工程教育認證背景下測控專業(yè)課程實驗教學(xué)方法探索與改革

白潔，曹建安，湯曉君，孔忻

摘? 要：實驗教學(xué)是工程教育認證重點關(guān)注的方向之一，是解決復(fù)雜工程問題的重要手段。文章分析了西安交通大學(xué)測控專業(yè)課程實驗教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題，結(jié)合工程教育認證理念，從優(yōu)化實驗項目、豐富實驗內(nèi)容、重視實驗過程評價等方面提出了改革與創(chuàng)新的方向，并且形成了持續(xù)改進的有效機制。以電氣測量技術(shù)課程實驗教學(xué)改革為例，敘述了改革的全過程和對課程建設(shè)起到的積極作用。

關(guān)鍵詞：工程教育認證;實驗教學(xué)改革;測控技術(shù)與儀器

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）30-0113-04

Abstract： Experimental teaching is one of the focuses of engineering education accreditation and an important means to solve complex engineering problems. This paper analyzes the current situation and existing problems of the core course experimental teaching of measurement and control specialty in Xi'an Jiaotong University. Combined with the concept of engineering education certification， the paper puts forward the direction of reform and innovation from aspects of optimizing experimental projects， enriching experimental contents and paying attention to the evaluation of experimental process， and forms an effective mechanism for continuous improvement. Taking the experimental teaching reform of electrical measurement technology as an example， the whole process of the reform and the positive effect on the course construction are described.

Keywords： engineering education accreditation; reform of experimental teaching; measurement and control technology and instruments

工程教育專業(yè)認證是國際通行的工程教育質(zhì)量保證制度，也是實現(xiàn)工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎(chǔ)，這關(guān)系到畢業(yè)學(xué)生的前途。其基本理念是以學(xué)生為中心（SC），成果為導(dǎo)向（OBE），持續(xù)改進（CQI）為機制，它已經(jīng)獲得了社會的普遍認可，對于全面推進專業(yè)建設(shè)，提高我國本科生畢業(yè)質(zhì)量及推向國際服務(wù)市場意義重大。工程教育專業(yè)認證是培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、教學(xué)計劃、教學(xué)過程和考核評價為一體的閉環(huán)體系，根據(jù)評價考核結(jié)果反饋依次逆向修改直至培養(yǎng)目標。西安交通大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)目標是將學(xué)生定位在智能制造、信息、能源、電氣、環(huán)境、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域， 成為從事儀器科學(xué)與技術(shù)相關(guān)的科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、設(shè)計制造、工程管理等方面工作的研究型、創(chuàng)新型人才。這就要求學(xué)生不但要系統(tǒng)地掌握儀器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)知識，將其應(yīng)用于解決測控技術(shù)與儀器領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的工作實踐中，同時還要具有根據(jù)工程需要，設(shè)計、開發(fā)儀器和測控系統(tǒng)的能力、工程項目的管理能力、能相互協(xié)作、自主學(xué)習(xí)與適應(yīng)發(fā)展的能力。通過對畢業(yè)學(xué)生、用人單位和行業(yè)專家的問卷調(diào)查和走訪調(diào)研，發(fā)現(xiàn)畢業(yè)生的薄弱環(huán)節(jié)主要集中在“解決測控技術(shù)與儀器領(lǐng)域復(fù)雜工程問題”上，追根溯源，需要對培養(yǎng)方案和專業(yè)課程教學(xué)大綱進行進一步完善，歸根結(jié)底要在專業(yè)課程的教學(xué)上進行改革與創(chuàng)新，尤其是“復(fù)雜工程問題的解決”方面，專業(yè)課程實驗就要充當重要的角色[1]。

在工程教育認證這個大背景下，國內(nèi)高校專業(yè)課程實踐教學(xué)已經(jīng)進行了有益的嘗試和探索，提出了一些行之有效的方法[2]。我們對這些方法進行了分析并加以借鑒，現(xiàn)以電氣測量技術(shù)課程為例，提出了專業(yè)課程實驗的改革措施，并加以實踐和總結(jié)。

