将重大创新工程项目引入自动检测技术课程大作业教学的探索

吴峻　曾杰伟　余佩倡

摘要：以培养训练工科研究生的综合能力为目标，在自动检测技术课程的教学中，利用学校重大创新工程项目综合性、实践性以及工程性强的特点，在其中选取、策划、设计了本课程的大作业任务，并阐述了开展大作业教学的主要环节，通过这项活动，提升了学生的创新能力和自主学习能力，取得了良好的效果。

关键词：大作业;自动检测技术;重大创新工程项目;创新能力

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）16-0001-03

随着我国高校“双一流”建设的逐步深入开展，创新驱动发展的战略要求研究生教育更加重视能力和素质培养。如何提高研究生的综合能力，特别是实践能力、系统分析能力以及创新能力，是每个高校教师都需要重点思考的问题。在课程教学过程中设置大作业是提升学生解决实际问题能力、调动学生学习积极性的一种重要手段，它既可以发挥教师引导、启发、激励、把控教学过程等主导作用，同时又可充分发挥学生的主体地位，在各种实践性和应用性强的课程中都被广泛采用。

自动检测技术是本校检测技术与自动化装置专业研究生的核心课程，系统性和实践性强，它的任务是通过教学，使研究生系统地掌握自动检测系统所涉及基本结构功能系统设计、信号获取和处理技术、传感器技术、抗干扰技术以及虚拟仪器技术，在此基础上重点突出现代检测理论和信息处理技术等教学，使他们具有设计自动检测系统软硬件的能力，掌握现代检测理论及其相关算法，具有对检测技术的发展趋势进行跟踪研究及应用的能力。

笔者所在单位长期从事磁浮技术的研发，近年以来，主要承担了国家“十一五”“十二五”“十三五”在中低速磁浮列车和高速磁浮列车领域的国家科技支撑计划和国家重点研发计划项目，特别是承担了北京中低速磁浮示范线S1线和长沙磁浮工程的建设工作，这些都被列入学校重大创新工程。这些项目具有综合性强、实战性强的特点，其中存在大量综合性的工程问题，它们的解决方案可能涉及多学科知识，需要经过测试、分析、建模、仿真、制造、调试等诸多环节。若将其中部分问题选取设计成为大作业任务，不仅能有目的地培养和训练学生的综合能力和实践能力，强化他们对课程的重要性认识和掌握，提升他们学习与科研的积极性和主动性，同时也可为后续的课题研究任务顺利开展奠定良好的基础。因此，本文探索了在自动检测技术课程大作业教学中引入重大创新工程项目攻关的做法，阐述其开展的主要环节和特点，通过开展这项活动，取得了良好的效果。

一、重大创新工程项目的特点

学校重大创新工程项目主要包括了国家科技支撑计划、国家重点研发计划以及两条中低速磁浮商业运营线建设中的核心技術攻关项目。这些项目主要以重大公益技术及产业共性技术研究开发与应用示范为重点，结合重大工程建设和重大装备开发，通过集成创新和引进消化吸收再创新，重点解决涉及全局性、跨行业、跨地区的重大技术问题，突破瓶颈制约，提升产业竞争力，以实现为我国经济社会协调发展提供强有力的科技支撑。

这些项目的背景是国家迫切需要的重大工程项目，所面临的大都是重大工程建设和重大装备开发过程中综合性的工程问题，若是将其中部分问题转化为大作业任务，让学生提前参与到其中，引导他们对作业任务梳理、分解、循序渐进地推进，对增加他们的使命感和责任感、提升他们处理复杂问题的综合能力、进一步促进学习积极性是很有帮助的。

这些项目还具有多学科专业、多人员、多单位部门之间协作的特点，存在大量的组织协调工作，若是将其中部分问题转化为大作业任务，让学生提前参与到其中，对于有意识培养学生的组织协调能力和团队精神，特别是培养学生的领导力、训练沟通和协调技巧以及学会调动他人的积极性，是大有益处的。

还有，这些项目由于是直接面对重大工程任务，要求研究成果具有良好的可靠性、可维护性、安全性、经济性等指标。而由于研究生长期在校园中学习，对有质量的研发和有质量的研发成果方面的理解明显存在着差距，若是将其中部分问题转化为大作业任务，让学生提前参与到其中，对培养学生如何在研究的过程中贯彻有质量的设计和研发活动、初步理解和落实这些质量关联性的指标，对于他们的成长都极为有利。

