面向?qū)I(yè)學(xué)位碩士研究生教育教學(xué)改革

陳剛

[摘 要] “現(xiàn)代檢測理論與技術(shù)”是一門綜合性課程，其理論性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣泛。探討了面向?qū)I(yè)學(xué)位碩士研究生教育的“現(xiàn)代檢測理論與技術(shù)”課程教學(xué)改革實踐，通過改革傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)形式，從實用型檢測系統(tǒng)案例出發(fā)，將基礎(chǔ)理論與實際系統(tǒng)緊密結(jié)合，改善教學(xué)效果，強(qiáng)化碩士研究生基礎(chǔ)理論，提高學(xué)生實踐、應(yīng)用及創(chuàng)新能力，培養(yǎng)碩士研究生自主學(xué)習(xí)、交流討論、協(xié)作技術(shù)攻關(guān)能力，為專業(yè)學(xué)位碩士研究生的課程改革提供借鑒與參考。

[關(guān)鍵詞] 專業(yè)學(xué)位;現(xiàn)代檢測理論與技術(shù);教學(xué)改革;碩士研究生教育

[教改項目] 2018年度重慶大學(xué)研究生重點課程建設(shè)項目“現(xiàn)代檢測理論與技術(shù)”（201805068）

[作者簡介] 陳 剛（1976—），男，重慶人，博士，重慶大學(xué)自動化學(xué)院教授，主要從事現(xiàn)代檢測理論與技術(shù)教學(xué)與研究。

[中圖分類號] G642.0 ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）19-0037-04 [收稿日期] 2021-05-18

引言

2013年教育部、人力資源社會保障部在《關(guān)于深入推進(jìn)專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)模式改革的意見》中指出：“專業(yè)學(xué)位研究生教育是研究生教育體系的重要組成部分，是培養(yǎng)高層次應(yīng)用型專門人才的主要途徑。積極發(fā)展專業(yè)學(xué)位研究生教育，是全面建成小康社會、建設(shè)創(chuàng)新型國家的必然要求，也是研究生教育服務(wù)國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展的必然選擇。”[1]為推進(jìn)我國專業(yè)學(xué)位碩士研究生培養(yǎng)模式改革，針對專業(yè)學(xué)位碩士研究生開設(shè)了“現(xiàn)代檢測理論與技術(shù)”課程，開展課程建設(shè)的改革與實踐。主要針對該課程在傳統(tǒng)教學(xué)模式、課程設(shè)置等方面存在的不足，建立以典型工程控制問題為背景，將檢測技術(shù)和自動化裝置與實際工程問題相結(jié)合的開放型教學(xué)模式，極大提升了專業(yè)學(xué)位研究生的實踐能力、應(yīng)用能力及創(chuàng)新能力。

一、課程建設(shè)背景

（一）“現(xiàn)代檢測理論與技術(shù)”課程簡介

隨著社會與經(jīng)濟(jì)的日益進(jìn)步、生產(chǎn)工藝的日益精細(xì)化、生產(chǎn)過程的日益復(fù)雜化，對自動檢測技術(shù)與設(shè)備提出了更高的要求。對遭受噪聲干擾甚至淹沒在噪聲中的確定性信號或者隨機(jī)性信號，其檢測技術(shù)將會涉及信息論、控制論、隨機(jī)過程、濾波理論、人工智能等基礎(chǔ)理論[2]。現(xiàn)代檢測理論與技術(shù)在通信、控制、醫(yī)療、航空、航海等領(lǐng)域有著范圍廣泛的應(yīng)用。為了給專業(yè)學(xué)位碩士研究生的后續(xù)學(xué)習(xí)與工作夯實理論基礎(chǔ)，奠定技術(shù)儲備，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)并熟練掌握現(xiàn)代檢測理論與技術(shù)，具有極其重要的現(xiàn)實意義。

（二）課程現(xiàn)狀

受傳統(tǒng)學(xué)術(shù)型研究生培養(yǎng)模式的影響，以及教學(xué)資源與教師資源的限制，在課程體系、教學(xué)內(nèi)容、授課模式等方面不同程度地與學(xué)術(shù)型研究生培養(yǎng)模式大同小異。因此，存在課堂模式只注重“講”不注重“學(xué)”，課堂評價體系單一，以考試成績作為學(xué)生的主要評價標(biāo)準(zhǔn)，缺乏實踐環(huán)節(jié)等問題，造成專業(yè)型碩士研究生培養(yǎng)特色不鮮明、不突出，無法在實踐能力、應(yīng)用能力等方面得到鍛煉和提高，不能很好地滿足未來職業(yè)崗位的需求，也不能很好地適應(yīng)社會發(fā)展的需求。因此，我們需要探索新的教學(xué)模式和評價體系，以期提高專業(yè)型碩士研究生解決問題能力、實踐動手能力、設(shè)計開發(fā)能力等。

