學(xué)科引領(lǐng)下電類測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提升學(xué)生創(chuàng)新能力

摘 "要：該研究關(guān)注電類測(cè)控專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，旨在通過學(xué)科引領(lǐng)，整合前沿科技與項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式重塑課程體系，以應(yīng)對(duì)智能制造和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)?shí)用創(chuàng)新人才的需求。研究以智能分揀機(jī)械臂系統(tǒng)為載體，融入跨學(xué)科內(nèi)容如機(jī)器視覺與智能算法，指導(dǎo)學(xué)生全程參與項(xiàng)目開發(fā)，從方案討論至硬件采購(gòu)、技能實(shí)訓(xùn)、傳感器集成直至多模塊聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)部分智能分揀任務(wù)。經(jīng)兩屆學(xué)生實(shí)證，改革取得良好的效果，但亦暴露出對(duì)datasheet理解、課程結(jié)構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)參數(shù)掌握及調(diào)試技能等問題。故建議強(qiáng)化相關(guān)能力培養(yǎng)，以有效提升學(xué)生專業(yè)知識(shí)應(yīng)用力及跨學(xué)科綜合素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；學(xué)科引領(lǐng)；智能分揀機(jī)械臂；創(chuàng)新能力培養(yǎng)；機(jī)器視覺

中圖分類號(hào)：G642 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2096-000X（2025）S2-0053-04

Abstract： This study focuses on the experimental teaching reform of electrical measurement and control majors， aiming to reshape the curriculum system through discipline-led integration of cutting-edge technology and project-driven mode to respond to the demand for practical and innovative talents in the fields of intelligent manufacturing and Internet of Things. The research takes intelligent sorting robotic arm system as a carrier， integrates interdisciplinary contents such as machine vision and intelligent algorithms， and guides students to participate in project development throughout the whole process， from programm discussion to hardware procurement， skills training， sensor integration until multi-module intermodulation， to achieve part of the intelligent sorting tasks. After two sessions of students' evidence， the reform has achieved good results， but also exposed the understanding of datasheet， course structure optimization， mastery of technical parameters and debugging skills and other issues. Therefore， it is recommended to strengthen the related ability training， in order to effectively enhance students' professional knowledge application and interdisciplinary comprehensive literacy.

Keywords： experimental teaching reform; discipline leadership; intelligent sorting robot arm; innovation ability cultivation; machine vision

電類測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代扮演著關(guān)鍵角色[1]。隨著智能制造、物聯(lián)網(wǎng)、航空航天、新能源和環(huán)保監(jiān)測(cè)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這一領(lǐng)域涵蓋了傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息處理技術(shù)等多個(gè)子領(lǐng)域，為技術(shù)進(jìn)步提供了關(guān)鍵支持。工業(yè)4.0和智能制造的興起帶來了對(duì)電類測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)人才新需求的變化，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐并重，特別強(qiáng)調(diào)應(yīng)用型創(chuàng)新人才必須具備解決復(fù)雜工程問題和持續(xù)創(chuàng)新的能力[2]。

近年來，全球范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革呈現(xiàn)出共性特征和發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)正在由傳統(tǒng)的灌輸式、教師主導(dǎo)型向現(xiàn)代的探究式、學(xué)生主體性轉(zhuǎn)變。這一變革強(qiáng)調(diào)激發(fā)學(xué)生內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，鼓勵(lì)他們積極參與、親手實(shí)踐，并培養(yǎng)其創(chuàng)新思維能力[3]。在國(guó)際視角下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科整合與解決現(xiàn)實(shí)問題的能力培養(yǎng)。學(xué)科引領(lǐng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中起著關(guān)鍵作用，促進(jìn)學(xué)生站在學(xué)術(shù)研究的最前沿，并培養(yǎng)跨界思考與協(xié)同創(chuàng)新的能力[4]。

本研究旨在深入探究在學(xué)科引領(lǐng)視角下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革對(duì)電類測(cè)控人才創(chuàng)新能力的提升。學(xué)科引領(lǐng)意味著以學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)為指引，整合優(yōu)化課程體系，激發(fā)學(xué)生在理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作中的創(chuàng)新[5]。采用文獻(xiàn)分析、實(shí)證研究與案例分析相結(jié)合的方法，首先梳理電類測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革現(xiàn)狀，然后探討學(xué)科引領(lǐng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的理論內(nèi)涵與實(shí)施策略；最后，總結(jié)研究發(fā)現(xiàn)，提出實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的改進(jìn)建議和未來發(fā)展方向。

