“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”課程建設(shè)的實踐與思考

徐霞　張美鳳　蔡建文

【摘 要】“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”課程是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程主要講述常見物理量測量中的誤差理論及其數(shù)據(jù)處理方法，使學(xué)生掌握誤差理論與數(shù)據(jù)處理的基本概念、基本原理、基本計算方法，培養(yǎng)學(xué)生分析處理實驗數(shù)據(jù)的能力。由于課時、教學(xué)條件的制約，開設(shè)該課程的高校普遍對傳統(tǒng)的靜態(tài)測量的數(shù)據(jù)處理講授較多，對現(xiàn)代誤差理論、不確定度評定及動態(tài)測試的數(shù)據(jù)處理講述較少，這已經(jīng)不能適應(yīng)信息時代的要求。近年來，本課題組致力于該課程的教學(xué)改革，在理論與實踐教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)條件、教學(xué)方法、教師隊伍等多方面開展了卓有成效的改革，取得了良好的效果。

【關(guān)鍵詞】課程建設(shè)；教學(xué)改革；誤差理論與數(shù)據(jù)處理

【Abstract】“Error theory and data processing”course is an important professional basic course of measurement and control technology and instrument specialty， this course mainly talks about the error theory and data processing method of the common physical quantity measurement， to make the students master the basic concepts， basic principles and calculation methods of error theory and data processing，and cultivate students ability to analyze and process the experimental data. Due to the constraints of class hours and teaching conditions， generally the traditional static measurement data processing teaching more， the modern error theory， uncertainty evaluation and dynamic testing of the data processing is involved less， this has not adapted to the requirements of the information age.In recent years， our research group worked on the teaching reform of the course， in many aspects of the theory and practice of teaching content， teaching conditions， teaching methods and teachers to carry out the effective reform， and achieved good results.

【Key words】Course construction； Teaching reform； Error theory and data processing

1 課程建設(shè)的背景及思路

1.1 課程建設(shè)的背景

“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”課程是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講述幾何量、機械量以及其他有關(guān)物理量的靜態(tài)測量和動態(tài)測量的誤差理論與數(shù)據(jù)處理。該課程的主要任務(wù)是通過各教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握誤差理論與數(shù)據(jù)處理的基本概念、基本原理、基本計算方法，培養(yǎng)學(xué)生分析、處理數(shù)據(jù)的能力，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及從事工程技術(shù)，科學(xué)研究等工作打下堅實的基礎(chǔ)。

由于課時、教學(xué)條件的限制，以往該課程教學(xué)過程中對傳統(tǒng)的靜態(tài)測量的數(shù)據(jù)處理講授較多，對現(xiàn)代誤差理論、不確定度評定及動態(tài)測試的數(shù)據(jù)處理講述較少，這已經(jīng)明顯落后于現(xiàn)代測試技術(shù)的發(fā)展。該課程具有較強的實踐性，但在以往的教學(xué)過程中主要側(cè)重理論內(nèi)容講授，沒有設(shè)置實踐性環(huán)節(jié)。在學(xué)生對課程教學(xué)的評價中也提到主要教學(xué)內(nèi)容都是原理及算法，內(nèi)容有些枯燥。以上問題導(dǎo)致學(xué)生對該課程在專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的作用認識不足，影響了教學(xué)效果，不利于培養(yǎng)學(xué)生分析解決實際工程應(yīng)用問題的能力和創(chuàng)新能力。由于該課程和前期的概率論與數(shù)理統(tǒng)計、互換性與測量技術(shù)、信號分析與處理以及后續(xù)的傳感器與測試技術(shù)、自動檢測技術(shù)、精密測量技術(shù)等課程聯(lián)系較為緊密，所以也需要從整個知識體系和學(xué)生能力培養(yǎng)的高度對其教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)計劃進行統(tǒng)籌規(guī)劃。

