將重大創新工程項目引入自動檢測技術課程大作業教學的探索

吳峻　曾杰偉　余佩倡

摘要：以培養訓練工科研究生的綜合能力為目標，在自動檢測技術課程的教學中，利用學校重大創新工程項目綜合性、實踐性以及工程性強的特點，在其中選取、策劃、設計了本課程的大作業任務，并闡述了開展大作業教學的主要環節，通過這項活動，提升了學生的創新能力和自主學習能力，取得了良好的效果。

關鍵詞：大作業;自動檢測技術;重大創新工程項目;創新能力

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

隨著我國高?！半p一流”建設的逐步深入開展，創新驅動發展的戰略要求研究生教育更加重視能力和素質培養。如何提高研究生的綜合能力，特別是實踐能力、系統分析能力以及創新能力，是每個高校教師都需要重點思考的問題。在課程教學過程中設置大作業是提升學生解決實際問題能力、調動學生學習積極性的一種重要手段，它既可以發揮教師引導、啟發、激勵、把控教學過程等主導作用，同時又可充分發揮學生的主體地位，在各種實踐性和應用性強的課程中都被廣泛采用。

自動檢測技術是本校檢測技術與自動化裝置專業研究生的核心課程，系統性和實踐性強，它的任務是通過教學，使研究生系統地掌握自動檢測系統所涉及基本結構功能系統設計、信號獲取和處理技術、傳感器技術、抗干擾技術以及虛擬儀器技術，在此基礎上重點突出現代檢測理論和信息處理技術等教學，使他們具有設計自動檢測系統軟硬件的能力，掌握現代檢測理論及其相關算法，具有對檢測技術的發展趨勢進行跟蹤研究及應用的能力。

筆者所在單位長期從事磁浮技術的研發，近年以來，主要承擔了國家“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域的國家科技支撐計劃和國家重點研發計劃項目，特別是承擔了北京中低速磁浮示范線S1線和長沙磁浮工程的建設工作，這些都被列入學校重大創新工程。這些項目具有綜合性強、實戰性強的特點，其中存在大量綜合性的工程問題，它們的解決方案可能涉及多學科知識，需要經過測試、分析、建模、仿真、制造、調試等諸多環節。若將其中部分問題選取設計成為大作業任務，不僅能有目的地培養和訓練學生的綜合能力和實踐能力，強化他們對課程的重要性認識和掌握，提升他們學習與科研的積極性和主動性，同時也可為后續的課題研究任務順利開展奠定良好的基礎。因此，本文探索了在自動檢測技術課程大作業教學中引入重大創新工程項目攻關的做法，闡述其開展的主要環節和特點，通過開展這項活動，取得了良好的效果。

一、重大創新工程項目的特點

學校重大創新工程項目主要包括了國家科技支撐計劃、國家重點研發計劃以及兩條中低速磁浮商業運營線建設中的核心技術攻關項目。這些項目主要以重大公益技術及產業共性技術研究開發與應用示范為重點，結合重大工程建設和重大裝備開發，通過集成創新和引進消化吸收再創新，重點解決涉及全局性、跨行業、跨地區的重大技術問題，突破瓶頸制約，提升產業競爭力，以實現為我國經濟社會協調發展提供強有力的科技支撐。

這些項目的背景是國家迫切需要的重大工程項目，所面臨的大都是重大工程建設和重大裝備開發過程中綜合性的工程問題，若是將其中部分問題轉化為大作業任務，讓學生提前參與到其中，引導他們對作業任務梳理、分解、循序漸進地推進，對增加他們的使命感和責任感、提升他們處理復雜問題的綜合能力、進一步促進學習積極性是很有幫助的。

這些項目還具有多學科專業、多人員、多單位部門之間協作的特點，存在大量的組織協調工作，若是將其中部分問題轉化為大作業任務，讓學生提前參與到其中，對于有意識培養學生的組織協調能力和團隊精神，特別是培養學生的領導力、訓練溝通和協調技巧以及學會調動他人的積極性，是大有益處的。

