陳慶

[摘 要]根據(jù)傳統(tǒng)檢測技術(shù)與儀表課程教學(xué)中存在的一些問題，從培養(yǎng)工科學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題能力”的角度出發(fā)，設(shè)計了以解決復(fù)雜工程問題為導(dǎo)向的檢測技術(shù)與儀表課程教學(xué)方法。結(jié)合中國工程教育認(rèn)證協(xié)會對復(fù)雜工程問題的界定，從課程體系教學(xué)內(nèi)容設(shè)計上提出案例式教學(xué)模式。在此模式的基礎(chǔ)上總結(jié)出課程改革新思路。

[關(guān)鍵詞]數(shù)據(jù)庫;復(fù)雜工程問題;案例式教學(xué)

[基金項目]教育部卓越工程師計劃項目電氣工程及其自動化;江蘇省第二期品牌專業(yè)電氣工程及其自動化;蘇州大學(xué)一流本科專業(yè)項目電氣工程及其自動化;江蘇省一流本科專業(yè)電氣工程及其自動化

[作者簡介]陳 慶（1984—），男，江蘇泰興人，碩士，蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院講師，主要從事自動控制研究。

[中圖分類號] TP311.13-4[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）47-0-04[收稿日期] 2020-08-21

一、引言

復(fù)雜工程問題是工程教育認(rèn)證持續(xù)關(guān)注的問題。通過分析工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)雜工程問題的描述不難看出，“復(fù)雜工程問題”首先是一個工程問題，由相互關(guān)聯(lián)的子問題構(gòu)成;其次，具有一定的復(fù)雜性，必須運(yùn)用專業(yè)技術(shù)才能解決;最后，在解決復(fù)雜問題的工程中，會存在一些沖突，需要組織協(xié)調(diào)技術(shù)、工程等方面的矛盾。解決復(fù)雜工程問題的方法具有不確定性、多樣性。解決復(fù)雜工程的問題是一個收益最大與風(fēng)險最小的優(yōu)化決策過程。解決復(fù)雜工程問題的能力已成為我國高校工科畢業(yè)生必須具備的核心能力，也是工科課程教學(xué)應(yīng)追求教學(xué)改革成果的體現(xiàn)[1]。

我校電氣工程及其自動化專業(yè)結(jié)合對工程教育認(rèn)證相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，推行了一系列教改措施，并于2017年通過工程教育認(rèn)證。在準(zhǔn)備工程教育認(rèn)證的過程中，電氣工程及其自動化專業(yè)對專業(yè)課程進(jìn)行了一系列改革，在改革的過程中特別注重教學(xué)環(huán)節(jié)改革。電氣工程自動化專業(yè)課程分為專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)核心課程。專業(yè)基礎(chǔ)課程是學(xué)習(xí)本專業(yè)的基礎(chǔ)，例如電路、工程電磁場等。專業(yè)核心課程是本專業(yè)學(xué)習(xí)能力的提升，專業(yè)核心課程有自動控制原理、PLC原理及應(yīng)用等。其中在檢測技術(shù)與儀表課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)中，設(shè)計了案例式教學(xué)模式。檢測技術(shù)與儀表是一門傳統(tǒng)的電氣工程及其自動化專業(yè)課程，本課程主要講授檢測系統(tǒng)原理、傳感器技術(shù)原理及測量電路、測量數(shù)據(jù)收集及處理、誤差分析。隨著技術(shù)進(jìn)步，在檢測技術(shù)中引入新材料、新工藝，同時檢測技術(shù)與儀表課程內(nèi)容、教學(xué)方法也隨之不斷更新。

二、檢測技術(shù)與儀表教學(xué)要求

傳統(tǒng)的檢測技術(shù)與儀表課程教學(xué)內(nèi)容相對單一，主要分為三個部分：第一，傳感器的原理;第二，傳感器的基本轉(zhuǎn)換電路;第三，傳感器的應(yīng)用。這三個部分對于學(xué)生掌握檢測技術(shù)與儀表課程的基礎(chǔ)知識非常重要，但是相關(guān)知識點比較分散、零碎，教學(xué)案例相對簡單。傳統(tǒng)教學(xué)模式不能培養(yǎng)學(xué)生建立解決自動化領(lǐng)域復(fù)雜工程的思想和方法。

