新工科背景下“传感与测试技术”教学探索与改革

［摘 要］ 在新时代的卓越工程师与智能制造工程师培养体系中，“传感与测试技术”是专业技术性极强的核心基础必修课程。随着“互联网+”和“人工智能+”的强势崛起，新工科建设对“传感与测试技术”课程的培养目标及时更新，对课程传授模式有了全新的需求。为使该课程在机械领域的培养模式达到新工科建设需求，对当前教学现状中的矛盾与不足进行了讨论，从教学环境、实践方案、思政元素等三个方面探索了在新环境下的教学实施方法，期望可以推动机械工程专业创新人才培养进一步发展。

［关键词］ 新工科；传感与测试技术；智能制造；教学改革

［基金项目］ 2024年度北京工业大学教育教学研究课题“‘传感与检测技术’虚拟仿真实验教学”

［作者简介］ 张 坤（1991—），男，河北张家口人，博士，北京工业大学机械与能源工程学院讲师，主要从事数字信号处理与设备智能运维研究；胥永刚（1975—），男，河北保定人，博士，北京工业大学机械与能源工程学院教授（通信作者），主要从事数字信号处理与设备智能运维研究。

每一个新时代都伴随技术的革新和模式的更迭，而当前快速发展的科技以及日益加快的生活节奏对全新技术生态、产业模式、人才培养、学科建设有了更高、更明确的要求，推进新工科发展与建设并匹配科技前沿学科是当前社会发展的基础前提［1］。

人类科技的发展过程是一个不断触及瓶颈并突破再高度发展的迭代循环，这意味着交叉学科作为关键技术的突破点被逐步肯定。培养一方面具有创新能力，另一方面在交叉学科有推进能力的创新型人才有助于补齐前沿科学攻坚团队的软肋和短板，为新科技、新应用、新变革提供新思路和新手段。“传感与测试技术”作为北京工业大学机械工程专业大三的专业基础必修课，在创新能力和工程实践能力人才培养方面有着举足轻重的地位［2］。在课程基本要求中，学生需要掌握传感器的基本知识，了解传感器的构造和基本原理，理解测试系统的静态特性、动态特性及其组成。另外，需要学生掌握一些基础信号分析方法，着重介绍传感器及对应的测试系统在工程中的应用案例和必要性，从而提高学生对理论与应用的见识和理解。

“传感与测试技术”课程要求学生掌握传感器的基本原理、测试系统的组成及特性、信号分析方法，以加强学生对传感与测试相关理论知识的掌握，提高工程应用能力［3］。

本文对“传感与测试技术”的课程特点及矛盾、研究对象的滞后性进行反思性研究，希望探索出新工科背景下教学改革的可行性和可研究方向。在“互联网+”和“人工智能+”的基础上，引导学生了解新时代对传感技术和测试技术的高要求，构建传统传感、交叉学科需求、人工智能测试等新理论框架，提高学生对万物互联需求下的传感网络及测试体系的初步了解，提高学生对人工智能算法的兴趣，确保新工科建设顺利进行。

一、新工科背景下的教学现状与反思

（一）课程特点及矛盾

“传感与测试技术”课程中有一个非常明显的矛盾点，即课程极强的理论特性难以与专业高度工程实践应用需求相兼容。

强理论特性来源于其多学科交叉的特点，这也是该课程开于大三下学期的主要原因。学生需要先修“理论力学”“材料力学”“大学物理”“模拟与数字电路”“自动控制原理”“控制工程基础”等课程。在先前学习的基础上，该课程进行了拓展理论讲解。晦涩的公式推导和复杂的理论计算给教师讲授以及学生的课程学习带来了很大的困难。对于教师来说，要平衡公式讲授的时间与难度，要避免长时间讲授致使学生听不懂或跟不上进而半途被动放弃学习的情况，还要尽可能找趣味化公式。对于学生来说，在四五节课的时间里记忆并理解一个交叉学科的公式理论也非常困难，且难以理解其必要性以及诸多理论与工程应用之间的联系，这也是阻碍课程传授的关键点。

