新工科背景下现代测试技术课程的建设与思考

崇哲文，李涛，陶晶

（1.北京工业大学 材料与制造学部，北京 100124；2.湖北理工学院 机电工程学院，湖北黄石 435003）

自2016 年教育部提出新工科建设以来，许多研究学者对新工科建设的理念、目标、内涵等做了多方面探讨，逐步达成了一些共识[1-4]。2017 年以来，教育部积极引导高校开展工程教育的改革创新，推动新工科建设的稳步发展，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，开启了新工科教育的新一轮改革[5-8]，其所提倡的内涵强调的是专业精神、工程思维和实践能力以及可持续发展能力。其中，专业精神包含了家国情怀和职业精神等，课程思政与之对应；工程思维和实践能力要求学生从全局出发全面理解和掌握专业知识，不仅具备分析和处理问题的思维方式，还要具备解决复杂工程问题的能力和实践动手能力；可持续发展能力要求学生具备自主学习能力和团队协作能力[9-10]。

当前，传统技术在革新，产业布局在变革，传统机械行业朝智能化方向发展，因而，工科教育也必须紧跟时代变化，以应对新一轮科技革命与产业变革，培养当今和未来社会发展所需要的人才[11]。现代测试技术作为机械电子工程专业的一门专业必修课，为学生毕业后从事自动化监测、监控以及智能化系统工作提供了必不可少的理论知识，因此，如何对现代测试技术课程开展有效的建设和创新，培养具有创新创造能力、自主学习能力、解决复杂工程问题和实践动手能力的高素质工程技术人才，是现代测试技术服务新工科建设亟须解决的关键问题。

现代测试技术课程建设需要以新工科的理念和目标为指导，更新教学观念，创新教学方法，优化考评机制，紧跟技术前沿，突出课程创新，切实提高课程质量，促进学生知识、能力、素质的有机融合，培养学生解决复杂工程问题的综合能力和超前思维[12-13]。为此，本文对现代测试技术课程的教学理念、教学方法、评价标准以及课程目标等方面进行了的改革探索，为培养德、智、体、美、劳全面发展、学科基础扎实、社会适应能力强、具有创新精神和实践动手能力的应用型人才提供支撑。

1 新工科背景下机械类专业课程的建设路径

1.1 课程教学内容的建设思路

机械类专业课程一般按章节顺序进行教学，且课程教学内容多以理论知识为主，课程教学知识点多且较为复杂，理论学习过程较为枯燥，容易导致学生学习兴趣不高等问题，因此，需要针对课程教学内容进行调整与建设，以提高学生学习的主动性和积极性。当前针对课程教学内容建设的思路是以OBE（Outcome-Based Education）为导向，将课程教学内容的知识点重新整合，划分为模块化知识点群，并以实际工程案例为切入点，将模块化知识点群与实际工程案例紧密相连，同时在划分模块化知识点群时注意各模块化知识点群之间的内在关联，做到知识点由浅入深。

1.2 课程教学方法的建设思路

课程教学方法建设的整体思路是采用线上线下一体化教学的方式，针对课程的部分知识点采用线上自学方式，对课程中比较核心且难度较大的知识型内容采用课堂教学的方式，期间结合使用现代化教学工具。课堂教学的建设思路是采用工程案例教学或项目驱动的形式，以工程问题为导向，注重培养学生从工程全局出发，综合运用多学科知识、各种技术和现代工程工具解决工程实际问题的能力和综合素质，加强对学生自学能力、创新意识和探索未知领域兴趣的培养[14]。

1.3 课程教学评价的建设思路

针对课程教学评价，建设思路是采用“学习研究、思维培养、团队协作、解决问题、知识运用”项目进阶式五维度过程评价。教学评价不仅要考虑以结果为导向，还要重视过程性评价。该方式强调师生共同参与课程的实施、教学、实验等过程，以达到相对客观、全面的评价效果。

2 现代测试技术课程建设探索与实践

本文基于以学生为中心、以结果为导向的理念，对现代测试技术课程建设进行探索与实践，主要从课程教学内容、教学方法、教学评价3 个方面开展论述。

2.1 课程目标

现代测试技术是机械电子工程专业的必修课程，是一门实践性较强的专业课程。现代测试技术课程密切结合工程实际，培养学生工程科学思维方法，课程的研究对象是机电工程中的各种物理量（特别是动态量）的测试及信息处理问题。通过对课程的学习，学生能正确理解各类典型现代测试工具的基本原理、基本技术特性，合理运用常见物理量的测试理论、方法和实验技术，明确测试工具与测试技术在机电工程中的应用以及测试工具的最新发展趋势，同时培养学生自主学习和终身学习的能力。

