新工科背景下“测试技术”课程教学改革研究

［摘 要］ “测试技术”是机械工程专业的基础课程，其主要围绕传感器及输入输出信号分析与处理等内容展开，该课程与前期所学的多门课程交叉，且自身具有理论性较强等特点。针对现有的理论教学与实验教学模式的不足，为提升新工科背景下课程的教学质量，从课程体系的梳理与讲授、实验与实践环节等方面进行改革，通过强化实践教学，将改进现有教学方法、内容和实施手段作为加强学生创新能力的突破口。实践表明，课程教学改革能有效提高学生学习的兴趣及对知识的掌握程度，符合当前新工科建设与应用型本科高校人才培养课程改革的方向。

［关键词］ 新工科；测试技术；交叉；实践教学；应用型本科高校

［基金项目］ 2020年度浙江省教育厅省级线下一流课程资助项目“测试技术”（971）；2023年度湖州学院教育教学改革研究资助项目“测试技术课程教学模式改革”（hyjg202304）

［作者简介］ 许宇翔（1981—），男，浙江湖州人，博士，湖州学院智能制造学院副教授，主要从事机电一体化应用研究；李晓光（1979—），女，辽宁辽阳人，博士，湖州学院智能制造学院讲师，主要从事机器人非线性控制研究；张 岚（1981—），女，浙江湖州人，硕士，湖州学院智能制造学院讲师，主要从事微流控技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）03-0117-04 ［收稿日期］ 2023-05-10

引言

新工科是国家为应对新一轮科技和产业革命而提出的对高校工科教育新的要求，新工科建设主要涉及教学理念、结构、模式等方面的改革，其核心是提高人才培养的能力［1］。“测试技术”作为传统工科专业机械设计制造及其自动化的核心课程，课程内容包括了传感器本体及输入输出信号的调理、采集和分析处理等内容，是一门多学科交叉的课程，同时还具有应用型和实践性均较强的特点，对培养出符合机电方向发展需求的专业人才具有重要意义。现有的教学模式侧重理论知识，实验与课程设计等实践教学环节较薄弱，而原有教学目标中期望以实践教学促进理论教学的进一步消化吸收，提高学生分析问题、解决问题能力的初衷无法完全实现，同时教学安排和课程设置没有紧跟职业与就业岗位要求而进行及时调整，造成课程设置、教学内容偏离机械专业相关岗位要求和学科竞赛。因此必须对“测试技术”课程进行教学改革。

针对课程教学模式的改革，国内诸多教育学者提出了诸如将项目式、实验法、OBE模式和翻转课堂等新方法引入实际教学中，因此，教学模式也朝着多样化方向拓展［1-5］。在“单片机原理及应用”课程中引入项目式和案例式为导向的新工科教育工程教育模式，针对“电工学”课程分别提出了以实验为主的教学模式和以学定教的教学模式，以调动学生在课堂上的积极性与参与度；在“机械创新设计”课程中引入OBE模式，强调以学生就业中所需具备的各种能力作为其教学目标。在“船舶电力拖动基础”课程中通过将部分授课内容分解成多个专题，以自主学习等方式提升每位学生的参与度。

本课程以新工科对高校工科课程改革所提出的要求为依据，在实际教学中以体现传感器及相关技术的“融合贯通”概念和混合式培养模式，课程教学改革将实现如下的教学模式转变：以教师单纯的教授课程向以教与学相配合转变、以课堂教学为主向课内教学和课外实验与实践等环节结合转变、以结果评价为主向以结果和过程评价结合转变。

一、课程教学过程中存在的问题

“测试技术”课程中信号处理与测试装置的静态与动态性能等章节内容抽象、理论性强，而在实际教学中，理论教师偏重于理论推导与原理，同时受限课堂条件等，在理论教学的过程中不能很好地结合实际，教学仍然以理论讲授为主，辅以少量的实例演示模式，使得学生在学习过程中处于被动地位。在实际教学过程中，根据地方应用型本科高校的特点，如何合理安排与讲授“测试技术”课程理论和实践部分各自的比例，如何在掌握基本理论知识的同时提高应用型本科高校学生解决实际工程问题的能力，如何既要与研究型和综合型大学教学模式相区别，又要防止本科教育高职化，最后还要与系统、科学地研究规划学科知识体系相结合，使教学目标与应用型工科人才培养的方向一致。由于本课程需要前期专业基础课的支撑，学生通过课程的学习才能掌握进一步学习该课程的知识，但现有课程实验课时数较少，降低了由教师简单教学向实践应用的引导作用。

