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    機(jī)電專業(yè)《測控電路》課程教學(xué)改革探析

    2015-01-09 02:11:03許向榮于復(fù)生李彥鳳
    關(guān)鍵詞:測控機(jī)電電路

    許向榮,于復(fù)生,李彥鳳

    (1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東濟(jì)南,250101;2.山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南,250101)

    0 引言

    機(jī)電專業(yè)旨在培養(yǎng)能夠運(yùn)用機(jī)械加工、電子設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制、檢測傳感、伺服傳動(dòng)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵性技術(shù),從事機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)等方面工作的高級工程技術(shù)人才。機(jī)電一體化產(chǎn)品的主要特征就是智能化,因此機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)離不開測控系統(tǒng),關(guān)鍵是測控電路的設(shè)計(jì)。因此,《測控電路》課程教學(xué)與改革在機(jī)電專業(yè)本科生的教學(xué)培養(yǎng)中起著非常重要的作用。通過測控電路的學(xué)習(xí),不僅要使機(jī)電專業(yè)本科生學(xué)會(huì)分析機(jī)電測控系統(tǒng)中的典型電路,而且能夠運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行機(jī)電一體化測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì),從而解決工程應(yīng)用中的實(shí)際問題,為今后從事本專業(yè)的技術(shù)和研究工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

    目前,很多高校進(jìn)行了關(guān)于《測控電路》課程教學(xué)改革的研究。劉得軍等對測控技術(shù)及儀器專業(yè)本科生的《測控電路》教學(xué)方法進(jìn)行了改革與探索,提出了一些改革措施,如建立課程架構(gòu),實(shí)現(xiàn)多課程融合等[1];趙茜針對測控技術(shù)及儀器專業(yè)本科生的《測控電路》教學(xué)改革進(jìn)行了探討,提出了加強(qiáng)課程建設(shè)的必要性及相關(guān)措施[2]。黃凱征針對測控技術(shù)及儀器專業(yè)本科生《測控電路》教學(xué)的現(xiàn)狀及存在問題,并結(jié)合電子技術(shù)教學(xué)改革的現(xiàn)狀,提出了一些課程教學(xué)的改革方法[3]。張玉萍等提出了測控技術(shù)及儀器專業(yè)本科生的《測控電路》課程的模塊式教學(xué)模式,并探討了《測控電路》課程考核方式的改革思路與措施[4-5]。

    由以上來看,現(xiàn)有研究多數(shù)基于《測控電路》在測控技術(shù)與儀器專業(yè)本科生中的教學(xué)改革研究,很少有針對其在機(jī)電專業(yè)本科生中的教學(xué)改革研究。機(jī)電專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)側(cè)重于機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā),以機(jī)為主,以電為輔,機(jī)電有機(jī)結(jié)合;而測控技術(shù)及儀器專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)側(cè)重于精密測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā),以電為主。可以看出機(jī)電專業(yè)和測控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)差異較大,其教學(xué)改革的方法也應(yīng)有所不同。此外,關(guān)于教學(xué)改革的研究多數(shù)沒有應(yīng)用實(shí)例來驗(yàn)證其改革效果?;谏鲜鲈颍恼略谘芯苛恕稖y控電路》在機(jī)電專業(yè)中課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,查找出該課程的課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)中存在的主要問題,并分別從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等方面的改革進(jìn)行了初步探討,并將其應(yīng)用到機(jī)電專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)中,取得了明顯的改革效果。

    1 《測控電路》課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

    1.1 課堂教學(xué)現(xiàn)狀

    由于機(jī)電專業(yè)與測控技術(shù)及儀器專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)不同,其在專業(yè)課程設(shè)置中的地位明顯不同,機(jī)電專業(yè)的《測控電路》課程是選修課,而測控技術(shù)及儀器專業(yè)的《測控電路》課程是必修課。因而在教學(xué)內(nèi)容的難易程度、應(yīng)用范圍以及學(xué)習(xí)方法上都應(yīng)有所不同。

    但是,目前《測控電路》在機(jī)電專業(yè)的課堂教學(xué)中往往采用的還是在測控技術(shù)及儀器專業(yè)中的教學(xué)模式,即只一味地給學(xué)生灌輸一些典型測控電路模塊的原理性知識,進(jìn)行簡單的電路分析,而沒有及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容,并將其放在機(jī)電一體化系統(tǒng)中來學(xué)習(xí)。因此,一方面對于機(jī)電專業(yè)的學(xué)生來說該教學(xué)內(nèi)容偏難,做不到及時(shí)更新;另一方面也無法使學(xué)生形成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想,因此使得學(xué)生不能利用所學(xué)知識去分析、解決和設(shè)計(jì)實(shí)際的機(jī)電一體化系統(tǒng)中的測控問題,而且學(xué)生普遍反映測控電路復(fù)雜、抽象、難理解,極大地打擊了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性,學(xué)習(xí)效果不佳,因而很難達(dá)到教學(xué)目的。

