現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)研究生專業(yè)課教學(xué)改革探索

楊波 閆蓓 于勁松 劉穎異

摘 ?要 現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)是自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院一門重要的研究生專業(yè)課。結(jié)合研究生特點(diǎn)，從課程內(nèi)容、課程體系、互動(dòng)互惠的課堂氛圍、立體化教材、工程案例以及設(shè)計(jì)作業(yè)、課程評(píng)價(jià)等多層次進(jìn)行教學(xué)改革和探索，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合專業(yè)知識(shí)分析問題、解決問題、團(tuán)隊(duì)協(xié)作以及創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞 現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù);研究生;立體化教材;自主學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G643.2 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）14-0091-03

Abstract Modern Detection Technology is an important graduate course in School of Automation Science and Electrical Engineering. Considering the characteristics of todays graduate students， a multi-level and diversified teaching reform is explored from the curriculum?content， curriculum system， classroom atmosphere， three-dimensionalteaching materials， engineering cases and comprehensive design operations and curriculum evaluation. This reform can stimulate students self-learning ability， and cultivate their ability to analyze， solve， cooperate and innovate with professional knowledge.

Key words modern detection technology; postgraduate; stereoscopicteaching materials; self-learning

1 引言

現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)是指采用當(dāng)今先進(jìn)的傳感、信息處理、建模與推理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)常規(guī)儀表、方法和手段無法直接獲取的待測(cè)參數(shù)的檢測(cè)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)從一般的單參數(shù)測(cè)量逐漸發(fā)展為相關(guān)多參數(shù)的綜合自動(dòng)檢測(cè)，在航空航天、國防軍事、醫(yī)療診斷、環(huán)境保護(hù)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。

現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)課程作為北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院控制科學(xué)與工程方向研究生的一門專業(yè)課，反映了近十年來信息技術(shù)、人工智能算法等在檢測(cè)系統(tǒng)中的最新應(yīng)用，對(duì)培養(yǎng)研究生運(yùn)用檢測(cè)理論、新型傳感器及信號(hào)分析處理方法解決實(shí)際參數(shù)測(cè)量問題的能力具有十分重要的意義，將為學(xué)生在本學(xué)科領(lǐng)域從事科研工作奠定基礎(chǔ)。

研究生課程與本科生課程相比，不僅定位不同，授課對(duì)象也存在很大差別。90后的研究生絕大多數(shù)為獨(dú)生子女，自我意識(shí)強(qiáng)，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和社會(huì)責(zé)任感偏弱。相對(duì)于本科生而言，他們心理成熟、思想獨(dú)立，知識(shí)結(jié)構(gòu)層次多樣化，社會(huì)閱歷豐富，更容易受到就業(yè)壓力以及社會(huì)浮躁大環(huán)境的影響。此外，“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代對(duì)研究生課程的知識(shí)獲取、教學(xué)模式、教學(xué)實(shí)踐和教育平臺(tái)都產(chǎn)生很大的影響[1]。因此，如何利用研究生課程平臺(tái)，結(jié)合研究生特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)的興趣，著重培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題以及創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，是值得深入思考的問題。

北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院從現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)課程的課程定位、教學(xué)內(nèi)容與實(shí)施、教學(xué)方法、教學(xué)資源等多方面進(jìn)行探索和嘗試，經(jīng)過幾年的積累，獲得良好的課堂教學(xué)效果。

2 課程定位與教學(xué)目標(biāo)

一門研究生課程要有明確的課程定位，課程特色要突出，即“檢測(cè)專業(yè)特色+航空航天特色”并重，既要夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)，又要及時(shí)把握學(xué)科前沿，具有一定的國際視野。

簡(jiǎn)言之，檢測(cè)技術(shù)是為了獲取信息，獲取信息的流程包括傳感器—信號(hào)調(diào)理—信號(hào)采集—信號(hào)處理—信號(hào)顯示—信號(hào)輸出等環(huán)節(jié)。

本課程開設(shè)之前，由于院系拆分等歷史原因，檢測(cè)專業(yè)的研究生課程體系不夠完善，缺乏傳感器以及多傳感器信息融合的相關(guān)課程內(nèi)容。因此，本課程的授課內(nèi)容主要集中于“傳感器”“信號(hào)調(diào)理”“信號(hào)采集”和“信號(hào)處理”四部分，作為學(xué)院其他檢測(cè)專業(yè)課程的有效補(bǔ)充，以便為學(xué)生提供一個(gè)完整的信息獲取知識(shí)體系和架構(gòu)。課程內(nèi)容每年更新，著力把握檢測(cè)技術(shù)前沿，將最新的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)引入課堂，開闊學(xué)生的眼界和視野，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)本專業(yè)的興趣和探索精神。而本課程的教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生具有正確、合理地選擇常用傳感器和檢測(cè)方法，分析、設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)的能力，并為深入學(xué)習(xí)其他專業(yè)方向課程奠定良好的基礎(chǔ)。

