吳思進 孫廣開 牛海莎

摘? 要? 測控儀器設計課程是儀器類專業(yè)的核心課程之一，其教學內容的設計一直面臨諸多困難。分析測控儀器的核心特性，凝練測控儀器設計課程教學的核心問題，以滿足測控儀器通用特性和專用特性為脈絡，構建全新的教學內容組織形式，突出可靠性設計、安全性設計、工程化設計等通用特性的重要性，滿足課程高階能力的培養(yǎng)目標。新的內容、組織、形式旨在能夠較完整地反映測控儀器設計的基本內涵，體現(xiàn)測控儀器最新發(fā)展并滿足當前社會的實踐需求。

關鍵詞? 測控技術與儀器；測控儀器設計；核心特性；教學內容設計

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）24-0041-04

0? 引言

測控儀器設計課程是儀器類專業(yè)的核心課程，絕大多數(shù)高校的測控技術與儀器專業(yè)會開設這門課程[1]。該課程是支撐專業(yè)培養(yǎng)目標的重要支點，其教學內容的科學性和先進性對培養(yǎng)學生能力、實現(xiàn)專業(yè)畢業(yè)要求具有重要意義。該課程目前主流的教學內容一般包括儀器的精度設計、總體設計和部件設計等，可以稱之為三部曲式教學內容形式。

例如：國家級規(guī)范教材《測控儀器設計》（機械工業(yè)出版社）的內容包括測控儀器設計概論、儀器精度理論、測控儀器總體設計、精密機械系統(tǒng)的設計、電路與軟件系統(tǒng)設計、光電系統(tǒng)設計等六章，其中后三章體現(xiàn)測控儀器部件設計的內容[2]；合肥工業(yè)大學測控技術與儀器專業(yè)測控系統(tǒng)與儀器設計課程主要講授精度理論、總體設計和精密機械系統(tǒng)設計等內容；清華大學精密儀器專業(yè)光電儀器設計課程同樣將授課內容分為儀器的總體設計和部件設計等內容[3]；北京信息科技大學測控儀器設計課程也一直采用同樣的思路來組織教學內容，將其分為精度理論、總體設計、部件設計三部分內容，輔以項目驅動式教學法進行教學[4]。

上述內容組織形式結構清晰、重點突出，主要以測量精度等測控儀器專用特性為脈絡來串聯(lián)教學內容，但對于測控儀器通用特性（如可靠性、安全性等）則較少涉及。而且該課程的教學內容與先修課程之間有一定的交叉，容易導致年輕教師難以把握其間的關系[5]。另一種較為常見的教學內容組織形式則以某特定測控儀器為平臺，通過案例式教學方法或項目驅動式教學方法進行講解[6-8]。這種方法將抽象的概念實體化，有助于加深學生的理解，但也容易割裂知識內在的聯(lián)系，讓學生陷入“只見樹木，不見森林”的困境。

本文通過分析測控儀器設計的內涵，提煉測控儀器設計的核心問題，提出以核心問題為脈絡的教學內容組織形式，旨在有效梳理測控儀器設計課程教學內容的內在邏輯，使學生從整體上思考測控儀器的核心特性，更深層次理解測控儀器的實踐需求和發(fā)展趨勢，以培養(yǎng)學生分析、設計和評價等高階能力。

1? 測控儀器核心特性分析

測控儀器的核心特性主要包括精度特性、可靠性、安全性、智能性和經(jīng)濟性，如圖1所示。其中精度特性是測控儀器的專用特性，可靠性和安全性屬于質量特性，這兩者與智能性和經(jīng)濟性構成測控儀器的通用特性。

1.1? 精度特性

測量精度是正確度和精密度的綜合體現(xiàn)，其中正確度反映了系統(tǒng)誤差的大小，而精密度則反映隨機誤差的大小。只有正確度和精密度都高，才能表示儀器的測量精度高。測控儀器的精度是一個定性的概念，但它可以通過示值誤差等指標來定量表達。因為測控儀器是基于測量與控制理論而對物理量實施測量的裝置，所以測量精度是它的核心特性，也是它的專用特性。

1.2? 可靠性

可靠性表征測控儀器在規(guī)定時間內和規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力。對于研制階段的測控儀器，可以用平均故障間隔時間來度量可靠性；而對于進入市場使用階段的測控儀器，則通常用質保期內返修率等指標來描述其可靠性。隨著社會的發(fā)展，測控儀器的功能和結構日益復雜，應用環(huán)境更加惡劣，使用壽命不斷增長，開發(fā)周期持續(xù)壓縮，因此，測控儀器可靠性的重要性越發(fā)突出，成為不可忽視的核心指標。尤其是一些特殊領域或特殊應用的測控儀器，比如深空探測儀器、生命監(jiān)護儀器、?；诽綔y監(jiān)控儀器等，其可靠性的重要性則更加凸顯。

