基于“項目式教學(xué)”的《傳感器與工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》課程實踐研究

曹修全，陳艷

（四川輕化工大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川宜賓 644000）

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是教育部貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的重大改革項目，也是貫徹落實國家新工科建設(shè)與發(fā)展的重要抓手[1-3]。在此“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（2.0版）的關(guān)鍵時期，四川輕化工大學(xué)機械工程學(xué)院在教育部首批新工科研究與實踐項目《面向智能制造的機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)改造升級路徑探索與實踐》的支持下，通過“自主申請”+“擇優(yōu)遴選”的原則，面向機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，每屆遴選30名學(xué)生組建“卓越班”試點，深入踐行“復(fù)旦共識”和“天大行動”的新工科人才培養(yǎng)目標，為社會培養(yǎng)面向智能制造的多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[4-6]。

《傳感器與工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》課程作為機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)卓越班的核心選修課程，是面向智能制造的應(yīng)用型專業(yè)人才必須掌握的知識板塊，也是新工科改革范疇的重要組成部分。本課程旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握“測試系統(tǒng)基礎(chǔ)知識”→“數(shù)據(jù)的采集”→“數(shù)據(jù)處理與信息提取”等涵蓋工程測試各環(huán)節(jié)的測試技術(shù)基礎(chǔ)知識，并能面向工程項目完成測試任務(wù)，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和工程素養(yǎng)，使其具備將所學(xué)理論知識應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中解決相關(guān)測試問題的能力[7-9]。

在此背景下，傳統(tǒng)的重考試、重理論的教學(xué)模式已無法適應(yīng)卓越工程師培養(yǎng)計劃要求，難以培養(yǎng)出面向新工科的復(fù)合型科技人才。為實現(xiàn)《傳感器與工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》課程培養(yǎng)目標，迫切地需要在課堂教學(xué)與課程評價機制等方面進行深刻反思和改革，從而貫徹落實我國現(xiàn)階段所倡導(dǎo)的創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念，培養(yǎng)具備實際工程應(yīng)用能力的卓越工程人才，以適應(yīng)以新技術(shù)、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)和新模式為特點的新經(jīng)濟模式[10-12]。

因此,本文基于面向智能制造的卓越工程師培養(yǎng)計劃，通過分析《傳感器與工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》課程特點,提出“項目式教學(xué)”融入科研實踐的新模式：通過解決指導(dǎo)教師科研項目中的實際測試問題，將課堂理論知識應(yīng)用于工程實踐，實現(xiàn)“以學(xué)致用、以用促學(xué)”，并以“翻轉(zhuǎn)課堂”的方式增強學(xué)生課堂參與感，培養(yǎng)面向智能制造的卓越工程師的工程實踐能力，以實現(xiàn)卓越工程師培養(yǎng)計劃。

1 教學(xué)課程特征分析

1.1 課程特點

《傳感器與工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》課程重點闡述“數(shù)據(jù)采集”“數(shù)據(jù)傳輸”和“數(shù)據(jù)處理”三大板塊內(nèi)容。

（1）數(shù)據(jù)采集：重點掌握應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器、熱電式傳感器等十多種常用的不同類型傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)及其典型應(yīng)用，涉及材料學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、制造加工工藝等諸多學(xué)科。

（2）數(shù)據(jù)傳輸：重點掌握信號的調(diào)制與解調(diào)、濾波、放大等常用的信號傳輸技術(shù)原理及其應(yīng)用，涉及電子電工技術(shù)、機電控制技術(shù)等多學(xué)科知識。

（3）數(shù)據(jù)處理：重點了解拉普拉斯變換、傅里葉變換、均值、幅頻分析等常用的數(shù)據(jù)處理方法與手段，明確從“信號”中獲取“信息”的方法，主要涉及數(shù)理統(tǒng)計、概率論等數(shù)理知識。

因此，《傳感器與工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》課程知識結(jié)構(gòu)復(fù)雜，知識點分散，對前置課程的學(xué)習基礎(chǔ)要求較高。另外，在各類科學(xué)技術(shù)發(fā)展的刺激下，新型傳感器及數(shù)據(jù)數(shù)理手段層出不窮，必須緊跟科技前沿，保障授課內(nèi)容的與時俱進。

