基于知识融合的《电子测量与仪器》教材改革

黄新 郭庆

摘  要：高等教育教材建设是保证和提高教学质量的重要支柱，教材是体现教学内容和教学方法的知识载体，教材建设需要遵从工程教育理念，满足“新工科”人才培养要求。完善教材知识体系，跨学科知识融合，有助于培养学生工程应用能力和结合不同学科知识的系统分析能力，从而提高学生的思维能力和解决问题的能力。《电子测量与仪器》教材目前已经发行5版，与同类教材相比具有内容较新、实用性强的特点。在教材的建设中，保持着教材的经典和优势，不断更新知识、内容和仪器技术指标，列举了国产仪器型号、技术指标及仪器实例，树立了民族自信心，激励着我国电子仪器事业的发展。新教材融合边界扫描测试前沿技术，有效拓展了学生的知识面;新增环境领域光谱分析，扩展了应用范围，为环境分析监测提供了理论保障;引入产品安规测试，满足行业电气产品安全生产的需求。

关键词：知识体系;跨学科;知识融合

中图分类号：G423.3    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2021）11-0152-03

随着社会和企业对人才综合能力的要求不断提高，高校教育开始向跨专业、跨学科转变，不断改革人才培养模式，以培养复合型人才。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》提出应优化学科专业、类型、层次结构，促进多学科交叉和融合。《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》提出应制定跨学科人才培养方案，探索建立政治过硬、行业急需、能力突出的高层次复合型人才培养新机制。

我国先后提出的“2011计划”“双一流建设”以及“新工科”概念，对各高校提出了新的要求，高校需要承担建设创新型国家的重任，培养具有跨学科的知识结构、素质能力与协同精神的复合型人才 [1]。“新工科”的战略性、创新性、系统性与开放性等特征明确，以立德树人为引导，培养多元化和创新型的卓越工程人才 [2]。

我国高校采用多种方式实现复合型人才培养，复合交叉专业如生物医学工程，由工程学、生物学、医学等学科交叉而成 [3-4]。很多高校在制定专业培养方案时，会选取不同学科和不同专业的课程进行交叉，但未能达到真正意义上的复合培养。大学应顺应社会发展，从“专业人才培养”向“复合型人才培养”转变。在学科交叉融合的广泛需求中，本研究主要从教材建设入手，研究如何将学科交叉，知识融合与教材建设有机结合，以培养学科交叉的工程技术人才。

一、教材建设的人才培养价值

教材是高校教师传授知识的主要依据，教师根据教材和专业需要安排讲授内容，学生利用教材完成自学。学生完成专业课程学习才能更好地掌握专业相关知识，以成为专业人才。因此，高校教材建设是人才建设的基础，加强教材建设为培养创新型人才提供了更充足的知识基础，有助于培养创新性工程人才。

优秀的教材应当有自己的内涵和灵魂，概念准确，知识结构清晰，知识点全面具体，还应启发学生的创新和创造能力。这样才有益于培养学生的综合能力和创新能力。因此，教材的内容在思想性、科学性、系统性等方面，对于人才培养起着导向性作用。

教材建设应以教材思政为引导，以专业课程知识体系为核心，以培养学生综合能力为目标，充分体现教材的知识基础性和专业性，知识的系统性和先进性，保持教材的经典性，融合跨学科知识，将理论与实践有机结合，灵活运用现代信息技术，全面提高教材建设质量。

二、教材建设的知识融合理念

（一）教材知识体系

在课程教学过程中，教材發挥着重要作用，作为教学内容和教学方法最基本的知识载体，教材的知识体系是系统的、连续的，而且是稳定的。教材不仅是知识生产、知识创造的过程，更是知识选择的过程。知识的选择既遵循学术的逻辑，注重科学性和时代性，也遵循经济逻辑和政治逻辑，即现实性和政治性。

在新工科背景下，教材知识体系应进行调整，在传统教材的基础上，注重学生工程能力培养，引入工程应用案例，建立相关的工程概念，融入优秀的研究成果。将工程实践有机融合到教材知识体系，利用工程应用实例讲述基础知识、专业知识和仪器原理，工程应用实例按照需求分析、总体设计、模块设计、功能仿真、测试验证等流程，系统地培养学生的工程素质。

（二）教材知识融合

新工科专业教材应以单一学科专业课程教学内容为主，同时考虑学科的交叉融合。体现学科间的知识渗透和知识的再生，注重工程知识的综合性和学科间的关联性，培养学生结合不同学科知识进行综合系统分析，提高学生面向工程的思维能力和解决问题的能力。了解最新技术在不同工程技术领域的应用，培养学生从多学科的视角看待问题、分析问题、解决问题的思维习惯 [5]。加强教材与现代信息技术手段的结合，通过信息技术，对教材的应用实例和教学难点等进行动态更新，从而弥补新工科专业课程体系和教学内容的不断调整变化，弥补教材建设相对滞后的不足。

