论文部分内容阅读
[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。 （三）现场操作环节
根据实验系统搭建小组研讨方案，完成实验系统的搭建;根据理论分析与仿真小组研讨结论，产生双频超声波信号通过发射换成器发射;根据信号采集与数据处理小组研讨方案，对接收换能器接收信号进行采集和存储，再导入编写的测量算子程序进行量值解算，计算误差，对产生误差的各个影响因素进行分析，提出减小误差的可行措施。该环节以学生操作为主，教师进行验收。
（四）总结演讲环节
结合个人参与的海水声速测量系统设计的各个过程，以及通过该案例对测量原理课程的深入理解程度，分享经验，总结教训，特别是讲述自己的收获与心得体会。教师最后与学生探讨如何从该测量系统中抽象出测量链、控制链，误差综合公式包含哪些因素？该环节以学生总结为主，教师进行点评。
四、具体问题导入
首先从提问导入“1997年有一部特别经典的电影《泰坦尼克号》大家看过吗？”1912年4月10日，号称“世界工业史上的奇迹”的豪华客轮泰坦尼克号开始了自己的处女航，从英国的南安普顿出发驶往美国纽约。1912年4月14日，星期天晚上，一个风平浪静的夜晚，泰坦尼克号撞上了冰山，“永不沉没”的泰坦尼克号遭遇了沉船的命运，1500多人丧生。如果当年泰坦尼克号上安装了冰山探测器就好了！可惜，1912年还没有用上声纳探测技术。那么问题来了，如何探测冰山离邮轮的距离？
答案是：可以不断向邮轮前方发射探测信号，通过接收信号返回时间延时来计算距离，等于速度乘以时间。时间可以计算，那速度是多少？信号在海水中传播的速度是多少？因此，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。根据我们所学的测量原理知识，如何根据提供的仪器设备，搭建海水声速测量系统并实现速度量值测量和误差分析呢？
五、海水声速测量基本原理分析
测量原理课程的五个核心关键名词是：量值、信号、算子、误差、系统;三个核心关键动词是：分析、计算、设计。
量值，是所有概念、定义及本质的起点。信号，是测量数学物理模型的底层基础，是理论演绎的基础。算子，是量值求解算法的理论抽象定义。误差，是衡量测量性能和论述测量确定性的基础。系统，是测量学科的设计形态中的概念基础、物质基础。
分析是指理论分析，量值可测性、确定性问题分析与判断的理论框架，如：分析量值客观存在性、测量信号有效性、测量误差。计算是指计算方法，算子设计、算法实现等计算问题的理论框架，如：计算测量算子、测量误差。设计是指测量设计，测量操作设计、测量系统抽象设计的理论框架，如：设计测量信号模型、测量算子、测量系统。
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？
超声波在海水中的传播速度测量系统的实验物理模型如图1所示。
结合测量原理所学知识，可以厘清思路：在海水声速测量系统中，要求的量值是超声波在海水中的传播速度，发射换能器发射超声波信号，通过海水传播到接收换能器，测量信号就是接收换能器接收到的超声波信号，与发射信号相比，接收信号产生了一个时延量，因为是时延测量问题，所以可以选择普适性测量算子或者匹配滤波器算子来计算时延，从而得到待测量值——超声波在海水中的传播速度。测量允许的误差根据实际应用背景设置，在测量系统搭建过程中要注意发射换能成器和接收换能器安装的相对位置。
六、测量系统设计与实现
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（發射换能器、接收换能器），如何设计测量信号，搭建海水声速测量系统，实现超声波在海水中的传播速度测量？
海水声速测量实验系统由声速测量实验平台、综合信号处理模块与计算机三部分构成，系统框图如图2所示。通过上位机软件SDDS产生发射信号，经过DA转换通过发射换能器发射出去，接收换能器接收到的信号经过AD转换再存放到SDDS指定地址，再通过Matlab程序将接收信号和发射信号进行比对计算，得到时延量，从而解算速度量。
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。其中理论分析与仿真在课堂进行讲解，实验系统搭建、信号采集在实验室进行，数据处理在课后完成。
（一）理论分析与仿真小组
首先假设发射单频信号，通过计算分析可知单频信号载波频率较低，会有什么问题？推导得知载波频率低→测量信号灵敏度小→测量分辨率低。如果设计发射双频信号，就能避免这个问题，所以，选择发射双频信号。基于Matlab编程设计测量算子时，按量值间隔0.1us、采样间隔0.1us取样，选择普适性测量算子或匹配滤波器算子编程实现量值求解算法，测量算子程序模块调试通过。
