基于項(xiàng)目驅(qū)動的自動化測試技術(shù)課程群建設(shè)

謝 啟 陳 飛 徐 偉 王 飛 王 偉

(常熟理工學(xué)院 電氣與自動化工程學(xué)院， 常熟 215500)

工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的相關(guān)能力提出了明確要求。在教學(xué)實(shí)踐中，如何切實(shí)有效地培養(yǎng)學(xué)生解決本專業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力，是工科專業(yè)和任課教師普遍面對的現(xiàn)實(shí)問題[1-2]。

從2016年開始，常熟理工學(xué)院測控技術(shù)與儀器專業(yè)面向長三角地區(qū)智能制造領(lǐng)域非標(biāo)自動化設(shè)備研發(fā)與制造行業(yè)的人才需求，根據(jù)專業(yè)特質(zhì)，整合課程體系，對“傳感器原理與檢測技術(shù)”“虛擬儀器技術(shù)”“工業(yè)機(jī)器視覺”“測控系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”等自動化測試技術(shù)類課程進(jìn)行教學(xué)改革，探索校企合作應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式。經(jīng)過2輪的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力雖然得到了一定的提升，但是這類課程的教學(xué)方式還存在如下問題[3]：

(1)各門課程之間教學(xué)內(nèi)容相對獨(dú)立，任課教師不關(guān)心、也不注重各門課程之間的聯(lián)系，彼此之間缺乏交流溝通，缺乏對各門課程內(nèi)容的系統(tǒng)整合。

(2)多數(shù)課程雖然能將工程實(shí)際項(xiàng)目案例引入課堂并開展項(xiàng)目式教學(xué)，使學(xué)生對理論知識更好地理解。但是各門課程所舉實(shí)例沒有系統(tǒng)的考慮，相互缺乏銜接，因而學(xué)生不能很好地將前后學(xué)習(xí)的課程內(nèi)容與專業(yè)典型復(fù)雜工程案例聯(lián)系起來。各門課程所舉實(shí)例缺乏系統(tǒng)性且復(fù)雜度也不夠，不利于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力。

(3)課程考核評價方式單一，評價的內(nèi)容過多地局限于書本理論知識的掌握或項(xiàng)目技術(shù)報告的撰寫，沒有從注重學(xué)生工程實(shí)踐能力等多維角度采取靈活多樣的考核方法，缺乏對教學(xué)全過程的形成性考核評價。

(4)不同的課程在開展項(xiàng)目式教學(xué)時，采用的軟件開發(fā)平臺不一致，有的項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)要求學(xué)生采用C語言來編程，有的項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)要求學(xué)生用LabVIEW軟件開發(fā)平臺來編程，使得課程與課程之間的項(xiàng)目訓(xùn)練不能夠很好的銜接。

針對以上問題及自動化測試技術(shù)類課程的教學(xué)特點(diǎn)，從2018年開始，我們把“傳感器原理與檢測技術(shù)”“虛擬儀器技術(shù)”“工業(yè)機(jī)器視覺”“柔性測試技術(shù)”“測控系統(tǒng)集成與設(shè)計(jì)”“專業(yè)綜合性工程實(shí)踐”6門課程組成自動化測試技術(shù)課程群來開展建設(shè)。課程群以專業(yè)典型復(fù)雜工程案例為中心，對典型工程案例進(jìn)行項(xiàng)目分解與綜合，圍繞非標(biāo)自動化測試設(shè)備開發(fā)全周期開展流水線式教學(xué)與實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)提升解決自動化測試系統(tǒng)開發(fā)或集成中的復(fù)雜工程問題能力的進(jìn)階式培養(yǎng)。

本文主要圍繞如何明確課程群的專業(yè)核心能力培養(yǎng)目標(biāo)、設(shè)計(jì)專業(yè)典型復(fù)雜工程案例、以項(xiàng)目驅(qū)動開展流水線式教學(xué)與實(shí)踐等方面介紹了我們對測控技術(shù)與儀器專業(yè)自動化測試技術(shù)課程群建設(shè)與實(shí)踐過程中的工作與經(jīng)驗(yàn)。