1.2 學(xué)習對象

《傳感器與工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》課程是為深入踐行“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”而為我校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)卓越班學(xué)生開設(shè)的一門核心選修課程，在大三下學(xué)期進行授課。機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)卓越班學(xué)生具有較好的學(xué)習習慣和自學(xué)能力，并且已經(jīng)具備了一定的電子電工、材料學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計、制造加工工藝等相關(guān)課程基礎(chǔ)，但部分學(xué)生對前置課程的學(xué)習深度不夠，導(dǎo)致對本課程中涉及的深層次理論知識的理解難度大，從而只能理解和掌握基本原理和較為簡單的工程應(yīng)用。另外，從歷年考研數(shù)據(jù)來看，機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)卓越班的大部分學(xué)生都選擇考研，有必要注重學(xué)生科研精神和探究新知識能力的培養(yǎng)，尤其是將理論知識融入科研項目實踐能力的培養(yǎng)。

2 “項目式教學(xué)”教學(xué)活動設(shè)計

《傳感器與工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)活動方案如圖1所示，從教學(xué)結(jié)構(gòu)、學(xué)生學(xué)情出發(fā)，重點分析本課程教學(xué)內(nèi)容：理論教學(xué)+實踐教學(xué)，以“翻轉(zhuǎn)課堂”式理論教學(xué)講授理論知識，支撐實踐教學(xué)實施；通過實踐教學(xué)完成科研項目中的測試任務(wù)，驗證理論知識，從而將“項目式教學(xué)”深度融入課程教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生將理論應(yīng)用解決實際工程問題的能力，并增強學(xué)生的成就感，有效提高學(xué)生學(xué)習興趣和掌握知識的能力。

圖1 教學(xué)活動設(shè)計方案

“項目式教學(xué)”以理論知識為依托，在實踐教學(xué)中踐行，通過將任課教師科研項目中的測試任務(wù)分解，讓學(xué)生以小組為單位每組完成一個測試小任務(wù)，利用所學(xué)理論知識，制定詳細的實施方案并執(zhí)行，以實際工程效果檢驗方案的可行性，并通過答辯、現(xiàn)場演示、設(shè)計說明書等方式考核小組學(xué)生任務(wù)完成情況，從而讓學(xué)生深刻理解學(xué)習的重要性，并培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。

3 面向應(yīng)用的項目式教學(xué)實踐

任課教師在前期科研項目中為進一步拓展等離子體技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，需要實現(xiàn)對等離子體束性能的監(jiān)測，重點包括等離子體發(fā)生系統(tǒng)弧壓、功率、熱效率、熱焓值等特征參數(shù)的監(jiān)測。要實現(xiàn)前述特征參數(shù)的監(jiān)測，需要實現(xiàn)對等離子體發(fā)生器弧壓、工作電流、冷卻水流量和進出口溫差、工作氣流量大小五類測試對象的信號測試。通過對項目需求的深入分析，擬采用圖2所示的硬件框架示意圖完成對相應(yīng)信號的測試，實現(xiàn)對等離子體發(fā)生系統(tǒng)性能的監(jiān)測。因此，將 “等離子體性能診斷”科研項目中的測試任務(wù)分解為：弧壓信號測試、電流信號測試、冷卻水流量測試、冷卻水進出口溫度測試和工作氣流量測試五個小的測試任務(wù)。為與測試任務(wù)對應(yīng)，將卓越班學(xué)生按照6人/組的方式分為5組，各領(lǐng)取測試任務(wù)一個，主要目標為：根據(jù)測試需求，設(shè)計測試系統(tǒng)方案并執(zhí)行，分析測試結(jié)果，提取有效信息，實現(xiàn)對某測試對象的測試任務(wù)。每組學(xué)生學(xué)設(shè)組長1名，負責小任務(wù)的分工與管理工作。基于前述描述，面向應(yīng)用的“項目式教學(xué)法”的具體實施步驟如下所述。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路框架示意圖

（1）任務(wù)分解。

如前所述，將“等離子體性能診斷”科研項目涉及的測試任務(wù)分解為五個小測試任務(wù)：①弧壓信號測試、②電流信號測試、③冷卻水流量測試、④冷卻水進出口溫度測試、⑤工作氣流量測試。

