基于復雜工程問題的檢測技術與儀表課程教學研究

陳慶

[摘 要]根據傳統檢測技術與儀表課程教學中存在的一些問題，從培養工科學生“解決復雜工程問題能力”的角度出發，設計了以解決復雜工程問題為導向的檢測技術與儀表課程教學方法。結合中國工程教育認證協會對復雜工程問題的界定，從課程體系教學內容設計上提出案例式教學模式。在此模式的基礎上總結出課程改革新思路。

[關鍵詞]數據庫;復雜工程問題;案例式教學

[基金項目]教育部卓越工程師計劃項目電氣工程及其自動化;江蘇省第二期品牌專業電氣工程及其自動化;蘇州大學一流本科專業項目電氣工程及其自動化;江蘇省一流本科專業電氣工程及其自動化

[作者簡介]陳 慶（1984—），男，江蘇泰興人，碩士，蘇州大學機電工程學院講師，主要從事自動控制研究。

[中圖分類號] TP311.13-4[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）47-0-04[收稿日期] 2020-08-21

一、引言

復雜工程問題是工程教育認證持續關注的問題。通過分析工程教育認證通用標準對復雜工程問題的描述不難看出，“復雜工程問題”首先是一個工程問題，由相互關聯的子問題構成;其次，具有一定的復雜性，必須運用專業技術才能解決;最后，在解決復雜問題的工程中，會存在一些沖突，需要組織協調技術、工程等方面的矛盾。解決復雜工程問題的方法具有不確定性、多樣性。解決復雜工程的問題是一個收益最大與風險最小的優化決策過程。解決復雜工程問題的能力已成為我國高校工科畢業生必須具備的核心能力，也是工科課程教學應追求教學改革成果的體現[1]。

我校電氣工程及其自動化專業結合對工程教育認證相關標準，推行了一系列教改措施，并于2017年通過工程教育認證。在準備工程教育認證的過程中，電氣工程及其自動化專業對專業課程進行了一系列改革，在改革的過程中特別注重教學環節改革。電氣工程自動化專業課程分為專業基礎課程和專業核心課程。專業基礎課程是學習本專業的基礎，例如電路、工程電磁場等。專業核心課程是本專業學習能力的提升，專業核心課程有自動控制原理、PLC原理及應用等。其中在檢測技術與儀表課程設計教學環節中，設計了案例式教學模式。檢測技術與儀表是一門傳統的電氣工程及其自動化專業課程，本課程主要講授檢測系統原理、傳感器技術原理及測量電路、測量數據收集及處理、誤差分析。隨著技術進步，在檢測技術中引入新材料、新工藝，同時檢測技術與儀表課程內容、教學方法也隨之不斷更新。

二、檢測技術與儀表教學要求

傳統的檢測技術與儀表課程教學內容相對單一，主要分為三個部分：第一，傳感器的原理;第二，傳感器的基本轉換電路;第三，傳感器的應用。這三個部分對于學生掌握檢測技術與儀表課程的基礎知識非常重要，但是相關知識點比較分散、零碎，教學案例相對簡單。傳統教學模式不能培養學生建立解決自動化領域復雜工程的思想和方法。

蘇州大學電氣工程及其自動化專業培養適應國家社會經濟發展需要的高級技術人才。學生通過檢測技術與儀表課程的學習，必須完成以下四個學習目標：

1.掌握自動檢測系統組成及各部分作用，培養學生分析系統各部分功能及應用的能力。

2.掌握自動檢測系統的數據采集、分析、處理的方法，培養學生對實驗數據的分析和處理能力，及其把實驗結果和實際應用結果相比較的能力。

3.掌握不同類型傳感器的檢測原理、信號處理電路，熟悉不同類型傳感器的動態特性和靜態特性指標，培養學生運用不同類型傳感器檢測各種被測量的能力。

4.要求掌握幾種典型的檢測系統的儀表校準方法和測量方法。

通過本課程的學習，學生應該具備扎實檢測技術基礎知識，掌握各種傳感器的原理及應用知識，具有專業前沿視野和創新能力，具有在實際應用中選用傳感器測量的能力。根據工程教育認證標準中對學生的畢業要求和專業人才培養目標要求，結合蘇州大學電氣工程及其自動化專業人才培養的實踐，通過檢測技術與儀表課程的學習，學生必須達到如下基本要求：

