机电类专业物探仪器开发所涉主体课程群建设与实践

李涛涛，何 宇，凌熊健

机电类专业物探仪器开发所涉主体课程群建设与实践

李涛涛，何 宇，凌熊健

（萍乡学院 机械电子工程学院，江西 萍乡 337000）

为满足仪器仪表行业高速发展对人才的需求，高校应适时改革人才培养模式和课程体系。针对应用型本科高校机电类专业学生从事物探仪器开发在校综合能力培养的需要，结合物探仪器的功能组成和所涉课程特点，探索性地开展物探类仪器开发所涉主体课程群建设与实践研究。构建了基于物探仪器“四组成单元”的主体理论与实践课程群，通过仪器的“三次分解”建成了主体课程群对应的教学资源库，对设置各类实践环节开展了综合实践创新。在“新工科”大背景下，该主体课程群的建设与实践研究可为物探仪器开发所需的应用型人才培养提供借鉴。

机电类专业；物探仪器；课程群建设

引言

仪器仪表产业是我国装备制造业的重要组成部分，是国家的基础性战略产业[1]。我国仪器仪表产业起步较晚，以物探行业的探地雷达[2,3]为例，其开始研制比德国晚了近70年。经过近半个世纪的努力，我国已经成为仪器仪表的大国，探地雷达装备及技术已经媲美欧美发达国家[4]。面对我国仪器仪表行业的高速发展，高校作为行业进步的人才动力源，为满足行业发展需要，必须适时地改革人才培养模式和教学课程体系。

仪器仪表开发是机械与电子类专业学生从业的主要方向之一，而物探仪器作为仪器仪表的其中一类，是从事地球物理勘探所必不可少的设备。物探类仪器通过感测地球物理场的变化来探测地下岩性、构造等，主要由电信号收发单元（传感器）、主控单元（主机）、机械结构（壳体）和数据处理单元（处理软件）四部分组成，仪器的组成结构相对固定。因此，相较于其他仪器开发而言，物探类仪器开发涉及专业课程知识面较窄。

当前，大部分从事物探行业的人所学专业为机电类和物探类，物探类专业主要从事物探仪器的工程应用，机电类专业主要从事物探仪器开发，两类专业学生因缺乏对方的知识背景进而制约了其在行业的成长速度和前景。为此，以物探仪器开发项目作为驱动，我们对应用型本科高校机电类专业的部分所涉主体课程群进行建设和实践：一方面实现课程群的交叉融合，知识点的有效串联，将课程所学应用到具体项目；另一方面以培养和锻炼学生的仪器开发的综合能力作为成果导向，以胜任未来仪器开发类工作。

1 物探仪器开发所涉主体课程群建设

物探仪器产业的人才培养要求一定是交叉学科的，培养课程群（体系）的建立要以物探仪器行业需求为导向，以工程实际为背景，以物探仪器仪表开发为主线，强化学生物探仪器产品开发和应用能力的人才培养模式。仪器仪表类人才需要掌握机、光、电甚至材料和工艺等知识，是名副其实的“知识复合型”人才，因此，培养课程体系建设相对复杂，需要打破学科与专业之间的壁垒[5]。在新工科和工程教育论证的大背景下[6]，课程体系建设应当以通识教育为基础，在实现“多学科交叉融合”的同时，更加注重“实践围绕”[7]。

主体课程群作为培养课程体系的基础内容和具体表象，是由除通识教育课程之外的专业基础核心课程和专业核心课程组成，可进一步划分为主体理论课程群和主体实践课程群。萍乡学院是江西省首批向应用型高校转型发展试点院校，为专一的物探仪器开发主体课程群改革建设提供了良好的外部条件。主体课程群建设是在机电类专业已有专业课程建设的基础上，增加部分物探相关的基础专业课程，调整好各主体课程群之间的关系，把重心放在课程间的内容衔接整合上。

