一、概述
1998年教育部颁布了新的本科专业目录,把仪器仪表类原有的精密仪器、热工计量测试、光学计量测量、无线电计量测试等11个专业归并为一个大专业———测控技术及仪器专业,测控技术与仪器专业是一个宽口径专业。这是我国高等教育由专才教育向通才教育转变的重要里程碑。1998年之前,全国设立测控技术与仪器专业的高校有36所,江苏省设立此专业的高校只有东南大学、南京航空航天大学、南京理工大学、南京邮电大学。十年后的今天,全国设立测控技术与仪器专业的高校增加到203所,而江苏省设立此专业的高校则增加到24所,成为培养测控技术与仪器专业人才的第一大省。本专业大发展既源于较大的社会需求,也源于社会对本专业教育的认同。我校正是在这种时代大发展的形势下于2002年开设测控技术与仪器专业的。
然而,由于本专业是由11个专业合并而成,服务于人们生产、生活、国防等各个领域,测控对象多种多样,各个学校的课程设置差异很大,尤其对于新开设此专业的学校都面临着如何定位这个共性问题。为此,教育部仪器科学与技术学科教学指导委员会2007年颁布的《测控技术与仪器专业规范》明确要求各个院校按照自己的办学历史、教学资源,在这个专业规范的大框架下,发挥自己的优势,形成自己的特色。
江苏省是仪器仪表产业大省,产业基础较好,20世纪80年代至今,江苏省仪器仪表行业的工业总产值和市场占有率一直位居全国前2位。据统计:2006年江苏省规模以上仪器仪表企业为471家,从业人员11.02万人,工业总产值为644.02亿元,年工业总产值在全国仪器仪表行业比重约占18.20%,在全国各省市排名居第2位。2007年江苏省仪器仪表行业年产值达1亿元以上的企业共124家,其中年产值在5亿元到10亿元之间的企业有13家,年产值超过10亿元的企业有11家。
在分析了江苏省仪器仪表产业结构、发展现状和人才培养现状的基础上,结合我校在测控装置和自动化系统方面研究、开发的经历和积累的经验,逐步形成了“直面市场需求,服务地方经济”的指导思想,确立了我校测控专业定位在“测控仪表与自动化系统”方向上,以培养面向企业的工程应用人才为目标。围绕这个定位和培养目标,我们深入研究专业内涵,科学制定培养方案,精心组织实施,逐渐形成了“强化工程意识,提高动手能力,培养面向企业的工程应用人才”的思路,在教学研究和实践能力培养方面进行了一系列有益的探索,取得了良好的效果。现简单介绍如下。
二、强化工程意识,系统训练动手能力
测控专业是一个宽泛的普适性专业,直接与人们的日常生活、工农业生产活动、国防、安保等各个领域息息相关,若将这些应用领域的测控要求、测控目标和测控方法贯穿在教学过程之中,将有助于培养学生的工程意识,训练学生的动手能力。为此,我们在课堂教学内容组织、以及实验、设计和实习等实践性教学环节等方面进行了认真研究,逐步形成了一套有助于系统培养学生实践能力的方法,取得了明显的效果。下面简单介绍其中的几种做法:
1.《电子技术》教学中,从细节着手,尽早培养严谨的专业素质
电子技术课程包括模拟电子技术和数字电子技术,具有很强的实践性、应用性,作为学科基础课既服务于后续专业课,又自成体系。因此,在教学中强调基础性的同时突出实践性、工程性和系统性。在讲清电路基本原理的前提下,通过对电路极限情况的讨论可以训练学生的直觉思维,培养工程素养。例如模电教学中,在介绍理想运算放大器时,将各项电气性能进行极限讨论,从而方便地分析各种应用电路;在介绍放大电路频率特性曲线时,讨论如何用定性地快速绘制特性曲线等。数电课程教学中注重结合工程实际,减少分立元件电路及小规模电路内容,强调集成器件的逻辑功能及外部电气特性,将模块化、系统化的思想贯穿教学的始终。课程设计选题密切联系实际,选用有一定实用价值的完整的小系统,而不是局部功能电路。同时,从方案的设计比较到EDA仿真测试、元器件参数的确定、电路的制作调试都由学生独立完成,较完整地模拟了电子产品开发的全过程,培养一个工程技术人员所必需的系统集成能力、综合应用能力。实验教学中从小事抓起,培养工程技术人员必须具备的认真严谨的专业素质。例如要求学生在选取有关元件参数时要结合工程实际,电阻选取既考虑标称值,又要考虑功率;电容的选取时既考虑容量,又要考虑耐压、漏电阻等;实验箱上的元器件放置要合理规范;实验报告的文字、图表规范,表述科学、准确等。
