［摘 要］ 在新時代的卓越工程師與智能制造工程師培養(yǎng)體系中，“傳感與測試技術”是專業(yè)技術性極強的核心基礎必修課程。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”和“人工智能+”的強勢崛起，新工科建設對“傳感與測試技術”課程的培養(yǎng)目標及時更新，對課程傳授模式有了全新的需求。為使該課程在機械領域的培養(yǎng)模式達到新工科建設需求，對當前教學現(xiàn)狀中的矛盾與不足進行了討論，從教學環(huán)境、實踐方案、思政元素等三個方面探索了在新環(huán)境下的教學實施方法，期望可以推動機械工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)進一步發(fā)展。

［關鍵詞］ 新工科；傳感與測試技術；智能制造；教學改革

［基金項目］ 2024年度北京工業(yè)大學教育教學研究課題“‘傳感與檢測技術’虛擬仿真實驗教學”

［作者簡介］ 張 坤（1991—），男，河北張家口人，博士，北京工業(yè)大學機械與能源工程學院講師，主要從事數(shù)字信號處理與設備智能運維研究；胥永剛（1975—），男，河北保定人，博士，北京工業(yè)大學機械與能源工程學院教授（通信作者），主要從事數(shù)字信號處理與設備智能運維研究。

每一個新時代都伴隨技術的革新和模式的更迭，而當前快速發(fā)展的科技以及日益加快的生活節(jié)奏對全新技術生態(tài)、產(chǎn)業(yè)模式、人才培養(yǎng)、學科建設有了更高、更明確的要求，推進新工科發(fā)展與建設并匹配科技前沿學科是當前社會發(fā)展的基礎前提［1］。

人類科技的發(fā)展過程是一個不斷觸及瓶頸并突破再高度發(fā)展的迭代循環(huán)，這意味著交叉學科作為關鍵技術的突破點被逐步肯定。培養(yǎng)一方面具有創(chuàng)新能力，另一方面在交叉學科有推進能力的創(chuàng)新型人才有助于補齊前沿科學攻堅團隊的軟肋和短板，為新科技、新應用、新變革提供新思路和新手段?！皞鞲信c測試技術”作為北京工業(yè)大學機械工程專業(yè)大三的專業(yè)基礎必修課，在創(chuàng)新能力和工程實踐能力人才培養(yǎng)方面有著舉足輕重的地位［2］。在課程基本要求中，學生需要掌握傳感器的基本知識，了解傳感器的構(gòu)造和基本原理，理解測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動態(tài)特性及其組成。另外，需要學生掌握一些基礎信號分析方法，著重介紹傳感器及對應的測試系統(tǒng)在工程中的應用案例和必要性，從而提高學生對理論與應用的見識和理解。

“傳感與測試技術”課程要求學生掌握傳感器的基本原理、測試系統(tǒng)的組成及特性、信號分析方法，以加強學生對傳感與測試相關理論知識的掌握，提高工程應用能力［3］。

本文對“傳感與測試技術”的課程特點及矛盾、研究對象的滯后性進行反思性研究，希望探索出新工科背景下教學改革的可行性和可研究方向。在“互聯(lián)網(wǎng)+”和“人工智能+”的基礎上，引導學生了解新時代對傳感技術和測試技術的高要求，構(gòu)建傳統(tǒng)傳感、交叉學科需求、人工智能測試等新理論框架，提高學生對萬物互聯(lián)需求下的傳感網(wǎng)絡及測試體系的初步了解，提高學生對人工智能算法的興趣，確保新工科建設順利進行。

一、新工科背景下的教學現(xiàn)狀與反思

（一）課程特點及矛盾

“傳感與測試技術”課程中有一個非常明顯的矛盾點，即課程極強的理論特性難以與專業(yè)高度工程實踐應用需求相兼容。

強理論特性來源于其多學科交叉的特點，這也是該課程開于大三下學期的主要原因。學生需要先修“理論力學”“材料力學”“大學物理”“模擬與數(shù)字電路”“自動控制原理”“控制工程基礎”等課程。在先前學習的基礎上，該課程進行了拓展理論講解?；逎墓酵茖Ш蛷碗s的理論計算給教師講授以及學生的課程學習帶來了很大的困難。對于教師來說，要平衡公式講授的時間與難度，要避免長時間講授致使學生聽不懂或跟不上進而半途被動放棄學習的情況，還要盡可能找趣味化公式。對于學生來說，在四五節(jié)課的時間里記憶并理解一個交叉學科的公式理論也非常困難，且難以理解其必要性以及諸多理論與工程應用之間的聯(lián)系，這也是阻礙課程傳授的關鍵點。

