王 飛 劉繼承 陳 飛 謝 啟

常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 江蘇常熟 215500

高等教育發(fā)展水平是衡量一個(gè)國(guó)家發(fā)展水平和發(fā)展?jié)摿Φ闹匾獦?biāo)志，保證高等教育發(fā)展的先進(jìn)性是國(guó)家良性發(fā)展的重要保障。當(dāng)前，世界范圍內(nèi)新一輪的科技和產(chǎn)業(yè)革命正在驅(qū)動(dòng)著新經(jīng)濟(jì)的形成與發(fā)展，與此相應(yīng)的是，高等工程教育改革受到空前重視和普遍關(guān)注。無論是新經(jīng)濟(jì)發(fā)展還是新一輪的科技和產(chǎn)業(yè)革命，都對(duì)高等工程教育的變革發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)[1]。在這種背景下，為適應(yīng)國(guó)家發(fā)展新需求、應(yīng)對(duì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新局勢(shì)、符合立德樹人的新要求，新工科建設(shè)理念被提了出來，并迅速形成了新工科建設(shè)的“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”。這促使全國(guó)高校在工程教育領(lǐng)域迅速展開一場(chǎng)新的教學(xué)模式的改革風(fēng)暴。改革浪潮下，校內(nèi)課程作為改革和建設(shè)的基本單元處于改革的最前沿，只有基本單元開展符合人才戰(zhàn)略需求的改革，才能夠在整體上實(shí)現(xiàn)新工科人才創(chuàng)新實(shí)踐能力的有效提升。

誤差理論與數(shù)據(jù)處理作為測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的核心課程之一，是電子測(cè)量技術(shù)、智能儀器技術(shù)等課程的重要基礎(chǔ)，更是開展科學(xué)研究和工程實(shí)踐的重要支撐[2-5]。本課程知識(shí)的掌握情況直接影響學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，并將對(duì)其今后從事的電子測(cè)量、智能儀器測(cè)試、精密檢測(cè)等工作產(chǎn)生持續(xù)深遠(yuǎn)的影響[6]。因此，迫切需要開展誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程的改革以適應(yīng)新工科對(duì)“多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才”的需求。針對(duì)這種需求，本課程從理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐兩個(gè)主要方面開展改革，理論知識(shí)的改革以“應(yīng)用需求為導(dǎo)向反向選擇知識(shí)點(diǎn)”的方式開展，從而進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)以致用的目標(biāo)[7]；實(shí)驗(yàn)實(shí)踐方面的改革則通過設(shè)計(jì)針對(duì)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)需求和地方應(yīng)用需求實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐項(xiàng)目展開。在這兩方面改革的基礎(chǔ)上開展了網(wǎng)絡(luò)課程的建設(shè)，輔助開展課程改革。具體改革分析由下文展開說明。

1 課程的改革與分析

課程改革部分首先探討了課程的特點(diǎn)和不足，然后有針對(duì)性地開展了對(duì)應(yīng)的改革并對(duì)其進(jìn)行了分析和探討。

1.1 課程特點(diǎn)與不足

(1)課程理論性較強(qiáng)。課程以概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等為基礎(chǔ)，概念和計(jì)算公式繁多，有較強(qiáng)的理論性[8,9]。誤差的計(jì)算和數(shù)據(jù)分析過程要求嚴(yán)謹(jǐn)，且必須遵循國(guó)家或國(guó)際計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，規(guī)范性強(qiáng)。這一特點(diǎn)導(dǎo)致學(xué)生在有限的課時(shí)里由于實(shí)踐性不足而限制了對(duì)知識(shí)的理解，加之授課知識(shí)與客觀需求的不一致等使得教學(xué)效果并不理想。

(2)課程理論知識(shí)與工程實(shí)踐聯(lián)系緊密。課程中誤差的來源和消除方法在實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)于采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性起基本保障作用，而誤差的合成與分配則保證了生產(chǎn)制造中的產(chǎn)品精度。數(shù)據(jù)處理部分則指導(dǎo)著工程實(shí)踐中的信號(hào)預(yù)測(cè)與回歸等問題?？梢姡n程知識(shí)內(nèi)容與工程實(shí)踐的聯(lián)系十分緊密。不足之處在于授課中的誤差分析與修正、數(shù)據(jù)處理等知識(shí)較少有符合工程應(yīng)用的案例來對(duì)應(yīng)驗(yàn)證，以促進(jìn)知識(shí)的理解與接受。

(3)課程安排與某些關(guān)聯(lián)課程順序不一致。以本校測(cè)控專業(yè)為例，誤差課程的開展在傳感器課之后，使得傳感器課程中針對(duì)誤差與數(shù)據(jù)處理知識(shí)相對(duì)不足，課程的開展存在著知識(shí)了解不足的缺陷。

課程的特點(diǎn)和不足影響了教學(xué)效果，限制了學(xué)生在實(shí)際工程應(yīng)用中的誤差分析和數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)而影響學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，無法適應(yīng)當(dāng)前背景下新工科建設(shè)對(duì)人才能力的需求。