2.《单片机原理及应用》教学中,“以应用需求为中心,系统培养综合实践能力”
在单片机原理及应用课程教学中,贯彻“以应用需求为中心,系统培养综合实践能力”指导思想,包括以应用案例组织教学内容、设置多层次实验、引入先进的仿真开发工具、以及综合性大作业的训练等方面。
(1)以应用案例组织教学内容。每一主要章节,以一个应用案例的实际需求和解决方法来组织教学内容和教学过程。在整个课程教学中,又以1到2个典型应用实例的需求和解决方法贯穿整个教学过程的始终,将该实例进行功能分解得到相应的设计要求,在每一章节中详细解决其中的一部分需求,最后进行综合,在综合过程中再进行提高。
(2)以设计性和综合型实验为主,培养学生自主探究能力。本课程实验主要是设计性或者综合设计性实验,要求学生自己制定实验方案、自己编写程序并调试。实验内容包括定时计数器、中断、人机接口、DAC实验、ADC、串行通信等方面,每个实验要求包括两种或者两种以上上述功能。例如,DAC实验要求设计一个多功能函数发生器,能够产生三角波、锯齿波、方波、脉冲、正弦波等多种波形,且能够利用单一按键选择当前产生的信号类型,如按第一次时产生三角波,按第二次时产生锯齿波,按第三次时产生方波,等等;或者设置多个按键,每个按键按下时对应产生一种波形。综合性实验则设计一个数据采集系统,具有定时数据采集、显示、串行通信等功能。如设计一个单路温度测量仪表,能够实现每隔100ms采集一次温度数据,能够在6位LED显示器上实时显示当前的温度值,且能够响应其他计算机的要求通过串行接口发送采样的温度值,等等。这样的实验与工程实践直接相关,几乎用到了单片机的所有资源和已经掌握的大部分技能。
(3)课外大型作业的训练,培养解决实际问题能力。为了培养学生联系实际、自主探究的能力,在课程教学一开始就布置了数字秒表设计、数字电压表设计之类的大作业。这些装置是我们日常生活或者工作中最常见的、原理比较简单的装置。但用单片机设计它时,需要掌握I/O接口、定时/计数器、中断、A/DC、人机接口等方面的知识,几乎将本课程的主要知识点都串联起来。作业要求用Protel画出硬件原理图,用Visio画出程序框图,自主编写程序,并在实验装置上调试程序通过,最后,整理出完整的报告上交。实践结果表明,许多同学对这种形式的作业很感兴趣,经常相互探讨。他们带着做这个作业时遇到的问题听课,主动查阅各种资料,实验过程中认真细致。
(4)引入流行的仿真开发工具,保证教学与实际应用不脱节。在课程教学中,引进入Proteus和单片机仿真开发环境Keil。Proteus能够进行若干流行单片机的系统级仿真,解决了单片机硬件电路难仿真的问题;Keil则是目前单片机开发人员广泛使用的单片机应用程序开发环境;两者结合起来,既可以进行硬件设计和验证,也可以进行软件的编程与调试。
3.《智能仪表设计基础》教学中,加强“智能化”内容,介绍新概念、新器件和新技术
现代仪器向智能化、微型化、集成化、芯片化、虚拟化、远程化和多功能化等方向发展。为了让学生及时了解仪器仪表新技术和发展趋势,在智能仪表设计基础课程教学中,加强了仪器仪表智能化方面内容的教学,主要包括:利用软件实现消除误差的多种数字滤波、线性化修正、量程转换方法,实现仪器仪表自身状态监测和诊断方法,容错设计、冗余设计方法,仪器仪表在线组态和在线维护方法,以及网络化仪器仪表如何设计?如何实现网络化仪器仪表的远程监控和远程实时管理?这些内容都是当今仪表具有的不同于传统仪表的优点。
