韓素立 羅華旭 王珺璇 王仁平 邵晶

[摘 要] “工程測試技術(shù)”作為一門多學(xué)科交叉知識(shí)匯集的綜合性課程，是由傳感系統(tǒng)與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、檢測技術(shù)、智能控制技術(shù)匯集而成的針對測控方面的應(yīng)用的智能集合。不同的測試系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)原理與基本特性存在較大的差異性，而課程中對于測控系統(tǒng)的講解偏向論述，學(xué)生缺少直觀的切入式體驗(yàn)。故此，教學(xué)過程中，以實(shí)現(xiàn)測試技術(shù)與工程應(yīng)用融合為目標(biāo)，以嵌入式系統(tǒng)開發(fā)為主線，以項(xiàng)目教學(xué)為教學(xué)手段將上述教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)改革，從而加深測控學(xué)子對傳感器原理與應(yīng)用的理解，使學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得到提高。該文對此進(jìn)行了研究和論證。

[關(guān)鍵詞] 工程測試技術(shù);項(xiàng)目教學(xué);實(shí)踐能力課程改革

[基金項(xiàng)目] 青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院教改項(xiàng)目資金支持

[作者簡介] 韓素立，工學(xué)博士，青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事精密儀器、光學(xué)測試等相關(guān)研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）23-0162-03? ? [收稿日期] 2019-11-27

一、前言

隨著《中國制造2025》發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，對傳統(tǒng)的工程教育同樣提出了新的挑戰(zhàn)。就機(jī)械電子方向的學(xué)生而言，“工程測試技術(shù)”是一門重要專業(yè)課，該課程對傳感器技術(shù)從機(jī)械電子方面進(jìn)行了詳盡的講解，而傳感器是現(xiàn)代信息時(shí)代獲取信息的主要途徑和手段，未來機(jī)械電子行業(yè)的發(fā)展離不開傳感器技術(shù)?！肮こ虦y試技術(shù)”課程的預(yù)期目標(biāo)是在學(xué)生已學(xué)習(xí)知識(shí)的基礎(chǔ)上，融合各方面的專業(yè)知識(shí)，深入了解不同測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理和基本特性，進(jìn)一步對測式系統(tǒng)的使用方法與工程應(yīng)用進(jìn)行分析。由于該課程中傳感器種類繁多，原理與特性存在差異，因此該課程需要學(xué)生熟練掌握所修其他專業(yè)課程知識(shí)。

“工程測試技術(shù)”課程內(nèi)容包括測控系統(tǒng)的基本特性、不同測試系統(tǒng)的工作原理、信號分析等內(nèi)容。各種測控系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)原理與基本特性存在較大的差異性，而課程中對于測試系統(tǒng)的講解偏向論述，學(xué)生缺少直觀的切入式體驗(yàn)。另外有些教學(xué)內(nèi)容在先修課程“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”“機(jī)械設(shè)計(jì)”“數(shù)字電子技術(shù)”“模擬電子技術(shù)技術(shù)”“電工電子學(xué)”“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”等課程中均有所涉及，容易給學(xué)生一種課程內(nèi)容更新率低的感覺，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

“工程測試技術(shù)”課程綜合性強(qiáng)，內(nèi)容具有抽象性并且難以掌握，這使得我們在教學(xué)的時(shí)候很難完全通過書本對學(xué)生進(jìn)行具有系統(tǒng)性、高效率以及高質(zhì)量的教學(xué)。同時(shí)這門課程內(nèi)容極多，在有限的課時(shí)里我們的學(xué)生往往無法完全掌握需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。就以往的教學(xué)方法而言，面對教學(xué)任務(wù)重并且學(xué)生學(xué)習(xí)難度大的科目，課后練習(xí)是最常見的解決方法，但對于這種抽象性高并且存在設(shè)計(jì)及實(shí)踐學(xué)習(xí)內(nèi)容的課程往往收效不高。那么面對這種情況，如何將書本上抽象的文字內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生手上的實(shí)踐項(xiàng)目，寓教于行，成為一個(gè)亟待解決的問題。為了響應(yīng)項(xiàng)目教學(xué)改革。教學(xué)項(xiàng)目作為導(dǎo)師與學(xué)生共同完成的項(xiàng)目需要具有難度適中、貼近課程內(nèi)容、符合技術(shù)發(fā)展方向等要求，因此筆者提出了一種基于光電識(shí)別的尋穴定位自動(dòng)按摩系統(tǒng)的教學(xué)項(xiàng)目。