1.2 改革思路與分析

針對(duì)本課程的特點(diǎn)和不足，從理論知識(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)以及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)三個(gè)方面開展改革。

1.2.1 課程建設(shè)思路

針對(duì)課程理論性強(qiáng)以及知識(shí)與需求不一致的情況，以新工科建設(shè)對(duì)人才的能力需求為導(dǎo)向反向選擇需要的教學(xué)內(nèi)容，并同時(shí)開展教學(xué)方法的改進(jìn)。首先，開展課程組教師交流總結(jié)課程核心知識(shí)點(diǎn)分布情況；其次，分析和調(diào)研地方合作企業(yè)(行業(yè))工程需求得到工程實(shí)踐對(duì)課程的需求；最后，結(jié)合課程核心知識(shí)點(diǎn)及現(xiàn)階段實(shí)際需求情況(包含師生需求)指導(dǎo)課程知識(shí)點(diǎn)的選擇。

針對(duì)課程理論與工程實(shí)踐聯(lián)系緊密、但在教學(xué)過程中卻又缺少工程應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目的問題，對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，重在考慮應(yīng)用工程化，同時(shí)結(jié)合地方應(yīng)用背景開展實(shí)踐改革。

針對(duì)本課程與對(duì)應(yīng)應(yīng)用課程開課不一致的情況，利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的構(gòu)建完成課程同步自助學(xué)習(xí)。

通過針對(duì)性的改革和分階段完成來實(shí)現(xiàn)最終的人才培養(yǎng)目標(biāo)，如圖1所示。

圖1 課程建設(shè)示意圖

1.2.2 具體實(shí)施

(1)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法改革

教學(xué)內(nèi)容反向選擇，知識(shí)融入工程化、教學(xué)方法多元化。針對(duì)課程理論性強(qiáng)和知識(shí)與需求不一致的情況，依托蘇州制造測(cè)試行業(yè)發(fā)達(dá)的背景，通過教師交流、與行業(yè)企業(yè)交流，結(jié)合專業(yè)知識(shí)積累與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)的需求選擇知識(shí)點(diǎn)，見表1。

表1 知識(shí)點(diǎn)選取與對(duì)應(yīng)關(guān)系

知識(shí)融入工程，以實(shí)際測(cè)量序列為對(duì)象分析其中存在的誤差和處理方法。通過引入虛擬儀器課程中數(shù)據(jù)采集的案例開展誤差分析和相關(guān)處理，從而將理論知識(shí)與工程應(yīng)用有機(jī)融合起來。具體以電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量為例，引出隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差的相關(guān)知識(shí)和處理方法。對(duì)于數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)等知識(shí)點(diǎn)，則通過直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制引出基于最小二乘法近似的轉(zhuǎn)速擬合公式，以及后續(xù)的速度預(yù)測(cè)等相關(guān)知識(shí)。工程案例示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 電機(jī)控制系統(tǒng)圖

圖3 最小二乘法轉(zhuǎn)速擬合

(2)教學(xué)方法多元化探究

課程在傳統(tǒng)的教師講授方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)教學(xué)目的靈活地使用多種教學(xué)方法。通過混合學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、自我測(cè)量式學(xué)習(xí)等讓學(xué)生自主建構(gòu)知識(shí)和感受。

①混合學(xué)習(xí)：將“在線學(xué)習(xí)方式”與“面對(duì)面學(xué)習(xí)方式”相互結(jié)合，通過課堂中設(shè)置概念等相關(guān)基本任務(wù)專題，讓學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，然后反饋課堂進(jìn)行面對(duì)面知識(shí)分享，在滿足學(xué)生多樣化學(xué)習(xí)需求的同時(shí)鍛煉學(xué)生的信息搜索能力、信息組織能力和表達(dá)能力。

②合作學(xué)習(xí)：學(xué)生之間、師生之間，以一種團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式開展學(xué)習(xí)。在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生較容易通過各種互補(bǔ)方式將知識(shí)鏈接到一起，通過設(shè)置“電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量”“圖像獲取”等題目，以電機(jī)傳動(dòng)中誤差的關(guān)系和圖像中誤差源的查詢?yōu)槟康拈_展合作學(xué)習(xí)，通過這種方式鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。

③自我測(cè)量式學(xué)習(xí)：將大學(xué)生活的相關(guān)事務(wù)量化，如課程成績(jī)、階段性自我目標(biāo)設(shè)定、生活預(yù)算等，通過對(duì)所有成果的量化自我測(cè)量，結(jié)合課程知識(shí)判斷量化的結(jié)果及其誤差來源，反饋?zhàn)陨硇袆?dòng)，通過自我反饋機(jī)制推動(dòng)個(gè)人的相關(guān)能力提升。

(3)實(shí)踐教學(xué)改革

為了有效培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新實(shí)踐能力，在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上必須有效跟進(jìn)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐才能保障知識(shí)的理解和準(zhǔn)確應(yīng)用，尤其是工程應(yīng)用針對(duì)性強(qiáng)的實(shí)踐更有利于拉近理論與工程應(yīng)用的距離。因此開展針對(duì)性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐改革以進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。改革內(nèi)容主要包括以下幾方面。