针对“新工科”对综合型人才的需求，教材编写必须考虑融合和吸收不同学科的知识，强调多个学科和多个知识点之间的有效衔接 [6]。目前很多教材对教材内容和知识点的设置，不同程度上融合了一些不同领域的知识。但高校人才培养方案根据专业发展需要在不断更新完善，开设的课程也在不断调整，教材知识结构也需要随之调整，教材建设时应不断丰富完善课程素材和应用案例，还应根据行业应用需求，增删相应知识点。

三、知识融合教材改革探索及应用

《电子测量与仪器》教材与同类教材相比具有内容较新、实用性强的特点。2005年1月出版发行第1版，2020年6月发行第5版，在教材的建设中，保持着教材的经典和优势，不断更新知识、内容和仪器技术指标，融合了边界扫描测试前沿技术、新增了环境领域光谱分析、引入了产品安规测试。

（一）延续教材经典，更新教材知识和内容

按国家技术规范对误差与不确定度进行了精炼阐述，删繁就简，概念明确，计算方法步骤清晰，更便于学习理解与实际应用。全面规范教材中引用的国家标准（GB）、国际电工委员会（IEC）、国际标准化组织（ISO）、国家计量技术规范（JJF）、计量检定标准（JJG）和合格评定标准（CNAS）标准等标准名称、文号和引用内容。

教材按发展历程讲解了仪器原理，容易入门，叙述深入浅出，图文并茂，适合自学，也有扩展或深入的内容可供具有不同教学和科研需求的读者选用。

教材理论联系实际，既讲电子测量原理，又讲具体仪器应用，通过实例与仪器型号参数介绍，加深读者对仪器的认识和对国内外技术水平的了解。

删减了部分应用价值不大的内容，完善了一些内容的文字表述方式，调整了DDS原理的表述方式，更新了任意波形发生器、射频信号发生器、通用计数器、手持式万用表、台式万用表、高端数字示波器、混合域示波器、RLC测量仪、网络分析仪、频谱分析仪、逻辑分析仪等仪器的技术参数，选用国产仪器，更新了射频信号发生器、数字频率特性测试仪和频谱分析仪测试应用实例。

（二）融合边界扫描测试前沿技术，拓展知识面

随着封装技术、微组装技术及裸芯片技术的发展与广泛应用，数字系统朝着高密度、高速度、高可靠性和微型化方向快速发展，电路的规模剧增而物理尺寸锐减与测试困难的矛盾日趋尖锐。在SMT（Surface Mounting Technology）条件下已经难以使用常规物理探针进行测试。而MCM（Multi-Chip Module）及裸芯片的应用，给测试带来更为突出的技术难题。常规的测试技术已难以满足复杂的测试要求，需要采用新的测试理论和测试方法才能解决这种测试困境。

边界扫描测试技术作为一种新兴技术，具有附加测试资源少，对器件和电路本身的性能影响小等特点，得到了迅速发展并被广泛用于电子设计与制造领域。该测试技术的应用有效地提高了电路的可控性和可观测性，提高了故障覆盖率，减少了故障诊断时间，具有良好的性价比，已日益成为可测试性设计中应用最为广泛的技术之一。边界扫描测试技术为芯片级、电路板级和系统级的测试注入了新的活力，为现代电子系统设备、军事电子装备、武器系统的开发与测试提供了新的理论与技术支持，提供了一套完整的、标准化的数字电路可测试性设计方法，有效地解决了传统测试方法难以解决的测试问题，具有很好的应用前景。

（三）测控技术结合环境检测，扩展应用范围

《电子测量与仪器》教材主要涵盖电子测量、计量、误差与不确定度、信号发生器、时频测量、电压测量、时域测量、阻抗测量、频域测量、数据域测试和自动测试技术等原理和相关仪器。

环境保护作为现代化建设的一项基本国策，环境分析监测受到了普遍关注。随着电子信息技术的发展，仪器分析法在环境分析中显现出更加重要的作用，已成为环境监测的主流，主要包括光学分析法、色谱分析法、电化学分析法和其他分析技术。因此在《电子测量与仪器》教材中融合环境检测方面的知识有着重要的意义。

