“信號檢測、處理及實(shí)現(xiàn)”課程體系建設(shè)

徐科軍， 黃云志

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009)

0 引言

自動化專業(yè)是以信息為基礎(chǔ)、以控制為核心、立足于系統(tǒng)的一個專業(yè)。在自動化專業(yè)課程建設(shè)中，我們圍繞著信息、控制和系統(tǒng)三大要素，將信號為主線的本科課程：“傳感器與檢測技術(shù)”、“電氣測量技術(shù)”、“信號分析與處理”、“圖像處理”、“自動化儀表”、“過程控制系統(tǒng)”、“MSP430單片機(jī)原理與應(yīng)用”和“DSP原理及應(yīng)用”等以及按照工程系統(tǒng)中信號檢測、轉(zhuǎn)換、處理和實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)設(shè)置的課程，組合構(gòu)建了“信號檢測、處理及實(shí)現(xiàn)”課程體系[1,2]，如圖1所示。圍繞這一課程體系，從理論和實(shí)踐兩方面展開教學(xué)，并以學(xué)生為中心，優(yōu)化課程內(nèi)容，改革實(shí)踐教學(xué)，加強(qiáng)培養(yǎng)創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐能力，提升工程教育質(zhì)量。

1 優(yōu)化課程設(shè)置

“信號檢測、處理及實(shí)現(xiàn)”課程體系包含多門課程，在內(nèi)容的設(shè)置上突出自動化專業(yè)特點(diǎn)，既考慮體系內(nèi)課程之間內(nèi)容的貫通，又兼顧與其他專業(yè)類課程的先修后續(xù)關(guān)系。遵從這一原則，課程體系的課程設(shè)置思路如下。

圖1 “信號檢測、處理及實(shí)現(xiàn)”課程體系

2005年以前，我校自動化專業(yè)并沒有開設(shè)“數(shù)字信號處理”這類課程的。但是，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，以信息化帶動工業(yè)化已經(jīng)成為發(fā)展工業(yè)的一種策略。為此，我們在本科生中開設(shè)了“數(shù)字信號處理”選修課程[3]。由于學(xué)時有限，考慮到自動化專業(yè)已經(jīng)開設(shè)了“自動控制原理”課程，這門課程介紹了系統(tǒng)的知識，所以，我們將該課程中“信號與系統(tǒng)”中的信號部分和“數(shù)字信號處理”課程合起來，形成課程體系中的“信號分析與處理”課程。

根據(jù)自動化專業(yè)特點(diǎn)，我們還整合了原先的“傳感器與檢測技術(shù)”課程內(nèi)容[4]。傳感器的種類很多，涉及多種原理和器件；檢測技術(shù)的內(nèi)容廣泛，包括很多方法和系統(tǒng)。但是，就自動化專業(yè)而言，核心是控制，檢測為控制提供信息，并檢驗(yàn)控制的效果。所以，整合后的課程教學(xué)內(nèi)容為傳感器和過程控制量檢測技術(shù)。在傳感器部分，介紹典型的電阻式、電感式、熱電式、光電式、壓阻式、半導(dǎo)體傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)組成，介紹這些傳感器在運(yùn)動控制中位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等檢測中的應(yīng)用。在檢測技術(shù)部分，講授過程控制中常用的溫度、壓力、流量、物位和成分的檢測技術(shù)。

考慮到課程體系中，“傳感器與檢測技術(shù)”與“自動化儀表”都涉及到過程工業(yè)中4大被測量的檢測問題，即溫度、壓力、物位和流量的檢測。我們把溫度、壓力和流量傳感器放在“傳感器與檢測技術(shù)”中講授，而物位部分放在“自動化儀表”中講授，即敏感原理和檢測技術(shù)放在“傳感器與檢測技術(shù)”中，而涉及過程控制的裝置部分放在“自動化儀表”中。

在構(gòu)建課程體系中，除了課程設(shè)置之外，特別注意幫助學(xué)生形成完整的知識體系。例如，在“電氣測量技術(shù)”課程教學(xué)中學(xué)生掌握了測量電橋的工作原理后；在“傳感器與檢測技術(shù)”課程中的電阻式傳感器的輸出需要電橋轉(zhuǎn)換成電壓，從而實(shí)現(xiàn)壓力測量的銜接；“自動化儀表”課程介紹的變送器是將電壓信號變成工業(yè)過程控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)信號：4-20mA DC輸出，從而形成壓力變送器，同時，要考慮工業(yè)現(xiàn)場的防爆等問題。再例如，在“信號分析與處理”課程中，介紹數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，而在“DSP原理及應(yīng)用”課程中則介紹如何使用DSP芯片去實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器。

