面向專業學位碩士研究生教育教學改革

陳剛

[摘 要] “現代檢測理論與技術”是一門綜合性課程，其理論性強、應用范圍廣泛。探討了面向專業學位碩士研究生教育的“現代檢測理論與技術”課程教學改革實踐，通過改革傳統教學內容與教學形式，從實用型檢測系統案例出發，將基礎理論與實際系統緊密結合，改善教學效果，強化碩士研究生基礎理論，提高學生實踐、應用及創新能力，培養碩士研究生自主學習、交流討論、協作技術攻關能力，為專業學位碩士研究生的課程改革提供借鑒與參考。

[關鍵詞] 專業學位;現代檢測理論與技術;教學改革;碩士研究生教育

[教改項目] 2018年度重慶大學研究生重點課程建設項目“現代檢測理論與技術”（201805068）

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

[中圖分類號] G642.0 ?[文獻標識碼] 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《關于深入推進專業學位研究生培養模式改革的意見》中指出：“專業學位研究生教育是研究生教育體系的重要組成部分，是培養高層次應用型專門人才的主要途徑。積極發展專業學位研究生教育，是全面建成小康社會、建設創新型國家的必然要求，也是研究生教育服務國家經濟建設和社會發展的必然選擇。”[1]為推進我國專業學位碩士研究生培養模式改革，針對專業學位碩士研究生開設了“現代檢測理論與技術”課程，開展課程建設的改革與實踐。主要針對該課程在傳統教學模式、課程設置等方面存在的不足，建立以典型工程控制問題為背景，將檢測技術和自動化裝置與實際工程問題相結合的開放型教學模式，極大提升了專業學位研究生的實踐能力、應用能力及創新能力。

一、課程建設背景

（一）“現代檢測理論與技術”課程簡介

隨著社會與經濟的日益進步、生產工藝的日益精細化、生產過程的日益復雜化，對自動檢測技術與設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性信號，其檢測技術將會涉及信息論、控制論、隨機過程、濾波理論、人工智能等基礎理論[2]。現代檢測理論與技術在通信、控制、醫療、航空、航海等領域有著范圍廣泛的應用。為了給專業學位碩士研究生的后續學習與工作夯實理論基礎，奠定技術儲備，引導學生學習并熟練掌握現代檢測理論與技術，具有極其重要的現實意義。

（二）課程現狀

受傳統學術型研究生培養模式的影響，以及教學資源與教師資源的限制，在課程體系、教學內容、授課模式等方面不同程度地與學術型研究生培養模式大同小異。因此，存在課堂模式只注重“講”不注重“學”，課堂評價體系單一，以考試成績作為學生的主要評價標準，缺乏實踐環節等問題，造成專業型碩士研究生培養特色不鮮明、不突出，無法在實踐能力、應用能力等方面得到鍛煉和提高，不能很好地滿足未來職業崗位的需求，也不能很好地適應社會發展的需求。因此，我們需要探索新的教學模式和評價體系，以期提高專業型碩士研究生解決問題能力、實踐動手能力、設計開發能力等。

二、課程改革舉措

學術學位和專業學位碩士研究生的區別主要在于培養方式和培養目標的不同。學術型學位碩士研究生偏重理論與研究，培養科研機構的研究人員等學術型研究人才。而專業型學位碩士研究生是以實際應用為導向，重視實踐和應用，培養應用型高層次專門人才。在“現代檢測理論與技術”專業學位碩士研究生課程中，課程基礎理論部分主要涉及檢測系統及其動態特性、隨機過程及工程信號分析、經典檢測與估計理論;課程的重點部分為檢測技術及其應用，主要包含信號調理技術、基于相關理論與譜分析的檢測技術、軟測量技術、微弱信號檢測技術、無線傳感器網絡、故障信號分析等。針對各個專題內容，我們緊扣教學目標，從日常生活、農業、國防、工業等領域中的實際案例出發，提煉出典型的實用型檢測系統案例，結合實際系統進行深入分析，引導學生熟練掌握每一專題的技術應用。同時，要求學生針對教師在案例分析中提出的問題，分組完成相關技術問題的方案設計。學生在課堂上分組匯報小組設計方案;教師將方案匯總對比，總結出各方案的優勢與不足。要求學生上機完成相應檢測系統的仿真測試，進一步完成檢測系統軟硬件的設計與調試。