一門課程的教學(xué)效果不僅僅依賴于課程定位，還與教師自身定位密不可分。本課程有明確的教師定位，授課教師具有很好的親和力，與學(xué)生保持良好的師生關(guān)系，用激情和感染力影響學(xué)生，努力認(rèn)識(shí)每一位學(xué)生，充分利用積極心理學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生勇于表達(dá)自己的觀點(diǎn)，讓每一位學(xué)生參與課程的教學(xué)和討論。

3 教學(xué)內(nèi)容與實(shí)施

課程的教學(xué)內(nèi)容包括六部分：緒論、現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)、先進(jìn)傳感器技術(shù)、多傳感器信息融合、微弱信號(hào)檢測(cè)和軟測(cè)量技術(shù)。

1）緒論主要介紹課程教學(xué)安排，以及檢測(cè)技術(shù)的地位和作用、檢測(cè)系統(tǒng)的組成與分類、檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和最新引用，介紹一些國家重大型號(hào)中典型的檢測(cè)案例。

2）現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)主要講解檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和學(xué)生容易混淆的內(nèi)容，包括不確定度應(yīng)用、有效數(shù)字、檢測(cè)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性等內(nèi)容，作為本科生到研究生課程的有效過渡，同時(shí)為本科不是自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生奠定后續(xù)順利學(xué)習(xí)專業(yè)課的基礎(chǔ)。

3）先進(jìn)傳感器技術(shù)主要介紹機(jī)器人傳感器、光纖傳感器、生物傳感器和模糊傳感器四部分內(nèi)容：機(jī)器人傳感器以學(xué)生熟悉的應(yīng)用引出多種類型的傳感器;光纖傳感器和生物傳感器是近十年發(fā)展迅速的兩類傳感器;而模糊傳感器是一種特殊的非傳統(tǒng)、將模糊數(shù)學(xué)引入測(cè)量領(lǐng)域;用自然語言符號(hào)代替數(shù)值測(cè)量的傳感器。這樣安排有利于學(xué)生構(gòu)建全面的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

4）多傳感器信息融合主要介紹多傳感器信息融合的基礎(chǔ)知識(shí)和常用的融合算法，包括基于Bayes估計(jì)的多傳感器信息融合、基于D-S證據(jù)理論的多傳感器信息融合和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多傳感器信息融合。

5）微弱信號(hào)檢測(cè)主要介紹微弱信號(hào)檢測(cè)的基礎(chǔ)、常見噪聲類別及特點(diǎn)、常用微弱信號(hào)檢測(cè)方法，重點(diǎn)講解鎖定放大器等方法。

6）軟測(cè)量技術(shù)主要介紹軟測(cè)量需求和基本概念、設(shè)計(jì)步驟，包括輔助變量的選取、測(cè)量數(shù)據(jù)的處理、軟測(cè)量模型的建立、在線校正、軟測(cè)量的工業(yè)應(yīng)用等方面。講解完教學(xué)大綱要求內(nèi)容后，布置課程設(shè)計(jì)作業(yè)，同時(shí)進(jìn)行總復(fù)習(xí)。

課程的教學(xué)方式靈活多樣，倡導(dǎo)開放式課堂教學(xué)，在滿足課程教學(xué)大綱要求的前提下，不唯教材所束縛，將本領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)前沿信息補(bǔ)充到課堂教學(xué)中，推行課堂討論、中英文論文閱讀指導(dǎo)等啟發(fā)式、研討式和案例式教學(xué)方法，努力營造一個(gè)輕松、開放的教學(xué)環(huán)境，營造互動(dòng)互惠的教學(xué)氛圍，鼓勵(lì)學(xué)生提問和相互討論，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究知識(shí)的動(dòng)機(jī)，增強(qiáng)學(xué)生參與課堂教學(xué)內(nèi)容的積極性和自覺性。同時(shí)，通過布置不同的設(shè)計(jì)作業(yè)，鼓勵(lì)學(xué)生從設(shè)計(jì)需求出發(fā)，把握設(shè)計(jì)的核心問題，勇于探索和創(chuàng)新，培養(yǎng)分析和解決實(shí)際問題的能力。

