海水声速测量系统案例设计及教学实践

胡梅 周超 瞿智 郭熙业 靳晓艳

[摘           要]  測量原理是测控技术与仪器专业的一门学科基础必修课，通过课程学习，要求学生基于测量学的三大基本问题熟练掌握测量原理的五个基本概念和三个基本操作，深刻理解知识内涵，初步具备测量方法论思维，教学难度极大。为了让学生更好地理解如何将测量原理知识实际应用，精心设计了海水声速测量系统教学案例，通过具体问题导入、测量基本原理分析、测量系统设计与实现、测量系统分析与总结四个部分，将课程核心知识点有机串联，进行了教学实践，取得了良好的教学效果。

[关    键   词]  测量系统;案例设计;教学实践

[中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A              [文章编号]  2096-0603（2021）31-0041-03

一、案例教学法和测量原理课程特点

随着我国高校教学改革的不断深入，案例教学法越来越多地运用到教学实践中，尤其是理论课程的相关知识点解析教学环节中。案例教学通过实例演示使抽象理论变得直观易懂，使教学过程更加生动活泼，能够启发、引导学生积极思考[1-2]。近年来，案例教学法在教育科研方法、数学、信息光电子学、机器学习、现代数字信号处理、数字电子技术基础等不同类型的课程[2-7]中均得到了有效运用，取得了良好的教学效果。

测量原理是测控技术与仪器专业的学科基础课程，是本专业学生学习后续专业课程的基础知识，是学生进行抽象思维、理论分析与技术设计的学科专业基础。课程围绕测量学的三大基本问题：量值的存在性、量值的可测性和量值的确定性问题展开，将测量原理的核心知识点分为两个方面：基本概念和基本操作[8]。基本概念包括五个名词：量值、信号、算子、误差和系统，基本操作包括三个动词：分析、计算和设计。课程教学目标是要求学生基于测量学的三大基本问题熟练掌握测量原理的五个基本概念和三个基本操作，深刻理解知识内涵，初步具备测量方法论思维。课程主要从“抽象”与“理论”两个过程传授知识与技能，教学难度极大。

海水声速测量问题是一个非常典型的测量问题，具有明确的实用价值[9-10]。为了让学生更好地理解课程的各重难点知识环节，结合案例教学法优点，精心设计了海水声速测量系统案例，将测量原理的五个核心关键名词和三个核心关键动词有机串联，以助于学生深入理解课程内涵。

二、教学案例设计

基于PBL教学法的课堂知识讲解：通过《泰坦尼克号》电影中的邮轮撞冰山灾难，引出问题：如何探测冰山离邮轮的距离？答案是：速度乘以时间。从而指出，海水中信号传播速度的测量问题具有明确的实用价值，可为水下智能无人系统载荷设计提供重要的参考参数。

结合测量原理所学知识，回答在海水声速测量系统设计中，要求的量值是什么？测量信号是什么？可以选择什么测量算子？测量允许的误差是多少？测量系统搭建过程中要注意哪些问题？

基于分组研讨的实验思路引导：给定仪器设备（计算机、综合信号处理模块、声速测量实验平台）、软件工具（Matlab、上位机软件SDDS）和主要器件（发射换能器、接收换能器）实现海水声速测量系统，实现超声波在海水中的传播速度测量，这是一个比较复杂的系统工程，将学生分为三个小组，分别研讨理论分析与仿真、实验系统搭建、信号采集与数据处理三个关键实验环节。

（一）理论分析与仿真小组

计算比较单频和双频发射信号各自的有效性特征，选择哪一种信号？在Matlab仿真时，如何设置离散间隔，普适性测量算子和匹配滤波器算子如何编程实现？验收重点是：最终确定发射双频超声波信号，测量算子程序模块调试通过。

（二）实验系统搭建小组

综合信号处理模块电源如何接线？发射换能器和接收换能器，如何与综合信号处理模块上的AD和DA连接？上位机软件SDDS如何进行初始化设置？如何通过上位机软件观测发射信号波形和接收信号波形？验收重点是：上电不烧电路板，系统能“跑通”。

（三）信号采集与数据处理小组

如何通过上位机软件SDDS将发射信号进行存储？在进行接收信号采集时，时间起止是什么？采集的信号存储到什么地址？如何同时观测对比实际接收信号和发射信号的时延？验收重点是：基于理论分析与仿真小组编写的Matlab程序，完成数据处理，解算测量结果，计算测量误差。

三、教学实施环节设计

具体的教学实施分为四个环节：现场教学环节、分组研讨环节、现场操作环节和总结演讲环节。

（一）现场教学环节

梳理“测量原理”的知识脉络，提出通过海水声速测量系统设计案例将课程的所有知识点串联起来;分析案例设计的背景和应用价值，根据给定的仪器设备、软件工具和主要器件，重点介绍综合信号处理模块和声速测量实验平台的组成和功能、上位机软件SDDS的界面和使用、发射换能器和接收换能器的工作原理。该环节以教师讲授为主，学生理解实验系统设计任务需求，参考实验指导书阅读相关的说明文档。

（二）分组研讨环节

将海水声速测量系统设计问题看成一个系统工程，按照时间先后分为理论分析与仿真小组、实验系统搭建小组、信号采集与数据处理小组，进行研讨确认各自的实施方案。理论分析与仿真小组研讨发射信号的频率设计、测量算子的程序设计;实验系统搭建小组研讨电源选择、AD和DA转换、上位机软件SDDS初始化;信号采集与数据处理小组研讨发射信号和接收信号的存储与提取、量值解算和测量合格性判断。该环节以学生研讨为主，教师根据实际进行思路引导，对各组的研讨结论进行评价。