1.2 課程建設(shè)的基本思路

本課程教學(xué)建設(shè)的基本思路主要包括以下幾個方面：一是，對該課程在人才培養(yǎng)方案中的定位和教學(xué)目標進行全面認真地分析、討論，從信息化的視角并結(jié)合相應(yīng)的職業(yè)崗位要求，全面理清學(xué)生應(yīng)掌握的知識點、能力點和技能點；二是，在此基礎(chǔ)上制定教學(xué)大綱（課程標準），包括各單元教學(xué)內(nèi)容及基本要求、學(xué)時分配、考核評價方式、實踐教學(xué)內(nèi)容等；三是，著力進行教學(xué)方法與教學(xué)手段的改革，授課教師全程參與到課堂教學(xué)、實驗指導(dǎo)、大作業(yè)以及畢業(yè)設(shè)計的各個教學(xué)環(huán)節(jié)中，采用多層次、全方位、反復(fù)訓(xùn)練的教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的各項技能，并充分利用現(xiàn)代化教學(xué)手段進行輔助教學(xué)；四是，以教學(xué)改革、科研為抓手，進一步提高主講教師的教學(xué)科研水平，建立一支結(jié)構(gòu)合理、師德高尚、素質(zhì)優(yōu)良、充滿活力的教師隊伍。

2 課程教學(xué)改革的具體實踐過程

2.1 教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

2.1.1 理論教學(xué)內(nèi)容改革

該課程的教學(xué)內(nèi)容從總體上遵循“理論夠用、強化應(yīng)用”的原則，突破了傳統(tǒng)的教學(xué)方式。課程以不同的測量方式下的誤差理論與測量數(shù)據(jù)的處理方法為主線，層次主線清晰，結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，注重教學(xué)內(nèi)容和課程體系創(chuàng)新。以教學(xué)大綱為基本依據(jù)，遵循教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)性、先進性和適用性的原則，充分考慮了我校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標，強化了數(shù)據(jù)處理實際應(yīng)用方面的訓(xùn)練，做到思路開闊，注重應(yīng)用。增加了現(xiàn)代誤差理論、不確定度分析和動態(tài)測量的誤差處理方面的內(nèi)容。在講授系統(tǒng)不確定度評定時，就以實際的測量系統(tǒng)為例，結(jié)合傳感器、轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的精度分析，進行系統(tǒng)的總體精度評定，把“傳感器原理及應(yīng)用”、“產(chǎn)品質(zhì)量檢測技術(shù)”、“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字邏輯與系統(tǒng)”等課程的相關(guān)內(nèi)容很好地結(jié)合起來。通過這樣的講授，學(xué)生就會了解這些課程及教學(xué)內(nèi)容在實際工程應(yīng)用中的具體作用，為后續(xù)各環(huán)節(jié)的教學(xué)打下了良好的基礎(chǔ)。同時我們針對不同的專業(yè)方向，在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上有所側(cè)重。在講授應(yīng)用舉例時“檢測技術(shù)與質(zhì)量工程”方向突出產(chǎn)品質(zhì)量檢測中的精度分析與數(shù)據(jù)處理，“計算機測控技術(shù)”方向突出測量系統(tǒng)集成設(shè)計中的不確定度評定和系統(tǒng)特性分析中的數(shù)據(jù)處理方法的講解。

