胡梅 周超 瞿智 郭熙業(yè) 靳曉艷

[摘? ? ? ? ? ?要]? 測量原理是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)必修課，通過課程學(xué)習(xí)，要求學(xué)生基于測量學(xué)的三大基本問題熟練掌握測量原理的五個(gè)基本概念和三個(gè)基本操作，深刻理解知識(shí)內(nèi)涵，初步具備測量方法論思維，教學(xué)難度極大。為了讓學(xué)生更好地理解如何將測量原理知識(shí)實(shí)際應(yīng)用，精心設(shè)計(jì)了海水聲速測量系統(tǒng)教學(xué)案例，通過具體問題導(dǎo)入、測量基本原理分析、測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、測量系統(tǒng)分析與總結(jié)四個(gè)部分，將課程核心知識(shí)點(diǎn)有機(jī)串聯(lián)，進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 測量系統(tǒng);案例設(shè)計(jì);教學(xué)實(shí)踐

[中圖分類號(hào)]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2021）31-0041-03

一、案例教學(xué)法和測量原理課程特點(diǎn)

隨著我國高校教學(xué)改革的不斷深入，案例教學(xué)法越來越多地運(yùn)用到教學(xué)實(shí)踐中，尤其是理論課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)解析教學(xué)環(huán)節(jié)中。案例教學(xué)通過實(shí)例演示使抽象理論變得直觀易懂，使教學(xué)過程更加生動(dòng)活潑，能夠啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生積極思考[1-2]。近年來，案例教學(xué)法在教育科研方法、數(shù)學(xué)、信息光電子學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)等不同類型的課程[2-7]中均得到了有效運(yùn)用，取得了良好的教學(xué)效果。

測量原理是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程，是本專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)知識(shí)，是學(xué)生進(jìn)行抽象思維、理論分析與技術(shù)設(shè)計(jì)的學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)。課程圍繞測量學(xué)的三大基本問題：量值的存在性、量值的可測性和量值的確定性問題展開，將測量原理的核心知識(shí)點(diǎn)分為兩個(gè)方面：基本概念和基本操作[8]?；靖拍畎ㄎ鍌€(gè)名詞：量值、信號(hào)、算子、誤差和系統(tǒng)，基本操作包括三個(gè)動(dòng)詞：分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)。課程教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生基于測量學(xué)的三大基本問題熟練掌握測量原理的五個(gè)基本概念和三個(gè)基本操作，深刻理解知識(shí)內(nèi)涵，初步具備測量方法論思維。課程主要從“抽象”與“理論”兩個(gè)過程傳授知識(shí)與技能，教學(xué)難度極大。

海水聲速測量問題是一個(gè)非常典型的測量問題，具有明確的實(shí)用價(jià)值[9-10]。為了讓學(xué)生更好地理解課程的各重難點(diǎn)知識(shí)環(huán)節(jié)，結(jié)合案例教學(xué)法優(yōu)點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)了海水聲速測量系統(tǒng)案例，將測量原理的五個(gè)核心關(guān)鍵名詞和三個(gè)核心關(guān)鍵動(dòng)詞有機(jī)串聯(lián)，以助于學(xué)生深入理解課程內(nèi)涵。

二、教學(xué)案例設(shè)計(jì)

基于PBL教學(xué)法的課堂知識(shí)講解：通過《泰坦尼克號(hào)》電影中的郵輪撞冰山災(zāi)難，引出問題：如何探測冰山離郵輪的距離？答案是：速度乘以時(shí)間。從而指出，海水中信號(hào)傳播速度的測量問題具有明確的實(shí)用價(jià)值，可為水下智能無人系統(tǒng)載荷設(shè)計(jì)提供重要的參考參數(shù)。

結(jié)合測量原理所學(xué)知識(shí)，回答在海水聲速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要求的量值是什么？測量信號(hào)是什么？可以選擇什么測量算子？測量允許的誤差是多少？測量系統(tǒng)搭建過程中要注意哪些問題？

