“多傳感器信息融合技術”研究生課程案例庫建設與教學實踐

摘要：案例教學是推動研究生培養(yǎng)模式改革的重要手段。文章以“多傳感器信息融合技術”課程作為切入點，在與學科前沿緊密結合的基礎上，進行了課程案例庫的建構與內容設計，通過在教學環(huán)節(jié)中復現(xiàn)實際的工程情境，促進研究生對具體問題進行主動思考和深入分析，進而實現(xiàn)知識和能力的充分融合。實施效果調查顯示，案例教學有利于拓寬研究生的科研視野，提升研究生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力。關鍵詞：“多傳感器信息融合技術”課程;案例庫建設;研究生教育一、引言多傳感器信息融合是一種對信息多個維度、多個層面的處理過程。在處理過程中，師生可以借助對多源數(shù)據(jù)的融合，得到更加準確、完備、及時的目標狀態(tài)與特性。這一處理過程的工作價值主要落實在對多源數(shù)據(jù)的提取、復合、相關、估計和重組等方面，進而得到狀態(tài)、身份、態(tài)勢等一系列完整、及時的評估信息。所融合的信息主要來自于按時序提取的多個傳感器的觀測數(shù)據(jù)。多個傳感器在一定規(guī)則下進行分析、綜合，從而產生更加可靠和準確的信息，并據(jù)此做出更合理的估計和決策。信息融合的關鍵理論與技術是在對各種原始測量數(shù)據(jù)進行預處理、關聯(lián)、決策和融合等各環(huán)節(jié)中所用到的處理方法，而這一方法在工程實踐中有非常廣泛的應用[1]。20世紀初，哈佛大學（HarvardUniversity）法學院率先使用案例教學法，以實際案例為基礎，讓研究生積極參與案例討論，充分調動了研究生的主動性，形成了師生間共同學習、研究、分析的和諧氛圍，很好地改善了教學效果[2]。近年來，各國高校紛紛引入此方法，且大多取得了較好的效果[3]。目前，我國高校已在很多學科的專業(yè)課程教學中引入了案例教學法。這一方法的引入，有助于提升人才培養(yǎng)水平，消除理論與實踐的差距，且都取得了較好的效果[4]。教育部發(fā)布的《關于加強專業(yè)學位研究生案例教學和聯(lián)合培養(yǎng)基地建設的意見》指出，進行案例教學，要以實踐為基礎，緊密聯(lián)系理論，培養(yǎng)研究生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力，并使研究生在這一過程中掌握理論知識，提高工程應用能力。在課程教學過程中開展案例教學，有利于強化研究生的實踐能力，加大理論與實踐的融合力度，推動培養(yǎng)模式改革?；诖?，“多傳感器信息融合技術”課程立足新工科建設背景，與學科前沿緊密結合，進行案例庫建設[5-7]。通過在教學環(huán)節(jié)中復現(xiàn)實際的工程情境，促使研究生主動思考和深入分析問題，實現(xiàn)知識和能力的充分融合，拓寬其科研視野，提升其創(chuàng)新能力，為后續(xù)研究的順利進行奠定良好基礎[8]。二、案例庫建設的必要性“多傳感器信息融合技術”是一門理論性與實踐性很強的課程，是河南理工大學電氣工程與自動化學院針對研究生開設的一門重要選修課程，對研究生的理論學習和實踐綜合能力要求較高。本課程的教學目的是通過課程學習，使電氣工程、電子信息、控制科學與工程等多個學科的研究生能夠深入理解信息融合思想，掌握D-S證據(jù)理論、模糊集理論、貝葉斯方法、粗糙集理論等具有代表性的融合方法及其應用實例，并能夠通過信息融合方法解決工程應用和項目開發(fā)過程中涉及的信息采集與處理等方面的實際問題?，F(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中的信息是多源且復雜的，而單個傳感器所收集的信息大多是單一且不完備的，在某些特殊情況下還會是錯誤的。同時，不同傳感器的精度參差不齊，收集信息的類別也不盡相同。如果將多個傳感器所收集的信息進行集中處理并統(tǒng)一分析，那么所得結果往往會比單個傳感器收集的信息更可靠和準確，從而極大地提高控制過程中的精度。不同的傳感器所提取的信息往往在維度與表現(xiàn)特征等方面存在不同，而信息融合可以獲得單一傳感器無法獲取的特征信息，大大加強系統(tǒng)的抗干擾能力[9]。