能力達成導向的測試系統實驗課程實踐

崔 勇，胡慶雷，王秋生，董韶鵬，富 立

（北京航空航天大學1.自動化科學與電氣工程學院，2.機械與控制工程國家級虛擬仿真實驗教學中心，北京100191）

0 引言

測試測量技術是當代科學技術發展的一個重要標志，它與通訊技術、計算機技術構成信息科學的三大支柱，是當代信息技術的關鍵和基礎［1～3］。測試和測量系統負責信息的采集，數據處理和分析，是自然和生產生活領域中獲取信息數據的基本途徑和重要手段［4～6］。

測試系統綜合實驗課程體系建設的主要目標是為滿足面向工程教育的人才培養，同時適應“雙一流”建設對一流人才培養的需求［7～9］。以往，該課程體系的教學內容分散在包括“信號與測試技術”（核心專業課）、“航空測試系統”（檢測方向核心專業課）以及通識課“無線傳感器網絡導論”等多門課程中。存在知識點不連貫、不系統，實驗內容重復設置等問題，非常不利于培養學生建立綜合的系統工程觀能力。此外，測試系統綜合實驗課程體系還缺少能夠滿足我校本科生培養的具有航空航天特色的系統性、綜合性的內容，因此，迫切需要開發和建設一門具有測試測量領域基礎知識和最新知識融合的實驗課程體系。

1 課程體系的頂層設計

測試系統綜合實驗課程體系在知識體系上可劃分為傳感器測量基礎性實驗和測試綜合實驗兩部分。傳感器測量基礎實驗部分側重培養學生對基礎概念、基礎知識的掌握和基礎實踐能力的培養；測試綜合實驗部分，結合多門課程的知識，設計具有綜合應用場景的實驗內容，側重培養學生的系統工程能力。我們開發的測試系統綜合實驗課程體系內容包括了傳感器測量基礎性實驗和測量信號分析實驗，并在此基礎上引入了面向航空航天應用、嵌入式應用和物聯網應用的測試系統綜合實驗內容。這些實驗內容安排由淺入深、由基礎到綜合，側重強化學生測試測量領域知識的運用和實踐能力培養，同時兼顧提升學生面向未來的適應性能力。開發的課程體系如圖1所示。這一實驗課程體系的頂層設計中重點突出應用性和工程性，同時具備航空航天特色（如引入了包括機載大氣數據采集系統實驗、飛行器大氣參數解算實驗等具有航空航天特色的測試測量實驗）。課程內容的設置既保證了航空航天領域杰出人才培養力，又可滿足培養時代發展需求的一流工程人才的需求。同時，在實驗課程開發過程中，補充了測試測量領域反映新概念、新原理、新技術的內容（如物聯網、無線傳感器網絡等實驗內容），力求使學生了解測試測量領域新的科技和產業的發展。

圖1 測試系統綜合實驗課程體系設計

2 實驗開發與實踐

本課程體系所開發的實驗包括：傳感器測量基礎實驗（包括傳感器測量信號分析基礎實驗、活塞壓力計系統靜態特性校準實驗等十個實驗，九大類傳感器）、飛行大氣數據測試系統實驗（包括航空壓力傳感器靜態校準實驗和大氣數據系統飛行參數解算實驗）、無線片上系統實驗（包括數字I/O，定時器、中斷、串口、集成溫濕度測量以及光強測量等七個實驗）和基于ZigBee的無線傳感器網絡實驗（包括星形網絡和Mesh網絡實驗）。依據實驗內容，開發了包括傳感器基礎實驗平臺、大氣數據測試系統實驗平臺和無線傳感器網絡實驗平臺。