2 教學(xué)資源建設(shè)

在構(gòu)建“信號檢測、處理及實(shí)現(xiàn)”課程體系中，我們積極開展教學(xué)資源建設(shè)，先后出版了6本教材和10本教學(xué)參考書，編寫了6本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，如圖2所示，形成了較為完整的“信號檢測、處理及實(shí)現(xiàn)”課程體系的教材、參考書和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，這些書在培養(yǎng)學(xué)生知識、能力、素質(zhì)和推動工程教育一體化教學(xué)改革中發(fā)揮了積極的作用[5]。

在出版的教材中，《傳感器與檢測技術(shù)》被評為普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材、2009年普通高等教育國家精品教材、2010年全國電子信息類優(yōu)秀教材一等獎和普通高等教育“十二五”國家級規(guī)劃教材，發(fā)行了14多萬冊，被近100所高校選作教材?！缎盘柗治雠c處理》被評為普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材和普通高等教育“十二五”國家級規(guī)劃教材，發(fā)行了約2萬，被多所高校選作教材?！峨姎鉁y試技術(shù)》被評為普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材，發(fā)行了約2萬冊，被多所高校選作教材。

3 積極開展實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

在課程體系建設(shè)中，我們以科研積累為基礎(chǔ)，自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，爭取學(xué)校支持和國內(nèi)外企業(yè)的捐贈，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。

(a)教材

(b)參考書

(c)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書圖2 “信號檢測、處理及實(shí)現(xiàn)”課程體系教學(xué)資源建設(shè)

3.1 “傳感器與檢測技術(shù)”實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)室成立于1989年，但是，一直以來實(shí)驗(yàn)設(shè)備套數(shù)很少，并且陳舊。2008年我們利用日行貸款重新購置了36套傳感器綜合實(shí)驗(yàn)儀、個人計(jì)算機(jī)和數(shù)字存儲示波器，開設(shè)傳感器與檢測技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)。近幾年，又利用211建設(shè)經(jīng)費(fèi)，借助國內(nèi)最大的自動化儀表生產(chǎn)企業(yè)-重慶川儀自動化股份有限公司的設(shè)備捐贈以及我們自己的科研積累，建立了2套傳感器動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)儀、1套視覺測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、2套流量測量系統(tǒng)水標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置和2套氣液兩相流測量實(shí)驗(yàn)裝置，以進(jìn)一步開闊學(xué)生的視野，培養(yǎng)其工程實(shí)踐能力。

3.2 “DSP原理及應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

DSP實(shí)驗(yàn)室成立于2002年，是由我校與美國德州儀器(TI)公司共建的數(shù)字信號處理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室和MSP430單片機(jī)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室組成的[6]。該實(shí)驗(yàn)室得到TI公司多次設(shè)備捐贈和經(jīng)費(fèi)支持，有力地支持了實(shí)驗(yàn)和教學(xué)。我們根據(jù)在C2000 DSP方面的科研成果和工作積累，自主研制了內(nèi)容豐富、接線方便和顯示直觀的適用于教學(xué)的TMS320LF2407A實(shí)驗(yàn)箱20套并編寫了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，約1050名學(xué)生在這里進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，為使學(xué)生掌握最新的DSP技術(shù)，我們又研制成功了43套C2000系列中更高性能的TMS320F2812的DSP實(shí)驗(yàn)箱。迄今已有3100多名本科生和研究生進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。這些自制的實(shí)驗(yàn)箱現(xiàn)已推廣到解放軍合肥炮兵學(xué)院和浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院。

4 以學(xué)生為中心，拓展實(shí)踐教學(xué)

4.1 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在“信號檢測、處理及實(shí)現(xiàn)”課程體系中，我們根據(jù)各門課程自身特點(diǎn)，設(shè)置了不同的實(shí)驗(yàn)課時。

“傳感器與檢測技術(shù)”課程開設(shè)30學(xué)時的綜合實(shí)驗(yàn)。在開展綜合實(shí)驗(yàn)之前，授課教師專門安排了4個學(xué)時的講座，介紹“傳感器與檢測技術(shù)”在“自動化”專業(yè)知識體系中的位置和重要性；介紹實(shí)驗(yàn)中涉及的傳感器的主要結(jié)構(gòu)、工作原理、測量電路和基本應(yīng)用；介紹實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)處理方法，并提供數(shù)據(jù)處理的Matlab程序。

