重庆大学精密与智能实验室

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教学内容

1. 结合本校的办学定位、人才培养目标和生源情况,说明本课程在专业培养目标中的定位和课程目标

测控仪器设计课程是测控技术与仪器专业的主干专业课程,也是测控技术与仪器专业设置的最后一个课堂教学环节,参见图1(本人归纳的测控仪器设计课程与其他教学环节的关系图)。在我们的专业建设中将其定位为体现专业特色的核心课程。在重庆市高等教育教学改革研究重大项目(测控技术与仪器专业主干专业课程体系及创新教学模式改革与实践(项目编号:09-1-001))、高等学校特色专业建设点建设项目(测控技术与仪器专业)、重庆大学本科教学团队建设项目、重庆大学大类系列课程建设项目(测控类专业核心系列课程)的研究工作中均列为核心课程进行建设。

图1. 测控仪器设计课程与其他教学

在该课程的教学大纲和对学生授课时对课程的性质、目的和任务定义如下:

测控仪器设计是测控技术与仪器专业及相近专业的一门综合性专业课,主要目的是 培养学生综合运用机械、光、电子学、计量学等学科的知识以及运用计算机技术、控制理论与技术、测试理论与技术、液压(气动)理论与技术等专门技术进行测控仪器总体设计的能力,并培养学生初步掌握运用现代设计理论与方法进行仪器设计的能力 。在培养测控仪器高级工程技术人才的全局中具有增强学生对测控仪器的研究,设计及开发工作的适应性和开拓性的作用。

2.知识模块和对应的学时

(1)测控仪器设计的基本概念(4学时(1/12)

■测量与控制的基本概念、仪器的基本概念、仪器系统的组成单元、仪器系统的分类及类型。

■测控仪器的特点与展望。

■产品设计的一般过程、测控仪器设计要求与特点、测控仪器设计的一般程序。

■测控仪器造型设计:一般介绍。

(2)仪器精度理论(8学时(1/6))

■仪器精度理论的基本概念:误差及其类型和表示方法,精度及其分类,仪器静态特性与精度指标,仪器动态特性与精度指标

■仪器误差来源及性质:原理误差、制造误差与运行误差的特征,激光扫描测径仪的误差分析,量化误差,数据采积与变换误差,大齿轮齿形误差在位测量仪的原理误差分析,摇臂式坐标测量机的误差分析等,减小误差的措施。

■仪器误差的分析与计算:仪器误差分析/精度分析的概念,误差的分析与计算的步骤,误差独立作用原理,微分法、几何法、作用线与瞬时臂法、数学逼近法、矢量代数法等误差分析与计算方法的含义及应用。

■仪器误差综合:系统误差与随机误差的综合方法,仪器误差综合的典型例子。

■立式光学计的误差综合举例

■仪器精度设计:仪器精度设计的基本概念,仪器精度指标的确定方法,误差分配方法,球径仪的误差分配与调整实例。

(3)测控仪器总体设计(18学时(3/8))

■设计任务分析与创新点的构思:测控仪器设计任务的类型,设计任务分析的内容,创新点的构思方法,以三坐标测量的触发式测头为例介绍创新点的构思方法。

■测控仪器若干设计原则与设计原理:Occam剃须刀,阿贝原则及其扩展,变形最小原则,比较测量原理,平均读数原理,补偿原理,测量链最短原则,坐标系基准统一原则,精度匹配原则,经济原则,圣文南原理,精确约束设计,作用中心原理,弹性平均效应原理,测量链与结构链分开原则,误差分离原理

■测控仪器工作原理的选择和系统设计:信号转换与传输原理的选择,标准量及其细分方法,数据处理与显示装置的选取,运动方式与控制方式

■测控系统主要结构参数与技术指标的确定:以光学灵敏杠杆的杠杆比的确定方法说明从精度要求出发确定仪器参数的方法,以小模数渐开线齿形误差检查仪的结构参数的确定说明从测量范围要求出发确定仪器参数的方法,以电容压力传感器的结构参数的确定说明从误差补偿要求出发确定仪器参数的方法。

(4)精密机械系统设计(6学时(1/8))

■精密机械系统的结构设计:仪器机械结构的功能及设计要求,典型机械结构形式,如开式结构、闭式结构与正四面体结构。

■支撑件设计:设计要求与设计方法

■导轨及其设计:导轨的作用及分类,导轨设计的基本要求,设计应遵守的原则,各种导轨的具体设计

■主轴系统及其设计:主轴系统的功能,设计基本要求,主轴系统的类型,各种主轴系统的设计方法

■伺服机械系统设计与微位移机构设计

(5)测控仪器的电路系统设计(2学时(1/24))

■电路系统的组成、要求和设计准则

■电路系统的精度

(6)测控仪器的光电系统设计(6学时(1/8))

■光学干涉原理的主要应用

■干涉计与激光干涉系统的组成

■光束处理元件

■提高干涉测量精度的方法

■移相技术

■干涉条纹计数的原理

■外差干涉仪的原理

(7)测控仪器的现代设计方法(4学时(1/12))

