现代检测技术教学改革研究

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1引言

现代检测技术是指采用当今先进的传感、信息处理、建模与推理等技术实现常规仪表、方法和手段无法直接获取的待测参数的检测。随着现代科学技术的飞速发展，检测技术已经从一般的单参数测量逐渐发展为相关多参数的综合自动检测，在航空航天、国防军事、医疗诊断、环境保护、工业、农业、交通运输等领域发挥着越来越大的作用。现代检测技术课程作为北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院控制科学与工程方向研究生的一门专业课，反映了近十年来信息技术、人工智能算法等在检测系统中的最新应用，对培养研究生运用检测理论、新型传感器及信号分析处理方法解决实际参数测量问题的能力具有十分重要的意义，将为学生在本学科领域从事科研工作奠定基础。研究生课程与本科生课程相比，不仅定位不同，授课对象也存在很大差别。90后的研究生绝大多数为独生子女，自我意识强，团队协作能力和社会责任感偏弱。相对于本科生而言，他们心理成熟、思想独立，知识结构层次多样化，社会阅历丰富，更容易受到就业压力以及社会浮躁大环境的影响。此外，“互联网+”时代对研究生课程的知识获取、教学模式、教学实践和教育平台都产生很大的影响[1]。因此，如何利用研究生课程平台，结合研究生特点，激发学生对所学专业的兴趣，着重培养学生分析问题、解决问题以及创新能力和团队协作精神，是值得深入思考的问题。北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院从现代检测技术课程的课程定位、教学内容与实施、教学方法、教学资源等多方面进行探索和尝试，经过几年的积累，获得良好的课堂教学效果。

2课程定位与教学目标

一门研究生课程要有明确的课程定位，课程特色要突出，即“检测专业特色+航空航天特色”并重，既要夯实专业基础，又要及时把握学科前沿，具有一定的国际视野。简言之，检测技术是为了获取信息，获取信息的流程包括传感器—信号调理—信号采集—信号处理—信号显示—信号输出等环节。本课程开设之前，由于院系拆分等历史原因，检测专业的研究生课程体系不够完善，缺乏传感器以及多传感器信息融合的相关课程内容。因此，本课程的授课内容主要集中于“传感器”“信号调理”“信号采集”和“信号处理”四部分，作为学院其他检测专业课程的有效补充，以便为学生提供一个完整的信息获取知识体系和架构。课程内容每年更新，着力把握检测技术前沿，将最新的技术发展趋势引入课堂，开阔学生的眼界和视野，培养学生对本专业的兴趣和探索精神。而本课程的教学目标是要求学生具有正确、合理地选择常用传感器和检测方法，分析、设计检测系统的能力，并为深入学习其他专业方向课程奠定良好的基础。一门课程的教学效果不仅仅依赖于课程定位，还与教师自身定位密不可分。本课程有明确的教师定位，授课教师具有很好的亲和力，与学生保持良好的师生关系，用激情和感染力影响学生，努力认识每一位学生，充分利用积极心理学，鼓励学生勇于表达自己的观点，让每一位学生参与课程的教学和讨论。