“信號分析與處理”課程中安排了8學(xué)時實(shí)驗(yàn)，用Matlab進(jìn)行數(shù)字信號處理實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)了信號處理的基本知識和理論方法后，能夠真正地應(yīng)用，而不是僅僅停留在理論階段。

“DSP原理與應(yīng)用”課程經(jīng)過幾輪的教學(xué)實(shí)踐，形成講課16學(xué)時、實(shí)驗(yàn)16學(xué)時的教學(xué)方式[7]。理論和實(shí)踐結(jié)合，邊做邊學(xué)，使學(xué)生加深對理論體系的認(rèn)識和理解，提高動手實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

4.2 重視畢業(yè)設(shè)計(jì)

圍繞系列課程的內(nèi)容，從科研開發(fā)中提煉出一些難度和工作量適中的技術(shù)問題，作為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目，既幫助學(xué)生鞏固了所學(xué)知識，又鍛煉了學(xué)生的動手能力，取得較好的效果。從2007年以來，每年至少有一位本科生獲得校優(yōu)秀畢業(yè)論文獎勵。

4.3 鼓勵學(xué)生申報和主持創(chuàng)新項(xiàng)目

近幾年，指導(dǎo)本科生共申報和完成了20多項(xiàng)國家級、省部級和校級的創(chuàng)新項(xiàng)目，通過科研項(xiàng)目的申報和完成，使參與者熟悉了如何尋找問題、確定問題和解決問題的全過程，調(diào)動他們主動學(xué)習(xí)的積極性。

4.4 承辦學(xué)科競賽平臺

從2008年開始，我們多次主辦或承辦各類大學(xué)生科技競賽。(徐科軍等文)

這類競賽有2008年德州儀器 (TI) C2000 DSP 大獎賽決賽、第五屆“英飛凌杯”嵌入式處理器設(shè)計(jì)應(yīng)用大獎賽華東區(qū)復(fù)賽；安徽省MSP430低功耗單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)大賽決賽、合肥工業(yè)大學(xué)MSP430低功耗單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)大賽等。

我校約500多名本科生參加各類賽事，獲得多項(xiàng)獎勵；在“英飛凌杯”第五屆全國嵌入式處理器設(shè)計(jì)應(yīng)用大獎賽總決賽中我校獲得唯一的最佳組織獎。這些科技競賽為本科生提供了較好的實(shí)踐平臺，激發(fā)學(xué)生參加創(chuàng)新的興趣，提升了學(xué)生創(chuàng)新思維和工程實(shí)際能力，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作精神。

5 結(jié)語

面向自動化專業(yè)構(gòu)建的“信號檢測、處理及實(shí)現(xiàn)”課程體系，貫徹工程教育理念。經(jīng)過幾年的實(shí)踐，我們優(yōu)化了理論教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，出版了一批優(yōu)秀的教材，建設(shè)了豐富的教學(xué)資源。以學(xué)生為中心，以產(chǎn)生為導(dǎo)向，在學(xué)生創(chuàng)新思維、工程實(shí)踐能力及團(tuán)隊(duì)合作精神的培養(yǎng)上取得較好的效果。

[1] 徐科軍.信號檢測、處理及實(shí)現(xiàn)系列課程建設(shè)探討，南京，電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，31(2)：11-12,24.

[2] 黃云志，徐科軍.以學(xué)生為中心，加強(qiáng)系列課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)--以合肥工業(yè)大學(xué)為例，合肥，合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(社科版)，2012，26(1):134-137.

[3] 徐科軍，黃云志.自動化專業(yè)“信號分析與處理”課程的教學(xué)研究，南京，電氣電子教學(xué)學(xué)報，2007，29(6):103-104,107.

[4] 徐科軍.“傳感器與檢測技術(shù)”課程建設(shè)探討，南京，電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，31(3):23-24.

[5] 徐科軍，黃云志.信號檢測、處理及實(shí)現(xiàn)系列教材建設(shè)，南京，電氣電子教學(xué)學(xué)報，2014，36(4)：114-118.

[6] 徐科軍.黃云志.校企合作培養(yǎng)創(chuàng)新人才的探索與實(shí)踐，北京，中國大學(xué)教學(xué)，2014，(7)：52-55.

[7] 黃云志，徐科軍.“DSP原理及應(yīng)用”課程教學(xué)模式的研究，南京，電氣電子教學(xué)學(xué)報，2007，29(5)：109-111.