（二）实验系统搭建小组
按照综合信号处理板操作指导手册给综合处理模块连接正负12V和5V电源，发射换能器与综合信号处理模块上DA端口连接，接收换能器与综合信号处理模块上AD端口连接。启动上位机软件SDDS，首先确认网络连接正常，再进行存储和发送初始化设置，然后通过上位机软件的接收和读取功能观测发射信号波形和接收信号波形，通过对比确认接收信号波形是正常的。整个实验系统搭建过程中，细心是最重要的，初次上电前一定再次确认电源接线正确，保证不烧坏电路板，系统能顺利地运行。
（三）信号采集与数据处理小组
按照综合信号处理板操作指导手册通过上位机软件SDDS将发射信号存储在高地址位。在进行接收信号采集时，时间起止是代接收信号波形稳定之后进行，取中间一段数据，采集的信号存储到低地址空间。再将实际接收信号和发射信号数据导入Matlab中，同时观测对比它们的时延。再基于理论分析与仿真小组编写的Matlab程序，进行数据处理，解算出测量结果，计算测量误差大小。 七、测量系统分析与总结
针对案例设计目标：完成了仿真和实测，产生发射信号，接收带时延的测量信号，对测量信号进行了分析，并通过测量算子设计与编程实现完成了量值解算。学生结合个人参与的海水声速测量系统设计的各个过程，以及通过该案例对测量原理课程的深入理解程度，讲述了自己的收获与心得体会。针对海水声速测量系统的噪声因素进行了一一探讨，分析了测量误差来源，并提出了改进建议。
噪声包括：综合信号处理板上电路热噪声以及实验室环境的噪声。测量误差来源主要有：AD转换的量化误差、系统的结构关系参数误差（两个换能器安装的垂直水面程度，相互平行程度）、环境参数误差（水温、气压等）。
测量系统的功能结构表示如图3。
第一部分：执行前向操作功能，主要针对被测物，包括传感器与激励器，感测点与控制点。第二部分：执行后向操作功能，以得出被测量估计值为目的。其核心功能是执行测量的“比对”过程。统称处理器分为运算器、控制器和内部量值基准。第三部分：执行被测量“指示”功能，可统称为人机接口。
在海水声速测量系统中，测量链组成：传感器是指接收换能器，调理器和运算器都是综合信号处理模块，显示器就是上位机;控制链组成：激励信号源是综合信号处理模块、采样同步器和程序控制器都是上位机软件。误差链包括测量算子误差、AC参数偏差和信号模型偏差。在海水声速测量系统中，测量算子误差完全由噪声引起，要减小算子误差，就要避免电路热噪声。AC参数偏差来自换能器的安装偏差、环境的温度气压偏差，可以通过调整换能器安装的深度和角度来确保要求的垂直度和平行度，从而减小AC参数偏差引起的误差。信号模型偏差是指设计产生的双频发射信号，通过DA转换发射的波形和理论波形的偏差，可以通过提高DA转换位数来适当减小偏差。
八、结语
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进行了教学实践，取得了良好的教学效果。
该案例将测量原理的五个核心关键名词：量值、信号、算子、误差、系统和三个核心关键动词：分析、计算、设计完美串联，有助于深入理解课程内涵，结合理论计算、仿真分析与实验验证培养了学生综合实践的能力。该案例设计和教学方法可以推广应用到其他理论类课程，有助于学生针对理论进行具体的理解和认识，达到更好的教学效果。
参考文献：
[1]谭俊峰.案例教学法的内涵、类别及应用解析[J].北京经济管理职业学院学报，2020，35（3）：42-49.
[2]刘京京.案例教学在教育科研方法课程中的实践研究[J].教育与教学研究，2020，34（5）：86-95.
[3]吴克坚，劉敏茜，刘烁，等.相关变化率的案例教学实践和讨论[J].高等数学研究，2019，22（5）：52-54.
[4]罗朝明，唐鹏，刘硕卿，等.信息光电子学课程仿真案例教学平台建设与实践[J].湖南理工学院学报（自然科学版），2021，34（1）：80-83.
[5]王变琴，孙雪冬，陈微微，等.机器学习通识课程建设与教学实践探索[J].计算机教育，2019（12）：85-88.
[6]孙锐，刘超.“现代数字信号处理”中的案例制教学改革与实践[J].电气电子教学学报，2020，42（4）：12-15.
[7]温乃聪.组合逻辑电路案例教学实践与应用[J].现代职业教育，2020（3）：102-103.
[8]王跃科，陈建云，张传胜，等.测量原理[M]，北京：清华大学出版社，2012-10.
[9]张宝华，赵梅.海水声速测量方法及其应用[J].声学技术，2013，32（1）：24-28.
[10]李刚，谢子铭.高精度海水声速测量系统设计[J].工业计量，2015（6）：13-17.