2.1.2 實踐教學(xué)內(nèi)容改革

本課程在很多高校都一直定位為理論性強的課程，很少有學(xué)校設(shè)置實驗，考慮到我校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標和學(xué)生的就業(yè)走向，我們加強了實踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練。一是，我們開發(fā)了基于MATLAB的仿真實驗系統(tǒng)，直接在課堂演示，彌補了實驗學(xué)時不足的問題，同時為學(xué)生實驗打下一個基礎(chǔ)。二是，我們充分挖掘?qū)嶒炇椰F(xiàn)有資源，精心開發(fā)設(shè)置了多個實驗項目，包括驗證性、綜合性實驗和設(shè)計性實驗。三是，我們設(shè)置了大作業(yè)環(huán)節(jié)，以其提高學(xué)生的解決實際問題的能力，教師給出測量系統(tǒng)的設(shè)計要求和總體精度，要求學(xué)生自己查閱元器件相關(guān)參數(shù)，選擇合適的器件進行總精度評定；或者給出某一個工件，要求學(xué)生選擇合適的測量器具進行測量，并進行測量誤差的詳細分析，在此基礎(chǔ)上完成設(shè)計或測量分析報告。這樣的大作業(yè)類似于一個課程設(shè)計，學(xué)生可以結(jié)合所學(xué)內(nèi)容，解決關(guān)于精度評定和誤差分析與數(shù)據(jù)處理的實際問題，提高分析問題解決問題的能力。四是，注重在實踐中進行測量數(shù)據(jù)處理的基本能力訓(xùn)練，我們自行開發(fā)了基于MATLAB的誤差與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、基于LabVIEW的精密測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，要求學(xué)生充分利用這些軟件對實驗結(jié)果進行誤差分析和不確定度評定。

2.2 教學(xué)條件建設(shè)

課程組編寫了高質(zhì)量的教學(xué)講義，既有紙質(zhì)稿，又有電子稿，自編了多媒體課件，編寫了《誤差理論與數(shù)據(jù)處理實驗指導(dǎo)書》、《誤差理論與數(shù)據(jù)處理習(xí)題集》，建成了本課程的輔助教學(xué)網(wǎng)站。目前在畢博教學(xué)平臺上的教學(xué)資源主要包括該課程的教學(xué)大綱（課程標準）、教學(xué)計劃安排表、學(xué)習(xí)指導(dǎo)書及教學(xué)參考書等各類輔助學(xué)習(xí)資料等教學(xué)文件，電子講義、多媒體課件、虛擬仿真實驗等電子教學(xué)資源，實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗指導(dǎo)手冊、大作業(yè)實例等實踐性教學(xué)資源；課后習(xí)題、試題庫、模擬試卷及相應(yīng)的參考答案等考核性資源等。網(wǎng)絡(luò)資源方便學(xué)生課后的進一步學(xué)習(xí)，有效地彌補了課時不足的問題和課堂教學(xué)的局限性，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。主講教師也可以通過網(wǎng)上授課系統(tǒng)、網(wǎng)上答疑系統(tǒng)和網(wǎng)上考試系統(tǒng)的交互功能及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和存在的問題，以進一步改進教學(xué)方法，提高整體教學(xué)質(zhì)量。用MATLAB和LabVIEW制作了誤差與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和精密測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，直接在課堂演示，彌補了實驗學(xué)時偏少的問題。

2.3 教學(xué)方法改革

在教學(xué)過程中，教學(xué)團隊采用了多層次、全過程的教學(xué)方法。在要求學(xué)生掌握誤差與數(shù)據(jù)處理的基本原理、基本方法的同時，更加著重實踐能力的訓(xùn)練。我們將實踐能力分別通過實驗課程、大作業(yè)、畢業(yè)設(shè)計三個層次進行全過程不斷線地培養(yǎng)，取得了良好的教學(xué)效果。比如在講完測量不確定度評定這部分內(nèi)容后，隨即就在布置了相關(guān)的實際操作大作業(yè)中，讓學(xué)生進行實際的訓(xùn)練，把課堂知識和實際應(yīng)用很好的結(jié)合了起來，學(xué)生感覺課堂學(xué)習(xí)有針對性，學(xué)習(xí)興趣提高了。近幾屆部分學(xué)生在完成誤差理論課程學(xué)習(xí)，實驗、大作業(yè)的鍛煉后，基本掌握了這部分知識。而在畢業(yè)設(shè)計中，學(xué)生進行系統(tǒng)設(shè)計或者測量方案選擇時，仍然需要用到這部分知識，課題組老師會繼續(xù)跟蹤進行指導(dǎo)。這樣通過多層次、全過程的反復(fù)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使學(xué)生真正理解了有關(guān)測量誤差方面的理論知識，對數(shù)據(jù)處理與分析在測控系統(tǒng)設(shè)計與檢測中的應(yīng)用有了更加深刻的體會，也進一步提高了學(xué)生分析問題、解決問題和創(chuàng)新實踐的能力，這為以后從事相關(guān)的工作奠定較好的實踐基礎(chǔ)。此外，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)資源中的習(xí)題、自測試題、虛擬仿真實驗等進行自主學(xué)習(xí)、自主訓(xùn)練，并且能夠針對自己的測薄弱環(huán)節(jié)進行有針對性的強化訓(xùn)練；教師收集學(xué)生自主學(xué)習(xí)的信息，通過整理和分析能夠?qū)崟r掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況以及存在的問題，可以進一步改進教學(xué)方法，提高教學(xué)的有效性。