二、課程改革舉措

學(xué)術(shù)學(xué)位和專業(yè)學(xué)位碩士研究生的區(qū)別主要在于培養(yǎng)方式和培養(yǎng)目標(biāo)的不同。學(xué)術(shù)型學(xué)位碩士研究生偏重理論與研究，培養(yǎng)科研機(jī)構(gòu)的研究人員等學(xué)術(shù)型研究人才。而專業(yè)型學(xué)位碩士研究生是以實際應(yīng)用為導(dǎo)向，重視實踐和應(yīng)用，培養(yǎng)應(yīng)用型高層次專門人才。在“現(xiàn)代檢測理論與技術(shù)”專業(yè)學(xué)位碩士研究生課程中，課程基礎(chǔ)理論部分主要涉及檢測系統(tǒng)及其動態(tài)特性、隨機(jī)過程及工程信號分析、經(jīng)典檢測與估計理論;課程的重點部分為檢測技術(shù)及其應(yīng)用，主要包含信號調(diào)理技術(shù)、基于相關(guān)理論與譜分析的檢測技術(shù)、軟測量技術(shù)、微弱信號檢測技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、故障信號分析等。針對各個專題內(nèi)容，我們緊扣教學(xué)目標(biāo)，從日常生活、農(nóng)業(yè)、國防、工業(yè)等領(lǐng)域中的實際案例出發(fā)，提煉出典型的實用型檢測系統(tǒng)案例，結(jié)合實際系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，引導(dǎo)學(xué)生熟練掌握每一專題的技術(shù)應(yīng)用。同時，要求學(xué)生針對教師在案例分析中提出的問題，分組完成相關(guān)技術(shù)問題的方案設(shè)計。學(xué)生在課堂上分組匯報小組設(shè)計方案;教師將方案匯總對比，總結(jié)出各方案的優(yōu)勢與不足。要求學(xué)生上機(jī)完成相應(yīng)檢測系統(tǒng)的仿真測試，進(jìn)一步完成檢測系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計與調(diào)試。

以軟測量技術(shù)專題為例，首先從實際案例出發(fā)，例如高爐鐵水中的含硅量、生物發(fā)酵罐的菌體濃度、精餾塔的產(chǎn)品組分濃度等，由于技術(shù)或經(jīng)濟(jì)原因?qū)е聼o法通過傳感器進(jìn)行直接測量。為解決此類問題，從現(xiàn)有技術(shù)的角度，進(jìn)一步分析可行的解決方案。一是采用間接的質(zhì)量指標(biāo)控制方案，例如精餾塔靈敏板溫度控制、溫差控制等;二是采用在線分析儀表控制。接著，進(jìn)一步分析現(xiàn)有技術(shù)的不足之處：第一種方案存在難以保證最終質(zhì)量指標(biāo)的控制精度問題;第二種控制方案存在設(shè)備投資大、維護(hù)成本高、存在較大的滯后性，影響調(diào)節(jié)效果。在總結(jié)傳統(tǒng)技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生如何利用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和建模技術(shù)，探討新的可行方案。采用啟發(fā)式的教學(xué)方式，可以調(diào)動學(xué)生思考的積極性、主動性及創(chuàng)新性。教師在學(xué)生提出的一系列方案基礎(chǔ)上，從技術(shù)實現(xiàn)的角度，分析其可行性，總結(jié)技術(shù)設(shè)計方案所蘊(yùn)含的基本設(shè)計原理。在此基礎(chǔ)上，我們引入軟測量技術(shù)的概念，軟測量技術(shù)主要由輔助變量的選擇、數(shù)據(jù)采集與處理、軟測量模型幾部分組成，是一種估計不可測或難測變量的方法;軟測量技術(shù)以成熟的傳感器檢測為基礎(chǔ)，以計算機(jī)技術(shù)為核心，通過軟測量模型運算處理而完成。為進(jìn)一步理解和掌握軟測量技術(shù)，以氣固兩相流中固相質(zhì)量流量的軟測量、糧情測控系統(tǒng)為案例，具體介紹軟測量的數(shù)學(xué)描述與結(jié)構(gòu)。同時也對基于工藝機(jī)理分析的軟測量方法、回歸分析的軟測量方法、狀態(tài)估計的軟測量方法、知識的軟測量方法、參數(shù)辨識的軟測量技術(shù)進(jìn)行介紹。在進(jìn)一步給出軟測量的實現(xiàn)與基本功能模塊（包括實時數(shù)據(jù)平臺、I/O接口、故障診斷和數(shù)據(jù)處理、監(jiān)視和整定）。在完成教學(xué)知識點的講解之后，提出新的問題：如何設(shè)計基于模糊數(shù)學(xué)的糧情軟測量系統(tǒng)？課后，學(xué)生以小組的形式查閱文獻(xiàn)、討論得出相應(yīng)的方案。在下一次課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，各小組分別匯報其設(shè)計方案。教師對學(xué)生的設(shè)計方案進(jìn)行評價，引導(dǎo)學(xué)生掌握關(guān)于糧情軟測量系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵與注意事項。為提高實踐能力，學(xué)生需要在課后完成糧情軟測量系統(tǒng)的仿真測試及軟硬件實現(xiàn)。

