“多傳感器信息融合技術(shù)”研究生課程案例庫建設(shè)與教學(xué)實踐

摘 要：案例教學(xué)是推動研究生培養(yǎng)模式改革的重要手段。文章以“多傳感器信息融合技術(shù)”課程作為切入點，在與學(xué)科前沿緊密結(jié)合的基礎(chǔ)上，進行了課程案例庫的建構(gòu)與內(nèi)容設(shè)計，通過在教學(xué)環(huán)節(jié)中復(fù)現(xiàn)實際的工程情境，促進研究生對具體問題進行主動思考和深入分析，進而實現(xiàn)知識和能力的充分融合。實施效果調(diào)查顯示，案例教學(xué)有利于拓寬研究生的科研視野，提升研究生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力。

關(guān)鍵詞：“多傳感器信息融合技術(shù)”課程;案例庫建設(shè);研究生教育

中圖分類號：G643.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2024）10-0051-03

一、引言

多傳感器信息融合是一種對信息多個維度、多個層面的處理過程。在處理過程中，師生可以借助對多源數(shù)據(jù)的融合，得到更加準(zhǔn)確、完備、及時的目標(biāo)狀態(tài)與特性。這一處理過程的工作價值主要落實在對多源數(shù)據(jù)的提取、復(fù)合、相關(guān)、估計和重組等方面，進而得到狀態(tài)、身份、態(tài)勢等一系列完整、及時的評估信息。所融合的信息主要來自于按時序提取的多個傳感器的觀測數(shù)據(jù)。多個傳感器在一定規(guī)則下進行分析、綜合，從而產(chǎn)生更加可靠和準(zhǔn)確的信息，并據(jù)此做出更合理的估計和決策。信息融合的關(guān)鍵理論與技術(shù)是在對各種原始測量數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、關(guān)聯(lián)、決策和融合等各環(huán)節(jié)中所用到的處理方法，而這一方法在工程實踐中有非常廣泛的應(yīng)用[1]。

20世紀(jì)初，哈佛大學(xué)（Harvard University）法學(xué)院率先使用案例教學(xué)法，以實際案例為基礎(chǔ)，讓研究生積極參與案例討論，充分調(diào)動了研究生的主動性，形成了師生間共同學(xué)習(xí)、研究、分析的和諧氛圍，很好地改善了教學(xué)效果[2]。近年來，各國高校紛紛引入此方法，且大多取得了較好的效果[3]。目前，我國高校已在很多學(xué)科的專業(yè)課程教學(xué)中引入了案例教學(xué)法。這一方法的引入，有助于提升人才培養(yǎng)水平，消除理論與實踐的差距，且都取得了較好的效果[4] 。

教育部發(fā)布的《關(guān)于加強專業(yè)學(xué)位研究生案例教學(xué)和聯(lián)合培養(yǎng)基地建設(shè)的意見》指出，進行案例教學(xué)，要以實踐為基礎(chǔ)，緊密聯(lián)系理論，培養(yǎng)研究生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力，并使研究生在這一過程中掌握理論知識，提高工程應(yīng)用能力。在課程教學(xué)過程中開展案例教學(xué)，有利于強化研究生的實踐能力，加大理論與實踐的融合力度，推動培養(yǎng)模式改革?；诖耍岸鄠鞲衅餍畔⑷诤霞夹g(shù)”課程立足新工科建設(shè)背景，與學(xué)科前沿緊密結(jié)合，進行案例庫建設(shè)[5-7]。通過在教學(xué)環(huán)節(jié)中復(fù)現(xiàn)實際的工程情境，促使研究生主動思考和深入分析問題，實現(xiàn)知識和能力的充分融合，拓寬其科研視野，提升其創(chuàng)新能力，為后續(xù)研究的順利進行奠定良好基礎(chǔ)[8]。

二、案例庫建設(shè)的必要性

“多傳感器信息融合技術(shù)”是一門理論性與實踐性很強的課程，是河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院針對研究生開設(shè)的一門重要選修課程，對研究生的理論學(xué)習(xí)和實踐綜合能力要求較高。本課程的教學(xué)目的是通過課程學(xué)習(xí)，使電氣工程、電子信息、控制科學(xué)與工程等多個學(xué)科的研究生能夠深入理解信息融合思想，掌握D-S證據(jù)理論、模糊集理論、貝葉斯方法、粗糙集理論等具有代表性的融合方法及其應(yīng)用實例，并能夠通過信息融合方法解決工程應(yīng)用和項目開發(fā)過程中涉及的信息采集與處理等方面的實際問題。

