將重大創(chuàng)新工程項(xiàng)目引入自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課程大作業(yè)教學(xué)的探索

吳峻　曾杰偉　余佩倡

摘要：以培養(yǎng)訓(xùn)練工科研究生的綜合能力為目標(biāo)，在自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課程的教學(xué)中，利用學(xué)校重大創(chuàng)新工程項(xiàng)目綜合性、實(shí)踐性以及工程性強(qiáng)的特點(diǎn)，在其中選取、策劃、設(shè)計(jì)了本課程的大作業(yè)任務(wù)，并闡述了開展大作業(yè)教學(xué)的主要環(huán)節(jié)，通過(guò)這項(xiàng)活動(dòng)，提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：大作業(yè);自動(dòng)檢測(cè)技術(shù);重大創(chuàng)新工程項(xiàng)目;創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2020）16-0001-03

隨著我國(guó)高?！半p一流”建設(shè)的逐步深入開展，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的戰(zhàn)略要求研究生教育更加重視能力和素質(zhì)培養(yǎng)。如何提高研究生的綜合能力，特別是實(shí)踐能力、系統(tǒng)分析能力以及創(chuàng)新能力，是每個(gè)高校教師都需要重點(diǎn)思考的問(wèn)題。在課程教學(xué)過(guò)程中設(shè)置大作業(yè)是提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力、調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的一種重要手段，它既可以發(fā)揮教師引導(dǎo)、啟發(fā)、激勵(lì)、把控教學(xué)過(guò)程等主導(dǎo)作用，同時(shí)又可充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，在各種實(shí)踐性和應(yīng)用性強(qiáng)的課程中都被廣泛采用。

自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)是本校檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)研究生的核心課程，系統(tǒng)性和實(shí)踐性強(qiáng)，它的任務(wù)是通過(guò)教學(xué)，使研究生系統(tǒng)地掌握自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)所涉及基本結(jié)構(gòu)功能系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)獲取和處理技術(shù)、傳感器技術(shù)、抗干擾技術(shù)以及虛擬儀器技術(shù)，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)突出現(xiàn)代檢測(cè)理論和信息處理技術(shù)等教學(xué)，使他們具有設(shè)計(jì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟硬件的能力，掌握現(xiàn)代檢測(cè)理論及其相關(guān)算法，具有對(duì)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行跟蹤研究及應(yīng)用的能力。

筆者所在單位長(zhǎng)期從事磁浮技術(shù)的研發(fā)，近年以來(lái)，主要承擔(dān)了國(guó)家“十一五”“十二五”“十三五”在中低速磁浮列車和高速磁浮列車領(lǐng)域的國(guó)家科技支撐計(jì)劃和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，特別是承擔(dān)了北京中低速磁浮示范線S1線和長(zhǎng)沙磁浮工程的建設(shè)工作，這些都被列入學(xué)校重大創(chuàng)新工程。這些項(xiàng)目具有綜合性強(qiáng)、實(shí)戰(zhàn)性強(qiáng)的特點(diǎn)，其中存在大量綜合性的工程問(wèn)題，它們的解決方案可能涉及多學(xué)科知識(shí)，需要經(jīng)過(guò)測(cè)試、分析、建模、仿真、制造、調(diào)試等諸多環(huán)節(jié)。若將其中部分問(wèn)題選取設(shè)計(jì)成為大作業(yè)任務(wù)，不僅能有目的地培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的綜合能力和實(shí)踐能力，強(qiáng)化他們對(duì)課程的重要性認(rèn)識(shí)和掌握，提升他們學(xué)習(xí)與科研的積極性和主動(dòng)性，同時(shí)也可為后續(xù)的課題研究任務(wù)順利開展奠定良好的基礎(chǔ)。因此，本文探索了在自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課程大作業(yè)教學(xué)中引入重大創(chuàng)新工程項(xiàng)目攻關(guān)的做法，闡述其開展的主要環(huán)節(jié)和特點(diǎn)，通過(guò)開展這項(xiàng)活動(dòng)，取得了良好的效果。

一、重大創(chuàng)新工程項(xiàng)目的特點(diǎn)