蘇州大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)培養(yǎng)適應(yīng)國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的高級技術(shù)人才。學(xué)生通過檢測技術(shù)與儀表課程的學(xué)習(xí)，必須完成以下四個學(xué)習(xí)目標(biāo)：

1.掌握自動檢測系統(tǒng)組成及各部分作用，培養(yǎng)學(xué)生分析系統(tǒng)各部分功能及應(yīng)用的能力。

2.掌握自動檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、處理的方法，培養(yǎng)學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的分析和處理能力，及其把實驗結(jié)果和實際應(yīng)用結(jié)果相比較的能力。

3.掌握不同類型傳感器的檢測原理、信號處理電路，熟悉不同類型傳感器的動態(tài)特性和靜態(tài)特性指標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用不同類型傳感器檢測各種被測量的能力。

4.要求掌握幾種典型的檢測系統(tǒng)的儀表校準(zhǔn)方法和測量方法。

通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該具備扎實檢測技術(shù)基礎(chǔ)知識，掌握各種傳感器的原理及應(yīng)用知識，具有專業(yè)前沿視野和創(chuàng)新能力，具有在實際應(yīng)用中選用傳感器測量的能力。根據(jù)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中對學(xué)生的畢業(yè)要求和專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，結(jié)合蘇州大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)人才培養(yǎng)的實踐，通過檢測技術(shù)與儀表課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生必須達(dá)到如下基本要求：

1.工程知識：能夠應(yīng)用傳感器、自動控制、電氣控制、信號與系統(tǒng)等相關(guān)知識解決電氣工程及其自動化專業(yè)復(fù)雜工程問題。

2.問題分析：查閱相關(guān)文獻(xiàn)，運(yùn)用所學(xué)知識，分析電氣工程及其自動化專業(yè)復(fù)雜工程問題，總結(jié)相關(guān)結(jié)論。

3.設(shè)計解決方案：綜合運(yùn)用檢測技術(shù)相關(guān)理論和技術(shù)方法，考慮創(chuàng)新、社會效益等方面因素，設(shè)計解決電氣工程及其自動化復(fù)雜工程問題的方案。

4.職業(yè)規(guī)范：具有良好的職業(yè)道德、科學(xué)素養(yǎng)和社會責(zé)任感，嚴(yán)格履行電氣工程師的工作責(zé)任。

5.溝通和表達(dá)：針對電氣工程及其自動化專業(yè)的復(fù)雜工程問題，能夠跨學(xué)科背景、跨國界背景下與同行進(jìn)行有效溝通，體現(xiàn)取人之長，補(bǔ)己之短。

6.終身學(xué)習(xí)：能夠不斷地學(xué)習(xí)本專業(yè)的相關(guān)新的知識、新技術(shù)，具備自主終身學(xué)習(xí)意識。

教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系如表所示：

三、檢測技術(shù)與儀表課程的復(fù)雜問題分析

檢測技術(shù)與儀表作為復(fù)雜工程問題的載體，將蘇州制造業(yè)廣泛采用的檢測技術(shù)典型化，并按照OBE的理念重構(gòu)課程體系，配合系統(tǒng)的、可操作的教學(xué)過程，重點突出復(fù)雜工程問題“綜合、實踐與創(chuàng)新”的特點。

選擇檢測技術(shù)與儀表作為本專業(yè)復(fù)雜工程問題的載體，具有特定的意義：（1）該問題是蘇州制造業(yè)實際生產(chǎn)過程的典型化：中國是世界工廠，蘇州是中國制造的縮影。檢測技術(shù)在蘇州大量的機(jī)械、電子、汽車等制造企業(yè)應(yīng)用很廣泛，并且在“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的時代背景下，工業(yè)界對生產(chǎn)過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、綠色制造等領(lǐng)域的專業(yè)人才。（2）該問題與本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)一致。本專業(yè)適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)尤其是先進(jìn)制造業(yè)的需求，培養(yǎng)電氣工程及其自動化相關(guān)領(lǐng)域的高級工程技術(shù)人才和管理人才。根據(jù)我們對近三年（2013—2015）的畢業(yè)生畢業(yè)去向的統(tǒng)計分析，本專業(yè)70%—80%的畢業(yè)生進(jìn)入各類制造企業(yè)，直接服務(wù)于各種自動化生產(chǎn)過程，因此迫切需要提高這方面解決復(fù)雜工程問題的能力。

