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误差测量论文范文

摘要:误差理论与数据处理是测控专业一门专业基础课,一定程度上反应了本学科专业特色,该课程教学也是本学科建设一项重要内容.通过多年的教学实践,从对课程内容有效地归纳总结、Matlab工具软件辅助教学应用、教学实例中测量原理精讲、按专业发展不断更新教学内容等几方面,对该课程的教学进行了探索和实践,激发了学生学习兴趣,提高了教学质量.

关键词:误差理论教学方法教学质量

中图分类号:TG801 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)09(a)-0163-02

“误差理论与数据处理”课程是高等学校测控技术及仪器专业必修的专业基础课,它涉及了概率论和随机过程理论的基础知识,讲解了数据处理的基本方法,是测控专业学生进行专业课学习所需的必备知识.通过该课程的学习,学生可以掌握误差性质及传递、静态测量及精度、动态测量及精度、精度评定指标及方法等基本知识,同时也能够正确地进行实验设计和运用合适的数据处理方法来对实验结果进行科学分析和处理.对这门课程的学习及对该课程内容的掌握程度将直接关系到学生能否具备扎实的专业基础知识,建立正确的专业观念,对后续课程学习及今后从事相关工作都带来影响.

误差理论这门课程含有较多的抽象概念、公式,内容相对来说比较单调、枯燥,实际数据计算量大,逻辑性强,学生难以掌握,由此影响了学习兴趣和教学质量.从历届本科生和研究生的毕业论文中往往也能够看出学生对误差理论知识掌握不牢,数据处理及仪器精度分析不当,从而影响了论文的整体水平.种种情况表明有必要加强误差理论的教学,不断探索新的教学方法,从而提高教学质量.本文在教学实践中,总结了以下几种教学方法,起到了很好的效果.

1.归纳总结方法的运用

归纳总结法就是把相同性质的或不同性质的知识归纳和分类起来,找出相同点和不同点,总结它们的特点或特性,就能灵活运用.这样,一利于记忆、二利于区别、三利于复习、四利于温故知新.

“误差理论与数据处理”这门课程是一门理论性很强的课程,它本身的知识结构形成了一套体系,前后相互联系、融会贯通,很适于归纳总结方法的运用.例如,在第五章中最小二乘法原理与第二章中算术平均值原理是一致的,算术平均值原理可以看作是最小二乘法原理的特例,对于回归分析一章内容实质上是最小二乘法确定线性关系参数内容的延续.鉴于此特点,采用归纳总结的教学方法,可以使学生对整体的知识结构有一个清晰的认识,促进所学知识的消化理解.在多年的教学实践中,也发现归纳总结方法能起着事半功倍的效果.

在归纳总结方法中以知识点结构图更能清晰表达各部分知识内容的联系,使学生在大脑中建立起课程内容的总体框架.这里举一个例子来说明问题,在“误差的基本性质与处理”这一章的教学结束后,对其内容进行了归纳总结,主要包括随机误差、系统误差和粗大误差等几方面内容的性质特点、辨别发现方法及在不同情况下处理方法.根据该章内容特点,建立了这一章内容知识点结构图,如图1所示,这样既巩固复习了旧知识,又促进了新知识的学习.

2.Matlab数学工具软件的应用及与其它课程进行衔接

Matlab是功能强大的科学及工程计算软件,它不但具有以矩阵计算为基础的强大数学计算和分析功能,而且还具有丰富的可视化图形表现功能和方便的程序设计能力.Matlab的应用领域极为广泛,除数学计算和分析外,还被广泛地应用于自动控制、系统仿真、数字信号处理、图形图像分析、数理统计等众多领域,它是面向21世纪的计算机程序设计及科学计算语言.

而“误差理论与数据处理”这门课程以公式众多、计算复杂、数据处理表现不直观等问题困绕着教学,将Matlab数学工具软件应用于该课程的教学定能起到很好的辅助教学效果.为课堂教学增添与计算机技术相结合这样一块教学内容,也可以激发学生的学习兴趣.

利用Matlab辅助教学手段,传统的误差数据处理要花费很长时间才能完成的工作仅仅需要几秒钟,通过几条程序语句就可以得出其结果,且非常直观.例如,在线性参数最小二乘处理的正规方程求解中,利用矩阵运算能够很方便地求解,但是人工进行矩阵计算往往费时、费力、容易出错,而通过Matlab只需将列写的正规方程写成矩阵形式,通过下面一条语句就能得出线性参数估计结果.

通过Matlab工具软件的应用,可使学生在理解消化传统误差与数据处理基本理论和方法的同时,掌握利用现代计算机技术解决问题的方法,增强了学生的学习兴趣,对教学起到了很好的推动作用.

