圍繞儀器核心特性的測(cè)控儀器設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)*

吳思進(jìn) 孫廣開(kāi) 牛海莎

摘? 要? 測(cè)控儀器設(shè)計(jì)課程是儀器類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心課程之一，其教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)一直面臨諸多困難。分析測(cè)控儀器的核心特性，凝練測(cè)控儀器設(shè)計(jì)課程教學(xué)的核心問(wèn)題，以滿(mǎn)足測(cè)控儀器通用特性和專(zhuān)用特性為脈絡(luò)，構(gòu)建全新的教學(xué)內(nèi)容組織形式，突出可靠性設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)、工程化設(shè)計(jì)等通用特性的重要性，滿(mǎn)足課程高階能力的培養(yǎng)目標(biāo)。新的內(nèi)容、組織、形式旨在能夠較完整地反映測(cè)控儀器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)涵，體現(xiàn)測(cè)控儀器最新發(fā)展并滿(mǎn)足當(dāng)前社會(huì)的實(shí)踐需求。

關(guān)鍵詞? 測(cè)控技術(shù)與儀器；測(cè)控儀器設(shè)計(jì)；核心特性；教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）24-0041-04

0? 引言

測(cè)控儀器設(shè)計(jì)課程是儀器類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心課程，絕大多數(shù)高校的測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)會(huì)開(kāi)設(shè)這門(mén)課程[1]。該課程是支撐專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的重要支點(diǎn)，其教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)性和先進(jìn)性對(duì)培養(yǎng)學(xué)生能力、實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求具有重要意義。該課程目前主流的教學(xué)內(nèi)容一般包括儀器的精度設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)和部件設(shè)計(jì)等，可以稱(chēng)之為三部曲式教學(xué)內(nèi)容形式。

例如：國(guó)家級(jí)規(guī)范教材《測(cè)控儀器設(shè)計(jì)》（機(jī)械工業(yè)出版社）的內(nèi)容包括測(cè)控儀器設(shè)計(jì)概論、儀器精度理論、測(cè)控儀器總體設(shè)計(jì)、精密機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電路與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等六章，其中后三章體現(xiàn)測(cè)控儀器部件設(shè)計(jì)的內(nèi)容[2]；合肥工業(yè)大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)測(cè)控系統(tǒng)與儀器設(shè)計(jì)課程主要講授精度理論、總體設(shè)計(jì)和精密機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容；清華大學(xué)精密儀器專(zhuān)業(yè)光電儀器設(shè)計(jì)課程同樣將授課內(nèi)容分為儀器的總體設(shè)計(jì)和部件設(shè)計(jì)等內(nèi)容[3]；北京信息科技大學(xué)測(cè)控儀器設(shè)計(jì)課程也一直采用同樣的思路來(lái)組織教學(xué)內(nèi)容，將其分為精度理論、總體設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)三部分內(nèi)容，輔以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)[4]。

上述內(nèi)容組織形式結(jié)構(gòu)清晰、重點(diǎn)突出，主要以測(cè)量精度等測(cè)控儀器專(zhuān)用特性為脈絡(luò)來(lái)串聯(lián)教學(xué)內(nèi)容，但對(duì)于測(cè)控儀器通用特性（如可靠性、安全性等）則較少涉及。而且該課程的教學(xué)內(nèi)容與先修課程之間有一定的交叉，容易導(dǎo)致年輕教師難以把握其間的關(guān)系[5]。另一種較為常見(jiàn)的教學(xué)內(nèi)容組織形式則以某特定測(cè)控儀器為平臺(tái)，通過(guò)案例式教學(xué)方法或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法進(jìn)行講解[6-8]。這種方法將抽象的概念實(shí)體化，有助于加深學(xué)生的理解，但也容易割裂知識(shí)內(nèi)在的聯(lián)系，讓學(xué)生陷入“只見(jiàn)樹(shù)木，不見(jiàn)森林”的困境。

本文通過(guò)分析測(cè)控儀器設(shè)計(jì)的內(nèi)涵，提煉測(cè)控儀器設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，提出以核心問(wèn)題為脈絡(luò)的教學(xué)內(nèi)容組織形式，旨在有效梳理測(cè)控儀器設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)在邏輯，使學(xué)生從整體上思考測(cè)控儀器的核心特性，更深層次理解測(cè)控儀器的實(shí)踐需求和發(fā)展趨勢(shì)，以培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)等高階能力。