學(xué)校重大創(chuàng)新工程項(xiàng)目主要包括了國(guó)家科技支撐計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及兩條中低速磁浮商業(yè)運(yùn)營(yíng)線建設(shè)中的核心技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目。這些項(xiàng)目主要以重大公益技術(shù)及產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)研究開發(fā)與應(yīng)用示范為重點(diǎn)，結(jié)合重大工程建設(shè)和重大裝備開發(fā)，通過(guò)集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新，重點(diǎn)解決涉及全局性、跨行業(yè)、跨地區(qū)的重大技術(shù)問(wèn)題，突破瓶頸制約，提升產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，以實(shí)現(xiàn)為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展提供強(qiáng)有力的科技支撐。

這些項(xiàng)目的背景是國(guó)家迫切需要的重大工程項(xiàng)目，所面臨的大都是重大工程建設(shè)和重大裝備開發(fā)過(guò)程中綜合性的工程問(wèn)題，若是將其中部分問(wèn)題轉(zhuǎn)化為大作業(yè)任務(wù)，讓學(xué)生提前參與到其中，引導(dǎo)他們對(duì)作業(yè)任務(wù)梳理、分解、循序漸進(jìn)地推進(jìn)，對(duì)增加他們的使命感和責(zé)任感、提升他們處理復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力、進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)習(xí)積極性是很有幫助的。

這些項(xiàng)目還具有多學(xué)科專業(yè)、多人員、多單位部門之間協(xié)作的特點(diǎn)，存在大量的組織協(xié)調(diào)工作，若是將其中部分問(wèn)題轉(zhuǎn)化為大作業(yè)任務(wù)，讓學(xué)生提前參與到其中，對(duì)于有意識(shí)培養(yǎng)學(xué)生的組織協(xié)調(diào)能力和團(tuán)隊(duì)精神，特別是培養(yǎng)學(xué)生的領(lǐng)導(dǎo)力、訓(xùn)練溝通和協(xié)調(diào)技巧以及學(xué)會(huì)調(diào)動(dòng)他人的積極性，是大有益處的。

還有，這些項(xiàng)目由于是直接面對(duì)重大工程任務(wù)，要求研究成果具有良好的可靠性、可維護(hù)性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)。而由于研究生長(zhǎng)期在校園中學(xué)習(xí)，對(duì)有質(zhì)量的研發(fā)和有質(zhì)量的研發(fā)成果方面的理解明顯存在著差距，若是將其中部分問(wèn)題轉(zhuǎn)化為大作業(yè)任務(wù)，讓學(xué)生提前參與到其中，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生如何在研究的過(guò)程中貫徹有質(zhì)量的設(shè)計(jì)和研發(fā)活動(dòng)、初步理解和落實(shí)這些質(zhì)量關(guān)聯(lián)性的指標(biāo)，對(duì)于他們的成長(zhǎng)都極為有利。

二、授課要求及授課對(duì)象的特點(diǎn)

研究生課程自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)主要針對(duì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)及自動(dòng)化裝置領(lǐng)域?yàn)橹黧w的理論與技術(shù)進(jìn)行講授，它偏重于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)方法以及現(xiàn)代檢測(cè)理論和信息處理技術(shù)等方面內(nèi)容，要求通過(guò)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生具備綜合應(yīng)用自動(dòng)檢測(cè)理論與技術(shù)、設(shè)計(jì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)以及跟蹤研究相關(guān)技術(shù)的能力。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，在課程授課中設(shè)置了大作業(yè)任務(wù)，目的是為了更好地訓(xùn)練培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐能力。它在授課教學(xué)初期就開始布置，是一綜合性任務(wù)，包含傳感器、檢測(cè)電路及其處理、微處理器系統(tǒng)以及信息處理算法等，要求學(xué)生隨著課程的進(jìn)展同步開展相關(guān)的活動(dòng)，采取分組團(tuán)隊(duì)形式，在授課過(guò)程中穿插安排針對(duì)大作業(yè)的宣講、討論、答辯、交流等，最后在授課結(jié)束時(shí)，學(xué)生提交以研究報(bào)告為主、演示或仿真為輔的作業(yè)成果，教師綜合大作業(yè)成果及學(xué)生在完成大作業(yè)過(guò)程中的表現(xiàn)來(lái)評(píng)定成績(jī)。