1.工程知識：能夠應用傳感器、自動控制、電氣控制、信號與系統等相關知識解決電氣工程及其自動化專業復雜工程問題。

2.問題分析：查閱相關文獻，運用所學知識，分析電氣工程及其自動化專業復雜工程問題，總結相關結論。

3.設計解決方案：綜合運用檢測技術相關理論和技術方法，考慮創新、社會效益等方面因素，設計解決電氣工程及其自動化復雜工程問題的方案。

4.職業規范：具有良好的職業道德、科學素養和社會責任感，嚴格履行電氣工程師的工作責任。

5.溝通和表達：針對電氣工程及其自動化專業的復雜工程問題，能夠跨學科背景、跨國界背景下與同行進行有效溝通，體現取人之長，補己之短。

6.終身學習：能夠不斷地學習本專業的相關新的知識、新技術，具備自主終身學習意識。

教學目標與畢業要求的對應關系如表所示：

三、檢測技術與儀表課程的復雜問題分析

檢測技術與儀表作為復雜工程問題的載體，將蘇州制造業廣泛采用的檢測技術典型化，并按照OBE的理念重構課程體系，配合系統的、可操作的教學過程，重點突出復雜工程問題“綜合、實踐與創新”的特點。

選擇檢測技術與儀表作為本專業復雜工程問題的載體，具有特定的意義：（1）該問題是蘇州制造業實際生產過程的典型化：中國是世界工廠，蘇州是中國制造的縮影。檢測技術在蘇州大量的機械、電子、汽車等制造企業應用很廣泛，并且在“工業4.0”和“中國制造2025”的時代背景下，工業界對生產過程的智能化和效率提出了更高的要求，迫切需要大量懂得智能制造、綠色制造等領域的專業人才。（2）該問題與本專業的培養目標一致。本專業適應國家經濟建設尤其是先進制造業的需求，培養電氣工程及其自動化相關領域的高級工程技術人才和管理人才。根據我們對近三年（2013—2015）的畢業生畢業去向的統計分析，本專業70%—80%的畢業生進入各類制造企業，直接服務于各種自動化生產過程，因此迫切需要提高這方面解決復雜工程問題的能力。

檢測技術與儀表課程復雜工程問題涉及生產流程分析、控制芯片選型、程序設計、信號系統設計、元器件安裝調試等多項工程環節，需要自動控制、電工電子技術、單片機原理等多門學科理論知識支撐。根據工程專業認證標準定義的復雜工程問題應具備的特征要求，此工程問題符合復雜工程問題要求的特征條件（特征1、2、6、7）。

（一）具備復雜工程問題特征1的要求：必須運用深入的工程原理經過分析才可能得到解決。

檢測技術與儀表課程要求學生深入掌握所涉及的自動檢測系統的各個環節，以及各個環節所涉及的設備或儀器儀表的工程原理，特別是傳感器檢測被測量的原理，了解相應的先進技術、經濟效益，經過深入的復雜工程問題分析，能開展各環節系統設計等工作，解決自動檢測系統運行維護問題，所以該問題具備認證標準要求的復雜工程問題的特征1。

（二）具備復雜工程問題特征2的要求：需要涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突

1.綜合性方面：自動檢測系統涉及傳感器技術、氣動控制技術、PLC組網技術、系統設計方案、變頻器技術、電機驅動和位置控制技術、自動控制技術、組態技術、儀器設備安裝調試、系統維護和故障檢測技術等多方面的技術。

2.沖突性方面：自動檢測系統的工程預算和系統先進性之間;系統靈敏度與響應速度等之間均有沖突。自動檢測系統是各環節是互相單獨的子系統，子系統之間關聯比較密切，整體具有很強的系統性的復雜工程問題，學生不但要學習各個子系統的工作原理，還要掌握各個子系統之間的聯系，了解系統性能之間可能存在的沖突。通過對沖突的理解，讓學生真實地感受現實工程問題在經濟、性能、安全、環境等方面的沖突，讓學生明白不是唯技術論，而要綜合考慮工程與社會、環節、人文等因素。