①基本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：包括誤差分析中常見的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律、常用統(tǒng)計(jì)量(理解均值和方差在誤差分析中的物理含義)、最小二乘法的線性擬合以及多元回歸。通過這些實(shí)驗(yàn)的設(shè)置理解基本對(duì)象的物理含義，熟悉課程中相關(guān)原理的物理意義以及應(yīng)用場(chǎng)合。有別于李偉紅[10]等基于MatLab和Visual Basic開展的實(shí)驗(yàn)研究，本課程采用工程應(yīng)用性更強(qiáng)的LabVIEW作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。以最小二乘法為例，以測(cè)試系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)電機(jī)為對(duì)象，通過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的采集，利用最小二乘法進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速與電壓關(guān)系的擬合實(shí)驗(yàn)，得到另一種近似的數(shù)學(xué)表示方法，一方面強(qiáng)化最小二乘法的使用及其相關(guān)精度理解，另一方面認(rèn)識(shí)到電機(jī)的轉(zhuǎn)速理論表述與擬合表述的差異。案例如圖2、圖3所示。

②創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目：借助學(xué)院建設(shè)的“先進(jìn)測(cè)控技術(shù)聯(lián)合實(shí)訓(xùn)中心”“先進(jìn)自動(dòng)化與測(cè)控技術(shù)工程實(shí)踐教育中心”和“汽車電子控制技術(shù)聯(lián)合示范實(shí)訓(xùn)中心”裝備的先進(jìn)實(shí)訓(xùn)裝置及自行研制的實(shí)訓(xùn)裝置，制訂和設(shè)計(jì)了多個(gè)綜合設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目，包括“基于虛擬儀器的3D打印機(jī)”“基于LabVIEW的四旋翼飛行器”和“PCBA板電氣性能測(cè)試系統(tǒng)”等。利用這些項(xiàng)目中圖像信號(hào)的采集、電機(jī)驅(qū)動(dòng)位置的確認(rèn)和多種傳感器信號(hào)的獲取來理解誤差的基本含義和實(shí)踐相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方式。通過創(chuàng)新性工程項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)，促使學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、協(xié)作的團(tuán)隊(duì)精神和務(wù)實(shí)的科研作風(fēng)，培養(yǎng)初步的創(chuàng)新思維和研究能力。項(xiàng)目案例如圖4、圖5所示。

圖4 創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目“基于虛擬儀器的3D打印機(jī)”

圖5 創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目“基于LabVIEW的四旋翼飛行器”

(4)教學(xué)網(wǎng)站建設(shè)

在學(xué)校畢博平臺(tái)上搭建“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”教學(xué)網(wǎng)站，利用網(wǎng)絡(luò)資源為學(xué)生自主學(xué)習(xí)本課程創(chuàng)造條件[11]。課程的基本信息、教學(xué)大綱、課程進(jìn)度表、網(wǎng)絡(luò)課件、教案、作業(yè)、討論板等均放在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，一方面便于學(xué)生課后進(jìn)一步熟悉課程相關(guān)知識(shí)；另一方面，針對(duì)本課程與對(duì)應(yīng)課程開課不一致情況提供了一個(gè)信息獲取平臺(tái)，通過網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)誤差理論與數(shù)據(jù)處理的相關(guān)知識(shí)，彌補(bǔ)了對(duì)應(yīng)課程知識(shí)點(diǎn)的欠缺問題。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)課程的構(gòu)建對(duì)于學(xué)生專業(yè)知識(shí)的拓展也有著積極的推動(dòng)作用。

2 課程考核方法改革

新工科作為一種新型工程教育，以培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才為目標(biāo)[12]，人才培養(yǎng)中能力的考核與評(píng)價(jià)方法是不容忽視的環(huán)節(jié)。為了反映學(xué)生相關(guān)能力的具體情況，通過表2的評(píng)價(jià)指標(biāo)來考核。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過考試的方式考核學(xué)生對(duì)基本概念、數(shù)據(jù)處理基本原理的理解情況，調(diào)研報(bào)告反映學(xué)生對(duì)課程在工程應(yīng)用領(lǐng)域的了解情況，實(shí)驗(yàn)考核則反映學(xué)生實(shí)際工程問題處理能力。

3 結(jié)語(yǔ)

在新工科背景下，以人才能力需求為目標(biāo)，結(jié)合地方行業(yè)背景開展教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的改革與探索。通過教學(xué)方法改革、實(shí)踐教學(xué)改革和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)搭建，梳理課程知識(shí)點(diǎn)，開展學(xué)習(xí)成果導(dǎo)向的課程知識(shí)組合，建立能力達(dá)成與課程知識(shí)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建適應(yīng)工程需要和教育規(guī)律的課程知識(shí)與方法，培養(yǎng)符合新工科需求的創(chuàng)新型卓越工程人才。