2.4 主講教師隊伍建設(shè)

利用課程建設(shè)的契機，課題組加強了師資隊伍建設(shè)，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，樹立了良好的師德師風(fēng)，課程組人員熱愛、忠誠社會主義教育事業(yè)，甘愿為之貢獻自己的聰明才智和畢生的精力，敬業(yè)樂業(yè)。備課認真，從不馬虎。上課前都做到必備的幾個基本教學(xué)元件：教學(xué)大綱、課程計劃、教案、講稿、平時成績記錄表。踏實的工作作風(fēng)和極強的全局觀念，使課程的各項建設(shè)順利進行。第二，提高自身業(yè)務(wù)素質(zhì)，我們一貫注重教學(xué)方法的研究，我們認為具有深的理論知識和強的實際動手能力是必須的，但同時必須要有高超的教學(xué)方法。我們采取同行聽課的方式，共同磋商教學(xué)方法，使教學(xué)藝術(shù)水平不斷提高；主講教師還開設(shè)其他相關(guān)課程，有前期課程和后續(xù)課程，這樣能切身體會課程在整個教學(xué)計劃中起的作用，更能知道該課程與其它課程的聯(lián)系，有助于提高教師的業(yè)務(wù)水平，如我們有的教師承擔(dān)了《互換性與測量技術(shù)》、《產(chǎn)品質(zhì)量檢測技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》等課程的教學(xué)任務(wù)，在課程的講授中非常自然的將這些課程聯(lián)系起來。通過多年的努力，課程組核心成員的教學(xué)能力得到顯著提升。教師開發(fā)的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源獲得江蘇省高校多媒體課件一等獎1項，全國多媒體課件大賽二等獎2項，三等獎2項，優(yōu)秀獎2項；教師獲得江蘇省高等教育教學(xué)成果獎一等獎1項、學(xué)校教學(xué)成果獎特等獎1項、一等獎2項；教師主持的課程建設(shè)項目獲江蘇省精品課程1門、校精品課程7門；主持江蘇省高等教育教改研究立項課題2項，完成江蘇省教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃課題1項，校級教學(xué)改革課題15項，出版教材7部；在《實驗室研究與探索》、《電氣電子教學(xué)學(xué)報》等期刊發(fā)表教學(xué)研究論文20余篇。

3 課程建設(shè)中存在的問題及思考

目前教學(xué)中所用教材是部優(yōu)教材，但由于編著者多為研究型或教學(xué)研究高校的老師，所以內(nèi)容偏理論，部分內(nèi)容講述過深，而實踐應(yīng)用部分內(nèi)容相對較少，實例也較少。可以考慮和其它同層次相近專業(yè)老師合作編寫適合于應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)目標的教材，以便得更好的教學(xué)效果。隨著科技的不斷發(fā)展，測控技術(shù)逐步由靜態(tài)轉(zhuǎn)向動態(tài)測控、由離線測量轉(zhuǎn)向在線測量，因此需要加大這方面測量數(shù)據(jù)處理理論與方法的講述，或者進一步開設(shè)配套的專業(yè)選修課，為學(xué)生的繼續(xù)學(xué)習(xí)提供平臺。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]