测控技术与仪器专业 发展战略研究报告.pdf

测控技术与仪器专业发展战略研究报告1测控技术与仪器专业发展战略研究报告重庆邮电大学测控技术与仪器专业提升计划项目组二零零八年十一月十五日测控技术与仪器专业发展战略研究报告21.引言随着现代科学技术日新月异的发展，以信息技术产业为支柱的知识经济也随之迅速发展，人类已经逐渐进人信息社会，各种高新技术也愈来愈多地融合渗入到测量领域和仪器仪表行业。作为测量领域惟一的本科专业，测控技术与仪器已经发展成为当今信息科学技术学科领域的重要分支，是研究信息的获取和预处理，以及对相关要素进行控制的理论与技术；是集光、机、电、自动控制技术、计算机技术与信息技术多学科相互融合和渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。科学技术的发展不仅使愈来愈多领域的研究和应用对测控技术与仪器专业人才的需求，而且随着知识更新的速度日益加快，知识经济时代迫切需要具有高综合素质、实践能力与创新能力的人才，这就要测控技术与仪器专业人才的培养提出新的要求。建设创新型国家的核心在于拥有大批创新型的人才，而高等学校作为人才培养的主体应积极思考如何圣方位地培养创新型的人才。测控技术与仪器专业是宽口径专业，不仅涉及的理论知识广泛，而且工程性强，对学生的实践能力要求高。因此，为了适应测控技术与仪器技术的发展，特别是在教育改革不断深化的形势下，对专业发展战略进行研究，以探索适应二十一世纪科技发展的测控人才培养模式势在必行。2.测控技术与仪器专业发展历史沿革及现状分析2.1历史背景测控技术与仪器、仪表广泛用于制造业、能源、环保、航空、航天、国防工业以及科学研究等部门，是观察、测量、计算、记录和控制自然现象与生产过程的工具。解放前，我国没有独立完整的仪器仪表工业。新中国成立后，1951年我国即着手第一个五年计划的编制工作。“一五”期间国家陆续建立了一批大型骨干工业企业和国防工业，而这些企业中必须配备大量的仪器仪表，国家急需仪器制造业方面的专门人才。为此，中央决定在高等学校设立仪器类专业，培养新中国的仪器仪表专门人才。1952年全国高校院系调整后，中央教育部委托天津大学筹建“精密机械仪器专业”，委托浙江大学筹建“光学仪器专业”。这是新中国成立后在我国高等学校中最先设置的仪器仪表类专业。而后，随着国民经济的大发展和国防事业的需要，各行各业对相关仪器仪表的需求不论是数量上还是品种上都愈来愈大，愈来愈广。为适应这种社会需求，国内不少高校如：清华大学、哈尔滨工业大学、合肥工业大学、上海交通大学、长春理工大学（原长春光机学院）、北京理工大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学等也相继成立了仪器仪表专业，并且随着服务行业的不同，电测仪表、热工仪表、航空仪表、导航仪表、自动化仪表、石油地球物理仪器等仪器仪表专业相继诞生。截至1966年文化大革命前，全国共有30余所院校设有十几个仪器仪表类专业。1963年全国仪器仪表类教材编审委员会在天津大学成立,下设精密仪器、光学仪器和自动化仪表3个专业。文革期间教学研究活动基本处于停顿状态。1983年成立了仪器仪表类专业教材编委会。为了顺应学科发展需求，教育部于1997年对测控领域相关的该11个专业归而成的一个宽口径专业测控技术与仪器，它是国家教育部一级学科仪器科学与技术学科所属的唯一的本科专业。2000年后全国高校专业统归教育部管理,20002005年仪器仪表教学指导委员会由14所高校的14名委员组成，主任单位是天津大学。近年来，我国设有测控技术与仪器专业的高校数量也有显著增加，1997年有80多所，2004年已达160多所，目前已超过180所。