适时介绍当前仪器仪表领域出现的新概念、新器件和新技术,如随着微纳米技术的迅速发展,出现了多种微型化、智能化、网络化的传感器,其接口方式简单,使用方便。如广泛应用的集成温度传感器DS18B20等一体化传感器。再如,随着网络技术的发展,仪器仪表再也不是一个孤立的测量装置,而是一个企业信息网络中的一个信息节点,已经出现的多种有线、无线通信方式给这些仪表接入网络带来了很大的方便,为此,除了介绍常规的RS232/422/485通信接口外,还介绍USB接口、CAN现场总线、HART接口、以太网络接口等,无线接口则介绍了用于近距离低速率的红外线通信、蓝牙、2.4GHz射频收发芯片nRF2401、ZigBee无线网络等。此外,我们还简单介绍了利用Internet、GSM等公共网络实现仪器仪表数据的远程传输方法。
4.《智能仪表设计基础课程设计》的所有题目均来自实际应用
智能仪表设计基础课程设计是一个综合性课程设计,需要用到前面学习的多门课程的智能和掌握的技能。要求学生通过一个嵌入微处理器的智能仪表的设计,掌握一般智能仪表应该具有的功能和性能指标的分析方法;掌握智能仪表设计步骤、硬件的设计方法、常用芯片的选用方法、软件功能分析方法和程序设计方法,等等。要求综合运用已经掌握的传感器及其调理电路、放大器、ADC、DAC、串行通信、键盘显示、以及掌握的智能仪表常用的数字滤波、非线性校正、增益和零漂自动补偿等技术。
指导老师提供若干个设计题目,这些题目来自生产实际,涉及多个应用领域,设计要求多种多样,如“超声波河道水位测量仪设计”“智能家居安防系统设计”“数显汽车里程表设计”“仓库温度监测系统设计”,等等。要求最多两个学生一组,每组选择一个题目,各组题目不一样。所有题目的设计要求由指导老师和学生共同讨论确定。设计步骤为:首先进行仪表的方案选择,选择主要芯片,确定I/O接口方式、键盘和显示方式、以及通信方式。然后,进行硬件设计,画出硬件原理图,列出元器件清单。再进行软件设计,包括软件需求说明、软件结构框图设计、主要软件功能模块流程图绘制,最后写出设计报告。设计过程与实际工作中设计一个仪器仪表的工作过程一致,是实际工作过程的初级模拟。
5.通过《测控技术与自动化系统综合毕业实习》,掌握一技之长
这是体现专业方向的实践环节,包括:1周的虚拟仪器课程实习,要求学生利用虚拟仪器软件和硬件平台构建一个自动测试系统,以便学生将来到企业工作后,能够根据工作中遇到的实际问题和需要,快速构建一个专用的自动测试仪器。1周的可编程逻辑控制器课程实习则要求学生利用PLC和商用的组态监控软件快速构建一个自动化的测控系统。1周的生产实习,带领同学到传感器生产厂家、仪器仪表生产厂家、以及使用仪器仪表比较集中的主要用户,如电厂、水厂、汽车制造厂、化工厂等企业进行生产实习,了解多种企业生产过程、工艺流程和测控仪表和自动化系统的应用现状,以便学生将所学知识与实际应用需求联系起来,增强专业自信心,避免 择业盲目性。
6.在《毕业设计》中实训,为职业生涯打下良好的基础
毕业设计是工科教学中最后一个实践环节,是培养学生综合运用已经掌握的知识和能力解决实际问题的过程,是在学生跨出校门、走向社会前所进行的综合训练。毕业设计要求就某个具体的实际要求,利用所学的知识和已经掌握的技能设计一个测控装置或者系统。我们特别重视毕业设计的选题工作,要求毕业设计课题既要贴切专业的培养目标,又要来自实际应用。在2007年测控班39名学生的毕业设计课题中,结合科研、生产实际的课题占87.2%。2008年测控班36名学生的毕业设计课题中,结合科研、生产实际的课题占83.3%。毕业设计中,我们模拟实际工程设计或者研制工作的过程管理,定期检查工作进度和存在的问题,并要求定期汇报阶段成果,阶段成果必须以书面形式提供。毕业设计结束时,按照有关规定严格进行答辩资格审查、论文评阅、论文答辩和成果验收等工作。
从上述介绍的部分教学实践可以看出无论是课堂教学还是课程设计、毕业设计,都能够紧密联系实际应用需求组织教学内容和实践活动。涉及的行业多种多样,需要的技术也是多种多样,且许多应用实例已经融入了当今测控领域发展的最新技术。通过学习和实训,掌握了测控领域的基础理论和核心技术,学生掌握了常用开发工具的使用方法,了解了测控技术的发展现状和趋势,具备了设计简单测控仪表、装置或者系统的基本能力,同时也培养了学生的工程意识。
