以应用为导向的检测技术与仪表课程教学改革

周 灿，凌玉华，陈致蓬，韩 洁

（中南大学自动化学院，湖南长沙，410083）

引言

检测技术与仪表是自动化学科的重要组成部分之一，掌握面向工程应用的检测与仪表技术并进行综合运用，是引领和衡量社会迈向高度现代化的关键，是工业互联网、智能制造等关键领域发展的基石。随着第三次信息技术浪潮与第四次工业革命历史机遇的到来，高校对新工科人才的培养提出了新的需求。[1-2]如何激发学生的学习兴趣，让学生具备扎实的理论基础知识、工程应用的实践能力以及广阔的专业视野是当前课程改革的主要任务。[3]近年来，针对自动化专业学生的人才培养方案，以应用为导向调整实验内容，将传感器的原理融入过程参数检测中，同时在教学中引入科研案例，引导学生学以致用、研以致用，极大提升了教学过程的成效。

一、教学现状与存在的问题

检测技术与仪表是一门集自动化、电子、计算机、控制工程、信息处理、机械等多种学科、多种技术于一体的工科电气信息类专业重要基础课程。[4-5]其授课内容主要包括：检测系统的基本原理、组成与性能指标，自动检测系统的一般设计原则和提高系统性能的方法，常见物理量（如温度、压力、流量、机械量、物位、成分等参数）的测量方法，传感器网络、软测量等现代检测技术。鉴于检测技术与仪表课程内容复杂抽象、应用广泛的特点，结合教学经验和学生的反馈结果，总结了该课程在教学中广泛存在的一些问题，并有针对性地提出改进方法。

（1）在以往的课程教学中， “传感器” 与 “测量” 两大核心内容的联系不够紧密，理论与应用产生了割裂；而且该课程是测控技术与仪器、自动化、电气工程及其自动化等专业的必修课程，受众广泛，不同专业需要学习的知识有不同的侧重点，而之前面对不同专业学生的教学并未做出有针对性的改变。

（2）我国仪器仪表产业的一系列研究与产业取得了重大进展，在无线化、微型化、集成化、网络化、智能化等方向紧跟国际发展步伐，而老师在进行教学时常常难以将经典知识与前沿技术相结合并将最新的知识教授给学生，在引领学生进行更深一步的思考以及学思结合的深入学习等方面存在差距。

二、理论实践融合

对于自动化专业来说，专业的工程性比较强，知识体系更加侧重于工程应用。[6]在检测技术与仪表课程中，自动化专业的学生需要学习的侧重点在于 “怎么用好，怎么开发自动检测系统” ，而非深究检测原理并进行传感器的设计，这点跟测控技术与仪器专业有着较大的不同之处。因此，根据自动化专业人才培养目标，本文以应用为导向，将检测技术与仪表的课程目标划分为如下四个部分：

（1）设计/开发解决方案：掌握检测系统的基本原理、组成与性能指标，掌握自动检测系统的一般设计原则和提高系统性能的方法，能够根据实际需要进行自动检测系统的设计/开发，能够在设计/开发自动检测系统的过程中考虑社会、安全、健康、法律、文化、环境等多种制约因素。

（2）研究：掌握一些常见物理量（如温度、压力、流量、机械量、物位、成分等参数）的测量方法，能够识别、判断自动化复杂工程问题中涉及检测技术与仪表的关键环节和参数检测问题，能够对自动化领域复杂工程问题中存在的各类物理现象进行观测和分析，并设计实验系统与测试方案，能够根据实验方案，采用软件仿真、实物或半实物等形式搭建实验系统，安全地开展实验研究，正确地采集实验数据，分析和解释实验结果，并通过信息综合得到合理有效的结论。

（3）工程与社会：了解国家宏观经济发展趋势和自动化领域相关的技术标准、知识产权、产业政策和法律法规，理解工程活动受社会文化因素的影响，能够建立检测技术与系统的整体概念，依据检测系统设计方法和仪表选型原则，根据实际系统的功能、性能和使用环境等要求，进行仪表选型、自动检测系统设计。

（4）个人和团队：能够通过分工合作，完成调研任务，具备个人与团队意识，能够在多学科背景下的项目团队中承担个体、团队成员及负责人的角色，具备良好的团队合作精神和执行能力。

依据以上四个主要课程目标，在课程教学内容上做出相应改革，如表1所示。

由于专业课总学时减少，该课程总学时压缩了8 个学时。由表1 所示，改革前共有56 学时（其中实验学时为16），改革后共有48 学时（其中实验学时为16）。在学时压缩的情况下，为了适应新经济的发展、产业的升级、技术的研究、仪器的使用对自动化专业新工科人才的需求，本文将检测技术与仪表课程的相关内容，优化和整合成检测技术与检测系统的基础知识、常用工业参量检测方法、检测领域新技术三个主要组成部分，突出工程应用的重点，形成了一个完整的体系。