二、课程改革的创新

“测试技术”课程教学改革中形成融合与贯通的思维方式，将该思想贯穿到所学多门课程串联讲授中，同时以解决实际问题为导向，并在该过程中引入多媒体技术的混合式教学方法。“测试技术”课程改革的创新如下。

（一）研究案例式教学方法，将所学课程进行串联

本课程的实验以应变片信号的放大电路设计、调试与系统建模实现作为一个完整的案例。在整个过程中教师起支持作用，学生可以充分发挥主观能动性，通过前期分组锻炼团队合作、沟通交流等综合能力，同时将课程的理论融入计算机仿真教学环节中，通过前期所学的Altium Designer和Matlab等软件来提升实践能力和技能。通过课程的串联，确保前期课程为专业教学所用，专业教学为课程设计及后续工作所用。

（二）以问题为导向，提高学生的分析和解决问题的能力

以应力测试放大电路为例，测试传感器在受到外力过程中出现应变片信号微弱和干扰等实际工程问题，以该问题作为出发点，通过实践训练后达到能掌握传感器的信号输出调理电路的设计、系统建模与仿真等知识为目的的教学法，使学生达到提高专业知识的学习效率、培养创新精神以及提高分析问题和解决问题能力的目的。

（三）研究混合式教学法在课程中的应用

在课堂上结合多媒体技术、传统授课方式提高学生学习的兴趣，实验与实践课程中以案例工作为目标，专业教师通过充分利用现代信息技术，探索传统线下授课与线上教学平台结合的教学方法，以达到在合适的时间运用合适的方法达到最佳教学效果的目的。

三、课程内容的探索与组织实施

“测试技术”课程设计了以案例与项目为导向的教学模式，将传统线下理论教学与线上超星等教学平台的优势相结合，同时改进现有的实验环节，其组织实施如下。

（一）线下理论教学

1.课前：通过超星平台，将讲授内容的授课教案上传到超星系统中，并要求学生对难点和重点提前进行相互讨论并收集分析资料，提升了学生学习的目的性。

2.课中：线下采用重点精讲、讨论、解疑、汇报、总结的方式层层递进式教学，穿插讲解与该课程联系紧密的“高等数学”“电工学”和“控制工程”等课程内容，降低了学生学习该课程的难度，注重过程评价。

3.课后：将作业及评定方式、课后讨论与答疑相结合并延展至课堂外，并辅助QQ群、超星等平台打造高效课堂，以学生掌握基础理论、提升工程实践能力和养成良好学习方法等多个方面作为课后教学的目的。

（二）线上教学

基于超星平台上传了“测试技术”的课件、教案和章节，发布了任务，建立了每个章节的习题库，线上资源包括了大多数课程日常授课的内容，同时针对学生反映的第2章和第3章内容较抽象、较难理解等问题，在线上教学资源中开展相关内容的进一步讨论，主讲教师通过提出若干问题，并在线上进行答疑与互动，将抽象问题具体化，加深了学生对教材第2章和第3章中信号的傅立叶变换、测量装置的动态特性等内容的理解。同时学生通过完成相关课后测试内容，便于教师及时了解学生的学习情况。

（三）实验教学

按照“测试技术”培养方案的设定，该课程有3个实验，共6个课时，本课程实验根据机械专业的特点选取了对力、速度和温度等物理量进行测量的3个实验。

上述实验环节仍然是一种传统的教学模式，即学生在教师讲解实验原理和安排好实验步骤的基础上，“依葫芦画瓢”来做实验，虽然每堂实验课结束后都需要完成实验数据的分析处理和实验报告的撰写，但学生对实验中涉及的理论部分仍没有进一步认识，同时，实验设备无法将“高等数学”“电工学”以及“控制工程”等学生较难理解的课程内容以直观的形式展现，使得学生不能有效达到做实验的初衷，同时无法满足应用型本科教学中注重理论知识与实践能力并行提高的要求［6］。