环境分析的光谱分析仪器按产生光谱的物质类型的不同，可分为原子光谱仪和分子光谱仪;按产生光谱的方式不同，可分为发射光谱仪、吸收光谱仪、荧光光谱仪和散射光谱仪等。教材分别介绍了原子发射光谱仪、原子吸收分光光度计、原子荧光分光光度计、紫外-可见分光光度计、分子荧光分光光度计、红外光谱仪。还介绍了第五届中国“互联网+”大学生创新创业大赛广西赛区高教主赛道银奖作品“新型便携式户外分光光度计”。该仪器根据朗伯比尔定律测量物质吸光度从而确定待测物质浓度，具有结构小巧、工程易实现的特点，提高了仪器在野外的快速部署能力。

（四）引入产品安规测试，满足行业电气产品安全生产需求

安全规范是产品认证中对产品安全的要求，电气安全性能参数是国家强制性认证的指标之一，也是反映电子产品和设备安全性能的重要参数。因此在《电子测量与仪器》教材中融合电气产品安规测试方面的知识可以更好地适应企业的需求。

教材讲述了产品安全的基本准则、电气设备防电击防护分类、安规测试指标及测试方法，安规测试指标主要包括耐压测试、泄漏电流测试、绝缘电阻测试和接地电阻测试等。还讲述了电动汽车安规测试解决方案应用实例。电动汽车相关安全标准主要涵盖电动汽车整体、人体防护系统、电动车用电池、电动车马达控制器、电池管理系统和电动车充电设施等。教材介绍了电动汽车部分安规测试要求如包括绝缘电阻、耐压测试、电位均衡连续测试等，介绍了艾诺仪器公司八合一安规综合分析仪AN1651H实现电动汽车安规测试系统架构，电池包绝缘电阻测试方案、高压负载绝缘电阻测试方案、电位均衡测试方案、车载充电机测试方案等。

（五）弘扬民族品牌，宣讲国产仪器

《电子测量与仪器》教材列举了国产仪器型号、技术指标及仪器实例，树立了民族自信心，激励我国电子仪器事业的发展。教材全面讲述了信号发生器，通用计数器，数字多用表、智能LCR测量仪、网络分析仪、频谱分析仪和逻辑分析仪等仪器的结构、原理及设计方法，选取中电仪器公司1465射频信号发生器、成都前锋电子仪器厂QF1485矢量信号发生器、数英仪器的DDS1302CA数字示波器为实例，讲述仪器结构和原理，选取普源精电DS1012D混合信号数字示波器和中电仪器AV4051E频谱分析仪为实例，讲述仪器使用方法。教材将国产仪器的技术指标与国外同性能的仪器进行对比，使学生能够清楚了解国内外仪器的差距。

国产部分仪器受芯片限制，发展较慢，需继续解决核心芯片的自主研发。普源精电公司自主研发的“凤凰座”芯片组突破了国产示波器1GHz的带宽限制，在中高档数字示波器领域迈出了新的一步。决定数字示波器带宽和采样率这两项关键指标的芯片有三颗，分别是：宽带差分探头放大器芯片γPhoenicis，帶宽达到6GHz;示波器信号处理芯片Ankaa，采样率达到10GSa/s，具备模拟信号调理和示波器数字信号处理功能;模拟前端芯片βPhoenicis，带宽达到4GHz。

四、结语

高等教育教材建设是保证和提高教学质量的重要支柱，是体现教学内容和教学方法的知识载体，是贯彻落实培养大纲的重要基础。教材建设应遵从工程教育的教育理念，适应新的专业结构，服务于人才培养模式，适应工程教育课程体系的结构性。在“新工科”建设新形势下和工程教育专业国际认证的视角下探索教材的建设、改革和创新，应完善教材知识体系，综合考虑教材知识的融合。《电子测量与仪器》教材保持了教材的优势与特色，根据实际需要删减部分应用价值不大的内容，融合边界扫描测试前沿技术，拓展了读者的知识面，以测控技术结合环境检测，扩展了专业应用范围，引入了产品安规测试，满足了行业电气产品安全生产需求。

参考文献：

[1] 徐敦辉. 学科交叉视域下新工科人才培养研究[D]. 南京：南京邮电大学，2019：79.

[2] 钟登华. 新工科建设的内涵与行动[J]. 高等工程教育研究，2017（03）：1-6.

[3] 黄君强，肖斌涛. 探索多学科交叉的复合型应用人才培养模式的课程体系改革思路[J]. 文教资料，2009（13）：170-172.

[4] 刘加海，方志刚，杨锆，等. 多学科高度融合的电子产品交互设计教材建设的探索[J]. 高等理科教育，2013（05）：112-115+72.

[5] 时阳. 产学合作视角下新工科专业教材建设初探[J]. 计算机教育，2020（09）：183-186.

[6] 宋亚卿. 浅议“新工科”背景下的教材建设与改革[J]. 新闻研究导刊，2020，11（06）：228+232.

（责任编辑：汪旦旦）