1? 測(cè)控儀器核心特性分析

測(cè)控儀器的核心特性主要包括精度特性、可靠性、安全性、智能性和經(jīng)濟(jì)性，如圖1所示。其中精度特性是測(cè)控儀器的專(zhuān)用特性，可靠性和安全性屬于質(zhì)量特性，這兩者與智能性和經(jīng)濟(jì)性構(gòu)成測(cè)控儀器的通用特性。

1.1? 精度特性

測(cè)量精度是正確度和精密度的綜合體現(xiàn)，其中正確度反映了系統(tǒng)誤差的大小，而精密度則反映隨機(jī)誤差的大小。只有正確度和精密度都高，才能表示儀器的測(cè)量精度高。測(cè)控儀器的精度是一個(gè)定性的概念，但它可以通過(guò)示值誤差等指標(biāo)來(lái)定量表達(dá)。因?yàn)闇y(cè)控儀器是基于測(cè)量與控制理論而對(duì)物理量實(shí)施測(cè)量的裝置，所以測(cè)量精度是它的核心特性，也是它的專(zhuān)用特性。

1.2? 可靠性

可靠性表征測(cè)控儀器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)和規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力。對(duì)于研制階段的測(cè)控儀器，可以用平均故障間隔時(shí)間來(lái)度量可靠性；而對(duì)于進(jìn)入市場(chǎng)使用階段的測(cè)控儀器，則通常用質(zhì)保期內(nèi)返修率等指標(biāo)來(lái)描述其可靠性。隨著社會(huì)的發(fā)展，測(cè)控儀器的功能和結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，應(yīng)用環(huán)境更加惡劣，使用壽命不斷增長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)周期持續(xù)壓縮，因此，測(cè)控儀器可靠性的重要性越發(fā)突出，成為不可忽視的核心指標(biāo)。尤其是一些特殊領(lǐng)域或特殊應(yīng)用的測(cè)控儀器，比如深空探測(cè)儀器、生命監(jiān)護(hù)儀器、危化品探測(cè)監(jiān)控儀器等，其可靠性的重要性則更加凸顯。

1.3? 安全性

安全性是指測(cè)控儀器的安全裝置符合操作維修安全要求。測(cè)控儀器的安全性包含三層含義：1）測(cè)控儀器在誤操作或者發(fā)生故障的情況下，不會(huì)造成大的破壞；2）在過(guò)載荷情況下，不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞；3）在發(fā)生事故時(shí)也不會(huì)造成大的人身危險(xiǎn)。測(cè)控儀器在社會(huì)和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的重要性日益增加，其安全性就成為越來(lái)越不能忽視的核心特性。尤其對(duì)于直接涉及人身安全的醫(yī)療儀器和涉及重大安全的監(jiān)控儀器，其安全性尤為重要。

1.4? 智能性

智能化是測(cè)控儀器的發(fā)展趨勢(shì)，要求儀器在信息獲取、信息處理和人機(jī)交互等方面越來(lái)越自動(dòng)化，有更好的自適應(yīng)能力，因此，智能性就成為測(cè)控儀器的核心特性之一。尤其是人工智能的蓬勃發(fā)展，賦予測(cè)控儀器智能性新的內(nèi)涵。

1.5? 經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性反映測(cè)控儀器滿(mǎn)足工藝對(duì)儀器性能要求的條件下，儀器的活勞動(dòng)和物化勞動(dòng)的消耗情況。經(jīng)濟(jì)性是設(shè)備的普遍特性，決定了儀器能否在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，也是測(cè)控儀器的核心特性之一。

以上五大特性是測(cè)控儀器的普適特性，能夠在很大程度上表征儀器的質(zhì)量，決定儀器能否具備競(jìng)爭(zhēng)力，因此應(yīng)該全面地描述測(cè)控儀器的上述五大核心特性。

2? 圍繞核心特性的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

測(cè)控儀器設(shè)計(jì)課程的教學(xué)目標(biāo)一般需落實(shí)在培養(yǎng)學(xué)生分析設(shè)計(jì)任務(wù)、提出設(shè)計(jì)方案和評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)果等方面的能力，為此應(yīng)讓學(xué)生從總體上把握測(cè)控儀器的特性，突出核心特性在測(cè)控儀器設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要性，使學(xué)生掌握滿(mǎn)足這些特性的設(shè)計(jì)方法。基于這種考慮，設(shè)計(jì)新型測(cè)控儀器設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容組織形式，以測(cè)控儀器的核心特性為引領(lǐng)來(lái)組織教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)上述內(nèi)容分七個(gè)章節(jié)講授相關(guān)內(nèi)容。除第一章講授緒論和第七章講授綜合設(shè)計(jì)實(shí)例以外，其他五章分別圍繞測(cè)控儀器的五大特性進(jìn)行內(nèi)容組織。