授課形式多樣化，注重與學(xué)生間的互動(dòng)，除了多媒體課件+板書+視頻資料播放外，還嘗試部分內(nèi)容（如機(jī)器人傳感器）采用英文課件，將國內(nèi)外與課程內(nèi)容緊密相關(guān)的研究成果引入課件和課堂中;并根據(jù)每章節(jié)的內(nèi)容查找很多符合主題的中英文期刊文章，課上提綱挈領(lǐng)講解，要求學(xué)生課外閱讀，增大學(xué)生課外閱讀量，提高其對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解力和領(lǐng)悟力，并在設(shè)計(jì)報(bào)告中考核其課外閱讀效果。還有部分內(nèi)容如檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，課上主要講解學(xué)生容易混淆內(nèi)容，余下內(nèi)容供少數(shù)本科沒有檢測(cè)基礎(chǔ)的學(xué)生課下自學(xué)。

為了客觀評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)效果，并且鼓勵(lì)學(xué)生積極思考和大膽創(chuàng)新，課程考核并非“一考定終身”，而是采用多元化的評(píng)價(jià)體系，考查學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，分析問題、解決問題以及學(xué)以致用的能力，鼓勵(lì)學(xué)生大膽創(chuàng)新。

課程考核和評(píng)價(jià)分為三方面。

1）平日出勤及討論參與情況。課程上有很多互動(dòng)討論環(huán)節(jié)，根據(jù)學(xué)生參與互動(dòng)積極性和思維活躍度等方面綜合評(píng)判。

2）隨機(jī)安排3～4次隨堂測(cè)試。

3）課程設(shè)計(jì)報(bào)告。為了大力培養(yǎng)學(xué)生具有創(chuàng)新思維的研究能力，課程采用考查方式，即每年設(shè)定三個(gè)題目，要求學(xué)生完成設(shè)計(jì)需求，采用MATLAB或者Python等語言編程實(shí)現(xiàn)并且撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告提交，同時(shí)提交設(shè)計(jì)源代碼。課程設(shè)計(jì)作業(yè)源于學(xué)生的生活，以激勵(lì)學(xué)生思考和解決身邊的檢測(cè)問題，鼓勵(lì)學(xué)生大膽創(chuàng)新。

學(xué)生參與熱情很高，課程設(shè)計(jì)報(bào)告總體完成質(zhì)量好。此外，部分有難度的題目嘗試采用合作形式完成，要求學(xué)生明確標(biāo)注設(shè)計(jì)分工，旨在培養(yǎng)學(xué)生相互溝通、相互協(xié)作的精神和能力，并通過每一屆學(xué)生不同題目設(shè)計(jì)報(bào)告的積累，逐步建立設(shè)計(jì)報(bào)告資源庫，以啟發(fā)下一屆學(xué)生的設(shè)計(jì)思維。

部分課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目（每年布置三個(gè)題目供學(xué)生選擇，題目每年更新）：基于多傳感器信息融合的飛行目標(biāo)識(shí)別;道路車輛的車型分類設(shè)計(jì);學(xué)生聽課認(rèn)真的綜合評(píng)估方法設(shè)計(jì);老師講課認(rèn)真的綜合評(píng)估方法設(shè)計(jì);紅外傳感器多源數(shù)據(jù)融合方法設(shè)計(jì);情緒模糊傳感器的設(shè)計(jì)。

為了鍛煉學(xué)生之間的溝通能力和協(xié)作能力，部分設(shè)計(jì)題目嘗試兩人合作完成，要求合作小組標(biāo)注清楚設(shè)計(jì)分工。合作嘗試很成功，設(shè)計(jì)作業(yè)的深度和完成質(zhì)量明顯優(yōu)于往年，學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)做到融會(huì)貫通，設(shè)計(jì)并編程實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)報(bào)告的設(shè)計(jì)需求，圓滿完成預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。對(duì)于學(xué)生提交的設(shè)計(jì)報(bào)告，任課教師逐份認(rèn)真評(píng)審，并將設(shè)計(jì)報(bào)告的評(píng)語反饋給每一個(gè)學(xué)生。

4 立體化教學(xué)資源建設(shè)

在課程涉及內(nèi)容理論知識(shí)基礎(chǔ)上，不斷補(bǔ)充最新的工程案例、研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，經(jīng)過不斷積累，課程教學(xué)資源日漸豐富。

