新工科背景下“測試技術(shù)”課程教學改革研究

［摘 要］ “測試技術(shù)”是機械工程專業(yè)的基礎課程，其主要圍繞傳感器及輸入輸出信號分析與處理等內(nèi)容展開，該課程與前期所學的多門課程交叉，且自身具有理論性較強等特點。針對現(xiàn)有的理論教學與實驗教學模式的不足，為提升新工科背景下課程的教學質(zhì)量，從課程體系的梳理與講授、實驗與實踐環(huán)節(jié)等方面進行改革，通過強化實踐教學，將改進現(xiàn)有教學方法、內(nèi)容和實施手段作為加強學生創(chuàng)新能力的突破口。實踐表明，課程教學改革能有效提高學生學習的興趣及對知識的掌握程度，符合當前新工科建設與應用型本科高校人才培養(yǎng)課程改革的方向。

［關鍵詞］ 新工科；測試技術(shù)；交叉；實踐教學；應用型本科高校

［基金項目］ 2020年度浙江省教育廳省級線下一流課程資助項目“測試技術(shù)”（971）；2023年度湖州學院教育教學改革研究資助項目“測試技術(shù)課程教學模式改革”（hyjg202304）

［作者簡介］ 許宇翔（1981—），男，浙江湖州人，博士，湖州學院智能制造學院副教授，主要從事機電一體化應用研究；李曉光（1979—），女，遼寧遼陽人，博士，湖州學院智能制造學院講師，主要從事機器人非線性控制研究；張 嵐（1981—），女，浙江湖州人，碩士，湖州學院智能制造學院講師，主要從事微流控技術(shù)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）03-0117-04 ［收稿日期］ 2023-05-10

引言

新工科是國家為應對新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命而提出的對高校工科教育新的要求，新工科建設主要涉及教學理念、結(jié)構(gòu)、模式等方面的改革，其核心是提高人才培養(yǎng)的能力［1］。“測試技術(shù)”作為傳統(tǒng)工科專業(yè)機械設計制造及其自動化的核心課程，課程內(nèi)容包括了傳感器本體及輸入輸出信號的調(diào)理、采集和分析處理等內(nèi)容，是一門多學科交叉的課程，同時還具有應用型和實踐性均較強的特點，對培養(yǎng)出符合機電方向發(fā)展需求的專業(yè)人才具有重要意義?，F(xiàn)有的教學模式側(cè)重理論知識，實驗與課程設計等實踐教學環(huán)節(jié)較薄弱，而原有教學目標中期望以實踐教學促進理論教學的進一步消化吸收，提高學生分析問題、解決問題能力的初衷無法完全實現(xiàn)，同時教學安排和課程設置沒有緊跟職業(yè)與就業(yè)崗位要求而進行及時調(diào)整，造成課程設置、教學內(nèi)容偏離機械專業(yè)相關崗位要求和學科競賽。因此必須對“測試技術(shù)”課程進行教學改革。

針對課程教學模式的改革，國內(nèi)諸多教育學者提出了諸如將項目式、實驗法、OBE模式和翻轉(zhuǎn)課堂等新方法引入實際教學中，因此，教學模式也朝著多樣化方向拓展［1-5］。在“單片機原理及應用”課程中引入項目式和案例式為導向的新工科教育工程教育模式，針對“電工學”課程分別提出了以實驗為主的教學模式和以學定教的教學模式，以調(diào)動學生在課堂上的積極性與參與度；在“機械創(chuàng)新設計”課程中引入OBE模式，強調(diào)以學生就業(yè)中所需具備的各種能力作為其教學目標。在“船舶電力拖動基礎”課程中通過將部分授課內(nèi)容分解成多個專題，以自主學習等方式提升每位學生的參與度。

本課程以新工科對高校工科課程改革所提出的要求為依據(jù)，在實際教學中以體現(xiàn)傳感器及相關技術(shù)的“融合貫通”概念和混合式培養(yǎng)模式，課程教學改革將實現(xiàn)如下的教學模式轉(zhuǎn)變：以教師單純的教授課程向以教與學相配合轉(zhuǎn)變、以課堂教學為主向課內(nèi)教學和課外實驗與實踐等環(huán)節(jié)結(jié)合轉(zhuǎn)變、以結(jié)果評價為主向以結(jié)果和過程評價結(jié)合轉(zhuǎn)變。

