基于知識融合的《電子測量與儀器》教材改革

黃新 郭慶

摘? 要：高等教育教材建設是保證和提高教學質量的重要支柱，教材是體現(xiàn)教學內容和教學方法的知識載體，教材建設需要遵從工程教育理念，滿足“新工科”人才培養(yǎng)要求。完善教材知識體系，跨學科知識融合，有助于培養(yǎng)學生工程應用能力和結合不同學科知識的系統(tǒng)分析能力，從而提高學生的思維能力和解決問題的能力?！峨娮訙y量與儀器》教材目前已經(jīng)發(fā)行5版，與同類教材相比具有內容較新、實用性強的特點。在教材的建設中，保持著教材的經(jīng)典和優(yōu)勢，不斷更新知識、內容和儀器技術指標，列舉了國產(chǎn)儀器型號、技術指標及儀器實例，樹立了民族自信心，激勵著我國電子儀器事業(yè)的發(fā)展。新教材融合邊界掃描測試前沿技術，有效拓展了學生的知識面;新增環(huán)境領域光譜分析，擴展了應用范圍，為環(huán)境分析監(jiān)測提供了理論保障;引入產(chǎn)品安規(guī)測試，滿足行業(yè)電氣產(chǎn)品安全生產(chǎn)的需求。

關鍵詞：知識體系;跨學科;知識融合

中圖分類號：G423.3? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2021）11-0152-03

隨著社會和企業(yè)對人才綜合能力的要求不斷提高，高校教育開始向跨專業(yè)、跨學科轉變，不斷改革人才培養(yǎng)模式，以培養(yǎng)復合型人才?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》提出應優(yōu)化學科專業(yè)、類型、層次結構，促進多學科交叉和融合?！蛾P于高等學校加快“雙一流”建設的指導意見》提出應制定跨學科人才培養(yǎng)方案，探索建立政治過硬、行業(yè)急需、能力突出的高層次復合型人才培養(yǎng)新機制。

我國先后提出的“2011計劃”“雙一流建設”以及“新工科”概念，對各高校提出了新的要求，高校需要承擔建設創(chuàng)新型國家的重任，培養(yǎng)具有跨學科的知識結構、素質能力與協(xié)同精神的復合型人才 [1]?！靶鹿た啤钡膽?zhàn)略性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)性與開放性等特征明確，以立德樹人為引導，培養(yǎng)多元化和創(chuàng)新型的卓越工程人才 [2]。

我國高校采用多種方式實現(xiàn)復合型人才培養(yǎng)，復合交叉專業(yè)如生物醫(yī)學工程，由工程學、生物學、醫(yī)學等學科交叉而成 [3-4]。很多高校在制定專業(yè)培養(yǎng)方案時，會選取不同學科和不同專業(yè)的課程進行交叉，但未能達到真正意義上的復合培養(yǎng)。大學應順應社會發(fā)展，從“專業(yè)人才培養(yǎng)”向“復合型人才培養(yǎng)”轉變。在學科交叉融合的廣泛需求中，本研究主要從教材建設入手，研究如何將學科交叉，知識融合與教材建設有機結合，以培養(yǎng)學科交叉的工程技術人才。

一、教材建設的人才培養(yǎng)價值

教材是高校教師傳授知識的主要依據(jù)，教師根據(jù)教材和專業(yè)需要安排講授內容，學生利用教材完成自學。學生完成專業(yè)課程學習才能更好地掌握專業(yè)相關知識，以成為專業(yè)人才。因此，高校教材建設是人才建設的基礎，加強教材建設為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供了更充足的知識基礎，有助于培養(yǎng)創(chuàng)新性工程人才。

優(yōu)秀的教材應當有自己的內涵和靈魂，概念準確，知識結構清晰，知識點全面具體，還應啟發(fā)學生的創(chuàng)新和創(chuàng)造能力。這樣才有益于培養(yǎng)學生的綜合能力和創(chuàng)新能力。因此，教材的內容在思想性、科學性、系統(tǒng)性等方面，對于人才培養(yǎng)起著導向性作用。

