检测与转换技术教学改革研究与实践

检测与转换技术是自动检测技术和自动转换技术的总称，是研究自动检测系统中的信息提取、信息转换、信息处理以及以传输的理论和技术为主要内容的一门应用技术，是一门综合性很强，在物理学、电工学、电子学、计算机、自动控制等先修课程的基础上开设的重要的专业技术基础课。
现代检测与转换技术的应用已深入信息社会的各个领域中，从日常生活、生产活动到科学实验，都离不开检测。检测技术已变为科技领域的重要组成部分，科技发展的每一步都离不开检测技术的配合，尤其是极端条件下的检测技术，其已成为深化认识自然的重要手段。
俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始的”，许多基础科学研究的障碍，首先在于信息的获取存在困难。可以这么说，没有检测与转换技术的发展，就没有现代科学技术的发展。
郑州大学电气工程学院（以下简称“我院”）是最早开设检测与转换技术课程的院系之一，在多年的教学过程中，本课程也由原来的专业课变为现在的专业基础课，由最初的硕士研究生教学过渡到本科生、硕士生教学，检测技术与自动化装置现已为二级硕士授权点。现在，我们对检测与转换技术课程的性质、教学目的、教学方法等有了较为明确的认识，课程教学已有较为完善的教学体系。但是，由于检测技术是一门涉及电学、磁学、光学、生物等的交叉学科，其涉及的知识点多，涉及面广，同时，随着科技的进步，新技术与材料的出现，新检测手段的运用使检测与转换技术知识更新较快。特别是近几年，科技的快速发展，导致检测与转换技术无论是理论还是应用，其发展明显提速。在这种条件下，如何建立适应该课程特点的教学体系以完全适应现代教学的要求，提高检测与转换技术的教学质量，还有诸多问题要进行研究。本文正是在多年实践教学的基础上，结合课程特点和现代科技发展，对检测与转换技术教学体系进行研究。
一、现状
目前，电气工程学院检测与转换技术有专任教师3人，其中专任主讲教师2人，主要承担课程的大纲修订、内容讲解、答疑、考核等正常教学工作。两位专任主讲教师中1人主要面向自动化专业本科生，教材采用常健生主编的《检测与转换技术》（第三版）；1人主要面向轨道交通信号与控制本科生，教材采用梁森等教授编著的《自动检测与转换技术》高等职业技术教育机电类专业规划教材。1名专任教师担任实践教学工作，主要负责实验教学课程安排、综合设计、创新设计、实践课程安排等工作；另外由院长、教学副院长、系主任组成的院教学领导小组负责教学内容、教学大纲、教学计划、考核制度等内容的审定工作。学时安排上也由原来的60学时压缩到现在的48学时，其中还包含6学时的基础实验。
由于检测与转换技术课程的内容庞杂且相对独立，内容之间没有必然的联系，涉及现在人们生活中所使用或遇到的诸多器件。这些器件原理千差万别，在理论基础部分，涉及测量及误差、数据处理、随机分布最小二乘法、曲线拟合等相关数学知识；在电测量指示仪表中，既有电磁系仪表，又有测电系、电动系仪表等；对于传感器而言，既有电能量传感器，电参数传感器，也有半导体传感器等；从传感器系统设计的角度看，还有抗干扰技术，可靠性问题等。这些仪表和传感器集成了物理学、热学、力学、化学、光学、生物学、电子学等知识，综合性很强，属于典型的多学科渗透的一门课程。
目前，随着科学技术的发展，检测要求日益提高，检测内容日益丰富，检测手段层出不穷，检测方法也日益细化，检测需求的广度和深度都明显与现有教学内容和教学模式不相适应，总结起来，主要有如下几个方面。
1.教材内容陈旧，部分内容过时，不能反映现阶段检测科技发展的情况。由于教材内容一般都是经典知识，内容相对落后，对于检测与转换技术课程来说，日新月异的科技变化，仪表和传感器的内容仅仅从课本上已不能满足学生今后工作的需要。教师在备课过程中如果不能紧跟检测与转换科技前沿的话，那么学生得到的相关知识与实际工作将严重脱节。而且，各个学校由于学科特点不同，即使课程安排都有检查与转换技术，但可能内容大相径庭，如煤矿行业、粮食行业、一般工业等，在教学过程中，内容各有所偏重，选择合适的教材在实际的教学中显得迫切而重要。
