許向榮，于復(fù)生，李彥鳳

（1.山東建筑大學(xué)機電工程學(xué)院，山東濟南，250101；2.山東省高校機械工程創(chuàng)新技術(shù)重點實驗室，山東 濟南，250101）

0 引言

機電專業(yè)旨在培養(yǎng)能夠運用機械加工、電子設(shè)計、自動控制、檢測傳感、伺服傳動及系統(tǒng)設(shè)計等關(guān)鍵性技術(shù)，從事機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)等方面工作的高級工程技術(shù)人才。機電一體化產(chǎn)品的主要特征就是智能化，因此機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計離不開測控系統(tǒng)，關(guān)鍵是測控電路的設(shè)計。因此，《測控電路》課程教學(xué)與改革在機電專業(yè)本科生的教學(xué)培養(yǎng)中起著非常重要的作用。通過測控電路的學(xué)習(xí)，不僅要使機電專業(yè)本科生學(xué)會分析機電測控系統(tǒng)中的典型電路，而且能夠運用所學(xué)知識進行機電一體化測控系統(tǒng)的設(shè)計，從而解決工程應(yīng)用中的實際問題，為今后從事本專業(yè)的技術(shù)和研究工作打下堅實的基礎(chǔ)。

目前，很多高校進行了關(guān)于《測控電路》課程教學(xué)改革的研究。劉得軍等對測控技術(shù)及儀器專業(yè)本科生的《測控電路》教學(xué)方法進行了改革與探索，提出了一些改革措施，如建立課程架構(gòu)，實現(xiàn)多課程融合等［1］；趙茜針對測控技術(shù)及儀器專業(yè)本科生的《測控電路》教學(xué)改革進行了探討，提出了加強課程建設(shè)的必要性及相關(guān)措施［2］。黃凱征針對測控技術(shù)及儀器專業(yè)本科生《測控電路》教學(xué)的現(xiàn)狀及存在問題，并結(jié)合電子技術(shù)教學(xué)改革的現(xiàn)狀，提出了一些課程教學(xué)的改革方法［3］。張玉萍等提出了測控技術(shù)及儀器專業(yè)本科生的《測控電路》課程的模塊式教學(xué)模式，并探討了《測控電路》課程考核方式的改革思路與措施［4－5］。

由以上來看，現(xiàn)有研究多數(shù)基于《測控電路》在測控技術(shù)與儀器專業(yè)本科生中的教學(xué)改革研究，很少有針對其在機電專業(yè)本科生中的教學(xué)改革研究。機電專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)側(cè)重于機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)，以機為主，以電為輔，機電有機結(jié)合；而測控技術(shù)及儀器專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)側(cè)重于精密測控系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，以電為主?？梢钥闯鰴C電專業(yè)和測控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)差異較大，其教學(xué)改革的方法也應(yīng)有所不同。此外，關(guān)于教學(xué)改革的研究多數(shù)沒有應(yīng)用實例來驗證其改革效果?；谏鲜鲈?，文章在研究了《測控電路》在機電專業(yè)中課堂教學(xué)與實踐教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，查找出該課程的課堂教學(xué)與實踐教學(xué)中存在的主要問題，并分別從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等方面的改革進行了初步探討，并將其應(yīng)用到機電專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計實踐環(huán)節(jié)中，取得了明顯的改革效果。

1 《測控電路》課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1 課堂教學(xué)現(xiàn)狀

由于機電專業(yè)與測控技術(shù)及儀器專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)不同，其在專業(yè)課程設(shè)置中的地位明顯不同，機電專業(yè)的《測控電路》課程是選修課，而測控技術(shù)及儀器專業(yè)的《測控電路》課程是必修課。因而在教學(xué)內(nèi)容的難易程度、應(yīng)用范圍以及學(xué)習(xí)方法上都應(yīng)有所不同。

但是，目前《測控電路》在機電專業(yè)的課堂教學(xué)中往往采用的還是在測控技術(shù)及儀器專業(yè)中的教學(xué)模式，即只一味地給學(xué)生灌輸一些典型測控電路模塊的原理性知識，進行簡單的電路分析，而沒有及時更新教學(xué)內(nèi)容，并將其放在機電一體化系統(tǒng)中來學(xué)習(xí)。因此，一方面對于機電專業(yè)的學(xué)生來說該教學(xué)內(nèi)容偏難，做不到及時更新；另一方面也無法使學(xué)生形成系統(tǒng)的設(shè)計思想，因此使得學(xué)生不能利用所學(xué)知識去分析、解決和設(shè)計實際的機電一體化系統(tǒng)中的測控問題，而且學(xué)生普遍反映測控電路復(fù)雜、抽象、難理解，極大地打擊了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，學(xué)習(xí)效果不佳，因而很難達到教學(xué)目的。