工程实践需求源自课程背景面向机械工程，尤其是基础工业设计、装备、制造、工艺等环节中。对于教师来说，关于传感器的讲解只能由浅入深、由旧谈新。针对传感器设计原理的案例，避免不了介绍最简单元和老旧设备中的设计灵感。该课程配套了对应的课程设计，要求学生自行查阅文献并现场调研，寻找机械工程中的测试需求，挑选合适的传感器并依据所学电动学知识基础设计对应的测试电路，评估设计方案的可行性，动手焊接电路板并学会调制和寻错，培养学生发现需求、创新设计、分析问题、学科融合的概念与技能。虽然在理念上希望学生可以自行瞄准行业前沿科学问题或生活与社会的需求，将课堂所学融会贯通，锻炼小组合作的分工、配合与互帮互助，但工业现场的复杂性还是超出了课堂所学，也影响着学生对该学科的基本判断。

（二）研究对象的滞后性

我们处于信息大爆炸的时代，社会科技呈快速发展的态势，诸多先进传感器和测试技术更新迭代，“互联网+”“人工智能+”和“协同制造”成为各行业发展的主流。

与其他行业不同，机械行业的设备更新速度相对较慢。这由其行业特点决定。机械行业对新技术的需求远不如对稳定性的需求重视。对于某一类机械设备来说，其操作的稳定性和安全性的重要性远远高于先进性、操作性和便携性。这导致机械行业在传感器更新和测试技术迭代过程有天然的滞后性。传感课程的内容也在此背景下有了滞后性。课程教学更多地侧重于传统传感器和基本的测试系统，并未过多地讨论新型算法。在大数据时代背景下的机器学习、人工智能已经渗透诸多行业的方方面面，故步自封不能促进行业发展，也无益于课堂传授和新工科发展。“传感与测试技术”作为机械工程、卓越工程师、智能制造工程的基础核心课程，其教材与授课内容在新技术方面需要与时俱进，尚有提升空间。

二、卓越工程计划、智能制造工程中的新工科探索

（一）面向卓越工程计划的新传感测试技术

经过十余年的发展，卓越工程计划有了一定的底蕴和经验。卓越工程计划是区别于机械工程的专业化程度更高、理论基础更扎实、设计能力与创新能力需求度更高、培养目的更明确的学科，其教育计划是为机械工程培养和选拔具有高级工程能力的人才。传统教学方案中的理论部分对于卓越工程计划班的学生来说压力相对较小。因此，可以在学科教育的前提下，融入人文和工程教育，培养领域知识、创新设计能力、人文科技综合素质等方面均衡发展的卓越人才。

专属课堂会综合先修专业知识，拓展测试理论与信号分析理论，结合测试系统设计案例和实测数据分析案例，培养学生面对工程需求的思维应变和设计敏感。虽然互联网技术与人工智能技术的理论较难，但在传感技术、测试技术之后融入更多的智能分析技术非常必要。卓越工程计划需要更早地接触前沿科学基础，更快地接受交叉科学背景下的科技导向，在面对智能设计制造、智能工艺创造、智能数据分析等需求时，拥有快速学习和应变能力。

（二）面向智能制造工程的新传感测试技术

为响应国家对智能制造人才与科技培养的战略性需求，智能制造工程专业应运而生。对应的智能传感技术是传感与测试技术的新工科试验。学生需要具备产品的智能化设计、开发、制造等能力，需要了解最新的科学技术并从事智能制造领域的设计与开发工作。

虽然智能制造工程出现的时间不长，但“智能”与“协同”已成为学科的核心，也是新工科探索的先锋军。在“智能制造”课程教学过程中要避免在普通传感器、简化测试系统、简单信号分析中画地为牢，要脱离传统的由简入繁和由浅入深。在智能制造中的智能传感、智能检测以及智能算法应立足于学科交叉和前沿科技需求，寻找时代发展最新话题。例如，智能轴承的设计与监测。区别于普通轴承，智能轴承中添加了电路板，相当于内置了传感器和检测装置。该专业需要了解并掌握类似特殊环境和工况下的智能算法，以“互联网+”和“人工智能+”为基础学习物联网传感网络和大数据智能算法相结合的智能诊断系统或健康评估系统。