教材及參考書 ?除了課程教材之外，推薦基本參考書目，供學(xué)有余力的學(xué)生參考。

中英文多媒體課件 ?各章節(jié)采用多媒體課件，信息量大，理論結(jié)合工程案例，先介紹基礎(chǔ)知識(shí)，再介紹實(shí)際應(yīng)用、研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。為了讓學(xué)生熟悉專業(yè)詞匯，嘗試部分章節(jié)（如機(jī)器人傳感器）采用純英文課件。

國內(nèi)外重要期刊學(xué)術(shù)前沿資料 ?課程部分章節(jié)均有配套的中英文論文閱讀資料，選自IEEE Transactions等國外SCI期刊以及國內(nèi)核心期刊，均是與各章節(jié)核心內(nèi)容緊密相關(guān)的原理分析和實(shí)際應(yīng)用。有的論文在課上詳細(xì)講解，有的提綱挈領(lǐng)講解思路后發(fā)給學(xué)生課下閱讀，作為課上內(nèi)容的有效補(bǔ)充和拓展。

工程案例 ?案例教學(xué)法是一種可以激發(fā)學(xué)生求知欲，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，使學(xué)生主動(dòng)思考，充分討論并發(fā)表見解的互動(dòng)式教學(xué)方法[2]，可以有效改善學(xué)生學(xué)習(xí)效果，提高學(xué)生綜合決策和解決實(shí)際問題能力。本課程在課堂上引入多個(gè)工程案例，展開分析和討論，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的思維。部分包括波音777飛機(jī)2 kHz噪聲檢測(cè)及其抑制、機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)的不確定度評(píng)定、商用飛機(jī)大型部件自動(dòng)對(duì)接中的檢測(cè)問題、山體滑坡監(jiān)測(cè)中可行的傳感器類型及部署、無人機(jī)自主著艦過程中的多傳感器信息融合技術(shù)、多傳感器信息融合在空中目標(biāo)識(shí)別和偵測(cè)中的應(yīng)用、基于Kinect的三維重構(gòu)在有眼力機(jī)器人中的應(yīng)用。部分案例如圖2所示。這些案例有助于學(xué)生理解和掌握課程要求的專業(yè)知識(shí)，拓寬視野，提高認(rèn)知水平，學(xué)以致用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，大大提高學(xué)生的聽課興致，培養(yǎng)其分析問題、解決問題的能力。

優(yōu)秀設(shè)計(jì)報(bào)告資源庫 ?將往屆學(xué)生的部分優(yōu)秀設(shè)計(jì)報(bào)告整理匯總為資源庫，供學(xué)生學(xué)習(xí)。雖然每年的設(shè)計(jì)題目均不同，但設(shè)計(jì)流程和報(bào)告撰寫可以有很大的借鑒參考價(jià)值。

網(wǎng)絡(luò)視頻 ?利用互聯(lián)網(wǎng)資源，在很多章節(jié)引入網(wǎng)絡(luò)視頻，如Google的BigDog、康奈爾大學(xué)的有眼力機(jī)器人、美國X47B無人機(jī)自主著艦成功/失敗視頻及分析等。視頻資源可以直接引發(fā)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的關(guān)注，參與課堂討論，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

立體化教學(xué)資源分課上和課下兩部分，教學(xué)實(shí)施過程中注重課上和課下學(xué)時(shí)比，并在課上通過討論等環(huán)節(jié)檢查學(xué)生課下學(xué)習(xí)成果，督促學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索。

5 結(jié)語

北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)課程自2012年新開設(shè)以來，經(jīng)過幾年的努力，教學(xué)研究和改革的成果已經(jīng)初見成效。不僅有本系學(xué)生，還有外系和校外學(xué)生選課，學(xué)生對(duì)授課教師的授課態(tài)度、授課風(fēng)格、授課理念和授課內(nèi)容都給予充分的肯定。通過課程定位、教學(xué)方法、教學(xué)理念以及立體化教材等多層次、多元化的嘗試，將進(jìn)一步加強(qiáng)課程交流，增強(qiáng)探究式教學(xué)模式，逐步翻轉(zhuǎn)課堂，讓學(xué)生更多地參與課程，主動(dòng)去思考，主動(dòng)去探索，主動(dòng)去提問，主動(dòng)去交流，努力將學(xué)生培養(yǎng)成掌握檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和具有前瞻性的創(chuàng)新型人才。

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