通常物探类仪器可整体划分成四个组成单元，具体包括：电信号收发单元、主控单元、机械结构单元和数据处理单元。仪器的组成结构相对固定，如探地雷达包括天线、雷达主机、天线及主机机构、数据处理软件，地震仪[8]包括检波器、主机、地震仪壳体、数据处理软件。在仪器开发工作中所设定的具体岗位也相对固定，依次为IC工程师、硬件工程师、结构工程师和软件（算法）工程师。结合物探仪器组成及开发的特点，从传感器对电信号收发，到主控单元对信号的采集与传输，一直到最后信号的处理与解释，以及设备机械结构载体的设计，依次开展所涉主体理论与实践课程群的建设，具体如图1所示。课程体系中除了传统了机电类专业核心课程外，融入了地球物理专业的基础专业课程——地球物理勘探原理，专门针对地震、地电场信号创新了数字信号处理课程设计内容。

图1 主体课程群结构图

所构建的物探仪器开发所涉主体课程群涵盖了交叉学科的不同专业课程，围绕物探仪器开发这一核心问题，将每门主体课程关联到物探仪器开发的每一个环节。学生专业知识能力提升的同时，锻炼了交叉学科知识的理解和综合应用能力。这样的课程构建以学生的仪器开发能力培养为目标，以从事仪器开发为职业目标，充分体现了OBE工程教育模式的人才培养特点。

2 物探仪器开发主体课程群教学资源建设

在物探仪器开发所涉主体课程群构建完成的基础上，以常规的物探仪器（如探地雷达、地震仪等）作为资源载体，我们对物探仪器进行三次分解，开展主体课程教学资源的建设。首先结合常规物探仪器“四组成单元”特点，对仪器进行“一次分解”得到一级单元；再结合各一级单元的组成功能模块进行“二次分解”得到二级子单元，并将二级子单元归类到主体课程群的相应课程中；最后结合每门课程知识点，对每门课程下归类的二级子单元进行“三次分解”得到三级子单元。回溯三级子单元在物探仪器实际开发过程中所涉及的知识点，构建课程教学时关于物探仪器二级子单元的例程资源库和关于物探仪器一级单元的实验项目库，以及关于物探仪器组成单元的综合实训项目库。

以探地雷达的数据处理单元开发为例，开展所涉及主体课程教学资源建设，具体如图2所示。首先依据物探仪器的组成特点，将探地雷达一次分解出雷达天线、雷达主机、天线及主机外壳、数据处理软件四个一级单元。再根据组成功能模块进行二次分解，得到二级子单元，并将每个二级子单元归类到主体课程中。如数据处理软件分解成探地雷达数据采集上下位机采集软件和探地雷达数据处理软件三个二级子单元，对应的主体课程包括C/C++语言程序设计、算法与数据结构、计算机网络、数字信号处理、地球物理勘探原理。最后结合每门主体课程的知识点对每个二级子单元进行三次分解得到三级子单元。如对探地雷达数据处理软件三次分解后得到雷达数据的归一化处理、背景噪声处理、时频变换、滤波器、小波变换等，涉及数字信号处理课程中的采样定理、离散时间信号相关性与频率分析、频域与时域信号特性、傅里叶变换、滤波器设计等知识点。进一步回溯分解过程，依次基于三级子单元、二级子单元和一级单元构建课程的知识点例程资源库、实验实训项目库和综合实践项目库，可分别用于开展基础性实验实训、深度性实验实训和探究性实验实训。在OBE工程教育模式下，所构建的这种由易及难、由浅及深的三级实践教学资源库，可给予学生学习能力的分阶段、分层级地锻炼，同时建立起学生学习能力达成度有效的评价体制。

图2 主体课程群教学资源库构建（以探地雷达为例）

3 物探仪器开发综合实践创新

以往上述所构建主体实践课程群中的每门课程实验实践项目都具有一定的关联性，但课程之间的关联性较差，缺少统一的工程项目背景，致使学生无法实现课程间知识点的串联，进而缺乏对专业知识系统整体的掌握。我们所构建的主体课程群教学资源库，对主体实践课程群进行改革，所有课程实践环节以物探仪器开发为主线，通过实验实训项目库完成对单一课程的实践能力锻炼，再通过综合实践项目实现对学生专业综合实践能力提升。

