無損檢測技術(shù)創(chuàng)新型實驗課程探索

吳蘭蘭, 宗望遠, 熊利榮, 祝志慧, 周洪亮

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

無損檢測技術(shù)創(chuàng)新型實驗課程探索

吳蘭蘭, 宗望遠, 熊利榮, 祝志慧, 周洪亮

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

針對傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)課程實驗教學(xué)中存在的主要問題，結(jié)合華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院的具體實踐，開展無損檢測技術(shù)創(chuàng)新型實驗課程教學(xué)。創(chuàng)新型實驗以雞蛋為研究對象，讓學(xué)生掌握測量雞蛋新鮮度無損檢測的基本方法。整個實驗貫穿了無損檢測技術(shù)課程中的數(shù)字圖像處理技術(shù)、近紅外光譜技術(shù)等各項研究方法和數(shù)據(jù)處理，旨在活躍本科生的科研思維，提高學(xué)生創(chuàng)新實踐能力。

無損檢測技術(shù)； 創(chuàng)新型實驗課程； 人才培養(yǎng)； 雞蛋新鮮度

如何培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新實踐能力一直以來都是高等教育研究的熱點問題[1-3]。為了有針對性提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，近年來國內(nèi)高校紛紛探索各種舉措，借此來提高學(xué)生的創(chuàng)新思維，推進本科實驗教學(xué)改革。創(chuàng)新型實驗教學(xué)項目是高校推進實驗教學(xué)改革，實施素質(zhì)教育的重要舉措[4-6]。通過小班教學(xué)、分組實踐以及團隊合作，極大地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐潛能。

相比其他工科高校，農(nóng)科院校的工科專業(yè)學(xué)生在培養(yǎng)過程中，必須緊密結(jié)合農(nóng)業(yè)，這在一定程度上增加培養(yǎng)的復(fù)雜性[7]。無損檢測技術(shù)是一門多學(xué)科融合的課程，其研究方法和手段滲透到各個研究領(lǐng)域。在無損檢測技術(shù)課程中引入創(chuàng)新型實驗項目是我院在探索創(chuàng)新實驗，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的一次改革。我院無損檢測技術(shù)這門課，以農(nóng)產(chǎn)品為研究對象，在不破壞檢測對象的前提下，利用力學(xué)特性、光學(xué)特性、圖像特性以及電特性技術(shù)，借助計算機原理、傳感檢測技術(shù)、化學(xué)計量學(xué)等手段，對其外觀指標(biāo)和內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)進行定量或定性評價[8-10]。該課程屬于多學(xué)科交叉課程，涉及到物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)以及計算機等學(xué)科知識，要求學(xué)生具有廣泛的理論功底以及數(shù)據(jù)處理能力。本文結(jié)合華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院無損檢測技術(shù)課程的開展實際，探索創(chuàng)新型實驗課程教學(xué)改革。

1 無損檢測技術(shù)實驗教學(xué)存在的問題

我院針對自動化專業(yè)本科生特別開設(shè)無損檢測技術(shù)這門專業(yè)必修課，為學(xué)生今后從事質(zhì)檢等相關(guān)工作奠定理論基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無損檢測技術(shù)受到各領(lǐng)域的重視，發(fā)揮著不可忽視的作用。這門課的開設(shè)，不僅讓本科生對無損檢測概念有深入了解和認(rèn)識，特別是對新型光學(xué)無損檢測技術(shù)的介紹，對開闊學(xué)生的知識面、了解無損檢測技術(shù)的發(fā)展方向具有一定的指導(dǎo)作用。同時，開設(shè)的實驗課程讓部分后期從事研究的學(xué)生提前了解無損檢測技術(shù)流程、掌握無損檢測技術(shù)的測試儀器和數(shù)據(jù)分析工具。

針對這門課程應(yīng)用性較強的特點，必須結(jié)合理論課和實驗教學(xué)并行，否則單純依靠教師講授理論，學(xué)生只能憑空想象檢測儀器和檢測手段，不足以完全理解和熟練掌握知識點；針對具體單元或者對象，配合一定的實驗教學(xué)來探索研究，讓學(xué)生深入了解概念、熟練掌握無損檢測技術(shù)操作流程及培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析能力。因此，實驗教學(xué)是無損檢測技術(shù)課程不可或缺的重要組成部分，在培養(yǎng)具有知識、能力、技能等綜合創(chuàng)新型人才方面有著理論教學(xué)不可替代的作用[11]。通過實驗教學(xué)，一方面培養(yǎng)學(xué)生靈活運用知識解決實際生產(chǎn)問題的能力以及獨立分析問題的創(chuàng)新型思維和操作能力，為今后從事農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測類工作打下基礎(chǔ)；另一方面，培養(yǎng)學(xué)生樹立科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒炗^念以及團結(jié)合作的協(xié)作精神，讓學(xué)生懂得任何探索研究和學(xué)術(shù)成就都離不開嚴(yán)謹(jǐn)端正的實驗態(tài)度以及分工合作的實驗精神。