二、項(xiàng)目教學(xué)案例設(shè)計(jì)背景

“工程測試技術(shù)”這門科目知識(shí)跨度大、綜合性強(qiáng)，針對這些問題，學(xué)院在實(shí)施“工程測試技術(shù)”教學(xué)過程中，以實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)與傳感器融合為目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)基于光電識(shí)別的尋穴定位自動(dòng)按摩系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn)，以嵌入式系統(tǒng)開發(fā)為主線，以項(xiàng)目教學(xué)為教學(xué)手段，將上述教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)改革[1-2]。

近年來，國家明確表明要推進(jìn)中醫(yī)藥創(chuàng)新，并且提出了運(yùn)用現(xiàn)代科技開發(fā)基于中醫(yī)理論儀器與設(shè)備的戰(zhàn)略規(guī)劃。并且目前我國的中醫(yī)理療設(shè)備還處于剛剛起步的狀態(tài)，世面上的中醫(yī)設(shè)備往往還只是單純的電子設(shè)備，拿世面上比較常見的眼部穴位按摩儀來說，它無法根據(jù)使用者的個(gè)體差異調(diào)節(jié)按摩的位置和力度，只能單純的重復(fù)單一的動(dòng)作和寥寥的幾個(gè)程序。隨著國民對中醫(yī)理論的逐漸認(rèn)可，中醫(yī)理療市場對高自動(dòng)化、高精確度的中醫(yī)理療設(shè)備的需求日益增加。所以一種基于光電識(shí)別的尋穴定位自動(dòng)按摩系統(tǒng)項(xiàng)目是被市場需要且符合技術(shù)發(fā)展方向。

同時(shí)對于學(xué)生而言，一種基于光電識(shí)別的尋穴定位自動(dòng)按摩系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中涉及“工程測試技術(shù)”中測試系統(tǒng)原理、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制原理等多方面內(nèi)容，項(xiàng)目貼近課程。一種基于光電識(shí)別的尋穴定位自動(dòng)按摩系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度主要在于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)及各種傳感器的配合使用，對于學(xué)生來說都是學(xué)習(xí)計(jì)劃里內(nèi)容與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，雖然存在一定難度但完全是有可能實(shí)現(xiàn)的。

三、項(xiàng)目教學(xué)案例設(shè)計(jì)

（一）技術(shù)路線確定

首先引導(dǎo)學(xué)生明確項(xiàng)目設(shè)計(jì)主方向，接著由學(xué)生確定三軸聯(lián)動(dòng)平臺(tái)與按摩裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)及連接方式，完成裝置的機(jī)械設(shè)計(jì);合理選取各類傳感器，并確定傳感器放置位置;選用主控芯片，完成電路原理設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì);編寫穴位定位程序、按摩力度控制程序、按摩溫度控制程序，按摩路徑控制程序;編寫數(shù)據(jù)處理程序使中央控制器對裝置實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制;完成裝置組裝，進(jìn)行調(diào)試升級。

（二）項(xiàng)目成員分工確定

召集小組成員，明確項(xiàng)目工作任務(wù)，一起討論任務(wù)分配，最終選出分別負(fù)責(zé)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電控設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)的小組成員，完成分工并定期召開組會(huì)解決小組成員的階段性問題。

（三）具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程

1.機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)械機(jī)構(gòu)部分由導(dǎo)師明確功能，與學(xué)生共同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)分為三軸移動(dòng)平臺(tái)部分與按摩頭裝置，三軸移動(dòng)平臺(tái)部分負(fù)責(zé)尋穴定位功能的實(shí)現(xiàn)，按摩頭部分負(fù)責(zé)按摩的反饋調(diào)節(jié)控制，三軸移動(dòng)平臺(tái)與按摩頭裝置的設(shè)計(jì)圖如圖1、圖2所示：

如圖1所示，本項(xiàng)目中的一種基于光電識(shí)別的尋穴定位自動(dòng)按摩裝置包括XYZ三軸移動(dòng)平臺(tái)、按摩裝置、穴位定位裝置、人體參數(shù)采集裝置，及電控裝置，其中人體參數(shù)采集裝置、穴位定位裝置和按摩裝置均設(shè)置在XYZ三軸移動(dòng)平臺(tái)的Z軸上，人體參數(shù)采集裝置能夠通過相關(guān)裝置內(nèi)的應(yīng)變式位移壓力傳感器和溫度傳感器對使用者按摩部位進(jìn)行體表溫度和體表壓力采集，穴位定位裝置通過裝置內(nèi)的光電傳感器對使用者進(jìn)行穴位定位，按摩裝置通過Z軸與XYZ三軸移動(dòng)平臺(tái)連接，且XYZ三軸移動(dòng)平臺(tái)能夠帶動(dòng)按摩裝置運(yùn)動(dòng)以調(diào)節(jié)按摩裝置的整體位置。電控裝置置于XYZ三軸移動(dòng)平臺(tái)的底部且與XYZ三軸移動(dòng)平臺(tái)、按摩裝置、穴位定位裝置、人體參數(shù)采集裝置均電連接并能夠?qū)YZ三軸移動(dòng)平臺(tái)、按摩裝置、穴位定位裝置、人體參數(shù)采集裝置分別進(jìn)行控制。

