海水聲速測量系統案例設計及教學實踐

胡梅 周超 瞿智 郭熙業 靳曉艷

[摘? ? ? ? ? ?要]? 測量原理是測控技術與儀器專業的一門學科基礎必修課，通過課程學習，要求學生基于測量學的三大基本問題熟練掌握測量原理的五個基本概念和三個基本操作，深刻理解知識內涵，初步具備測量方法論思維，教學難度極大。為了讓學生更好地理解如何將測量原理知識實際應用，精心設計了海水聲速測量系統教學案例，通過具體問題導入、測量基本原理分析、測量系統設計與實現、測量系統分析與總結四個部分，將課程核心知識點有機串聯，進行了教學實踐，取得了良好的教學效果。

[關? ? 鍵? ?詞]? 測量系統;案例設計;教學實踐

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）31-0041-03

一、案例教學法和測量原理課程特點

隨著我國高校教學改革的不斷深入，案例教學法越來越多地運用到教學實踐中，尤其是理論課程的相關知識點解析教學環節中。案例教學通過實例演示使抽象理論變得直觀易懂，使教學過程更加生動活潑，能夠啟發、引導學生積極思考[1-2]。近年來，案例教學法在教育科研方法、數學、信息光電子學、機器學習、現代數字信號處理、數字電子技術基礎等不同類型的課程[2-7]中均得到了有效運用，取得了良好的教學效果。

測量原理是測控技術與儀器專業的學科基礎課程，是本專業學生學習后續專業課程的基礎知識，是學生進行抽象思維、理論分析與技術設計的學科專業基礎。課程圍繞測量學的三大基本問題：量值的存在性、量值的可測性和量值的確定性問題展開，將測量原理的核心知識點分為兩個方面：基本概念和基本操作[8]。基本概念包括五個名詞：量值、信號、算子、誤差和系統，基本操作包括三個動詞：分析、計算和設計。課程教學目標是要求學生基于測量學的三大基本問題熟練掌握測量原理的五個基本概念和三個基本操作，深刻理解知識內涵，初步具備測量方法論思維。課程主要從“抽象”與“理論”兩個過程傳授知識與技能，教學難度極大。

海水聲速測量問題是一個非常典型的測量問題，具有明確的實用價值[9-10]。為了讓學生更好地理解課程的各重難點知識環節，結合案例教學法優點，精心設計了海水聲速測量系統案例，將測量原理的五個核心關鍵名詞和三個核心關鍵動詞有機串聯，以助于學生深入理解課程內涵。

二、教學案例設計

基于PBL教學法的課堂知識講解：通過《泰坦尼克號》電影中的郵輪撞冰山災難，引出問題：如何探測冰山離郵輪的距離？答案是：速度乘以時間。從而指出，海水中信號傳播速度的測量問題具有明確的實用價值，可為水下智能無人系統載荷設計提供重要的參考參數。

結合測量原理所學知識，回答在海水聲速測量系統設計中，要求的量值是什么？測量信號是什么？可以選擇什么測量算子？測量允許的誤差是多少？測量系統搭建過程中要注意哪些問題？

基于分組研討的實驗思路引導：給定儀器設備（計算機、綜合信號處理模塊、聲速測量實驗平臺）、軟件工具（Matlab、上位機軟件SDDS）和主要器件（發射換能器、接收換能器）實現海水聲速測量系統，實現超聲波在海水中的傳播速度測量，這是一個比較復雜的系統工程，將學生分為三個小組，分別研討理論分析與仿真、實驗系統搭建、信號采集與數據處理三個關鍵實驗環節。

（一）理論分析與仿真小組

計算比較單頻和雙頻發射信號各自的有效性特征，選擇哪一種信號？在Matlab仿真時，如何設置離散間隔，普適性測量算子和匹配濾波器算子如何編程實現？驗收重點是：最終確定發射雙頻超聲波信號，測量算子程序模塊調試通過。

（二）實驗系統搭建小組

綜合信號處理模塊電源如何接線？發射換能器和接收換能器，如何與綜合信號處理模塊上的AD和DA連接？上位機軟件SDDS如何進行初始化設置？如何通過上位機軟件觀測發射信號波形和接收信號波形？驗收重點是：上電不燒電路板，系統能“跑通”。

（三）信號采集與數據處理小組

如何通過上位機軟件SDDS將發射信號進行存儲？在進行接收信號采集時，時間起止是什么？采集的信號存儲到什么地址？如何同時觀測對比實際接收信號和發射信號的時延？驗收重點是：基于理論分析與仿真小組編寫的Matlab程序，完成數據處理，解算測量結果，計算測量誤差。

三、教學實施環節設計

具體的教學實施分為四個環節：現場教學環節、分組研討環節、現場操作環節和總結演講環節。

（一）現場教學環節

梳理“測量原理”的知識脈絡，提出通過海水聲速測量系統設計案例將課程的所有知識點串聯起來;分析案例設計的背景和應用價值，根據給定的儀器設備、軟件工具和主要器件，重點介紹綜合信號處理模塊和聲速測量實驗平臺的組成和功能、上位機軟件SDDS的界面和使用、發射換能器和接收換能器的工作原理。該環節以教師講授為主，學生理解實驗系統設計任務需求，參考實驗指導書閱讀相關的說明文檔。

（二）分組研討環節

將海水聲速測量系統設計問題看成一個系統工程，按照時間先后分為理論分析與仿真小組、實驗系統搭建小組、信號采集與數據處理小組，進行研討確認各自的實施方案。理論分析與仿真小組研討發射信號的頻率設計、測量算子的程序設計;實驗系統搭建小組研討電源選擇、AD和DA轉換、上位機軟件SDDS初始化;信號采集與數據處理小組研討發射信號和接收信號的存儲與提取、量值解算和測量合格性判斷。該環節以學生研討為主，教師根據實際進行思路引導，對各組的研討結論進行評價。