檢測技術(shù)與儀表課程復(fù)雜工程問題涉及生產(chǎn)流程分析、控制芯片選型、程序設(shè)計、信號系統(tǒng)設(shè)計、元器件安裝調(diào)試等多項工程環(huán)節(jié)，需要自動控制、電工電子技術(shù)、單片機(jī)原理等多門學(xué)科理論知識支撐。根據(jù)工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)定義的復(fù)雜工程問題應(yīng)具備的特征要求，此工程問題符合復(fù)雜工程問題要求的特征條件（特征1、2、6、7）。

（一）具備復(fù)雜工程問題特征1的要求：必須運(yùn)用深入的工程原理經(jīng)過分析才可能得到解決。

檢測技術(shù)與儀表課程要求學(xué)生深入掌握所涉及的自動檢測系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，以及各個環(huán)節(jié)所涉及的設(shè)備或儀器儀表的工程原理，特別是傳感器檢測被測量的原理，了解相應(yīng)的先進(jìn)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)過深入的復(fù)雜工程問題分析，能開展各環(huán)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計等工作，解決自動檢測系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)問題，所以該問題具備認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求的復(fù)雜工程問題的特征1。

（二）具備復(fù)雜工程問題特征2的要求：需要涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突

1.綜合性方面：自動檢測系統(tǒng)涉及傳感器技術(shù)、氣動控制技術(shù)、PLC組網(wǎng)技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)計方案、變頻器技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動和位置控制技術(shù)、自動控制技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、儀器設(shè)備安裝調(diào)試、系統(tǒng)維護(hù)和故障檢測技術(shù)等多方面的技術(shù)。

2.沖突性方面：自動檢測系統(tǒng)的工程預(yù)算和系統(tǒng)先進(jìn)性之間;系統(tǒng)靈敏度與響應(yīng)速度等之間均有沖突。自動檢測系統(tǒng)是各環(huán)節(jié)是互相單獨(dú)的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)比較密切，整體具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性的復(fù)雜工程問題，學(xué)生不但要學(xué)習(xí)各個子系統(tǒng)的工作原理，還要掌握各個子系統(tǒng)之間的聯(lián)系，了解系統(tǒng)性能之間可能存在的沖突。通過對沖突的理解，讓學(xué)生真實地感受現(xiàn)實工程問題在經(jīng)濟(jì)、性能、安全、環(huán)境等方面的沖突，讓學(xué)生明白不是唯技術(shù)論，而要綜合考慮工程與社會、環(huán)節(jié)、人文等因素。

（三）具備復(fù)雜工程問題特征6的要求：問題相關(guān)各方利益不完全一致

自動檢測系統(tǒng)的控制精度與控制速度是一對矛盾，為了得到足夠的控制精度，可能需要降低一些系統(tǒng)的快速性指標(biāo)要求。系統(tǒng)各環(huán)節(jié)是一個子系統(tǒng)，整體具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性，各環(huán)節(jié)和系統(tǒng)之間存在很強(qiáng)的利益矛盾。同時，設(shè)備的選型也是一個矛盾，傳感器和各種控制芯片的選型都由學(xué)生自行決定。自動檢測系統(tǒng)的性能和控制成本是另一對矛盾，為了提高系統(tǒng)的控制性能，需要選擇性能指標(biāo)比較高的控制芯片。一般情況下，芯片的性能適合價格成正比，所以系統(tǒng)性能和成本是一對難以調(diào)和的矛盾。

（四）具備復(fù)雜工程問題特征7的要求：具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題

自動檢測系統(tǒng)最大特點是它的綜合性和系統(tǒng)性。綜合性是指機(jī)械技術(shù)、電工電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、接口技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、觸摸屏組態(tài)編程等多種技術(shù)有機(jī)地結(jié)合，并綜合應(yīng)用到自動檢測系統(tǒng)中。系統(tǒng)性是指傳感檢測、傳輸與處理、控制、執(zhí)行與驅(qū)動等機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)有序地工作，并有機(jī)融合在一起。

