新工科背景下“惯性测试技术”课程实验建设与探索

［摘 要］ 随着科技的发展和社会的进步，惯性技术及其应用日益广泛。在教学中如何让学生理论联系实际，培养学生的动手实践能力，实现新工科建设背景下培养创新应用型工程技术人才的目标是非常值得教育工作者深思的一个问题。针对“惯性测试技术”课程的教学现状，对其实验教学环节进行改革，建立“基础方法和设计创新并重”型实验教学方案，同时将领域内的最新科研成果引入实验教学，在实验内容上注重综合性和创新性设计，培养和提升学生综合运用知识解决实际问题的能力，契合新工科建设的要求与发展趋势。

［关键词］ 新工科；惯性测试；课程实验；教育改革

［基金项目］ 2020年度北京航空航天大学教学改革项目“‘惯性测试技术’课程实验教学方案建设思路与实践”

［作者简介］ 王 玮（1977—），女，河北故城人，博士，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院高级工程师，主要从事新型惯性导航与协同导航研究；王 蕾（1986—），男，重庆人，博士，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院副研究员，主要从事新型惯性导航与组合导航研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）27-0085-04 ［收稿日期］ 2023-08-22

引言

社会和科技的快速发展对人才的要求越来越高，如何培养适应社会现代化发展的高质量工科类人才已成为社会各界关注的重点问题之一。工科专业不仅要求学生具备相当的理论知识，更对实践动手能力和实践经验提出了更高的要求。

为培养造就一大批引领未来技术与产业发展的卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力支持与人才保障。2017年以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”［1-4］，奏响了人才培养主旋律，开拓了高等院校工程教育改革新路径［5-6］，促进我国从工程教育大国走向工程教育强国，在世界新一轮工程教育改革中发挥全球影响力。

惯性技术是一门涉及物理、数学、力学、光学、材料、精密机械、微电子、计算机、控制、测试、先进制造工艺等的多学科综合性技术，具有自主、隐蔽、抗干扰、实时、连续测量等众多优点，是海、陆、空、天各类先进运载器不可或缺的主要导航手段，在航空、航天、航海、陆地导航、各种战略战术武器导航和民用领域都得到了广泛应用，是现代精确导航、制导与控制系统的核心信息源，也是衡量一个国家科学技术水平和国防实力的重要标志之一。惯性技术的研究内容十分丰富，其中的惯性测试技术涵盖陀螺仪、加速度计、惯导系统的测试原理和相关专门测试设备及数据分析方法，对惯性技术发展具有重要的保障和促进作用，已越来越被人们所认识和看重。

“惯性测试技术”是北京航空航天大学仪器科学与技术、探测制导与控制、光学工程等专业的专业课，是一门理论与实践并重的课程。新工科建设强调创新与实践，通过本门课程实验教学的建设和探索，一方面希望学生掌握惯性器件及惯性导航系统的测试方法，增强学生对惯性器件和惯性导航系统的直观认识，加深学生对惯性器件和惯性导航系统理论知识的理解；另一方面希望能激发学生的学习兴趣，培养学生综合运用学过的惯性系统和器件原理、信号分析和数据处理等相关知识，解决实际系统和器件测试及标定问题的能力，使其在实验中思考理论，通过提出问题、根据所学知识寻找解决问题的方法，尝试、改进到最终解决问题，让学生体验科研和实际工程的工作过程，感受思考和创新的乐趣，为工科专业后续实验课程及毕业设计奠定相应的能力基础。

一、新工科背景下“惯性测试技术”课程教学现状

（一）教学内容更新相对缓慢

近几十年来，科学技术的快速发展和进步也推动惯性测试技术日新月异，新方案、新方法不断出现并广泛应用在工程实际中。目前，“惯性测试技术”课程的实验内容与新工科背景下惯性测试技术发展的要求不适应，国内外惯性技术领域的最新理论、测试技术与手段等鲜有提及。课程实验内容更新缓慢，亟须结合国内外最新研究成果和发展不断更新实验教学内容。该课程的主要目标是培养能够独立完成惯性器件和系统测试的专业人才。因此，教师在教学时应将领域内的最新进展、实际工程问题与理论知识有机结合，使学生紧跟技术发展前沿，能够发散思维、举一反三、学以致用。