目前，我院無損檢測技術(shù)實驗課程存在如下問題：

(1) 條件有限，教學(xué)方式單一。學(xué)生主要按照實驗講義分步操作，獲取結(jié)果提交實驗報告。整個過程中，學(xué)生一直處于被動接受狀態(tài)，達不到培養(yǎng)創(chuàng)新思維的目的。

(2) 無損檢測技術(shù)這門課程的實驗教學(xué)中沒有完整具體案例，對啟發(fā)學(xué)生主觀能動性效果不明顯。

(3) 學(xué)生人數(shù)較多，儀器設(shè)備有限，學(xué)生普遍覺得動手能力得不到充分訓(xùn)練。

(4) 其他學(xué)院如信息學(xué)院，部分學(xué)生對無損檢測技術(shù)感興趣，但是沒有辦法選修。針對上述現(xiàn)狀，有必要進行無損檢測技術(shù)實驗教學(xué)方法改革的研究，探索新的教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生進行更深層次專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，對于全面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維、提高教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。

2 無損檢測技術(shù)創(chuàng)新型實驗課程

如何改革現(xiàn)有無損檢測技術(shù)實驗教學(xué)模式以適應(yīng)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需求，關(guān)鍵在于實驗教學(xué)方式的改革。創(chuàng)新型實驗教學(xué)重要特點是實現(xiàn)學(xué)生在實驗教學(xué)中的主體地位，充分激勵學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高學(xué)生自主解決實際問題的能力[12]。因此，針對我院無損檢測技術(shù)實驗課程存在問題，提出創(chuàng)新型實驗課程項目，旨在探索本課程實驗教學(xué)改革，激發(fā)學(xué)生科學(xué)研究的潛在動力和興趣，提升本科生的思維創(chuàng)新能力。借助學(xué)校創(chuàng)新型實驗教學(xué)改革平臺，以雞蛋為具體研究對象，面向全校大二以上的本科生，開設(shè)無損檢測技術(shù)創(chuàng)新型實驗課程?？偣?2個學(xué)時，限定30人以內(nèi)規(guī)模。通過具體案例，使學(xué)生對無損檢測技術(shù)有一個較完整的認(rèn)識。

2.1 樣品采集

實驗前一天，從湖北省武漢市九峰雞場購入剛出生雞蛋400枚，分為AB兩組用于后期實驗。其中A組為實驗組：A1，A2，……，An；B組為對照組：B1，B2，……，Bn，將標(biāo)好號的新鮮雞蛋放入溫度為20 ℃恒溫箱。實驗周期為5周，每隔一周采集一次實驗數(shù)據(jù)。

2.2 課程內(nèi)容

無損檢測技術(shù)創(chuàng)新型實驗課程包括理論課程和實踐課程2個部分。

2.2.1 理論課程

理論課程安排在實踐課程開設(shè)前兩周，主要讓學(xué)生了解無損檢測技術(shù)以及相應(yīng)儀器原理和使用方法，具體內(nèi)容包括無損檢測技術(shù)概念、原理等理論性知識，以及實驗涉及到的近紅外光譜儀和視覺檢測儀器的原理、操作方法、數(shù)據(jù)采集及處理分析。最后，強調(diào)實驗過程中態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)性，以及操作時要遵守的儀器操作規(guī)程。

2.2.2 實驗課程

實驗課程是主體，包括“基于近紅外光譜技術(shù)的雞蛋新鮮度快速無損檢測”及“基于視覺技術(shù)的雞蛋新鮮度無損檢測”2個部分，旨在讓學(xué)生從不同傳感技術(shù)以及檢測手段方面體驗檢測同一目標(biāo)的差異性。

