現代檢測技術研究生專業課教學改革探索

楊波 閆蓓 于勁松 劉穎異

摘 ?要 現代檢測技術是自動化科學與電氣工程學院一門重要的研究生專業課。結合研究生特點，從課程內容、課程體系、互動互惠的課堂氛圍、立體化教材、工程案例以及設計作業、課程評價等多層次進行教學改革和探索，激發學生自主學習興趣，培養學生結合專業知識分析問題、解決問題、團隊協作以及創新能力。

關鍵詞 現代檢測技術;研究生;立體化教材;自主學習

中圖分類號：G643.2 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：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

現代檢測技術是指采用當今先進的傳感、信息處理、建模與推理等技術實現常規儀表、方法和手段無法直接獲取的待測參數的檢測。隨著現代科學技術的飛速發展，檢測技術已經從一般的單參數測量逐漸發展為相關多參數的綜合自動檢測，在航空航天、國防軍事、醫療診斷、環境保護、工業、農業、交通運輸等領域發揮著越來越大的作用。

現代檢測技術課程作為北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院控制科學與工程方向研究生的一門專業課，反映了近十年來信息技術、人工智能算法等在檢測系統中的最新應用，對培養研究生運用檢測理論、新型傳感器及信號分析處理方法解決實際參數測量問題的能力具有十分重要的意義，將為學生在本學科領域從事科研工作奠定基礎。

研究生課程與本科生課程相比，不僅定位不同，授課對象也存在很大差別。90后的研究生絕大多數為獨生子女，自我意識強，團隊協作能力和社會責任感偏弱。相對于本科生而言，他們心理成熟、思想獨立，知識結構層次多樣化，社會閱歷豐富，更容易受到就業壓力以及社會浮躁大環境的影響。此外，“互聯網+”時代對研究生課程的知識獲取、教學模式、教學實踐和教育平臺都產生很大的影響[1]。因此，如何利用研究生課程平臺，結合研究生特點，激發學生對所學專業的興趣，著重培養學生分析問題、解決問題以及創新能力和團隊協作精神，是值得深入思考的問題。

北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院從現代檢測技術課程的課程定位、教學內容與實施、教學方法、教學資源等多方面進行探索和嘗試，經過幾年的積累，獲得良好的課堂教學效果。

2 課程定位與教學目標

一門研究生課程要有明確的課程定位，課程特色要突出，即“檢測專業特色+航空航天特色”并重，既要夯實專業基礎，又要及時把握學科前沿，具有一定的國際視野。

簡言之，檢測技術是為了獲取信息，獲取信息的流程包括傳感器—信號調理—信號采集—信號處理—信號顯示—信號輸出等環節。

本課程開設之前，由于院系拆分等歷史原因，檢測專業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課程內容。因此，本課程的授課內容主要集中于“傳感器”“信號調理”“信號采集”和“信號處理”四部分，作為學院其他檢測專業課程的有效補充，以便為學生提供一個完整的信息獲取知識體系和架構。課程內容每年更新，著力把握檢測技術前沿，將最新的技術發展趨勢引入課堂，開闊學生的眼界和視野，培養學生對本專業的興趣和探索精神。而本課程的教學目標是要求學生具有正確、合理地選擇常用傳感器和檢測方法，分析、設計檢測系統的能力，并為深入學習其他專業方向課程奠定良好的基礎。

一門課程的教學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，與學生保持良好的師生關系，用激情和感染力影響學生，努力認識每一位學生，充分利用積極心理學，鼓勵學生勇于表達自己的觀點，讓每一位學生參與課程的教學和討論。

3 教學內容與實施

課程的教學內容包括六部分：緒論、現代檢測系統的基礎知識、先進傳感器技術、多傳感器信息融合、微弱信號檢測和軟測量技術。

1）緒論主要介紹課程教學安排，以及檢測技術的地位和作用、檢測系統的組成與分類、檢測技術的發展趨勢和最新引用，介紹一些國家重大型號中典型的檢測案例。

2）現代檢測系統的基礎知識主要講解檢測系統的基礎和學生容易混淆的內容，包括不確定度應用、有效數字、檢測系統動靜態特性等內容，作為本科生到研究生課程的有效過渡，同時為本科不是自動化專業的學生奠定后續順利學習專業課的基礎。

