基于复杂工程问题的检测技术与仪表课程教学研究

陈庆

[摘 要]根据传统检测技术与仪表课程教学中存在的一些问题，从培养工科学生“解决复杂工程问题能力”的角度出发，设计了以解决复杂工程问题为导向的检测技术与仪表课程教学方法。结合中国工程教育认证协会对复杂工程问题的界定，从课程体系教学内容设计上提出案例式教学模式。在此模式的基础上总结出课程改革新思路。

[关键词]数据库;复杂工程问题;案例式教学

[基金项目]教育部卓越工程师计划项目电气工程及其自动化;江苏省第二期品牌专业电气工程及其自动化;苏州大学一流本科专业项目电气工程及其自动化;江苏省一流本科专业电气工程及其自动化

[作者简介]陈 庆（1984—），男，江苏泰兴人，硕士，苏州大学机电工程学院讲师，主要从事自动控制研究。

[中图分类号] TP311.13-4[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）47-0-04[收稿日期] 2020-08-21

一、引言

复杂工程问题是工程教育认证持续关注的问题。通过分析工程教育认证通用标准对复杂工程问题的描述不难看出，“复杂工程问题”首先是一个工程问题，由相互关联的子问题构成;其次，具有一定的复杂性，必须运用专业技术才能解决;最后，在解决复杂问题的工程中，会存在一些冲突，需要组织协调技术、工程等方面的矛盾。解决复杂工程问题的方法具有不确定性、多样性。解决复杂工程的问题是一个收益最大与风险最小的优化决策过程。解决复杂工程问题的能力已成为我国高校工科毕业生必须具备的核心能力，也是工科课程教学应追求教学改革成果的体现[1]。

我校电气工程及其自动化专业结合对工程教育认证相关标准，推行了一系列教改措施，并于2017年通过工程教育认证。在准备工程教育认证的过程中，电气工程及其自动化专业对专业课程进行了一系列改革，在改革的过程中特别注重教学环节改革。电气工程自动化专业课程分为专业基础课程和专业核心课程。专业基础课程是学习本专业的基础，例如电路、工程电磁场等。专业核心课程是本专业学习能力的提升，专业核心课程有自动控制原理、PLC原理及应用等。其中在检测技术与仪表课程设计教学环节中，设计了案例式教学模式。检测技术与仪表是一门传统的电气工程及其自动化专业课程，本课程主要讲授检测系统原理、传感器技术原理及测量电路、测量数据收集及处理、误差分析。随着技术进步，在检测技术中引入新材料、新工艺，同时检测技术与仪表课程内容、教学方法也随之不断更新。

二、检测技术与仪表教学要求

传统的检测技术与仪表课程教学内容相对单一，主要分为三个部分：第一，传感器的原理;第二，传感器的基本转换电路;第三，传感器的应用。这三个部分对于学生掌握检测技术与仪表课程的基础知识非常重要，但是相关知识点比较分散、零碎，教学案例相对简单。传统教学模式不能培养学生建立解决自动化领域复杂工程的思想和方法。

苏州大学电气工程及其自动化专业培养适应国家社会经济发展需要的高级技术人才。学生通过检测技术与仪表课程的学习，必须完成以下四个学习目标：

1.掌握自动检测系统组成及各部分作用，培养学生分析系统各部分功能及应用的能力。

2.掌握自动检测系统的数据采集、分析、处理的方法，培养学生对实验数据的分析和处理能力，及其把实验结果和实际应用结果相比较的能力。

3.掌握不同类型传感器的检测原理、信号处理电路，熟悉不同类型传感器的动态特性和静态特性指标，培养学生运用不同类型传感器检测各种被测量的能力。

4.要求掌握几种典型的检测系统的仪表校准方法和测量方法。

通过本课程的学习，学生应该具备扎实检测技术基础知识，掌握各种传感器的原理及应用知识，具有专业前沿视野和创新能力，具有在实际应用中选用传感器测量的能力。根据工程教育认证标准中对学生的毕业要求和专业人才培养目标要求，结合苏州大学电气工程及其自动化专业人才培养的实践，通过检测技术与仪表课程的学习，学生必须达到如下基本要求：