2.1 傳感器基礎實驗平臺

傳感器基礎實驗部分依托傳感器系統綜合實驗平臺開展，實驗平臺采用模塊式結構，可按照實驗要求靈活組合［10～12］?；谠撈脚_已開發了包括：壓力計系統靜態特性校準實驗、溫度傳感器實驗、電感式傳感器實驗、應變傳感器實驗、超聲傳感器實驗、電容式傳感器實驗、電渦流傳感器實驗、光纖光電傳感器實驗和霍爾傳感器實驗。通過這些實驗，使學生掌握了常用傳感器敏感機理、結構及應用、常用物理參數的測量原理等內容。通過實驗過程，進一步加強了學生對測試測量技術基本的理論的理解，培養了學生正確、合理地選擇常用的傳感器和檢測方法的能力。

傳感器基礎實驗平臺及部分傳感器模塊如圖2所示。

圖2 傳感器基礎實驗平臺及部分傳感器模塊

2.2 大氣數據測試系統實驗平臺

大氣數據測試系統為綜合性實驗，自行開發的實驗平臺如圖3所示。該部分實驗內容涉及自動控制元件、信號與測試技術、航空測試系統等相關的理論與工程應用，對培養學生的理論分析能力、工程設計能力具有重要的作用。實驗內容主要包括航空壓力傳感器靜態校準實驗和大氣數據系統飛行參數解算實驗。通過實驗可使學生深入理解機載大氣測量系統的組成和工作作原理，完成對實際大氣數據系統中用到的壓力泵、真空泵、氣閥、氣罐等組件的綜合測試和控制，最終實現飛行大氣參數的在線解算。

圖3 大氣數據測試系統實驗平臺

2.3 無線傳感器網絡實驗平臺

實驗平臺以ZigBee協議為自組網絡實現物聯網多節點組網控制（圖4）。實驗平臺共包含7個獨立的無線模塊，無線模塊的主芯片是TI公司的無線片上系統CC2530。實驗平臺集成了多種傳感器以及多種無線組網模式，可實現多種物聯網構架?；谠撈脚_，設計了包括：基于無線片上系統的數字I/O實驗、基于無線片上系統的定時器實驗、基于無線片上系統的外部中斷實驗、基于無線片上系統的串口通信實驗、基于無線片上系統的A/D轉換實驗、基于無線片上系統光強度測量實驗、基于無線片上系統集成溫濕度測量實驗、基于ZigBee的星形無線傳感網絡綜合實驗和基于ZigBee的Mesh無線傳感網絡綜合實驗。

圖4 無線傳感器網絡實驗平臺

依托該物聯網實驗平臺，引導學生將理論知識和實際知識相結合，進一步加深學生對于無線傳感器網絡中典型概念、設計方法、使用方法等知識的掌握。

3 能力達成導向

結合我校自動化專業的實踐教學現狀，并與世界500強企業技術人員交流、到國內航空航天企業與院所走訪、到國內和國外的著名大學調研等形式，準確把握自動化新興技術現狀及發展趨勢，設計了具有閉環反饋機制、以能力達成導向的教學持續改進體系。確定了包括專業能力、個人能力、文化能力、方法能力、領導能力、社會能力、全局能力、組織能力、交互能力的學生能力達成指標體系（圖5（a）、（b）、（c））?；谠擉w系，通過調查問卷的形式，采集分析了40名學生的各項能力達成情況，基于熵權法找到了本課程培養過程中學生的能力達成短板，如圖5（d）中所示的“領導能力”和“社會能力”?；诜治鼋Y果，未來可對本課程實施持續提升或改進，例如，擬通過設計綜合開放性實驗內容，將單獨完成實驗模式轉換為不同分工合作完成的實驗模式，促進同學們在實驗過程中的相互交流，鍛煉其領導能力和社會能力，從而避免學生能力培養過程的“碎片化”問題。

4 結語

經過2018-2020年的迭代建設和教學反饋，完成了測試系統綜合實驗課程體系的能力達成指標體系的建立，并開發了面向能力達成導向的綜合實踐教學內容，完成了多個實驗項目的建設。根據學生調研反饋的能力達成結果，改進了實驗方法，完成實驗教學工作的持續改進。實驗內容緊密聯合工程應用，較大地激發了學生的學習熱情，對培養學生創造力和綜合運用知識的能力具有重要作用。