测控技术综合实训模式的探索与实践

摘 要：测控技术综合实训教学的探索与实践充分体现了应用型人才评培养的目标，把学生从被动地接受知识转变为积极主动地思考问题、解决问题。从教学目标、实践内容、实施方法、典型事例等方面阐述了如何实现一种以具有工程背景的课题为主线，教师为主导，学生为主体的综合实训教学模式。实践结果表明，通过本实训，学生解决工程实际问题的综合能力有了很大的提高。

关键词：测控技术 综合实训 实训模式 教学实践

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（b）-00-04

1 探索测控技术综合实训教学的背景

测控技术及仪器专业是1998年教育部调整新的本科专业后，把仪器仪表类原来的11个专业归并为一个大专业―测控技术及仪器[1]。随着国内经济的高速发展，我国的高等教育模式正在从精英教育向大众教育发展、过度，教育活动的目的也由过去的专才教育转变为通才教育或者通才教育与专才教育相结合。我国现有180多所高等学校设有“测控技术与仪器”专业，由于各学校原来的相关专业情况和发展历史不同，现有的办学条件、专业规模、教学水平也各不相同。2006年，测控技术与仪器本科专业依托我校机电工程系正式开设，本专业开办之初，教学体系大多参照重点院校教学模式，由于我校的立足点为应用型人才培养，在传授给学生一定理论知识的同时应注重学生的实践动手能力和知识的灵活运用与综合能力。我校的办学宗旨是努力将学校建成一所以工科教育为主导，以应用型人才为培养目标，在全国同类高校中办学特色鲜明、学科专业优势突出、综合竞争力较强的一流应用型理工大学。

几年的教学实践表明：在专业基础条件、师资条件、实验条件、人才培养定位和科研项目等方面我校与参考院校有着极大的差异，测控专业的教学如果不结合本校的特点，教学效果、人才质量与培养目标将相去甚远，很难反映我校应用型人才培养目标的定位与特色。学生能否在学校中就能独挡一面地参与企业的生产活动？怎样能使学生的知识和技能紧密地结合，能切实解决生产中的实际问题[2-3]？因此必须探索适合应用型人才培养模式的测控技术综合实训方案。

2 测控技术与仪器专业实验及实训方面目前存在的问题

测控技术与仪器专业是一个交叉学科，作为一名一线教师，经常了解到许多学生普遍感觉专业课程多、杂、乱，“光、机、电、计算机、控制、信息处理等什么都学一点、又什么都不会。”这是测控专业教学中学生普遍感到困惑的问题。实验与实训是帮助学生对抽象的测控理论知识理解与运用的关键环节，但传统的测控系列课程实验仪器为方便操作、验证教师在课堂上所讲的理论知识，许多均为“傻瓜型”，信息采集与处理的集成度很高，具体过程及许多中间环节都以一个不透明的集成试验箱的形式给出，学生只能看到输入与输出，无法目睹实际的实现过程与细节，且对所学知识的运用非常单一，实验或实训过程学生只需接入输入输出，读出结果，有老师讲解实现过程，完毕后，学生无法确切了解与掌握测量信号的形成、流向与信息处理过程。但是学生只有对实物有了感性认识之后，才能更加对所学的知识印象深刻，提高学生探索知识、进一步学习的兴趣，并培养学生进行系统分析、设计、开发与研究的基本能力。[4]回顾近几年测控专业教学情况，综合课程教学得失，深感测控专业实训教学的内容与方式对学生掌握所学知识的影响之重。为使测控专业办好、办出特色，扭转上续教学过程中出现的“多、杂、乱，什么都学、什么都不会的现象”，机电与汽车工程学院测控教研室提出了测控技术综合实训教学的新方式，开发面向应用型人才培养的测控专业实训教学模式，并总结测控技术综合实训教学的经验教训。

以前，实训一般安排两周或三周时间集中进行。一般采用分组方式把学生分为几组，指导教师向学生讲解系统工作原理、组成、主要模块等情况，之后由学生查阅相关资料，进一步详细了解相关技术，并进行2～3天的设计，教师对学生的设计方案进行审阅后学生进行方案的修改并进行系统的搭建实施，然后学生进行调试并进行设计报告的撰写，最后安排验收和答辩。在如此短段的时间内深入理解系统的工作原理并进行具体的方案设计、模块设计、制作、调试、结果评定、总结、撰写报告等工作比较困难，难以保证较优的实训质量。并且有些学生对某些课题比较感兴趣，有比较新颖的想法，有创新思维，在完成教师给定的目标任务之后，学生希望进一步改进设计，或加入新的功能，但这时已没有时间了。所以迫切希望有一个更灵活多变、周期更长、更能发挥学生主动性、兴趣，并能充分利用学生的兴趣和业余时间进行实训的方式。

3 新的测控技术综合实训模式的设计思路

南阳理工学院测控技术与仪器专业教学团队在专业建设、人才培养模式、课程体系改革以及教学内容和教学方法上做了大量的探索与研究、考察、实践工作，积累了丰富的经验，完成了旧的测控技术实训教学计划的执行并进行了新的测控技术综合实训教学模式的探索和尝试，在测控专业宽口径应用型人才培养方面取得了明显成效，强调理论教学与实践教学相结合，综合实训是提高学生对各门专业课应用能力的重要手段[5]。