隨著國(guó)家高等教育的普及和發(fā)展，目前的授課對(duì)象出現(xiàn)了一些變化，他們主要由自動(dòng)化專業(yè)和機(jī)械工程及其自動(dòng)化專業(yè)的應(yīng)屆本科畢業(yè)學(xué)生組成。由于授課的時(shí)間定在秋季第一學(xué)期，這些研究生剛剛完成了本科畢業(yè)設(shè)計(jì)，具備了一定的綜合運(yùn)用知識(shí)能力，具有較強(qiáng)的利用所學(xué)知識(shí)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的欲望，但是他們對(duì)一些基礎(chǔ)知識(shí)的理解還是比較初級(jí)，需要通過(guò)實(shí)踐活動(dòng)來(lái)進(jìn)一步強(qiáng)化。另一方面，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的主要內(nèi)容可以分為計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理以及現(xiàn)代控制理論等幾方面，它與并行授課的“數(shù)字信號(hào)處理”“現(xiàn)代控制工程”以及“數(shù)字控制技術(shù)”等課程內(nèi)容有重復(fù)，若是不注意教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，僅是簡(jiǎn)單地重復(fù)，就會(huì)與學(xué)生的強(qiáng)烈求知欲發(fā)生矛盾，必然無(wú)法使學(xué)生產(chǎn)生濃厚的興趣，最后也就達(dá)不到良好的教學(xué)效果。因此，通過(guò)縮減上述可能重復(fù)的內(nèi)容的課堂講解，替換為以大作業(yè)驅(qū)動(dòng)的面向?qū)嶋H問(wèn)題提供解決方案的課堂教學(xué)引導(dǎo)活動(dòng)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣，以學(xué)生為主參與，可以將大作業(yè)活動(dòng)從有限的課時(shí)擴(kuò)展延伸到課外，使學(xué)生帶著任務(wù)參與教學(xué)，提高學(xué)生實(shí)踐能力。

三、大作業(yè)的設(shè)計(jì)與主要環(huán)節(jié)

1.大作業(yè)的設(shè)計(jì)。根據(jù)前面的分析與考慮，大作業(yè)既要綜合實(shí)踐性強(qiáng)，又要包含比較全面的知識(shí)點(diǎn)和內(nèi)容，結(jié)合學(xué)校重大創(chuàng)新工程中北京中低速磁浮示范線S1線建設(shè)任務(wù)要求，設(shè)計(jì)大作業(yè)任務(wù)如下：（1）任務(wù)背景：每一列中低速磁浮列車為六輛車編組，每輛車轉(zhuǎn)向架的托臂底部共安裝有20只懸浮間隙傳感器，即一列車共有120只傳感器。為了保證車輛的正常穩(wěn)定工作，傳感器的及時(shí)、定期檢測(cè)維護(hù)是必須的，特別是車輛每天回到停車庫(kù)時(shí)，需要及時(shí)測(cè)量收集傳感器的外表面溫度、落車間隙以及根據(jù)需要結(jié)合便攜式故障診斷儀收集傳感器的故障信息，所有這些數(shù)據(jù)信息同時(shí)要與傳感器的編號(hào)以及安裝位置對(duì)應(yīng)，收集完畢之后，可以通過(guò)無(wú)線終端發(fā)送到云端，定時(shí)收集并統(tǒng)計(jì)。由此可見，若是利用人工操作，該項(xiàng)工作需要耗費(fèi)大量的人力和物力，收集信息時(shí)間長(zhǎng)、過(guò)程煩瑣，因此，可以設(shè)計(jì)提供一種自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)解決方案。（2）內(nèi)容要點(diǎn)：①設(shè)計(jì)提出一種圖像識(shí)別方法，可基于移動(dòng)智能終端讀取傳感器條形碼編號(hào)，并與傳感器安裝在車輛上的位置編號(hào)手工輸入方式相結(jié)合，完成傳感器的安裝位置與其具體編號(hào)自動(dòng)對(duì)應(yīng);②設(shè)計(jì)提出一種基于圖像檢測(cè)方法，檢測(cè)落車時(shí)各傳感器的落車間隙大小，要求能夠適應(yīng)車庫(kù)不同時(shí)間光照條件;③設(shè)計(jì)無(wú)線接口協(xié)議，與便攜式傳感器故障診斷儀配合，接收需要待診斷傳感器的故障信息;④設(shè)計(jì)提出一種無(wú)線檢測(cè)傳感器殼體表面最高溫度的方法;⑤設(shè)計(jì)智能終端與云端之間的數(shù)據(jù)收集、訪問(wèn)交互;⑥在前面方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)完成一種便攜式中低速磁浮傳感器巡檢裝置的方案;⑦要重視可靠性、可維護(hù)性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)在設(shè)計(jì)任務(wù)中的體現(xiàn);⑧可進(jìn)行部分試驗(yàn)，在硬件集成基礎(chǔ)上，編制調(diào)試基于安卓軟件及其算法。