現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中的信息是多源且復(fù)雜的，而單個傳感器所收集的信息大多是單一且不完備的，在某些特殊情況下還會是錯誤的。同時，不同傳感器的精度參差不齊，收集信息的類別也不盡相同。如果將多個傳感器所收集的信息進行集中處理并統(tǒng)一分析，那么所得結(jié)果往往會比單個傳感器收集的信息更可靠和準(zhǔn)確，從而極大地提高控制過程中的精度。不同的傳感器所提取的信息往往在維度與表現(xiàn)特征等方面存在不同，而信息融合可以獲得單一傳感器無法獲取的特征信息，大大加強系統(tǒng)的抗干擾能力[9]。

在《中國制造2025》中，我國提出開發(fā)能夠自動執(zhí)行、智慧決策的智能制造裝備及生產(chǎn)線，提高生產(chǎn)過程中的智能控制與決策水平，搭建智能制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺等任務(wù)[10]。而這些核心技術(shù)的第一步都要著眼于信息的收集與融合處理，因此，高校需要引導(dǎo)研究生掌握信息融合理論和應(yīng)用技術(shù)，為服務(wù)國家戰(zhàn)略目標(biāo)培養(yǎng)研發(fā)人才?！岸鄠鞲衅餍畔⑷诤霞夹g(shù)”案例庫建設(shè)將信息融合理論和實際相結(jié)合，注重培養(yǎng)研究生解決復(fù)雜工程問題的應(yīng)用實踐能力。

從實際教學(xué)的實施過程來看，傳統(tǒng)教學(xué)多采用教師授課、研究生被動接受的形式，缺少了沉浸感，無法調(diào)動研究生的主觀能動性，教學(xué)效果不佳。“多傳感器信息融合技術(shù)”課程教學(xué)對各種技術(shù)的綜合應(yīng)用較多，存在多學(xué)科交叉、知識相互滲透的情況，且課程內(nèi)容還涉及數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，因此，要求研究生具備一定的高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、計算方法等相關(guān)知識的學(xué)習(xí)背景，而一些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不好的研究生很難掌握深奧的理論知識，很容易在學(xué)習(xí)中遇到困難和挫折，從而喪失學(xué)習(xí)興趣，無法跟上后續(xù)的教學(xué)進程[11]。同時，現(xiàn)有教材大多側(cè)重理論分析與介紹，對實際案例的深入解析較少，使得研究生難以對各種常見的信息處理技術(shù)有比較透徹的認(rèn)識。因此，高校需要在教學(xué)環(huán)節(jié)中增加相應(yīng)的典型案例來幫助研究生學(xué)習(xí)和理解，促使研究生通過對不同案例的模仿和改進，提高對相關(guān)知識掌握的廣度與深度。綜上所述，為了提高課程教學(xué)質(zhì)量，高校需要開展“多傳感器信息融合技術(shù)”課程的案例庫建設(shè)工作[10]。

三、發(fā)展趨勢與建設(shè)方向

根據(jù)融合層次，信息融合分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合。數(shù)據(jù)層融合大多采用加權(quán)平均值、聚類算法、粗糙集理論等方法;特征層融合常采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊集理論等方法;決策層融合常采用D-S證據(jù)理論、貝葉斯方法等算法。

融合算法是信息融合的主要研究內(nèi)容。目前比較流行的融合算法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯方法、D-S證據(jù)理論、模糊集理論等。對以上典型算法的應(yīng)用研究是信息融合領(lǐng)域的主流，占據(jù)重要地位，非常具有代表性。案例的選取既要從研究生的培養(yǎng)目標(biāo)入手，強調(diào)案例對各個主流技術(shù)的覆蓋性和綜合性，又要以解決實際工程問題為導(dǎo)向，考慮案例的真實性、代表性。因此，“多傳感器信息融合技術(shù)”課程教學(xué)應(yīng)選取最具代表性、實用性的案例來啟發(fā)學(xué)生，使學(xué)生結(jié)合案例學(xué)習(xí)理論，在引導(dǎo)研究生理解和掌握理論知識的基礎(chǔ)上，強化對其應(yīng)用實踐能力的培養(yǎng)。案例庫建設(shè)應(yīng)包含問題分析、算法選擇、方案設(shè)計、應(yīng)用訓(xùn)練等多個環(huán)節(jié)，為解決未來工作中的實際問題做好準(zhǔn)備，并達到順利推廣的目的[12]。

四、建設(shè)方案

“多傳感器信息融合技術(shù)”課程的案例庫建設(shè)，既要適應(yīng)產(chǎn)業(yè)要求和時代發(fā)展趨勢，也要突出對基礎(chǔ)理論的應(yīng)用推廣，注重對代表性方法的工程實現(xiàn)。為此，文章從以下5個方面完成案例庫建設(shè)的方案設(shè)計。