如果学生大四之前没有做过测控技术综合实训，那么学生在学习各门专业课的时候没有任何目的性，总觉得一头雾水，理论和实际联系不上，各门课程所学的知识比较单一零散，不知在实际中怎样应用。因为专业课中每一门课程都主要注重某一方面知识的应用，而关于综合知识的运用的“测控系统设计”这门课程又在大四年级设置。因为如果设置在各个专业课之前的话，无法讲清楚细节，因为学生还没接触一些专业知识，什么专业课都没学过的情况下讲授综合知识，从理论上更难讲清楚知识的综合应用，学生也难以接受。所以如果在学生学专业知识的同时，认识一些实际的测控系统，对学生的理论与实际相结合的能力是有很大帮助的。并且在当前学生就业压力比较大的形势下，用人单位往往考察学生的实际动手操作能力和知识的综合运用能力，但是通常安排在第八学期进行的毕业设计环节受到就业和考研双方面的影响，工科专业的学生往往有到就业单位进行实习的实际需求，考研的学生花费了相当的精力准备考研及复试。在这种情况下，如果学习了部分专业知识之后，从大三下学期开始，到大四上半学期结束时毕业设计前结束，进行由浅入深、理论联系实际的测控技术综合实训，对学生来说具有重要的作用和意义[6]。为此，我们南阳理工学院机械与汽车工程学院测控教研室制定了新的测控技术综合实训模式。

3.1 实训目的

（1）本课程为计量测控与仪器专业的实践必修课，通过该课程的学习，培养学生对知识的综合运用能力和仪器仪表与系统的设计制造和实践技能，使学生在实践中得到锻炼和提高。使学生巩固所学理论知识及本专业的各种测试方法，比较熟悉各种测试方案的设计，加强本专业各科知识综合运用能力和问题分析能力，提高实际动手能力、理论联系实际的能力和创新能力。通过基本技能的训练，熟悉仪器结构及使用，对常用仪器非常熟悉。通过综合性实验的开设，开阔思维，培养学生分析问题和解决问题的能力。

（2）培养学生独立思考和独立工作的能力，为毕业后走向社会从事相关技术工作打下良好的基础。

（3）培养并提高学生具有创新能力和团队协作精神的综合素质。

3.2 实训要求

（1）本实训要求学生在第六、七学期课余时间完成。

（2）每组学生3～4人，从给定题目中任选一个，也可以自主选题，需指导教师认可。

3.3 时间安排

（1）老师在第六学期之前根据当年的教师的科研项目和实际应用需要，或一些成熟的典型课题，每个老师选取3―4个实训题目，大家一致讨论后通过，写出每个题目的实训目的、所需那些理论知识，最终验收方式，以及课题的前瞻性等。

（2）第六学期开学后对学生公布，学生了解各个题目设置的目的及要求后，根据自身意愿进行分组，每组的学生从所在相应组的题目中选取一个小题目，学生也可以根据自己的兴趣所在及实际需求自主选题，但是必须要和指导老师进行充分沟通，经过指导老师认可，题目确定之后开始进入正式实训阶段，着手准备。

3.4 实训过程

所有实训全部利用业余时间进行，不集中安排时间。这也是本综合实训的一个显著特点。

3.4.1 收集、查阅相关资料

南阳理工学院校园网站能够查阅大量的硕士、博士论文及期刊论文，以及大量的图书、视频，充分利用学院的资源，对题目进行充分细致的了解，对所需达到的设计要求及目的进行充分的认识。例如该课题的目的和发展现状是什么，完成该课题所需用到的关键技术是哪些，都有哪些可行的方案，各个方案不同的特点与优缺点等。

3.4.2 设计及实验

针对自己的课题，进行相应的设计、仿真、实物制作、调试等。

3.4.3 写出实训报告

对设计进行总结，学生在规定的时间内完成实训报告，实训报告要排版正确，格式规范；概念清楚，应用合理；层次清晰，逻辑性强；论证严密，计算准确全面；图标质量好。

3.4.4 进行验收和答辩

指导老师组成答辩小组，对各组学生的设计制作成果进行答辩验收。

3.5 验收及考核

3.5.1 验收

以组为单位展示自己小组的成果，并进行答辩。在提问、回答环节，教师要对一些重点、难点问题进行详细地提问、讲解、分析、评价。

3.5.2 考核

根据学生查阅资料情况、方案设计、调试过程、最终调试结果、设计报告、答辩情况等进行综合考核。其中方案设计、调试过程、最终调试结果、设计报告、答辩各占20%。

4 测控技术综合实训模块结构图

长期教学实践经验表明，在传授给学生知识的时候，首先让学生明确所学知识的目的是什么，有哪些具体的组成部分，他们的联系与区别是什么，在认识中理解，在理解中应用，在应用中掌握，这样才能得到最佳的教学效果。

