依托科创项目培养学生解决复杂工程问题的能力

    吴常铖 费飞 杨德华 朱永凯

    

    

    

    摘要：本研究是在工程教育认证背景下，以指导南京航空航天大学测控技术与仪器专业大三学生参加科创项目为例，进行以科创项目为契机培养学生解决复杂工程问题能力的探索。文章围绕复杂工程问题的特征，从选题、项目分析、项目指导等方面入手，引导学生综合运用多门课程知识来解决实际工程问题。探索过程有利于促进学生对本专业知识的理解和应用，提升其分析、解决复杂工程问题的能力。

    关键词：工程教育认证;科创项目;复杂工程问题

    中图分类号：

    G642

    文献标识码：A文章编号：2095-5995（2021）01-0084-04

    工程教育是我国高等教育的重要组成部分。工程教育专业认证是保证教育质量、提升教育国际竞争力，实现教育的国际互认的重要举措。我国自2016年加入《华盛顿协议》起就采用了国际通用标准对工程教育进行认证。截止2019年年底，我国已有240余所普通高校的1353个专业通过了工程教育认证。

    南京航空航天大学测控技术与仪器专业于2017年通过专业认证，将工程教育理念贯彻落实到教学实践中是进一步促进专业发展的重要手段，同时也是提升学生培养质量的重要保障。

    复杂工程问题是工程教育专业认证重点考察的内容之一，2018版公布的工程教育认证标准的12条毕业要求中，有8条是涉及“解决复杂工程问题”的要求。南京航空航天大学测控技术与仪器专业的培养目标中明确指出，本专业培养的学生应具有分析和解决测控系统复杂工程问题的能力和创新实践能力[1]。这些充分说明在教学中落实复杂工程问题的必要性。

    目前，我国全日制高等教育的教学活动主要有理论教学和实践教学两种形式。实践是课堂理论教学的补充，能够帮助学生加深对知识的理解，是知识融会贯通的重要过程。参与科创项目是学生进行实践的一个重要途径，有目的地设立科创项目实践环节，不仅能够为学生提供综合应用多门课程知识来解决具体问题的机会，同时也是培养学生分析和解决复杂工程问题的重要途径。本文面向南京航空航天大学测控技术与仪器专业大三学生发布科创项目，在项目实施过程中进行培养学生分析解决复杂工程问题能力的探索。

    一、复杂工程问题简介

    复杂工程问题是工程教育专业认证毕业要求中的核心内涵，具有如下七个特征：（1）必须运用深入的工程原理，经过分析才可能得到解决;（2）涉及多方面的技术、工程和其它因素，并可能相互有一定冲突;（3）需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性;（4）不是仅靠常用方法就可以完全解决的;（5）问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践的标准和规范中;（6）问题相关各方利益不完全一致;（7）具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题[2]。

    二、 指导科创项目实践

    （一）选题

    为培养学生的实践能力，学校每年定期遴选一批学有余力的本科生参与科创项目并提供经费支持。这些科创项目的来源分为学生自由探索选题和专业教师发布科创题目两种形式。

    本文进行以科创项目为契机培养学生解决复杂工程问题能力的探索，由于学生自由探索选题大多以兴趣为导向，不利于落实培养学生分析解决复杂工程问题的能力，因此，采用教师有目的性发布的科创题目来进行探索。专业教师发布科创题目应综合考虑学生的知识结构和实践能力，合理设置复杂工程问题要素，同时为了激发学生的研究热情，选题还应结合当前科技热点。

    此次探索围绕机器人人机交互技术这一当前研究热点，面向本专业大三学生发布题为“面向人机交互的可穿戴数据手套设计”的科创项目。该项目组成框图如图1所示，主要包含以下任务：

    1.采用弯曲电阻传感器进行手指弯曲角度的测量，设计信号调理电路将手指的弯曲信息转换为电信号;

    2.选用自带AD转换器的单片机采集调理电路输出的信号并将其通过蓝牙模块发送给计算机;

    3.计算机上基于Unity3D平台开发可视化人机交互软件。

    图1项目組成框图

    （二）项目分析

    由研究内容可知，该科创项目主要包括硬件设计和软件两个部分，涉及本专业的《传感器原理》《模拟电子技术》《高等数学》《单片机及嵌入式系统》《数字信号处理》《工程应用软件》等课程知识。依据复杂工程问题的特征和学生的知识结构在项目中提炼出若干具有复杂工程问题特征的典型问题，如表1所示。

    （三）项目指导

    本文以调理电路设计中“如何设计电路参数，使得测量灵敏度最大化”为例，采用“问题+分析指导”的形式引导学生分析和解决复杂工程问题。具体过程包括以下三个阶段。

    1.引导知识应用，完成电路设计

    问题：本项目将弯曲电阻片作为传感器进行手指弯曲信息的测量，其测量原理是什么，如何设计传感器的信号调理电路？

    分析指导：

    该传感器具有阻值随弯曲角度增加而增加的特点。根据传感器的这一特点，可以引导学生运用《电路》和《模拟电子技术》课程知识，设计基于串联分压、同相比例放大器、反相比例放大器等原理的多种信号调理电路。图2所示为基于串联分压的信号调理电路，该电路的输出为：

