“誤差理論與數據處理”課程建設的實踐與思考

徐霞　張美鳳　蔡建文

【摘 要】“誤差理論與數據處理”課程是測控技術與儀器專業的一門重要的專業基礎課，該課程主要講述常見物理量測量中的誤差理論及其數據處理方法，使學生掌握誤差理論與數據處理的基本概念、基本原理、基本計算方法，培養學生分析處理實驗數據的能力。由于課時、教學條件的制約，開設該課程的高校普遍對傳統的靜態測量的數據處理講授較多，對現代誤差理論、不確定度評定及動態測試的數據處理講述較少，這已經不能適應信息時代的要求。近年來，本課題組致力于該課程的教學改革，在理論與實踐教學內容、教學條件、教學方法、教師隊伍等多方面開展了卓有成效的改革，取得了良好的效果。

【關鍵詞】課程建設；教學改革；誤差理論與數據處理

【Abstract】“Error theory and data processing”course is an important professional basic course of measurement and control technology and instrument specialty， this course mainly talks about the error theory and data processing method of the common physical quantity measurement， to make the students master the basic concepts， basic principles and calculation methods of error theory and data processing，and cultivate students ability to analyze and process the experimental data. Due to the constraints of class hours and teaching conditions， generally the traditional static measurement data processing teaching more， the modern error theory， uncertainty evaluation and dynamic testing of the data processing is involved less， this has not adapted to the requirements of the information age.In recent years， our research group worked on the teaching reform of the course， in many aspects of the theory and practice of teaching content， teaching conditions， teaching methods and teachers to carry out the effective reform， and achieved good results.

【Key words】Course construction； Teaching reform； Error theory and data processing

1 課程建設的背景及思路

1.1 課程建設的背景

“誤差理論與數據處理”課程是測控技術與儀器專業的一門重要的專業基礎課，主要講述幾何量、機械量以及其他有關物理量的靜態測量和動態測量的誤差理論與數據處理。該課程的主要任務是通過各教學環節，使學生掌握誤差理論與數據處理的基本概念、基本原理、基本計算方法，培養學生分析、處理數據的能力，為學習后續課程的學習以及從事工程技術，科學研究等工作打下堅實的基礎。

由于課時、教學條件的限制，以往該課程教學過程中對傳統的靜態測量的數據處理講授較多，對現代誤差理論、不確定度評定及動態測試的數據處理講述較少，這已經明顯落后于現代測試技術的發展。該課程具有較強的實踐性，但在以往的教學過程中主要側重理論內容講授，沒有設置實踐性環節。在學生對課程教學的評價中也提到主要教學內容都是原理及算法，內容有些枯燥。以上問題導致學生對該課程在專業人才培養方案中的作用認識不足，影響了教學效果，不利于培養學生分析解決實際工程應用問題的能力和創新能力。由于該課程和前期的概率論與數理統計、互換性與測量技術、信號分析與處理以及后續的傳感器與測試技術、自動檢測技術、精密測量技術等課程聯系較為緊密，所以也需要從整個知識體系和學生能力培養的高度對其教學內容、教學計劃進行統籌規劃。

1.2 課程建設的基本思路

本課程教學建設的基本思路主要包括以下幾個方面：一是，對該課程在人才培養方案中的定位和教學目標進行全面認真地分析、討論，從信息化的視角并結合相應的職業崗位要求，全面理清學生應掌握的知識點、能力點和技能點；二是，在此基礎上制定教學大綱（課程標準），包括各單元教學內容及基本要求、學時分配、考核評價方式、實踐教學內容等；三是，著力進行教學方法與教學手段的改革，授課教師全程參與到課堂教學、實驗指導、大作業以及畢業設計的各個教學環節中，采用多層次、全方位、反復訓練的教學方法，培養學生的各項技能，并充分利用現代化教學手段進行輔助教學；四是，以教學改革、科研為抓手，進一步提高主講教師的教學科研水平，建立一支結構合理、師德高尚、素質優良、充滿活力的教師隊伍。