1.3? 安全性

安全性是指測控儀器的安全裝置符合操作維修安全要求。測控儀器的安全性包含三層含義：1）測控儀器在誤操作或者發(fā)生故障的情況下，不會造成大的破壞；2）在過載荷情況下，不會發(fā)生嚴重損壞；3）在發(fā)生事故時也不會造成大的人身危險。測控儀器在社會和經(jīng)濟領域的重要性日益增加，其安全性就成為越來越不能忽視的核心特性。尤其對于直接涉及人身安全的醫(yī)療儀器和涉及重大安全的監(jiān)控儀器，其安全性尤為重要。

1.4? 智能性

智能化是測控儀器的發(fā)展趨勢，要求儀器在信息獲取、信息處理和人機交互等方面越來越自動化，有更好的自適應能力，因此，智能性就成為測控儀器的核心特性之一。尤其是人工智能的蓬勃發(fā)展，賦予測控儀器智能性新的內涵。

1.5? 經(jīng)濟性

經(jīng)濟性反映測控儀器滿足工藝對儀器性能要求的條件下，儀器的活勞動和物化勞動的消耗情況。經(jīng)濟性是設備的普遍特性，決定了儀器能否在生產中得到應用，也是測控儀器的核心特性之一。

以上五大特性是測控儀器的普適特性，能夠在很大程度上表征儀器的質量，決定儀器能否具備競爭力，因此應該全面地描述測控儀器的上述五大核心特性。

2? 圍繞核心特性的教學內容設計

測控儀器設計課程的教學目標一般需落實在培養(yǎng)學生分析設計任務、提出設計方案和評價設計結果等方面的能力，為此應讓學生從總體上把握測控儀器的特性，突出核心特性在測控儀器設計過程中的重要性，使學生掌握滿足這些特性的設計方法?；谶@種考慮，設計新型測控儀器設計課程教學內容組織形式，以測控儀器的核心特性為引領來組織教學內容，根據(jù)上述內容分七個章節(jié)講授相關內容。除第一章講授緒論和第七章講授綜合設計實例以外，其他五章分別圍繞測控儀器的五大特性進行內容組織。

第二章圍繞測控儀器的精度特性進行講授，主要講授誤差分析與精度評定、精度設計、提高精度的原則、工作原理選擇、標準量細分、補償原理以及干擾因素的克服。其教學要求主要落實在使學生掌握精度設計的一般方法和提高測控儀器精度的若干重要設計原則與設計方法。通過理論與實例的結合，使學生能夠從測量精度的角度著手，熟悉測控儀器設計的基本概念和一般方法。

第三章圍繞測控儀器的可靠性進行講授，主要內容包括可靠性設計基礎、可靠性度量方法、可靠性分配和預計、可靠性分析與檢驗等?？煽啃缘膬热葸^去一般只在特殊領域的儀器設計中才得到重視，但是目前即使在一般測控儀器中，該特性也屬于不可忽視的核心特性，需要圍繞該特性進行測控儀器的設計。需要讓學生掌握測控儀器可靠性的基本概念，知道常用的可靠性分配和設計方法。

第四章圍繞測控儀器的安全性進行講授，主要內容包括儀器的結構安全性設計、電氣安全性設計、光學安全性設計和軟件安全性設計。過去通常只討論特定種類儀器的部件安全性設計，比如醫(yī)療儀器的電氣安全性設計和光學儀器的激光安全設計等，但鮮有將它們綜合起來進行討論的。本教學內容的設計希望能夠使學生在整體上考慮測控儀器的安全性特性，掌握安全性的基本概念和常用的安全性設計方法。

第五章圍繞測控儀器的智能性進行講授，主要內容包括智能儀器處理器、人機接口技術、數(shù)據(jù)處理與自動化技術、自適應技術、虛擬儀器、網(wǎng)絡化儀器以及深度學習的應用。儀器智能性的概念廣泛，尤其是人工智能的快速發(fā)展給儀器智能性帶來新的內涵。本文聚焦測控儀器的通用智能技術，組織教學內容，使學生掌握測控儀器智能性的基本概念和智能化的基本方法與途徑。

