工程项目应用于本科实验教学的研究与探索

陈世海, 王 军, 代 伟, 王艳芬, 毛会琼, 李 明

(中国矿业大学 信息与控制工程学院, 江苏 徐州 221116)

实验教学对高等工程教育具有至关重要的作用,它是培养学生工程思维和提高学生工程实践能力的重要手段[1-3]。然而,受工程教育长期处于科学化、知识化教育模式的影响,实验教学目标常常被设定为“加深学生对理论知识的理解,提高学生动手实践/操作能力”,而工程中至关重要的实践能力,不仅被置于附属位置,同时又经常被操作能力取代[4-7]。工程教育中实践能力绝不是科学知识的简单应用能力,也不是仪器设备的操作能力,而是开展实际工程的能力及解决复杂工程问题的能力。面向实际工程需求,改革并加强实践教学环节,已经成为我国高等工程教育中,提高人才培养质量亟待解决的重大课题[7-8]。

2015年3月,中国工程教育专业认证协会重新修订了《工程教育认证标准》,以解决复杂工程问题为着眼点,以学生的能力培养为导向,分别从工程知识、问题分析等12个方面提出了明确的毕业要求。该标准为高等工程教育实践教学改革提供了明晰的指导思想。

工程教育源于实践,更要归于实践,在校期间工程实践训练是学生获取工程技能的主要途径[9-10]。参与具体工程项目是一种直接而有效的手段,然而实际工程项目是以满足社会需求为目的,具有时效性、特殊性和复杂性,并不适用于普适性的实验教学,同时,由于其难度较大、时间跨度长等原因,导致大多数学生对直接参与工程项目的兴趣不高。

为了使所有学生都能够在实验中获得近似真实的工程项目体验,本文根据学生知识水平与通信电子电路课程内容,以已经完成的 “煤田火区监测项目”为蓝本,遵循《工程教育认证标准》指导思想,以能力导向教育(OBE)为核心理念,以促进学生达成《工程教育认证标准》提出的12条“毕业要求”为出发点,提炼项目核心内容,重新审视并优化项目推进流程,在此基础之上,开发出基于实际工程项目的本科实验教学案例。

1 煤田火区监测项目

煤田火灾不仅造成煤炭资源损失,而且产生大量有害烟尘,对环境造成严重影响,我国的煤田火灾甚至被列为全球仍在继续的5大生态灾难之一。地表温度是反映火区状态、治理效果的有效指标,本项目以新疆大泉湖煤田火区温度监测为主要研究对象。大泉湖火区边界距乌鲁木齐市中心约13 km,面积超过31.3万m2,地表温度最高超过了800 ℃,每年燃烧损失煤炭资源21.7万t,受威胁煤炭储量1 128万t[11]。

由于大泉湖火区面积巨大,且地处野外,铺设供电线路、通信线路困难,同时区域内有裂隙、塌陷发育,维护不便，并有一定危险性,综合考虑系统的稳定性、维护性和经济性等技术指标后,系统采用“无线传感+分区式星形拓扑”方式,即将整个火区划分为如干个小监测区域,每个分区包含一个无线分站和若干无线监测节点,系统结构如图1所示。

图1 煤田火区温度监测系统结构

煤田火区温度监测系统主要由无线监测节点、无线分站和监控中心3部分组成。无线分站与无线监测节点采用星形组网,每个无线分站对应于一个监测区域,最多可以同时链接40个无线监测节点。综合系统功耗和传输距离等因素,无线监测节点和无线分站之间采用433 MHz无线通信；无线分站与监控中心采用“GPRS+Internet”方式进行通信,即无线分站通过GPRS方式把数据发送到Internet,然后监控中心通过Internet获取分站数据。

无线监测节点采用Pt100作为测温元件监测地表温度,Pt100温度测量范围可达-200～+850 ℃,满足火区温度监测要求。由于无线监测节点布设范围广、数量众多,且地处野外,考虑到系统成本、安装及维护等因素,其供电采用“锂电池+太阳能充电”方式,同时采用低功耗设计,确保其在无太阳能充电情况下,可以正常工作2周以上。

无线分站相对无线监测节点,数量少、功耗大,且需要连续工作,所以采用交流供电方式。同时考虑到环境监测需要,无线分站还需监测所在区域的温度、湿度和CO浓度。无线分站将本机监测到的环境数据连同无线监测节点发送过来的温度数据,打包后通过GPRS模块发送至监控中心的上位机。上位机通过专用监测软件实时获取并显示火区温度等信息,监测界面如图2所示。