綜上所述，自動檢測系統(tǒng)工程問題是一個多學(xué)科綜合、多技術(shù)集成、多工程環(huán)節(jié)組合的復(fù)雜工程問題。

四、檢測技術(shù)與儀表課程的復(fù)雜工程問題教學(xué)

教學(xué)方式的調(diào)整對于復(fù)雜工程問題能力教學(xué)是非常重要的。例如，理論教學(xué)不能照本宣科滿堂灌，強(qiáng)調(diào)以知識為載體，讓學(xué)生學(xué)習(xí)基本概念和基本結(jié)論的同時，學(xué)會學(xué)科方法論的相關(guān)內(nèi)容，并讓學(xué)生掌握相應(yīng)的專業(yè)技能，形成專業(yè)能力。實踐教學(xué)也需要選擇恰當(dāng)?shù)妮d體，使學(xué)生經(jīng)歷復(fù)雜工程（系統(tǒng)）構(gòu)建，并在構(gòu)建過程中體現(xiàn)知識、技術(shù)、方法的綜合應(yīng)用。在這個過程中具體落實學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的目標(biāo)[2]。

在檢測技術(shù)與儀表課程教學(xué)設(shè)計中，利用高爐自動檢測控制系統(tǒng)這個典型案例，分析了高爐冶煉過程中各種傳感器的應(yīng)用。

高爐是一個豎式的圓筒形爐子，其本體包括爐基、爐殼、爐襯、冷卻設(shè)備和高爐支柱組成，而高爐內(nèi)部工作空間又分為爐喉、爐身、爐腰、爐腹和爐缸五段。高爐生產(chǎn)除本體外，還包括上料系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、煤氣除塵系統(tǒng)、渣鐵處理系統(tǒng)和噴吹系統(tǒng)。高爐產(chǎn)品包括各種生鐵、爐渣、高爐煤氣以及爐塵。生鐵供煉鋼和鑄造使用;爐渣可用于制作水泥、絕熱、建筑和鋪路材料等用途;高爐煤氣除了供熱風(fēng)爐做燃料使用外，還可供煉鋼、焦?fàn)t、燒結(jié)點火用等;爐塵回收后可做燒結(jié)廠原料用。高爐工作過程中有兩個比較重要的參數(shù)—溫度和壓力。這兩個參數(shù)對高爐的運(yùn)行狀態(tài)的影響比較大。

（一）溫度

需檢測的溫度點包括爐頂溫度、爐喉溫度、爐身溫度和爐基溫度，并采用多點式自動電子電位差計指示和記錄。

1.爐頂溫度。它是煤氣與料柱作用的最終溫度，它說明了煤氣熱能與化學(xué)能利用的程度，在很大程度上能監(jiān)視下料情況。爐頂溫度的測量是利用安裝在4個或2個煤氣上升管內(nèi)的熱電偶實現(xiàn)的。

2.爐喉溫度。它能準(zhǔn)確反映煤氣流沿爐子周圍工作的均勻性。爐喉溫度是利用安裝在爐喉耐火磚內(nèi)的熱電偶測量的。

（二）差壓（壓力）

需檢測大小料鐘間的差壓、熱風(fēng)環(huán)管與爐頂間的差壓及爐頂煤氣壓力。

目前，大多數(shù)高爐都采取高壓操作，高壓操作時的爐喉煤氣壓力約為0.5—1.5標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。在高爐工作前半期，料鐘的密閉性較好，一般可保持較高壓力;而在高爐工作后半期，由于鐘料磨損，密閉性變差，爐頂煤氣壓力要降低一些。

由于爐喉處煤氣中含灰塵較多，取壓管易堵塞，因此測量煤氣壓力的取壓管安裝在除塵器后面、洗滌塔之前。雖然是間接地反映爐喉煤氣壓力，但比較可靠。調(diào)節(jié)洗滌塔后面煤氣出口處閥門的開度，改變局部阻力的損失，保持爐喉煤氣壓力為給定數(shù)值。

通過分析高爐的自動檢測過程，可以幫助學(xué)生準(zhǔn)確掌握溫度傳感器、壓力變送器、檢測儀表、壓力調(diào)節(jié)器的應(yīng)用以及高爐控制加料的過程。

