围绕仪器核心特性的测控仪器设计教学内容设计*

吴思进 孙广开 牛海莎

摘  要  测控仪器设计课程是仪器类专业的核心课程之一，其教学内容的设计一直面临诸多困难。分析测控仪器的核心特性，凝练测控仪器设计课程教学的核心问题，以满足测控仪器通用特性和专用特性为脉络，构建全新的教学内容组织形式，突出可靠性设计、安全性设计、工程化设计等通用特性的重要性，满足课程高阶能力的培养目标。新的内容、组织、形式旨在能够较完整地反映测控仪器设计的基本内涵，体现测控仪器最新发展并满足当前社会的实践需求。

关键词  测控技术与仪器；测控仪器设计；核心特性；教学内容设计

中图分类号：G642.3    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）24-0041-04

0  引言

测控仪器设计课程是仪器类专业的核心课程，绝大多数高校的测控技术与仪器专业会开设这门课程[1]。该课程是支撑专业培养目标的重要支点，其教学内容的科学性和先进性对培养学生能力、实现专业毕业要求具有重要意义。该课程目前主流的教学内容一般包括仪器的精度设计、总体设计和部件设计等，可以称之为三部曲式教学内容形式。

例如：国家级规范教材《测控仪器设计》（机械工业出版社）的内容包括测控仪器设计概论、仪器精度理论、测控仪器总体设计、精密机械系统的设计、电路与软件系统设计、光电系统设计等六章，其中后三章体现测控仪器部件设计的内容[2]；合肥工业大学测控技术与仪器专业测控系统与仪器设计课程主要讲授精度理论、总体设计和精密机械系统设计等内容；清华大学精密仪器专业光电仪器设计课程同样将授课内容分为仪器的总体设计和部件设计等内容[3]；北京信息科技大学测控仪器设计课程也一直采用同样的思路来组织教学内容，将其分为精度理论、总体设计、部件设计三部分内容，辅以项目驱动式教学法进行教学[4]。

上述内容组织形式结构清晰、重点突出，主要以测量精度等测控仪器专用特性为脉络来串联教学内容，但对于测控仪器通用特性（如可靠性、安全性等）则较少涉及。而且该课程的教学内容与先修课程之间有一定的交叉，容易导致年轻教师难以把握其间的关系[5]。另一种较为常见的教学内容组织形式则以某特定测控仪器为平台，通过案例式教学方法或项目驱动式教学方法进行讲解[6-8]。这种方法将抽象的概念实体化，有助于加深学生的理解，但也容易割裂知识内在的联系，让学生陷入“只见树木，不见森林”的困境。

本文通过分析测控仪器设计的内涵，提炼测控仪器设计的核心问题，提出以核心问题为脉络的教学内容组织形式，旨在有效梳理测控仪器设计课程教学内容的内在逻辑，使学生从整体上思考测控仪器的核心特性，更深层次理解测控仪器的实践需求和发展趋势，以培养学生分析、设计和评价等高阶能力。

1  测控仪器核心特性分析

测控仪器的核心特性主要包括精度特性、可靠性、安全性、智能性和经济性，如图1所示。其中精度特性是测控仪器的专用特性，可靠性和安全性属于质量特性，这两者与智能性和经济性构成测控仪器的通用特性。

1.1  精度特性

测量精度是正确度和精密度的综合体现，其中正确度反映了系统误差的大小，而精密度则反映随机误差的大小。只有正确度和精密度都高，才能表示仪器的测量精度高。测控仪器的精度是一个定性的概念，但它可以通过示值误差等指标来定量表达。因为测控仪器是基于测量与控制理论而对物理量实施测量的装置，所以测量精度是它的核心特性，也是它的专用特性。

1.2  可靠性

可靠性表征测控仪器在规定时间内和规定条件下完成规定功能的能力。对于研制阶段的测控仪器，可以用平均故障间隔时间来度量可靠性；而对于进入市场使用阶段的测控仪器，则通常用质保期内返修率等指标来描述其可靠性。随着社会的发展，测控仪器的功能和结构日益复杂，应用环境更加恶劣，使用寿命不断增长，开发周期持续压缩，因此，测控仪器可靠性的重要性越发突出，成为不可忽视的核心指标。尤其是一些特殊领域或特殊应用的测控仪器，比如深空探测仪器、生命监护仪器、危化品探测监控仪器等，其可靠性的重要性则更加凸显。