根据以上的课程内容与特点和人才培养方案的要求，确定现代测试技术的课程目标。课程目标主要为以下3 点。（1）具备根据机电工程测试需要开展实验研究，并对所获数据和信号进行分析与处理的能力。能够根据机电工程测试需要设计测试方案、构建实验系统，正确通过实验对机电工程中的常见物理量（位移、振动、应变、应力、扭矩、压力、速度、温度和流量等）进行测试，能够正确获取测试过程中的数据和信号，针对实际工程问题要求，能够运用信号分析方法对所获取的数据和信号进行分析处理。（2）具备合理选择现代测试工具对机电工程中的常见物理量进行测试的能力。能够了解机电工程中常用的现代测试工具的基本原理、基本技术特性及工程应用，针对机电工程中特定待测物理量（如位移、振动、应变、应力、扭矩、压力、速度、温度和流量等），合理选择现代测试工具进行测试。（3）具备自主学习和终身学习的能力。能够自主学习现代测试理论知识，能够实现机电工程中常见物理量测试应用，能够依据测试中有关的共性理论问题设计与构建测试系统。

2.2 课程教学内容

打破原有按章节进行顺序教学的模式，以OBE（Outcome-Based Education）为导向，将课程教学内容重新整合为信息获取、信息处理、信息应用3 个维度，以实际工程案例为载体，分别从3 个维度逐渐展开，如图1 所示。信息获取内容包括传感器的基本特性和常用传感器与敏感元件2 个部分，从静态和动态的检测信号情况讲解传感器的基本特性，从机械式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、热电式传感器、光电式传感器等讲解检测过程中的常用传感器与敏感元件。信息处理内容包括测试信号分析与处理、测试信号调理与记录以及数字信号处理3 个部分。信息应用是经过信息获取、信息处理后所得到的信息，并对其加以应用，该信息是机械工程中常用物理量的测量结果，包括温度、速度、位移、加速度等。

图1 现代测试技术课程教学内容示意图

2.3 课程教学方法

现代测试技术课程教学采用线上线下一体、理论实践相融合的教学模式，整个教学过程主要由自学、课堂讲授、实验、作业4 个环节构成。（1）自学环节。由学生利用课外业余时间自学完成，线上自学采用MOOC 形式，学生依据相应知识点在学堂在线网站、中国MOOC 网等学习资源网站选择相应视频或其他学习资源自主进行学习。（2）课堂讲授环节。对于课程中比较核心以及难度较大的知识型内容，采用课堂讲解、课堂讨论、翻转课堂等模式进行教学，期间结合雨课堂、智慧教室等现代化教学工具完成。（3）实验环节。以2 到5 人组成小组进行学习，整个教学过程围绕一个具体的实验项目开展，如图2 所示。实验分解为实验准备、实验过程、实验成果3 个阶段。其中，实验准备阶段完成预习、系统构建、系统理论分析、了解实验设备等内容，实验过程阶段完成系统搭建、检查、实测等内容；实验成果阶段完成实验数据及实验曲线的记录与分析、实验思考、实验总结等实验报告所要求的全部内容。在实施过程中，实验准备、实验过程均以小组为单位完成，实验成果要求学生独立完成，以培养学生的团队精神、协作能力以及自学能力[15]。（4）作业环节。教师结合课程要求掌握的知识点和具备的能力布置适量作业，进行课堂或课后训练，通过讨论、查阅资料等方式，最终要求学生独立完成，任课教师及时批改作业，查找和发现教学中的不足，反馈课程教学。

图2 实验教学环节

其中，课堂讲授环节又可进一步分为问题导入（即提出检测要求）、知识点讲解（即讲解所要检测的信息是如何获取的、如何处理所获信息以及如何应用信息）、实例分析与知识点应用（即进一步掌握和巩固所学知识点，并加以应用）、总结与反馈4 个阶段，整个过程如图3 所示。