按摩裝置包括按摩套筒、偏心按摩裝置、用于帶動(dòng)所述偏心按摩機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)按摩的旋轉(zhuǎn)按摩驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中，偏心按摩裝置設(shè)置在按摩套筒內(nèi)，用于帶動(dòng)所述偏心按摩機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)按摩的旋轉(zhuǎn)按摩驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)安裝座和旋轉(zhuǎn)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)安裝在電機(jī)安裝座上，并固定在XYZ三軸移動(dòng)平臺(tái)的底部。偏心按摩裝置包括按摩頭和連接偏心輪，按摩頭安裝在連接偏心輪的輪圈上，偏心輪中心固定在按摩套筒內(nèi)側(cè)且與旋轉(zhuǎn)電機(jī)輸出軸固定連接。

本項(xiàng)目中的一種基于光電識(shí)別的尋穴定位自動(dòng)按摩裝置，上述機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝配說明由學(xué)生總結(jié)并保存，方便之后的項(xiàng)目教學(xué)中學(xué)生參考以及學(xué)習(xí)。

2.電控設(shè)計(jì)。該部分設(shè)計(jì)學(xué)生在完成機(jī)械設(shè)計(jì)之后自主尋找合適的配件進(jìn)行購買，之后在保證安全的情況下完成電控部分的組裝。該部分的設(shè)計(jì)涉及“模擬電子電路”及“數(shù)字電子電路”中的知識(shí)，項(xiàng)目小組成員應(yīng)該復(fù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，明確儀器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用各種先進(jìn)技術(shù)以獲得最佳經(jīng)濟(jì)效果[3]。成本高昂的電路難以獲得廣泛應(yīng)用[4]。為了買件的準(zhǔn)確性，學(xué)生需要在購買配件之前完成電路原理圖的設(shè)計(jì)并由導(dǎo)師完成檢查改進(jìn)，電路原理圖如圖3所示：

本部分設(shè)計(jì)需要確定實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)功能的配件，其中按摩力度定量控制由應(yīng)變式壓力傳感器實(shí)現(xiàn)，按摩點(diǎn)溫度定量控制由溫度傳感器與發(fā)熱片實(shí)現(xiàn)，人體參數(shù)采集及穴位定位由光電傳感器實(shí)現(xiàn)，閉環(huán)回路控制由壓力傳感器、溫度傳感器、光電傳感器的相互協(xié)助控制實(shí)現(xiàn)。

3.程序設(shè)計(jì)。由于本部分設(shè)計(jì)對于學(xué)生而言存在一定難度，導(dǎo)師應(yīng)要求學(xué)生在開始程序編寫之前透徹了解一種基于光電識(shí)別的尋穴定位自動(dòng)按摩裝置中各部分的工作原理及裝置運(yùn)行邏輯，并繪制程序框圖。在檢查無誤后，導(dǎo)師進(jìn)行保存，方便尋找后續(xù)程序編寫中出現(xiàn)的問題，同時(shí)為之后的同學(xué)提供參考。程序框圖如圖4所示：在此部分的設(shè)計(jì)中，導(dǎo)師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)課程中所學(xué)知識(shí)，并對其進(jìn)行擴(kuò)展，在引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的同時(shí)，注重學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生真正做到在實(shí)踐中學(xué)習(xí)。

四、結(jié)束語

針對“工程測試技術(shù)”課程中概念抽象、知識(shí)點(diǎn)發(fā)散、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，采取了項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容。以光電識(shí)別穴位自動(dòng)按摩為案例，利用多種傳感器及光電識(shí)別技術(shù)在嵌入式開發(fā)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)基于光電識(shí)別的自動(dòng)尋穴定位。通過引導(dǎo)學(xué)生完成項(xiàng)目，將課程中的理論知識(shí)融入到動(dòng)手實(shí)踐中去，化抽象為具體，使學(xué)生更為深入的理解傳感器原理。在學(xué)生學(xué)習(xí)自主性得到提高的同時(shí)，提升了教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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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