三、鼓励学生参加社会实践和科技竞赛,培养创新能力
测控技术与仪器专业毕业的学生具有知识面宽,知识结构新,适应性强等特点。本专业毕业生可以在仪器仪表生产企业、石化、冶金、电力、纺织、医学、材料、航天、环保、国防等行业从事研发、生产管理、质量监控、运行维护等工作,行业种类多,工作性质多种多样。如何培养学生善于分析行业特点,善于寻找专业切入点,善于利用所学知识和技能解决工作中的实际问题的能力也一直是我们最关注热点问题之一,为此,我们一直鼓励学生参加多种形式的社会实践和科技竞赛,培养学生的创新能力和专业意识。
1.投身社会实践,初试职场深浅
2006年暑假,测控0301班有6名学生到本专业的实习基地“扬州恒信仪表有限公司”进行暑期社会实践,同学们与工厂的工人一起进行焊接、装配、检验等工作,还进行智能水表的开发编程工作。三周后,企业对我们专业学生的理论基础、实践技能、踏实作风大加赞赏,当即希望我们的学生毕业后,能够加入他们的公司。一年后,其中的两位同学毕业后即到此单位工作。
2008年暑假期间,测控班多人参加社会实践,如测控0501班的张秀云和陈旭生到扬州中电丰业技术开发有限公司实习,经过一个月的实践,两位同学对企业要求的工作态度、生产安全、为人处事和仪表着装都有了深刻的理解,对工作的艰辛也有了切身的感受。参加实践的同学不光了解了企业的产品、生产过程,也体验了职场的深浅,更知道了企业需要什么样的人才,明确了努力方向。如测控班多位同学本学期自觉地选修了AutoCAD、可编程逻辑控制器课程等实用技术课程。
2.参加科技竞赛,培养创新精神
测控班学生积极参加各类教学与科技竞赛,并获得多项奖励。目前测控班同学参加多项大学生科技创新计划项目,包括江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目1项,2008年校级大学生学术科技创新基金课题5项,2007年校级大学生学术科技创新基金立项资助课题3项。测控班有两名学生结合自己在本专业教师主持的科研项目中所做的工作,分别撰写了科技文章。学生通过这些创新课题的选题、申报和立项后的研究工作,学会了发现需求,学会了寻求解决方案。在研究过程中,掌握了研究和开发方法,磨练了意志。更重要的是学会了关注社会,学会了关爱(如:设计与制作智能盲聋人导行仪)。
四、结语
在测控专业的教学实践中,贯彻“强化工程意识,系统训练动手能力,培养面向企业的工程应用人才”的指导思想,进行了一系列有益的探索,形成了一整套可行的全方位培养本专业学生实践能力的实践教学体系。通过实施一系列教学实践系统地训练了学生的动手能力,既提升了测控专业学生的专业认同度,又培养了学生的工程意识和创新意识,学生理论基础扎实,实践能力强,近两年75名毕业生中有10人考取上海交大、同济、东大、南航等大学的研究生,在人才市场上受到普遍欢迎,就业率高。尽管如此,由于我校测控专业开办时间短,有些措施仍处于研究探索阶段,还缺乏系统性,有待进一步改进和完善。我们将不断的努力,为培养受企业欢迎的人才而努力寻求出一条适合我们自身特点和符合社会需求的特色之路。
参考文献:
[1]教育部.测控技术与仪器教学指导委员会-仪器仪表学科战略发展研究报告[R]. 2004,(7).
[2]郑洁,束长宝,纪晓华.数字电子技术实验教学的改革实践[J].电气电子教学学报,2006,(5).
摘要:在测控技术与仪器专业的教学研究和实践中,贯彻“直面市场需求,服务地方经济”的指导思想,在电子技术、单片机原理及应用、智能仪表设计基础、课程设计、毕业设计等教学和实践环节中进行了一系列有益的探索和实践,增强了学生的工程意识,系统训练了学生的动手能力。鼓励学生积极参加科技创新活动,培养创新意识;参加社会实践,感受职场深浅。