◎编辑 鲁翠红
[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。 （三）现场操作环节
根据实验系统搭建小组研讨方案，完成实验系统的搭建;根据理论分析与仿真小组研讨结论，产生双频超声波信号通过发射换成器发射;根据信号采集与数据处理小组研讨方案，对接收换能器接收信号进行采集和存储，再导入编写的测量算子程序进行量值解算，计算误差，对产生误差的各个影响因素进行分析，提出减小误差的可行措施。该环节以学生操作为主，教师进行验收。
（四）总结演讲环节
结合个人参与的海水声速测量系统设计的各个过程，以及通过该案例对测量原理课程的深入理解程度，分享经验，总结教训，特别是讲述自己的收获与心得体会。教师最后与学生探讨如何从该测量系统中抽象出测量链、控制链，误差综合公式包含哪些因素？该环节以学生总结为主，教师进行点评。
四、具体问题导入
首先从提问导入“1997年有一部特别经典的电影《泰坦尼克号》大家看过吗？”1912年4月10日，号称“世界工业史上的奇迹”的豪华客轮泰坦尼克号开始了自己的处女航，从英国的南安普顿出发驶往美国纽约。1912年4月14日，星期天晚上，一个风平浪静的夜晚，泰坦尼克号撞上了冰山，“永不沉没”的泰坦尼克号遭遇了沉船的命运，1500多人丧生。如果当年泰坦尼克号上安装了冰山探测器就好了！可惜，1912年还没有用上声纳探测技术。那么问题来了，如何探测冰山离邮轮的距离？
答案是：可以不断向邮轮前方发射探测信号，通过接收信号返回时间延时来计算距离，等于速度乘以时间。时间可以计算，那速度是多少？信号在海水中传播的速度是多少？因此，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。根据我们所学的测量原理知识，如何根据提供的仪器设备，搭建海水声速测量系统并实现速度量值测量和误差分析呢？
五、海水声速测量基本原理分析
测量原理课程的五个核心关键名词是：量值、信号、算子、误差、系统;三个核心关键动词是：分析、计算、设计。
量值，是所有概念、定义及本质的起点。信号，是测量数学物理模型的底层基础，是理论演绎的基础。算子，是量值求解算法的理论抽象定义。误差，是衡量测量性能和论述测量确定性的基础。系统，是测量学科的设计形态中的概念基础、物质基础。
分析是指理论分析，量值可测性、确定性问题分析与判断的理论框架，如：分析量值客观存在性、测量信号有效性、测量误差。计算是指计算方法，算子设计、算法实现等计算问题的理论框架，如：计算测量算子、测量误差。设计是指测量设计，测量操作设计、测量系统抽象设计的理论框架，如：设计测量信号模型、测量算子、测量系统。
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？
超声波在海水中的传播速度测量系统的实验物理模型如图1所示。
结合测量原理所学知识，可以厘清思路：在海水声速测量系统中，要求的量值是超声波在海水中的传播速度，发射换能器发射超声波信号，通过海水传播到接收换能器，测量信号就是接收换能器接收到的超声波信号，与发射信号相比，接收信号产生了一个时延量，因为是时延测量问题，所以可以选择普适性测量算子或者匹配滤波器算子来计算时延，从而得到待测量值——超声波在海水中的传播速度。测量允许的误差根据实际应用背景设置，在测量系统搭建过程中要注意发射换能成器和接收换能器安装的相对位置。
六、测量系统设计与实现
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（發射换能器、接收换能器），如何设计测量信号，搭建海水声速测量系统，实现超声波在海水中的传播速度测量？
海水声速测量实验系统由声速测量实验平台、综合信号处理模块与计算机三部分构成，系统框图如图2所示。通过上位机软件SDDS产生发射信号，经过DA转换通过发射换能器发射出去，接收换能器接收到的信号经过AD转换再存放到SDDS指定地址，再通过Matlab程序将接收信号和发射信号进行比对计算，得到时延量，从而解算速度量。
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。其中理论分析与仿真在课堂进行讲解，实验系统搭建、信号采集在实验室进行，数据处理在课后完成。
（一）理论分析与仿真小组
首先假设发射单频信号，通过计算分析可知单频信号载波频率较低，会有什么问题？推导得知载波频率低→测量信号灵敏度小→测量分辨率低。如果设计发射双频信号，就能避免这个问题，所以，选择发射双频信号。基于Matlab编程设计测量算子时，按量值间隔0.1us、采样间隔0.1us取样，选择普适性测量算子或匹配滤波器算子编程实现量值求解算法，测量算子程序模块调试通过。
