基于“项目式教学”的《传感器与工程测试技术基础》课程实践研究

曹修全，陈艳

（四川轻化工大学 机械工程学院，四川宜宾 644000）

“卓越工程师教育培养计划”是教育部贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》的重大改革项目，也是贯彻落实国家新工科建设与发展的重要抓手[1-3]。在此“卓越工程师教育培养计划”（2.0版）的关键时期，四川轻化工大学机械工程学院在教育部首批新工科研究与实践项目《面向智能制造的机械设计制造及其自动化专业改造升级路径探索与实践》的支持下，通过“自主申请”+“择优遴选”的原则，面向机械设计制造及其自动化专业，每届遴选30名学生组建“卓越班”试点，深入践行“复旦共识”和“天大行动”的新工科人才培养目标，为社会培养面向智能制造的多元化、创新型卓越工程人才[4-6]。

《传感器与工程测试技术基础》课程作为机械设计制造及其自动化专业卓越班的核心选修课程，是面向智能制造的应用型专业人才必须掌握的知识板块，也是新工科改革范畴的重要组成部分。本课程旨在培养学生掌握“测试系统基础知识”→“数据的采集”→“数据处理与信息提取”等涵盖工程测试各环节的测试技术基础知识，并能面向工程项目完成测试任务，从而培养学生的工程意识和工程素养，使其具备将所学理论知识应用于生产实践中解决相关测试问题的能力[7-9]。

在此背景下，传统的重考试、重理论的教学模式已无法适应卓越工程师培养计划要求，难以培养出面向新工科的复合型科技人才。为实现《传感器与工程测试技术基础》课程培养目标，迫切地需要在课堂教学与课程评价机制等方面进行深刻反思和改革，从而贯彻落实我国现阶段所倡导的创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念，培养具备实际工程应用能力的卓越工程人才，以适应以新技术、新产品、新业态和新模式为特点的新经济模式[10-12]。

因此,本文基于面向智能制造的卓越工程师培养计划，通过分析《传感器与工程测试技术基础》课程特点,提出“项目式教学”融入科研实践的新模式：通过解决指导教师科研项目中的实际测试问题，将课堂理论知识应用于工程实践，实现“以学致用、以用促学”，并以“翻转课堂”的方式增强学生课堂参与感，培养面向智能制造的卓越工程师的工程实践能力，以实现卓越工程师培养计划。

1 教学课程特征分析

1.1 课程特点

《传感器与工程测试技术基础》课程重点阐述“数据采集”“数据传输”和“数据处理”三大板块内容。

（1）数据采集：重点掌握应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、热电式传感器等十多种常用的不同类型传感器的工作原理、结构及其典型应用，涉及材料学、热力学、电磁学、光学、制造加工工艺等诸多学科。

（2）数据传输：重点掌握信号的调制与解调、滤波、放大等常用的信号传输技术原理及其应用，涉及电子电工技术、机电控制技术等多学科知识。

（3）数据处理：重点了解拉普拉斯变换、傅里叶变换、均值、幅频分析等常用的数据处理方法与手段，明确从“信号”中获取“信息”的方法，主要涉及数理统计、概率论等数理知识。

因此，《传感器与工程测试技术基础》课程知识结构复杂，知识点分散，对前置课程的学习基础要求较高。另外，在各类科学技术发展的刺激下，新型传感器及数据数理手段层出不穷，必须紧跟科技前沿，保障授课内容的与时俱进。

1.2 学习对象

《传感器与工程测试技术基础》课程是为深入践行“卓越工程师教育培养计划”而为我校机械设计制造及其自动化专业卓越班学生开设的一门核心选修课程，在大三下学期进行授课。机械设计制造及其自动化专业卓越班学生具有较好的学习习惯和自学能力，并且已经具备了一定的电子电工、材料学、数理统计、制造加工工艺等相关课程基础，但部分学生对前置课程的学习深度不够，导致对本课程中涉及的深层次理论知识的理解难度大，从而只能理解和掌握基本原理和较为简单的工程应用。另外，从历年考研数据来看，机械设计制造及其自动化专业卓越班的大部分学生都选择考研，有必要注重学生科研精神和探究新知识能力的培养，尤其是将理论知识融入科研项目实践能力的培养。

2 “项目式教学”教学活动设计

《传感器与工程测试技术基础》课程教学活动方案如图1所示，从教学结构、学生学情出发，重点分析本课程教学内容：理论教学+实践教学，以“翻转课堂”式理论教学讲授理论知识，支撑实践教学实施；通过实践教学完成科研项目中的测试任务，验证理论知识，从而将“项目式教学”深度融入课程教学中，培养学生将理论应用解决实际工程问题的能力，并增强学生的成就感，有效提高学生学习兴趣和掌握知识的能力。