三、教学改革探索

（一）教学环境改革

“传感与测试技术”课程拥有专业基础理论性强、学科交叉科目多、工程实践能力要求高等特点，教师教学过程应有所取舍并进行针对性教授。对于机械工程专业的大多数学生来说，花费太多时间去理解和掌握每一个理论的所有公式推导过程意义较低，而且很可能导致学生厌学。面对这种情况，针对涉及的理论知识有必要进行选择性讲解，侧重让学生理解这部分理论对于工程应用的重要性和宏观意义。当前教材在测试系统和信号处理方面传递出大量信息，详细介绍了系统动态特性和静态特性，重点研究了各种理论公式的推导和变换，而学生兴致更高的工程应用和创新思维排序靠后。这会导致部分学生因理论理解困难失去了后续学习的动力。

在新工科时代的教育过程中，有必要重新定义学生学习能力的范畴。教师教授应秉持“授人以鱼不如授人以渔”的原则对不同学生的培养加以区分，学情不同方案也应不同。倘若过多地讲解公式如何推导、时频如何变换，不如去阐述不同领域信号的物理意义和研究价值，将研究推导过程的橄榄枝递给学生，用兴趣引导学生研究，而非“填鸭式”传授。

对于卓越工程师和智能制造工程的学生来说，有必要增加智能传感阵列基础上的万物互联相关教学、涉猎人工智能算法和机器学习基础技术，引导学生主动检索国际研究前沿的人工智能热门算法。添加汽车智能驾驶系统中的智能传感技术、智能测试技术、智能驾驶系统算法等的介绍，引导学生对周围的智能传感与测试技术进行探索和学习，建立现代意义上的“传感与测试技术”和真正先进的新工科。

（二）实践方案改革

现行的课程实践方案虽定位于身边的“传感与测试技术”，期望学生主动寻找社会需求并探索前沿技术，但实际上收效甚微。其根本原因是学生在“传感与测试技术”课程开设的大三学期尚难以形成系统的社会科学发展程度的概念，只能片面地接受外来知识。当然这也意味着以问题为驱动的学习模式更适合学生探索未知并解决技术难题。

在关于工程实践的教学过程中，教师可以考虑设置能够覆盖部分教学内容但需考虑多学科交叉合作的真实项目。这里的关键问题是拟研究项目需紧随当前时代热点。以华为最新的问界M9为例，其内部集成了超声雷达、视觉传感、多传感联动、智能避障、交通灯识别以及智能语音系统等。教师可以此为例，邀请所有学生共同探讨其中涉及的传感技术、测试技术和智能算法；针对每一套系统分不同的组别进行研究；针对同一研究对象，学生可以互相探讨共同研究，合作交流。问题的解决方案可由繁至简、以小见大；方案的解决可以跨学科融合。

在智能算法领域，重点引入机器学习和深度学习。引导学生培养从庞杂的信息中提取需求内容的能力，建立数据自信。教师需要把控教学节点，既不能让学生产生知识搬运的侥幸心理，也不能让学生困于浅层思考的误区，要将人工智能当作工具去减轻人工操作的工作量。以真实项目为基础，探索不同算法在智能诊断过程中的优势与不足。

（三）思政元素改革

“传感与测试技术”课程中包含的传感技术、测试技术、智能分析与诊断技术都属于新工科建设过程中涉及国家新时代战略发展需求、国防安全需求、新能源安全需求的关键技术。教师在教学过程中，不仅要考虑人才技能培养，更要考虑人才思政培养。习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面［4］。一方面，为师要立德，师之传意味着徒之承；另一方面，学生要正心，心正则德正、德正则学正。在新工科建设时代，需要课程教师明白要培养什么样的学生以及如何培养学生，最重要的是要明晰为谁培养。授课者应坚持科学育人，培养学生正确的价值观，为党和国家发展需求培养科研与实践并重型的人才。

“传感与测试技术”的重心是要解决工程中的实际问题，需要在了解基础知识的情况下结合工程实践，对国内、国外当前研究现状进行调研分析，引导学生建立爱国主义情怀、立志为国拼搏、冲破瓶颈、刻苦努力、谦虚自信的品质和信念。带领学生参观国之重器并剖析战略工程中的传感技术、测试技术和智能分析诊断技术，讲解前辈的奋斗历程，培养学生面对困难勇于挑战的品质，增强学生的工匠精神和责任担当意识。在课程讲述过程中融入习近平总书记对碳达峰、碳中和的指示，清洁能源中的智能测试技术与生态文明理念，培养绿色科技、生态文明可持续发展理念。