（二）实验教学形式相对单一

传统课程实验教学多由教师演示或带领实验，且以验证类实验为主；学生只是按既定操作步骤完成实验，对于实践中可能遇到的问题与解决方案缺乏深入的思考。实验教学形式单一，缺乏层次性，验证类实验多，设计性实验少或缺失，致使学生对实验课程的热情不高，学生的积极性和主动性未能充分得以发挥。这不利于提高学生分析、设计能力及创新思维能力。

二、新工科背景下“惯性测试技术”课程实验的建设与探索

新工科建设对学生素质和能力培养提出了要求，即树立以学生为本的教学理念，强调激发学生的学习兴趣，发挥学生的自主意识和主动学习、主动实践能力；强调学生创新能力和综合能力的培养，让学生掌握知识和工程技能；强调跨学科知识运用、人际能力、团队精神、工程伦理责任、终身学习能力等的培养［7］。针对目前“惯性测试技术”课程在教学过程中出现的问题，并根据新工科建设对学生素质和能力培养的要求，对这门课程的实验教学环节开展改革创新和实践探索。

（一）明确实验教学目标，修订教学方案

“惯性测试技术”是一门涉及惯性器件和系统的原理、误差特性及测试技术、专用设备、数据处理方法等多学科的综合性课程，实验环节在课程教学中的作用非常重要，课程设置的理念必须以学生为本，满足与适应人才培养的需求。

课程教学目标是通过实验教学使学生在实际的试验样机和真实的测试数据中加深理解在课堂中学到的惯性器件及系统的理论知识，培养学生综合运用学过的惯性系统和器件原理、信号分析和数据处理等相关知识解决实际系统和器件测试及标定问题的能力，增强对惯性器件和系统的直观认识，加深对惯性器件理论知识的理解，培养和提高学生的基本专业技能。

依据“从理论中来，到实践中去”的理念，从人才培养目标层次上对实验课程进行整体修订设计，确立“基础方法和设计创新并重”的实验教学方案，既包含体现基础原理和数据处理分析方法运用的器件测试实验用以巩固学生对授课知识的理解，又包含系统标定方案设计等开放性实验以激发学生的学习热情和创造力，形成从“基础测试方法”到“标定方案设计”，从“基本、综合”到“创新、设计”的实验教学方案设计。

（二）实验教学内容与时俱进，夯实基本专业技能

实验教学内容紧跟科技发展趋势，与时俱进。目前在惯性器件领域，光学陀螺的应用日益广泛，它是基于萨格纳克效应实现角速度测量，具有无旋转部件、可靠性好、寿命长、动态范围广等优点，主要包括激光陀螺和光纤陀螺两类，其中光纤陀螺以其随机游走小、成本低等优势成为最具应用前景的惯性器件。在设计实验教学内容时摒弃了目前已经鲜少使用的机械陀螺相关内容，大幅增加了光纤陀螺测试相关的实验内容，包括光纤陀螺基本性能参数的静态测试实验、光纤陀螺标度因数误差及敏感轴失准角温度的测试实验。通过实验教学使学生能够对光纤陀螺的原理和特性有更加深入的认识，熟悉测试专用设备和工装的操作及使用，掌握常用的数据处理方法，为以后学习和工作中的应用打下良好的基础。

同时，在实验中强调测试方案设计和试验数据处理分析方法的运用，如试验数据野点剔除、回归分析、频谱分析、卡尔曼滤波等方法，巩固学生对授课知识的理解，夯实专业基本技能。