一、課程教學過程中存在的問題

“測試技術(shù)”課程中信號處理與測試裝置的靜態(tài)與動態(tài)性能等章節(jié)內(nèi)容抽象、理論性強，而在實際教學中，理論教師偏重于理論推導與原理，同時受限課堂條件等，在理論教學的過程中不能很好地結(jié)合實際，教學仍然以理論講授為主，輔以少量的實例演示模式，使得學生在學習過程中處于被動地位。在實際教學過程中，根據(jù)地方應用型本科高校的特點，如何合理安排與講授“測試技術(shù)”課程理論和實踐部分各自的比例，如何在掌握基本理論知識的同時提高應用型本科高校學生解決實際工程問題的能力，如何既要與研究型和綜合型大學教學模式相區(qū)別，又要防止本科教育高職化，最后還要與系統(tǒng)、科學地研究規(guī)劃學科知識體系相結(jié)合，使教學目標與應用型工科人才培養(yǎng)的方向一致。由于本課程需要前期專業(yè)基礎課的支撐，學生通過課程的學習才能掌握進一步學習該課程的知識，但現(xiàn)有課程實驗課時數(shù)較少，降低了由教師簡單教學向?qū)嵺`應用的引導作用。

二、課程改革的創(chuàng)新

“測試技術(shù)”課程教學改革中形成融合與貫通的思維方式，將該思想貫穿到所學多門課程串聯(lián)講授中，同時以解決實際問題為導向，并在該過程中引入多媒體技術(shù)的混合式教學方法?！皽y試技術(shù)”課程改革的創(chuàng)新如下。

（一）研究案例式教學方法，將所學課程進行串聯(lián)

本課程的實驗以應變片信號的放大電路設計、調(diào)試與系統(tǒng)建模實現(xiàn)作為一個完整的案例。在整個過程中教師起支持作用，學生可以充分發(fā)揮主觀能動性，通過前期分組鍛煉團隊合作、溝通交流等綜合能力，同時將課程的理論融入計算機仿真教學環(huán)節(jié)中，通過前期所學的Altium Designer和Matlab等軟件來提升實踐能力和技能。通過課程的串聯(lián)，確保前期課程為專業(yè)教學所用，專業(yè)教學為課程設計及后續(xù)工作所用。

（二）以問題為導向，提高學生的分析和解決問題的能力

以應力測試放大電路為例，測試傳感器在受到外力過程中出現(xiàn)應變片信號微弱和干擾等實際工程問題，以該問題作為出發(fā)點，通過實踐訓練后達到能掌握傳感器的信號輸出調(diào)理電路的設計、系統(tǒng)建模與仿真等知識為目的的教學法，使學生達到提高專業(yè)知識的學習效率、培養(yǎng)創(chuàng)新精神以及提高分析問題和解決問題能力的目的。

（三）研究混合式教學法在課程中的應用

在課堂上結(jié)合多媒體技術(shù)、傳統(tǒng)授課方式提高學生學習的興趣，實驗與實踐課程中以案例工作為目標，專業(yè)教師通過充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，探索傳統(tǒng)線下授課與線上教學平臺結(jié)合的教學方法，以達到在合適的時間運用合適的方法達到最佳教學效果的目的。

三、課程內(nèi)容的探索與組織實施

“測試技術(shù)”課程設計了以案例與項目為導向的教學模式，將傳統(tǒng)線下理論教學與線上超星等教學平臺的優(yōu)勢相結(jié)合，同時改進現(xiàn)有的實驗環(huán)節(jié)，其組織實施如下。

（一）線下理論教學

1.課前：通過超星平臺，將講授內(nèi)容的授課教案上傳到超星系統(tǒng)中，并要求學生對難點和重點提前進行相互討論并收集分析資料，提升了學生學習的目的性。

2.課中：線下采用重點精講、討論、解疑、匯報、總結(jié)的方式層層遞進式教學，穿插講解與該課程聯(lián)系緊密的“高等數(shù)學”“電工學”和“控制工程”等課程內(nèi)容，降低了學生學習該課程的難度，注重過程評價。

3.課后：將作業(yè)及評定方式、課后討論與答疑相結(jié)合并延展至課堂外，并輔助QQ群、超星等平臺打造高效課堂，以學生掌握基礎理論、提升工程實踐能力和養(yǎng)成良好學習方法等多個方面作為課后教學的目的。

