基于开源硬件与在线仿真的测控技术概论课程改革探索

栾江峰 林兆花 肖 军 袁剑锋

北京师范大学珠海分校 广东珠海 519087

测控技术概论课程是针对大一新生迫切需要了解测控技术与仪器专业知识结构，提升专业兴趣，掌握合适学习方法，尽早进入专业领域而开设的一门基础课程。在传统的测控概论教材中，教学内容基本围绕测量原理与仪器简介、控制原理简介、控制系统构成、现代测控技术及应用4部分展开。通过该门课程的学习，学生应很好地掌握测控技术与仪器专业的学科理论、知识体系、技术应用与发展方向。然而在概论课的教学实践中，会存在一种学生现有知识水平与教学内容之间的矛盾。一方面，由于大一新生尚未开始学习专业课程，概论课中知识点如果难度过大，易导致学生无法完全理解授课内容。此种状态持续若干课时后，反而会降低学生的专业学习兴趣。如果知识点深度过浅，又容易演变为科普式的教学，无法真正为后续专业课程起到启蒙铺垫的作用。另一方面，测控技术与仪器作为一个工科专业，在高年级专业课学习中设有大量的实践环节。学生良好的动手能力是提升实践教学效果的必要条件。如果学生能在一年级就接触、认识并学习使用常见的实验工具，无疑会给其后续的课内外实践带来极大的帮助。而在现行的教学体系中，鲜有专门的课程涉及此部分内容。常见的做法是在专业课程教学中用到什么学什么，如此就限制了学生及早进入专业实践的可能。

针对上述问题，根据概论课在测控专业课程体系和能力培养中应起到的作用，重新设计了教学目标；依据教学目标及PBL教学模式的要求对教学内容进行了优化改革，将测控领域基本的电子学知识融入学生可操作的案例中进行讲授。借助新兴的开源硬件与在线仿真技术改进了教学方式，培养学生的动手能力。本文对测控技术概论课程所进行了一些初步探索，希望能为工科其他专业课程建设带来一点有益的启发。

1 教学目标与教学内容改革

1.1 基于结果导向的教学目标修订

笔者所在的测控技术与仪器专业以培养应用型人才为目标，一年级开设的测控技术概论课程承担着启发专业兴趣、明晰专业内容、培养学习习惯、接续专业课程的任务。根据这一要求，在课程目标的设置上，除传统的了解专业历史沿革、定位、发展趋势外，着重突出以下两点。

(1)掌握测控领域使用的电子学基本概念、原理及应用现代测控技术中，无论传感器测量的是何种类型的物理量，最终都会转化为电信号进行处理。电子类课程也是本专业最核心的一个课程模块。因此，在授课时改变传统的内容划分方式，将传感与控制两个领域统一归结到电子学中，从电子学角度向学生介绍信号测量与控制的常用原理与方法，为学生搭建起使用电子技术实现传感与控制的知识框架，更好地与后续电类专业课程衔接。

(2)掌握电子电路常用元件、测量仪器的使用方法“在实验中发现学问”是一种非常适合工科专业的教学理念。教师课堂授课可认为是用理论指导实践，而学生在课余的探索则是用实践验证理论。此种方式对培养学生的专业兴趣、激发学习热情具有重要作用。这一过程的有效实施离不开良好的动手能力。因此在概论课中，从基础开始培养电子领域的实践能力也是一个重要目标。

1.2 基于PBL教学需求的教学内容改革

无论传感还是控制，归根结底都是采用电子学的技术对信号进行采集、传输和处理。在电子学中，实际上只有两种信号：数字信号和模拟信号。测控技术中使用的各式传感器、驱动部件都可以归结为这两种信号。每种信号又分为输入与输出两种形式，因此对测控技术的认识可以归纳为对数字信号的输入与输出、模拟信号的输入与输出4个过程的理解与学习。在教学内容设计上，以这4个过程为起点，向外延伸至更多种类的传感与控制技术。

内容确定后，下一步骤是根据PBL教学模式的需求将主要教学内容设计为可操作的若干主题项目。PBL是以学生为中心，以问题、项目为导向的教学方法。该方法的关键在于问题对学习过程的指导作用，项目对学习过程的实践作用，调动学生主动学习[1]。如何根据课程特色设置合适的项目是教学首先要解决的问题。改革后的概论课教学内容中，每个主题包含一个可操作的项目，涉及硬件、程序设计、信号测量与传感器、执行器控制4方面内容。在借助开源硬件技术完成项目的过程中，学生不仅加深了对理论的理解，还可从中学到元件特性、仪器使用等基本实践技能。主要教学项目如表1所示。