1.2 實踐教學(xué)現(xiàn)狀

實踐教學(xué)中，通常都采用實驗箱，教師講解原理后由學(xué)生進行簡單的插接就完成演示性和驗證性實驗，再加上課時與實驗條件的限制，使得實驗內(nèi)容偏離實際的機電一體化測控系統(tǒng)，不能從根本上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐動手能力，結(jié)果往往是有些學(xué)生根本不理解實驗的目的，就完成了實驗，教學(xué)效果可想而知［6］。

因此，有必要針對現(xiàn)有的教學(xué)方法進行改革探索，以加強《測控電路》的課程教學(xué)與實踐教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，真正培養(yǎng)具有創(chuàng)新思想和動手能力的學(xué)生，以適應(yīng)社會和用人單位的要求。

2 《測控電路》課程教學(xué)改革

針對《測控電路》在機電專業(yè)課堂教學(xué)與實踐教學(xué)中存在的問題，文章分別從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面對《測控電路》課程進行了課堂教學(xué)和實踐教學(xué)改革探討。

2.1 課堂教學(xué)改革

2.1.1 課堂教學(xué)內(nèi)容改革在課程教學(xué)內(nèi)容改革上，應(yīng)做到以下幾點：（1）篩

教師首先要認真研究教學(xué)大綱，以該大綱為依據(jù)，并結(jié)合機電專業(yè)培養(yǎng)要求，對教學(xué)內(nèi)容進行仔細的篩選，盡量選取符合本專業(yè)并與工程實際應(yīng)用結(jié)合比較緊密的測控電路進行講解，在有限的課時內(nèi)，使學(xué)生能夠獲得盡可能多的知識。如機電一體化專業(yè)的代表性產(chǎn)品是數(shù)控機床和機器人，因此在篩選測控電路的教學(xué)內(nèi)容時，要多以數(shù)控機床、機器人等機電一體化系統(tǒng)中的典型電路為例進行講授，真正讓學(xué)生能夠?qū)⒗碚摵蛯嶋H聯(lián)系起來，更好地掌握測控電路的相關(guān)知識。

（2）新

隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和集成技術(shù)的快速發(fā)展，測控電路中所用到的元器件更新?lián)Q代很快，因此教師不能一成不變地只教授教材中的知識，而要積極引導(dǎo)學(xué)生通過圖書館或網(wǎng)絡(luò)等途徑去了解微電子技術(shù)發(fā)展中的新動態(tài)和新產(chǎn)品，并對教學(xué)內(nèi)容進行更新，及時添加新知識、新技術(shù)，做到“常流常新”。例如在《測控電路》第六章中講到信號轉(zhuǎn)換電路的A／D轉(zhuǎn)換電路時，除了講授典型的A／D轉(zhuǎn)換器（逐次逼近式、雙積分式及并行比較式）之外，應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生課下去查閱新型的A／D轉(zhuǎn)換器，學(xué)生經(jīng)過查閱相關(guān)資料，獲得了兩種新型的A／D轉(zhuǎn)換器：流水線型和Σ－Δ型A／D轉(zhuǎn)換器，并對其特點、原理及應(yīng)用進行了學(xué)習(xí)，既鍛煉了學(xué)生查閱文獻的能力，又開闊了學(xué)生的視野，增長了知識。

（3）通

要注意知識的融會貫通。雖然測控電路是測控系統(tǒng)的核心，但是，離開了傳感器，單片機控制等，測控電路就無從談起，無法真正地實現(xiàn)測量與控制。因此在進行測控電路教學(xué)內(nèi)容的安排時，要充分考慮課程知識的融會貫通，盡量選擇一個系統(tǒng)來進行教學(xué)，例如當(dāng)講到參數(shù)獨立可調(diào)的PID控制電路時，一般會以溫度測控系統(tǒng)為例來進行講解（如圖1所示）。該系統(tǒng)首先要對溫度傳感器及其接口電路進行選擇設(shè)計，同時還涉及到《傳感器技術(shù)》課程的相關(guān)內(nèi)容，然后要對傳感器輸出的微弱信號進行放大、濾波及PID調(diào)節(jié)，同時還涉及到《測控電路》課程的相關(guān)內(nèi)容，因此，從溫度傳感器到信號的放大、濾波、PID調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)逐步進行講解，既可讓學(xué)生做到了溫故而知新，對學(xué)過的知識有了一定的鞏固，又可使學(xué)生體會到以前所學(xué)課程的意義，增強了學(xué)習(xí)的成就感。