    Vo=R0R0+RxVref（1）

    其中，Vref为传感器的供电电压，Rx为传感器的阻值，R0为分压电阻。

    2.建立数学模型，分析影响结果的因素

    问题：《传感器原理》课程中指出，灵敏度是传感器的一个重要静态指标。本项目中弯曲电阻用于测量手指的弯曲角度，那么它的灵敏度是多少、与哪些因素有关？

    分析指导：

    根据图2所示的电路和灵敏度定义，建立弯曲角度测量灵敏度的数学模型为：

    k=Vomax-Vominθmax-θmin=R0Vrefθmax-θmin（1R0+Rx_min-1R0+Rx_max）（2）

    其中， Rx_min和Rx_max分別为手指伸直和完全弯曲时传感器的阻值，θmin和θmax分别为手指的最小、最大弯曲角度。

    由该模型可知：测量手指弯曲角度的灵敏度与供电电压Vref和分压电阻R0有关。

    3.分析问题本质，寻求多种解决方案

    问题：由（2）可知，测量的灵敏度与多个电路参数有关，如何选择电路参数，使得测量灵敏度最大？

    分析指导：

    该问题本质上是一个函数求极致的问题，本项目在指导学生过程中选择了作图法和求导法来引导学生利用所学知识解决问题。

    方法一：作图法

    步骤1：取θmax=90°，θmin=0°，并分别测量电阻片伸直和弯曲90°时的电阻阻值。

    步骤2：令Vref=1V，R0的取值从0开始，每间隔2kΩ取一个点，带入式（2）求得测量灵敏度，并利用Matalb软件绘制灵敏度与R0的关系曲线。

    步骤3：分别令Vref=2/3/4/5V，重复步骤2，得到不同Vref下灵敏度与R0的关系曲线，如图3所示。

    步骤4：在图3中挑选灵敏度最大的点，该点对应的R0及Vref即为调理电路的最优参数。

    方法二：求导法

    由式（2）可知，测量灵敏度与Vref成线性关系，增大Vref可以提高传感器的灵敏度。选定Vref后，灵敏度仅与R0有关，而且测量灵敏度与R0呈非线性关系。由《高等数学》可知，非线性函数的最大值出现在一阶导数为0的位置。对式（2）求导数，得：

    f （R0）=Vrefθmax-θminR0（R0+Rx_max）2

    -R0（R0+Rx_min）2+1R0+Rx_min-1R0+Rx_max〗 （3）

    令f （R0）=0，得R0=Rx_min×Rx_max，此时传感器的测量灵敏度最大。

    由上述分析可知，选定Vref后只需要测量出手指在伸直和完全弯曲时电阻片的阻值即可得到最优的R0取值。将求得的R0带入式（1），并令Vo≤AD转换器的最大输入电压，即可得到Vref的最优取值。

    4.指导要点

    “如何设计电路参数，使得测量灵敏度最大化”具备了多个复杂工程问题的特征，指导学生过程中应着重帮助学生建立以下意识：

    ◆建立数学模型有助于分析问题;

    ◆影响结果的因素往往是多个的，各因素间有可能存在相互制约;

    ◆解决问题的方案不唯一;

    ◆分析解决问题需要涉及多门课程的知识。

    三、评价机制

    常规的科创项目考核评价主要包括实物验收、设计报告、答辩等几个环节，并根据各环节的权重系数计算项目最终得分。

    除了常规考核环节外，此次探索中新增了“复杂工程问题回应表”的填写分析环节，即项目完成后，学生填写复杂工程问题回应表，要求分条目描述项目中符合复杂工程问题特征的研究内容及相关解决方案。评价时根据学生填写的条目数及内容的正确性计算得分，并设置权重系数计入项目总分。

    四、项目成效

    （一）科创项目成果

    图4所示为学生完成科创项目过程中设计制作的数据手套及开发的人机交互软件。

    （二）探索效果

    （1）科创项目中有目的性地设置复杂工程问题，有助于学生建立复杂工程问题的意识。

    （2）项目指导过程中，引导学生利用所学知识对问题进行建模分析，有助于提升学生分析解决复杂工程问题的能力。

    （3）评价机制引入复杂工程问题回应表，有利于了解学生对复杂工程问题的认识情况，为后续设立科创项目和科创指导提供依据。

    五、结论

    本文以指导南京航空航天大学测控技术与仪器专业大三学生参与科创项目为例，进行提升学生分析解决复杂工程问题能力的探索。在介绍复杂工程问题特征的基础上，从科创项目选题、项目分析、指导过程、评价机制等几方面进行实践探索，突出学生分析解决复杂工程问题能力的培养和评价。

    参考文献：

    吴常铖，费飞，杨德华，朱永凯.强调课程目标和复杂工程问题的“嵌入式测控系统”课程改革[J].中国现代教育装备，2020（3），65-67.

    [2]工程教育认证标准（试行） [EB/OL]. http：//www. moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3861/201110/125 419.html.

    Cultivating Students ?Ability to Solve Complex Engineering Problems in

    Science and Innovation Project

    Wu Chang-cheng， Fei Fei， Yang De-hua， Zhu Yong-kai

    （College of Automation Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing Jiangsu 211106）

    Abstract：

    Under the background of engineering education certification， this paper takes the junior students majoring in measurement and control technology and instrument of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics participate in the scientific innovation project as an example to explore how to train the students ?ability of solving complex engineering problems. The exploration process focuses on the characteristics of complex engineering problems， and starts from the aspects of topic selection， project analysis and implementation， etc.， to guide students to comprehensively apply the knowledge of multiple courses to solve practical engineering problems. The exploration process of this paper is conducive to promoting the students ?understanding and application of knowledge and improving their ability to analyze and solve complex engineering problems.

    Keywords：

    engineering education certification; science and innovation project; complex engineering problems