教材建設應以教材思政為引導，以專業(yè)課程知識體系為核心，以培養(yǎng)學生綜合能力為目標，充分體現(xiàn)教材的知識基礎性和專業(yè)性，知識的系統(tǒng)性和先進性，保持教材的經(jīng)典性，融合跨學科知識，將理論與實踐有機結合，靈活運用現(xiàn)代信息技術，全面提高教材建設質量。

二、教材建設的知識融合理念

（一）教材知識體系

在課程教學過程中，教材發(fā)揮著重要作用，作為教學內容和教學方法最基本的知識載體，教材的知識體系是系統(tǒng)的、連續(xù)的，而且是穩(wěn)定的。教材不僅是知識生產(chǎn)、知識創(chuàng)造的過程，更是知識選擇的過程。知識的選擇既遵循學術的邏輯，注重科學性和時代性，也遵循經(jīng)濟邏輯和政治邏輯，即現(xiàn)實性和政治性。

在新工科背景下，教材知識體系應進行調整，在傳統(tǒng)教材的基礎上，注重學生工程能力培養(yǎng)，引入工程應用案例，建立相關的工程概念，融入優(yōu)秀的研究成果。將工程實踐有機融合到教材知識體系，利用工程應用實例講述基礎知識、專業(yè)知識和儀器原理，工程應用實例按照需求分析、總體設計、模塊設計、功能仿真、測試驗證等流程，系統(tǒng)地培養(yǎng)學生的工程素質。

（二）教材知識融合

新工科專業(yè)教材應以單一學科專業(yè)課程教學內容為主，同時考慮學科的交叉融合。體現(xiàn)學科間的知識滲透和知識的再生，注重工程知識的綜合性和學科間的關聯(lián)性，培養(yǎng)學生結合不同學科知識進行綜合系統(tǒng)分析，提高學生面向工程的思維能力和解決問題的能力。了解最新技術在不同工程技術領域的應用，培養(yǎng)學生從多學科的視角看待問題、分析問題、解決問題的思維習慣 [5]。加強教材與現(xiàn)代信息技術手段的結合，通過信息技術，對教材的應用實例和教學難點等進行動態(tài)更新，從而彌補新工科專業(yè)課程體系和教學內容的不斷調整變化，彌補教材建設相對滯后的不足。

針對“新工科”對綜合型人才的需求，教材編寫必須考慮融合和吸收不同學科的知識，強調多個學科和多個知識點之間的有效銜接 [6]。目前很多教材對教材內容和知識點的設置，不同程度上融合了一些不同領域的知識。但高校人才培養(yǎng)方案根據(jù)專業(yè)發(fā)展需要在不斷更新完善，開設的課程也在不斷調整，教材知識結構也需要隨之調整，教材建設時應不斷豐富完善課程素材和應用案例，還應根據(jù)行業(yè)應用需求，增刪相應知識點。

三、知識融合教材改革探索及應用

《電子測量與儀器》教材與同類教材相比具有內容較新、實用性強的特點。2005年1月出版發(fā)行第1版，2020年6月發(fā)行第5版，在教材的建設中，保持著教材的經(jīng)典和優(yōu)勢，不斷更新知識、內容和儀器技術指標，融合了邊界掃描測試前沿技術、新增了環(huán)境領域光譜分析、引入了產(chǎn)品安規(guī)測試。

（一）延續(xù)教材經(jīng)典，更新教材知識和內容

按國家技術規(guī)范對誤差與不確定度進行了精煉闡述，刪繁就簡，概念明確，計算方法步驟清晰，更便于學習理解與實際應用。全面規(guī)范教材中引用的國家標準（GB）、國際電工委員會（IEC）、國際標準化組織（ISO）、國家計量技術規(guī)范（JJF）、計量檢定標準（JJG）和合格評定標準（CNAS）標準等標準名稱、文號和引用內容。