還有，這些項目由于是直接面對重大工程任務，要求研究成果具有良好的可靠性、可維護性、安全性、經濟性等指標。而由于研究生長期在校園中學習，對有質量的研發和有質量的研發成果方面的理解明顯存在著差距，若是將其中部分問題轉化為大作業任務，讓學生提前參與到其中，對培養學生如何在研究的過程中貫徹有質量的設計和研發活動、初步理解和落實這些質量關聯性的指標，對于他們的成長都極為有利。

二、授課要求及授課對象的特點

研究生課程自動檢測技術主要針對自動檢測系統及自動化裝置領域為主體的理論與技術進行講授，它偏重于系統結構、系統方法以及現代檢測理論和信息處理技術等方面內容，要求通過教學，培養學生具備綜合應用自動檢測理論與技術、設計自動檢測系統以及跟蹤研究相關技術的能力。為了實現上述目標，在課程授課中設置了大作業任務，目的是為了更好地訓練培養學生的創新能力和綜合實踐能力。它在授課教學初期就開始布置，是一綜合性任務，包含傳感器、檢測電路及其處理、微處理器系統以及信息處理算法等，要求學生隨著課程的進展同步開展相關的活動，采取分組團隊形式，在授課過程中穿插安排針對大作業的宣講、討論、答辯、交流等，最后在授課結束時，學生提交以研究報告為主、演示或仿真為輔的作業成果，教師綜合大作業成果及學生在完成大作業過程中的表現來評定成績。

隨著國家高等教育的普及和發展，目前的授課對象出現了一些變化，他們主要由自動化專業和機械工程及其自動化專業的應屆本科畢業學生組成。由于授課的時間定在秋季第一學期，這些研究生剛剛完成了本科畢業設計，具備了一定的綜合運用知識能力，具有較強的利用所學知識實現創新的欲望，但是他們對一些基礎知識的理解還是比較初級，需要通過實踐活動來進一步強化。另一方面，自動檢測技術的主要內容可以分為計算機硬件技術、數字信號處理以及現代控制理論等幾方面，它與并行授課的“數字信號處理”“現代控制工程”以及“數字控制技術”等課程內容有重復，若是不注意教學方法和教學內容，僅是簡單地重復，就會與學生的強烈求知欲發生矛盾，必然無法使學生產生濃厚的興趣，最后也就達不到良好的教學效果。因此，通過縮減上述可能重復的內容的課堂講解，替換為以大作業驅動的面向實際問題提供解決方案的課堂教學引導活動，充分調動學生興趣，以學生為主參與，可以將大作業活動從有限的課時擴展延伸到課外，使學生帶著任務參與教學，提高學生實踐能力。

三、大作業的設計與主要環節

1.大作業的設計。根據前面的分析與考慮，大作業既要綜合實踐性強，又要包含比較全面的知識點和內容，結合學校重大創新工程中北京中低速磁浮示范線S1線建設任務要求，設計大作業任務如下：（1）任務背景：每一列中低速磁浮列車為六輛車編組，每輛車轉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定工作，傳感器的及時、定期檢測維護是必須的，特別是車輛每天回到停車庫時，需要及時測量收集傳感器的外表面溫度、落車間隙以及根據需要結合便攜式故障診斷儀收集傳感器的故障信息，所有這些數據信息同時要與傳感器的編號以及安裝位置對應，收集完畢之后，可以通過無線終端發送到云端，定時收集并統計。由此可見，若是利用人工操作，該項工作需要耗費大量的人力和物力，收集信息時間長、過程煩瑣，因此，可以設計提供一種自動檢測系統解決方案。（2）內容要點：①設計提出一種圖像識別方法，可基于移動智能終端讀取傳感器條形碼編號，并與傳感器安裝在車輛上的位置編號手工輸入方式相結合，完成傳感器的安裝位置與其具體編號自動對應;②設計提出一種基于圖像檢測方法，檢測落車時各傳感器的落車間隙大小，要求能夠適應車庫不同時間光照條件;③設計無線接口協議，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設計提出一種無線檢測傳感器殼體表面最高溫度的方法;⑤設計智能終端與云端之間的數據收集、訪問交互;⑥在前面方案的基礎上，設計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、可維護性、安全性、經濟性等指標在設計任務中的體現;⑧可進行部分試驗，在硬件集成基礎上，編制調試基于安卓軟件及其算法。