1 明確課程群的專業(yè)核心能力培養(yǎng)體系

為了更好地服務(wù)長三角地區(qū)智能制造領(lǐng)域非標(biāo)自動化設(shè)備研發(fā)與制造行業(yè)，需要進(jìn)一步加強(qiáng)校企合作，我校與美國國家儀器公司及蘇南地區(qū)非標(biāo)自動化行業(yè)的企業(yè)共建“先進(jìn)自動化與測控技術(shù)卓越工程師合作教育聯(lián)盟”，探索并建立行業(yè)核心技術(shù)輸出企業(yè)、高校與行業(yè)應(yīng)用企業(yè)群多方聯(lián)動、點(diǎn)面結(jié)合。在此背景下，本課程群以行業(yè)內(nèi)企業(yè)需求為引導(dǎo)，基于OBE理念，根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，反向設(shè)計(jì)課程群教學(xué)體系，將“培養(yǎng)學(xué)生解決自動化測試系統(tǒng)開發(fā)或集成中的復(fù)雜工程問題能力”這一宏觀目標(biāo)分解到課程群的教學(xué)體系中進(jìn)行落實(shí)。學(xué)生通過課程群以項(xiàng)目的形式開展非標(biāo)自動化測試設(shè)備開發(fā)全周期訓(xùn)練，按“孕育→孵化→形成→運(yùn)用”過程實(shí)現(xiàn)解決復(fù)雜工程問題能力的進(jìn)階式培養(yǎng)。自動化測試技術(shù)課程群專業(yè)核心能力培養(yǎng)體系框架如圖1所示。

圖1 自動化測試技術(shù)課程群專業(yè)核心能力培養(yǎng)體系框架

2 設(shè)計(jì)專業(yè)典型復(fù)雜工程案例

非標(biāo)自動化測試設(shè)備其實(shí)就是根據(jù)客戶的產(chǎn)品生產(chǎn)工藝要求，通過設(shè)計(jì)一套自動化測試系統(tǒng)，取代人工操作，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的自動上料、自動組裝、自動測試，并保存測試數(shù)據(jù)，可以追蹤產(chǎn)量效率、產(chǎn)品良率、生產(chǎn)能耗等的設(shè)備。

學(xué)校和行業(yè)企業(yè)根據(jù)長三角地區(qū)企業(yè)對人才的規(guī)格需求和行業(yè)的共性技術(shù)，同時考慮工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)雜工程問題的要求，將企業(yè)研發(fā)的工程實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行提煉，形成融入行業(yè)共性技術(shù)的適用于教學(xué)的典型工程案例。在新工科建設(shè)背景下設(shè)計(jì)復(fù)雜工程問題案例，將企業(yè)對機(jī)械臂、伺服控制、機(jī)器視覺等新技術(shù)的需求融入到復(fù)雜工程問題案例設(shè)計(jì)中，以解決復(fù)雜工程問題作為主線進(jìn)行相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和教學(xué)方法改革，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識、良好的綜合素質(zhì)及持續(xù)的職業(yè)發(fā)展能力。

本課程群從如何構(gòu)建一個典型的工業(yè)自動化測試系統(tǒng)出發(fā)，圍繞信息的獲取、處理、傳輸和控制各個信息技術(shù)分支，通過采用被測對象、傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、機(jī)械臂、工業(yè)機(jī)器視覺、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件來設(shè)計(jì)典型復(fù)雜工程案例。針對汽車零部件測試領(lǐng)域的共性技術(shù)，提煉了“汽車零部件的產(chǎn)品外觀自動化測試系統(tǒng)”作為典型復(fù)雜工程案例；針對電器電路板測試領(lǐng)域的共性技術(shù)，提煉了“PCB板缺陷自動化測試系統(tǒng)”作為典型復(fù)雜工程案例。從高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，與合作企業(yè)共建汽車電子控制技術(shù)聯(lián)合示范中心和測控技術(shù)應(yīng)用聯(lián)合示范實(shí)訓(xùn)中心，共同研發(fā)了6套汽車零部件的產(chǎn)品外觀自動化測試系統(tǒng)與10套PCB板缺陷自動化測試系統(tǒng)，可為“虛擬儀器技術(shù)”“柔性測試技術(shù)”“工業(yè)機(jī)器視覺”等課程全程采用項(xiàng)目化教學(xué)提供相應(yīng)的軟硬件條件。

1)汽車零部件的產(chǎn)品外觀自動化測試系統(tǒng)

汽車零部件的產(chǎn)品外觀檢測是汽車零部件檢測的重要環(huán)節(jié)之一，利用機(jī)器視覺檢測汽車面板控制按鈕的正確性、完整性和指示符號的正確性。測試系統(tǒng)主要包括以下過程：零部件類型識別、定位與抓取、圖像采集與處理、測試結(jié)果與產(chǎn)品信息記錄、通信。汽車零部件的產(chǎn)品外觀自動化測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)零部件自動分類、堆料、排序等流程；對零部件測試完成后，還要對其名稱、電氣特性、產(chǎn)品信息等進(jìn)行標(biāo)識以便于追溯。