（二）实验系统搭建小组
按照综合信号处理板操作指导手册给综合处理模块连接正负12V和5V电源，发射换能器与综合信号处理模块上DA端口连接，接收换能器与综合信号处理模块上AD端口连接。启动上位机软件SDDS，首先确认网络连接正常，再进行存储和发送初始化设置，然后通过上位机软件的接收和读取功能观测发射信号波形和接收信号波形，通过对比确认接收信号波形是正常的。整个实验系统搭建过程中，细心是最重要的，初次上电前一定再次确认电源接线正确，保证不烧坏电路板，系统能顺利地运行。
（三）信号采集与数据处理小组
按照综合信号处理板操作指导手册通过上位机软件SDDS将发射信号存储在高地址位。在进行接收信号采集时，时间起止是代接收信号波形稳定之后进行，取中间一段数据，采集的信号存储到低地址空间。再将实际接收信号和发射信号数据导入Matlab中，同时观测对比它们的时延。再基于理论分析与仿真小组编写的Matlab程序，进行数据处理，解算出测量结果，计算测量误差大小。 七、测量系统分析与总结
针对案例设计目标：完成了仿真和实测，产生发射信号，接收带时延的测量信号，对测量信号进行了分析，并通过测量算子设计与编程实现完成了量值解算。学生结合个人参与的海水声速测量系统设计的各个过程，以及通过该案例对测量原理课程的深入理解程度，讲述了自己的收获与心得体会。针对海水声速测量系统的噪声因素进行了一一探讨，分析了测量误差来源，并提出了改进建议。
噪声包括：综合信号处理板上电路热噪声以及实验室环境的噪声。测量误差来源主要有：AD转换的量化误差、系统的结构关系参数误差（两个换能器安装的垂直水面程度，相互平行程度）、环境参数误差（水温、气压等）。
测量系统的功能结构表示如图3。
第一部分：执行前向操作功能，主要针对被测物，包括传感器与激励器，感测点与控制点。第二部分：执行后向操作功能，以得出被测量估计值为目的。其核心功能是执行测量的“比对”过程。统称处理器分为运算器、控制器和内部量值基准。第三部分：执行被测量“指示”功能，可统称为人机接口。
在海水声速测量系统中，测量链组成：传感器是指接收换能器，调理器和运算器都是综合信号处理模块，显示器就是上位机;控制链组成：激励信号源是综合信号处理模块、采样同步器和程序控制器都是上位机软件。误差链包括测量算子误差、AC参数偏差和信号模型偏差。在海水声速测量系统中，测量算子误差完全由噪声引起，要减小算子误差，就要避免电路热噪声。AC参数偏差来自换能器的安装偏差、环境的温度气压偏差，可以通过调整换能器安装的深度和角度来确保要求的垂直度和平行度，从而减小AC参数偏差引起的误差。信号模型偏差是指设计产生的双频发射信号，通过DA转换发射的波形和理论波形的偏差，可以通过提高DA转换位数来适当减小偏差。
八、结语
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进行了教学实践，取得了良好的教学效果。
该案例将测量原理的五个核心关键名词：量值、信号、算子、误差、系统和三个核心关键动词：分析、计算、设计完美串联，有助于深入理解课程内涵，结合理论计算、仿真分析与实验验证培养了学生综合实践的能力。该案例设计和教学方法可以推广应用到其他理论类课程，有助于学生针对理论进行具体的理解和认识，达到更好的教学效果。
参考文献：
[1]谭俊峰.案例教学法的内涵、类别及应用解析[J].北京经济管理职业学院学报，2020，35（3）：42-49.
[2]刘京京.案例教学在教育科研方法课程中的实践研究[J].教育与教学研究，2020，34（5）：86-95.
[3]吴克坚，劉敏茜，刘烁，等.相关变化率的案例教学实践和讨论[J].高等数学研究，2019，22（5）：52-54.
[4]罗朝明，唐鹏，刘硕卿，等.信息光电子学课程仿真案例教学平台建设与实践[J].湖南理工学院学报（自然科学版），2021，34（1）：80-83.
[5]王变琴，孙雪冬，陈微微，等.机器学习通识课程建设与教学实践探索[J].计算机教育，2019（12）：85-88.
[6]孙锐，刘超.“现代数字信号处理”中的案例制教学改革与实践[J].电气电子教学学报，2020，42（4）：12-15.
[7]温乃聪.组合逻辑电路案例教学实践与应用[J].现代职业教育，2020（3）：102-103.
[8]王跃科，陈建云，张传胜，等.测量原理[M]，北京：清华大学出版社，2012-10.
[9]张宝华，赵梅.海水声速测量方法及其应用[J].声学技术，2013，32（1）：24-28.
[10]李刚，谢子铭.高精度海水声速测量系统设计[J].工业计量，2015（6）：13-17.
◎编辑 鲁翠红