一 "學(xué)科引領(lǐng)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

學(xué)科引領(lǐng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中扮演關(guān)鍵角色，確保教學(xué)內(nèi)容與學(xué)術(shù)前沿保持同步。注入學(xué)科前沿知識(shí)可以激發(fā)學(xué)生的求知欲和探索精神。同時(shí)，跨學(xué)科融合有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，構(gòu)建跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可提高學(xué)生綜合問題解決能力。

（一） "學(xué)科引領(lǐng)下的教學(xué)改革策略

在本研究中，針對(duì)電類測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，我們實(shí)施了學(xué)科引領(lǐng)和項(xiàng)目牽引的綜合改革策略。首先，學(xué)科引領(lǐng)體現(xiàn)在重新構(gòu)建了課程體系，整合了學(xué)科前沿知識(shí)，確保課程內(nèi)容貼近行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的興趣。其次，項(xiàng)目牽引下，設(shè)計(jì)了一系列具有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過解決實(shí)際問題，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐。

在整個(gè)改革實(shí)施過程中，我們制定了詳細(xì)的實(shí)施計(jì)劃，包括前期的師資培訓(xùn)、課程改造、實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化，中期的項(xiàng)目實(shí)施監(jiān)督與指導(dǎo)，以及后期的學(xué)生成果展示與評(píng)價(jià)等，確保改革措施得以全面、有序、高效地落地。

（二） "實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革內(nèi)容

在機(jī)器視覺與機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展的背景下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革亟需把握這一趨勢(shì)，將最新科技成果及時(shí)融入課程體系之中，尤其是人型機(jī)器人和機(jī)械臂等智能硬件的發(fā)展，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新提供了無(wú)限可能。比如，在電類測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的實(shí)踐課程中，可以設(shè)計(jì)涵蓋機(jī)器人、大數(shù)據(jù)模型算法與實(shí)體機(jī)械臂協(xié)同控制的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科解決問題的能力。這類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用，而且鍛煉了他們?cè)谡鎸?shí)環(huán)境中運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)解決復(fù)雜工程問題的實(shí)踐能力。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)主要包括以下5項(xiàng)課題：①3U立方星的組裝與性能開發(fā)；②智能分揀機(jī)械臂開發(fā)；③AI視覺智能小車開發(fā)；④TonyPi仿生人形機(jī)器人開發(fā)；⑤機(jī)器狗開發(fā)。從電測(cè)控2001和2101班的實(shí)驗(yàn)效果來看，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，為今后項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

二 "實(shí)踐案例分析

項(xiàng)目圍繞智能算法以及高性能測(cè)控系統(tǒng)的研發(fā)等學(xué)科前沿，構(gòu)建了一套面向未來的項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程體系。通過整合校內(nèi)優(yōu)質(zhì)科研資源，將自主研發(fā)的人型機(jī)器人與機(jī)械臂控制系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)載體，實(shí)現(xiàn)了科教融合的生動(dòng)實(shí)踐。

（一） "實(shí)施策略

在實(shí)施過程中，我們以學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)為引領(lǐng)，設(shè)置了涵蓋機(jī)器視覺與分析、智能控制算法設(shè)計(jì)、人型機(jī)器人/機(jī)械臂系統(tǒng)集成等內(nèi)容的系列實(shí)驗(yàn)課程，確保課程體系既能反映學(xué)科發(fā)展，又能滿足產(chǎn)業(yè)需求。在整個(gè)項(xiàng)目周期中，學(xué)生從需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件選型、軟件編程到系統(tǒng)測(cè)試，全程參與項(xiàng)目實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的深度融合。實(shí)施策略流程圖如圖1所示。

（二） "實(shí)施過程

現(xiàn)以學(xué)生研發(fā)的“基于機(jī)器視覺的智能分揀機(jī)械臂系統(tǒng)”為例，說明項(xiàng)目設(shè)計(jì)課程的實(shí)施過程。