2.大作業的主要環節。（1）做好啟發和引導。根據前面的任務，首先開展一次針對中低速磁浮列車的技術講座，同時可以帶領學生到學校的磁浮試驗線現場進行交流;其次，在此基礎上，針對任務內容，與學生一起討論，分析細化任務的要點，比如從需求、功能、指標、系統結構、模塊組成、可行性等方面來分解任務，使其分任務模塊之間聯系簡單明確，便于學生后續分工合作，同時通過一個實際解決方案的案例來介紹如何開展具體的流程圖、電路圖、具體接口和協議、算法及分析計算、可執行的程序及其代碼編寫的要點;第三，基于有限的課時及課外投入的時間，強調此項任務應是分析設計基礎上的系統集成，硬件盡量拿現成的拼合起來，雖然有可能在結構形式上無法實現集成，但在功能上要盡量實現集成，軟件的編寫建議在安卓系統開源代碼基礎上開展;第四，引導學生要在工作中充分體現協同、分析、計算和設計的記錄，學會運用所學知識處理實際問題的方法、規律，養成良好的科研習慣，培養良好的科研作風。（2）進行分組和過程答辯。要求學生進行分組和分工，5—8人形成一個小組，其中1人為組長，按照課題項目組的方式開展大作業，其中每人側重于各自分配的任務，重點落實好文獻收集和閱讀。在調研和總結的基礎上，首先完成總體方案設計，在此基礎上，可以根據情況，逐次安排在課程中各人進行講解和答辯，教師和其他學生都可進行提問，教師在其中主要是引導，并不提供結果方案，只是采用激勵方法，營造一種討論迭代的環境和氣氛，充分發揮學生在其中的主體地位。通過迭代，引導學生進一步利用課外時間完善分析和設計，在主要要點指標基本滿足設計要求的基礎上，大作業活動可以進入下一步的采購、施工、編程和試驗階段，此時，教師可以提供經費采購部分主要模塊，配合學生實現實際原理樣機的制作和集成。同樣，其中的進展也可逐次安排課程時間讓各人進行講解和答辯。（3）現場部分驗證和考核。大作業可分解為任務模塊，因此，部分原理及驗證性試驗可以到學校磁浮試驗線進行開展。另外，軟件算法模塊也可利用互聯網的開源代碼論壇進行試驗驗證。所以，教師可單獨響應各學生的具體要求，結合現場和實際測試結果來進一步指導，使學生的大作業能夠進一步貼近實際，大作業的成果也能進一步解決實際問題。通過這種方式，培養他們發現問題與解決問題的能力，逐步樹立學生自主解決問題的自信心，為后續的學位論文的科研工作奠定良好的基礎。大作業的考核，根據活動的策劃安排，分為三部分，即提交的研究報告、課程上的講解答辯和過程中的協同、軟硬件的驗證性或部分驗證性等。綜合三部分的表現，給出具體的考核成績。

四、結束語

為了讓學生更好地掌握自動檢測系統的體系結構、理論方法以及相應的軟件工具，促進學生對課程理論知識和方法的理解，培養和訓練綜合能力，提高學習的積極性與主動性，緊密結合重大創新工程項目，設計并開展了“一種便攜式中低速磁浮傳感器巡檢裝置”的大作業。

它直接來源于學校重大創新工程項目，若可解決，就能夠直接服務于商業運營線，具有良好的展示度，這對于激發學生的興趣和創造力能夠起到良好的正反饋作用;它具有綜合性、實踐性以及工程性強的特點，可以實現綜合訓練學生，幫助提升處理復雜問題的能力;它同時還具有多任務模塊、多學科專業之間的團隊協作特點，可以培養訓練學生的組織協調能力，形成良好的團隊精神;它同時也考慮了可靠性、可維護性、安全性、經濟性等設計指標及要求，對于培養學生逐漸形成有質量的研發和有質量的研發成果意識能夠起到很好的促進作用。

截止到目前，該項大作業活動已經連續開展了三屆，通過這項活動，提升了學生的創新能力和自主學習能力，“一種便攜式中低速磁浮傳感器巡檢裝置”也形成了發明專利，目前已經進入公示階段。

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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

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