一、專業(yè)課程實驗教學(xué)存在的問題

隨著工程教育認證理念（復(fù)雜工程）的提出，暴露出我們的課程實驗教學(xué)仍存在許多問題。專業(yè)課程實驗設(shè)計基本上是根據(jù)理論課程的內(nèi)容要求進行設(shè)計的，為了讓學(xué)生能夠快速準確地完成實驗，老師往往把實驗內(nèi)容和步驟都寫得非常詳細，學(xué)生只要按照實驗指導(dǎo)書的引導(dǎo)，按實驗步驟基本上就能順利地完成實驗，學(xué)生也能有所收獲[3]。但是在整個實驗過程中，學(xué)生都是按部就班地被動做實驗，沒有主動思考和學(xué)習(xí)的機會，無法調(diào)動學(xué)生實驗的積極性。一般說來實驗過程太過順利不利于學(xué)生學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，教師應(yīng)該預(yù)想到學(xué)生實驗過程中可能出現(xiàn)的問題，精心設(shè)計實驗，制造些小的BUG，這樣既能激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、解決問題的積極性，也能在遇到問題時不會產(chǎn)生無從下手的窘境。目前實驗教學(xué)中的弊端包括以下4個方面。

（一）實驗內(nèi)容缺乏實際工程問題

原電氣測量技術(shù)課程實驗包括5個實驗項目，其中1個為軟件編程平臺的學(xué)習(xí)，主要是學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的方法;4個為設(shè)計性實驗項目，包括溫度、電路參數(shù)（電阻、電容和電感）、電量參數(shù)及磁測量等，這些實驗內(nèi)容比較傳統(tǒng)，學(xué)生只要在實驗室環(huán)境中在試驗平臺上測量和處理數(shù)據(jù)即可。一般說來，我們給學(xué)生提供的實驗環(huán)境是理想的，而實際工程現(xiàn)場遠遠不是這樣的，那里會有電磁干擾、噪聲、振動與灰塵，對其處理方法也會與實驗室不同。因此，我們應(yīng)該引入更符合工程實際的實驗項目，可將老師的科研課題與課程實驗結(jié)合起來。

（二）實驗手段缺乏先進性

我們目前的測試方法和手段比較傳統(tǒng)，制作試驗箱作為實驗平臺。這樣，硬件平臺已經(jīng)固定，學(xué)生發(fā)揮的余地就不大，學(xué)生的積極性也就不高，更不要說學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，很難達到工程教育認證的要求。

（三）實驗考核缺乏過程評價機制

現(xiàn)有的實驗教學(xué)考核方式包括出勤+實驗報告兩部分，實驗考核機制單一，從中只能看出學(xué)生做完了實驗，看不到實驗過程中學(xué)生思維方式以及實驗的操作能力。工程教育認證中堅持以能力為導(dǎo)向，要以多種方式從多個角度考查學(xué)生能力[4]，這與工程教育認證中的“過程評價”和“評價-改進-再評價”的閉環(huán)管理方式不符。

（四）實驗指導(dǎo)教師缺乏工程經(jīng)驗

實驗指導(dǎo)教師常年在教育的第一線，專業(yè)知識深厚、理論基礎(chǔ)扎實，但也存在著實際工程經(jīng)驗少等問題，更不要說培養(yǎng)學(xué)生具有解決工程實際問題的能力[5]。另一方面，大部分實驗指導(dǎo)教師對工程教育認證理念認識不夠，不能以學(xué)生為中心，所以要加強對教師及學(xué)生的工程教育認證宣傳工作。