■计算机辅助设计方法

■优化设计方法

■可靠性设计方法及创造性设计方法

3.课程的重点、难点及解决方法

测控仪器设计课程的重点和难点的确定基于下述考虑:

在压缩课堂教学时数的大趋势下,测控仪器设计课程只能讲授测控仪器设计中共同性的问题。总体来说,第二章和第三章是测控仪器设计课程的重点,在一定程度上来说讲授完第二章和第三章内容,本课程就可以结束了。

由于典型的测控仪器系统可以从结构组成上分成精密机械子系统、电路子系统、光电子系统、软件子系统等几个部分,但是这些知识点在先修课程中已有涉及,在本课程中只是应用和提升。应适当提升这些知识点,但不能作为讲课重点,鼓励学生通过复习及自己看书的方式和部分学生上讲台讲述讨论的方式解决。

由于大多数学生本科毕业后会直接走向工作岗位,而针对测控技术与仪器专业的本科生来说在本科学习阶段并未开设与现代设计方法有关的课程,为了让学生今后能够采用现代设计方法的手段进行测控仪器设计,因此让学生掌握一些现代设计方法的基本知识是必须的,方便其今后的学习和工作。

创新是我们目前在产品设计和开发过程中首要注意的问题,因此如何培养学生的创新思维能力和冲动是迫切需要解决的问题。

通过在课堂教学过程中引入一些人文知识让学生理解和明白进行测控仪器设计不仅需要技术知识和技巧,更需要一些精神层面的东西,包括自己的人文修养、处世风格、生活态度等。同时在讲授课程中给学生总结一些设计座右铭之类的东西,方便学生记忆和理解,培养学生兴趣。

有了上述思考,确定课程重点、难点就容易了。根据上述思考确定的课程重点、难点如下。

(1)课程重点

■仪器精度设计是本课程的重点之一(对应教材的第二章第六节)

■测控仪器总体设计时应考虑的一些问题

■测控仪器设计原理和原则

■测控仪器主要结构参数与技术指标的确定方法

■测控仪器现代设计方法基础

(2)课程难点

■仪器精度设计是本课程的难点之一(对应教材的第二章第六节)

■测控仪器总体设计时应考虑的一些问题

■测控仪器设计原理和原则的具体应用问题

■测控仪器主要结构参数与技术指标的确定方法

■创造性设计思想及其在测控仪器设计中的应用问

(3)解决方法 为了确保将测控仪器设计课程的重点和难点讲授清楚,采取如下措施:

为了方便学生理解,在讲授具体的设计原理和设计准则之前给学生讲述清楚具体的仪器的原理、结构及操作方法,安排一些现场课介绍仪器,在此基础上再给学生介绍设计原理和设计准则的产生背景,学生就比较容易理解了。

任何设计原理和设计原则都是借助具体的仪器进行介绍的,为了让学生快速理解,在现场课的基础上通过幻灯和动画详细给学生介绍仪器的工作原理、结构组成、操作使用方法等。在此基础上再给学生介绍设计原理和设计准则的产生背景,学生就比较容易理解了。

在讲授设计原理和设计原则的时候,给学生详细介绍其产生和提出的背景,并且介绍这些设计原理和原则带来的好处和对仪器精度提高的作用。让学生理解这些原理和原则在提出来的时候所具有的新颖性和科学价值,从而提升学生的创造性思维方式和兴趣。

在压缩课堂教学时数的大趋势下,我们不是去为本门课程争取更多的授课学时数,而是通过对教学内容的合理组织使课堂内的效率极大化。最主要的手段是抛开课本章节的限制,将技术性较强的章节融入到仪器总体设计中集中介绍,在讲授仪器设计原理和原则时必须讲授清楚仪器的组成及结构特点,那么同时也将精密机械系统设计、电路系统设计和光学系统设计的知识适时插入并提升。不用再单独讲授精密机械系统设计、电路系统设计和光学系统设计的内容。不仅提高了课堂效率,而且有助于学生加深理解。

“君子生非异也,善假于物也《荀子 劝学第一》。”在当时科学和技术并不发达的情况下,荀子能总结出君子善假于物的重要性是值得我们深思的。在科学和技术日新月异的今天,我们要教会学生的思维方式不能仅仅是“善假于物也”,更为重要的是教会学生如何借助科学和技术成果的力量。有鉴于此,我们特别注重现代设计理论与方法在未来测控仪器设计中的重要性:为了让学生有采用现代设计方法进行测控仪器设计的冲动,我们花费很少的时间结合具体实例向学生介绍测控仪器设计中的现代设计理论与方法,让其建立一些基本概念和思路,为其今后的学习与应用奠定基础。

通过在课堂教学过程中引入一些人文知识让学生理解和明白进行测控仪器设计不仅需要技术知识和技巧,更需要一些精神层面的东西,包括自己的人文修养、处世风格、生活态度等。同时在讲授课程中给学生总结一些设计座右铭之类的东西,方便学生记忆和理解。