第二章圍繞測(cè)控儀器的精度特性進(jìn)行講授，主要講授誤差分析與精度評(píng)定、精度設(shè)計(jì)、提高精度的原則、工作原理選擇、標(biāo)準(zhǔn)量細(xì)分、補(bǔ)償原理以及干擾因素的克服。其教學(xué)要求主要落實(shí)在使學(xué)生掌握精度設(shè)計(jì)的一般方法和提高測(cè)控儀器精度的若干重要設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)方法。通過(guò)理論與實(shí)例的結(jié)合，使學(xué)生能夠從測(cè)量精度的角度著手，熟悉測(cè)控儀器設(shè)計(jì)的基本概念和一般方法。

第三章圍繞測(cè)控儀器的可靠性進(jìn)行講授，主要內(nèi)容包括可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、可靠性度量方法、可靠性分配和預(yù)計(jì)、可靠性分析與檢驗(yàn)等。可靠性的內(nèi)容過(guò)去一般只在特殊領(lǐng)域的儀器設(shè)計(jì)中才得到重視，但是目前即使在一般測(cè)控儀器中，該特性也屬于不可忽視的核心特性，需要圍繞該特性進(jìn)行測(cè)控儀器的設(shè)計(jì)。需要讓學(xué)生掌握測(cè)控儀器可靠性的基本概念，知道常用的可靠性分配和設(shè)計(jì)方法。

第四章圍繞測(cè)控儀器的安全性進(jìn)行講授，主要內(nèi)容包括儀器的結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)、電氣安全性設(shè)計(jì)、光學(xué)安全性設(shè)計(jì)和軟件安全性設(shè)計(jì)。過(guò)去通常只討論特定種類(lèi)儀器的部件安全性設(shè)計(jì)，比如醫(yī)療儀器的電氣安全性設(shè)計(jì)和光學(xué)儀器的激光安全設(shè)計(jì)等，但鮮有將它們綜合起來(lái)進(jìn)行討論的。本教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)希望能夠使學(xué)生在整體上考慮測(cè)控儀器的安全性特性，掌握安全性的基本概念和常用的安全性設(shè)計(jì)方法。

第五章圍繞測(cè)控儀器的智能性進(jìn)行講授，主要內(nèi)容包括智能儀器處理器、人機(jī)接口技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與自動(dòng)化技術(shù)、自適應(yīng)技術(shù)、虛擬儀器、網(wǎng)絡(luò)化儀器以及深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用。儀器智能性的概念廣泛，尤其是人工智能的快速發(fā)展給儀器智能性帶來(lái)新的內(nèi)涵。本文聚焦測(cè)控儀器的通用智能技術(shù)，組織教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生掌握測(cè)控儀器智能性的基本概念和智能化的基本方法與途徑。

第六章圍繞測(cè)控儀器的經(jīng)濟(jì)性和人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行講授，主要內(nèi)容包括精度匹配原則和經(jīng)濟(jì)原則、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)、人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)和造型設(shè)計(jì)。本章內(nèi)容以概念講授為主，使學(xué)生理解經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)的基本原則。除此以外，擴(kuò)充人機(jī)工程學(xué)和造型設(shè)計(jì)等內(nèi)容，豐富測(cè)控儀器設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

3? 分析與討論

上述教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生分析設(shè)計(jì)任務(wù)、提出設(shè)計(jì)方案和評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)果等方面的能力都具有很好的支撐作用，同時(shí)能夠支撐學(xué)生部分人文精神的培養(yǎng)。

3.1? 分析設(shè)計(jì)任務(wù)能力

分析設(shè)計(jì)任務(wù)能力的培養(yǎng)，主要通過(guò)對(duì)測(cè)控儀器的設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行有效分析，分解設(shè)計(jì)要求，明確測(cè)控儀器設(shè)計(jì)的精度特性、可靠性、安全性、智能性、經(jīng)濟(jì)性和人機(jī)工程學(xué)等基本要求來(lái)支撐。在上述五章教學(xué)內(nèi)容中都涉及對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)和指標(biāo)的分析，比如精度設(shè)計(jì)指標(biāo)、可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)、安全性設(shè)計(jì)任務(wù)等。此外，通過(guò)講授各大特性相應(yīng)的度量和評(píng)價(jià)指標(biāo)，使學(xué)生掌握定量和定性分析的能力。