（二）線上教學

基于超星平臺上傳了“測試技術(shù)”的課件、教案和章節(jié)，發(fā)布了任務，建立了每個章節(jié)的習題庫，線上資源包括了大多數(shù)課程日常授課的內(nèi)容，同時針對學生反映的第2章和第3章內(nèi)容較抽象、較難理解等問題，在線上教學資源中開展相關內(nèi)容的進一步討論，主講教師通過提出若干問題，并在線上進行答疑與互動，將抽象問題具體化，加深了學生對教材第2章和第3章中信號的傅立葉變換、測量裝置的動態(tài)特性等內(nèi)容的理解。同時學生通過完成相關課后測試內(nèi)容，便于教師及時了解學生的學習情況。

（三）實驗教學

按照“測試技術(shù)”培養(yǎng)方案的設定，該課程有3個實驗，共6個課時，本課程實驗根據(jù)機械專業(yè)的特點選取了對力、速度和溫度等物理量進行測量的3個實驗。

上述實驗環(huán)節(jié)仍然是一種傳統(tǒng)的教學模式，即學生在教師講解實驗原理和安排好實驗步驟的基礎上，“依葫蘆畫瓢”來做實驗，雖然每堂實驗課結(jié)束后都需要完成實驗數(shù)據(jù)的分析處理和實驗報告的撰寫，但學生對實驗中涉及的理論部分仍沒有進一步認識，同時，實驗設備無法將“高等數(shù)學”“電工學”以及“控制工程”等學生較難理解的課程內(nèi)容以直觀的形式展現(xiàn)，使得學生不能有效達到做實驗的初衷，同時無法滿足應用型本科教學中注重理論知識與實踐能力并行提高的要求［6］。

針對實驗環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的問題，已經(jīng)有不少教師嘗試將案例和項目引入課程教學中，以期達到更好的教學效果，但也存在著上述案例與本課程關聯(lián)程度不大且知識點分散沒有構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，甚至走回教師講解多、學生動手實踐少的老路。因此，課程教學改革小組成員基于“實驗1—金屬箔式應變片單臂電橋電子秤”的實驗原理，結(jié)合現(xiàn)有實驗平臺的面板中所描述放大電路構(gòu)成原理設計了一塊基于多運放高放大倍數(shù)實驗電路板，學生在自己搭建并焊接及調(diào)試電路后對基本放大電路和儀器放大電路等設計以及抗干擾等方面內(nèi)容有了直觀的理解，同時授課教師引導學生使用電子電路CAD課程中所學的Altium Designer軟件輔助進行調(diào)試，使學生進一步掌握了基本電路的調(diào)試方法。

四、案例實施

為使得實驗課中的測量對象能面向工程應用，因此選擇以應變片單臂電橋?qū)嶒灋榘咐?/p>

在講授電阻應變式傳感器時，為了能使學生掌握橋式的組成、信號的放大以及測試過程中干擾信號的抑制等方面的內(nèi)容，設計了一塊基于多運放高放大倍數(shù)實驗電路板，并組織學生開展實驗。該實驗主要使學生掌握周期信號的頻域描述、測量裝置的靜態(tài)特性、典型一階系統(tǒng)的構(gòu)成、信號的放大電路組成以及濾波器電路設計等內(nèi)容。具體實施過程如下。

第一，先讓學生利用電子電路CAD課程中所學的Altium Designer軟件搭建面向應變式傳感器的三級運算放大器電路，該電路中主要由3個運算放大器芯片OP07構(gòu)成的儀器儀表放大電路以及由1個運算放大器芯片OP07偏置調(diào)零電路。上述搭建仿真電路，使學生能進一步掌握Altium Designer軟件的仿真設計流程。

第二，引導學生對上述搭建的三級運算放大器電路進行靜態(tài)特性分析，通過講授使學生能夠理解該系統(tǒng)的靈敏度G為文獻［7］中圖5-38的儀器放大電路放大倍數(shù)G1和文獻［7］中圖5-36（c）的差分放大器放大倍數(shù)G2的級聯(lián)，即系統(tǒng)的靈敏度G即為三級運算放大器的總放大倍數(shù)，則各放大倍數(shù)分別為G1為25.5，G2為2.7，則系統(tǒng)的靈敏度G為68.85。