此測試系統(tǒng)主要包括三維運(yùn)動控制平臺、圖像采集與處理系統(tǒng)、零部件類別和產(chǎn)品信息標(biāo)識、數(shù)據(jù)通信等子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)的正常運(yùn)行都與自動化測試技術(shù)相關(guān)，系統(tǒng)的方案原理圖如圖2所示。

圖2 汽車零部件的產(chǎn)品外觀自動化測試系統(tǒng)方案原理圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要綜合考慮精度、可靠性、各軟硬件子系統(tǒng)之間的接口和兼容問題、系統(tǒng)維護(hù)的便捷性、采用的技術(shù)方案與經(jīng)濟(jì)成本之間的關(guān)系；此外為適應(yīng)檢測對象的多樣性，考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，還需進(jìn)行系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)。

2)PCB板缺陷自動化測試系統(tǒng)

PCB板是電器產(chǎn)品的核心元件，其質(zhì)量好壞將會直接影響整個產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命。因此為了確保成品的性能，盡早發(fā)現(xiàn)PCB板中的質(zhì)量問題，并能及時處理，在產(chǎn)品組裝之前必須對PCB板進(jìn)行檢測。PCB板缺陷自動化測試系統(tǒng)能應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)對PCB板上的電子元器件缺件、歪斜、參數(shù)錯誤及撥碼開關(guān)狀態(tài)等進(jìn)行自動化的檢測，是確保PCB板質(zhì)量的重要裝置。其方案原理圖如圖3所示。

圖3 PCB板缺陷自動化測試系統(tǒng)方案原理圖

圖3中，1為傳送帶，2為步進(jìn)電機(jī)，3為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，4為數(shù)據(jù)采集卡，5為光源，6為工業(yè)相機(jī)，7為鏡頭，8為紅外光電傳感器，9為計(jì)算機(jī)，10為機(jī)械臂，11為待測產(chǎn)品，12為待修箱。

整個系統(tǒng)包括流水線速度控制、機(jī)械臂運(yùn)行速度控制、PCB板產(chǎn)品到位檢測控制、機(jī)器視覺處理速度控制等。系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)要綜合平衡系統(tǒng)的工作效率與穩(wěn)定性、系統(tǒng)的抗干擾能力和復(fù)雜性和研發(fā)經(jīng)費(fèi)與系統(tǒng)工作精度的關(guān)系。

3 以項(xiàng)目驅(qū)動開展流水線式教學(xué)與實(shí)踐

對支撐“汽車零部件的產(chǎn)品外觀自動化測試系統(tǒng)”“PCB板缺陷自動化測試系統(tǒng)”兩個典型復(fù)雜工程案例的能力要素進(jìn)行分解，以此為依據(jù)將案例按功能模塊進(jìn)行項(xiàng)目拆分，以子項(xiàng)目的形式落實(shí)到課程群各門課程的教學(xué)與實(shí)踐中。通過項(xiàng)目在課程與課程之間建立起學(xué)生對專業(yè)典型復(fù)雜工程案例和生產(chǎn)實(shí)際認(rèn)知的橋梁。以“專業(yè)典型復(fù)雜工程案例”為中心的項(xiàng)目化與流水線式教學(xué)模式如圖4所示。

課程群中各門課程教學(xué)項(xiàng)目的選取均以組成專業(yè)典型復(fù)雜工程案例的功能模塊作為項(xiàng)目實(shí)例，課程不同，側(cè)重點(diǎn)也不同。如：“傳感器原理與檢測技術(shù)”課程通過“測試系統(tǒng)的前端數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)”的項(xiàng)目實(shí)踐，讓學(xué)生更好地掌握測試信號獲取與誤差處理方法；“虛擬儀器技術(shù)”課程通過“溫度預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)”“基于LabVIEW的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等系列項(xiàng)目實(shí)踐，讓學(xué)生更好地掌握測試信號調(diào)理、采集、傳輸與處理過程和方法，能夠采用國內(nèi)外測試行業(yè)普遍使用的LabVIEW軟件開發(fā)平臺對專業(yè)典型復(fù)雜工程案例單元或子系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)；“工業(yè)機(jī)器視覺”課程通過“Basler工業(yè)相機(jī)的使用”“IC引腳間距測量”等系列項(xiàng)目實(shí)踐，讓學(xué)生更好地掌握機(jī)器視覺算法設(shè)計(jì)與子系統(tǒng)搭建的方法；“柔性測試技術(shù)”課程通過“PCBAC測試實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”“工業(yè)先進(jìn)生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”等系列項(xiàng)目實(shí)踐，從而掌握自動化測試系統(tǒng)集成原理與方法；通過“測控系統(tǒng)集成與設(shè)計(jì)”課程，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式設(shè)計(jì)完成“汽車零部件的產(chǎn)品外觀自動化測試系統(tǒng)”或“PCB板缺陷自動化測試系統(tǒng)”設(shè)計(jì)任務(wù)，每個團(tuán)隊(duì)由4-5人組成，且有明確的分工，從而培養(yǎng)學(xué)生自動化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成調(diào)試能力；為期8周的“專業(yè)綜合性工程實(shí)踐”課程在合作企業(yè)開展，以企業(yè)工程實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)為依托，采用項(xiàng)目式教學(xué)法來開展教學(xué)，企業(yè)提供的工程實(shí)踐項(xiàng)目必須覆蓋項(xiàng)目開發(fā)的全流程，確保學(xué)生能參與包括項(xiàng)目需求分析、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)或配置、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成與調(diào)試等環(huán)節(jié)的實(shí)踐，從而對如何解決復(fù)雜工程問題有更深入的理解。