基于分組研討的實(shí)驗(yàn)思路引導(dǎo)：給定儀器設(shè)備（計(jì)算機(jī)、綜合信號(hào)處理模塊、聲速測量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）、軟件工具（Matlab、上位機(jī)軟件SDDS）和主要器件（發(fā)射換能器、接收換能器）實(shí)現(xiàn)海水聲速測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超聲波在海水中的傳播速度測量，這是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，將學(xué)生分為三個(gè)小組，分別研討理論分析與仿真、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建、信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理三個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

（一）理論分析與仿真小組

計(jì)算比較單頻和雙頻發(fā)射信號(hào)各自的有效性特征，選擇哪一種信號(hào)？在Matlab仿真時(shí)，如何設(shè)置離散間隔，普適性測量算子和匹配濾波器算子如何編程實(shí)現(xiàn)？驗(yàn)收重點(diǎn)是：最終確定發(fā)射雙頻超聲波信號(hào)，測量算子程序模塊調(diào)試通過。

（二）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建小組

綜合信號(hào)處理模塊電源如何接線？發(fā)射換能器和接收換能器，如何與綜合信號(hào)處理模塊上的AD和DA連接？上位機(jī)軟件SDDS如何進(jìn)行初始化設(shè)置？如何通過上位機(jī)軟件觀測發(fā)射信號(hào)波形和接收信號(hào)波形？驗(yàn)收重點(diǎn)是：上電不燒電路板，系統(tǒng)能“跑通”。

（三）信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理小組

如何通過上位機(jī)軟件SDDS將發(fā)射信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)？在進(jìn)行接收信號(hào)采集時(shí)，時(shí)間起止是什么？采集的信號(hào)存儲(chǔ)到什么地址？如何同時(shí)觀測對比實(shí)際接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的時(shí)延？驗(yàn)收重點(diǎn)是：基于理論分析與仿真小組編寫的Matlab程序，完成數(shù)據(jù)處理，解算測量結(jié)果，計(jì)算測量誤差。

三、教學(xué)實(shí)施環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

具體的教學(xué)實(shí)施分為四個(gè)環(huán)節(jié)：現(xiàn)場教學(xué)環(huán)節(jié)、分組研討環(huán)節(jié)、現(xiàn)場操作環(huán)節(jié)和總結(jié)演講環(huán)節(jié)。

（一）現(xiàn)場教學(xué)環(huán)節(jié)

梳理“測量原理”的知識(shí)脈絡(luò)，提出通過海水聲速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例將課程的所有知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來;分析案例設(shè)計(jì)的背景和應(yīng)用價(jià)值，根據(jù)給定的儀器設(shè)備、軟件工具和主要器件，重點(diǎn)介紹綜合信號(hào)處理模塊和聲速測量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成和功能、上位機(jī)軟件SDDS的界面和使用、發(fā)射換能器和接收換能器的工作原理。該環(huán)節(jié)以教師講授為主，學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)需求，參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書閱讀相關(guān)的說明文檔。

（二）分組研討環(huán)節(jié)

將海水聲速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題看成一個(gè)系統(tǒng)工程，按照時(shí)間先后分為理論分析與仿真小組、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建小組、信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理小組，進(jìn)行研討確認(rèn)各自的實(shí)施方案。理論分析與仿真小組研討發(fā)射信號(hào)的頻率設(shè)計(jì)、測量算子的程序設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建小組研討電源選擇、AD和DA轉(zhuǎn)換、上位機(jī)軟件SDDS初始化;信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理小組研討發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的存儲(chǔ)與提取、量值解算和測量合格性判斷。該環(huán)節(jié)以學(xué)生研討為主，教師根據(jù)實(shí)際進(jìn)行思路引導(dǎo)，對各組的研討結(jié)論進(jìn)行評價(jià)。