    1.2 實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

    實(shí)踐教學(xué)中,通常都采用實(shí)驗(yàn)箱,教師講解原理后由學(xué)生進(jìn)行簡單的插接就完成演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),再加上課時(shí)與實(shí)驗(yàn)條件的限制,使得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏離實(shí)際的機(jī)電一體化測控系統(tǒng),不能從根本上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐動(dòng)手能力,結(jié)果往往是有些學(xué)生根本不理解實(shí)驗(yàn)的目的,就完成了實(shí)驗(yàn),教學(xué)效果可想而知[6]。

    因此,有必要針對現(xiàn)有的教學(xué)方法進(jìn)行改革探索,以加強(qiáng)《測控電路》的課程教學(xué)與實(shí)踐教學(xué),提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,真正培養(yǎng)具有創(chuàng)新思想和動(dòng)手能力的學(xué)生,以適應(yīng)社會(huì)和用人單位的要求。

    2 《測控電路》課程教學(xué)改革

    針對《測控電路》在機(jī)電專業(yè)課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)中存在的問題,文章分別從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面對《測控電路》課程進(jìn)行了課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)改革探討。

    2.1 課堂教學(xué)改革

    2.1.1 課堂教學(xué)內(nèi)容改革在課程教學(xué)內(nèi)容改革上,應(yīng)做到以下幾點(diǎn):(1)篩

    教師首先要認(rèn)真研究教學(xué)大綱,以該大綱為依據(jù),并結(jié)合機(jī)電專業(yè)培養(yǎng)要求,對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)的篩選,盡量選取符合本專業(yè)并與工程實(shí)際應(yīng)用結(jié)合比較緊密的測控電路進(jìn)行講解,在有限的課時(shí)內(nèi),使學(xué)生能夠獲得盡可能多的知識。如機(jī)電一體化專業(yè)的代表性產(chǎn)品是數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人,因此在篩選測控電路的教學(xué)內(nèi)容時(shí),要多以數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等機(jī)電一體化系統(tǒng)中的典型電路為例進(jìn)行講授,真正讓學(xué)生能夠?qū)⒗碚摵蛯?shí)際聯(lián)系起來,更好地掌握測控電路的相關(guān)知識。

    (2)新

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和集成技術(shù)的快速發(fā)展,測控電路中所用到的元器件更新?lián)Q代很快,因此教師不能一成不變地只教授教材中的知識,而要積極引導(dǎo)學(xué)生通過圖書館或網(wǎng)絡(luò)等途徑去了解微電子技術(shù)發(fā)展中的新動(dòng)態(tài)和新產(chǎn)品,并對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新,及時(shí)添加新知識、新技術(shù),做到“常流常新”。例如在《測控電路》第六章中講到信號轉(zhuǎn)換電路的A/D轉(zhuǎn)換電路時(shí),除了講授典型的A/D轉(zhuǎn)換器(逐次逼近式、雙積分式及并行比較式)之外,應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生課下去查閱新型的A/D轉(zhuǎn)換器,學(xué)生經(jīng)過查閱相關(guān)資料,獲得了兩種新型的A/D轉(zhuǎn)換器:流水線型和Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器,并對其特點(diǎn)、原理及應(yīng)用進(jìn)行了學(xué)習(xí),既鍛煉了學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力,又開闊了學(xué)生的視野,增長了知識。

    (3)通

    要注意知識的融會(huì)貫通。雖然測控電路是測控系統(tǒng)的核心,但是,離開了傳感器,單片機(jī)控制等,測控電路就無從談起,無法真正地實(shí)現(xiàn)測量與控制。因此在進(jìn)行測控電路教學(xué)內(nèi)容的安排時(shí),要充分考慮課程知識的融會(huì)貫通,盡量選擇一個(gè)系統(tǒng)來進(jìn)行教學(xué),例如當(dāng)講到參數(shù)獨(dú)立可調(diào)的PID控制電路時(shí),一般會(huì)以溫度測控系統(tǒng)為例來進(jìn)行講解(如圖1所示)。該系統(tǒng)首先要對溫度傳感器及其接口電路進(jìn)行選擇設(shè)計(jì),同時(shí)還涉及到《傳感器技術(shù)》課程的相關(guān)內(nèi)容,然后要對傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大、濾波及PID調(diào)節(jié),同時(shí)還涉及到《測控電路》課程的相關(guān)內(nèi)容,因此,從溫度傳感器到信號的放大、濾波、PID調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)逐步進(jìn)行講解,既可讓學(xué)生做到了溫故而知新,對學(xué)過的知識有了一定的鞏固,又可使學(xué)生體會(huì)到以前所學(xué)課程的意義,增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的成就感。