（一）D-S證據(jù)理論

知識點：D-S證據(jù)理論基礎(chǔ)、知識表示方法與實現(xiàn)、擴展理論與應(yīng)用。

設(shè)計案例：低壓電器故障電弧報警、電站環(huán)境監(jiān)測、軸承故障診斷等場景的應(yīng)用。

先修課程：“矩陣?yán)碚摗薄案怕逝c數(shù)理分析”“信號處理”。

（二）貝葉斯方法

知識點：貝葉斯理論基礎(chǔ)、知識表示方法與實現(xiàn)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

設(shè)計案例：數(shù)控機床刀具磨損監(jiān)測、智能電表可靠性預(yù)估、輪胎壓力監(jiān)測等場景的應(yīng)用。

先修課程：“矩陣?yán)碚摗薄案怕逝c數(shù)理分析”“信號處理”。

（三）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

知識點：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、知識表示方法與實現(xiàn)、深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用。

設(shè)計案例：發(fā)動機故障診斷、高壓開關(guān)柜監(jiān)測、自動駕駛等場景的應(yīng)用。

先修課程：“矩陣?yán)碚摗薄案怕逝c數(shù)理分析”“圖像處理”。

（四）模糊集理論

知識點：模糊集理論基礎(chǔ)、知識表示方法與實現(xiàn)。

設(shè)計案例：人體步態(tài)識別、人體健康分析、飛行器航跡預(yù)測等場景的應(yīng)用。

先修課程：“矩陣?yán)碚摗薄案怕逝c數(shù)理分析”“模糊數(shù)學(xué)”。

（五）粗糙集理論

知識點：粗糙集理論基礎(chǔ)、知識表示方法與實現(xiàn)。

設(shè)計案例：農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測、無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障診斷、微電網(wǎng)故障診斷等場景的應(yīng)用。

先修課程：“矩陣?yán)碚摗薄案怕逝c數(shù)理分析”“粗糙集合”。

五、建設(shè)過程

文章根據(jù)以上建設(shè)方案，采用理論與實踐并重的指導(dǎo)思想，以研究生的需求為基礎(chǔ)，調(diào)研當(dāng)前的前沿技術(shù)和先進產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方案，緊密結(jié)合“多傳感器信息融合技術(shù)”課程目標(biāo)，將案例庫的建設(shè)過程分為以下6個步驟。

（一）問題調(diào)研

結(jié)合當(dāng)前主流工業(yè)應(yīng)用場景，確定案例庫的建設(shè)目標(biāo)。案例庫建設(shè)的出發(fā)點，首先是工業(yè)現(xiàn)場的需要。高校應(yīng)通過問題調(diào)研，了解目前典型的工業(yè)應(yīng)用場景，從其實際生產(chǎn)過程中挖掘出關(guān)鍵技術(shù)問題，并根據(jù)所選擇的具體傳感器方案，提煉出有代表性的案例，與理論內(nèi)容進行有機結(jié)合。

（二）案例設(shè)計

對所提煉整理出的相關(guān)案例進行內(nèi)容設(shè)計。所設(shè)計內(nèi)容包括：案例說明、案例分析和案例評價。由于同一個應(yīng)用場景往往可以使用不同的信息融合方法，因此，在搜集各種信息融合應(yīng)用案例時，要對案例進行深入詳細(xì)的分析比較，選取在此應(yīng)用場景下最適用的方案。

（三）案例實施

對于案例的實施，首要的應(yīng)是編寫案例庫的使用教程，方便研究生學(xué)習(xí)案例庫的使用方法。在案例庫建設(shè)完成后，研究生要先學(xué)習(xí)使用教程，然后在討論課之前結(jié)合所拿到的案例進行分析研究，并結(jié)合先修的理論課程內(nèi)容，消化吸收具體的信息融合方法，最后在課堂討論環(huán)節(jié)與教師及同學(xué)一起對案例中的任務(wù)要求、方案細(xì)節(jié)、技術(shù)難點等問題進行開放式討論。

（四）效果反饋

為了保證案例的實施效果，教師應(yīng)對反饋信息進行收集，建立多渠道、多階段、實時動態(tài)的反饋機制。課前預(yù)習(xí)、案例發(fā)布、自主分析、知識拓展等各個階段，都為研究生提供了相應(yīng)的線上線下互動方式，促進師生、生生之間的溝通交流，達到共同提高的目的。