在《中國制造2025》中，我國提出開發(fā)能夠自動執(zhí)行、智慧決策的智能制造裝備及生產線，提高生產過程中的智能控制與決策水平，搭建智能制造網(wǎng)絡系統(tǒng)平臺等任務[10]。而這些核心技術的第一步都要著眼于信息的收集與融合處理，因此，高校需要引導研究生掌握信息融合理論和應用技術，為服務國家戰(zhàn)略目標培養(yǎng)研發(fā)人才?！岸鄠鞲衅餍畔⑷诤霞夹g”案例庫建設將信息融合理論和實際相結合，注重培養(yǎng)研究生解決復雜工程問題的應用實踐能力。從實際教學的實施過程來看，傳統(tǒng)教學多采用教師授課、研究生被動接受的形式，缺少了沉浸感，無法調動研究生的主觀能動性，教學效果不佳。“多傳感器信息融合技術”課程教學對各種技術的綜合應用較多，存在多學科交叉、知識相互滲透的情況，且課程內容還涉及數(shù)學公式推導，因此，要求研究生具備一定的高等數(shù)學、線性代數(shù)、計算方法等相關知識的學習背景，而一些數(shù)學基礎不好的研究生很難掌握深奧的理論知識，很容易在學習中遇到困難和挫折，從而喪失學習興趣，無法跟上后續(xù)的教學進程[11]。同時，現(xiàn)有教材大多側重理論分析與介紹，對實際案例的深入解析較少，使得研究生難以對各種常見的信息處理技術有比較透徹的認識。因此，高校需要在教學環(huán)節(jié)中增加相應的典型案例來幫助研究生學習和理解，促使研究生通過對不同案例的模仿和改進，提高對相關知識掌握的廣度與深度。綜上所述，為了提高課程教學質量，高校需要開展“多傳感器信息融合技術”課程的案例庫建設工作[10]。三、發(fā)展趨勢與建設方向根據(jù)融合層次，信息融合分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合。數(shù)據(jù)層融合大多采用加權平均值、聚類算法、粗糙集理論等方法;特征層融合常采用神經網(wǎng)絡和模糊集理論等方法;決策層融合常采用D-S證據(jù)理論、貝葉斯方法等算法。融合算法是信息融合的主要研究內容。目前比較流行的融合算法有神經網(wǎng)絡、貝葉斯方法、D-S證據(jù)理論、模糊集理論等。對以上典型算法的應用研究是信息融合領域的主流，占據(jù)重要地位，非常具有代表性。案例的選取既要從研究生的培養(yǎng)目標入手，強調案例對各個主流技術的覆蓋性和綜合性，又要以解決實際工程問題為導向，考慮案例的真實性、代表性。因此，“多傳感器信息融合技術”課程教學應選取最具代表性、實用性的案例來啟發(fā)學生，使學生結合案例學習理論，在引導研究生理解和掌握理論知識的基礎上，強化對其應用實踐能力的培養(yǎng)。案例庫建設應包含問題分析、算法選擇、方案設計、應用訓練等多個環(huán)節(jié)，為解決未來工作中的實際問題做好準備，并達到順利推廣的目的[12]。四、建設方案“多傳感器信息融合技術”課程的案例庫建設，既要適應產業(yè)要求和時代發(fā)展趨勢，也要突出對基礎理論的應用推廣，注重對代表性方法的工程實現(xiàn)。為此，文章從以下5個方面完成案例庫建設的方案設計。（一）D-S證據(jù)理論知識點：D-S證據(jù)理論基礎、知識表示方法與實現(xiàn)、擴展理論與應用。設計案例：低壓電器故障電弧報警、電站環(huán)境監(jiān)測、軸承故障診斷等場景的應用。先修課程：“矩陣理論”“概率與數(shù)理分析”“信號處理”。（二）貝葉斯方法知識點：貝葉斯理論基礎、知識表示方法與實現(xiàn)、貝葉斯網(wǎng)絡的應用。設計案例：數(shù)控機床刀具磨損監(jiān)測、智能電表可靠性預估、輪胎壓力監(jiān)測等場景的應用。先修課程：“矩陣理論”“概率與數(shù)理分析”“信號處理”。（三）神經網(wǎng)絡知識點：神經網(wǎng)絡基礎、知識表示方法與實現(xiàn)、深度學習的應用。設計案例：發(fā)動機故障診斷、高壓開關柜監(jiān)測、自動駕駛等場景的應用。先修課程：“矩陣理論”“概率與數(shù)理分析”“圖像處理”。（四）模糊集理論知識點：模糊集理論基礎、知識表示方法與實現(xiàn)。設計案例：人體步態(tài)識別、人體健康分析、飛行器航跡預測等場景的應用。先修課程：“矩陣理論”“概率與數(shù)理分析”“模糊數(shù)學”。（五）粗糙集理論知識點：粗糙集理論基礎、知識表示方法與實現(xiàn)。