1.3  安全性

安全性是指测控仪器的安全装置符合操作维修安全要求。测控仪器的安全性包含三层含义：1）测控仪器在误操作或者发生故障的情况下，不会造成大的破坏；2）在过载荷情况下，不会发生严重损坏；3）在发生事故时也不会造成大的人身危险。测控仪器在社会和经济领域的重要性日益增加，其安全性就成为越来越不能忽视的核心特性。尤其对于直接涉及人身安全的医疗仪器和涉及重大安全的监控仪器，其安全性尤为重要。

1.4  智能性

智能化是测控仪器的发展趋势，要求仪器在信息获取、信息处理和人机交互等方面越来越自动化，有更好的自适应能力，因此，智能性就成为测控仪器的核心特性之一。尤其是人工智能的蓬勃发展，赋予测控仪器智能性新的内涵。

1.5  经济性

经济性反映测控仪器满足工艺对仪器性能要求的条件下，仪器的活劳动和物化劳动的消耗情况。经济性是设备的普遍特性，决定了仪器能否在生产中得到应用，也是测控仪器的核心特性之一。

以上五大特性是测控仪器的普适特性，能够在很大程度上表征仪器的质量，决定仪器能否具备竞争力，因此应该全面地描述测控仪器的上述五大核心特性。

2  围绕核心特性的教学内容设计

测控仪器设计课程的教学目标一般需落实在培养学生分析设计任务、提出设计方案和评价设计结果等方面的能力，为此应让学生从总体上把握测控仪器的特性，突出核心特性在测控仪器设计过程中的重要性，使学生掌握满足这些特性的设计方法。基于这种考虑，设计新型测控仪器设计课程教学内容组织形式，以测控仪器的核心特性为引领来组织教学内容，根据上述内容分七个章节讲授相关内容。除第一章讲授绪论和第七章讲授综合设计实例以外，其他五章分别围绕测控仪器的五大特性进行内容组织。

第二章围绕测控仪器的精度特性进行讲授，主要讲授误差分析与精度评定、精度设计、提高精度的原则、工作原理选择、标准量细分、补偿原理以及干扰因素的克服。其教学要求主要落实在使学生掌握精度设计的一般方法和提高测控仪器精度的若干重要设计原则与设计方法。通过理论与实例的结合，使学生能够从测量精度的角度着手，熟悉测控仪器设计的基本概念和一般方法。

第三章围绕测控仪器的可靠性进行讲授，主要内容包括可靠性设计基础、可靠性度量方法、可靠性分配和预计、可靠性分析与检验等。可靠性的内容过去一般只在特殊领域的仪器设计中才得到重视，但是目前即使在一般测控仪器中，该特性也属于不可忽视的核心特性，需要围绕该特性进行测控仪器的设计。需要让学生掌握测控仪器可靠性的基本概念，知道常用的可靠性分配和设计方法。

第四章围绕测控仪器的安全性进行讲授，主要内容包括仪器的结构安全性设计、电气安全性设计、光学安全性设计和软件安全性设计。过去通常只讨论特定种类仪器的部件安全性设计，比如医疗仪器的电气安全性设计和光学仪器的激光安全设计等，但鲜有将它们综合起来进行讨论的。本教学内容的设计希望能够使学生在整体上考虑测控仪器的安全性特性，掌握安全性的基本概念和常用的安全性设计方法。

第五章围绕测控仪器的智能性进行讲授，主要内容包括智能仪器处理器、人机接口技术、数据处理与自动化技术、自适应技术、虚拟仪器、网络化仪器以及深度学习的应用。仪器智能性的概念广泛，尤其是人工智能的快速发展给仪器智能性带来新的内涵。本文聚焦测控仪器的通用智能技术，组织教学内容，使学生掌握测控仪器智能性的基本概念和智能化的基本方法与途径。

第六章围绕测控仪器的经济性和人机工程学进行讲授，主要内容包括精度匹配原则和经济原则、标准化设计和模块化设计、人机工程学设计和造型设计。本章内容以概念讲授为主，使学生理解经济性设计的基本原则。除此以外，扩充人机工程学和造型设计等内容，丰富测控仪器设计的内容。

3  分析与讨论

上述教学内容设计对培养学生分析设计任务、提出设计方案和评价设计结果等方面的能力都具有很好的支撑作用，同时能够支撑学生部分人文精神的培养。

3.1  分析设计任务能力

分析设计任务能力的培养，主要通过对测控仪器的设计任务进行有效分析，分解设计要求，明确测控仪器设计的精度特性、可靠性、安全性、智能性、经济性和人机工程学等基本要求来支撑。在上述五章教学内容中都涉及对设计任务和指标的分析，比如精度设计指标、可靠性设计指标、安全性设计任务等。此外，通过讲授各大特性相应的度量和评价指标，使学生掌握定量和定性分析的能力。

