基于项目实践的创新性人才培养“工程测试技术”课程改革
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作者:韩素立 罗华旭 王珺璇 王仁平 邵晶
[摘 要] “工程测试技术”作为一门多学科交叉知识汇集的综合性课程，是由传感系统与信息技术、计算机网络技术、检测技术、智能控制技术汇集而成的针对测控方面的应用的智能集合。不同的测试系统的机构原理与基本特性存在较大的差异性，而课程中对于测控系统的讲解偏向论述，学生缺少直观的切入式体验。故此，教学过程中，以实现测试技术与工程应用融合为目标，以嵌入式系统开发为主线，以项目教学为教学手段将上述教学内容有机结合，实施项目教学改革，从而加深测控学子对传感器原理与应用的理解，使学生的学习能力、实践能力和创新能力得到提高。该文对此进行了研究和论证。
[关键词] 工程测试技术;项目教学;实践能力课程改革
[基金项目] 青岛理工大学机械与汽车工程学院教改项目资金支持
[作者简介] 韩素立，工学博士，青岛理工大学机械与汽车工程学院讲师，硕士生导师，主要从事精密仪器、光学测试等相关研究。
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）23-0162-03 [收稿日期] 2019-11-27
一、前言
随着《中国制造2025》发展战略的实施，对传统的工程教育同样提出了新的挑战。就机械电子方向的学生而言，“工程测试技术”是一门重要专业课，该课程对传感器技术从机械电子方面进行了详尽的讲解，而传感器是现代信息时代获取信息的主要途径和手段，未来机械电子行业的发展离不开传感器技术。“工程测试技术”课程的预期目标是在学生已学习知识的基础上，融合各方面的專业知识，深入了解不同测试系统的结构原理和基本特性，进一步对测式系统的使用方法与工程应用进行分析。由于该课程中传感器种类繁多，原理与特性存在差异，因此该课程需要学生熟练掌握所修其他专业课程知识。
“工程测试技术”课程内容包括测控系统的基本特性、不同测试系统的工作原理、信号分析等内容。各种测控系统的机构原理与基本特性存在较大的差异性，而课程中对于测试系统的讲解偏向论述，学生缺少直观的切入式体验。另外有些教学内容在先修课程“机械工程控制基础”“机械设计”“数字电子技术”“模拟电子技术技术”“电工电子学”“误差理论与数据处理”等课程中均有所涉及，容易给学生一种课程内容更新率低的感觉，降低学生的学习热情。
“工程测试技术”课程综合性强，内容具有抽象性并且难以掌握，这使得我们在教学的时候很难完全通过书本对学生进行具有系统性、高效率以及高质量的教学。同时这门课程内容极多，在有限的课时里我们的学生往往无法完全掌握需要学习的内容。就以往的教学方法而言，面对教学任务重并且学生学习难度大的科目，课后练习是最常见的解决方法，但对于这种抽象性高并且存在设计及实践学习内容的课程往往收效不高。那么面对这种情况，如何将书本上抽象的文字内容转变为学生手上的实践项目，寓教于行，成为一个亟待解决的问题。为了响应项目教学改革。教学项目作为导师与学生共同完成的项目需要具有难度适中、贴近课程内容、符合技术发展方向等要求，因此笔者提出了一种基于光电识别的寻穴定位自动按摩系统的教学项目。
二、项目教学案例设计背景
“工程测试技术”这门科目知识跨度大、综合性强，针对这些问题，学院在实施“工程测试技术”教学过程中，以实现测试系统与传感器融合为目标，以实现基于光电识别的寻穴定位自动按摩系统为出发点，以嵌入式系统开发为主线，以项目教学为教学手段，将上述教学内容有机结合，实施项目教学改革[1-2]。
近年来，国家明确表明要推进中医药创新，并且提出了运用现代科技开发基于中医理论仪器与设备的战略规划。并且目前我国的中医理疗设备还处于刚刚起步的状态，世面上的中医设备往往还只是单纯的电子设备，拿世面上比较常见的眼部穴位按摩仪来说，它无法根据使用者的个体差异调节按摩的位置和力度，只能单纯的重复单一的动作和寥寥的几个程序。随着国民对中医理论的逐渐认可，中医理疗市场对高自动化、高精确度的中医理疗设备的需求日益增加。所以一种基于光电识别的寻穴定位自动按摩系统项目是被市场需要且符合技术发展方向。
同时对于学生而言，一种基于光电识别的寻穴定位自动按摩系统的设计过程中涉及“工程测试技术”中测试系统原理、传感器技术、自动控制原理等多方面内容，项目贴近课程。一种基于光电识别的寻穴定位自动按摩系统的设计难度主要在于嵌入式系统的开发及各种传感器的配合使用，对于学生来说都是学习计划里内容与实践的有机结合，虽然存在一定难度但完全是有可能实现的。
三、项目教学案例设计
（一）技术路线确定
首先引导学生明确项目设计主方向，接着由学生确定三轴联动平台与按摩装置的机械结构及连接方式，完成装置的机械设计;合理选取各类传感器，并确定传感器放置位置;选用主控芯片，完成电路原理设计、PCB设计;编写穴位定位程序、按摩力度控制程序、按摩温度控制程序，按摩路径控制程序;编写数据处理程序使中央控制器对装置实现闭环控制;完成装置组装，进行调试升级。
（二）项目成员分工确定
召集小组成员，明确项目工作任务，一起讨论任务分配，最终选出分别负责机械结构设计、电控设计、程序设计的小组成员，完成分工并定期召开组会解决小组成员的阶段性问题。
（三）具体项目设计过程
1.机械机构设计。机械机构部分由导师明确功能，与学生共同设计结构，整个机械结构应分为三轴移动平台部分与按摩头装置，三轴移动平台部分负责寻穴定位功能的实现，按摩头部分负责按摩的反馈调节控制，三轴移动平台与按摩头装置的设计图如图1、图2所示：
如图1所示，本项目中的一种基于光电识别的寻穴定位自动按摩装置包括XYZ三轴移动平台、按摩装置、穴位定位装置、人体参数采集装置，及电控装置，其中人体参数采集装置、穴位定位装置和按摩装置均设置在XYZ三轴移动平台的Z轴上，人体参数采集装置能够通过相关装置内的应变式位移压力传感器和温度传感器对使用者按摩部位进行体表温度和体表压力采集，穴位定位装置通过装置内的光电传感器对使用者进行穴位定位，按摩装置通过Z轴与XYZ三轴移动平台连接，且XYZ三轴移动平台能够带动按摩装置运动以调节按摩装置的整体位置。电控装置置于XYZ三轴移动平台的底部且与XYZ三轴移动平台、按摩装置、穴位定位装置、人体参数采集装置均电连接并能够对XYZ三轴移动平台、按摩装置、穴位定位装置、人体参数采集装置分别进行控制。 按摩装置包括按摩套筒、偏心按摩装置、用于带动所述偏心按摩机构旋转按摩的旋转按摩驱动机构。其中，偏心按摩装置设置在按摩套筒内，用于带动所述偏心按摩机构旋转按摩的旋转按摩驱动机构包括旋转电机安装座和旋转电机，旋转电机安装在电机安装座上，并固定在XYZ三轴移动平台的底部。偏心按摩装置包括按摩头和连接偏心轮，按摩头安装在连接偏心轮的轮圈上，偏心轮中心固定在按摩套筒内侧且与旋转电机输出轴固定连接。