（三）增加设计类实验内容设计，培养学生的创新精神和实践能力

惯性导航系统中的惯性器件包括陀螺仪和加速度计，它们本身的性能限制和机械加工过程中的误差会导致器件直接测量结果中包含常值偏差、刻度系数误差、安装轴间不正交角等误差，从而限制了惯导系统的导航定位性能。标定技术是惯性导航系统研发和使用过程中的关键技术之一，对于保证惯导系统的定位精度具有重要的意义，也是“惯性测试技术”课程的主要内容。惯导系统标定技术根据选取观测量和标定原理的不同可以分为分立式标定和系统级标定。分立式标定方法是国内外使用的传统方法，使用精密数控转台为惯性测试提供姿态基准，以地球的重力加速度、自转角速率和转台角速率作为已知参考输入量，以惯性器件的直接输出量作为观测量，通过多位置静态试验和角速率试验分别确定加速度计和陀螺仪的误差模型。标定精度通常会受到转台定位和角速率精度的限制，转台的零位误差、角位置误差、倾角回转误差等都会影响标定结果。系统级标定在20世纪80年代初被提出，其原理是将惯性测量单元的输出值通过导航解算，以解算出的位置误差、速度误差、姿态误差等信息作为观测量对误差进行辨识。系统级标定降低了对高精度转台的依赖性，降低了标定成本，适用于惯性测量单元的现场标定，能够实现惯性测量单元在线自标定，是目前研究的热点。

在实验教学中引入惯性领域内的最新科研成果——混合式惯导技术。混合式惯导系统是一种集稳定平台隔离载体角运动、捷联姿态计算和旋转调制抑制误差增长等功能于一体的新型惯导系统，在提高精度、减小体积或质量、降低成本方面效果明显，且具有装机条件下自标定功能，已得到业界和用户方的高度关注［8］。科研成果中的核心基本知识和技术可以经过创新后应用于本科生的实验教学中。基于三轴光纤陀螺混合式惯导系统样机，合理设置开放设计性实验，如惯导系统误差参数自标定实验。系统样机具有三轴框架（如图1所示），为实验方案设计提供了足够的灵活性和可实现性。学生自主完成标定方案设计、标定算法设计和实现及答辩展示全过程，有利于激发学生的学习热情和创造力，能够培养学生综合运用所学理论和知识解决实际问题的能力，实现学科的科研强势转化为人才培养的优势。

（四）改革考核机制，激发学生主动性

新工科背景下，对教学考核方式提出了新的要求，高校课程需要摒弃“一考定成绩”的观点，建设科学完整、导向明确、简化易行的考核体系［9］。学生最终成绩将结合学生课堂表现、回答问题、作业完成质量、实验成绩及期末考核成绩综合确定。考核强调过程性，贯穿课前、课中、课后，从课程开始持续到课程结束［10］。其中，实验成绩在最终课程成绩的占比大幅提升，由验证性实验成绩和综合创新性实验成绩组成。验证性实验旨在实现抽象概念和原理形象化，帮助学生对知识难点的理解与掌握。因此，考核成绩侧重于实验过程，包括学生操作和实验报告的规范性及完整性、实验态度的科学严谨性。综合创新性实验强调培养学生的创新能力和综合能力，不仅能使学生掌握知识和工程技能，而且还可培养学生跨学科知识的运用、团队精神、终身学习等能力，因此考核成绩侧重于设计方案的创新性和挑战性、实现情况和结果、报告撰写质量、团队协助和展示交流等。这样既可以激发学生的积极性和主动性，也可以培养学生的综合素质，有助于学生学有所成、学以致用。

结语

新工科建设的提出为工程教育的理论和实践探索提供了一个全新的视角，为专业工程技术人才的培养创造了更好的契机。“惯性测试技术”课程是仪器科学与技术、探测制导与控制、光学工程等专业的专业课，是一门理论与实践并重的课程，它的实验教学担负着培养学生综合运用知识、解决实际问题及创新等能力的重要作用。本文通过分析现有实验教学的现状和不足，从教学方案、教学内容、实验类型设置、考核机制等方面都进行了较为深入的探索，提出了相应的改革措施。与时俱进的实验教学内容和设计型实验能够激发学生的学习热情，调动学生的积极性和主动性，对于培养学生的实践动手能力、综合分析问题与解决问题的能力大有裨益，有利于提高教学质量和效果。

参考文献

［1］“新工科”建设复旦共识［J］.高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

［2］“新工科”建设行动路线（“天大行动”）［J］.高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

［3］新工科建设指南（“北京指南”）［J］.高等工程教育研究，2017（4）：20-21.