3.2  提出设计方案能力

提出设计方案能力的培养主要落实在学生对基本设计方法的掌握和创新设计方法的认识上。具体表现在学生能够基于测控仪器不同工作原理、仪器部件的特点，比较不同解决方案的优缺点，应用精度设计、可靠性设计、安全性设计、智能化设计、经济性设计和人机工程学设计等基本方法或创新方法，并结合测控技术与仪器专业知识，提出基本满足技术要求的测控仪器设计简要方案。围绕测控仪器的五大特性，学生能够掌握各大特性各自基本的设计方法，还具有创新意识，能够追求创新设计方法。因此，课程教学首先讲授基本和常用的设计方法，然后通过对一些新型设计方法的讨论培养学生的创新意识。比如在第二章中，首先讲授标准量细分和补偿原理等常用的提高测控仪器测量精度的设计原则与方法，然后结合特定例子来讨论一些创新的设计方法。

3.3  评价设计结果能力

对于评价设计结果能力的培养主要通过对设计结果进行分析并评估与设计任务的偏差来实现，同时要求能够在评价的基础上提出修改方案，追求创新意识。具体表现为能够对测控仪器的设计方案进行误差分析、可靠性分析、安全性分析，验证设计方案能否满足设计任务，分析存在的问题并提出具有可行性的改进方案，理解相关领域未来技术发展对测控仪器设计方法更新的推动作用，具有时刻学习最新理论和技术的意识等。通过课程学习，学生需要掌握常用的评价方法，比如通过误差分析来评价测控仪器的测量精度，通过可靠性评估和检验来评价测控仪器的可靠性。评价的能力属于高阶能力，要求学生能够采用合适的手段来度量和分析测控仪器的特性，给出评价结论。所设计的教学内容注重对评价能力的培养，尤其通过结合项目驱动式教学方法[4]来进一步加强该能力的培养。

3.4  人文精神的培养

除了支撑上述能力的培养外，所设计的教学内容也能够支撑部分人文精神的培养。比如：通过对比国内高端仪器发展水平与国际先进水平的差距，激发学生投身于测控仪器研究和发展的使命感；通过讲授测控仪器安全性设计和人机工程学等设计思想，体现工程设计中的人本精神；通过讲授测控仪器的创新设计，以及要求学生在设计报告中分析现有仪器设计方案的不足，提出创新性的仪器设计修改方案，提高批判性思维和创新意识。

4  结束语

通过分析测控仪器的核心特性，围绕核心特性组织教学内容，改变目前的三部曲式教学内容形式，目标在于让学生能够在整体上把握测控仪器的核心问题，能够理解现代社会对测控仪器的核心需求，从而对测控仪器有更加全面的理解，最终能够更好地支撑对分析、设计、评价等能力的培养以及支撑对人文精神的培养。

参考文献

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[2] 浦昭邦，刘庆纲.测控仪器设计[M].3版.北京：机械工业出版社，2014.

[3] 吴冠豪，曾理江，胡摇.光电仪器设计[EB/OL].http：//www.xuetangx.com/courses/course-v1：TsinghuaX+40130753+SP/about.

[4] 吴思进，李伟仙，金超琦.个性化任务在《测控仪器设计》教学中的应用[J].教育教学论坛，2019（23）：93-96.

[5] 张鹏，习道政，董娅凡，张建辉.《测控仪器设计》课程教学改革探索[J].机械设计，2016，33（S2）：191-193.

[6] Li Zhifang， Li Hui， He Youwu. Reform and prac-tice of optical coherence tomography （OCT） sys-tem-driven teaching for optoelectronic instru-ment principle and design[R].Society of Photo-optical Instrumentation Engineers. Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers （SPIE） Conference Series，2017.

[7] 李贝贝，刘秀梅，贺杰.测控仪器设计课程案例式专题教学法研究[J].教育教学论坛，2016（25）：188-189.

[8] 戴金桥，俞阿龙，孙华军.项目驱动法在智能仪器设计课程教学中的应用[J].中国教育技术装备，2015（16）：83-85.

*项目来源：北京信息科技大学2021年教学改革项目“以问题为脉络的《测控仪器设计》课程教学内容改革”（2021JGYB05）。

作者：吴思进，通信作者，北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，副教授，博士，主要研究方向为测控仪器设计等；孙广开、牛海莎，北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，副教授，博士，主要研究方向为测控仪器设计等（100192）。