2.1.2 課程教學(xué)方法改革

在課程教學(xué)方法改革上，要做到以下幾點：

（1）采用“啟發(fā)式研究性教學(xué)”方法

采用啟發(fā)式教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生自己去探索研究發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)方法，如測控電路的分析多數(shù)是以運算放大器為基礎(chǔ)的應(yīng)用電路，因此對這類電路的分析，通常采用“虛短、虛斷、基爾霍夫定律”這三個概念，一般將這三個概念統(tǒng)稱為分析測控電路的“三板斧”。只要用好這三板斧，幾乎所有的集成運算放大器組成的測控電路的分析都可以迎刃而解（如圖2所示）。因此，在開始講授典型測控電路之前，首先要引導(dǎo)學(xué)生自己去歸納總結(jié)出該學(xué)習(xí)方法。

圖2 分析測控電路三板斧圖

（2）要基于CDIO理念，變“填鴨式教學(xué)法”為“項目驅(qū)動教學(xué)法”［7－8］

項目驅(qū)動教學(xué)法是在課程開始時，就布置貫穿整門課程的實際項目，然后以項目為主線，逐步學(xué)習(xí)其中的典型測控電路，直到最后設(shè)計出測控系統(tǒng)。以測控系統(tǒng)的設(shè)計為例，在講解其自上而下的系統(tǒng)設(shè)計方法時，如果單純地講解“總體方案的設(shè)計—具體單元的設(shè)計—具體元件的設(shè)計”三個步驟，會比較枯燥、抽象，難懂。如果結(jié)合實例進行講解就會使整個方法變得生動有趣。一般以典型的溫度測控系統(tǒng)為例，在總體設(shè)計方案階段，首先要弄清被測量和控制量、系統(tǒng)性能、精度、功能、開發(fā)周期及成本等要求，然后將該溫度測控系統(tǒng)劃分為若干個功能電路，設(shè)計好每個功能電路后，再進行具體元件的設(shè)計。在此過程中，教師只起引導(dǎo)的作用，由學(xué)生作為主體來進行，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，積極地探索、思考與研究，激發(fā)他們的求知欲，從而提高他們的創(chuàng)新實踐能力。同時可以結(jié)合電路仿真軟件，如Proteus、Multisim等，做到邊學(xué)習(xí)邊仿真，以加深學(xué)生的知識理解，提高學(xué)生的設(shè)計興趣，增加學(xué)生設(shè)計測控電路的自信心［9－12］。

2.2 實踐教學(xué)改革

《測控電路》的教學(xué)目標(biāo)要求“教、學(xué)、做”三統(tǒng)一，因此需要大量的動手實踐來支撐理論教學(xué)的效果。但是，隨著課程學(xué)時的壓縮，如果能夠在有限的資源和學(xué)時內(nèi)保證學(xué)生的高效學(xué)習(xí)，需要任課教師進行深入的探討與實踐。

2.2.1 實踐教學(xué)內(nèi)容改革

在實踐教學(xué)內(nèi)容改革上，應(yīng)做到以下幾點：

（1）加大多層次化實踐體系中設(shè)計性實驗內(nèi)容的比重

多層次化實踐體系一般可分成演示性實驗、操作性實驗以及設(shè)計性實驗三個層次［13］。演示性實驗和操作性實驗主要幫助學(xué)生加深對測控電路原理的知識理解，通過改變某些關(guān)鍵元件的參數(shù)，觀察示波器輸出波形的變化，使學(xué)生加深理解如何合理選擇電路的參數(shù)；設(shè)計性實驗主要培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力和創(chuàng)新意識，一般由教師給學(xué)生提供一些簡單實用的設(shè)計題目，或者由學(xué)生通過圖書館或網(wǎng)絡(luò)等多種途徑，進行文獻資料的查閱后自擬題目，完成相應(yīng)的設(shè)計。因此，在安排好演示性實驗和操作性實驗的基礎(chǔ)上，盡可能增加設(shè)計性實驗的比例，使學(xué)生真正能夠掌握從設(shè)計、仿真、制板、焊接、調(diào)試的全過程，從而增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對知識的理解，拓寬其知識面，進而提高課程教學(xué)效率和效果。

（2）在課程設(shè)計或綜合實踐周中，搭建機電專業(yè)單片機傳感器測控創(chuàng)新實踐平臺

該平臺以傳感器技術(shù)、單片機原理及應(yīng)用、測控電路等課程知識為基礎(chǔ)進行機電測控系統(tǒng)的整體設(shè)計，包括從任務(wù)的提出，技術(shù)要求的撰寫，總體方案的設(shè)計選擇，可行性分析等各個環(huán)節(jié)，使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體，真正培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力。