（2）小組分組和任務(wù)領(lǐng)取。

根據(jù)測試任務(wù)數(shù)量，將卓越班學(xué)生分成5組，每組領(lǐng)取1項小測試任務(wù)。

（3）任務(wù)執(zhí)行。

小組在領(lǐng)取測試任務(wù)后，根據(jù)測試任務(wù)，制定詳細的測試方案并執(zhí)行，檢驗方案的可行性。以第一小組的弧壓測試任務(wù)為例，具體執(zhí)行過程如下：

①測試對象分析：弧壓的工作范圍為150～250V，超出了信號采集范圍，因此，需要考慮進行降壓處理。故基于電阻串聯(lián)分壓原理，利用1個29K和1個1K的電阻串聯(lián)，采集1K電阻上的電壓值，獲得降壓比為1:30的原始數(shù)據(jù)信號。

②測試電路分析：因工作環(huán)境中含有大量電磁干擾，因此采用屏蔽線進行信號的傳輸線路；為避免高頻信號的干擾，采用RC低通濾波器實現(xiàn)對高頻信號的濾除；為隔離測試電路與數(shù)據(jù)采集電路的相互影響，采用光電隔離模塊將測試電路和采集電路物理分離。

③數(shù)據(jù)傳輸分析：按照前述降壓及相應(yīng)處理后，電壓信號降為5V-8.3V的低壓信號，利用LABVIEW軟件編寫采集程序，由NI -USB6210數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)信號傳輸至電腦端。

④數(shù)據(jù)處理分析：利用LABVIEW軟件，將所采集的信號還原為原始信號，并求取其均值、波動范圍等，進行傅里葉變換、幅頻變換等，從而獲取平均電壓、穩(wěn)定性、頻域信號等有效信息，分析等離子體發(fā)生系統(tǒng)弧壓特性。

⑤系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計：根據(jù)實際運行情況，對測試系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。

經(jīng)上述步驟，學(xué)生完成的測試系統(tǒng)硬件如圖3所示。

圖3 弧壓測試硬件電路示意圖

（4）小組考核。

任務(wù)小組根據(jù)前述情況，完成說明書撰寫，重點闡述：測試對象、設(shè)計方案、實施過程、問題及解決方案、實施結(jié)果、經(jīng)驗總結(jié)等幾部分內(nèi)容，并將相應(yīng)內(nèi)容與完成情況做成PPT，以小組為單位進行展示與交流，共同討論工程測試相關(guān)問題。指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生完成情況及報告情況進行考核，重點考查學(xué)生對課程知識的理解及其應(yīng)用于解決實際工程測試問題的能力。

（5）“項目式教學(xué)”實施情況。

通過采用“項目式教學(xué)”，將指導(dǎo)教師的科研課題“等離子體性能診斷”項目中的測試任務(wù)進行分解，各小組通過與指導(dǎo)教師的交流溝通和小組成員的精誠合作，出色地完成了各自的測試任務(wù)，成功利用《傳感器與工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》課程所學(xué)理論知識解決“等離子體性能診斷”項目中的工程測試問題?！绊椖渴浇虒W(xué)”的實施不但解決了科研問題，還明顯加深了學(xué)生對課程理論知識的理解，有效培養(yǎng)了學(xué)生的科研素養(yǎng)和實踐能力，提升了學(xué)生學(xué)習本課程的興趣。

4 結(jié)語

本文為探索提高《傳感器與工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)效果，提出了以“翻轉(zhuǎn)課堂”教授理論知識，以“項目式教學(xué)”引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)理論知識解決指導(dǎo)教師科研項目中實際工程測試任務(wù)問題，從而實現(xiàn)理論與實踐的有機結(jié)合。經(jīng)實際檢驗，教學(xué)效果明顯提升：①學(xué)生學(xué)習興趣明顯提高；②學(xué)生對傳感器的工作原理、信號中信息的提取方法等理論知識點的理解明顯提升；③學(xué)生通過解決實際工程測試問題，掌握了將理論知識轉(zhuǎn)化為解決實際工程問題的方法，有效提升了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。本課程教學(xué)改革的實施，有助于實現(xiàn) “卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的預(yù)期目標。