1.工程知识：能够应用传感器、自动控制、电气控制、信号与系统等相关知识解决电气工程及其自动化专业复杂工程问题。

2.问题分析：查阅相关文献，运用所学知识，分析电气工程及其自动化专业复杂工程问题，总结相关结论。

3.设计解决方案：综合运用检测技术相关理论和技术方法，考虑创新、社会效益等方面因素，设计解决电气工程及其自动化复杂工程问题的方案。

4.職业规范：具有良好的职业道德、科学素养和社会责任感，严格履行电气工程师的工作责任。

5.沟通和表达：针对电气工程及其自动化专业的复杂工程问题，能够跨学科背景、跨国界背景下与同行进行有效沟通，体现取人之长，补己之短。

6.终身学习：能够不断地学习本专业的相关新的知识、新技术，具备自主终身学习意识。

教学目标与毕业要求的对应关系如表所示：

三、检测技术与仪表课程的复杂问题分析

检测技术与仪表作为复杂工程问题的载体，将苏州制造业广泛采用的检测技术典型化，并按照OBE的理念重构课程体系，配合系统的、可操作的教学过程，重点突出复杂工程问题“综合、实践与创新”的特点。

选择检测技术与仪表作为本专业复杂工程问题的载体，具有特定的意义：（1）该问题是苏州制造业实际生产过程的典型化：中国是世界工厂，苏州是中国制造的缩影。检测技术在苏州大量的机械、电子、汽车等制造企业应用很广泛，并且在“工业4.0”和“中国制造2025”的时代背景下，工业界对生产过程的智能化和效率提出了更高的要求，迫切需要大量懂得智能制造、绿色制造等领域的专业人才。（2）该问题与本专业的培养目标一致。本专业适应国家经济建设尤其是先进制造业的需求，培养电气工程及其自动化相关领域的高级工程技术人才和管理人才。根据我们对近三年（2013—2015）的毕业生毕业去向的统计分析，本专业70%—80%的毕业生进入各类制造企业，直接服务于各种自动化生产过程，因此迫切需要提高这方面解决复杂工程问题的能力。

检测技术与仪表课程复杂工程问题涉及生产流程分析、控制芯片选型、程序设计、信号系统设计、元器件安装调试等多项工程环节，需要自动控制、电工电子技术、单片机原理等多门学科理论知识支撑。根据工程专业认证标准定义的复杂工程问题应具备的特征要求，此工程问题符合复杂工程问题要求的特征条件（特征1、2、6、7）。

（一）具备复杂工程问题特征1的要求：必须运用深入的工程原理经过分析才可能得到解决。

检测技术与仪表课程要求学生深入掌握所涉及的自动检测系统的各个环节，以及各个环节所涉及的设备或仪器仪表的工程原理，特别是传感器检测被测量的原理，了解相应的先进技术、经济效益，经过深入的复杂工程问题分析，能开展各环节系统设计等工作，解决自动检测系统运行维护问题，所以该问题具备认证标准要求的复杂工程问题的特征1。

（二）具备复杂工程问题特征2的要求：需要涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突

1.综合性方面：自动检测系统涉及传感器技术、气动控制技术、PLC组网技术、系统设计方案、变频器技术、电机驱动和位置控制技术、自动控制技术、组态技术、仪器设备安装调试、系统维护和故障检测技术等多方面的技术。

2.冲突性方面：自动检测系统的工程预算和系统先进性之间;系统灵敏度与响应速度等之间均有冲突。自动检测系统是各环节是互相单独的子系统，子系统之间关联比较密切，整体具有很强的系统性的复杂工程问题，学生不但要学习各个子系统的工作原理，还要掌握各个子系统之间的联系，了解系统性能之间可能存在的冲突。通过对冲突的理解，让学生真实地感受现实工程问题在经济、性能、安全、环境等方面的冲突，让学生明白不是唯技术论，而要综合考虑工程与社会、环节、人文等因素。