實踐環(huán)節(jié)的引入有助于學(xué)生將理論知識與實際應(yīng)用相結(jié)合，更好地掌握課程相關(guān)的基礎(chǔ)知識，動手能力也能夠得到提高。通過以小組方式完成每一次的專題學(xué)習(xí)任務(wù)，可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神，提高協(xié)作溝通能力，使學(xué)生在未來職業(yè)發(fā)展中更快適應(yīng)與他人協(xié)同工作，更優(yōu)秀地完成任務(wù)。同時，教師可以通過學(xué)生的匯報及應(yīng)用仿真等環(huán)節(jié)，全面考查學(xué)生的知識獲取能力、實踐應(yīng)用能力等，豐富傳統(tǒng)的課程評價體系，突出了專業(yè)學(xué)位碩士研究生培養(yǎng)特色。

三、案例分析

以糧情監(jiān)測問題為案例[3]，具體闡釋軟測量技術(shù)的具體應(yīng)用，通過探討工程問題驅(qū)動型的教學(xué)模式，既能實現(xiàn)學(xué)生對相關(guān)基礎(chǔ)理論的牢固掌握，還能綜合已有的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)，靈活應(yīng)用新技術(shù)解決新問題。首先，具體給出我們所要解決的問題，即需要實現(xiàn)對糧倉內(nèi)的糧食是否處于正常狀態(tài)進(jìn)行判斷。在解決問題之前，教師要引導(dǎo)學(xué)生，深入剖析問題的本質(zhì)和特點，這也是解決問題至關(guān)重要的一步。教師指出，此問題屬于上節(jié)課程內(nèi)容中所學(xué)習(xí)到的二元檢測問題。采用對比分析的方式，要讓學(xué)生清楚地認(rèn)識到該問題與二元檢測問題有著本質(zhì)的不同。針對該問題，教師采用提問的方式，指導(dǎo)學(xué)生尋求新的解決方案，可以聚焦學(xué)生在課堂中的注意力，引導(dǎo)學(xué)生的思維方向。接著，提出下一個問題：糧倉內(nèi)糧食的狀態(tài)與哪些因素有關(guān)呢？采用簡短且有效地討論方式，可以進(jìn)一步活躍學(xué)生的思維。通過討論，總結(jié)出糧倉內(nèi)糧食的狀態(tài)與溫度、水分、濕度等因素有關(guān)。因此，可以選擇空氣的濕度、糧食的溫度、糧食的水分作為輔助變量，糧食的狀態(tài)作為主導(dǎo)變量，選用軟測量技術(shù)方案來解決該問題。選定初步方案后，接下來就是具體檢測系統(tǒng)的具體實施問題。這就需要學(xué)生綜合利用已有的知識解決問題。軟測量模型是軟測量技術(shù)應(yīng)用中的一個關(guān)鍵點。