2.大作業(yè)的主要環(huán)節(jié)。（1）做好啟發(fā)和引導(dǎo)。根據(jù)前面的任務(wù)，首先開展一次針對(duì)中低速磁浮列車的技術(shù)講座，同時(shí)可以帶領(lǐng)學(xué)生到學(xué)校的磁浮試驗(yàn)線現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行交流;其次，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)任務(wù)內(nèi)容，與學(xué)生一起討論，分析細(xì)化任務(wù)的要點(diǎn)，比如從需求、功能、指標(biāo)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、模塊組成、可行性等方面來(lái)分解任務(wù)，使其分任務(wù)模塊之間聯(lián)系簡(jiǎn)單明確，便于學(xué)生后續(xù)分工合作，同時(shí)通過(guò)一個(gè)實(shí)際解決方案的案例來(lái)介紹如何開展具體的流程圖、電路圖、具體接口和協(xié)議、算法及分析計(jì)算、可執(zhí)行的程序及其代碼編寫的要點(diǎn);第三，基于有限的課時(shí)及課外投入的時(shí)間，強(qiáng)調(diào)此項(xiàng)任務(wù)應(yīng)是分析設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的系統(tǒng)集成，硬件盡量拿現(xiàn)成的拼合起來(lái)，雖然有可能在結(jié)構(gòu)形式上無(wú)法實(shí)現(xiàn)集成，但在功能上要盡量實(shí)現(xiàn)集成，軟件的編寫建議在安卓系統(tǒng)開源代碼基礎(chǔ)上開展;第四，引導(dǎo)學(xué)生要在工作中充分體現(xiàn)協(xié)同、分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)的記錄，學(xué)會(huì)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)處理實(shí)際問(wèn)題的方法、規(guī)律，養(yǎng)成良好的科研習(xí)慣，培養(yǎng)良好的科研作風(fēng)。（2）進(jìn)行分組和過(guò)程答辯。要求學(xué)生進(jìn)行分組和分工，5—8人形成一個(gè)小組，其中1人為組長(zhǎng)，按照課題項(xiàng)目組的方式開展大作業(yè)，其中每人側(cè)重于各自分配的任務(wù)，重點(diǎn)落實(shí)好文獻(xiàn)收集和閱讀。在調(diào)研和總結(jié)的基礎(chǔ)上，首先完成總體方案設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，可以根據(jù)情況，逐次安排在課程中各人進(jìn)行講解和答辯，教師和其他學(xué)生都可進(jìn)行提問(wèn)，教師在其中主要是引導(dǎo)，并不提供結(jié)果方案，只是采用激勵(lì)方法，營(yíng)造一種討論迭代的環(huán)境和氣氛，充分發(fā)揮學(xué)生在其中的主體地位。通過(guò)迭代，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步利用課外時(shí)間完善分析和設(shè)計(jì)，在主要要點(diǎn)指標(biāo)基本滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，大作業(yè)活動(dòng)可以進(jìn)入下一步的采購(gòu)、施工、編程和試驗(yàn)階段，此時(shí)，教師可以提供經(jīng)費(fèi)采購(gòu)部分主要模塊，配合學(xué)生實(shí)現(xiàn)實(shí)際原理樣機(jī)的制作和集成。同樣，其中的進(jìn)展也可逐次安排課程時(shí)間讓各人進(jìn)行講解和答辯。（3）現(xiàn)場(chǎng)部分驗(yàn)證和考核。大作業(yè)可分解為任務(wù)模塊，因此，部分原理及驗(yàn)證性試驗(yàn)可以到學(xué)校磁浮試驗(yàn)線進(jìn)行開展。另外，軟件算法模塊也可利用互聯(lián)網(wǎng)的開源代碼論壇進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。所以，教師可單獨(dú)響應(yīng)各學(xué)生的具體要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)進(jìn)一步指導(dǎo)，使學(xué)生的大作業(yè)能夠進(jìn)一步貼近實(shí)際，大作業(yè)的成果也能進(jìn)一步解決實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)這種方式，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，逐步樹立學(xué)生自主解決問(wèn)題的自信心，為后續(xù)的學(xué)位論文的科研工作奠定良好的基礎(chǔ)。大作業(yè)的考核，根據(jù)活動(dòng)的策劃安排，分為三部分，即提交的研究報(bào)告、課程上的講解答辯和過(guò)程中的協(xié)同、軟硬件的驗(yàn)證性或部分驗(yàn)證性等。綜合三部分的表現(xiàn)，給出具體的考核成績(jī)。