二、測控技術(shù)和儀器專業(yè)課程實驗教學(xué)改革措施

針對上述問題，結(jié)合工程教育專業(yè)認證的理念，對測控技術(shù)和儀器專業(yè)課程實驗教學(xué)進行了改革。

（一）梳理課程教學(xué)大綱

根據(jù)測控技術(shù)和儀器專業(yè)的培養(yǎng)目標要求，細化畢業(yè)要求的指標點，根據(jù)各項畢業(yè)要求指標點梳理專業(yè)課程內(nèi)容，制定課程教學(xué)目標[6]。例如：電氣測量技術(shù)課程的教學(xué)目標對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系如表1所示。

（二）更新實驗教學(xué)內(nèi)容

為了能讓學(xué)生更好地了解測控技術(shù)與儀器專業(yè)的科技前沿技術(shù)，緊跟行業(yè)潮流，對課程實驗內(nèi)容進行了重新梳理，盡量選取與工程實際接近的項目，可以是老師以前的科研項目，也可以將競賽題目分解成合適的實驗項目。

在原有實驗平臺的基礎(chǔ)上，又自制了2臺實驗設(shè)備，一是高壓電流測試試驗臺;另一個是電機轉(zhuǎn)速實驗平臺。我們只給學(xué)生提供實驗對象，提出測試指標，學(xué)生據(jù)此完成硬件調(diào)理電路以及軟件編程進行全過程的數(shù)據(jù)處理，最終寫出類似論文格式的實驗報告。實驗指導(dǎo)由教師協(xié)助、監(jiān)督學(xué)生設(shè)計以及完成實驗的各個環(huán)節(jié)。

為了培養(yǎng)學(xué)生的組織管理和協(xié)作能力，進行有效溝通和交流，學(xué)生一般3人為一組，每人都必須承擔實驗項目的部分內(nèi)容，這樣既鍛煉了學(xué)生團隊合作能力，也提升學(xué)生溝通和表達的能力。因為學(xué)生從頭到尾都是自己設(shè)計硬件調(diào)理電路，在實驗方法和元器件的選擇等方面可以加深對測量系統(tǒng)組建的理解，認識到元器件選型及電路組成對整個測量系統(tǒng)的經(jīng)濟及使用性能的影響，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決實際工程問題的能力。此外，還鼓勵學(xué)生自定題目，自主設(shè)計，激發(fā)學(xué)生參與實驗的積極性與主動性，這些對于其工程實踐能力以及創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)大有益處。

（三）改進實驗教學(xué)方法

學(xué)生在實驗室做實驗基本上是理想環(huán)境，實際的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境要復(fù)雜的多，比如電磁輻射、噪聲和振動等問題就無可避免，所以在實驗方案設(shè)計和元器件的選擇上都要充分考慮，將可持續(xù)發(fā)展、環(huán)保和循環(huán)再利用等理念引入實驗當中，這樣才能獲得較為真實的工程體驗。這對實驗指導(dǎo)教師的指導(dǎo)水平和工程素養(yǎng)提出了較高的要求，可采用實驗指導(dǎo)教師走出去，企業(yè)專家走進來的方式解決該問題。

（四）完善考核評價體系

實驗考核體系是實驗教學(xué)過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，也是持續(xù)改進的依據(jù)，持續(xù)跟蹤改進效果并收集信息用于下一步改進，形成“評價-改進-再評價”的閉環(huán)管理，這是一種質(zhì)量持續(xù)不斷提高的循環(huán)式上升過程[7]。

對整個實驗過程進行評價，調(diào)動了學(xué)生完成實驗的積極性，對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)具有積極的作用。這與工程教育認證體系中所強調(diào)的過程評價也吻合。電氣測量技術(shù)課程實驗最終成績采用過程評價的方式，包括：實驗中的各個環(huán)節(jié)是否做到位+解決問題的能力+協(xié)作能力+溝通能力+學(xué)習(xí)能力+實驗報告。

三、實施與效果

我們以電氣測量技術(shù)課程實驗教學(xué)設(shè)計為例，簡述實驗實施過程及效果。

（一）實驗實施過程

實驗設(shè)計包括2個部分的內(nèi)容，教師設(shè)計實驗和學(xué)生完成實驗，見圖1所示。

1. 教師設(shè)計實驗部分

理論課程教師與實驗指導(dǎo)教師商議共同設(shè)計實驗內(nèi)容，具體實驗設(shè)計及考核學(xué)生整個實驗過程由實驗指導(dǎo)教師完成。

