测控技术与仪器专业新工科实践教学体系构建探索
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作者:李少年 魏列江 梁金梅 王小睿
[摘 要]为了提升学生工程实践能力和创新能力，该研究根据新工科人才培养要求，构建了包含实验、实习、设计、科研创新课程等环节的实践教学体系，教学内容与能源动力装备及系统相结合，培养面向能源动力装备及系统的测控技术与仪器专业新工科人才。
[关键词]新工科;测控技术与仪器专业;实践教学;能源动力装备及系统
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）12-0053-03
新工科是高校培养工程人才的新要求，2017年2月以来，教育部及相关部门积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”，并且发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》，推动中国工程教育变革，探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。新工科包括传统工科专业的新模式建设和开设新工科专业。中国工程教育对新工科提出的要求主要体现在新理念、新结构、新模式、新质量和新体系这五个方面[1]。新工科同时提倡多学科的交叉与融合。
测控技术与仪器专业是机械、电子、测量与控制等多个学科知识综合以及现代传感技术、计算机技术和精密机械制造等多种高新技术交叉应用的前沿性、综合性专业。这个专业的应用范围较广，毕业生可从事测控系统与仪器的产品设计、技术开发、工程应用、科学研究和运行管理等方面的工作。虽然测控技术与仪器专业是传统工科专业，但其本身就是一个多学科交叉融合、位于科技发展前沿的综合性专业。兰州理工大学测控技术与仪器专业以电子、机械、测量与控制理论为基础，与所在学院的水力机械、液压传动和新能源等学科紧密结合。该专业提出以能源动力装备及系统为测控对象，测控对象明确，学科特色鲜明，具有综合性、交叉性和前沿性的特点，与新工科建设思想不谋而合。兰州理工大学的这个专业历年学生就业率接近100%，有将近一半的毕业生其工作内容会涉及能源动力装备及系统。
实践教学可以提升学生的实践能力，进而提高教师教学质量和学生的专业素质。新工科建设要求培养新工科人才的工程实践能力、学科交叉能力、创新能力、自主学习能力、人文素养和社会责任等[2]。兰州理工大学提出开展面向能源动力装备及系统的测控技术与仪器专业新工科建设，这就需要从实践教学的结构和内容上对实践教学体系进行优化与细化，特别是要做好与能源动力装备及系统测控对象相结合的问题，使其达到培养新工科人才实践能力的要求。
一、测控技术与仪器专业新工科实践教学体系的构建
（一）实践教学体系
测控技术与仪器专业属于工程类专业，除了要向学生讲授专业理论知识以外，主要培养学生的工程实践能力和创新能力。实践能力包括基本实践能力、专业实践能力以及创新实践能力三个层次。基本实践能力主要在公共基础课学习阶段培养，学生通过对数学、物理、计算机等知识的学习，锻炼基本的实验操作、实验数据分析、对自然科学与工程技术基本原理进行验证的能力。专业实践能力要求学生能够以传感器、测试理论、精密机械、工程光学、微机原理、自动控制等专业课程知识为基础，掌握测量、控制、仪表、误差处理等方面的专业综合实践能力。创新实践能力则要求学生在前两个能力的基础上进一步拓展，通过专业课程的学习，能够掌握测控系统与仪器的分析、设计、制造、维护、回收等相关步骤的操作，拥有分析、解决复杂工程问题的系统思维能力[3-4]。
我们根据测控技术与仪器专业人才培养目标与要求和实践课程教学大纲的相关规定，构建了完善的以“验证型—综合设计型—研究创新型”为架构的三层次实践教学体系。其具体环节包括课内实验、独立授课实验、课程设计、实习、科研创新训练课和毕业设计等环节，工程实践与毕业设计总学分符合工程教育专业认证通用标准的学分比例要求[5-6]。
测控技术与仪器专业的实践教学充分利用校内外实习单位的各种实践资源，培养学生的工程意识、协作精神以及综合运用所学知识解决实际问题的工程实践能力与创新能力，提高学生的综合素质，以适应测控行业对专业人才的多层次需求。
（二）主要实践环节及其对学生实践能力的培养
1.实验课程
实验课程可以让学生更好地理解消化所学的理论知识，本专业的实验课程包括课内实验和独立授课实验。课内实验指理论课程中间安排的实验，比如传感器原理及应用实验、光电检测技术实验、智能仪表原理与设计实验、测控电路实验等。电类实验需要学生搭建电路、测量电路参数;流体力学和液压传动相关实验需要学生观察并记录流体的压力、流量等过程参数，通过分析得到相关的实验结论。而独立授课实验则为独立开设、独立考核的实验课程，比如大学物理实验、流体控制工程实验。