教材按發(fā)展歷程講解了儀器原理，容易入門，敘述深入淺出，圖文并茂，適合自學，也有擴展或深入的內容可供具有不同教學和科研需求的讀者選用。

教材理論聯(lián)系實際，既講電子測量原理，又講具體儀器應用，通過實例與儀器型號參數(shù)介紹，加深讀者對儀器的認識和對國內外技術水平的了解。

刪減了部分應用價值不大的內容，完善了一些內容的文字表述方式，調整了DDS原理的表述方式，更新了任意波形發(fā)生器、射頻信號發(fā)生器、通用計數(shù)器、手持式萬用表、臺式萬用表、高端數(shù)字示波器、混合域示波器、RLC測量儀、網(wǎng)絡分析儀、頻譜分析儀、邏輯分析儀等儀器的技術參數(shù)，選用國產(chǎn)儀器，更新了射頻信號發(fā)生器、數(shù)字頻率特性測試儀和頻譜分析儀測試應用實例。

（二）融合邊界掃描測試前沿技術，拓展知識面

隨著封裝技術、微組裝技術及裸芯片技術的發(fā)展與廣泛應用，數(shù)字系統(tǒng)朝著高密度、高速度、高可靠性和微型化方向快速發(fā)展，電路的規(guī)模劇增而物理尺寸銳減與測試困難的矛盾日趨尖銳。在SMT（Surface Mounting Technology）條件下已經(jīng)難以使用常規(guī)物理探針進行測試。而MCM（Multi-Chip Module）及裸芯片的應用，給測試帶來更為突出的技術難題。常規(guī)的測試技術已難以滿足復雜的測試要求，需要采用新的測試理論和測試方法才能解決這種測試困境。

邊界掃描測試技術作為一種新興技術，具有附加測試資源少，對器件和電路本身的性能影響小等特點，得到了迅速發(fā)展并被廣泛用于電子設計與制造領域。該測試技術的應用有效地提高了電路的可控性和可觀測性，提高了故障覆蓋率，減少了故障診斷時間，具有良好的性價比，已日益成為可測試性設計中應用最為廣泛的技術之一。邊界掃描測試技術為芯片級、電路板級和系統(tǒng)級的測試注入了新的活力，為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設備、軍事電子裝備、武器系統(tǒng)的開發(fā)與測試提供了新的理論與技術支持，提供了一套完整的、標準化的數(shù)字電路可測試性設計方法，有效地解決了傳統(tǒng)測試方法難以解決的測試問題，具有很好的應用前景。

（三）測控技術結合環(huán)境檢測，擴展應用范圍

《電子測量與儀器》教材主要涵蓋電子測量、計量、誤差與不確定度、信號發(fā)生器、時頻測量、電壓測量、時域測量、阻抗測量、頻域測量、數(shù)據(jù)域測試和自動測試技術等原理和相關儀器。

環(huán)境保護作為現(xiàn)代化建設的一項基本國策，環(huán)境分析監(jiān)測受到了普遍關注。隨著電子信息技術的發(fā)展，儀器分析法在環(huán)境分析中顯現(xiàn)出更加重要的作用，已成為環(huán)境監(jiān)測的主流，主要包括光學分析法、色譜分析法、電化學分析法和其他分析技術。因此在《電子測量與儀器》教材中融合環(huán)境檢測方面的知識有著重要的意義。

環(huán)境分析的光譜分析儀器按產(chǎn)生光譜的物質類型的不同，可分為原子光譜儀和分子光譜儀;按產(chǎn)生光譜的方式不同，可分為發(fā)射光譜儀、吸收光譜儀、熒光光譜儀和散射光譜儀等。教材分別介紹了原子發(fā)射光譜儀、原子吸收分光光度計、原子熒光分光光度計、紫外-可見分光光度計、分子熒光分光光度計、紅外光譜儀。還介紹了第五屆中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽廣西賽區(qū)高教主賽道銀獎作品“新型便攜式戶外分光光度計”。該儀器根據(jù)朗伯比爾定律測量物質吸光度從而確定待測物質濃度，具有結構小巧、工程易實現(xiàn)的特點，提高了儀器在野外的快速部署能力。