在本科生教学课程体系中,各门课程教学往往孤立进行,导致学生学习往往以应付考试为目标,考试结束意味着学习任务的结束,这样对综合运用所学知识来解决问题的能力得不到锻炼和提高.对于测控技术与仪器专业而言,“传感器”,“测控电路”和“误差理论与数据处理”这三门课程是主干课程,构成了一条连贯的教学链,代表了本专业的特色.通过传感器将被测量转换成电信号,而利用测控电路的知识设计调零、放大、滤波电路,获取测量数据,进而利用误差理论与数据处理知识对测量数据进行分析、处理,消除系统误差,减小随机误差,使测量数据更接近真值.如果能将这三方面内容有机结合,建立一项以课程设计为主的教学内容,将使学生对所学专业有更清晰认识,并进一步提高综合运用专业知识的能力.

3.结合教学实例精讲测量原理及加强教学实验环节建设

“误差理论与数据处理”这门课程的教学中包括很多实例,这些实例反应了误差理论中教学知识点的应用.然而教材中没有就这些实例的测量原理进行深入讲解,只是给出了相对枯燥的数据,尤其这门课程的授课对象是面向大二的学生,他们对专业知识还处于懵懂状态,面对如此的数据,很难激发他们的学习兴趣,这也就造成了学生厌倦这门课程的现状.

我们通过对上述问题产生的原因进行深入分析,采取深入讲解教学实例测量原理的方法,学生从中不但掌握了误差理论的知识,还对所学测量专业的背景、专业内容及应用有了一定的了解,提高了学生的学习兴趣,取得了很好的教学效果.

例如,在讲解消除线性系统误差的方法时,教材中提到在测量两个平面平行度时,可以将测量列进行正序、反序两次测量,然后对应点相加取平均值的方法,消除线性系统误差影响.然而学生对平行度的测量方法还没有基本的了解,对上述消除线性系统误差的方法也就产生了迷惑.所以,在授课时我们首先讲解了平行度的测量方法,即以一个平面作为基准,测量另一平面中各点相对于基准面的距离,将所测各点在空间中拟合成一个平面,计算该平面与基准面之间所成夹角,也即得出了两平面之间的平行度.通过基本测量原理的讲解,学生理解了为何要选取多个测量点,以及如何利用线性系统误差产生的特性,在不影响两平面平行度评定前提下,通过正序、反序两列测量数据的处理来消除系统误差,这样加深了对本课程知识内容的理解.

教学实验环节是辅助教学、提高教学质量的重要手段,通过实验环节更能促进学生对所学知识内容的掌握,提高运用所学知识解决问题的能力.然而“误差理论与数据处理”这门课程正欠缺实验环节,这同时阻碍了该课程的发展.对于该课程实验环节的建立,可以采取两种措施:硬件实验平台的建立和软件实验平台的建立.硬件实验平台建立要充分利用现有的仪器设备资源,结合教学内容设计实验过程及方案,使学生能动起手来获取实验数据,并进行处理,给出数据评定分析报告,同时也能够提高仪器设备利用率.软件实验平台建立就是要充分利用软件编程开发环境,在误差理论与数据处理知识指导下进行程序设计,完成规定实验内容的数据处理任务,这样同时也提高了学生的程序设计能力,给编程工作赋予了专业特色和内容.

4.适应专业发展需要,不断更新教学内容

误差理论与数据处理课程内容是不断发展的,其中“不确定度”和“动态测量误差评定与数据处理”这两方面发展更快,教师需要不断更新教学内容,及时调整其中不足的地方,保持教学内容先进性.

测量不确定度是现代误差理论的核心问题,也是当代误差理论的最新进展,目前各国正在贯彻ISO等国际组织发布的《测量不确定度表示导则》(GUM).然而,在学生使用的教材中,对“不确定度”方面的内容论述较少、不够深入,学生理解较为困难.所以在该课程的教学中,我们注意增加GUM方面的内容,从测量不确定度的基本概念、测量不确定度的评定方法、报告测量结果不确定度的方法、评定测量不确定度的步骤等几方面展开教学,多举实例,使学生对该部分内容能有清楚认识,适应专业发展需要.

随着测量技术的迅速发展,动态测量在测量领域中已占主导地位,应用十分广泛,对动态测量精度理论的研究一直以来受到各国学者的关注.近年来,随着计算机辅助测试技术的发展,各种动态测试数据的处理方法及测试误差的分析方法层出不穷,使动态测量精度理论得到了相应发展,取得了一定的成果.对这一部分内容的教学,采取加强理论预备知识——随机过程理论学习的措施,为该部分内容的理解打好基础.通过预备知识的学习,并与静态测量内容相对应联系,有助于对动态测量误差基本概念和误差处理基本方法的掌握.

5.结语

通过以上几点的教学尝试,在教学中发现学生的学习兴趣有了明显的提高,上课出勤率高,学习状态积极,和教师也有深入的交流与探讨,课后作业和考试成绩反应了学生已对所学知识有着牢固的掌握,所有这些代表着教学质量的提高.随着课程知识体系的发展,教师也应不断地学习新知识,提高自己的专业水平,这样才能更好地向学生传授知识.对于该门课程的教学方法和教学手段,教师还应不断地进行总结和探索,不断地进行改进和更新,这样才能适应课程发展需要.