要根据学生学习的兴趣和特长，围绕课程体系结构，开发综合性、设计型和创新型实验项目。教师在教学中要以学生为主体，充分发挥学生的主观能动性，在项目中做好辅助和指导，设计合理的目标和技术路线。学生要提前预习，自行设计实验的具体方案，进行实验操作并得到实验结果。
基础课程实验在开课学院的实验室进行，专业基础课和专业课的实验在本专业的实验室进行。兰州理工大学能源与动力工程学院目前的实验室有测控技术综合实验系统、流体控制工程实验台、光电传感器综合实验仪、测控电路实验台、电液控制放大器及系统实验平台等，另有一些相关的检测器件，可以保证实验的正常开课。
2.课程设计
课程设计是课程教学的深化和延伸，也是进行专业实践能力训练的主要方式之一，对引导学生学习综合知识、培养其知识运用能力和提高其工程实践能力起着十分关键的作用。根据兰州理工大学测控技术与仪器专业课程设置，学生需要完成四个课程设计，即电子技术课程设计、微机原理及应用课程设计、精密机械课程设计、传感器原理及应用课程设计。这四个课程设计所归属的课程群各不相同。前两个在基础课程学习阶段进行，主要培养学生对电子电路和微机系统的分析、设计能力。精密机械课程设计属于机械模块课程，培养学生的精密机械设计能力，完成设计对象的相关计算、标准的选用和机械图的绘制。传感器原理及应用课程设计培养学生掌握传感器及其处理电路设计的方法和步骤。通过课程设计这个环节，学生能够系统巩固和运用所学的理论知识，提高文字编写、文獻查阅、绘图和计算能力。 3.实习环节
实习环节是学生接触测控技术与仪器专业相关企业、巩固和拓展专业理论知识、培养实践能力的重要途径，在学生综合能力培养方面具有不可或缺的作用。在新工科专业建设过程中，尤其应注重教学环节与生产实践的结合。根据专业人才毕业要求，测控技术与仪器专业的实习包含校内实习和校外实习两大部分[7]。
校内实习为金工实习，主要内容为与机械制造相关设备及其工艺相关的训练，训练环节包括车、钳、铣、刨、磨等工种。校外实习有生产实习与毕业实习两类。
生产实习是在学生完成电路分析基础、模拟电子技术、数字电子技术等专业基础课学习后进行的。由企业具有丰富实践经验的工程技术人员与学校指导教师共同负责指导。实习内容分为两部分：一部分是工厂生产线的参观学习;另一部分是针对实习单位的产品进行电路分析、故障检测与排除，练习电路板的手工焊接技能，弥补理论教学中存在的不足。通过实习，学生能够联系生产实际获取电子电路设计、制造、试验、故障诊断等方面的相关知识。
毕业实习是在学生完成全部理论课程学习后进行的。通过在相关企业或者企业相关测控产品生产线的实习，学生可以全面、系统地学习测控技术与仪器在生产中的应用，了解生产管理经验，为毕业设计奠定基础。
学生在实习过程中可以了解相关行业规范和标准，思考测控系统与仪器设计的实践和解决方案对健康、安全、经济、文化及伦理的影响，理解测控技术与仪器领域实践对环境保护、社会可持续发展的影响和意义，学会在实践中遵守职业道德和规范，履行职业责任和义务。
4.科研创新训练课
科研创新训练课程是测控技术与仪器2017版培养计划新增课程，属于创新与创业教学模块课程。这个专业在本科第三学期将学生分为几个指导小组进入教师课题组。采取小组讨论的教学方式，除了开展科研项目研究以外，还对学生的科研创新进行指导，推荐其优秀作品参加各类科研创新竞赛。其教学过程践行创新理念，培养知识基础扎实、动手能力强、创新意识强的高素质测控技术与仪器专业人才。
5.毕业设计
毕业设计的基本目的是要求学生综合运用所学基础理论、专业知识和基本技能，提高分析和解决实际问题以及从事科学研究的能力，培养学生的刻苦钻研精神和认真负责、实事求是的科学态度，得到测控工程师的实际训练。毕业设计是大学实践教学环节的总结和提高，是学生毕业找工作和今后发展的基础和起点， 对于测控技术与仪器专业来说非常重要。毕业设计要求学生就选定的课题进行工程设计和研究，经过方案设计、原理设计、硬件设计、软件设计、调试等环节，最后完成实物产品制作。每位学生独立负责部分模块，最后所有模块形成一个整体。
兰州理工大学测控技术与仪器专业的毕业设计以测控系统或者测控仪器设计为主要内容，题目要符合专业培养目标和教学要求，主要来源于生产实践和科学研究，能够与科研和生产实际相结合，反映现代科学技术发展水平，体现本专业工程能力的训练水平，使学生得到比较全面的综合训练。历年的测控技术与仪器专业本科生毕业设计都属于工程实践类选题。
2017年，测控技术与仪器专业开展毕业设计一年制改革，学生按照科研训练课程分组。学生第六学期在导师课题组结合科研项目下发的设计任务做好基础准备与前期设计工作，第七学期在上课的同时也做毕业设计，第八学期进入集体设计阶段。自实行毕业设计一年制以来，学生的毕业设计质量得到明显提升。在完成毕业设计过程中学生不仅仅能够全面运用所学知识，还能够为日后融入相关行业奠定基础。