图3 课堂讲授环节

在问题导入阶段中，以实际工程案例进行课程导入，例如，在流体流量检测实例中，如图4 所示，电位计式传感器是如何检测流体流量的，其检测原理是什么，引起学生思考与讨论，引出本次课程所要讲解的知识点；在实例分析与知识点应用阶段，学生学习相应的知识点后，采用实例分析巩固本次课程学习的成果，例如，针对水箱水位控制实例应用分析与讨论，如图5 所示，让学生进一步掌握和巩固电位计式传感器的工作原理及应用特性，通过这些实际工程案例可以在具体知识点讲解中让学生意识到所学知识的重要价值及应用意义，激发学生的学习兴趣；在总结与反馈阶段，总结本次课程的学习情况，并对知识点做进一步的延伸，例如，本次课程知识点如何在实际中加以应用，让学生在课后培养实践动手能力（如图6 所示），之后对学生表现进行点评，针对学生的学习反馈情况对下次课程教学进行相应调整。

图4 流体流量检测实例示意图

图5 水箱水位控制实例示意图

图6 学生课后利用所学知识所做的实物

2.4 课程教学评价

在现代测试技术课程建设中，如何考查学生对知识点的掌握程度，检验课程建设探索与实践的成效也是非常重要的问题。课程采用“学习研究、思维培养、团队协作、解决问题、知识运用”项目进阶式五维度过程评价。根据五维度过程评价，结合现代测试技术教学过程，分为5 个部分进行考查，分别为自学、课堂表现、实验、作业以及期末考试，自学成绩占比为5%，课堂表现成绩占比为5%，实验成绩占比为20%，作业成绩占比为10%，期末考试成绩占比为60%，其中，实验由实验准备、实验过程、实验成果3 个部分构成，3 个部分成绩占比分别为4%、8%、8%。

（1）针对自学环节评价，采用线上自学测试的方式进行，线上自学测试采用客观题形式（如选择题、填空题、计算题等）进行，学生在规定时间内完成自学测试，任课教师对完成的自学测试进行评价，并给出评价结果。（2）针对课堂表现环节评价，采用随堂记载课后评价的方法。随堂记载采用课堂提问、课堂讨论或雨课堂随堂测验等方式进行。课后评价完成课堂记载内容，给出分项成绩评定。（3）针对实验环节评价，采用阶段评价与综合评价相结合的方法。实验教学划分为实验准备、实验过程、实验成果3 个评价阶段。每个阶段评价结果给出“90～100 分优秀、80～89 分良好、70～79 分中等、60～69 分及格、0～59 分不及格”成绩评定。实验准备、实验过程2 个阶段采用小组互评教师评价或教师评价两种方法之一。其中小组互评教师评价由学习（实验）小组成员依据实验要求及过程性考核评定标准进行互评，并提交给任课教师，由任课教师给出最终评价结果，教师评价则由任课教师独立完成。实验成果由任课教师批阅实验报告给定成绩。单次实验最终评价结果按照三个阶段的权重进行计算。（4）针对作业环节评价，由任课教师针对所布置的作业按照过程性考核评定标准进行批改。（5）针对期末考试环节评价，由课程团队按照现代测试技术的课程目标要求完成试卷的出题，试卷题目强调与工程案例紧密结合，这样能够有效锻炼学生利用所学知识解决复杂工程问题的综合能力和思维能力。

3 课程建设过程中发现的问题与思考

3.1 课程建设过程中发现的问题

3.1.1 课堂氛围沉闷，难以激发学生学习兴趣

机械电子工程属于机械工程的二级学科，是研究光机电液一体化领域的相关理论、方法和技术实现的学科。现代测试技术作为机械电子工程的专业必修课，所涉知识点广泛，相较于其他的必修课，课程知识点多且较为复杂，理论学习过程较为枯燥，因而，容易导致学生出现学习兴趣不高、听课倦怠等问题。如何对课程教学内容进行改革，使得学生能够主动、积极地学习理论知识，是课程建设面对的问题。

3.1.2 如何突出以学生为中心，调动学生学习主观能动性

由于现代测试技术课程知识点多且较为复杂，理论学习过程必不可少，因而，一般采用传统的讲授式方法，但该方法以教师为中心，不能突出以学生为中心，且上课过程不能很好地调动学生的学习积极性，容易导致学生上课兴趣不高等问题。因此，如何在教学过程中调动学生学习的主观能动性，使学生在有限的时间内获取现代测试技术的知识和工程经验，为学生以后从事自动化监测、监控以及智能化系统工作提供必不可少的理论知识，是课程建设过程中需要解决的问题。