以軟測量技術專題為例，首先從實際案例出發，例如高爐鐵水中的含硅量、生物發酵罐的菌體濃度、精餾塔的產品組分濃度等，由于技術或經濟原因導致無法通過傳感器進行直接測量。為解決此類問題，從現有技術的角度，進一步分析可行的解決方案。一是采用間接的質量指標控制方案，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，進一步分析現有技術的不足之處：第一種方案存在難以保證最終質量指標的控制精度問題;第二種控制方案存在設備投資大、維護成本高、存在較大的滯后性，影響調節效果。在總結傳統技術方案的基礎上，教師引導學生如何利用現代計算機技術和建模技術，探討新的可行方案。采用啟發式的教學方式，可以調動學生思考的積極性、主動性及創新性。教師在學生提出的一系列方案基礎上，從技術實現的角度，分析其可行性，總結技術設計方案所蘊含的基本設計原理。在此基礎上，我們引入軟測量技術的概念，軟測量技術主要由輔助變量的選擇、數據采集與處理、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;軟測量技術以成熟的傳感器檢測為基礎，以計算機技術為核心，通過軟測量模型運算處理而完成。為進一步理解和掌握軟測量技術，以氣固兩相流中固相質量流量的軟測量、糧情測控系統為案例，具體介紹軟測量的數學描述與結構。同時也對基于工藝機理分析的軟測量方法、回歸分析的軟測量方法、狀態估計的軟測量方法、知識的軟測量方法、參數辨識的軟測量技術進行介紹。在進一步給出軟測量的實現與基本功能模塊（包括實時數據平臺、I/O接口、故障診斷和數據處理、監視和整定）。在完成教學知識點的講解之后，提出新的問題：如何設計基于模糊數學的糧情軟測量系統？課后，學生以小組的形式查閱文獻、討論得出相應的方案。在下一次課堂教學環節中，各小組分別匯報其設計方案。教師對學生的設計方案進行評價，引導學生掌握關于糧情軟測量系統設計的關鍵與注意事項。為提高實踐能力，學生需要在課后完成糧情軟測量系統的仿真測試及軟硬件實現。

實踐環節的引入有助于學生將理論知識與實際應用相結合，更好地掌握課程相關的基礎知識，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習任務，可以培養學生的團隊合作精神，提高協作溝通能力，使學生在未來職業發展中更快適應與他人協同工作，更優秀地完成任務。同時，教師可以通過學生的匯報及應用仿真等環節，全面考查學生的知識獲取能力、實踐應用能力等，豐富傳統的課程評價體系，突出了專業學位碩士研究生培養特色。

三、案例分析

以糧情監測問題為案例[3]，具體闡釋軟測量技術的具體應用，通過探討工程問題驅動型的教學模式，既能實現學生對相關基礎理論的牢固掌握，還能綜合已有的軟硬件系統設計基礎，靈活應用新技術解決新問題。首先，具體給出我們所要解決的問題，即需要實現對糧倉內的糧食是否處于正常狀態進行判斷。在解決問題之前，教師要引導學生，深入剖析問題的本質和特點，這也是解決問題至關重要的一步。教師指出，此問題屬于上節課程內容中所學習到的二元檢測問題。采用對比分析的方式，要讓學生清楚地認識到該問題與二元檢測問題有著本質的不同。針對該問題，教師采用提問的方式，指導學生尋求新的解決方案，可以聚焦學生在課堂中的注意力，引導學生的思維方向。接著，提出下一個問題：糧倉內糧食的狀態與哪些因素有關呢？采用簡短且有效地討論方式，可以進一步活躍學生的思維。通過討論，總結出糧倉內糧食的狀態與溫度、水分、濕度等因素有關。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，糧食的狀態作為主導變量，選用軟測量技術方案來解決該問題。選定初步方案后，接下來就是具體檢測系統的具體實施問題。這就需要學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應用中的一個關鍵點。