（五）案例修訂

根據(jù)所收集到的反饋信息，對案例庫中的內(nèi)容進行更新和完善，去除評價較低的案例，補充完善評價較高的案例，保證案例庫的基本構(gòu)架初步完成。同時，在案例庫的后續(xù)使用過程中，還要定期去除陳舊內(nèi)容，補充新穎案例。所需要的素材可以來自教師的研究，網(wǎng)上傳播的內(nèi)容，研究生搜集的資料，等等。

（六）案例推廣

傳統(tǒng)的教育方式和教學(xué)模式，主要是基于標(biāo)準(zhǔn)教材進行“灌輸式”教學(xué)。要進行案例推廣，可以采用多種措施，如建立在線平臺并上傳教學(xué)案例供研究生使用，利用社交媒體（微信公眾號、微博等）分享案例鏈接和相關(guān)內(nèi)容，舉辦教學(xué)案例競賽，鼓勵教師創(chuàng)作和分享高質(zhì)量案例等。但推廣中仍有很多困難要克服，如案例教學(xué)對教師提出了更高的要求，即教師不僅要具備堅實的理論知識，還要具備一定的工程實踐經(jīng)驗。對于研究生來說，案例教學(xué)要求其在課下完成一定的任務(wù)，但研究生的能力水平不同，主動性也存在差異，進而會影響案例教學(xué)的實際效果。

六、案例庫實踐與效果調(diào)查

河南理工大學(xué)歷來重視提升研究生培養(yǎng)質(zhì)量，通過研究生案例庫建設(shè)計劃，不斷深化研究生教育教學(xué)改革，在支持教師進行教學(xué)改革和人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新等方面不斷探索。

在案例庫建設(shè)過程中，河南理工大學(xué)通過制定和實施校企對接計劃，引導(dǎo)教師積極參與企業(yè)的生產(chǎn)實踐，全面提升教師的工程背景和經(jīng)驗，為案例庫的建設(shè)提供良好的人才基礎(chǔ)。同時，借助學(xué)校優(yōu)勢資源，進一步吸引企業(yè)的研究人員參與到研究生的教學(xué)和科研工作中，不僅使研究生在學(xué)習(xí)過程中能夠接觸產(chǎn)業(yè)發(fā)展實際，深入研究企業(yè)課題，不斷提高自身的能力與水平，還有利于企業(yè)自身的技術(shù)更新與迭代，從而走出了一條產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合的路線。

為驗證案例庫的實施效果，文章針對100名研究生二年級的學(xué)生展開了問卷調(diào)查，以評判案例庫對研究生的學(xué)習(xí)是否有所幫助。調(diào)查問卷主要收集了以下6個問題的回復(fù)。

①是否對學(xué)習(xí)課程理論知識有幫助？

②是否提高對工程應(yīng)用場景的理解？

③是否提高對本領(lǐng)域?qū)W術(shù)前沿的認(rèn)識？

④是否促進了對本課程的自主學(xué)習(xí)？

⑤是否幫助解決了研究中的具體問題？

⑥是否可以作為傳統(tǒng)教學(xué)的有益補充？

調(diào)查結(jié)果顯示，被調(diào)查的研究生對文章設(shè)計并使用的案例庫比較滿意。研究生普遍認(rèn)為，案例庫的使用對推動工程實踐能力的培養(yǎng)有較為明顯的作用。

七、結(jié)束語

文章設(shè)計了“多傳感器信息融合技術(shù)”課程的案例庫建設(shè)與實踐方案。案例庫的建設(shè)與具體的教學(xué)實施，豐富了“多傳感器信息融合技術(shù)”課程的教學(xué)內(nèi)容，改善了教學(xué)效果。引進工程實例能夠強化研究生對知識的理解，促使研究生將理論知識與實際應(yīng)用相結(jié)合，有效加強對研究生工程實踐能力的培養(yǎng)?！岸鄠鞲衅餍畔⑷诤霞夹g(shù)”課程案例庫的建設(shè)能夠幫助研究生開闊眼界，引導(dǎo)研究生進行更加深入的研究與探討。建立這樣一個開放共享的學(xué)習(xí)平臺，能夠?qū)⒏嗟膬?yōu)質(zhì)資源輸送給研究生，充分激發(fā)研究生的學(xué)習(xí)動力，促使研究生在學(xué)習(xí)過程中提高主動參與意識和自主自律能力。

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作者簡介：呂輝，男，副教授，博士，研究方向為信息融合。

基金項目：河南理工大學(xué)研究生課程教學(xué)案例庫建設(shè)項目“多傳感器信息融合技術(shù)案例庫”（2022YAL12）