先给学生列出测控系统综合实训内容的结构框图，见图1和图2所示。虚线框为测控专业各课程实验项目，通过综合实训，将课程实验融合在一起，根据实际项目的需要，各模块间的组合可简单或复杂，学生可制作多种功能、结构不同的应用系统，把各个分散的课程内容联系起来，形成一个相对完整的知识结构体系。

5 测控技术综合实训举例

下面以基于单片机的超声波测距系统为例，介绍测控技术综合实训的实施过程。本实训的内容包含从传感器到数据输出及误差处理，要求完成接近实际应用系统的软硬件设计调试，训练和提高学生在测控技术应用系统方面的设计调试能力[7]。要求：设计制作一个测距范围为0.1～5 m，分辨率为1 cm的超声波测距系统。本项目让学生掌握传感器技术、基本的电路应用、单片机控制技术与数码显示技术。该项目完成以后，既可加深学生对本专业相关各门课程内容的理解，又提高了他们的实际动手能力，与实际应用接轨，体会知识转化实践的过程。因此，本课题具有良好的教学和实践应用前景。实训前期的知识储备。对于该超声波测距实训题目，学生拿到题目后，首先查阅相关图书、电子文档等各种文献，对利用超声波进行测距的原理、特点、实现方法均有详细的了解与认识，然后进行方案设计，通过实际计算、仿真、论证等设计出一个最优的实现方案。例如，超声波发射方法可有硬件发射，也可由软件发射，从价格、功能上比较其优缺点，做出最优选择。

5.1 设计信号调理、信号变换、信号采集和输出电路

5.1.1 温度补偿

由于超声波也是一种声波，其声速与温度有关。在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，采用适当的温度传感器及其相应的电路对超声波传播速度加以修正，以减小误差。本测距系统中对温度的精度要求不是太高，所以可以选用DS18B20数字温度传感器。通过进行温度补偿可以得到更准确的测试结果，并且更深刻地认识误差理论与数据处理课程里进行误差补偿的方法与措施。

5.1.2 设计测控系统并制作实物

测距方案及温度补偿措施确定之后，开始设计后续信号调理、信号变换、信号采集等测控电路，主要采用模块化设计方法，老师对学生进行适当的引导和指导。主要包括硬件电路设计：超声波发射、接受模块、数字显示模块、报警模块、温度补偿模块；系统软件设计，主要包括初始化基础程序模块、脉冲信号发射模块、回波接收模块、温度补偿及距离计算模块、显示报警模块、按键设置模块。设计完成之后，首先利用软件进行调试，然后在面包板上搭建实物反复调试。直至调试成功之后，绘制电子线路图，制作电路板，焊接实物，再次进行调试，如果不成功，基本上就是电子线路板焊接时出现的问题。当出现问题学生尽量自己努力解决，解决不了的可以请教指导老师。

5.1.3 写出实训报告

实训报告中要把超声波测距系统制作的全过程进行详细描述，包括方案论证、所选传感器的技术参数、实物制作过程中出现的问题、课题的未来展望等。

5.1.4 总结、答辩

略

5.2 验收

学生利用黑板或多媒体陈述自己的课题制作过程，老师对某些知识点及问题进行提问。

下图为某一同学制作的实物图。图3为超声波测距系统进行简单包装之后的系统实物图，可以打开盒盖进行观察内部所有内容，图4为部分同学的设计制作成果。

6 测控技术综合实训教学探索与实践的几点体会

通过两年的教学实践，测控技术综合实训从具有工程背景的学生感兴趣的实际问题出发，取得了很好的效果，学生从被动的学习状态转变为积极主动地思考问题，并与同学和老师充分交流解决问题的良好状态，并让学生根据自己的兴趣和爱好把业余时间进行了充分利用，把零散的各学科的知识联系了起来，更清楚了各课程在实际使用中的地位和作用，更大的提高了他们学习的积极性、主动性、实际动手能力、分析与解决问题的能力、团队写作协作能力，为应用型人才培养打下了扎实的基础，充分体现了南阳理工学院应用型人才培养的目标。

参考文献

[1] 王代华.测控技术及仪器专业综合课程设计实践[J].高等工程教育研究，2007（3）：125-128.

[2] 郭槐，唐国兴.机电测控技术综合教学实训平台的建设与实践[J].实验室研究与探索，2010，29（4）：140-142.

[3] 李湘伟，周文玲.机电一体化专业机电综合实训教学模式的实践与探索[J].陕西教育（高教），2008（2）：4-9.

[4] 向欣，王永骥.测控与自动化专业综合课程设计实例[J].实验室研究与探索，2008，27（8）：119-122.

[5] 娄小平，董明利.“测控技术与仪器”专业综合实践模式的探索与研究[J].青年与社会中外教育研究，2009（7）：29-30.

[6] 赵敏，王敬东.测试工程教学实践环节改造的构想[J].南京航空航天大学学报（社会科学版），2000（6）：79-82.

[7] 祝学军.测控技术综合实验的设置[J].实验技术与管理，2003，20（5）：46-48.