    2.1.2 課程教學(xué)方法改革

    在課程教學(xué)方法改革上,要做到以下幾點(diǎn):

    (1)采用“啟發(fā)式研究性教學(xué)”方法

    采用啟發(fā)式教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生自己去探索研究發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)方法,如測控電路的分析多數(shù)是以運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)的應(yīng)用電路,因此對這類電路的分析,通常采用“虛短、虛斷、基爾霍夫定律”這三個(gè)概念,一般將這三個(gè)概念統(tǒng)稱為分析測控電路的“三板斧”。只要用好這三板斧,幾乎所有的集成運(yùn)算放大器組成的測控電路的分析都可以迎刃而解(如圖2所示)。因此,在開始講授典型測控電路之前,首先要引導(dǎo)學(xué)生自己去歸納總結(jié)出該學(xué)習(xí)方法。

    圖2 分析測控電路三板斧圖

    (2)要基于CDIO理念,變“填鴨式教學(xué)法”為“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法”[7-8]

    項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是在課程開始時(shí),就布置貫穿整門課程的實(shí)際項(xiàng)目,然后以項(xiàng)目為主線,逐步學(xué)習(xí)其中的典型測控電路,直到最后設(shè)計(jì)出測控系統(tǒng)。以測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例,在講解其自上而下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法時(shí),如果單純地講解“總體方案的設(shè)計(jì)—具體單元的設(shè)計(jì)—具體元件的設(shè)計(jì)”三個(gè)步驟,會(huì)比較枯燥、抽象,難懂。如果結(jié)合實(shí)例進(jìn)行講解就會(huì)使整個(gè)方法變得生動(dòng)有趣。一般以典型的溫度測控系統(tǒng)為例,在總體設(shè)計(jì)方案階段,首先要弄清被測量和控制量、系統(tǒng)性能、精度、功能、開發(fā)周期及成本等要求,然后將該溫度測控系統(tǒng)劃分為若干個(gè)功能電路,設(shè)計(jì)好每個(gè)功能電路后,再進(jìn)行具體元件的設(shè)計(jì)。在此過程中,教師只起引導(dǎo)的作用,由學(xué)生作為主體來進(jìn)行,充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性,積極地探索、思考與研究,激發(fā)他們的求知欲,從而提高他們的創(chuàng)新實(shí)踐能力。同時(shí)可以結(jié)合電路仿真軟件,如Proteus、Multisim等,做到邊學(xué)習(xí)邊仿真,以加深學(xué)生的知識理解,提高學(xué)生的設(shè)計(jì)興趣,增加學(xué)生設(shè)計(jì)測控電路的自信心[9-12]。

    2.2 實(shí)踐教學(xué)改革

    《測控電路》的教學(xué)目標(biāo)要求“教、學(xué)、做”三統(tǒng)一,因此需要大量的動(dòng)手實(shí)踐來支撐理論教學(xué)的效果。但是,隨著課程學(xué)時(shí)的壓縮,如果能夠在有限的資源和學(xué)時(shí)內(nèi)保證學(xué)生的高效學(xué)習(xí),需要任課教師進(jìn)行深入的探討與實(shí)踐。

    2.2.1 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容改革

    在實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容改革上,應(yīng)做到以下幾點(diǎn):

    (1)加大多層次化實(shí)踐體系中設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的比重

    多層次化實(shí)踐體系一般可分成演示性實(shí)驗(yàn)、操作性實(shí)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次[13]。演示性實(shí)驗(yàn)和操作性實(shí)驗(yàn)主要幫助學(xué)生加深對測控電路原理的知識理解,通過改變某些關(guān)鍵元件的參數(shù),觀察示波器輸出波形的變化,使學(xué)生加深理解如何合理選擇電路的參數(shù);設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識,一般由教師給學(xué)生提供一些簡單實(shí)用的設(shè)計(jì)題目,或者由學(xué)生通過圖書館或網(wǎng)絡(luò)等多種途徑,進(jìn)行文獻(xiàn)資料的查閱后自擬題目,完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)。因此,在安排好演示性實(shí)驗(yàn)和操作性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,盡可能增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例,使學(xué)生真正能夠掌握從設(shè)計(jì)、仿真、制板、焊接、調(diào)試的全過程,從而增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,加深對知識的理解,拓寬其知識面,進(jìn)而提高課程教學(xué)效率和效果。

    (2)在課程設(shè)計(jì)或綜合實(shí)踐周中,搭建機(jī)電專業(yè)單片機(jī)傳感器測控創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)

    該平臺(tái)以傳感器技術(shù)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、測控電路等課程知識為基礎(chǔ)進(jìn)行機(jī)電測控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì),包括從任務(wù)的提出,技術(shù)要求的撰寫,總體方案的設(shè)計(jì)選擇,可行性分析等各個(gè)環(huán)節(jié),使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體,真正培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力。

