机电专业《测控电路》课程教学改革探析

许向荣，于复生，李彦凤

（1.山东建筑大学机电工程学院，山东济南，250101；2.山东省高校机械工程创新技术重点实验室，山东 济南，250101）

0 引言

机电专业旨在培养能够运用机械加工、电子设计、自动控制、检测传感、伺服传动及系统设计等关键性技术，从事机电一体化产品的设计、开发等方面工作的高级工程技术人才。机电一体化产品的主要特征就是智能化，因此机电一体化产品的设计离不开测控系统，关键是测控电路的设计。因此，《测控电路》课程教学与改革在机电专业本科生的教学培养中起着非常重要的作用。通过测控电路的学习，不仅要使机电专业本科生学会分析机电测控系统中的典型电路，而且能够运用所学知识进行机电一体化测控系统的设计，从而解决工程应用中的实际问题，为今后从事本专业的技术和研究工作打下坚实的基础。

目前，很多高校进行了关于《测控电路》课程教学改革的研究。刘得军等对测控技术及仪器专业本科生的《测控电路》教学方法进行了改革与探索，提出了一些改革措施，如建立课程架构，实现多课程融合等［1］；赵茜针对测控技术及仪器专业本科生的《测控电路》教学改革进行了探讨，提出了加强课程建设的必要性及相关措施［2］。黄凯征针对测控技术及仪器专业本科生《测控电路》教学的现状及存在问题，并结合电子技术教学改革的现状，提出了一些课程教学的改革方法［3］。张玉萍等提出了测控技术及仪器专业本科生的《测控电路》课程的模块式教学模式，并探讨了《测控电路》课程考核方式的改革思路与措施［4－5］。

由以上来看，现有研究多数基于《测控电路》在测控技术与仪器专业本科生中的教学改革研究，很少有针对其在机电专业本科生中的教学改革研究。机电专业培养目标侧重于机电一体化产品的设计开发，以机为主，以电为辅，机电有机结合；而测控技术及仪器专业培养目标侧重于精密测控系统的设计开发，以电为主。可以看出机电专业和测控技术与仪器专业的培养目标差异较大，其教学改革的方法也应有所不同。此外，关于教学改革的研究多数没有应用实例来验证其改革效果。基于上述原因，文章在研究了《测控电路》在机电专业中课堂教学与实践教学现状的基础上，查找出该课程的课堂教学与实践教学中存在的主要问题，并分别从教学内容、教学方法和考核方式等方面的改革进行了初步探讨，并将其应用到机电专业本科毕业设计实践环节中，取得了明显的改革效果。

1 《测控电路》课程教学现状分析

1.1 课堂教学现状

由于机电专业与测控技术及仪器专业的培养目标不同，其在专业课程设置中的地位明显不同，机电专业的《测控电路》课程是选修课，而测控技术及仪器专业的《测控电路》课程是必修课。因而在教学内容的难易程度、应用范围以及学习方法上都应有所不同。

但是，目前《测控电路》在机电专业的课堂教学中往往采用的还是在测控技术及仪器专业中的教学模式，即只一味地给学生灌输一些典型测控电路模块的原理性知识，进行简单的电路分析，而没有及时更新教学内容，并将其放在机电一体化系统中来学习。因此，一方面对于机电专业的学生来说该教学内容偏难，做不到及时更新；另一方面也无法使学生形成系统的设计思想，因此使得学生不能利用所学知识去分析、解决和设计实际的机电一体化系统中的测控问题，而且学生普遍反映测控电路复杂、抽象、难理解，极大地打击了学生学习的兴趣和积极性，学习效果不佳，因而很难达到教学目的。

1.2 实践教学现状

实践教学中，通常都采用实验箱，教师讲解原理后由学生进行简单的插接就完成演示性和验证性实验，再加上课时与实验条件的限制，使得实验内容偏离实际的机电一体化测控系统，不能从根本上培养学生的创新精神和实践动手能力，结果往往是有些学生根本不理解实验的目的，就完成了实验，教学效果可想而知［6］。

因此，有必要针对现有的教学方法进行改革探索，以加强《测控电路》的课程教学与实践教学，提高学生的学习兴趣，真正培养具有创新思想和动手能力的学生，以适应社会和用人单位的要求。