圖4 以“專業(yè)典型復(fù)雜工程案例”為中心的項(xiàng)目化 與流水線式教學(xué)模式

為充分體現(xiàn)非標(biāo)自動化測試的專業(yè)特色，要求課程群統(tǒng)一采用國內(nèi)外測試行業(yè)普遍使用的LabVIEW軟件開發(fā)平臺對專業(yè)典型復(fù)雜工程案例單元或子系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，采用EPLAN電氣設(shè)計(jì)軟件來設(shè)計(jì)系統(tǒng)電氣控制圖，使得課程與課程之間的項(xiàng)目訓(xùn)練能夠完成更好銜接，也能讓學(xué)生進(jìn)入企業(yè)學(xué)習(xí)時能夠在較短的時間內(nèi)就能融入項(xiàng)目開發(fā)團(tuán)隊(duì)。

組成自動化測試技術(shù)課程群的6門課程共20學(xué)分，其中理論課學(xué)分共9學(xué)分，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)共11學(xué)分；理論課共144學(xué)時，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)共80學(xué)時+11周。

課程群以理實(shí)一體化課程、綜合性課程設(shè)計(jì)、企業(yè)實(shí)踐課程設(shè)置為主，為課程群以項(xiàng)目的形式開展非標(biāo)自動化測試設(shè)備開發(fā)全周期訓(xùn)練提供了良好的條件。為了實(shí)現(xiàn)對學(xué)生的工程基礎(chǔ)能力、創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，自動化測試技術(shù)課程群6門課程的考核評價體系主要建立在對學(xué)生參與項(xiàng)目、完成訓(xùn)練項(xiàng)目情況、創(chuàng)新能力等方面的考核，改變原有筆試為主的考核方式，將考核重心從試卷的理論知識轉(zhuǎn)移到項(xiàng)目訓(xùn)練全過程的形成性考核評價[4]。針對團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神等非技術(shù)要素，嘗試教師評價、學(xué)生互評、學(xué)生自評等多種評價方式。

對于校企合作課程，企業(yè)指導(dǎo)教師對評定學(xué)生的課程學(xué)習(xí)成績有實(shí)質(zhì)性話語權(quán)。根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，針對“專業(yè)綜合性工程實(shí)踐”課程，建立以企業(yè)指導(dǎo)教師為主體的能力導(dǎo)向的課程考核評價體系，對學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行客觀、全面考評。

4 結(jié)語

基于工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的要求，自動化測試技術(shù)課程群以“專業(yè)典型復(fù)雜工程案例”為中心，校企深度合作，圍繞非標(biāo)自動化測試設(shè)備開發(fā)全周期開展項(xiàng)目化、流水線式教學(xué)與實(shí)踐。通過對專業(yè)典型復(fù)雜工程案例的項(xiàng)目分解與綜合，每門課程內(nèi)容以項(xiàng)目式的實(shí)際工程任務(wù)導(dǎo)入，全部教學(xué)內(nèi)容以工程項(xiàng)目貫穿始終，實(shí)現(xiàn)解決復(fù)雜工程問題能力的進(jìn)階式培養(yǎng)。進(jìn)一步通過創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目、科技競賽等項(xiàng)目的歷練和在企業(yè)以實(shí)際工程項(xiàng)目開展畢業(yè)設(shè)計(jì)工作，學(xué)生可初步具備解決復(fù)雜工程問題的能力。