案例式教学在“精密测试技术”中的实践

李仙丽， 张逸群， 马 娟

(西安电子科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710071)

0 引言

“精密测试技术”属于信息科学的范畴，与计算机技术、自动控制技术、通信技术构成完整的信息技术学科，是在“自动控制原理”、“信号分析与处理”等先修课程基础上，面向测控技术与仪器、控制科学与工程、机械制造及自动化等专业开设的一门重要的综合性专业核心课[1～3]。本课程的目的是使学生系统掌握各种测试系统中涉及到的传感器原理与应用方法、信号分析处理方法以及能够组建完整的测试系统、分析和处理工程测试系统中的实际技术问题，这些内容在过程控制、质量检测、故障诊断、模态分析等方面应用极其广泛[4]。因此，“精密测试技术”这门课对于自动控制、机械制造业的信息化和创新型、综合性、适应现代科学技术发展人才培养中发挥着及其重要的作用。

“精密测试技术”课程内容涉及传感、电工电子、控制技术、信号分析与处理、机械等多学科知识，是一门面向应用、具有很强的实践性与综合性的课程。如果采用传统教学模式，学生将处于被动接受知识状态，缺乏兴趣和学习积极性，无法理论联系实际。实践教学则受到实验条件的限制难于接近工程实际。

1 教学案例选择路

案例式教学起源于哈佛大学的情景案例教学课，是指教师根据教学要求，设计相应的教学案例，组织学生针对案例内容，运用所学知识进行思考、分析和讨论，从而提升学生分析问题、解决问题的能力[5～7]。案例式教学法采取在实践中学习的方式，可以最大程度调动学生的主动学习热情和实践能力。案例式教学的核心在于教学的案例选择，案例选择合适，教学过程中学生的积极性高，教学效果就会事半功倍；案例选择不当，则事倍功半，无法体现案例式教学的优势。目前教材中的教学案例大部分知识点单一，且较为陈旧，脱离当前工程实际，难以引起学生兴趣。因此，如何选择合适的案例是主要教改内容之一。

针对该教改内容，本文对课程大纲内涉及的案例进行了选择，新的案例设计内容涵盖无人驾驶汽车、红外热像仪体温筛查系统、智能手机触屏以及指纹识别技术等，均是具有一定前沿性、创新性且具有较强工程应用背景的工业案例，每个案例对应的教学内容如下所述：

1)精密测试技术概论

这部分包括测试系统的概念及分类、测试技术的主要应用、发展方向和前景，以及测试系统构成、性能指标分析。课时安排总计4课时。涉及的案例有：

案例1：无人驾驶汽车案例-测试系统的应用；

案例2：实验室展开天线形面测量系统案例-测试系统的构成。

半夜两点，妻子从别墅的二层走到一层客厅，看到丈夫还在跟一帮赌友玩牌，就对他们说：“听着，能不能让我在自己的房子里安安静静地睡一会儿？”丈夫说：“轻点，亲爱的，现在这已经不是我们的房子了……”

2)传感器原理及应用

这部分内容包括电阻、电容、电感、压电、超声、红外、光电传感器的工作原理及其应用，课时安排总计16课时。涉及的案例有：

案例1：数字式体重秤实现案例-电阻应变传感器；

案例2：智能家居(智能电饭煲、智能空调、智能垃圾桶等)系统实现案例-电阻热效应等传感器；

案例3：汽车倒车雷达系统、医用B超系统实现案例-超声波传感器；

案例4：智能手机触屏以及指纹识别技术实现案例-电容式传感器；

案例5：红外热像仪体温筛查系统实现案例-红外传感器；

案例6; 智能机器人感官触摸系统实现案例-压电式传感器；

案例7：非接触式铁轨在线探伤系统实现案例-电涡流式传感器；

案例8：工业产品在线计数系统实现案例-光电、磁电式传感器。

3)测试信号处理及分析

主要内容包括测试信号的时域和频域描述方法、测试信号的处理方法(包括数字信号处理方法、自相关分析法、随机信号统计法等)，课时安排总计6课时。涉及的案例有：

案例1：汽车变速箱故障频率点监测系统实现案例-互功率密度函数法；

案例2：输油管道泄漏点监测系统实现案例-自相关分析法；

案例3：利用Matlab的数字滤波器分析医用心电图信号-窗函数。

4)计算机测试系统的组成

教学内容主要包括：A/D、D/A、数据通讯技术、各种通讯接口技术以及计算机测试系统的总线技术、虚拟仪器设计、网络化测试仪器设计。课时安排总计4课时。涉及的案例为基于分布式光纤光栅的天线形面变形监测系统，属于本实验室的科研产出，可以让学生现场参与实验设计。

2 案例教学内容设计示例

案例式教学的难点和重点就在于合理高效的教学内容设计。本文以红外辐射温度传感器为例，设计的教学内容安排如表1所示。

表1 红外辐射温度传感器教学内容安排

上课之前，通过网络发布红外热像仪体温筛查系统的教学案例(如图1所示)，让学生对案例有所了解，便于课堂互动。课堂的授课首先是案例的提出，就案例产生的结果提出问题，案例呈现可以通过多媒体和动画演示等方式，启发、引导学生积极加入案例分析中来。

图1 外热像仪体温筛查系统的教学案例

其次，教师将红外辐射相关的理论知识串接到案例剖析过程中，主要包括红外辐射三大定律普朗克定律、斯蒂芬-玻尔兹曼定律和维恩位移定律，并引导学生采用Matlab等相关软件基于普朗克定律绘制出不同温度下，物体的自发辐射功率、辐射波长与物体的温度之间的关系曲线图，如图2所示。图中，横轴是辐射波长，纵轴是辐射功率。从图中可以看出，物体的自发辐射功率与物体的温度呈一定比例关系。基于该数学关系，设计得到红外热辐射体温筛系统结构图(如图3所示)。

图2 物体的辐射功率与自身温度的关系

图3 外热像仪体温筛查系统内部结构图

3 案例教学考核评价改革设计

在教学方法上，实施案例式教学方式后，在教师的指导下，根据教学目标和内容的需要，运用具体的事例组织学生自主进行学习、研究，分组协作、交流、讨论。考核方式上，采用案例过程考核和综合测试、期末考试相结合的方式，具体如表2所示。其中，案例学习表现主要考察案例过程的交流讨论次数、内容和主观表现。综合测试采用雨课堂等PPT插件完成随机抽取的测试题，测试题主要为客观题。期末考试则采用试卷考核方式。

表2 考核项目及分值

4 结语

本文作者已经在2020年3月至2020年6月疫情期间网络教学过程中做过一学期案例式教学方式的尝试和探索，教学效果良好，学生兴趣浓厚，在教师指导下学生自主在家里完成了基于OpenMV的PID算法精密控制云台、感光灯电路设计、快件尺寸光电检测系统等设计，学生评教满意度达98%。

案例式教学和翻转课堂的混合教学方法不仅与实践紧密结合，可以引起学生兴趣，而且可以促进学生自主学习、协作学习、研究性学习、探索性学习。学生不仅能自主开展课程学习，还可以与同学进行分组协作学习，就案例进行交流、讨论等。因此，这种教学方法特别适合应用基础型和实践基础类课程，例如“精密测试技术”这门课，通过这种新型教学方式和组织、实施方式，在学习知识夯实专业基础的同时，更能锻炼和提高学生的自主学习与思考、积极创新与发展、团队协作与协调等能力。