在仿真中通過設置輸入激勵信號為頻率20 Hz，幅值0.1 V，占空比50%的周期性方波，根據(jù)Altium Designer軟件的仿真分析可得，文獻［7］中圖5-36（c）的差分放大器輸出電壓的幅值為6.884 V，則該系統(tǒng)的放大倍數(shù)為68.84，即系統(tǒng)靈敏度與理論計算結(jié)果非常接近，在這個過程中，使學生能進一步認識到理論的重要性，同時學會電路系統(tǒng)中靈敏度等靜態(tài)指標參數(shù)的計算。

第三，為濾除傳感器放大過程中引入的高頻干擾信號，提高系統(tǒng)的信噪比，在文獻［7］中圖5-36（c）的差分放大器電路中的反饋電阻R3上并聯(lián)一個濾波電容C1，通過教師的引導使得學生理解該三級運算放大器電路已經(jīng)由原有的線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成了一個典型的一階系統(tǒng)，時間常數(shù)τ為2.7 ms。

經(jīng)理論計算，學生可以得到輸入激勵為頻率20 Hz周期性方波信號的上升時間為13.5 ms，同時通過Altium Designer軟件仿真分析可得上升時間為15 ms，即仿真值與理論值較接近。在這個過程中，學生進一步掌握了一階系統(tǒng)在階躍等典型輸入下的響應，同時也對計算一階系統(tǒng)的上升時間有了定量的認識。

結(jié)語

與傳統(tǒng)的研究型和綜合性大學不同，應用型本科地方高校的高等教育培養(yǎng)不再是單純的以學生掌握理論知識的多少作為標準，而是要讓理論知識的掌握與實踐能力的提升“并駕齊驅(qū)”，同時對于如“測試技術(shù)”等應用性較強的課程學習，借助超星線上平臺、線下案例和項目式的教學方法引入與完善，該課程的教學改革也符合新工科課程改革的要求。從現(xiàn)有班級的授課效果來看，該教學改進方法能較好地解決課程授課過程中存在的課時少、學生人數(shù)多和教學資源不足等缺陷，使理論知識不再僅僅停留在紙面上和書本上，加深了理論知識的理解，提高了學生的學習興趣，進一步培養(yǎng)了學生分析問題和解決問題的能力。

參考文獻

［1］劉玉芹，佘道明.“新工科”背景下應用型課程教學方法改革初探：以“單片機原理及應用”課程為例［J］.輕工科技，2022，38（5）：153-155+191.

［2］侯燕，張偉民.以實驗為主的“電工學”教學模式探索［J］.中國電力教育，2013（11）：49+55.

［3］宋黎明，孫曼，雷勇，等.基于智慧課堂的“電工學”課程教學改革［J］.教育現(xiàn)代化，2019，6（71）：124-125+128.

［4］李東亞，蘇家兵，吳一帆.OBE理念下機械創(chuàng)新設計課程教學模式研究［J］.教育教學論壇，2021（20）：113-116.

［5］夏益輝，葉志浩，姜廣賀，等.船舶電力拖動基礎課程教學模式改革研究［J］.教育教學論壇，2020（52）：151-152.

［6］曾娣平.機械工程測試技術(shù)課程教學改革探討［J］.當代教育理論與實踐，2015（7）：59-61.

［7］熊詩波.機械工程測試技術(shù)基礎［M］.4版.北京： 機械工業(yè)出版社，2020：159-160.

Research on Teaching Reform of Testing Technology Course under the Background of Emerging Engineering Education

XU Yu-xiang， LI Xiao-guang， ZHANG Lan， YU Ling-ke

（School of Intelligent Manufacturing， Huzhou College， Huzhou， Zhejiang 313000， China）

Abstract： Test technology is the basic course of mechanical engineering specialty， which mainly focuses on the analysis and processing of sensors and input and output signals. This course intersects with many courses， and has strong theoretical characteristics. In view of the shortcomings of the existing theoretical teaching and experimental teaching models， in order to improve the teaching quality of the mechanical specialty curriculum in the context of the new engineering， the reform should be carried out from the methods of combing the curriculum system， teaching， experiment and practice， and the improvement of the existing teaching methods， contents and implementation means should be taken as a breakthrough to strengthen students’ innovative ability by strengthening practical teaching. The practice shows that the curriculum teaching reform can effectively improve students’ interest in learning and their mastery of knowledge， which is in line with the current direction of the curriculum reform of talent training in application-oriented colleges and universities.

Key words： new engineering; test technology; crossing; practical teaching; application-oriented colleges and universities