設計案例：農業(yè)大棚監(jiān)測、無線傳感網(wǎng)絡故障診斷、微電網(wǎng)故障診斷等場景的應用。先修課程：“矩陣理論”“概率與數(shù)理分析”“粗糙集合”。五、建設過程文章根據(jù)以上建設方案，采用理論與實踐并重的指導思想，以研究生的需求為基礎，調研當前的前沿技術和先進產業(yè)應用方案，緊密結合“多傳感器信息融合技術”課程目標，將案例庫的建設過程分為以下6個步驟。（一）問題調研結合當前主流工業(yè)應用場景，確定案例庫的建設目標。案例庫建設的出發(fā)點，首先是工業(yè)現(xiàn)場的需要。高校應通過問題調研，了解目前典型的工業(yè)應用場景，從其實際生產過程中挖掘出關鍵技術問題，并根據(jù)所選擇的具體傳感器方案，提煉出有代表性的案例，與理論內容進行有機結合。（二）案例設計對所提煉整理出的相關案例進行內容設計。所設計內容包括：案例說明、案例分析和案例評價。由于同一個應用場景往往可以使用不同的信息融合方法，因此，在搜集各種信息融合應用案例時，要對案例進行深入詳細的分析比較，選取在此應用場景下最適用的方案。（三）案例實施對于案例的實施，首要的應是編寫案例庫的使用教程，方便研究生學習案例庫的使用方法。在案例庫建設完成后，研究生要先學習使用教程，然后在討論課之前結合所拿到的案例進行分析研究，并結合先修的理論課程內容，消化吸收具體的信息融合方法，最后在課堂討論環(huán)節(jié)與教師及同學一起對案例中的任務要求、方案細節(jié)、技術難點等問題進行開放式討論。（四）效果反饋為了保證案例的實施效果，教師應對反饋信息進行收集，建立多渠道、多階段、實時動態(tài)的反饋機制。課前預習、案例發(fā)布、自主分析、知識拓展等各個階段，都為研究生提供了相應的線上線下互動方式，促進師生、生生之間的溝通交流，達到共同提高的目的。（五）案例修訂根據(jù)所收集到的反饋信息，對案例庫中的內容進行更新和完善，去除評價較低的案例，補充完善評價較高的案例，保證案例庫的基本構架初步完成。同時，在案例庫的后續(xù)使用過程中，還要定期去除陳舊內容，補充新穎案例。所需要的素材可以來自教師的研究，網(wǎng)上傳播的內容，研究生搜集的資料，等等。（六）案例推廣傳統(tǒng)的教育方式和教學模式，主要是基于標準教材進行“灌輸式”教學。要進行案例推廣，可以采用多種措施，如建立在線平臺并上傳教學案例供研究生使用，利用社交媒體（微信公眾號、微博等）分享案例鏈接和相關內容，舉辦教學案例競賽，鼓勵教師創(chuàng)作和分享高質量案例等。但推廣中仍有很多困難要克服，如案例教學對教師提出了更高的要求，即教師不僅要具備堅實的理論知識，還要具備一定的工程實踐經驗。對于研究生來說，案例教學要求其在課下完成一定的任務，但研究生的能力水平不同，主動性也存在差異，進而會影響案例教學的實際效果。六、案例庫實踐與效果調查河南理工大學歷來重視提升研究生培養(yǎng)質量，通過研究生案例庫建設計劃，不斷深化研究生教育教學改革，在支持教師進行教學改革和人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新等方面不斷探索。在案例庫建設過程中，河南理工大學通過制定和實施校企對接計劃，引導教師積極參與企業(yè)的生產實踐，全面提升教師的工程背景和經驗，為案例庫的建設提供良好的人才基礎。同時，借助學校優(yōu)勢資源，進一步吸引企業(yè)的研究人員參與到研究生的教學和科研工作中，不僅使研究生在學習過程中能夠接觸產業(yè)發(fā)展實際，深入研究企業(yè)課題，不斷提高自身的能力與水平，還有利于企業(yè)自身的技術更新與迭代，從而走出了一條產學研緊密結合的路線。為驗證案例庫的實施效果，文章針對100名研究生二年級的學生展開了問卷調查，以評判案例庫對研究生的學習是否有所幫助。調查問卷主要收集了以下6個問題的回復。①是否對學習課程理論知識有幫助？②是否提高對工程應用場景的理解？③是否提高對本領域學術前沿的認識？④是否促進了對本課程的自主學習？⑤是否幫助解決了研究中的具體問題？⑥是否可以作為傳統(tǒng)教學的有益補充？調查結果顯示，被調查的研究生對文章設計并使用的案例庫比較滿意。研究生普遍認為，案例庫的使用對推動工程實踐能力的培養(yǎng)有較為明顯的作用。七、結束語文章設計了“多傳感器信