3.2? 提出設(shè)計(jì)方案能力

提出設(shè)計(jì)方案能力的培養(yǎng)主要落實(shí)在學(xué)生對(duì)基本設(shè)計(jì)方法的掌握和創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的認(rèn)識(shí)上。具體表現(xiàn)在學(xué)生能夠基于測(cè)控儀器不同工作原理、儀器部件的特點(diǎn)，比較不同解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用精度設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)、智能化設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)和人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)等基本方法或創(chuàng)新方法，并結(jié)合測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提出基本滿(mǎn)足技術(shù)要求的測(cè)控儀器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)要方案。圍繞測(cè)控儀器的五大特性，學(xué)生能夠掌握各大特性各自基本的設(shè)計(jì)方法，還具有創(chuàng)新意識(shí)，能夠追求創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。因此，課程教學(xué)首先講授基本和常用的設(shè)計(jì)方法，然后通過(guò)對(duì)一些新型設(shè)計(jì)方法的討論培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。比如在第二章中，首先講授標(biāo)準(zhǔn)量細(xì)分和補(bǔ)償原理等常用的提高測(cè)控儀器測(cè)量精度的設(shè)計(jì)原則與方法，然后結(jié)合特定例子來(lái)討論一些創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法。

3.3? 評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)果能力

對(duì)于評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)果能力的培養(yǎng)主要通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析并評(píng)估與設(shè)計(jì)任務(wù)的偏差來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)要求能夠在評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上提出修改方案，追求創(chuàng)新意識(shí)。具體表現(xiàn)為能夠?qū)y(cè)控儀器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行誤差分析、可靠性分析、安全性分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)任務(wù)，分析存在的問(wèn)題并提出具有可行性的改進(jìn)方案，理解相關(guān)領(lǐng)域未來(lái)技術(shù)發(fā)展對(duì)測(cè)控儀器設(shè)計(jì)方法更新的推動(dòng)作用，具有時(shí)刻學(xué)習(xí)最新理論和技術(shù)的意識(shí)等。通過(guò)課程學(xué)習(xí)，學(xué)生需要掌握常用的評(píng)價(jià)方法，比如通過(guò)誤差分析來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)控儀器的測(cè)量精度，通過(guò)可靠性評(píng)估和檢驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)控儀器的可靠性。評(píng)價(jià)的能力屬于高階能力，要求學(xué)生能夠采用合適的手段來(lái)度量和分析測(cè)控儀器的特性，給出評(píng)價(jià)結(jié)論。所設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容注重對(duì)評(píng)價(jià)能力的培養(yǎng)，尤其通過(guò)結(jié)合項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法[4]來(lái)進(jìn)一步加強(qiáng)該能力的培養(yǎng)。

3.4? 人文精神的培養(yǎng)

除了支撐上述能力的培養(yǎng)外，所設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容也能夠支撐部分人文精神的培養(yǎng)。比如：通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)高端儀器發(fā)展水平與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，激發(fā)學(xué)生投身于測(cè)控儀器研究和發(fā)展的使命感；通過(guò)講授測(cè)控儀器安全性設(shè)計(jì)和人機(jī)工程學(xué)等設(shè)計(jì)思想，體現(xiàn)工程設(shè)計(jì)中的人本精神；通過(guò)講授測(cè)控儀器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以及要求學(xué)生在設(shè)計(jì)報(bào)告中分析現(xiàn)有儀器設(shè)計(jì)方案的不足，提出創(chuàng)新性的儀器設(shè)計(jì)修改方案，提高批判性思維和創(chuàng)新意識(shí)。

4? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析測(cè)控儀器的核心特性，圍繞核心特性組織教學(xué)內(nèi)容，改變目前的三部曲式教學(xué)內(nèi)容形式，目標(biāo)在于讓學(xué)生能夠在整體上把握測(cè)控儀器的核心問(wèn)題，能夠理解現(xiàn)代社會(huì)對(duì)測(cè)控儀器的核心需求，從而對(duì)測(cè)控儀器有更加全面的理解，最終能夠更好地支撐對(duì)分析、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)等能力的培養(yǎng)以及支撐對(duì)人文精神的培養(yǎng)。

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*項(xiàng)目來(lái)源：北京信息科技大學(xué)2021年教學(xué)改革項(xiàng)目“以問(wèn)題為脈絡(luò)的《測(cè)控儀器設(shè)計(jì)》課程教學(xué)內(nèi)容改革”（2021JGYB05）。

作者：吳思進(jìn)，通信作者，北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，副教授，博士，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控儀器設(shè)計(jì)等；孫廣開(kāi)、牛海莎，北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，副教授，博士，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控儀器設(shè)計(jì)等（100192）。