智能分揀機(jī)械臂系統(tǒng)的研發(fā)旨在解決倉(cāng)儲(chǔ)物流中的人力短缺和效率低下問題。該系統(tǒng)集成了先進(jìn)的機(jī)械臂、數(shù)字控制和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，以提高物流轉(zhuǎn)運(yùn)的自動(dòng)化程度和工作效率。設(shè)計(jì)的機(jī)械手具備六個(gè)自由度，可靈活執(zhí)行各種貨物搬運(yùn)任務(wù)，滿足多元化物流需求。

1 "智能分揀機(jī)械臂系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由機(jī)械、傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)、控制和檢測(cè)五大模塊構(gòu)成。機(jī)械手采用輕質(zhì)鋁合金制造，傳動(dòng)系統(tǒng)采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)和同步齒型帶技術(shù)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用直流伺服電機(jī)，核心控制系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

智能分揀機(jī)械臂系統(tǒng)如圖3所示，顯示了各個(gè)組成部分和功能模塊的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

2 "智能分揀機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

在項(xiàng)目啟動(dòng)階段，團(tuán)隊(duì)在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，集中探討了智能分揀機(jī)械臂的設(shè)計(jì)構(gòu)想與功能定位，明確了項(xiàng)目將以實(shí)現(xiàn)一種能自主識(shí)別、精準(zhǔn)抓取并分揀不同物品的智能機(jī)械臂為目標(biāo)。隨后，團(tuán)隊(duì)成員根據(jù)各自的專長(zhǎng)進(jìn)行了分工，分別就機(jī)械臂的背景、市場(chǎng)前景及技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行深入調(diào)研，確保對(duì)項(xiàng)目有全面的理解和認(rèn)識(shí)。

在準(zhǔn)備工作就緒后，團(tuán)隊(duì)制定了詳細(xì)的工作計(jì)劃和進(jìn)度安排，采購(gòu)了包括LeArm機(jī)械臂在內(nèi)的相關(guān)硬件，并按計(jì)劃順利進(jìn)行了開題匯報(bào)。接下來，團(tuán)隊(duì)成員按照分工，逐步掌握了LeArm機(jī)械臂的基本使用方法，搭建了開發(fā)環(huán)境，對(duì)機(jī)械臂的基礎(chǔ)操作功能進(jìn)行了測(cè)試與熟悉。

在機(jī)械臂功能初步驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)有序地進(jìn)行了傳感器模塊的二次開發(fā)工作，完成了機(jī)械臂與各種傳感器（如超聲波、紅外、聲音、光敏和顏色傳感器等）的集成組裝。通過上位機(jī)操控，團(tuán)隊(duì)逐一實(shí)現(xiàn)了單自由度至多自由度的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制，并成功測(cè)試了圖像采集、數(shù)據(jù)處理和舵機(jī)調(diào)控等基本功能。同時(shí)，各傳感器模塊的功能也在獨(dú)立測(cè)試中得到驗(yàn)證，確保了后續(xù)二次開發(fā)工作的順利進(jìn)行。

為了實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的智能分揀功能，團(tuán)隊(duì)將機(jī)械臂與外接的擴(kuò)展板STM32進(jìn)行整合，初步試驗(yàn)了傳感器模塊間的協(xié)同工作。雖然此時(shí)面臨的主要問題是功能相對(duì)獨(dú)立，缺乏綜合性的應(yīng)用實(shí)踐，但團(tuán)隊(duì)并未止步于此。

在項(xiàng)目后期，團(tuán)隊(duì)把重心放在了功能集成上，對(duì)各模塊代碼進(jìn)行了深入研究與整合優(yōu)化。盡管受限于項(xiàng)目周期，雖未能完全實(shí)現(xiàn)所有功能的一體化，但團(tuán)隊(duì)成功在預(yù)設(shè)的機(jī)械臂動(dòng)作基礎(chǔ)上，通過傳感器模塊的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了部分集成智能分揀功能。具體的實(shí)現(xiàn)步驟見表1。成果展示如圖4和圖5所示。