3）先進傳感器技術主要介紹機器人傳感器、光纖傳感器、生物傳感器和模糊傳感器四部分內容：機器人傳感器以學生熟悉的應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展迅速的兩類傳感器;而模糊傳感器是一種特殊的非傳統、將模糊數學引入測量領域;用自然語言符號代替數值測量的傳感器。這樣安排有利于學生構建全面的知識結構。

4）多傳感器信息融合主要介紹多傳感器信息融合的基礎知識和常用的融合算法，包括基于Bayes估計的多傳感器信息融合、基于D-S證據理論的多傳感器信息融合和基于神經網絡的多傳感器信息融合。

5）微弱信號檢測主要介紹微弱信號檢測的基礎、常見噪聲類別及特點、常用微弱信號檢測方法，重點講解鎖定放大器等方法。

6）軟測量技術主要介紹軟測量需求和基本概念、設計步驟，包括輔助變量的選取、測量數據的處理、軟測量模型的建立、在線校正、軟測量的工業應用等方面。講解完教學大綱要求內容后，布置課程設計作業，同時進行總復習。

課程的教學方式靈活多樣，倡導開放式課堂教學，在滿足課程教學大綱要求的前提下，不唯教材所束縛，將本領域最先進的技術前沿信息補充到課堂教學中，推行課堂討論、中英文論文閱讀指導等啟發式、研討式和案例式教學方法，努力營造一個輕松、開放的教學環境，營造互動互惠的教學氛圍，鼓勵學生提問和相互討論，引導學生積極思考，激發學生自主學習和探究知識的動機，增強學生參與課堂教學內容的積極性和自覺性。同時，通過布置不同的設計作業，鼓勵學生從設計需求出發，把握設計的核心問題，勇于探索和創新，培養分析和解決實際問題的能力。

授課形式多樣化，注重與學生間的互動，除了多媒體課件+板書+視頻資料播放外，還嘗試部分內容（如機器人傳感器）采用英文課件，將國內外與課程內容緊密相關的研究成果引入課件和課堂中;并根據每章節的內容查找很多符合主題的中英文期刊文章，課上提綱挈領講解，要求學生課外閱讀，增大學生課外閱讀量，提高其對專業知識的理解力和領悟力，并在設計報告中考核其課外閱讀效果。還有部分內容如檢測技術基礎知識，課上主要講解學生容易混淆內容，余下內容供少數本科沒有檢測基礎的學生課下自學。

為了客觀評價學生的學習能力和學習效果，并且鼓勵學生積極思考和大膽創新，課程考核并非“一考定終身”，而是采用多元化的評價體系，考查學生的基礎知識，分析問題、解決問題以及學以致用的能力，鼓勵學生大膽創新。

課程考核和評價分為三方面。

1）平日出勤及討論參與情況。課程上有很多互動討論環節，根據學生參與互動積極性和思維活躍度等方面綜合評判。

2）隨機安排3～4次隨堂測試。

3）課程設計報告。為了大力培養學生具有創新思維的研究能力，課程采用考查方式，即每年設定三個題目，要求學生完成設計需求，采用MATLAB或者Python等語言編程實現并且撰寫設計報告提交，同時提交設計源代碼。課程設計作業源于學生的生活，以激勵學生思考和解決身邊的檢測問題，鼓勵學生大膽創新。

學生參與熱情很高，課程設計報告總體完成質量好。此外，部分有難度的題目嘗試采用合作形式完成，要求學生明確標注設計分工，旨在培養學生相互溝通、相互協作的精神和能力，并通過每一屆學生不同題目設計報告的積累，逐步建立設計報告資源庫，以啟發下一屆學生的設計思維。

部分課程設計報告題目（每年布置三個題目供學生選擇，題目每年更新）：基于多傳感器信息融合的飛行目標識別;道路車輛的車型分類設計;學生聽課認真的綜合評估方法設計;老師講課認真的綜合評估方法設計;紅外傳感器多源數據融合方法設計;情緒模糊傳感器的設計。