图1 教学活动设计方案

“项目式教学”以理论知识为依托，在实践教学中践行，通过将任课教师科研项目中的测试任务分解，让学生以小组为单位每组完成一个测试小任务，利用所学理论知识，制定详细的实施方案并执行，以实际工程效果检验方案的可行性，并通过答辩、现场演示、设计说明书等方式考核小组学生任务完成情况，从而让学生深刻理解学习的重要性，并培养学生的实践能力。

3 面向应用的项目式教学实践

任课教师在前期科研项目中为进一步拓展等离子体技术的应用领域，需要实现对等离子体束性能的监测，重点包括等离子体发生系统弧压、功率、热效率、热焓值等特征参数的监测。要实现前述特征参数的监测，需要实现对等离子体发生器弧压、工作电流、冷却水流量和进出口温差、工作气流量大小五类测试对象的信号测试。通过对项目需求的深入分析，拟采用图2所示的硬件框架示意图完成对相应信号的测试，实现对等离子体发生系统性能的监测。因此，将 “等离子体性能诊断”科研项目中的测试任务分解为：弧压信号测试、电流信号测试、冷却水流量测试、冷却水进出口温度测试和工作气流量测试五个小的测试任务。为与测试任务对应，将卓越班学生按照6人/组的方式分为5组，各领取测试任务一个，主要目标为：根据测试需求，设计测试系统方案并执行，分析测试结果，提取有效信息，实现对某测试对象的测试任务。每组学生学设组长1名，负责小任务的分工与管理工作。基于前述描述，面向应用的“项目式教学法”的具体实施步骤如下所述。

图2 监测系统硬件电路框架示意图

（1）任务分解。

如前所述，将“等离子体性能诊断”科研项目涉及的测试任务分解为五个小测试任务：①弧压信号测试、②电流信号测试、③冷却水流量测试、④冷却水进出口温度测试、⑤工作气流量测试。

（2）小组分组和任务领取。

根据测试任务数量，将卓越班学生分成5组，每组领取1项小测试任务。

（3）任务执行。

小组在领取测试任务后，根据测试任务，制定详细的测试方案并执行，检验方案的可行性。以第一小组的弧压测试任务为例，具体执行过程如下：

①测试对象分析：弧压的工作范围为150～250V，超出了信号采集范围，因此，需要考虑进行降压处理。故基于电阻串联分压原理，利用1个29K和1个1K的电阻串联，采集1K电阻上的电压值，获得降压比为1:30的原始数据信号。

②测试电路分析：因工作环境中含有大量电磁干扰，因此采用屏蔽线进行信号的传输线路；为避免高频信号的干扰，采用RC低通滤波器实现对高频信号的滤除；为隔离测试电路与数据采集电路的相互影响，采用光电隔离模块将测试电路和采集电路物理分离。

③数据传输分析：按照前述降压及相应处理后，电压信号降为5V-8.3V的低压信号，利用LABVIEW软件编写采集程序，由NI -USB6210数据采集卡将数据信号传输至电脑端。

④数据处理分析：利用LABVIEW软件，将所采集的信号还原为原始信号，并求取其均值、波动范围等，进行傅里叶变换、幅频变换等，从而获取平均电压、稳定性、频域信号等有效信息，分析等离子体发生系统弧压特性。

⑤系统优化设计：根据实际运行情况，对测试系统进行优化设计。

经上述步骤，学生完成的测试系统硬件如图3所示。

图3 弧压测试硬件电路示意图

（4）小组考核。

任务小组根据前述情况，完成说明书撰写，重点阐述：测试对象、设计方案、实施过程、问题及解决方案、实施结果、经验总结等几部分内容，并将相应内容与完成情况做成PPT，以小组为单位进行展示与交流，共同讨论工程测试相关问题。指导教师根据学生完成情况及报告情况进行考核，重点考查学生对课程知识的理解及其应用于解决实际工程测试问题的能力。

（5）“项目式教学”实施情况。

通过采用“项目式教学”，将指导教师的科研课题“等离子体性能诊断”项目中的测试任务进行分解，各小组通过与指导教师的交流沟通和小组成员的精诚合作，出色地完成了各自的测试任务，成功利用《传感器与工程测试技术基础》课程所学理论知识解决“等离子体性能诊断”项目中的工程测试问题。“项目式教学”的实施不但解决了科研问题，还明显加深了学生对课程理论知识的理解，有效培养了学生的科研素养和实践能力，提升了学生学习本课程的兴趣。

4 结语

本文为探索提高《传感器与工程测试技术基础》课程教学效果，提出了以“翻转课堂”教授理论知识，以“项目式教学”引导学生利用所学理论知识解决指导教师科研项目中实际工程测试任务问题，从而实现理论与实践的有机结合。经实际检验，教学效果明显提升：①学生学习兴趣明显提高；②学生对传感器的工作原理、信号中信息的提取方法等理论知识点的理解明显提升；③学生通过解决实际工程测试问题，掌握了将理论知识转化为解决实际工程问题的方法，有效提升了学生的实践创新能力。本课程教学改革的实施，有助于实现 “卓越工程师教育培养计划”的预期目标。