2 《测控电路》课程教学改革

针对《测控电路》在机电专业课堂教学与实践教学中存在的问题，文章分别从教学内容、教学方法等方面对《测控电路》课程进行了课堂教学和实践教学改革探讨。

2.1 课堂教学改革

2.1.1 课堂教学内容改革在课程教学内容改革上，应做到以下几点：（1）筛

教师首先要认真研究教学大纲，以该大纲为依据，并结合机电专业培养要求，对教学内容进行仔细的筛选，尽量选取符合本专业并与工程实际应用结合比较紧密的测控电路进行讲解，在有限的课时内，使学生能够获得尽可能多的知识。如机电一体化专业的代表性产品是数控机床和机器人，因此在筛选测控电路的教学内容时，要多以数控机床、机器人等机电一体化系统中的典型电路为例进行讲授，真正让学生能够将理论和实际联系起来，更好地掌握测控电路的相关知识。

（2）新

随着计算机技术、微电子技术和集成技术的快速发展，测控电路中所用到的元器件更新换代很快，因此教师不能一成不变地只教授教材中的知识，而要积极引导学生通过图书馆或网络等途径去了解微电子技术发展中的新动态和新产品，并对教学内容进行更新，及时添加新知识、新技术，做到“常流常新”。例如在《测控电路》第六章中讲到信号转换电路的A／D转换电路时，除了讲授典型的A／D转换器（逐次逼近式、双积分式及并行比较式）之外，应该引导学生课下去查阅新型的A／D转换器，学生经过查阅相关资料，获得了两种新型的A／D转换器：流水线型和Σ－Δ型A／D转换器，并对其特点、原理及应用进行了学习，既锻炼了学生查阅文献的能力，又开阔了学生的视野，增长了知识。

（3）通

要注意知识的融会贯通。虽然测控电路是测控系统的核心，但是，离开了传感器，单片机控制等，测控电路就无从谈起，无法真正地实现测量与控制。因此在进行测控电路教学内容的安排时，要充分考虑课程知识的融会贯通，尽量选择一个系统来进行教学，例如当讲到参数独立可调的PID控制电路时，一般会以温度测控系统为例来进行讲解（如图1所示）。该系统首先要对温度传感器及其接口电路进行选择设计，同时还涉及到《传感器技术》课程的相关内容，然后要对传感器输出的微弱信号进行放大、滤波及PID调节，同时还涉及到《测控电路》课程的相关内容，因此，从温度传感器到信号的放大、滤波、PID调节等环节逐步进行讲解，既可让学生做到了温故而知新，对学过的知识有了一定的巩固，又可使学生体会到以前所学课程的意义，增强了学习的成就感。

2.1.2 课程教学方法改革

在课程教学方法改革上，要做到以下几点：

（1）采用“启发式研究性教学”方法

采用启发式教学方法引导学生自己去探索研究发现学习方法，如测控电路的分析多数是以运算放大器为基础的应用电路，因此对这类电路的分析，通常采用“虚短、虚断、基尔霍夫定律”这三个概念，一般将这三个概念统称为分析测控电路的“三板斧”。只要用好这三板斧，几乎所有的集成运算放大器组成的测控电路的分析都可以迎刃而解（如图2所示）。因此，在开始讲授典型测控电路之前，首先要引导学生自己去归纳总结出该学习方法。

图2 分析测控电路三板斧图

（2）要基于CDIO理念，变“填鸭式教学法”为“项目驱动教学法”［7－8］

项目驱动教学法是在课程开始时，就布置贯穿整门课程的实际项目，然后以项目为主线，逐步学习其中的典型测控电路，直到最后设计出测控系统。以测控系统的设计为例，在讲解其自上而下的系统设计方法时，如果单纯地讲解“总体方案的设计—具体单元的设计—具体元件的设计”三个步骤，会比较枯燥、抽象，难懂。如果结合实例进行讲解就会使整个方法变得生动有趣。一般以典型的温度测控系统为例，在总体设计方案阶段，首先要弄清被测量和控制量、系统性能、精度、功能、开发周期及成本等要求，然后将该温度测控系统划分为若干个功能电路，设计好每个功能电路后，再进行具体元件的设计。在此过程中，教师只起引导的作用，由学生作为主体来进行，充分发挥学生的主观能动性，积极地探索、思考与研究，激发他们的求知欲，从而提高他们的创新实践能力。同时可以结合电路仿真软件，如Proteus、Multisim等，做到边学习边仿真，以加深学生的知识理解，提高学生的设计兴趣，增加学生设计测控电路的自信心［9－12］。

2.2 实践教学改革

《测控电路》的教学目标要求“教、学、做”三统一，因此需要大量的动手实践来支撑理论教学的效果。但是，随着课程学时的压缩，如果能够在有限的资源和学时内保证学生的高效学习，需要任课教师进行深入的探讨与实践。