四、結(jié)束語(yǔ)

為了讓學(xué)生更好地掌握自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、理論方法以及相應(yīng)的軟件工具，促進(jìn)學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)和方法的理解，培養(yǎng)和訓(xùn)練綜合能力，提高學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性，緊密結(jié)合重大創(chuàng)新工程項(xiàng)目，設(shè)計(jì)并開展了“一種便攜式中低速磁浮傳感器巡檢裝置”的大作業(yè)。

它直接來(lái)源于學(xué)校重大創(chuàng)新工程項(xiàng)目，若可解決，就能夠直接服務(wù)于商業(yè)運(yùn)營(yíng)線，具有良好的展示度，這對(duì)于激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)造力能夠起到良好的正反饋?zhàn)饔?它具有綜合性、實(shí)踐性以及工程性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)綜合訓(xùn)練學(xué)生，幫助提升處理復(fù)雜問(wèn)題的能力;它同時(shí)還具有多任務(wù)模塊、多學(xué)科專業(yè)之間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作特點(diǎn)，可以培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生的組織協(xié)調(diào)能力，形成良好的團(tuán)隊(duì)精神;它同時(shí)也考慮了可靠性、可維護(hù)性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生逐漸形成有質(zhì)量的研發(fā)和有質(zhì)量的研發(fā)成果意識(shí)能夠起到很好的促進(jìn)作用。

截止到目前，該項(xiàng)大作業(yè)活動(dòng)已經(jīng)連續(xù)開展了三屆，通過(guò)這項(xiàng)活動(dòng)，提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力，“一種便攜式中低速磁浮傳感器巡檢裝置”也形成了發(fā)明專利，目前已經(jīng)進(jìn)入公示階段。

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The Exploration of Leading Great Innovative Engineering Project into Course Work Teaching of Automatic Detection Technology

WU Jun，ZENG Jie-wei，YU Pei-chang

（College of Intelligence Science and Technology，National University of Defense Technology，Hunan，Changsha 410073，China）

Abstract：To improve the multiple ability for engineering graduates，the paper selected and designed the work for course of automatic detection technology，which took advantage of the characteristics of high comprehensive，practical and engineering great innovative engineering project in the university.The main parts of the related teaching procedure were also discussed.To carry on the exercise，the graduates can improve their ability of innovation and self-teaching.And good results were also achieved.

Key words：course work;automatic detection technology;great innovative engineering project;innovation ability

收稿日期：2019-05-22

作者簡(jiǎn)介：吳峻（1973-），男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師;曾杰偉（1989-），男，博士，講師;余佩倡（1988-），男，博士，講師。