圖4 "機(jī)械臂抓取物體實(shí)物圖

圖5 "利用Yolo v5算法識(shí)別所抓取的物體

3 "改革實(shí)施效果分析

從電測(cè)控2001和2101班的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)施效果分析中，我們可以看到，此次改革已初見成效，達(dá)成了預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)，為未來的項(xiàng)目設(shè)計(jì)積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

通過對(duì)前期教學(xué)工作的反思與總結(jié)，我們歸納出以下幾個(gè)問題。

1）學(xué)生在基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用方面存在短板，特別是datasheet閱讀能力。許多學(xué)生在面對(duì)復(fù)雜的datasheet時(shí)，難以快速準(zhǔn)確地識(shí)別和理解其中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)信息，這對(duì)他們實(shí)踐操作和理論知識(shí)的應(yīng)用構(gòu)成了一定阻礙。

2）項(xiàng)目設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)設(shè)定上，部分學(xué)生由于目標(biāo)過于宏觀而感到無(wú)所適從，不清楚如何將其細(xì)化為具體的步驟和階段性任務(wù)，導(dǎo)致在執(zhí)行過程中出現(xiàn)方向性迷茫。

3）在硬件設(shè)備的實(shí)際操作中，一部分學(xué)生對(duì)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)的理解不夠深入，這直接影響了他們能否有效利用這些指標(biāo)進(jìn)行精確的實(shí)驗(yàn)操作和系統(tǒng)調(diào)試。

4）關(guān)于系統(tǒng)調(diào)試流程，許多學(xué)生在實(shí)踐中表現(xiàn)出困惑，顯示出他們?cè)谙到y(tǒng)級(jí)調(diào)試技術(shù)和操作步驟的理解與應(yīng)用方面仍有較大提升空間。

針對(duì)上述問題，我們制定了相應(yīng)的改進(jìn)措施如下。

1）提高datasheet閱讀的教學(xué)比重，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生獨(dú)立解讀datasheet能力的培養(yǎng)，讓其能準(zhǔn)確捕捉并運(yùn)用datasheet中的關(guān)鍵信息，這是提升學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力和技術(shù)素養(yǎng)的核心一環(huán)。

2）調(diào)整實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)結(jié)構(gòu)，對(duì)總體目標(biāo)進(jìn)行科學(xué)合理的拆解，設(shè)定清晰明確的階段性子目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生有序完成從理論知識(shí)向?qū)嵺`技能的過渡。

3）在硬件設(shè)備操作和系統(tǒng)調(diào)試的教學(xué)中，強(qiáng)調(diào)并深化對(duì)硬件設(shè)備技術(shù)指標(biāo)含義的理解與掌握，同時(shí)，通過實(shí)戰(zhàn)演練讓學(xué)生熟練掌握系統(tǒng)調(diào)試的整體流程，以期提高他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中的應(yīng)對(duì)能力和實(shí)際操作水平。

三 "結(jié)束語(yǔ)

本研究指出學(xué)科引領(lǐng)在電類測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的關(guān)鍵作用及其對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)際效果。教學(xué)改革提升了實(shí)驗(yàn)課程的新穎性和實(shí)用性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新潛能。然而，資源配置不足、科教融合不夠深入等問題仍存在。未來研究可拓展至采用先進(jìn)技術(shù)手段優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)、探究跨學(xué)科融合模式對(duì)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的影響，并建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)估體系，以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革向更深層次發(fā)展，并借鑒國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)更大的創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賀顯明，王麗蕊，張小云，等.新工科背景下測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)人工智能方向建設(shè)探索[J].教育進(jìn)展，2023，13（9）：6336-6342.

[2] 謝啟，徐惠鋼，陳景波，等.多主體協(xié)同育人的智能制造人才培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，35（5）：100-105，115.

[3] 夏瑜，周蓓，周立凡.項(xiàng)目中心課程模式研究與探索[J].高等工程教育研究，2022（6）：121-125.

[4] 劉華，金葉瀅.研究生創(chuàng)新人才培養(yǎng)的國(guó)際現(xiàn)狀及其啟示[J].淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，18（5）：28-32.

[5] 李偉.“新工科”理念下項(xiàng)目化學(xué)習(xí)推動(dòng)課堂教學(xué)實(shí)踐[J].高等工程教育研究，2021（S1）：3-6.