2.2.1 实践教学内容改革

在实践教学内容改革上，应做到以下几点：

（1）加大多层次化实践体系中设计性实验内容的比重

多层次化实践体系一般可分成演示性实验、操作性实验以及设计性实验三个层次［13］。演示性实验和操作性实验主要帮助学生加深对测控电路原理的知识理解，通过改变某些关键元件的参数，观察示波器输出波形的变化，使学生加深理解如何合理选择电路的参数；设计性实验主要培养学生的实际动手能力和创新意识，一般由教师给学生提供一些简单实用的设计题目，或者由学生通过图书馆或网络等多种途径，进行文献资料的查阅后自拟题目，完成相应的设计。因此，在安排好演示性实验和操作性实验的基础上，尽可能增加设计性实验的比例，使学生真正能够掌握从设计、仿真、制板、焊接、调试的全过程，从而增加学生的学习兴趣，加深对知识的理解，拓宽其知识面，进而提高课程教学效率和效果。

（2）在课程设计或综合实践周中，搭建机电专业单片机传感器测控创新实践平台

该平台以传感器技术、单片机原理及应用、测控电路等课程知识为基础进行机电测控系统的整体设计，包括从任务的提出，技术要求的撰写，总体方案的设计选择，可行性分析等各个环节，使学生真正成为学习的主体，真正培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。

2.2.2 实践教学方法改革

在实践教学方法改革上，应做到以下几点：

（1）要软件仿真和硬件电路相结合，以实验电路为主，软件仿真为辅

传统的实践教学模式是学生先抄写预习报告，然后到实验现场学习实验任务，搭建实验电路，但是由于学生积极性不高，往往不预习就去现场做实验，因此往往搞不清需要什么样的实验结果；再加上实验设备和耗材昂贵，所以有相当一部分实验项目是只能进行理论学习，无法进行实际开设，因此在很大程度上扼杀了学生的学习兴趣和创造能力。因此，在实验经费有限的情况下，为了保证正常的实验教学进度，便于学生设计和降低实验成本，一方面可以利用小型实验面包板引导学生进行实验电路中元器件的拼插接设计；另一方面也可以利用诸如Proteus、Multism等电子仿真软件，由学生在计算机上进行仿真、调试［14－15］，化难为易，变抽象为具体，最后达到设计要求。这种教学模式既可提高学生设计电路的信心和创新能力，让他们体会到了亲手搭建电路的快乐；同时，也可减轻高校的实验投入。但是需要注意的是软件仿真毕竟不是真实的硬件仪器仪表，在真实性方面往往会有些偏离，不能完全替代传统的实验手段，因此只能辅助实验电路的教学。

（2）通过其它教学环节鼓励学生进行实际测控系统的电路设计、仿真、调试与制作

由于《测控电路》的知识很抽象，难以理解。因此，在教学经费允许的情况下，在其它教学环节（如课程设计、毕业设计或电子大赛等）中，鼓励学生进行实际测控系统的电路设计，仿真，制作与调试，从而激发学生学习的积极性，提高实践教学效果，让学生真正从理论中走向实践。

3 《测控电路》教学改革的成效

为了探索《测控电路》在机电专业中课程教学改革的效果，将该教学改革方法应用到机电专业本科生毕业设计教学环节中，通过布置具体的设计任务，由学生作为主体发现问题，然后获取信息、分析问题、制定方案，最后实施方案、解决问题。图3为仿人表情机器人头部系统电机驱动电路原理图，是学生针对仿人表情机器人头部系统动作设计开发的控制电路。在该设计过程中，由于表情机器人头部系统的表情动作主要由直流电机或步进电机带动各机构运动来完成的，因此学生在经过查阅相关文献资料之后，针对该表情机器人头部系统的各个表情动作分别进行了分析，设计了电机控制驱动电路模块，完成了从设计、仿真到制作调试的整个环节，最终完成了该表情机器人测控电路的设计。经过这一系列的实践，从根本上转变了学生的学习态度，大大调动了学生的学习兴趣，加深了对《测控电路》课程教学内容的理解，培养了其分析解决实际工程项目问题的能力。通过课程教学改革实践，发现该课程教学改革效果明显。

图3 仿人表情机器人电机驱动电路原理图

4 结语

《测控电路》教学与实践改革的目的是真正培养具有创新精神和实践能力的高素质学生，以更好地服务社会。作为大学教师，要不断探索尝试新的教学方法和手段，利用先进的教育教学理念CDIO武装头脑，综合课程与实践中出现的诸多问题，要勇于改革与创新，真正通过深化课程教学和实践教学改革，并将该教学改革方法应用到机电专业本科生毕业设计教学环节中，取得了明显的改革效果。从根本上转变了学生的学习态度，大大调动了学生的学习兴趣，加深了对《测控电路》课程教学内容的理解，培养了其分析解决实际工程项目问题的能力。

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