二、授课要求及授课对象的特点

研究生课程自动检测技术主要针对自动检测系统及自动化装置领域为主体的理论与技术进行讲授，它偏重于系统结构、系统方法以及现代检测理论和信息处理技术等方面内容，要求通过教学，培养学生具备综合应用自动检测理论与技术、设计自动检测系统以及跟踪研究相关技术的能力。为了实现上述目标，在课程授课中设置了大作业任务，目的是为了更好地训练培养学生的创新能力和综合实践能力。它在授课教学初期就开始布置，是一综合性任务，包含传感器、检测电路及其处理、微处理器系统以及信息处理算法等，要求学生随着课程的进展同步开展相关的活动，采取分组团队形式，在授课过程中穿插安排针对大作业的宣讲、讨论、答辩、交流等，最后在授课结束时，学生提交以研究报告为主、演示或仿真为辅的作业成果，教师综合大作业成果及学生在完成大作业过程中的表现来评定成绩。

随着国家高等教育的普及和发展，目前的授课对象出现了一些变化，他们主要由自动化专业和机械工程及其自动化专业的应届本科毕业学生组成。由于授课的时间定在秋季第一学期，这些研究生刚刚完成了本科毕业设计，具备了一定的综合运用知识能力，具有较强的利用所学知识实现创新的欲望，但是他们对一些基础知识的理解还是比较初级，需要通过实践活动来进一步强化。另一方面，自动检测技术的主要内容可以分为计算机硬件技术、数字信号处理以及现代控制理论等几方面，它与并行授课的“数字信号处理”“现代控制工程”以及“数字控制技术”等课程内容有重复，若是不注意教学方法和教学内容，仅是简单地重复，就会与学生的强烈求知欲发生矛盾，必然无法使学生产生浓厚的兴趣，最后也就达不到良好的教学效果。因此，通过缩减上述可能重复的内容的课堂讲解，替换为以大作业驱动的面向实际问题提供解决方案的课堂教学引导活动，充分调动学生兴趣，以学生为主参与，可以将大作业活动从有限的课时扩展延伸到课外，使学生带着任务参与教学，提高学生实践能力。

三、大作业的设计与主要环节

1.大作业的设计。根据前面的分析与考虑，大作业既要综合实践性强，又要包含比较全面的知识点和内容，结合学校重大创新工程中北京中低速磁浮示范线S1线建设任务要求，设计大作业任务如下：（1）任务背景：每一列中低速磁浮列车为六辆车编组，每辆车转向架的托臂底部共安装有20只悬浮间隙传感器，即一列车共有120只传感器。为了保证车辆的正常稳定工作，传感器的及时、定期检测维护是必须的，特别是车辆每天回到停车库时，需要及时测量收集传感器的外表面温度、落车间隙以及根据需要结合便携式故障诊断仪收集传感器的故障信息，所有这些数据信息同时要与传感器的编号以及安装位置对应，收集完毕之后，可以通过无线终端发送到云端，定时收集并统计。由此可见，若是利用人工操作，该项工作需要耗费大量的人力和物力，收集信息时间长、过程烦琐，因此，可以设计提供一种自动检测系统解决方案。（2）内容要点：①设计提出一种图像识别方法，可基于移动智能终端读取传感器条形码编号，并与传感器安装在车辆上的位置编号手工输入方式相结合，完成传感器的安装位置与其具体编号自动对应;②设计提出一种基于图像检测方法，检测落车时各传感器的落车间隙大小，要求能够适应车库不同时间光照条件;③设计无线接口协议，与便携式传感器故障诊断仪配合，接收需要待诊断传感器的故障信息;④设计提出一种无线检测传感器壳体表面最高温度的方法;⑤设计智能终端与云端之间的数据收集、访问交互;⑥在前面方案的基础上，设计完成一种便携式中低速磁浮传感器巡检装置的方案;⑦要重视可靠性、可维护性、安全性、经济性等指标在设计任务中的体现;⑧可进行部分试验，在硬件集成基础上，编制调试基于安卓软件及其算法。