如何建立糧倉內(nèi)糧食狀態(tài)檢測的軟測量模型呢？這是第二個關(guān)鍵問題。對于該問題，組織學(xué)生進(jìn)行分組討論，形成各組的建模方案，小組之間再進(jìn)行交流討論。典型的軟測量方法有：基于工藝機(jī)理分析方法，即利用物料守恒、能量守恒、化學(xué)反應(yīng)定律、熱力學(xué)等原理，通過對過程的機(jī)理分析，建立軟測量模型，從而實現(xiàn)對主導(dǎo)變量的估計;基于回歸分析方法應(yīng)用相當(dāng)廣泛，該方法常用于線性擬合模型，但需要足夠的樣本數(shù)據(jù)。為了簡化分析、實現(xiàn)系統(tǒng)模型的降維，通常也采用主元回歸分析的方法;基于狀態(tài)估計的方法也是一種典型的方法，該方法將根據(jù)已知的數(shù)據(jù)（輔助狀態(tài)或輸出變量觀測數(shù)據(jù)等）或知識（過程模型、噪聲統(tǒng)計特性等），對過程未知結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、過程參數(shù)進(jìn)行估計;基于知識的方法則是目前發(fā)展最快，影響最大的一種方法，即基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯系統(tǒng)、模式識別、人工智能技術(shù)等，以過程輸入、輸出數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過特征提取、模型訓(xùn)練、模糊推理、專家知識而得到的描述模型。數(shù)學(xué)模型的分類方法有很多，典型的有按參數(shù)的性質(zhì)可分為集中參數(shù)模型和分布參數(shù)模型;按模型的表達(dá)形式可分為參數(shù)模型和非參數(shù)模型;按輸入輸出個數(shù)可分為單輸入、單輸出模型和多輸入、多輸出模型;按參數(shù)與輸入輸出的關(guān)系可分為線性模型和非線性模型;按參數(shù)與時間的關(guān)系可分為定常模型和時變模型;按時間刻度可分為連續(xù)時間模型和離散時間模型;按模型與時間的關(guān)系可分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型;從概率的角度可分為確定性模型和隨機(jī)性模型。根據(jù)綜合分析，最終選擇基于模糊邏輯系統(tǒng)的軟測量模型。

模糊檢測技術(shù)以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，基于檢測數(shù)據(jù)，進(jìn)行模糊化后，可利用已有的知識、經(jīng)驗、規(guī)則等進(jìn)行推理判斷。模糊檢測器包括數(shù)據(jù)處理模塊、信息模糊化模塊、數(shù)據(jù)庫、知識庫、人機(jī)接口、模糊推理、反模糊化、數(shù)字量輸出等模塊構(gòu)成。為了便于學(xué)生完成檢測系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，我們需要清楚把握各個模塊的具體功能。例如，對于數(shù)據(jù)處理模塊，要求完成對傳感器數(shù)據(jù)的處理，如進(jìn)行濾波處理、提取特征值等;對于模糊化模塊，要求根據(jù)模糊化規(guī)則和設(shè)定的隸屬度函數(shù)，將確定性數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)化成模糊數(shù)據(jù)。模糊推理則根據(jù)知識庫中的知識和模糊語言規(guī)則，基于輸入的模糊量進(jìn)行推理;反模糊化則將經(jīng)模糊化推理得到的結(jié)果轉(zhuǎn)化為精確量。在完成初步方案選型后，接下來要求學(xué)生完成整個軟測量系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，這是培養(yǎng)專業(yè)學(xué)位碩士研究生動手實踐能力和設(shè)計開發(fā)能力的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