2.2.2 實踐教學(xué)方法改革

在實踐教學(xué)方法改革上，應(yīng)做到以下幾點：

（1）要軟件仿真和硬件電路相結(jié)合，以實驗電路為主，軟件仿真為輔

傳統(tǒng)的實踐教學(xué)模式是學(xué)生先抄寫預(yù)習(xí)報告，然后到實驗現(xiàn)場學(xué)習(xí)實驗任務(wù)，搭建實驗電路，但是由于學(xué)生積極性不高，往往不預(yù)習(xí)就去現(xiàn)場做實驗，因此往往搞不清需要什么樣的實驗結(jié)果；再加上實驗設(shè)備和耗材昂貴，所以有相當(dāng)一部分實驗項目是只能進行理論學(xué)習(xí)，無法進行實際開設(shè)，因此在很大程度上扼殺了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造能力。因此，在實驗經(jīng)費有限的情況下，為了保證正常的實驗教學(xué)進度，便于學(xué)生設(shè)計和降低實驗成本，一方面可以利用小型實驗面包板引導(dǎo)學(xué)生進行實驗電路中元器件的拼插接設(shè)計；另一方面也可以利用諸如Proteus、Multism等電子仿真軟件，由學(xué)生在計算機上進行仿真、調(diào)試［14－15］，化難為易，變抽象為具體，最后達到設(shè)計要求。這種教學(xué)模式既可提高學(xué)生設(shè)計電路的信心和創(chuàng)新能力，讓他們體會到了親手搭建電路的快樂；同時，也可減輕高校的實驗投入。但是需要注意的是軟件仿真畢竟不是真實的硬件儀器儀表，在真實性方面往往會有些偏離，不能完全替代傳統(tǒng)的實驗手段，因此只能輔助實驗電路的教學(xué)。

（2）通過其它教學(xué)環(huán)節(jié)鼓勵學(xué)生進行實際測控系統(tǒng)的電路設(shè)計、仿真、調(diào)試與制作

由于《測控電路》的知識很抽象，難以理解。因此，在教學(xué)經(jīng)費允許的情況下，在其它教學(xué)環(huán)節(jié)（如課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計或電子大賽等）中，鼓勵學(xué)生進行實際測控系統(tǒng)的電路設(shè)計，仿真，制作與調(diào)試，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高實踐教學(xué)效果，讓學(xué)生真正從理論中走向?qū)嵺`。

3 《測控電路》教學(xué)改革的成效

為了探索《測控電路》在機電專業(yè)中課程教學(xué)改革的效果，將該教學(xué)改革方法應(yīng)用到機電專業(yè)本科生畢業(yè)設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過布置具體的設(shè)計任務(wù)，由學(xué)生作為主體發(fā)現(xiàn)問題，然后獲取信息、分析問題、制定方案，最后實施方案、解決問題。圖3為仿人表情機器人頭部系統(tǒng)電機驅(qū)動電路原理圖，是學(xué)生針對仿人表情機器人頭部系統(tǒng)動作設(shè)計開發(fā)的控制電路。在該設(shè)計過程中，由于表情機器人頭部系統(tǒng)的表情動作主要由直流電機或步進電機帶動各機構(gòu)運動來完成的，因此學(xué)生在經(jīng)過查閱相關(guān)文獻資料之后，針對該表情機器人頭部系統(tǒng)的各個表情動作分別進行了分析，設(shè)計了電機控制驅(qū)動電路模塊，完成了從設(shè)計、仿真到制作調(diào)試的整個環(huán)節(jié)，最終完成了該表情機器人測控電路的設(shè)計。經(jīng)過這一系列的實踐，從根本上轉(zhuǎn)變了學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，大大調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了對《測控電路》課程教學(xué)內(nèi)容的理解，培養(yǎng)了其分析解決實際工程項目問題的能力。通過課程教學(xué)改革實踐，發(fā)現(xiàn)該課程教學(xué)改革效果明顯。

圖3 仿人表情機器人電機驅(qū)動電路原理圖

4 結(jié)語

《測控電路》教學(xué)與實踐改革的目的是真正培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)學(xué)生，以更好地服務(wù)社會。作為大學(xué)教師，要不斷探索嘗試新的教學(xué)方法和手段，利用先進的教育教學(xué)理念CDIO武裝頭腦，綜合課程與實踐中出現(xiàn)的諸多問題，要勇于改革與創(chuàng)新，真正通過深化課程教學(xué)和實踐教學(xué)改革，并將該教學(xué)改革方法應(yīng)用到機電專業(yè)本科生畢業(yè)設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)中，取得了明顯的改革效果。從根本上轉(zhuǎn)變了學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，大大調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了對《測控電路》課程教學(xué)內(nèi)容的理解，培養(yǎng)了其分析解決實際工程項目問題的能力。

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