采用“拿来主义”:对于在先修课程中学习过的知识点,提前布置学生复习和温习,在讲课时就假定学生已完全掌握,这样既可以提高课堂效率,又可以强迫学生预习和复习大学前期学习过的知识点。让学生明白本课程的重要功能之一是“串联”知识点,通过在测控仪器设计课程中使用这些知识点使学生融会贯通,形成有机整体。

对于子系统设计(包括精密机械子系统设计、电路子系统设计、软件子系统设计等),要求学生复习精密机械设计基础、电子技术、测控电路、程序设计等先修课程内容的基础上自学,并鼓励部分同学上讲台交流。

结合学科优势和地方产业优势,在教学过程中给学生介绍最新的仪器及其设计思想。

4.实践教学活动的设计思想和效果

本课程是一门理论教学课程,但是考虑到毕竟涉及到测控仪器具体对象,为了加强教学效果,特别设计了一些实践教学活动。

(1)实践教学活动的设计思想

尽量少占用理论教学课程的教学时间。辅助理论课程教学、帮助学生理解理论课程的内容、将抽象的理论问题具体化、帮助学生从科学思维方式向工程思维方式转变。

根据上述实践教学活动的设计思想,设计的具体实践教学环节如下:

(a)测控技术与仪器专业综合课程设计(配套的实践教学环节,必修,4周时间)

课程的性质、目的和任务可以看出,测控仪器设计课程只能以讲授进行测控仪器设计的基本理论知识为主,讲授测控仪器设计过程中共性的问题,包括设计原理与设计准则、精度设计与分析方法、各子系统设计方法等。由于时间限制,在课堂讲授中很难涉及到具体的设计工具的综合应用问题。仅具备测控仪器设计课程讲授的知识仍然难以进行测控仪器设计,还必须借助各种现代设计工具和各种专门知识,如电路设计、软件设计、机械设计等,这些在测控仪器设计课程中难于全面讲授。

通过配套的实践教学环节“测控技术与仪器专业综合课程设计(必修)”,使学生综合利用所学的本专业基础知识,利用现代设计方法和工具并在规范的流程指导下解决和完成一项本专业具有代表性的工程设计问题,培养学生解决工程实际问题的能力。

测控仪器设计课程和测控技术与仪器专业综合课程设计实践教学环节的教学内容统一设计,在功能上互相补充、相互支撑。二者相得益彰。

(b)在讲授测控仪器设计过程中共性的问题,包括设计原理与设计准则、精度设计与分析方法、各子系统设计方法等时,需要涉及具体的仪器。我们在讲授课程的过程中,利用多媒体技术信息量大的特点、采用仪器实物图片及原理图片等给学生详细讲解仪器的基本组成和操作方法。增强学生的工程能力。

(c)安排认知环节,利用教学实验仪器和科研仪器在现场给学生讲解仪器的基本组成单元、相互之间的连接以及信息获取方法。增强学生的工程实践能力。让学生尽可能地理解一台仪器的原理框图是如何变成一台具体的仪器。反过来,也帮助学生建立起由一台具体的仪器如何抽象出其原理框图的能力。

(2)实践教学活动的教学效果

2005年学生对“教师授课特色”评价结果摘录:“板书清楚、绘图规范,或使用多媒体效果好”。“比较深入细致重点在培养学习能力”(参考(2)校内学生评教指标和校内管理部门提供的近三年的学生评价结果)。说明我们在这方面的尝试取得成功。

关于在测控技术及仪器专业教学中开设专业综合课程设计的实践问题,课程负责人已整理成论文与大家分享:王代华,在测控技术及仪器专业教学中开设专业综合课程设计的实践,高等工程教育研究, No 3, 125-128, 2007。值得欣慰的是该论文在“2010年教育部高等学校仪器科学与技术教学研讨会论文集(长沙,2010)”中就被5篇论文同时引用,说明了我们的实践教学环节的价值。引用课程负责人的论文的5篇论文可参考课程负责人作为第一署名人在国内外公开发行的刊物上发表的教学研究论文部分。

受邀在2009年高等学校仪器科学与技术教学研讨会上作大会特邀报告(如图2所示),交流我们的实践经验:王代华,专业综合课程设计在高等工程教育中的作用和地位[大会特邀报告],2009年高等学校仪器科学与技术教学研讨会,长春, 2009年7月28日-8月1日。

同时,我们的实践成果已经获得重庆大学优秀教学成果二等奖:王代华,重庆大学优秀教学成果二等奖:测控技术与仪器专业综合课程设计实践教学环节的建设与实践(证号:20082076(1-1)),2008.7。

另外,测控仪器设计课程已被遴选为2010年度重庆大学校级精品课程

图2.课程负责人在2009年高等学校仪器科学与技术教学研讨会上作大会特邀报告情况

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