    2.2.2 實(shí)踐教學(xué)方法改革

    在實(shí)踐教學(xué)方法改革上,應(yīng)做到以下幾點(diǎn):

    (1)要軟件仿真和硬件電路相結(jié)合,以實(shí)驗(yàn)電路為主,軟件仿真為輔

    傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式是學(xué)生先抄寫預(yù)習(xí)報(bào)告,然后到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)任務(wù),搭建實(shí)驗(yàn)電路,但是由于學(xué)生積極性不高,往往不預(yù)習(xí)就去現(xiàn)場做實(shí)驗(yàn),因此往往搞不清需要什么樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;再加上實(shí)驗(yàn)設(shè)備和耗材昂貴,所以有相當(dāng)一部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是只能進(jìn)行理論學(xué)習(xí),無法進(jìn)行實(shí)際開設(shè),因此在很大程度上扼殺了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造能力。因此,在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限的情況下,為了保證正常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)度,便于學(xué)生設(shè)計(jì)和降低實(shí)驗(yàn)成本,一方面可以利用小型實(shí)驗(yàn)面包板引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電路中元器件的拼插接設(shè)計(jì);另一方面也可以利用諸如Proteus、Multism等電子仿真軟件,由學(xué)生在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真、調(diào)試[14-15],化難為易,變抽象為具體,最后達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這種教學(xué)模式既可提高學(xué)生設(shè)計(jì)電路的信心和創(chuàng)新能力,讓他們體會(huì)到了親手搭建電路的快樂;同時(shí),也可減輕高校的實(shí)驗(yàn)投入。但是需要注意的是軟件仿真畢竟不是真實(shí)的硬件儀器儀表,在真實(shí)性方面往往會(huì)有些偏離,不能完全替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段,因此只能輔助實(shí)驗(yàn)電路的教學(xué)。

    (2)通過其它教學(xué)環(huán)節(jié)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)際測控系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試與制作

    由于《測控電路》的知識很抽象,難以理解。因此,在教學(xué)經(jīng)費(fèi)允許的情況下,在其它教學(xué)環(huán)節(jié)(如課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)或電子大賽等)中,鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)際測控系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì),仿真,制作與調(diào)試,從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,提高實(shí)踐教學(xué)效果,讓學(xué)生真正從理論中走向?qū)嵺`。

    3 《測控電路》教學(xué)改革的成效

    為了探索《測控電路》在機(jī)電專業(yè)中課程教學(xué)改革的效果,將該教學(xué)改革方法應(yīng)用到機(jī)電專業(yè)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)中,通過布置具體的設(shè)計(jì)任務(wù),由學(xué)生作為主體發(fā)現(xiàn)問題,然后獲取信息、分析問題、制定方案,最后實(shí)施方案、解決問題。圖3為仿人表情機(jī)器人頭部系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖,是學(xué)生針對仿人表情機(jī)器人頭部系統(tǒng)動(dòng)作設(shè)計(jì)開發(fā)的控制電路。在該設(shè)計(jì)過程中,由于表情機(jī)器人頭部系統(tǒng)的表情動(dòng)作主要由直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)來完成的,因此學(xué)生在經(jīng)過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料之后,針對該表情機(jī)器人頭部系統(tǒng)的各個(gè)表情動(dòng)作分別進(jìn)行了分析,設(shè)計(jì)了電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路模塊,完成了從設(shè)計(jì)、仿真到制作調(diào)試的整個(gè)環(huán)節(jié),最終完成了該表情機(jī)器人測控電路的設(shè)計(jì)。經(jīng)過這一系列的實(shí)踐,從根本上轉(zhuǎn)變了學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度,大大調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,加深了對《測控電路》課程教學(xué)內(nèi)容的理解,培養(yǎng)了其分析解決實(shí)際工程項(xiàng)目問題的能力。通過課程教學(xué)改革實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)該課程教學(xué)改革效果明顯。

    圖3 仿人表情機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

    4 結(jié)語

    《測控電路》教學(xué)與實(shí)踐改革的目的是真正培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)學(xué)生,以更好地服務(wù)社會(huì)。作為大學(xué)教師,要不斷探索嘗試新的教學(xué)方法和手段,利用先進(jìn)的教育教學(xué)理念CDIO武裝頭腦,綜合課程與實(shí)踐中出現(xiàn)的諸多問題,要勇于改革與創(chuàng)新,真正通過深化課程教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)改革,并將該教學(xué)改革方法應(yīng)用到機(jī)電專業(yè)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)中,取得了明顯的改革效果。從根本上轉(zhuǎn)變了學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度,大大調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,加深了對《測控電路》課程教學(xué)內(nèi)容的理解,培養(yǎng)了其分析解決實(shí)際工程項(xiàng)目問題的能力。

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