2 課程教學改革的具體實踐過程

2.1 教學內容建設

2.1.1 理論教學內容改革

該課程的教學內容從總體上遵循“理論夠用、強化應用”的原則，突破了傳統的教學方式。課程以不同的測量方式下的誤差理論與測量數據的處理方法為主線，層次主線清晰，結構科學合理，注重教學內容和課程體系創新。以教學大綱為基本依據，遵循教學內容的科學性、先進性和適用性的原則，充分考慮了我校應用型人才的培養目標，強化了數據處理實際應用方面的訓練，做到思路開闊，注重應用。增加了現代誤差理論、不確定度分析和動態測量的誤差處理方面的內容。在講授系統不確定度評定時，就以實際的測量系統為例，結合傳感器、轉換電路、A/D轉換等環節的精度分析，進行系統的總體精度評定，把“傳感器原理及應用”、“產品質量檢測技術”、“模擬電子技術”、“數字邏輯與系統”等課程的相關內容很好地結合起來。通過這樣的講授，學生就會了解這些課程及教學內容在實際工程應用中的具體作用，為后續各環節的教學打下了良好的基礎。同時我們針對不同的專業方向，在教學內容的設置上有所側重。在講授應用舉例時“檢測技術與質量工程”方向突出產品質量檢測中的精度分析與數據處理，“計算機測控技術”方向突出測量系統集成設計中的不確定度評定和系統特性分析中的數據處理方法的講解。

2.1.2 實踐教學內容改革

本課程在很多高校都一直定位為理論性強的課程，很少有學校設置實驗，考慮到我校培養應用型人才的目標和學生的就業走向，我們加強了實踐環節的訓練。一是，我們開發了基于MATLAB的仿真實驗系統，直接在課堂演示，彌補了實驗學時不足的問題，同時為學生實驗打下一個基礎。二是，我們充分挖掘實驗室現有資源，精心開發設置了多個實驗項目，包括驗證性、綜合性實驗和設計性實驗。三是，我們設置了大作業環節，以其提高學生的解決實際問題的能力，教師給出測量系統的設計要求和總體精度，要求學生自己查閱元器件相關參數，選擇合適的器件進行總精度評定；或者給出某一個工件，要求學生選擇合適的測量器具進行測量，并進行測量誤差的詳細分析，在此基礎上完成設計或測量分析報告。這樣的大作業類似于一個課程設計，學生可以結合所學內容，解決關于精度評定和誤差分析與數據處理的實際問題，提高分析問題解決問題的能力。四是，注重在實踐中進行測量數據處理的基本能力訓練，我們自行開發了基于MATLAB的誤差與數據處理系統、基于LabVIEW的精密測量數據處理系統，要求學生充分利用這些軟件對實驗結果進行誤差分析和不確定度評定。

2.2 教學條件建設

課程組編寫了高質量的教學講義，既有紙質稿，又有電子稿，自編了多媒體課件，編寫了《誤差理論與數據處理實驗指導書》、《誤差理論與數據處理習題集》，建成了本課程的輔助教學網站。目前在畢博教學平臺上的教學資源主要包括該課程的教學大綱（課程標準）、教學計劃安排表、學習指導書及教學參考書等各類輔助學習資料等教學文件，電子講義、多媒體課件、虛擬仿真實驗等電子教學資源，實驗教學內容、實驗指導手冊、大作業實例等實踐性教學資源；課后習題、試題庫、模擬試卷及相應的參考答案等考核性資源等。網絡資源方便學生課后的進一步學習，有效地彌補了課時不足的問題和課堂教學的局限性，培養了學生的自主學習能力。主講教師也可以通過網上授課系統、網上答疑系統和網上考試系統的交互功能及時掌握學生的學習情況和存在的問題，以進一步改進教學方法，提高整體教學質量。用MATLAB和LabVIEW制作了誤差與數據處理系統和精密測量數據處理系統，直接在課堂演示，彌補了實驗學時偏少的問題。