2.课堂教学内容方面，由于本课程的特点是既要注重理论分析又要注重实践应用，是理论与实践并重的学科。理论分析是实践应用的基础，实践应用能深化理论理解，只有两者结合，才能达到应有的教学效果，但在实际的教学过程中，受学校特点、经费不足、授课教师自身教育工作经历、所选教材等因素的影响，普遍存在重视原理的剖析与理论推导而忽视或轻视课程实践应用教学的现象，教师不能根据课程特点和学生需求进行施教，从而影响教学效果。
3.在课堂教学方式上，大多数教师依然采用通过课堂讲授，辅之以PPT和板书的模式，把自己认为需要教学的内容灌输给学生。这种一概而论的教学方式，忽视了学生的个体差异，必然造成部分学生吃不饱、部分学生吃不消的现象。而且，由于本课程内容之间的逻辑性较差，内容之间的关联性不大，这种填鸭式的教学方式必然使教学内容抽象空洞，降低了学生的学习兴趣和求知欲望。
4.在实践教学方面，大都是在讲过某个仪表和传感器后，对该传感器的特性进行演示验证。现在实验室设备的封闭性使实验易于操作，但由于学生看到的仅仅是外部接线，他们在做实验验证的时候仅仅是按照实验指导书的步骤来进行连线，很多学生实验做完了还不知道做这个实验的传感器是什么样。这造成实验效果大打折扣，学生在应用时仍然不能正确选型，对使用过程中的应注意事项没有重视。同时，由于经费场地等原因，综合创新实验有而不做，有的甚至没有或占比甚少。
5.考核内容单一且不能真正反映学生的实际情况。
目前的考核大都是期末一张试卷决定学生本课程的成绩，即使是有增加实验部分的考核，考核过程也比较粗糙，实验部分随意性较强，没有规范的实验考核标准，实验部分成绩水分较大，最终成绩不能真实反映学生的真实水平，造成一些真正有水平的学生成绩反而不如会背书的学生成绩好。
二、改革内容
经过多年的探索实践，依据教学过程中存在的问题，我们在原教学基础上，将教学内容根据要求分成不同模块，每个模块呈递阶关系，以解决教学过程中一刀切的教学方式；同时根据学生的情况，对学生进行组团，根据教学模块和学生组团情况实施教学，建立检测与转换技术课程新型施教体系，该体系包括教学理念、内容遴选、授课形式、实践教学、考核方式、教学手段等几个方面。
1.在教学理念上，借鉴国外先进教学经验，改变传统的教学理念。通过检测与转换技术多维多层次教学研究与实践项目，改变传统教师独唱主角戏的教学模式，教师不再是单纯地输灌具体的知识点，而是成为学生学习知识的领路人，学生是课堂的积极参与者、知识的吸纳者及实践者，让学生知道自己是课堂主体，形成课堂师生双向和谐交流的教学模式。
2.在教学内容上，我们在广泛调研国内外兄弟院校相关教学内容的基础上，吸收国内外最新成果，将教学内容分为理论基础模块、核心模块、延伸模块。同时，根据学生实际情况进行组团分组，不同组团的学生对教学模块施以不同的要求，同时采用中文授课，英文教材延伸阅读，实行汉英并重，这样既能保证学生掌握必要的知识，又能跟踪本课程的最新技术动向和技术成果。
3.根据授课内容，改革授课形式，始终贯彻以学生为主题，教师为主导，教材为主线的教学理念。采用启发式教学[7-8]，对每个相对独立的知识点，引导学生运用所学知识，对核心知识点采取让学生登台讲授、分组讨论、学生评价等方式，增加学生对知识点的理解；通过分组微课堂，内容微讨论，习作微论文，课后微研究，以加深学生课后知识点的深化理解和掌握，提高学生学习的主动性和独立性。通过增加综合设计，创新设计内容，激发学生的探索和研究热情，让学生学会提出问题并寻求解决问题的方法，把能力培养、素质教育落到实处，培养学生独立思考、理论知识应用和独立创新的能力。
4.改革完善实践教学环节。利用中西部支撑计划，改善了检测与转换技术实验室，建立了检测与转换技术基础实验室；根据技术发展更新完善了实验内容，并与专业课程如PLC综合实验室相结合，建立了开放实验室，学生可进行类工程设计训练。