2.大作业的主要环节。（1）做好启发和引导。根据前面的任务，首先开展一次针对中低速磁浮列车的技术讲座，同时可以带领学生到学校的磁浮试验线现场进行交流;其次，在此基础上，针对任务内容，与学生一起讨论，分析细化任务的要点，比如从需求、功能、指标、系统结构、模块组成、可行性等方面来分解任务，使其分任务模块之间联系简单明确，便于学生后续分工合作，同时通过一个实际解决方案的案例来介绍如何开展具体的流程图、电路图、具体接口和协议、算法及分析计算、可执行的程序及其代码编写的要点;第三，基于有限的课时及课外投入的时间，强调此项任务应是分析设计基础上的系统集成，硬件尽量拿现成的拼合起来，虽然有可能在结构形式上无法实现集成，但在功能上要尽量实现集成，软件的编写建议在安卓系统开源代码基础上开展;第四，引导学生要在工作中充分体现协同、分析、计算和设计的记录，学会运用所学知识处理实际问题的方法、规律，养成良好的科研习惯，培养良好的科研作风。（2）进行分组和过程答辩。要求学生进行分组和分工，5—8人形成一个小组，其中1人为组长，按照课题项目组的方式开展大作业，其中每人侧重于各自分配的任务，重点落实好文献收集和阅读。在调研和总结的基础上，首先完成总体方案设计，在此基础上，可以根据情况，逐次安排在课程中各人进行讲解和答辩，教师和其他学生都可进行提问，教师在其中主要是引导，并不提供结果方案，只是采用激励方法，营造一种讨论迭代的环境和气氛，充分发挥学生在其中的主体地位。通过迭代，引导学生进一步利用课外时间完善分析和设计，在主要要点指标基本满足设计要求的基础上，大作业活动可以进入下一步的采购、施工、编程和试验阶段，此时，教师可以提供经费采购部分主要模块，配合学生实现实际原理样机的制作和集成。同样，其中的进展也可逐次安排课程时间让各人进行讲解和答辩。（3）现场部分验证和考核。大作业可分解为任务模块，因此，部分原理及验证性试验可以到学校磁浮试验线进行开展。另外，软件算法模块也可利用互联网的开源代码论坛进行试验验证。所以，教师可单独响应各学生的具体要求，结合现场和实际测试结果来进一步指导，使学生的大作业能够进一步贴近实际，大作業的成果也能进一步解决实际问题。通过这种方式，培养他们发现问题与解决问题的能力，逐步树立学生自主解决问题的自信心，为后续的学位论文的科研工作奠定良好的基础。大作业的考核，根据活动的策划安排，分为三部分，即提交的研究报告、课程上的讲解答辩和过程中的协同、软硬件的验证性或部分验证性等。综合三部分的表现，给出具体的考核成绩。

四、结束语

为了让学生更好地掌握自动检测系统的体系结构、理论方法以及相应的软件工具，促进学生对课程理论知识和方法的理解，培养和训练综合能力，提高学习的积极性与主动性，紧密结合重大创新工程项目，设计并开展了“一种便携式中低速磁浮传感器巡检装置”的大作业。

它直接来源于学校重大创新工程项目，若可解决，就能够直接服务于商业运营线，具有良好的展示度，这对于激发学生的兴趣和创造力能够起到良好的正反馈作用;它具有综合性、实践性以及工程性强的特点，可以实现综合训练学生，帮助提升处理复杂问题的能力;它同时还具有多任务模块、多学科专业之间的团队协作特点，可以培养训练学生的组织协调能力，形成良好的团队精神;它同时也考虑了可靠性、可维护性、安全性、经济性等设计指标及要求，对于培养学生逐渐形成有质量的研发和有质量的研发成果意识能够起到很好的促进作用。

截止到目前，该项大作业活动已经连续开展了三届，通过这项活动，提升了学生的创新能力和自主学习能力，“一种便携式中低速磁浮传感器巡检装置”也形成了发明专利，目前已经进入公示阶段。

参考文献：

[1]马爽，杨旭，徐梦蕾.“双一流”背景下创新创业人才培养与学风建设探究[J].教育教学论坛，2019，（17）：1-2.

[2]孙维，马永红.“双一流”建设背景下拔尖创新人才培养模式——源于跨学科博士生团队培养的思考[J].中国电化教育，2019，（04）：63-69.

[3]于潭，胡松，魏永亮.基于“大作业”+“全过程”的任务驱动-翻转课堂课程考核评价方法探究——以“海洋数据处理与可视化”为例[J].教育教学论坛，2019，（10）：146-149.

[4]白玉.互聯网+教育背景下工科专业课程教学方法改革探索[J].教育教学论坛，2019，（08）：116-118.

[5]李跃峰，潘旭东，王广林，王慧峰，王玉魁，郭永丰.“机械工程测试技术基础”大作业考核方式的探索与实践[J].机械设计，2018，35（S2）：26-28.

[6]郑奕.研究型课程大作业在《数据分析》课程教学中的设计与实践[J].高教论坛，2016，（10）：31-34.

[7]吴峻，周小青.以重大创新工程项目为平台培养工科研究生[J].教育观察（上半月），2017，6（11）：132-134.

The Exploration of Leading Great Innovative Engineering Project into Course Work Teaching of Automatic Detection Technology

WU Jun，ZENG Jie-wei，YU Pei-chang

（College of Intelligence Science and Technology，National University of Defense Technology，Hunan，Changsha 410073，China）

Abstract：To improve the multiple ability for engineering graduates，the paper selected and designed the work for course of automatic detection technology，which took advantage of the characteristics of high comprehensive，practical and engineering great innovative engineering project in the university.The main parts of the related teaching procedure were also discussed.To carry on the exercise，the graduates can improve their ability of innovation and self-teaching.And good results were also achieved.

Key words：course work;automatic detection technology;great innovative engineering project;innovation ability

收稿日期：2019-05-22

作者简介：吴峻（1973-），男，博士，研究员，博士生导师;曾杰伟（1989-），男，博士，讲师;余佩倡（1988-），男，博士，讲师。