（三）具備復雜工程問題特征6的要求：問題相關各方利益不完全一致

自動檢測系統的控制精度與控制速度是一對矛盾，為了得到足夠的控制精度，可能需要降低一些系統的快速性指標要求。系統各環節是一個子系統，整體具有很強的系統性，各環節和系統之間存在很強的利益矛盾。同時，設備的選型也是一個矛盾，傳感器和各種控制芯片的選型都由學生自行決定。自動檢測系統的性能和控制成本是另一對矛盾，為了提高系統的控制性能，需要選擇性能指標比較高的控制芯片。一般情況下，芯片的性能適合價格成正比，所以系統性能和成本是一對難以調和的矛盾。

（四）具備復雜工程問題特征7的要求：具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題

自動檢測系統最大特點是它的綜合性和系統性。綜合性是指機械技術、電工電子技術、傳感器技術、控制技術、接口技術、驅動技術、網絡通信技術、觸摸屏組態編程等多種技術有機地結合，并綜合應用到自動檢測系統中。系統性是指傳感檢測、傳輸與處理、控制、執行與驅動等機構協調有序地工作，并有機融合在一起。

綜上所述，自動檢測系統工程問題是一個多學科綜合、多技術集成、多工程環節組合的復雜工程問題。

四、檢測技術與儀表課程的復雜工程問題教學

教學方式的調整對于復雜工程問題能力教學是非常重要的。例如，理論教學不能照本宣科滿堂灌，強調以知識為載體，讓學生學習基本概念和基本結論的同時，學會學科方法論的相關內容，并讓學生掌握相應的專業技能，形成專業能力。實踐教學也需要選擇恰當的載體，使學生經歷復雜工程（系統）構建，并在構建過程中體現知識、技術、方法的綜合應用。在這個過程中具體落實學生解決復雜工程問題能力培養的目標[2]。

在檢測技術與儀表課程教學設計中，利用高爐自動檢測控制系統這個典型案例，分析了高爐冶煉過程中各種傳感器的應用。

高爐是一個豎式的圓筒形爐子，其本體包括爐基、爐殼、爐襯、冷卻設備和高爐支柱組成，而高爐內部工作空間又分為爐喉、爐身、爐腰、爐腹和爐缸五段。高爐生產除本體外，還包括上料系統、送風系統、煤氣除塵系統、渣鐵處理系統和噴吹系統。高爐產品包括各種生鐵、爐渣、高爐煤氣以及爐塵。生鐵供煉鋼和鑄造使用;爐渣可用于制作水泥、絕熱、建筑和鋪路材料等用途;高爐煤氣除了供熱風爐做燃料使用外，還可供煉鋼、焦爐、燒結點火用等;爐塵回收后可做燒結廠原料用。高爐工作過程中有兩個比較重要的參數—溫度和壓力。這兩個參數對高爐的運行狀態的影響比較大。

（一）溫度

需檢測的溫度點包括爐頂溫度、爐喉溫度、爐身溫度和爐基溫度，并采用多點式自動電子電位差計指示和記錄。

1.爐頂溫度。它是煤氣與料柱作用的最終溫度，它說明了煤氣熱能與化學能利用的程度，在很大程度上能監視下料情況。爐頂溫度的測量是利用安裝在4個或2個煤氣上升管內的熱電偶實現的。

2.爐喉溫度。它能準確反映煤氣流沿爐子周圍工作的均勻性。爐喉溫度是利用安裝在爐喉耐火磚內的熱電偶測量的。

（二）差壓（壓力）

需檢測大小料鐘間的差壓、熱風環管與爐頂間的差壓及爐頂煤氣壓力。

目前，大多數高爐都采取高壓操作，高壓操作時的爐喉煤氣壓力約為0.5—1.5標準大氣壓。在高爐工作前半期，料鐘的密閉性較好，一般可保持較高壓力;而在高爐工作后半期，由于鐘料磨損，密閉性變差，爐頂煤氣壓力要降低一些。