表1 教学项目与教学要点及实践能力项目对应表

表1(续)

在教学项目中使用开源硬件Arduino保证了学生的可操作性。采用Arduino微控制器的原因如下。

(1)现代测控系统中，微控制器(单片机、嵌入式系统)作为一种集信息采集、处理、控制功能于一身的器件，已成为主流的控制单元，广泛应用于各种智能化、自动化系统。使用微控制器作为载体讲解测控技术知识，符合行业发展的趋势，能够帮助学生更好地理解各种技术在产业中的应用方式。

(2)Arduino作为开源微控制器的一种，具有配套模块丰富、使用简便、程序设计语言友好、价格低廉等特点[2]。使用者不需具备专业电子知识，也能利用它读取各类传感信号、控制各类外围设备，快速构建出多样的测控系统。

与传统的纯理论讲授方式相比，主题项目式的教学趣味性与参与性都有所提高。根据难度合理安排项目顺序，由浅入深地使学生逐步了解电子学知识的种类、相互关系及应用领域。在边学边做的过程中，使学生逐步掌握现代测控系统的工作方式及相关技术，培养简单硬件系统搭建和软件编程的能力和初步的创新设计意识。

2 线上与线下结合的教学方式改革

随着虚拟现实和网络技术的发展，网络教育的前景也越来越广阔，虚拟现实和“互联网＋”环境带来的不仅仅是一个技术平台或工具，也会激发教学模式和教学方法的深刻变革[3]。主题项目式教学中虽然选用了门槛较低的Arduino控制器作为主控单元，但在学生尚不具备专业知识的前提下，如何安全、有效地开展教学活动也是一个需要解决的问题。为此课程借助AutoDesk开发的在线仿真平台tinkercad进行教学项目的在线仿真，营造了线上与线下、课上与课余结合的立体学习环境。以超声测距仪为例，使用在线仿真平台搭建并运行的电路如图1所示。由图1可看到tinkercad平台能够准确模拟出实物电路的现象，其所提供的传感器能够通过鼠标操作方便地模拟真实环境中物理量的变化。此外，该平台提供了种类丰富的传感、执行、电路搭建、调试元件与工具，完全可以满足概论课的教学需求。

图1 超声波测距仪仿真电路示意图

选择仿真平台作为主要授课工具的另一个原因在于学生使用方便、安全系数高。在学生从未接触过电子学的情况下，直接使用实物搭建电路，难免会出现错误，接电运行后轻则损坏器件，严重的可能带来人身安全事故。使用仿真平台可以很好地避免这些问题，当存在错误仍然运行时，平台会给出提示(如LED中电流超出其IFm时，会出现爆炸图标)。学生利用仿真平台可以安全地对电路进行个性化修改、运行并观察结果，有利于培养学生探索、发现并解决问题的能力。此外，在线仿真只要有网络的场所就可运行，打破了学习场所的限制，方便了学生的学习。

仿真平台的引入，使学生“做中学”成为可能，进而也为课程的考核方式带来了变革。课程不再采用提交报告、试卷等方式，转变为学生根据课程内容自行设计一个简单的测控系统，以提交实物或仿真方案的形式进行考核。此种方式有效地激发了学生的求知欲与积极性。在已完成的一轮教学实践中，学生为了实现设计的功能，会在课余时间查阅大量的文献资料，间接培养了学生的学习能力。经过自主学习的过程，学生对本专业研究内容、知识结构等也会建立更深刻的认识。

3 结语

测控技术与仪器是涉及电子学、光学、精密机械、计算机、信息与控制技术等多领域的交叉型学科。测控技术概论课程在课程体系中担负着专业启蒙的重要作用。本文利用开源硬件与在线仿真技术对概论课教学进行了2项改革。教学内容上根据行业发展趋势与PBL教学模式要求，设计了以单片机为控制核心的若干主题项目，将测控过程转换为对应的电子学知识融入项目；教学形式上引入在线仿真作为教学手段，破除了一年级新生进行实践时的知识与场地限制，贯彻了实验中发现学问的理念，培养了学生的实践意识与动手能力。经过一轮的教学实践，已通过课程孵化出省级大学生创新创业项目1项，校级大学生创新创业项目2项。学生的学习能力与积极性有了较大的提升，为后续专业课教学的实施、应用型人才的培养奠定了良好的基础。