養(yǎng)課程群（體系）的建立要以物探儀器行業(yè)需求為導(dǎo)向，以工程實(shí)際為背景，以物探儀器儀表開發(fā)為主線，強(qiáng)化學(xué)生物探儀器產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用能力的人才培養(yǎng)模式。儀器儀表類人才需要掌握機(jī)、光、電甚至材料和工藝等知識(shí)，是名副其實(shí)的“知識(shí)復(fù)合型”人才，因此，培養(yǎng)課程體系建設(shè)相對(duì)復(fù)雜，需要打破學(xué)科與專業(yè)之間的壁壘[5]。在新工科和工程教育論證的大背景下[6]，課程體系建設(shè)應(yīng)當(dāng)以通識(shí)教育為基礎(chǔ)，在實(shí)現(xiàn)“多學(xué)科交叉融合”的同時(shí)，更加注重“實(shí)踐圍繞”[7]。

主體課程群作為培養(yǎng)課程體系的基礎(chǔ)內(nèi)容和具體表象，是由除通識(shí)教育課程之外的專業(yè)基礎(chǔ)核心課程和專業(yè)核心課程組成，可進(jìn)一步劃分為主體理論課程群和主體實(shí)踐課程群。萍鄉(xiāng)學(xué)院是江西省首批向應(yīng)用型高校轉(zhuǎn)型發(fā)展試點(diǎn)院校，為專一的物探儀器開發(fā)主體課程群改革建設(shè)提供了良好的外部條件。主體課程群建設(shè)是在機(jī)電類專業(yè)已有專業(yè)課程建設(shè)的基礎(chǔ)上，增加部分物探相關(guān)的基礎(chǔ)專業(yè)課程，調(diào)整好各主體課程群之間的關(guān)系，把重心放在課程間的內(nèi)容銜接整合上。

通常物探類儀器可整體劃分成四個(gè)組成單元，具體包括：電信號(hào)收發(fā)單元、主控單元、機(jī)械結(jié)構(gòu)單元和數(shù)據(jù)處理單元。儀器的組成結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，如探地雷達(dá)包括天線、雷達(dá)主機(jī)、天線及主機(jī)機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理軟件，地震儀[8]包括檢波器、主機(jī)、地震儀殼體、數(shù)據(jù)處理軟件。在儀器開發(fā)工作中所設(shè)定的具體崗位也相對(duì)固定，依次為IC工程師、硬件工程師、結(jié)構(gòu)工程師和軟件（算法）工程師。結(jié)合物探儀器組成及開發(fā)的特點(diǎn)，從傳感器對(duì)電信號(hào)收發(fā)，到主控單元對(duì)信號(hào)的采集與傳輸，一直到最后信號(hào)的處理與解釋，以及設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)載體的設(shè)計(jì)，依次開展所涉主體理論與實(shí)踐課程群的建設(shè)，具體如圖1所示。課程體系中除了傳統(tǒng)了機(jī)電類專業(yè)核心課程外，融入了地球物理專業(yè)的基礎(chǔ)專業(yè)課程——地球物理勘探原理，專門針對(duì)地震、地電場信號(hào)創(chuàng)新了數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)內(nèi)容。

圖1 主體課程群結(jié)構(gòu)圖

所構(gòu)建的物探儀器開發(fā)所涉主體課程群涵蓋了交叉學(xué)科的不同專業(yè)課程，圍繞物探儀器開發(fā)這一核心問題，將每門主體課程關(guān)聯(lián)到物探儀器開發(fā)的每一個(gè)環(huán)節(jié)。學(xué)生專業(yè)知識(shí)能力提升的同時(shí)，鍛煉了交叉學(xué)科知識(shí)的理解和綜合應(yīng)用能力。這樣的課程構(gòu)建以學(xué)生的儀器開發(fā)能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以從事儀器開發(fā)為職業(yè)目標(biāo)，充分體現(xiàn)了OBE工程教育模式的人才培養(yǎng)特點(diǎn)。