（三）具备复杂工程问题特征6的要求：问题相关各方利益不完全一致

自动检测系统的控制精度与控制速度是一对矛盾，为了得到足够的控制精度，可能需要降低一些系统的快速性指标要求。系统各环节是一个子系统，整体具有很强的系统性，各环节和系统之间存在很强的利益矛盾。同时，设备的选型也是一个矛盾，传感器和各种控制芯片的选型都由学生自行决定。自动检测系统的性能和控制成本是另一对矛盾，为了提高系统的控制性能，需要选择性能指标比较高的控制芯片。一般情況下，芯片的性能适合价格成正比，所以系统性能和成本是一对难以调和的矛盾。

（四）具备复杂工程问题特征7的要求：具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题

自动检测系统最大特点是它的综合性和系统性。综合性是指机械技术、电工电子技术、传感器技术、控制技术、接口技术、驱动技术、网络通信技术、触摸屏组态编程等多种技术有机地结合，并综合应用到自动检测系统中。系统性是指传感检测、传输与处理、控制、执行与驱动等机构协调有序地工作，并有机融合在一起。

综上所述，自动检测系统工程问题是一个多学科综合、多技术集成、多工程环节组合的复杂工程问题。

四、检测技术与仪表课程的复杂工程问题教学

教学方式的调整对于复杂工程问题能力教学是非常重要的。例如，理论教学不能照本宣科满堂灌，强调以知识为载体，让学生学习基本概念和基本结论的同时，学会学科方法论的相关内容，并让学生掌握相应的专业技能，形成专业能力。实践教学也需要选择恰当的载体，使学生经历复杂工程（系统）构建，并在构建过程中体现知识、技术、方法的综合应用。在这个过程中具体落实学生解决复杂工程问题能力培养的目标[2]。

在检测技术与仪表课程教学设计中，利用高炉自动检测控制系统这个典型案例，分析了高炉冶炼过程中各种传感器的应用。

高炉是一个竖式的圆筒形炉子，其本体包括炉基、炉壳、炉衬、冷却设备和高炉支柱组成，而高炉内部工作空间又分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸五段。高炉生产除本体外，还包括上料系统、送风系统、煤气除尘系统、渣铁处理系统和喷吹系统。高炉产品包括各种生铁、炉渣、高炉煤气以及炉尘。生铁供炼钢和铸造使用;炉渣可用于制作水泥、绝热、建筑和铺路材料等用途;高炉煤气除了供热风炉做燃料使用外，还可供炼钢、焦炉、烧结点火用等;炉尘回收后可做烧结厂原料用。高炉工作过程中有两个比较重要的参数—温度和压力。这两个参数对高炉的运行状态的影响比较大。

（一）温度

需检测的温度点包括炉顶温度、炉喉温度、炉身温度和炉基温度，并采用多点式自动电子电位差计指示和记录。

1.炉顶温度。它是煤气与料柱作用的最终温度，它说明了煤气热能与化学能利用的程度，在很大程度上能监视下料情况。炉顶温度的测量是利用安装在4个或2个煤气上升管内的热电偶实现的。

2.炉喉温度。它能准确反映煤气流沿炉子周围工作的均匀性。炉喉温度是利用安装在炉喉耐火砖内的热电偶测量的。

（二）差压（压力）

需检测大小料钟间的差压、热风环管与炉顶间的差压及炉顶煤气压力。

目前，大多数高炉都采取高压操作，高压操作时的炉喉煤气压力约为0.5—1.5标准大气压。在高炉工作前半期，料钟的密闭性较好，一般可保持较高压力;而在高炉工作后半期，由于钟料磨损，密闭性变差，炉顶煤气压力要降低一些。

由于炉喉处煤气中含灰尘较多，取压管易堵塞，因此测量煤气压力的取压管安装在除尘器后面、洗涤塔之前。虽然是间接地反映炉喉煤气压力，但比较可靠。调节洗涤塔后面煤气出口处阀门的开度，改变局部阻力的损失，保持炉喉煤气压力为给定数值。