工程實踐需求源自課程背景面向機械工程，尤其是基礎工業(yè)設計、裝備、制造、工藝等環(huán)節(jié)中。對于教師來說，關于傳感器的講解只能由淺入深、由舊談新。針對傳感器設計原理的案例，避免不了介紹最簡單元和老舊設備中的設計靈感。該課程配套了對應的課程設計，要求學生自行查閱文獻并現(xiàn)場調(diào)研，尋找機械工程中的測試需求，挑選合適的傳感器并依據(jù)所學電動學知識基礎設計對應的測試電路，評估設計方案的可行性，動手焊接電路板并學會調(diào)制和尋錯，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)需求、創(chuàng)新設計、分析問題、學科融合的概念與技能。雖然在理念上希望學生可以自行瞄準行業(yè)前沿科學問題或生活與社會的需求，將課堂所學融會貫通，鍛煉小組合作的分工、配合與互幫互助，但工業(yè)現(xiàn)場的復雜性還是超出了課堂所學，也影響著學生對該學科的基本判斷。

（二）研究對象的滯后性

我們處于信息大爆炸的時代，社會科技呈快速發(fā)展的態(tài)勢，諸多先進傳感器和測試技術更新迭代，“互聯(lián)網(wǎng)+”“人工智能+”和“協(xié)同制造”成為各行業(yè)發(fā)展的主流。

與其他行業(yè)不同，機械行業(yè)的設備更新速度相對較慢。這由其行業(yè)特點決定。機械行業(yè)對新技術的需求遠不如對穩(wěn)定性的需求重視。對于某一類機械設備來說，其操作的穩(wěn)定性和安全性的重要性遠遠高于先進性、操作性和便攜性。這導致機械行業(yè)在傳感器更新和測試技術迭代過程有天然的滯后性。傳感課程的內(nèi)容也在此背景下有了滯后性。課程教學更多地側(cè)重于傳統(tǒng)傳感器和基本的測試系統(tǒng)，并未過多地討論新型算法。在大數(shù)據(jù)時代背景下的機器學習、人工智能已經(jīng)滲透諸多行業(yè)的方方面面，故步自封不能促進行業(yè)發(fā)展，也無益于課堂傳授和新工科發(fā)展?！皞鞲信c測試技術”作為機械工程、卓越工程師、智能制造工程的基礎核心課程，其教材與授課內(nèi)容在新技術方面需要與時俱進，尚有提升空間。

二、卓越工程計劃、智能制造工程中的新工科探索

（一）面向卓越工程計劃的新傳感測試技術

經(jīng)過十余年的發(fā)展，卓越工程計劃有了一定的底蘊和經(jīng)驗。卓越工程計劃是區(qū)別于機械工程的專業(yè)化程度更高、理論基礎更扎實、設計能力與創(chuàng)新能力需求度更高、培養(yǎng)目的更明確的學科，其教育計劃是為機械工程培養(yǎng)和選拔具有高級工程能力的人才。傳統(tǒng)教學方案中的理論部分對于卓越工程計劃班的學生來說壓力相對較小。因此，可以在學科教育的前提下，融入人文和工程教育，培養(yǎng)領域知識、創(chuàng)新設計能力、人文科技綜合素質(zhì)等方面均衡發(fā)展的卓越人才。

專屬課堂會綜合先修專業(yè)知識，拓展測試理論與信號分析理論，結(jié)合測試系統(tǒng)設計案例和實測數(shù)據(jù)分析案例，培養(yǎng)學生面對工程需求的思維應變和設計敏感。雖然互聯(lián)網(wǎng)技術與人工智能技術的理論較難，但在傳感技術、測試技術之后融入更多的智能分析技術非常必要。卓越工程計劃需要更早地接觸前沿科學基礎，更快地接受交叉科學背景下的科技導向，在面對智能設計制造、智能工藝創(chuàng)造、智能數(shù)據(jù)分析等需求時，擁有快速學習和應變能力。

（二）面向智能制造工程的新傳感測試技術

為響應國家對智能制造人才與科技培養(yǎng)的戰(zhàn)略性需求，智能制造工程專業(yè)應運而生。對應的智能傳感技術是傳感與測試技術的新工科試驗。學生需要具備產(chǎn)品的智能化設計、開發(fā)、制造等能力，需要了解最新的科學技術并從事智能制造領域的設計與開發(fā)工作。