高爐自動檢測控制系統(tǒng)體現(xiàn)了復(fù)雜工程問題的特征：（1）該系統(tǒng)涉及了傳感器、信號處理、儀器儀表、自動控制等方面的知識。其中，信號處理課程是以高等數(shù)學(xué)知識為基礎(chǔ)，在自動控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。（2）該系統(tǒng)具有較高的綜合性。系統(tǒng)設(shè)計到了溫度檢測、壓力檢測、壓力調(diào)節(jié)器等方面的知識。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中通過查閱相關(guān)資料、文獻(xiàn)，可以很好地擴(kuò)展自己的知識面。

針對培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的這一核心目標(biāo)，圍繞學(xué)生對解決檢測技術(shù)與儀表關(guān)鍵復(fù)雜問題方法的掌握情況，教師在課程結(jié)束時對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力進(jìn)行評定，分為優(yōu)秀、良、中、及格、不及格五個等級。根據(jù)每位同學(xué)的評定等級，學(xué)生本人和教師對檢測技術(shù)與儀表課程中解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)效果將會有一個清晰的認(rèn)識。便于進(jìn)一步有針對性地提升與充實[3]。

五、實施的效果與局限性討論

（一）實施效果

經(jīng)過幾個教學(xué)班級的實施與調(diào)整，檢測技術(shù)與儀表課程案例式教學(xué)基本達(dá)到預(yù)期效果。主要體現(xiàn)在：所有學(xué)生都按要求完成課程任務(wù)，提交符合課程要求的技術(shù)資料，實現(xiàn)了課程要求規(guī)定的技術(shù)指標(biāo);能夠計劃團(tuán)隊成員的分工、進(jìn)度、遇到的復(fù)雜問題及相應(yīng)的解決方法。檢測技術(shù)與儀表課程案例式教學(xué)設(shè)計的設(shè)立，消除了學(xué)生對傳感器及檢測儀器儀表的神秘感，提高學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣，增強(qiáng)學(xué)生在自動化專業(yè)領(lǐng)域工作的信心，在遇到復(fù)雜工程問題時，能夠快速全身心投入，開展工作也是事半功倍。

（二）局限性

檢測技術(shù)與儀表課程局限性主要表現(xiàn)在：

1.高校教師普遍缺少企業(yè)實踐經(jīng)驗，對復(fù)雜工程問題行業(yè)背景沒有深入了解，教師應(yīng)加強(qiáng)自身專業(yè)素養(yǎng)和工程實踐經(jīng)驗，以適應(yīng)工程教育認(rèn)證發(fā)展需求。

2.學(xué)生經(jīng)過自動控制原理、單片機(jī)原理與設(shè)計、電氣控制與PLC等課程中的案例式教學(xué)鍛煉，認(rèn)識到案例式教學(xué)在提高個人能力素養(yǎng)的作用。任何課程的復(fù)雜工程問題情境設(shè)計，必須放在專業(yè)課程體系內(nèi)統(tǒng)籌設(shè)計。

六、結(jié)語

工程教育認(rèn)證對復(fù)雜工程問題提出了明確要求，工科教育可以基本定位在解決復(fù)雜工程問題[4]。文中圍繞培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，對檢測技術(shù)與儀表課程涉及高爐自動檢測控制系統(tǒng)這一復(fù)雜工程問題，進(jìn)行教學(xué)探索。教學(xué)實踐表明，利用具有復(fù)雜工程問題特征的案例進(jìn)行課堂教學(xué)，對培養(yǎng)工科學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力具有激勵作用。

參考文獻(xiàn)

[1]潘釗，侯培國，孟宗，吳希軍.基于情境構(gòu)建培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2020，42（3）16-21.

[2]楊毅剛，孟斌，王偉楠.如何破解工程教育中有關(guān)“復(fù)雜工程問題”的難點—基于企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新視角[J].武漢：高等工程教育研究，2017（2）：72-78.

[3]張麗平，李松，郝曉紅，孫冬璞.基于復(fù)雜工程問題的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基礎(chǔ)課程教學(xué)研究[J].西昌學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2019， 33（4）：102-105.

[4]蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)[J].中國大學(xué)教學(xué)，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