针对实验环节中出现的问题，已经有不少教师尝试将案例和项目引入课程教学中，以期达到更好的教学效果，但也存在着上述案例与本课程关联程度不大且知识点分散没有构成一个完整的系统，甚至走回教师讲解多、学生动手实践少的老路。因此，课程教学改革小组成员基于“实验1—金属箔式应变片单臂电桥电子秤”的实验原理，结合现有实验平台的面板中所描述放大电路构成原理设计了一块基于多运放高放大倍数实验电路板，学生在自己搭建并焊接及调试电路后对基本放大电路和仪器放大电路等设计以及抗干扰等方面内容有了直观的理解，同时授课教师引导学生使用电子电路CAD课程中所学的Altium Designer软件辅助进行调试，使学生进一步掌握了基本电路的调试方法。

四、案例实施

为使得实验课中的测量对象能面向工程应用，因此选择以应变片单臂电桥实验为案例。

在讲授电阻应变式传感器时，为了能使学生掌握桥式的组成、信号的放大以及测试过程中干扰信号的抑制等方面的内容，设计了一块基于多运放高放大倍数实验电路板，并组织学生开展实验。该实验主要使学生掌握周期信号的频域描述、测量装置的静态特性、典型一阶系统的构成、信号的放大电路组成以及滤波器电路设计等内容。具体实施过程如下。

第一，先让学生利用电子电路CAD课程中所学的Altium Designer软件搭建面向应变式传感器的三级运算放大器电路，该电路中主要由3个运算放大器芯片OP07构成的仪器仪表放大电路以及由1个运算放大器芯片OP07偏置调零电路。上述搭建仿真电路，使学生能进一步掌握Altium Designer软件的仿真设计流程。

第二，引导学生对上述搭建的三级运算放大器电路进行静态特性分析，通过讲授使学生能够理解该系统的灵敏度G为文献［7］中图5-38的仪器放大电路放大倍数G1和文献［7］中图5-36（c）的差分放大器放大倍数G2的级联，即系统的灵敏度G即为三级运算放大器的总放大倍数，则各放大倍数分别为G1为25.5，G2为2.7，则系统的灵敏度G为68.85。

在仿真中通过设置输入激励信号为频率20 Hz，幅值0.1 V，占空比50%的周期性方波，根据Altium Designer软件的仿真分析可得，文献［7］中图5-36（c）的差分放大器输出电压的幅值为6.884 V，则该系统的放大倍数为68.84，即系统灵敏度与理论计算结果非常接近，在这个过程中，使学生能进一步认识到理论的重要性，同时学会电路系统中灵敏度等静态指标参数的计算。

第三，为滤除传感器放大过程中引入的高频干扰信号，提高系统的信噪比，在文献［7］中图5-36（c）的差分放大器电路中的反馈电阻R3上并联一个滤波电容C1，通过教师的引导使得学生理解该三级运算放大器电路已经由原有的线性系统转变成了一个典型的一阶系统，时间常数τ为2.7 ms。

经理论计算，学生可以得到输入激励为频率20 Hz周期性方波信号的上升时间为13.5 ms，同时通过Altium Designer软件仿真分析可得上升时间为15 ms，即仿真值与理论值较接近。在这个过程中，学生进一步掌握了一阶系统在阶跃等典型输入下的响应，同时也对计算一阶系统的上升时间有了定量的认识。

结语

与传统的研究型和综合性大学不同，应用型本科地方高校的高等教育培养不再是单纯的以学生掌握理论知识的多少作为标准，而是要让理论知识的掌握与实践能力的提升“并驾齐驱”，同时对于如“测试技术”等应用性较强的课程学习，借助超星线上平台、线下案例和项目式的教学方法引入与完善，该课程的教学改革也符合新工科课程改革的要求。从现有班级的授课效果来看，该教学改进方法能较好地解决课程授课过程中存在的课时少、学生人数多和教学资源不足等缺陷，使理论知识不再仅仅停留在纸面上和书本上，加深了理论知识的理解，提高了学生的学习兴趣，进一步培养了学生分析问题和解决问题的能力。