检测技术与仪表是一门应用实践性非常强，技术更新非常快的课程。为了保证理论与实践的高度统一性，随着理论内容的变化，实验内容也需要随之做出相应的改变。为了强化自动化专业的应用目标导向，让学生能够依据检测系统设计方法和仪表选型原则，根据实际系统的功能、性能、使用环境和安全等方面的要求，综合应用检测技术与仪表及相关先修课程知识，设计、开发实际需要的自动检测或控制系统；能够对所设计的检测系统进行硬件选型和算法、软件设计，对系统性能进行分析和改进；在学习、讨论和解决检测系统与仪表实际问题的过程中，积累经验知识并培养创新意识，提高发现、分析、解决问题的能力。本文对实验内容做出如下修改：

与自动化专业相关的工程实践中，使用到的检测技术与仪表知识主要涉及仪表的选型，以及温度、压力、流量、物位、力、转速、位移七大非电物理量的检测。由表2 可见，在实验内容的教学中，本文基于工程实践的目的，将原有的实验内容围绕仪表性能、温度、压力、流量、物位、力、转速、位移这八大类别进行重新整理划分，追求贯穿学习到工程实践全过程的学以致用，提高理论内容与实验内容的关联性，建立针对自动化专业的以应用为导向的教学体系。

表2 实验内容改革前后对比表

在位移检测实验中改变传统的全是认知性和验证性实验的结构，采用了设计性实验的方式。由老师提出实验目的以及设计要求，如使用超声波传感器实现液位测量，要求误差在±5 mm以内。学生根据自己之前在课堂上学到的理论知识进行思考，构思测量方案，设计验证实验，自主完成实验，根据实验结果处理和分析实验数据，选择误差补偿方法，独立完成实验报告的撰写。学生可以在整个实验过程中查阅传感器说明书、相关论文，自己动手搭建软硬件环境，编写相关的单片机程序并进行验证，真正地做到学以致用，在实践中得到工程应用能力的锻炼。设计性实验这种开放式的实验教学方式，不仅丰富了实验教学内容的层次性，还突出了学生的主体地位，将抽象的理论融入实例的设计分析当中，易于学生理解。

三、引入科研案例

在检测技术与仪表课程的教学中，由于，技术更新换代的速度非常快，为了教学与实践二者不相互脱轨，因此需要将科研案例中涉及该课程的应用带到课堂上。[7-8]传统的课程讲授方式一般都是先开门见山地讲检测技术涉及的原理和传感器结构，然后是原理的数学推导以及对应的误差分析，最后再以例题作为补充，教学方式死板，学生难以深刻领会学习该门课程的意义。本文对此提出改进方法，即在教学时先抛出一个现实中的工程应用实例，根据实例讲解仪器仪表的作用和使用方法，然后介绍检测原理和定义，最后。到科研案例中去，点明领域前沿的仪器仪表的研发方向有哪些，还存在哪些问题。

以课程内容 “成分分析仪表” 的教学为例，首先介绍工业生产过程中，为了改善废水处理过程和湿法冶炼过程运行优化控制技术，需要使用pH 计进行液体酸度检测的应用背景。接下来讲解pH计的电化学原理以及其测量电极——参比电极的结构，完成总电动势公式的推理过程。最后以我校自动化学院研发的新型pH 检测装置作为科研案例引入，强调自主创新思维的重要性。[10]

这种教学方式以工程应用为引，明确了学生的学习方向；中间的原理与定义部分，则是整个教学的主干支撑；最后的科研前沿，发散学生的创新思维。从工程实践中推导理论，再由推导的理论指导创新实践这种学习方式，体系化程度更高，因此学生的接受度更高，有利于加深学生对理论基础知识的理解，提高学生工程应用的实践能力，而且教学内容相对灵活丰富，不那么抽象化，减少学生对检测仪表和传感器的距离感，提高学生对本课程的学习兴趣，增强学生在该领域进一步深入学习研究的信心。

四、调整考核方式

为了全面综合地评定课程学习成绩，本文采用了多种考核方式，将课堂测试、组队调研与汇报、实验、笔试进行有机结合，如表3 所示。在平时的学习过程中，对动手能力强、能主动分析问题、提出独特见解的学生，可以适当给予平时成绩加分，以鼓励引导学生积极动脑，深入思考，勇于创新。

表3 考核项目与权重

在笔试中，适当加大客观题的比重，以突出对学生发现、分析、解决问题的能力的考核，促进该课程由应试教育到实际应用能力培养的转变。

五、结语

本文就检测技术与仪表课程，开展了以应用为导向的教学模式改革，具体包括实验关联理论、引入科研案例、调整考核方式三大模块，在保证基础知识学习的前提下，重点突出工程实践教学，提高理论内容与实验内容的关联性，同时将前沿科学技术系统地融合进去，开阔学生眼界，做到创新教学。经过实践证明，对激发学生的学习兴趣，培养学生扎实的理论基础知识、工程应用的实践能力以及广阔的专业视野起到了积极的作用。