對于本案例，硬件電路設(shè)計主要涉及溫度采集電路、濕度采集電路、水分采集電路的設(shè)計。傳感器選型關(guān)系到整個監(jiān)控系統(tǒng)的質(zhì)量，這是設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)。要對傳感器進(jìn)行正確選型，這就需要學(xué)生熟悉傳感器的分類。例如，對于溫度傳感器，當(dāng)考慮接觸式測溫元件時，有熱敏電阻測溫、熱電阻測溫、熱電偶測溫等。對于非接觸式測溫元件，有光學(xué)測溫元件、光電高溫元件、輻射測溫、比色測溫等。同時，在進(jìn)行傳感器選型時，還需考慮傳感器性能要求，如傳感器的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、靈敏性及其他要求等。根據(jù)本案例，學(xué)生在設(shè)計中選用單總線數(shù)字溫度傳感器DS1820。對于糧倉，需要構(gòu)建一個多點測溫傳感器網(wǎng)絡(luò)。DS1820可以提供二進(jìn)制9位溫度信息，分辨率為0.5度，可在-55攝氏度和+125攝氏度的范圍內(nèi)測溫。這些性能指標(biāo)正好符合本案例的基本要求。選用DS1820傳感器，可以設(shè)計一種主從監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。單總線的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使用傳統(tǒng)的COMS/TTL邏輯電平，大于2.2V為邏輯1，小于0.8V為邏輯0，供電范圍在2.8～6伏之間。選用DS9097串行口適配器可以直接連接主機(jī)和DS1820。DS9097一端帶有標(biāo)準(zhǔn)的DB-25串行口，另一端是一個DJ-11接口，可以直接連接單總線，DS9097的電源直接由串口提供，無須外接電源。同時，數(shù)據(jù)傳輸率與主機(jī)具有很好的兼容性。數(shù)字溫度傳感器具有體積小、網(wǎng)絡(luò)化、精度高等優(yōu)點，可以方便地組成計算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。濕度變送器用于糧倉內(nèi)、外大氣濕度測量。濕度傳感器將測量濕度物理量轉(zhuǎn)換為4～20mA模擬電信號，經(jīng)過輸出電阻轉(zhuǎn)換為l～5伏電壓信號送到A/D轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。濕度變送器要求測量精度高、測量結(jié)果穩(wěn)定可靠、使用壽命長、具有良好的抗惡劣環(huán)境的性能（如抗粉塵、抗酸等），同時還需要考慮糧食存儲過程中對糧食熏蒸產(chǎn)生磷化氫氣體引起傳感器失效的問題。水分傳感器可采用新型插桿式水分快速測定傳感器。該傳感器能夠通過測量由被測糧食的阻抗所決定的導(dǎo)電電流，快速、間接地測量出糧食的水分含量。插桿式水分傳感器輸出的微安級交流電流信號將進(jìn)行交流放大、整流濾波放大、限幅等信號處理環(huán)節(jié)。

糧倉中的某一點糧食的溫度、水分及空氣濕度，無法全面地反映整個糧倉糧食的實際狀態(tài)。因此，要綜合多點采樣數(shù)據(jù)，利用濾波技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。典型的濾波處理方法有限幅濾波法、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法。根據(jù)多點采集的溫度、濕度、水分?jǐn)?shù)據(jù)，選擇采用復(fù)合濾波法，從而客觀的反映和預(yù)測糧食狀態(tài)。在課后，教師要求本學(xué)期選擇該專題的小組完成基于模糊邏輯的軟測量系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試工作，編寫模糊推理軟件。在軟件編寫中，學(xué)生應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)模糊推理。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造中，選用三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。用該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)從模糊推理，每一條模糊規(guī)則都對應(yīng)一對輸入輸出數(shù)據(jù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練算法采用快速BP算法。輸出的模糊子集可以用量化空間上的隸屬函數(shù)來表示。通過采用上述規(guī)則，選取合理的輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)與隸屬度參數(shù)，完成仿真測試。最后要求學(xué)生完成整個系統(tǒng)的搭建和實驗測試。通過該案例，全面培養(yǎng)專業(yè)學(xué)位碩士研究生分析與解決實際工程問題的能力，以及動手實踐的能力。

“現(xiàn)代檢測理論與技術(shù)”課程具有理論性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣泛等特點。以專業(yè)學(xué)位碩士研究生的培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，對該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式進(jìn)行相應(yīng)地改革和探索，構(gòu)建出提高專業(yè)型碩士研究生解決工程實際問題能力的培養(yǎng)體系。

參考文獻(xiàn)

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Teaching Reform for Professional Degree Postgraduates： Taking the Course of Modern Detection Theory and Technology as an Example

CHEN Gang

（College of Automation， Chongqing University， Chongqing 400044， China）

Abstract： Modern Detection Theory and Technology is a comprehensive course， which is highly theoretical and practical， and is widely used. This paper discusses the teaching reform of Modern Detection Theory and Technology course for professional degree postgraduates. Through the reform of teaching content and teaching model， starting from the practical detection system cases， the author tries to combine the basic theories with the practice system， so as to improve the teaching effect. In addition， the professional degree postgraduates are guided to fully understand the basic theoretical knowledge and skills in order to improve their ability in practical application and cultivate their ability of self-learning， communication， cooperation， and innovation. It provides a reference for the teaching reform for professional degree postgraduates.

Key words： professional degree; Modern Detection Theory and Technology; teaching reform; postgraduate education