為了鍛煉學生之間的溝通能力和協作能力，部分設計題目嘗試兩人合作完成，要求合作小組標注清楚設計分工。合作嘗試很成功，設計作業的深度和完成質量明顯優于往年，學生將所學的知識做到融會貫通，設計并編程實現設計報告的設計需求，圓滿完成預期的教學目標。對于學生提交的設計報告，任課教師逐份認真評審，并將設計報告的評語反饋給每一個學生。

4 立體化教學資源建設

在課程涉及內容理論知識基礎上，不斷補充最新的工程案例、研究熱點和發展趨勢，經過不斷積累，課程教學資源日漸豐富。

教材及參考書 ?除了課程教材之外，推薦基本參考書目，供學有余力的學生參考。

中英文多媒體課件 ?各章節采用多媒體課件，信息量大，理論結合工程案例，先介紹基礎知識，再介紹實際應用、研究熱點和發展趨勢。為了讓學生熟悉專業詞匯，嘗試部分章節（如機器人傳感器）采用純英文課件。

國內外重要期刊學術前沿資料 ?課程部分章節均有配套的中英文論文閱讀資料，選自IEEE Transactions等國外SCI期刊以及國內核心期刊，均是與各章節核心內容緊密相關的原理分析和實際應用。有的論文在課上詳細講解，有的提綱挈領講解思路后發給學生課下閱讀，作為課上內容的有效補充和拓展。

工程案例 ?案例教學法是一種可以激發學生求知欲，調動學生積極性，使學生主動思考，充分討論并發表見解的互動式教學方法[2]，可以有效改善學生學習效果，提高學生綜合決策和解決實際問題能力。本課程在課堂上引入多個工程案例，展開分析和討論，啟發和引導學生解決實際工程問題的思維。部分包括波音777飛機2 kHz噪聲檢測及其抑制、機載測試系統的不確定度評定、商用飛機大型部件自動對接中的檢測問題、山體滑坡監測中可行的傳感器類型及部署、無人機自主著艦過程中的多傳感器信息融合技術、多傳感器信息融合在空中目標識別和偵測中的應用、基于Kinect的三維重構在有眼力機器人中的應用。部分案例如圖2所示。這些案例有助于學生理解和掌握課程要求的專業知識，拓寬視野，提高認知水平，學以致用，激發學生的學習熱情，大大提高學生的聽課興致，培養其分析問題、解決問題的能力。

優秀設計報告資源庫 ?將往屆學生的部分優秀設計報告整理匯總為資源庫，供學生學習。雖然每年的設計題目均不同，但設計流程和報告撰寫可以有很大的借鑒參考價值。

網絡視頻 ?利用互聯網資源，在很多章節引入網絡視頻，如Google的BigDog、康奈爾大學的有眼力機器人、美國X47B無人機自主著艦成功/失敗視頻及分析等。視頻資源可以直接引發學生對課程內容的關注，參與課堂討論，激發學生的學習熱情。

立體化教學資源分課上和課下兩部分，教學實施過程中注重課上和課下學時比，并在課上通過討論等環節檢查學生課下學習成果，督促學生自主學習和探索。

5 結語

北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院現代檢測技術課程自2012年新開設以來，經過幾年的努力，教學研究和改革的成果已經初見成效。不僅有本系學生，還有外系和校外學生選課，學生對授課教師的授課態度、授課風格、授課理念和授課內容都給予充分的肯定。通過課程定位、教學方法、教學理念以及立體化教材等多層次、多元化的嘗試，將進一步加強課程交流，增強探究式教學模式，逐步翻轉課堂，讓學生更多地參與課程，主動去思考，主動去探索，主動去提問，主動去交流，努力將學生培養成掌握檢測技術領域扎實的理論基礎和具有前瞻性的創新型人才。

參考文獻

[1]孫紅鶯.“互聯網+”在研究生教育中的應用研究[J].研究生教育研究，2016（4）：55-59.

[2]孫薇，賈念念，國萃，等.案例教學在高校工科研究生統計課程教學中的探索與實踐[J].中外交流，2016（10）：98-99.