雖然智能制造工程出現(xiàn)的時間不長，但“智能”與“協(xié)同”已成為學科的核心，也是新工科探索的先鋒軍。在“智能制造”課程教學過程中要避免在普通傳感器、簡化測試系統(tǒng)、簡單信號分析中畫地為牢，要脫離傳統(tǒng)的由簡入繁和由淺入深。在智能制造中的智能傳感、智能檢測以及智能算法應立足于學科交叉和前沿科技需求，尋找時代發(fā)展最新話題。例如，智能軸承的設計與監(jiān)測。區(qū)別于普通軸承，智能軸承中添加了電路板，相當于內(nèi)置了傳感器和檢測裝置。該專業(yè)需要了解并掌握類似特殊環(huán)境和工況下的智能算法，以“互聯(lián)網(wǎng)+”和“人工智能+”為基礎學習物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡和大數(shù)據(jù)智能算法相結(jié)合的智能診斷系統(tǒng)或健康評估系統(tǒng)。

三、教學改革探索

（一）教學環(huán)境改革

“傳感與測試技術”課程擁有專業(yè)基礎理論性強、學科交叉科目多、工程實踐能力要求高等特點，教師教學過程應有所取舍并進行針對性教授。對于機械工程專業(yè)的大多數(shù)學生來說，花費太多時間去理解和掌握每一個理論的所有公式推導過程意義較低，而且很可能導致學生厭學。面對這種情況，針對涉及的理論知識有必要進行選擇性講解，側(cè)重讓學生理解這部分理論對于工程應用的重要性和宏觀意義。當前教材在測試系統(tǒng)和信號處理方面?zhèn)鬟f出大量信息，詳細介紹了系統(tǒng)動態(tài)特性和靜態(tài)特性，重點研究了各種理論公式的推導和變換，而學生興致更高的工程應用和創(chuàng)新思維排序靠后。這會導致部分學生因理論理解困難失去了后續(xù)學習的動力。

在新工科時代的教育過程中，有必要重新定義學生學習能力的范疇。教師教授應秉持“授人以魚不如授人以漁”的原則對不同學生的培養(yǎng)加以區(qū)分，學情不同方案也應不同。倘若過多地講解公式如何推導、時頻如何變換，不如去闡述不同領域信號的物理意義和研究價值，將研究推導過程的橄欖枝遞給學生，用興趣引導學生研究，而非“填鴨式”傳授。

對于卓越工程師和智能制造工程的學生來說，有必要增加智能傳感陣列基礎上的萬物互聯(lián)相關教學、涉獵人工智能算法和機器學習基礎技術，引導學生主動檢索國際研究前沿的人工智能熱門算法。添加汽車智能駕駛系統(tǒng)中的智能傳感技術、智能測試技術、智能駕駛系統(tǒng)算法等的介紹，引導學生對周圍的智能傳感與測試技術進行探索和學習，建立現(xiàn)代意義上的“傳感與測試技術”和真正先進的新工科。

（二）實踐方案改革

現(xiàn)行的課程實踐方案雖定位于身邊的“傳感與測試技術”，期望學生主動尋找社會需求并探索前沿技術，但實際上收效甚微。其根本原因是學生在“傳感與測試技術”課程開設的大三學期尚難以形成系統(tǒng)的社會科學發(fā)展程度的概念，只能片面地接受外來知識。當然這也意味著以問題為驅(qū)動的學習模式更適合學生探索未知并解決技術難題。

在關于工程實踐的教學過程中，教師可以考慮設置能夠覆蓋部分教學內(nèi)容但需考慮多學科交叉合作的真實項目。這里的關鍵問題是擬研究項目需緊隨當前時代熱點。以華為最新的問界M9為例，其內(nèi)部集成了超聲雷達、視覺傳感、多傳感聯(lián)動、智能避障、交通燈識別以及智能語音系統(tǒng)等。教師可以此為例，邀請所有學生共同探討其中涉及的傳感技術、測試技術和智能算法；針對每一套系統(tǒng)分不同的組別進行研究；針對同一研究對象，學生可以互相探討共同研究，合作交流。問題的解決方案可由繁至簡、以小見大；方案的解決可以跨學科融合。