2 物探儀器開發(fā)主體課程群教學(xué)資源建設(shè)

在物探儀器開發(fā)所涉主體課程群構(gòu)建完成的基礎(chǔ)上，以常規(guī)的物探儀器（如探地雷達(dá)、地震儀等）作為資源載體，我們對(duì)物探儀器進(jìn)行三次分解，開展主體課程教學(xué)資源的建設(shè)。首先結(jié)合常規(guī)物探儀器“四組成單元”特點(diǎn)，對(duì)儀器進(jìn)行“一次分解”得到一級(jí)單元；再結(jié)合各一級(jí)單元的組成功能模塊進(jìn)行“二次分解”得到二級(jí)子單元，并將二級(jí)子單元?dú)w類到主體課程群的相應(yīng)課程中；最后結(jié)合每門課程知識(shí)點(diǎn)，對(duì)每門課程下歸類的二級(jí)子單元進(jìn)行“三次分解”得到三級(jí)子單元?；厮萑?jí)子單元在物探儀器實(shí)際開發(fā)過程中所涉及的知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)建課程教學(xué)時(shí)關(guān)于物探儀器二級(jí)子單元的例程資源庫和關(guān)于物探儀器一級(jí)單元的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫，以及關(guān)于物探儀器組成單元的綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目庫。

以探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理單元開發(fā)為例，開展所涉及主體課程教學(xué)資源建設(shè)，具體如圖2所示。首先依據(jù)物探儀器的組成特點(diǎn)，將探地雷達(dá)一次分解出雷達(dá)天線、雷達(dá)主機(jī)、天線及主機(jī)外殼、數(shù)據(jù)處理軟件四個(gè)一級(jí)單元。再根據(jù)組成功能模塊進(jìn)行二次分解，得到二級(jí)子單元，并將每個(gè)二級(jí)子單元?dú)w類到主體課程中。如數(shù)據(jù)處理軟件分解成探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集上下位機(jī)采集軟件和探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件三個(gè)二級(jí)子單元，對(duì)應(yīng)的主體課程包括C/C++語言程序設(shè)計(jì)、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字信號(hào)處理、地球物理勘探原理。最后結(jié)合每門主體課程的知識(shí)點(diǎn)對(duì)每個(gè)二級(jí)子單元進(jìn)行三次分解得到三級(jí)子單元。如對(duì)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件三次分解后得到雷達(dá)數(shù)據(jù)的歸一化處理、背景噪聲處理、時(shí)頻變換、濾波器、小波變換等，涉及數(shù)字信號(hào)處理課程中的采樣定理、離散時(shí)間信號(hào)相關(guān)性與頻率分析、頻域與時(shí)域信號(hào)特性、傅里葉變換、濾波器設(shè)計(jì)等知識(shí)點(diǎn)。進(jìn)一步回溯分解過程，依次基于三級(jí)子單元、二級(jí)子單元和一級(jí)單元構(gòu)建課程的知識(shí)點(diǎn)例程資源庫、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目庫和綜合實(shí)踐項(xiàng)目庫，可分別用于開展基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)、深度性實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)和探究性實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)。在OBE工程教育模式下，所構(gòu)建的這種由易及難、由淺及深的三級(jí)實(shí)踐教學(xué)資源庫，可給予學(xué)生學(xué)習(xí)能力的分階段、分層級(jí)地鍛煉，同時(shí)建立起學(xué)生學(xué)習(xí)能力達(dá)成度有效的評(píng)價(jià)體制。