图2 煤田火区监测界面

该项目研发工作主要涉及网络拓扑结构设计、无线传输方式选择、监测节点和监测分站软硬件设计、上位机开发以及系统稳定性测试等方面内容。由于监测范围广、监测点数量大,系统稳定性对应应用效果至关重要,是决定项目能否顺利完成的关键因素。所以,在系统联调成功后又进行了大量测试,期间发现并解决了无线监测节点死机、监测分站数据丢包、无线监测节点待机时间短等问题,从而确保了系统可靠运行和项目顺利验收。

2 实验设计

2.1 设计思路

实验设计以学生为中心,以解决复杂工程问题的能力培养为导向,以达成《工程教育认证标准》中12条毕业要求为目标,梳理煤田火区监测项目实际建设流程,结合学生知识与能力水平,提炼项目关键环节及其所含核心工程问题,然后将其转化为实验内容和实验要求,实验计划如图3所示,其中毕业要求所标序号与《工程教育认证标准》所标序号相同。实验实行组长负责制,3～5人一组,按从需求分析到结题验收的实际项目执行流程开展实验。实验采用具有反馈机制的过程性评价方法,即学生分阶段提交或者汇报项目进展及存在的问题,指导教师根据学生的完成情况和完成质量评定该阶段实验考核等级,同时将考核结果和修改建议一并反馈给学生,并可根据修改情况重新核定等级。

图3 实验计划鱼骨图

2.2 实验要求及考核要点

如图3所示,实验过程共分为需求分析、方案论证、任务分解、设计/开发、联调测试和结题/验收6个阶段。

(1) 需求分析。该阶段重点培养学生“工程知识、问题分析和终身学习”3方面的能力。教师通过集中讲授,向学生介绍煤田火区温度监测甲方立项背景、立项意义、项目目标及具体要求等内容。要求学生根据甲方需求,借助图书馆图书及数据库等资源查阅相关文献,通过文献分析、自学相关工程知识,分析甲方需求,并将甲方需求转换成相应技术问题、技术指标等。需求分析报告中要明确以下内容:火区地表温度范围、火区面积及各向距离、测点数量要求、火区通信及供电资源。如有漏项,教师需要及时指出并建议其完善。

(2) 方案论证。培养学生“设计/开发解决方案、使用现代工具”的能力是该阶段的主要任务,要求学生确定温度传感器选型、监测节点与监测分站及监测分站与监控中心之间的组网方式、数据传输、监测节点及监测分站供电方式等内容,并阐述选型依据。指导教师审查设计方案时重点关注选型依据的准确性和设计方案的合理性。如有的组选用DS18B20作为温度传感器,指导教师则要求学生下载该传感器的Datasheet,将其技术指标与项目需求相比对,并论证选型与设计方案的“合理性”。

(3) 任务分解。该阶段侧重于培养学生的“个人和团队、项目管理及沟通”等方面能力,要求组内分工明确、任务具体,并且要有明确的考核或完成指标及时间节点；为杜绝“打酱油”“坐顺风车”现象,对严重不平衡的分工,则要求该组重新分工。

(4) 设计开发。要求学生依照分工完成相应开发任务,设计开发报告中要包含框图、电路图、参数计算过程及依据、软件流程图,并详细记录调试过程中出现问题的解决方案。该阶段实验任务较重,指导教师着力引导学生充分发挥团队作战的优势,分工协作,提高“个人和团队、设计/开发解决方案”方面的能力。

(5) 联调/测试。本阶段要借助现有火区监控软件对系统整体功能进行验证,然后分别测试通信距离、无线监测节点功耗与待机时间,模拟并分析电池电量耗尽后再充电对无线监测节点可能带来的问题,并给出解决方案。该阶段不仅强调培养学生“问题分析和研究”方面的能力,同时要求学生在报告中列举系统可能出现的问题,以及该问题可能给项目甲方和乙方带来的影响,结合如“大众汽车排放造假”等案例,说明工程师所要遵从的“职业规范”。

(6) 验收/结题。引导学生从乌鲁木齐市区环境、资源保护等方面审视火区治理项目对社会、对坏境可持续发展的影响,并将其列入答辩内容。“工程与社会、环境和可持续发展”尽管看似与研发、与技术无关,但这2项实际却是工程价值和意义的体现,通过答辩环节不仅可以提高学生“沟通”方面的能力,还能加强学生对工程的社会意义和环境意义的理解与认识。指导教师根据各组及其成员在整个实验过程中的表现核定实验成绩。

3 结语

基于“煤田火区监测项目”的通信电子电路综合实验,从《工程教育认证标准》提出的12条毕业要求出发,按照实际项目的开展流程组织实验,不仅使学生在实验室就能获得近似真实的工程经验,而且还有效地提高了学生解决复杂工程问题的能力。同时,该案例也对实验教学改革具有一定的借鉴意义。