2.3 教學方法改革

在教學過程中，教學團隊采用了多層次、全過程的教學方法。在要求學生掌握誤差與數據處理的基本原理、基本方法的同時，更加著重實踐能力的訓練。我們將實踐能力分別通過實驗課程、大作業、畢業設計三個層次進行全過程不斷線地培養，取得了良好的教學效果。比如在講完測量不確定度評定這部分內容后，隨即就在布置了相關的實際操作大作業中，讓學生進行實際的訓練，把課堂知識和實際應用很好的結合了起來，學生感覺課堂學習有針對性，學習興趣提高了。近幾屆部分學生在完成誤差理論課程學習，實驗、大作業的鍛煉后，基本掌握了這部分知識。而在畢業設計中，學生進行系統設計或者測量方案選擇時，仍然需要用到這部分知識，課題組老師會繼續跟蹤進行指導。這樣通過多層次、全過程的反復學習和訓練，使學生真正理解了有關測量誤差方面的理論知識，對數據處理與分析在測控系統設計與檢測中的應用有了更加深刻的體會，也進一步提高了學生分析問題、解決問題和創新實踐的能力，這為以后從事相關的工作奠定較好的實踐基礎。此外，學生通過網絡資源中的習題、自測試題、虛擬仿真實驗等進行自主學習、自主訓練，并且能夠針對自己的測薄弱環節進行有針對性的強化訓練；教師收集學生自主學習的信息，通過整理和分析能夠實時掌握學生的學習狀況以及存在的問題，可以進一步改進教學方法，提高教學的有效性。

2.4 主講教師隊伍建設

利用課程建設的契機，課題組加強了師資隊伍建設，具體表現在以下幾個方面：第一，樹立了良好的師德師風，課程組人員熱愛、忠誠社會主義教育事業，甘愿為之貢獻自己的聰明才智和畢生的精力，敬業樂業。備課認真，從不馬虎。上課前都做到必備的幾個基本教學元件：教學大綱、課程計劃、教案、講稿、平時成績記錄表。踏實的工作作風和極強的全局觀念，使課程的各項建設順利進行。第二，提高自身業務素質，我們一貫注重教學方法的研究，我們認為具有深的理論知識和強的實際動手能力是必須的，但同時必須要有高超的教學方法。我們采取同行聽課的方式，共同磋商教學方法，使教學藝術水平不斷提高；主講教師還開設其他相關課程，有前期課程和后續課程，這樣能切身體會課程在整個教學計劃中起的作用，更能知道該課程與其它課程的聯系，有助于提高教師的業務水平，如我們有的教師承擔了《互換性與測量技術》、《產品質量檢測技術》、《傳感器技術》等課程的教學任務，在課程的講授中非常自然的將這些課程聯系起來。通過多年的努力，課程組核心成員的教學能力得到顯著提升。教師開發的優質教學資源獲得江蘇省高校多媒體課件一等獎1項，全國多媒體課件大賽二等獎2項，三等獎2項，優秀獎2項；教師獲得江蘇省高等教育教學成果獎一等獎1項、學校教學成果獎特等獎1項、一等獎2項；教師主持的課程建設項目獲江蘇省精品課程1門、校精品課程7門；主持江蘇省高等教育教改研究立項課題2項，完成江蘇省教育科學“十一五”規劃課題1項，校級教學改革課題15項，出版教材7部；在《實驗室研究與探索》、《電氣電子教學學報》等期刊發表教學研究論文20余篇。

3 課程建設中存在的問題及思考

目前教學中所用教材是部優教材，但由于編著者多為研究型或教學研究高校的老師，所以內容偏理論，部分內容講述過深，而實踐應用部分內容相對較少，實例也較少?？梢钥紤]和其它同層次相近專業老師合作編寫適合于應用型本科人才培養目標的教材，以便得更好的教學效果。隨著科技的不斷發展，測控技術逐步由靜態轉向動態測控、由離線測量轉向在線測量，因此需要加大這方面測量數據處理理論與方法的講述，或者進一步開設配套的專業選修課，為學生的繼續學習提供平臺。

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[責任編輯：楊玉潔]