5.改变传统的教学手段，除采用形象生动的多媒体教学课件外，还采用录像视频、实物展示、典型案例分解、现场演示与模拟、导入实际项目等方法，以激发学生的学习热情。同时根据不同教学内容，组织学生集中观看相关录像或到相关企业参观传感器生产，系统集成应用，让学生从生产、检验、设计、应用等方面全面了解，深化理解有关知识。
6.改革完善考核方式。根据课程性质，借鉴国内外兄弟院校的考核方法，确定本课程成绩的评估方法。开展了形式多样的考核方式和过程考核，将过程考核作为最终考核的一部分，弱化一卷定成绩的考核方式，强调过程学习并将过程学习作为考核的重要部分。将考核成绩分为笔试（占总成绩的60%）以反映学生基础理论及知识点的理解和掌握情况，实验考核（占总成绩的20%）以反映学生基础知识的应用能力，综合创新设计（占总成绩的20%）以反映学生利用相关知识的综合创新能力。综合创新设计分为限定内容和自由发挥两部分，并以各种形式鼓励学生参加各类相关设计大赛，如全球华人微纳米系统分子学会举办的美新杯MEMS传感器应用大赛，郑州大学创新实验项目，机器人大赛等，有效利用考核的导向性，促进学生学习的自觉性及利用相关知识的主动性，从而提高教学的效果。
三、教改效果
检测与转换技术从2013年探索教学改革以来，已历经多年实践，改革内容不断深化，教学手段也不断创新，从实践内容来看，其效果显著，主要表现如下。
1.学生对本课程的学习兴趣大大提高，一改往年的厌学、被动学习的情况，主动性大大提高。跟踪统计发现，学生成绩不合格率从最初的近20%，下降到2015年的不足8%，2016年的6.5%；优秀率由最初的不足3%，上升至2015年的11%左右，2016年的16.7%。
2.学生的实践意识增强，动手能力大大提高。跟踪统计发现，应用本课程相关知识参加各类相关大赛的学生逐年增多，各类创新项目或自设题目的活动团体由最初的7组增加到2016年的18组，获得国家级、省级各类相关奖励21项。
3.学生解决问题的能力得到提高。学生在遇到相关问题时，有解决问题的思路并能根据问题采取解决措施，等、靠现成答案的现象锐减。
4.分配到相关用人单位的学生信息反馈表明，学生相关知识基础较好，很快能成为单位的技术骨干。
四、总结
通过实践，检测与转换技术课程取得了较好的效果，但在实施过程中，还有如下方面需进一步完善。
1.模块化的教学内容及教学方式与目前的教学学时、教学要求局部有冲突，表现之一就是学时不足。解决途径是：（1）进一步筛选课程内容，对现有教学模块进一步优化，对现有必修模块进一步凝练，原有内容部分可移至下一模块，或对相关模块要求重新界定；（2）与有关管理部门沟通，尝试适当调整学时的可能性。
2.由于创新性实验的耗材经费不足，学生的实验场地亟待解决。由于学生较多，耗材应用量较大，学生现有试验场地明显不足。在教学实践过程中，学校曾建议学生错时进行实验，或找相关专业实验室进行，但这不利于实现预期效果。
3.技术的快速发展对教材内容的更新提出了更高的要求。同时，也亟待撰写与本教学体系配套的新教材。
4.模拟仿真系统亟待建立。根据本课程的技术特点，要求所有所学内容都具备实物目前还不太现实。要让学生对不能进行实物训练的内容有较好的理解，开发开放模拟系统进行相关内容的训练是目前较为有效的途径。对涉及教改体系方面的因素，随着本课程教改的进一步完善，这方面的改善较易推进；对涉及因素较多的方面，需要协调有关部门进一步解决。
5.教师工作量陡增。由于教学内容模块化和对学生分组施教，教师的工作量大大增加，这个问题可通过增加专业教师等措施来解决。
总之，检测与转换技术课程由最初的专业课调整为现在的专业基础课，在工科院系课程中的重要性凸显。从实际教学情况来看，教改中无论是模块化的分层教学体系及学生组团实践，还是双语并重的授课形式，以及过程考核尝试，都为该课程进一步完善教学质量提供了一个有益的探索，同时也为相关课程的改革提供了一定的借鉴，具有较高的推广应用价值。