圖2 主體課程群教學(xué)資源庫構(gòu)建（以探地雷達(dá)為例）

3 物探儀器開發(fā)綜合實(shí)踐創(chuàng)新

以往上述所構(gòu)建主體實(shí)踐課程群中的每門課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目都具有一定的關(guān)聯(lián)性，但課程之間的關(guān)聯(lián)性較差，缺少統(tǒng)一的工程項(xiàng)目背景，致使學(xué)生無法實(shí)現(xiàn)課程間知識(shí)點(diǎn)的串聯(lián)，進(jìn)而缺乏對(duì)專業(yè)知識(shí)系統(tǒng)整體的掌握。我們所構(gòu)建的主體課程群教學(xué)資源庫，對(duì)主體實(shí)踐課程群進(jìn)行改革，所有課程實(shí)踐環(huán)節(jié)以物探儀器開發(fā)為主線，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目庫完成對(duì)單一課程的實(shí)踐能力鍛煉，再通過綜合實(shí)踐項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生專業(yè)綜合實(shí)踐能力提升。

結(jié)合物探儀器“四組成單元”的特點(diǎn)，我們探索性建立了綜合實(shí)踐微項(xiàng)目庫，如“單通道雷達(dá)主機(jī)設(shè)計(jì)”“管線檢車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)”“單/多通道雷達(dá)采集下位機(jī)軟件開發(fā)”“雷達(dá)數(shù)據(jù)輕型處理軟件開發(fā)”等。在主體課程群完成后，獨(dú)設(shè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程的方式完成綜合實(shí)踐微項(xiàng)目開發(fā)，該環(huán)節(jié)綜合應(yīng)用主體課程群知識(shí)，以開發(fā)特定物探儀器微項(xiàng)目為最終目標(biāo)。如“隧道900MHz探地雷達(dá)天線開發(fā)”，學(xué)生需要基于三維CAD和機(jī)械設(shè)計(jì)課程完成天線殼體和撐桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，需要利用單片機(jī)原理及應(yīng)用、C語言程序設(shè)計(jì)、電工電子技術(shù)基礎(chǔ)等課程完成雷達(dá)采控卡、下位機(jī)采集傳輸程序開發(fā)。

總結(jié)

針對(duì)應(yīng)用型本科高校機(jī)電類專業(yè)學(xué)生未來從事物探儀器開發(fā)工作，開展主體課程群建設(shè)與實(shí)踐創(chuàng)新研究，是地方本科院校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)型道路上，為社會(huì)培養(yǎng)專業(yè)人才的一次積極探索。根據(jù)市場對(duì)跨學(xué)科、綜合性人才需求特點(diǎn)，適時(shí)開展機(jī)電類專業(yè)培養(yǎng)方案、主體課程群建設(shè)與實(shí)踐的改革，可以為我校應(yīng)用型轉(zhuǎn)型發(fā)展和應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供借鑒。

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Construction and Practice of the Main Course Group Related to the Development of Geophysical Prospecting Instruments for Mechanical and Electrical Majors

LI Tao-tao, HE Yu, LING Xiong-jian

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Pingxiang University, Pingxiang Jiangxi 337000, China)

In order to meet the needs of talents in the rapid development of the instrumentation industry, colleges and universities must reform the learner training mode and curriculum system in a timely manner. Students majoring in mechanical and electrical engineering in application-oriented university require comprehensive ability to engage in developing geophysical prospecting instruments. In view of the need, the construction and practice of the main course group related to the development of geophysical prospecting instruments are explored combing with the functional composition of geophysical prospecting instruments and the characteristic of the involved courses. Based on the “four component units” of geophysical prospecting instruments, the main theory and practice course group is constructed. The teaching resource library for the main course group is built through the “three times decomposition” of instruction. The comprehensive practical innovation is carried out by means of setting up various practical links. With national strategy of “Emerging Engineering Education”, the research can provide reference for the training of applied talents for geophysical prospecting instrument development.

mechanical and electrical majors; geophysical prospecting instruments; course group construction

2020-03-07

江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究省級(jí)項(xiàng)目（JXJG-19-22-12）；江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（GJJ181104）

李濤濤（1988—），男，江西萍鄉(xiāng)人，講師，博士，研究方向：地質(zhì)雷達(dá)裝備及技術(shù)。

G642.3

A

2095-9249（2020）03-0089-03

〔責(zé)任編校：吳侃民〕