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

模糊檢測技術以模糊數學為基礎，基于檢測數據，進行模糊化后，可利用已有的知識、經驗、規則等進行推理判斷。模糊檢測器包括數據處理模塊、信息模糊化模塊、數據庫、知識庫、人機接口、模糊推理、反模糊化、數字量輸出等模塊構成。為了便于學生完成檢測系統的軟硬件設計，我們需要清楚把握各個模塊的具體功能。例如，對于數據處理模塊，要求完成對傳感器數據的處理，如進行濾波處理、提取特征值等;對于模糊化模塊，要求根據模糊化規則和設定的隸屬度函數，將確定性數據量轉化成模糊數據。模糊推理則根據知識庫中的知識和模糊語言規則，基于輸入的模糊量進行推理;反模糊化則將經模糊化推理得到的結果轉化為精確量。在完成初步方案選型后，接下來要求學生完成整個軟測量系統的軟硬件設計，這是培養專業學位碩士研究生動手實踐能力和設計開發能力的一個關鍵環節。

對于本案例，硬件電路設計主要涉及溫度采集電路、濕度采集電路、水分采集電路的設計。傳感器選型關系到整個監控系統的質量，這是設計中的一個重要環節。要對傳感器進行正確選型，這就需要學生熟悉傳感器的分類。例如，對于溫度傳感器，當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，有光學測溫元件、光電高溫元件、輻射測溫、比色測溫等。同時，在進行傳感器選型時，還需考慮傳感器性能要求，如傳感器的準確性、穩定性、靈敏性及其他要求等。根據本案例，學生在設計中選用單總線數字溫度傳感器DS1820。對于糧倉，需要構建一個多點測溫傳感器網絡。DS1820可以提供二進制9位溫度信息，分辨率為0.5度，可在-55攝氏度和+125攝氏度的范圍內測溫。這些性能指標正好符合本案例的基本要求。選用DS1820傳感器，可以設計一種主從監控系統的結構形式。單總線的網絡協議使用傳統的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和DS1820。DS9097一端帶有標準的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，數據傳輸率與主機具有很好的兼容性。數字溫度傳感器具有體積小、網絡化、精度高等優點，可以方便地組成計算機溫度監控系統。濕度變送器用于糧倉內、外大氣濕度測量。濕度傳感器將測量濕度物理量轉換為4～20mA模擬電信號，經過輸出電阻轉換為l～5伏電壓信號送到A/D轉換器中，轉換為數字量。濕度變送器要求測量精度高、測量結果穩定可靠、使用壽命長、具有良好的抗惡劣環境的性能（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行交流放大、整流濾波放大、限幅等信號處理環節。

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。因此，要綜合多點采樣數據，利用濾波技術進行數據處理。典型的濾波處理方法有限幅濾波法、中位值濾波法、算術平均濾波法、遞推平均濾波法、加權遞推平均濾波法。根據多點采集的溫度、濕度、水分數據，選擇采用復合濾波法，從而客觀的反映和預測糧食狀態。在課后，教師要求本學期選擇該專題的小組完成基于模糊邏輯的軟測量系統的設計與調試工作，編寫模糊推理軟件。在軟件編寫中，學生應用神經網絡實現模糊推理。在神經網絡的構造中，選用三層神經網絡結構。用該神經網絡實現從模糊推理，每一條模糊規則都對應一對輸入輸出數據。神經網絡的訓練算法采用快速BP算法。輸出的模糊子集可以用量化空間上的隸屬函數來表示。通過采用上述規則，選取合理的輸入輸出變量的隸屬度函數與隸屬度參數，完成仿真測試。最后要求學生完成整個系統的搭建和實驗測試。通過該案例，全面培養專業學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。

“現代檢測理論與技術”課程具有理論性強、應用范圍廣泛等特點。以專業學位碩士研究生的培養目標為導向，對該課程的教學內容、教學形式進行相應地改革和探索，構建出提高專業型碩士研究生解決工程實際問題能力的培養體系。

參考文獻

[1]教育部，人力資源社會保障部.關于深入推進專業學位研究生培養模式改革的意見[EB/OL].（2013-11-13）[2021-04-02].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A22/moe_826/201311/t20131113_159870.html.

[2]朱麟章，蒙建波.檢測理論及其應用[M].北京：機械工業出版社，1997：1-315.

[3]師黎，邵麗紅，馮冬青，等.基于模糊推理的軟測量對儲糧狀態的預測[J].鄭州工程學院學報，2004（2）：71-74.

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