2.2仪器科学与技术学科人才培养规格与培养模式的演变规律2.2.1由专才教育向通识教育转变文化大革命前，我国的仪器仪表专业是在苏联专家的直接帮助下成立的，人才培养也按照苏联模式，专业下又设若干专门化。截至到1966年，仪器仪表类学科设有计量仪器、计时仪器、光学仪器、热工仪表、航行仪表、自动化仪表、石油地球物理仪器等等十几个专业（不包括军工口），实行“专测控技术与仪器专业发展战略研究报告3才”教育。真正使我国高等教育从“专才教育”向“通识教育”转变的是1998年教育部颁布普通高等学校本科专业目录后。在此次专业调整中，把精密仪器、光学技术与光电仪器、无线电计量测试等十个仪器仪表类专业合并为一个专业测控技术与仪器专业,仪器仪表人才的宽口径通识教育从此开始。2.2.2人才培养规格向多样化发展仪器科学与技术学科初建之时（50年代），主要填补国内仪器仪表行业的空白，培养了大量的本科生。60年代，在仪器仪表行业已有初步基础之时，开始了研究生教育和创新人才培养。改革开放以后，随着经济转型，研究生教育大发展。近年来，随着高等教育从精英教育向大众教育的变化，又产生了仪器科学与技术学科的专科教育，形成了多层次教育格局。2.2.3测控技术与仪器专业人才的复合型特征日渐凸显仪器科学与技术学科由多学科交叉形成，仪器技术是高新技术的综合应用，测控专业人才是复合型人才的特点，这种特点随着科学技术的飞速发展愈发突出。学科内容的扩充使得仪器仪表人才的知识结构不断调整更新，覆盖的知识面越来越宽，复合程度越来越大，社会适应性也越来越强。2.2.4社会需求是专业发展的原动力建国初期，计划经济指导下高等教育必然以适应计划经济的模式办学，“短、平、快”的专才教育也确实解决了国内百废待兴，急需仪器仪表人才的燃眉之急。然而，随着市场经济的开展，教育也必须发生相应的变化。自主择业，双向选择的就业方式，必然呼唤通识教育。2.3我国高校测控技术与仪器专业发展状况2.3.1高校测控专业的特色、主要方向及优势自1998年教育部在专业调整中，把十个仪器仪表类专业合并测控技术与仪器一个专业后，目前开设该专业的院校有180多所，大都还是基于光、机、电、算来发展新的测控技术与仪器专业，主要集中在检测技术、自动控制技术与仪器仪表的结合领域上。但是，由于新的测控技术与仪器专业的发展源流情况，原来的相关专业情况不同、服务对象不同，所以现有办学条件、专业规模、教学水平各异。因此，目前各个院校的测控技术与仪器专业的发展途径和专长各不相同，培养方案也各有侧重。限于篇幅，下面主要对几个具有典型代表意义的国内高校的测控技术与仪器专业的发展情况进行分析。天津大学精密仪器与光电子工程学院(简称精仪学院)于1995年10月在原精密仪器工程系基础上成立，设有测控技术与仪器等5个本科专业，拥有测试计量技术及仪器等工程硕士学位和博士学位授予权，光学仪器、测试计量技术与仪器是国家首批重点学科，设有博士后流动站。测控电路和工程光学等一批课程是国家精品课程。在仪器科学与技术学科评比中，名列全国第1位。主要的专业方向为：激光及光电测试技术、精密测控技术及仪器智能化、微纳加工与测试技术、现代传感与测试信息技术等。清华大学精密仪器与机械学系建立于1984年，建有精密测试技术与仪器国家重点实验室及微米纳米技术研究中心等。拥有精密仪器及机械、光学工程等4个全国重点学科，具有测控技术与仪器、微机电系统工程等3个专业。主要的特色研究方向：微米纳米技术、小卫星技术、光学测量技术、光信息存储技术、传感器及其测量技术、精密测试与故障诊断技术等。在仪器科学与技术学科评比中，名列全国前5位。重庆大学光电工程学院现有测控技术与仪器等3个本科专业，有仪器科学与技术和光学工程两个一级学科，精密仪器及机械为国家重点学科，仪器科学与技术、光学工程两个博士后流动站。