3教学内容与实施

课程的教学内容包括六部分：绪论、现代检测系统的基础知识、先进传感器技术、多传感器信息融合、微弱信号检测和软测量技术。1）绪论主要介绍课程教学安排，以及检测技术的地位和作用、检测系统的组成与分类、检测技术的发展趋势和最新引用，介绍一些国家重大型号中典型的检测案例。2）现代检测系统的基础知识主要讲解检测系统的基础和学生容易混淆的内容，包括不确定度应用、有效数字、检测系统动静态特性等内容，作为本科生到研究生课程的有效过渡，同时为本科不是自动化专业的学生奠定后续顺利学习专业课的基础。3）先进传感器技术主要介绍机器人传感器、光纤传感器、生物传感器和模糊传感器四部分内容：机器人传感器以学生熟悉的应用引出多种类型的传感器；光纤传感器和生物传感器是近十年发展迅速的两类传感器；而模糊传感器是一种特殊的非传统、将模糊数学引入测量领域；用自然语言符号代替数值测量的传感器。这样安排有利于学生构建全面的知识结构。4）多传感器信息融合主要介绍多传感器信息融合的基础知识和常用的融合算法，包括基于Bayes估计的多传感器信息融合、基于D-S证据理论的多传感器信息融合和基于神经网络的多传感器信息融合。5）微弱信号检测主要介绍微弱信号检测的基础、常见噪声类别及特点、常用微弱信号检测方法，重点讲解锁定放大器等方法。6）软测量技术主要介绍软测量需求和基本概念、设计步骤，包括辅助变量的选取、测量数据的处理、软测量模型的建立、在线校正、软测量的工业应用等方面。讲解完教学大纲要求内容后，布置课程设计作业，同时进行总复习。课程的教学方式灵活多样，倡导开放式课堂教学，在满足课程教学大纲要求的前提下，不唯教材所束缚，将本领域最先进的技术前沿信息补充到课堂教学中，推行课堂讨论、中英文论文阅读指导等启发式、研讨式和案例式教学方法，努力营造一个轻松、开放的教学环境，营造互动互惠的教学氛围，鼓励学生提问和相互讨论，引导学生积极思考，激发学生自主学习和探究知识的动机，增强学生参与课堂教学内容的积极性和自觉性。同时，通过布置不同的设计作业，鼓励学生从设计需求出发，把握设计的核心问题，勇于探索和创新，培养分析和解决实际问题的能力。授课形式多样化，注重与学生间的互动，除了多媒体课件+板书+视频资料播放外，还尝试部分内容（如机器人传感器）采用英文课件，将国内外与课程内容紧密相关的研究成果引入课件和课堂中；并根据每章节的内容查找很多符合主题的中英文期刊文章，课上提纲挈领讲解，要求学生课外阅读，增大学生课外阅读量，提高其对专业知识的理解力和领悟力，并在设计报告中考核其课外阅读效果。还有部分内容如检测技术基础知识，课上主要讲解学生容易混淆内容，余下内容供少数本科没有检测基础的学生课下自学。为了客观评价学生的学习能力和学习效果，并且鼓励学生积极思考和大胆创新，课程考核并非“一考定终身”，而是采用多元化的评价体系，考查学生的基础知识，分析问题、解决问题以及学以致用的能力，鼓励学生大胆创新。课程考核和评价分为三方面。1）平日出勤及讨论参与情况。课程上有很多互动讨论环节，根据学生参与互动积极性和思维活跃度等方面综合评判。2）随机安排3～4次随堂测试。3）课程设计报告。为了大力培养学生具有创新思维的研究能力，课程采用考查方式，即每年设定三个题目，要求学生完成设计需求，采用MATLAB或者Python等语言编程实现并且撰写设计报告提交，同时提交设计源代码。课程设计作业源于学生的生活，以激励学生思考和解决身边的检测问题，鼓励学生大胆创新。学生参与热情很高，课程设计报告总体完成质量好。此外，部分有难度的题目尝试采用合作形式完成，要求学生明确标注设计分工，旨在培养学生相互沟通、相互协作的精神和能力，并通过每一届学生不同题目设计报告的积累，逐步建立设计报告资源库，以启发下一届学生的设计思维。部分课程设计报告题目（每年布置三个题目供学生选择，题目每年更新）：基于多传感器信息融合的飞行目标识别；道路车辆的车型分类设计；学生听课认真的综合评估方法设计；老师讲课认真的综合评估方法设计；红外传感器多源数据融合方法设计；情绪模糊传感器的设计。为了锻炼学生之间的沟通能力和协作能力，部分设计题目尝试两人合作完成，要求合作小组标注清楚设计分工。合作尝试很成功，设计作业的深度和完成质量明显优于往年，学生将所学的知识做到融会贯通，设计并编程实现设计报告的设计需求，圆满完成预期的教学目标。对于学生提交的设计报告，任课教师逐份认真评审，并将设计报告的评语反馈给每一个学生。

4立体化教学资源建设

在课程涉及内容理论知识基础上，不断补充最新的工程案例、研究热点和发展趋势，经过不断积累，课程教学资源日渐丰富。

作者：杨波，北京航空航天大学，教授，研究方向为检测技术与自动化装置；闫蓓、于劲松，北京航空航天大学系副主任，副教授，   研究方向为检测技术与自动化装置；刘颖异，北京航空航天大学，讲师，研究方向为检测技术与自动化装置（100191）。