由于爐喉處煤氣中含灰塵較多，取壓管易堵塞，因此測量煤氣壓力的取壓管安裝在除塵器后面、洗滌塔之前。雖然是間接地反映爐喉煤氣壓力，但比較可靠。調節洗滌塔后面煤氣出口處閥門的開度，改變局部阻力的損失，保持爐喉煤氣壓力為給定數值。

通過分析高爐的自動檢測過程，可以幫助學生準確掌握溫度傳感器、壓力變送器、檢測儀表、壓力調節器的應用以及高爐控制加料的過程。

高爐自動檢測控制系統體現了復雜工程問題的特征：（1）該系統涉及了傳感器、信號處理、儀器儀表、自動控制等方面的知識。其中，信號處理課程是以高等數學知識為基礎，在自動控制領域應用十分廣泛。（2）該系統具有較高的綜合性。系統設計到了溫度檢測、壓力檢測、壓力調節器等方面的知識。學生在學習的過程中通過查閱相關資料、文獻，可以很好地擴展自己的知識面。

針對培養學生解決復雜工程問題能力的這一核心目標，圍繞學生對解決檢測技術與儀表關鍵復雜問題方法的掌握情況，教師在課程結束時對學生解決復雜工程問題的能力進行評定，分為優秀、良、中、及格、不及格五個等級。根據每位同學的評定等級，學生本人和教師對檢測技術與儀表課程中解決復雜工程問題能力的培養效果將會有一個清晰的認識。便于進一步有針對性地提升與充實[3]。

五、實施的效果與局限性討論

（一）實施效果

經過幾個教學班級的實施與調整，檢測技術與儀表課程案例式教學基本達到預期效果。主要體現在：所有學生都按要求完成課程任務，提交符合課程要求的技術資料，實現了課程要求規定的技術指標;能夠計劃團隊成員的分工、進度、遇到的復雜問題及相應的解決方法。檢測技術與儀表課程案例式教學設計的設立，消除了學生對傳感器及檢測儀器儀表的神秘感，提高學生學習本課程的興趣，增強學生在自動化專業領域工作的信心，在遇到復雜工程問題時，能夠快速全身心投入，開展工作也是事半功倍。

（二）局限性

檢測技術與儀表課程局限性主要表現在：

1.高校教師普遍缺少企業實踐經驗，對復雜工程問題行業背景沒有深入了解，教師應加強自身專業素養和工程實踐經驗，以適應工程教育認證發展需求。

2.學生經過自動控制原理、單片機原理與設計、電氣控制與PLC等課程中的案例式教學鍛煉，認識到案例式教學在提高個人能力素養的作用。任何課程的復雜工程問題情境設計，必須放在專業課程體系內統籌設計。

六、結語

工程教育認證對復雜工程問題提出了明確要求，工科教育可以基本定位在解決復雜工程問題[4]。文中圍繞培養學生解決復雜工程問題的能力，對檢測技術與儀表課程涉及高爐自動檢測控制系統這一復雜工程問題，進行教學探索。教學實踐表明，利用具有復雜工程問題特征的案例進行課堂教學，對培養工科學生解決復雜工程問題的能力具有激勵作用。

參考文獻

[1]潘釗，侯培國，孟宗，吳希軍.基于情境構建培養解決復雜工程問題能力[J].電氣電子教學學報，2020，42（3）16-21.

[2]楊毅剛，孟斌，王偉楠.如何破解工程教育中有關“復雜工程問題”的難點—基于企業技術創新視角[J].武漢：高等工程教育研究，2017（2）：72-78.

[3]張麗平，李松，郝曉紅，孫冬璞.基于復雜工程問題的數據庫系統基礎課程教學研究[J].西昌學院學報（自然科學版），2019， 33（4）：102-105.

[4]蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養[J].中國大學教學，2016（11）：27-30.

Abstract： According to some problems in the traditional teaching of Testing Technology and Instrumentation， from the perspective of cultivating engineering students' "ability to solve complex engineering problems"， a teaching method was designed to solve complex engineering problems. Based on the definition of complex engineering problems by China Engineering Education Certification Association， this paper proposes a case teaching model from the perspective of curriculum system teaching content design. On the basis of this model， new ideas of curriculum reform are summarized.

Key words： database; complex engineering problem; case teaching