（1）實驗?zāi)繕?/p>

根據(jù)理論課程內(nèi)容以及要求學(xué)生對復(fù)雜工程問題的解決來設(shè)計實驗。要求學(xué)生搭建一個測量大電流的測試平臺。對于這樣的題目，學(xué)生首先要了解被測對象的特性，尋找合適的測量方法。

（2）實驗內(nèi)容

首先學(xué)生閱讀相關(guān)文獻，了解測量大電流的幾種方法，找出它們之間的優(yōu)劣及適用場合，根據(jù)實驗要求確定合適的測量方案。

（3）測量系統(tǒng)組建平臺方案的確定

在學(xué)生確定了大電流測量方案后，就要設(shè)計大電流測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，了解每一環(huán)節(jié)的作用和設(shè)計方法。

（4）實驗步驟

教師列出實驗步驟，設(shè)計問題，讓學(xué)生解決問題，引導(dǎo)學(xué)生完成實驗內(nèi)容。

因為每個學(xué)生的學(xué)習(xí)能力是不同的，有些能力好的同學(xué)很容易理解老師的意圖，可以較好地完成測量方法的選擇及設(shè)計實現(xiàn)。但有些同學(xué)不行，所以，老師就必須更加細化步驟，先讓同學(xué)跟著步驟完成實驗，然后再回過頭來思考為什么這樣做？這樣做能達到什么樣的目的？如果學(xué)生想通了這一切，那么他們在如何發(fā)現(xiàn)問題和解決問題上會有一個飛躍，同時也會具有舉一反三的能力。這樣手把手教學(xué)生同時不斷讓他們學(xué)習(xí)解決問題的方法，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，最終對于完成整個實驗具有自豪感，同時增強了自信心。

2. 學(xué)生實驗部分

學(xué)生根據(jù)教師設(shè)計的實驗步驟，以問題驅(qū)動完成實驗，具體的實驗步驟見表2所示。

圖2為學(xué)生繞制的240匝的羅氏線圈，因為每組學(xué)生繞制線圈的匝數(shù)不同，可讓學(xué)生分析線圈大小對測試結(jié)果的影響。

圖3為羅氏線圈的輸出波形，該圖是將羅氏線圈采集的200A、400A和800A三個不同的電流合成在一起的波形圖。

（二）改革實施效果

測控81班有學(xué)生30名，70%的學(xué)生80分以上，10%的學(xué)生90分以上，其中失分最多的是調(diào)理電路設(shè)計和誤差分析兩部分內(nèi)容，所以今后在課堂上教師要加強這兩部分內(nèi)容的講解，多舉實例，詳細分析。同時，在實驗設(shè)計上也要更加細致和有針對性，引導(dǎo)學(xué)生較好地完成實驗。從學(xué)生實驗報告中的“實驗體會”可以看出，學(xué)生對這種形式的實驗是比較認可的，整個實驗環(huán)節(jié)都由學(xué)生自己完成，教師引導(dǎo)，提出問題，學(xué)生因循解決問題，完成整個實驗。

四、結(jié)束語

結(jié)合工程教育認證中實踐教學(xué)的理念，以學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進為目標，對專業(yè)工程實踐和復(fù)雜工程問題提出解決方案。以電氣測量技術(shù)課程的實驗教學(xué)為例，重點說明了對課程教學(xué)大綱、更新課程實驗教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新實驗教學(xué)方法和改進考核評價體系的改革。從最終的實施效果來看，達到了改革的目的，以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向、以持續(xù)改進為機制，形成“評價-改進-再評價”的閉環(huán)管理方式，使學(xué)生在工程實踐中分析問題及解決問題的能力得到了提升。

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