第六章圍繞測控儀器的經(jīng)濟性和人機工程學進行講授，主要內容包括精度匹配原則和經(jīng)濟原則、標準化設計和模塊化設計、人機工程學設計和造型設計。本章內容以概念講授為主，使學生理解經(jīng)濟性設計的基本原則。除此以外，擴充人機工程學和造型設計等內容，豐富測控儀器設計的內容。

3? 分析與討論

上述教學內容設計對培養(yǎng)學生分析設計任務、提出設計方案和評價設計結果等方面的能力都具有很好的支撐作用，同時能夠支撐學生部分人文精神的培養(yǎng)。

3.1? 分析設計任務能力

分析設計任務能力的培養(yǎng)，主要通過對測控儀器的設計任務進行有效分析，分解設計要求，明確測控儀器設計的精度特性、可靠性、安全性、智能性、經(jīng)濟性和人機工程學等基本要求來支撐。在上述五章教學內容中都涉及對設計任務和指標的分析，比如精度設計指標、可靠性設計指標、安全性設計任務等。此外，通過講授各大特性相應的度量和評價指標，使學生掌握定量和定性分析的能力。

3.2? 提出設計方案能力

提出設計方案能力的培養(yǎng)主要落實在學生對基本設計方法的掌握和創(chuàng)新設計方法的認識上。具體表現(xiàn)在學生能夠基于測控儀器不同工作原理、儀器部件的特點，比較不同解決方案的優(yōu)缺點，應用精度設計、可靠性設計、安全性設計、智能化設計、經(jīng)濟性設計和人機工程學設計等基本方法或創(chuàng)新方法，并結合測控技術與儀器專業(yè)知識，提出基本滿足技術要求的測控儀器設計簡要方案。圍繞測控儀器的五大特性，學生能夠掌握各大特性各自基本的設計方法，還具有創(chuàng)新意識，能夠追求創(chuàng)新設計方法。因此，課程教學首先講授基本和常用的設計方法，然后通過對一些新型設計方法的討論培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。比如在第二章中，首先講授標準量細分和補償原理等常用的提高測控儀器測量精度的設計原則與方法，然后結合特定例子來討論一些創(chuàng)新的設計方法。

3.3? 評價設計結果能力

對于評價設計結果能力的培養(yǎng)主要通過對設計結果進行分析并評估與設計任務的偏差來實現(xiàn)，同時要求能夠在評價的基礎上提出修改方案，追求創(chuàng)新意識。具體表現(xiàn)為能夠對測控儀器的設計方案進行誤差分析、可靠性分析、安全性分析，驗證設計方案能否滿足設計任務，分析存在的問題并提出具有可行性的改進方案，理解相關領域未來技術發(fā)展對測控儀器設計方法更新的推動作用，具有時刻學習最新理論和技術的意識等。通過課程學習，學生需要掌握常用的評價方法，比如通過誤差分析來評價測控儀器的測量精度，通過可靠性評估和檢驗來評價測控儀器的可靠性。評價的能力屬于高階能力，要求學生能夠采用合適的手段來度量和分析測控儀器的特性，給出評價結論。所設計的教學內容注重對評價能力的培養(yǎng)，尤其通過結合項目驅動式教學方法[4]來進一步加強該能力的培養(yǎng)。

3.4? 人文精神的培養(yǎng)

除了支撐上述能力的培養(yǎng)外，所設計的教學內容也能夠支撐部分人文精神的培養(yǎng)。比如：通過對比國內高端儀器發(fā)展水平與國際先進水平的差距，激發(fā)學生投身于測控儀器研究和發(fā)展的使命感；通過講授測控儀器安全性設計和人機工程學等設計思想，體現(xiàn)工程設計中的人本精神；通過講授測控儀器的創(chuàng)新設計，以及要求學生在設計報告中分析現(xiàn)有儀器設計方案的不足，提出創(chuàng)新性的儀器設計修改方案，提高批判性思維和創(chuàng)新意識。

4? 結束語

通過分析測控儀器的核心特性，圍繞核心特性組織教學內容，改變目前的三部曲式教學內容形式，目標在于讓學生能夠在整體上把握測控儀器的核心問題，能夠理解現(xiàn)代社會對測控儀器的核心需求，從而對測控儀器有更加全面的理解，最終能夠更好地支撐對分析、設計、評價等能力的培養(yǎng)以及支撐對人文精神的培養(yǎng)。

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*項目來源：北京信息科技大學2021年教學改革項目“以問題為脈絡的《測控儀器設計》課程教學內容改革”（2021JGYB05）。

作者：吳思進，通信作者，北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，副教授，博士，主要研究方向為測控儀器設計等；孫廣開、牛海莎，北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，副教授，博士，主要研究方向為測控儀器設計等（100192）。