3.1.3 传统评价方法单一，应突出全过程考核

传统的现代测试技术评价方式仅通过作业、实验报告、期末试卷的批改给出评价结果，评价方法单一，忽视了过程性考核，不能实现全过程考核。因此，如何针对教学评价方式进行改革，使评价结果更加全面、客观，是课程建设过程中需要解决的问题。

3.2 针对课程建设过程中所遇问题的思考

3.2.1 理论学习与实际工程案例结合，激发学生学习兴趣

面对如何打破课堂沉闷、激发学生学习兴趣的问题，通过在学生中进行调研发现：学生对工程实践性强和动手操作的教学内容更感兴趣。因此，课程针对传统的理论教学内容进行相应的改革，将理论教学内容与实际工程案例、日常生活检测紧密联系，并采用模块化的方式将现代测试技术课程教学内容划分为信息获取、信息处理、信息应用3 个教学模块，每个模块又可划分为对应的小模块化知识点，如图7 所示，在学习对应小模块化知识点时以实际工程案例作为切入点，引起学生的学习兴趣。任课教师要注意各模块知识点之间的内在关联性，做到知识点由浅入深，让学生真正学懂、弄通。

图7 现代测试技术课程教学内容模块化

3.2.2 线上线下一体化教学，充分应用现代化工具

面对如何突出以学生为中心、调动学习主观能动性的问题，针对现代测试技术课程传统的教学方法进行改革，采用线上线下一体化教学的方式，对课程的部分知识点采用线上自学，即充分利用网络资源，学生依据相应知识点在学堂在线网站、中国MOOC 网等学习资源网站选择相应视频自主学习。针对课程中比较核心以及难度较大的内容，采用课堂讲解、课堂讨论、翻转课堂等模式，期间结合雨课堂、智慧教室等现代化教学工具，突出以学生为中心，充分调动学生的学习主观能动性。

3.2.3 结合过程性评价，突出全过程考核

面对如何摆脱传统评价方法单一，未突出全过程考核的问题，对现代测试技术课程评价方式进行改革，不仅要考虑以结果为导向，还要考虑过程性评价，强调师生共同参与课程的实施、教学、实验等过程，以期达到相对客观、全面的评价效果。教师可利用雨课堂等现代化教学技术，了解学生的意见和建议，进一步改进和优化课程教学方法和内容。教学过程评价采用课前自学测试、提问、讨论、知识点测试以及作业等方法，注重过程性评价，针对实验教学，增加实验预习和实验过程性评价，评价方式可更加全面地考查学生的全过程学习情况。

4 课程建设成效

4.1 教师教学及教研能力提升

通过现代测试技术课程建设，教师的教学及教研能力得到提升，课程组教师近两年先后立项校级教改课题3 项。教学改革以来，学生评教持续保持在95 分以上，表现了较高的满意度。

4.2 课程对培养学生解决工程问题的能力支撑较好

以2020 级机械电子工程班为例，学生获得2 项实用新型专利，2 项“互联网+”国家级铜奖，2 项“互联网+”省级金奖，1 项“互联网+”省级铜奖，1 项中国高校智能机器人创意大赛国家级二等奖，5 项全国大学生机械创新设计大赛省级二等奖，2 项全国大学生智能汽车竞赛省级三等奖等。

4.3 学生学习效果较好

现代测试技术课程建设以来，学生的学习效果得到了提升，课程达标情况对比如图8 所示。上一年度为课程建设之前，经过本年度的课程建设，3 个课程目标的达成度均有所提高，说明课程建设取得了初步成效，通过课程改革与创新有效提升了现代测试技术课程的建设质量，有助于从理论与实践方面培养学生科学思维，提高学生学习的主观能动性。

图8 现代测试技术课程建设前后课程目标达成情况对比

5 结束语

教学团队从课程内容、教学方法、教学评价等方面对现代测试技术课程进行改革，切实提高了现代测试技术课程的教学质量，对机械电子工程专业学生专业知识体系的构建具有重要意义。在今后的教学过程中，教学团队将继续学习和借鉴其他高校的课程教学创新设计，探索如何更好地讲授现代测试技术课程，实现育人目标与专业知识传授的统一。