二、实践教学内容与能源动力装备及系统的结合情况
兰州理工大学测控技术与仪器专业提出以能源动力装备及系统为测控对象，在理论教学和实践环节开展过程中，将教学内容与能源动力装备及系统知识相结合，让学生得到相关基础知识的学习和创新能力的锻炼。
实验课程，比如流体控制工程实验、工程流体力学实验，其实验内容涉及温度、压力、流量等热功量的测量与控制。
课程设计中的传感器原理及应用课程设计，安排有能源动力装备及系统用到的传感器设计与应用知识，有助于培养学生设计其相关检测器件的能力。精密机械课程设计的内容为二级精密检测装置和其他精密机械系统，属于能源动力转换元件。
毕业实习主要在传感器、半导体、试验机和机床等五类单位进行，这五类实习单位各有特点，涉及机械、电子、仪表等学科，实习内容所涉及的知识符合测控技术与仪器专业人才培养要求。
传感器公司的主要产品是多种流体工程领域用的压力传感器和变送器，从扩散硅芯片、注油芯体到各类传感器电路、变送器电路、控制器、显示模块等产品，生产过程完整，学生可以看到整个传感器的生产工艺流程以及测试和试验流程，能够对各类压力传感器的关键生产设备和工艺有较深入的认识，为接下来的毕业设计和工作后的进一步学习打下较好的基础。
半导体公司的主要产品为半导体集成芯片，学生身穿防静电服进入对环境要求严格的芯片生产车间，对典型芯片生产的切片、涂膜、光刻、测试、封装等工艺进行实习，能够加深对半导体知识的理解。另外还到泵站芯片生产的泵站及其系统处实习。
所安排的实习单位试验机厂是我国材料试验机和力学试验机的主要生产厂家。实习内容为微机控制电液伺服试验机的液压伺服控制系统的组成，电液伺服阀动、静态指标，压力的測量，传感器的选用，压力信号的传输，控制信号的类型，常用的上位机应用程序开发软件等，测控对象、工作任务明确。
机床厂的主要产品为多种常用机床和液压机械，学生在机床生产线实习，学习各个工艺过程，主要内容包括液压机械组成、工作原理、信号的检测方法、传感器的选用等。
测控技术与仪器专业自创建以来，学生毕业设计的选题多数来自教师的科研项目，涉及液压传动、流体机械、流体参数测量、生物质能和风力发电系统等相关测控技术，与能源动力装备及系统测控对象结合最为紧密。比如能源方面的题目有“太阳热能与生物质能互补供能系统的压力测控系统设计”“太阳能电池板自动跟踪系统设计”“风机外场特性测试系统设计”等，流体机械和液压传动方面的题目有“电液伺服阀静态性能测试系统的设计”“气液两相流泵试验台分布式测控系统设计”“基于RS485总线的液压泵性能试验台监控系统设计”等，流体参数测量方面的题目有“人工心脏瓣膜返流量微机测试系统”等。指导教师要求严格，学生工作量饱满，通过毕业设计的训练，学生对于能源动力工程领域的测控技术有了一个全面的了解。
兰州理工大学测控技术与仪器专业的实践教学内容与能源动力装备及系统结合较为紧密，学生在学习测控专业知识的同时，对于能源动力装备及系统方面的基础知识与应用知识也有深入的认识，能够实现测控技术与仪器专业知识与能源动力装备及系统学科知识的交叉融合。
三、结语
测控技术与仪器专业是一个多学科交叉融合、与科技发展进步联系密切的综合性专业。为了培养更多优秀的测控专业人才，兰州理工大学以工程实践能力和创新能力培养为主线，构建测控技术与仪器专业的实践教学体系。其教学内容与测控对象能源动力装备及系统相结合，所构建的实践教学体系能够有助于培养具有较强的工程实践能力、学科交叉能力、创新能力、自主学习能力的新工科人才。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 陆国栋，李拓宇.新工科建设与发展的路径思考[J].高等工程教育研究，2017（3）：20-26.
[2] 王骏飞，许萍，那丽.地方本科高校新工科人才培养模式研究[J].高教学刊，2019（17）：163-165.
[3] 韩芳芳，刘丽娜，张宝峰，等.加强实践教学提高学生综合能力：关于测控技术与仪器本科专业实践教学环节设置的探讨[J].大学教育， 2014 （7）：109-110 +133.
[4] 李丽娜.测控专业关键实践教学环节的探索[J].大学教育，2016（1）：123-124.
[5] 王鹏.测控技术与仪器专业实践教学体系建设的探讨[J].时代农机，2017（8）：182.
[6] 李政清.测控技术与仪器专业实践教学环节改革的探讨[J].现代经济信息，2019（5）：431+434.
[7] 万里冰，齐红元.改进测控技术与仪器专业生产实习的思考与实践[J].大学教育，2018（8）：67-69.
[责任编辑：庞丹丹]
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