本项目中的一种基于光电识别的寻穴定位自动按摩装置，上述机械结构设计及装配说明由学生总结并保存，方便之后的项目教学中学生参考以及学习。
2.电控设计。该部分設计学生在完成机械设计之后自主寻找合适的配件进行购买，之后在保证安全的情况下完成电控部分的组装。该部分的设计涉及“模拟电子电路”及“数字电子电路”中的知识，项目小组成员应该复习相关内容，明确仪器设计时应采用各种先进技术以获得最佳经济效果[3]。成本高昂的电路难以获得广泛应用[4]。为了买件的准确性，学生需要在购买配件之前完成电路原理图的设计并由导师完成检查改进，电路原理图如图3所示：
本部分设计需要确定实现此项功能的配件，其中按摩力度定量控制由应变式压力传感器实现，按摩点温度定量控制由温度传感器与发热片实现，人体参数采集及穴位定位由光电传感器实现，闭环回路控制由压力传感器、温度传感器、光电传感器的相互协助控制实现。
3.程序设计。由于本部分设计对于学生而言存在一定难度，导师应要求学生在开始程序编写之前透彻了解一种基于光电识别的寻穴定位自动按摩装置中各部分的工作原理及装置运行逻辑，并绘制程序框图。在检查无误后，导师进行保存，方便寻找后续程序编写中出现的问题，同时为之后的同学提供参考。程序框图如图4所示：在此部分的设计中，导师应该引导学生复习课程中所学知识，并对其进行扩展，在引导学生自主学习的同时，注重学生动手能力的培养，让学生真正做到在实践中学习。
四、结束语
针对“工程测试技术”课程中概念抽象、知识点发散、实践性强的特点，采取了项目教学内容。以光电识别穴位自动按摩为案例，利用多种传感器及光电识别技术在嵌入式开发系统中实现基于光电识别的自动寻穴定位。通过引导学生完成项目，将课程中的理论知识融入到动手实践中去，化抽象为具体，使学生更为深入的理解传感器原理。在学生学习自主性得到提高的同时，提升了教学效果。
参考文献
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[3]浦昭邦，刘庆纲.测控仪器设计（第3版）[M].机械工业出版社，2014.
[4]邱荣华，肖渊，周阿维，等.机械工程测试技术的创新设计实践教学方法[J].高教学刊，2019（2）：35-37.
[5]刘奇元，陈卫国，曾武军.机械工程测试技术课程的案例式教学实践[J].大学教育，2017（4）：79-80.
Course Reform of Engineering Testing Technology in Innovative Talent Training Based on Project Practice
—Taking the Project of Acupoint-seeking and Positioning Massage System Based on Photoelectric Recognition as an Example
HAN Su-li，LUO Hua-xu，WANG Jun-xuan，WANG Ren-ping，SHAO Jing
（School of Mechanical & Automotive Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao，Shandong 266520，China）
Abstract：Engineering Testing Technology，as a comprehensive course of interdisciplinary knowledge collection，is an intelligent collection of sensor system and information technology，computer network technology，industry technology and intelligent control technology for measurement and control applications.There are great differences in the mechanism principle and basic characteristics of different test systems.However，in the course，the theoretical explanation of the measurement and control system is emphasized，but the students lack intuitive experience.Therefore，in the process of teaching，the integration of testing technology and engineering application is the goal，the development of embedded system is the main line，and the project teaching is the teaching means.In this paper the above-mentioned teaching contents are organically combined，and the project teaching reform is carried out，so as to deepen the students' understanding of the principle and application of sensors，expand students' learning ability and improve the practical and innovative abilities.
Key words：Engineering Testing Technology;project education;practical abilities;curriculum reform
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