實驗分別在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院的近紅外光譜儀(Antaris II，美國)以及農(nóng)產(chǎn)品檢測及裝備研制團隊研制的雞蛋視覺檢測生產(chǎn)線上進行。尤其是“基于視覺技術(shù)的雞蛋新鮮度無損檢測”實驗，不僅學(xué)生能夠自己動手操作采集視覺數(shù)據(jù)，而且可以直觀看到整條生產(chǎn)線中其他機構(gòu)，如分選等如何動作，進一步加深對無損檢測技術(shù)的認(rèn)識。實驗開始前，以小組為單位制定實驗方案、數(shù)據(jù)采集以及后期數(shù)據(jù)處理的分工。整個實驗歷時5周，小組成員需分工完成雞蛋理化參數(shù)測定、近紅外光譜數(shù)據(jù)采集以及動態(tài)圖像數(shù)據(jù)采集。根據(jù)前期采集實驗數(shù)據(jù)，后期合作完成新鮮度指標(biāo)的計算、圖像數(shù)據(jù)分析與處理及近紅外光譜數(shù)據(jù)定量和定性模型的建立，最終形成完整的實驗報告。具體數(shù)據(jù)采集實驗過程如下：實驗中學(xué)生分成5組，每組5～6人。其中一組為對照組實驗，前4周分別從恒溫箱中將B組雞蛋取出，分工采集近紅外光譜和視覺圖像數(shù)據(jù)，然后重新放入恒溫箱保存；第5周重復(fù)前4周的近紅外光譜和視覺數(shù)據(jù)采集工作，等到數(shù)據(jù)采集完畢，用天平測量蛋重，用游標(biāo)卡尺重復(fù)3次測量其蛋白高度，做好記錄。其余4組為實驗組，每組每次從恒溫箱中分別取18個A組雞蛋采集近紅外光譜和視覺數(shù)據(jù)、測量蛋重及蛋白高度等理化參數(shù)，做好記錄，便于后期新鮮度指標(biāo)(哈夫值)的計算。

整個實驗過程中，無論是實驗前準(zhǔn)備工作、實驗中步驟操作以及實驗后結(jié)果分析，始終要求學(xué)生保有嚴(yán)謹(jǐn)端正的實驗態(tài)度和作風(fēng)：一是培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度以及分析解決實際問題的創(chuàng)新實踐能力；二是減少人為等主觀因素對實驗的干擾，能夠獲取更客觀的數(shù)據(jù)，便于后期數(shù)據(jù)分析，更好探明新鮮度指標(biāo)變化引起的光譜和圖像變化表征，進一步探索其機理。

2.3 考核方式

和理論課程的結(jié)果考核不同，實驗課程的過程考核至關(guān)重要。實驗成功與否的關(guān)鍵在于科學(xué)的操作過程。因此，在無損檢測技術(shù)創(chuàng)新型課程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，貫徹“教師主導(dǎo)，學(xué)生主體”的原則，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用與教師的主導(dǎo)作用，激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生分析解決實際問題的創(chuàng)新實踐能力。整個課程采取結(jié)果性與過程性考核結(jié)合的評價方法。過程考核中，主要考核學(xué)生對實驗基本操作方法、技能和技巧的掌握程度和熟練程度，能否正確使用無損檢測實驗儀器，是否具備根據(jù)無損檢測要求選擇檢測儀器、檢測方法的能力，實驗時的態(tài)度是否端正嚴(yán)謹(jǐn)，實驗中的分工合作是否合理，以及實驗記錄是否真實有效，占考核成績60%；結(jié)果考核中，主要考核學(xué)生是否順利完成實驗、數(shù)據(jù)分析以及建模是否正確、實驗報告是否翔實完整，占考核成績40%。

3 結(jié)語

以無損檢測技術(shù)課程為例，開展創(chuàng)新型實驗課程研究，探索本科生創(chuàng)新思維培養(yǎng)模式。通過無損檢測技術(shù)創(chuàng)新型實驗課程的順利實施，鍛煉學(xué)生的實驗設(shè)計和實際操作能力，一定程度上提高了學(xué)生的積極性、主動性和自學(xué)能力以及分析問題和解決問題的能力，提升學(xué)生的團隊精神、科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新意識，這是實驗教學(xué)改革的有益嘗試。今后，更應(yīng)該不斷地探索、總結(jié)實驗教學(xué)改革，進一步提高教學(xué)質(zhì)量。

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Exploration on innovative experiment course of nondestructive detecting technology

Wu Lanlan， Zong Wangyuan, Xiong Lirong， Zhu Zhihui， Zhou Hongliang

(College of Engineering, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

In view of the main problems existing in the experimental teaching of the traditional Nondestructive Detecting Technology course, and in combination with the concrete practice of Huazhong Agricultural University, the innovative experiment course teaching of nondestructive detection technology is carried out. The innovative experiment is conducted with eggs as the object of study so as to help the students to master the basic methods of nondestructive detecting of egg freshness. The whole experiment includes the research methods and data processing methods such as the digital image processing technology, the near infrared spectroscopy technology, etc., in the Nondestructive Detecting Technology course, whose purpose is to activate the undergraduate students’ research thinking, and improve their innovative and practical ability.

nondestructive detecting technology; innovative experiment course; talent cultivation; egg freshness

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.007

G642.0

A

1002-4956(2017)11-0023-03

2017-04-21

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金項目(2662015PY078)

吳蘭蘭(1980—)，女，湖北天門，博士，高級工程師，實驗教學(xué)中心副主任，主要從事農(nóng)產(chǎn)品無損檢測及視覺分析方面研究.

E-mailwulanlan@mail.hzau.edu.cn