（四）引入產(chǎn)品安規(guī)測試，滿足行業(yè)電氣產(chǎn)品安全生產(chǎn)需求

安全規(guī)范是產(chǎn)品認證中對產(chǎn)品安全的要求，電氣安全性能參數(shù)是國家強制性認證的指標之一，也是反映電子產(chǎn)品和設備安全性能的重要參數(shù)。因此在《電子測量與儀器》教材中融合電氣產(chǎn)品安規(guī)測試方面的知識可以更好地適應企業(yè)的需求。

教材講述了產(chǎn)品安全的基本準則、電氣設備防電擊防護分類、安規(guī)測試指標及測試方法，安規(guī)測試指標主要包括耐壓測試、泄漏電流測試、絕緣電阻測試和接地電阻測試等。還講述了電動汽車安規(guī)測試解決方案應用實例。電動汽車相關安全標準主要涵蓋電動汽車整體、人體防護系統(tǒng)、電動車用電池、電動車馬達控制器、電池管理系統(tǒng)和電動車充電設施等。教材介紹了電動汽車部分安規(guī)測試要求如包括絕緣電阻、耐壓測試、電位均衡連續(xù)測試等，介紹了艾諾儀器公司八合一安規(guī)綜合分析儀AN1651H實現(xiàn)電動汽車安規(guī)測試系統(tǒng)架構，電池包絕緣電阻測試方案、高壓負載絕緣電阻測試方案、電位均衡測試方案、車載充電機測試方案等。

（五）弘揚民族品牌，宣講國產(chǎn)儀器

《電子測量與儀器》教材列舉了國產(chǎn)儀器型號、技術指標及儀器實例，樹立了民族自信心，激勵我國電子儀器事業(yè)的發(fā)展。教材全面講述了信號發(fā)生器，通用計數(shù)器，數(shù)字多用表、智能LCR測量儀、網(wǎng)絡分析儀、頻譜分析儀和邏輯分析儀等儀器的結構、原理及設計方法，選取中電儀器公司1465射頻信號發(fā)生器、成都前鋒電子儀器廠QF1485矢量信號發(fā)生器、數(shù)英儀器的DDS1302CA數(shù)字示波器為實例，講述儀器結構和原理，選取普源精電DS1012D混合信號數(shù)字示波器和中電儀器AV4051E頻譜分析儀為實例，講述儀器使用方法。教材將國產(chǎn)儀器的技術指標與國外同性能的儀器進行對比，使學生能夠清楚了解國內外儀器的差距。

國產(chǎn)部分儀器受芯片限制，發(fā)展較慢，需繼續(xù)解決核心芯片的自主研發(fā)。普源精電公司自主研發(fā)的“鳳凰座”芯片組突破了國產(chǎn)示波器1GHz的帶寬限制，在中高檔數(shù)字示波器領域邁出了新的一步。決定數(shù)字示波器帶寬和采樣率這兩項關鍵指標的芯片有三顆，分別是：寬帶差分探頭放大器芯片γPhoenicis，帶寬達到6GHz;示波器信號處理芯片Ankaa，采樣率達到10GSa/s，具備模擬信號調理和示波器數(shù)字信號處理功能;模擬前端芯片βPhoenicis，帶寬達到4GHz。

四、結語

高等教育教材建設是保證和提高教學質量的重要支柱，是體現(xiàn)教學內容和教學方法的知識載體，是貫徹落實培養(yǎng)大綱的重要基礎。教材建設應遵從工程教育的教育理念，適應新的專業(yè)結構，服務于人才培養(yǎng)模式，適應工程教育課程體系的結構性。在“新工科”建設新形勢下和工程教育專業(yè)國際認證的視角下探索教材的建設、改革和創(chuàng)新，應完善教材知識體系，綜合考慮教材知識的融合?！峨娮訙y量與儀器》教材保持了教材的優(yōu)勢與特色，根據(jù)實際需要刪減部分應用價值不大的內容，融合邊界掃描測試前沿技術，拓展了讀者的知識面，以測控技術結合環(huán)境檢測，擴展了專業(yè)應用范圍，引入了產(chǎn)品安規(guī)測試，滿足了行業(yè)電氣產(chǎn)品安全生產(chǎn)需求。

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（責任編輯：汪旦旦）