在智能算法領域，重點引入機器學習和深度學習。引導學生培養(yǎng)從龐雜的信息中提取需求內(nèi)容的能力，建立數(shù)據(jù)自信。教師需要把控教學節(jié)點，既不能讓學生產(chǎn)生知識搬運的僥幸心理，也不能讓學生困于淺層思考的誤區(qū)，要將人工智能當作工具去減輕人工操作的工作量。以真實項目為基礎，探索不同算法在智能診斷過程中的優(yōu)勢與不足。

（三）思政元素改革

“傳感與測試技術”課程中包含的傳感技術、測試技術、智能分析與診斷技術都屬于新工科建設過程中涉及國家新時代戰(zhàn)略發(fā)展需求、國防安全需求、新能源安全需求的關鍵技術。教師在教學過程中，不僅要考慮人才技能培養(yǎng)，更要考慮人才思政培養(yǎng)。習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)，要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面［4］。一方面，為師要立德，師之傳意味著徒之承；另一方面，學生要正心，心正則德正、德正則學正。在新工科建設時代，需要課程教師明白要培養(yǎng)什么樣的學生以及如何培養(yǎng)學生，最重要的是要明晰為誰培養(yǎng)。授課者應堅持科學育人，培養(yǎng)學生正確的價值觀，為黨和國家發(fā)展需求培養(yǎng)科研與實踐并重型的人才。

“傳感與測試技術”的重心是要解決工程中的實際問題，需要在了解基礎知識的情況下結(jié)合工程實踐，對國內(nèi)、國外當前研究現(xiàn)狀進行調(diào)研分析，引導學生建立愛國主義情懷、立志為國拼搏、沖破瓶頸、刻苦努力、謙虛自信的品質(zhì)和信念。帶領學生參觀國之重器并剖析戰(zhàn)略工程中的傳感技術、測試技術和智能分析診斷技術，講解前輩的奮斗歷程，培養(yǎng)學生面對困難勇于挑戰(zhàn)的品質(zhì)，增強學生的工匠精神和責任擔當意識。在課程講述過程中融入習近平總書記對碳達峰、碳中和的指示，清潔能源中的智能測試技術與生態(tài)文明理念，培養(yǎng)綠色科技、生態(tài)文明可持續(xù)發(fā)展理念。

結(jié)語

綜上所述，新時代對新工科建設提出了全新的要求，“傳感與測試技術”課程需要伴隨新技術和社會進步的發(fā)展，及時更新培養(yǎng)目標和傳授模式，需要教師學習全新的教學理念和思維模式，需要學生樹立愛國主義理念。本文探索了當前教學現(xiàn)狀中的矛盾與不足，從教學環(huán)境、實踐方案、思政元素等三個方面討論了在新環(huán)境下的教學實施方法。通過結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”和“人工智能+”，探索了面向卓越工程師和智能制造工程的傳感預測試技術培養(yǎng)方案，以推動機械工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)進一步發(fā)展。

參考文獻

［1］鐘登華.新工科建設的內(nèi)涵與行動［J］.高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

［2］楊亞萍，李妍，宋祥龍.新工科背景下高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)研究：以西安航空學院給排水科學與工程專業(yè)為例［J］.教育教學論壇，2023（25）：176-179.

［3］劉東東，崔玲麗.新工科背景下“傳感與測試技術”教學改革初探［J］.教育教學論壇，2023（47）：77-80.

［4］習近平在全國高校思想政治工作會議上強調(diào) 把思想政治工作貫穿教育教學全過程 開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面［N］.人民日報，2016-12-09（1）.

Teaching Exploration and Reform of Sensing and Testing Technology under the Background of Emerging Engineering Education

ZHANG Kun， XU Yong-gang

（College of Mechanical and Energy Engineering， Beijing University of Technology， Beijing

100124， China）

Abstract： In the training system of outstanding engineers and intelligent manufacturing engineers in the new era， Sensing and Testing Technology is a core basic compulsory course with strong professional and technical characteristics. With the strong rise of “Internet +” and “Artificial Intelligence +”， the training objectives of this course have been updated dynamically in the construction of new engineering disciplines， and there are new demands for the course delivery model. In order to make the training model of this course in the field of machinery meet the needs of the construction of new engineering disciplines， the contradictions and shortcomings in the current teaching status were discussed， and the teaching implementation methods under the new environment were explored from three aspects： teaching environment， practical plan， and ideological and political elements. It is hoped that the training of innovative talents in mechanical engineering can be further developed.

Key words： emerging engineering education; Sensing and Testing Technology; intelligent manufacturing; teaching reform