通过分析高炉的自动检测过程，可以帮助学生准确掌握温度传感器、压力变送器、检测仪表、压力调节器的应用以及高炉控制加料的过程。

高炉自动检测控制系统体现了复杂工程问题的特征：（1）该系统涉及了传感器、信号处理、仪器仪表、自动控制等方面的知识。其中，信号处理课程是以高等数学知识为基础，在自动控制领域应用十分广泛。（2）该系统具有较高的综合性。系统设计到了温度检测、压力检测、压力调节器等方面的知识。学生在学习的过程中通过查阅相关资料、文献，可以很好地扩展自己的知识面。

针对培养学生解决复杂工程问题能力的这一核心目标，围绕学生对解决检测技术与仪表关键复杂问题方法的掌握情况，教师在课程结束时对学生解决复杂工程问题的能力进行评定，分为优秀、良、中、及格、不及格五个等级。根据每位同学的评定等级，学生本人和教师对检测技术与仪表课程中解决复杂工程问题能力的培养效果将会有一个清晰的认识。便于进一步有针对性地提升与充实[3]。

五、实施的效果与局限性讨论

（一）实施效果

经过几个教学班级的实施与调整，检测技术与仪表课程案例式教学基本达到预期效果。主要体现在：所有学生都按要求完成课程任务，提交符合课程要求的技术资料，实现了课程要求规定的技术指标;能够计划团队成员的分工、进度、遇到的复杂问题及相应的解决方法。检测技术与仪表课程案例式教学设计的设立，消除了学生对传感器及检测仪器仪表的神秘感，提高学生学习本课程的兴趣，增强学生在自动化专业领域工作的信心，在遇到复杂工程问题时，能够快速全身心投入，开展工作也是事半功倍。

（二）局限性

检测技术与仪表课程局限性主要表现在：

1.高校教师普遍缺少企业实践经验，对复杂工程问题行业背景没有深入了解，教师应加强自身专业素养和工程实践经验，以适应工程教育认证发展需求。

2.学生经过自动控制原理、单片机原理与设计、电气控制与PLC等课程中的案例式教学锻炼，认识到案例式教学在提高个人能力素养的作用。任何课程的复杂工程问题情境设计，必须放在专业课程体系内统筹设计。

六、结语

工程教育认证對复杂工程问题提出了明确要求，工科教育可以基本定位在解决复杂工程问题[4]。文中围绕培养学生解决复杂工程问题的能力，对检测技术与仪表课程涉及高炉自动检测控制系统这一复杂工程问题，进行教学探索。教学实践表明，利用具有复杂工程问题特征的案例进行课堂教学，对培养工科学生解决复杂工程问题的能力具有激励作用。

参考文献

[1]潘钊，侯培国，孟宗，吴希军.基于情境构建培养解决复杂工程问题能力[J].电气电子教学学报，2020，42（3）16-21.

[2]杨毅刚，孟斌，王伟楠.如何破解工程教育中有关“复杂工程问题”的难点—基于企业技术创新视角[J].武汉：高等工程教育研究，2017（2）：72-78.

[3]张丽平，李松，郝晓红，孙冬璞.基于复杂工程问题的数据库系统基础课程教学研究[J].西昌学院学报（自然科学版），2019， 33（4）：102-105.

[4]蒋宗礼.本科工程教育：聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养[J].中国大学教学，2016（11）：27-30.

Abstract： According to some problems in the traditional teaching of Testing Technology and Instrumentation， from the perspective of cultivating engineering students' "ability to solve complex engineering problems"， a teaching method was designed to solve complex engineering problems. Based on the definition of complex engineering problems by China Engineering Education Certification Association， this paper proposes a case teaching model from the perspective of curriculum system teaching content design. On the basis of this model， new ideas of curriculum reform are summarized.

Key words： database; complex engineering problem; case teaching