结合物探仪器“四组成单元”的特点，我们探索性建立了综合实践微项目库，如“单通道雷达主机设计”“管线检车雷达设计”“单/多通道雷达采集下位机软件开发”“雷达数据轻型处理软件开发”等。在主体课程群完成后，独设实验实践课程的方式完成综合实践微项目开发，该环节综合应用主体课程群知识，以开发特定物探仪器微项目为最终目标。如“隧道900MHz探地雷达天线开发”，学生需要基于三维CAD和机械设计课程完成天线壳体和撑杆机构设计和优化，需要利用单片机原理及应用、C语言程序设计、电工电子技术基础等课程完成雷达采控卡、下位机采集传输程序开发。

总结

针对应用型本科高校机电类专业学生未来从事物探仪器开发工作，开展主体课程群建设与实践创新研究，是地方本科院校向应用型转型道路上，为社会培养专业人才的一次积极探索。根据市场对跨学科、综合性人才需求特点，适时开展机电类专业培养方案、主体课程群建设与实践的改革，可以为我校应用型转型发展和应用型人才培养提供借鉴。

[1] 于洋, 刘军, 赵亚威. 面向仪器仪表产业的课程体系改革研究[J]. 教育现代化, 2016, 3（38）: 101~102.

[2] 何宇, 向天毅, 凌志文, 等. 基于地质雷达的透水砖铺装道路结构层厚检测方法试验研究[J]. 萍乡学院学报, 2019, 36（3）: 21~25.

[3] 许献磊. 车载探地雷达系统的开发及其应用实验研究[D]. 北京: 中国矿业大学, 2013.

[4] 米宏泽. 地球物理勘查仪器研发新成果及国产品牌化发展研究[J]. 矿产勘查, 2018, 9（3）: 413~419.

[5] 林丽君. 测控技术与仪器专业本科课程体系改革与实践[J]. 知识经济, 2018（13）: 142~143.

[6] 赵晓艳, 刘攀, 张虎, 等. 多学科融合的新工科机电类人才培养模式探索[J]. 农业技术与装备, 2020（3）: 88~89.

[7] 郭秀梅, 王成义, 张萍. 浅谈新工科背景下电子信息类课程群建设[J]. 教育教学论坛, 2020（13）: 122~123.

[8] 王巨龙, 张怀柱, 玄金鹏. 宽频带地震仪数据采集及压缩传输的研究[J]. 现代电子技术, 2020, 43（4）: 100~103.

Construction and Practice of the Main Course Group Related to the Development of Geophysical Prospecting Instruments for Mechanical and Electrical Majors

LI Tao-tao, HE Yu, LING Xiong-jian

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Pingxiang University, Pingxiang Jiangxi 337000, China)

In order to meet the needs of talents in the rapid development of the instrumentation industry, colleges and universities must reform the learner training mode and curriculum system in a timely manner. Students majoring in mechanical and electrical engineering in application-oriented university require comprehensive ability to engage in developing geophysical prospecting instruments. In view of the need, the construction and practice of the main course group related to the development of geophysical prospecting instruments are explored combing with the functional composition of geophysical prospecting instruments and the characteristic of the involved courses. Based on the “four component units” of geophysical prospecting instruments, the main theory and practice course group is constructed. The teaching resource library for the main course group is built through the “three times decomposition” of instruction. The comprehensive practical innovation is carried out by means of setting up various practical links. With national strategy of “Emerging Engineering Education”, the research can provide reference for the training of applied talents for geophysical prospecting instrument development.

mechanical and electrical majors; geophysical prospecting instruments; course group construction

2020-03-07

江西省高等学校教学改革研究省级项目（JXJG-19-22-12）；江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ181104）

李涛涛（1988—），男，江西萍乡人，讲师，博士，研究方向：地质雷达装备及技术。

G642.3

A

2095-9249（2020）03-0089-03

〔责任编校：吴侃民〕