主要研究方向为：光学测量、精密机械、光电信息技术、微纳技术等。形成了科研、学科、教学相互促进，培养多学科交叉的高素质、复合型人才的培养方式。在仪器科学与技术学科评比中，名列全国前5位。测控技术与仪器专业发展战略研究报告4电子科技大学自动化学院测控技术与仪器专业的前身为电子仪器与测量技术专业，是国内开设最早的专业，其电子测量、自动测试技术和接口技术的教学、科研工作，在全国处于领先水平。主要方向：测量仪器，信息采集与处理、遥控遥测等。中国计量学院测控技术与仪器专业在计量、质量、检测、标准、检验检疫等方面具有鲜明的办学特色，主要方向涉及国防计量、工业计量、商贸计量和能源计量等。该专业建有浙江省试验教学示范基地，是国家级“第一类特色专业建设点”，在教育部2006年高校学科评估结果中，全国排名第18位。南昌航空大学测控技术与仪器专业“以无损检测为基础、测控技术为主线”的专业特色，是国内唯一一所拥有系统规范的无损检测本科及研究生教育的高等院校，建设与发展成为了教育部国家一类特色专业。形成了具有三个具有特色的研究方向：电磁超声检测、光电信息检测、检测信息智能化处理。南京邮电大学测控技术与仪器专业方向为虚拟仪器技术、协议一致性测试、智能仪器与测控系统、网络化测控等，着重于广域网中的虚拟仪器技术，及信号的分布式测量和网络远程控制。重庆工学院测控技术与仪器专业方向为计算机辅助测试技术与仪器、远程测试与控制技术、现代电力电子技术及应用，偏向于精密机械测量及数字控制。2.3.2目前国内高校测控技术与仪器专业存在的问题社会需求方面:我国仪器仪表行业与国际水平有较大差距,不能满足国民经济建设的需要,社会急需高端产品研发方面的人才,然而高端人才培养能力不足以满足当前需要,导致供需关系出现了问题。教学理念方面:有相当数量的教师还是英才教育的思想观念,教学内容和方式也基本沿用他们所熟悉的做法,对现在的学生的总体的看法是批评多,表扬鼓励少。学校和教师方面:除重点院校及办学历史较长的学校外，大多数测控专业特色及优势不明显、没有鲜明的符合社会经济发展需求的专业方向，学校的师资队伍状态与人才培养要求一直存在较大的差距。另外,对于那些办学层次低的院校,就很难补充到适合本专业教学需要的教师,无法深入开展教学科研活动。教学内容与课程体系方面:仪器仪表俗称集“光、机、电、算”为一体,各院校在安排教育课程时普遍存在课程难度大、门数多的问题,学起来比机械类和电子类专业的难度要大。尽管经历了数次改革,人才培养模式上没有大的改观。因此,开展教学内容与课程体系的改革任务比其它学科要艰巨一些。素质教育与实践环节方面:各校首先面临的是校外实践基地的数量不足、内容不对口、实习时间少的问题。有相当数量的学生对生产实习持不重视的态度。建议这方面的问题作为教育改革的课题专门进行重点立项研究。在素质教育上,若想培养具有创新能力的人才,教师必须能创新。3.仪器科学与技术学科及测控技术与仪器3.1仪器科学与技术学科的任务与定位当前，科技界普遍认为，信息技术由四大部分组成，即信息获取、信息传输、信息处理与信息应用。这四部分组成了如图1所示的信息链。信息链的源头信息获取，是仪器科学与技术学科的研究范畴。图1信息技术的四个组成部分及其信息链仪器科学与技术学科的基本任务是研究信息获取技术，研究信息相关物理量的测量方法，并解决如何准确获得和处理信息的信号问题，为被测信号（或数据）正确、可靠的传输提供必要的技术支信息获取信息传输信息处理信息应用测控技术与仪器专业发展战略研究报告5持，并针对信息获取、变送传输、数据处理和执行控制等部分的需要，研究在相关的信号产生、对象追踪、状态反馈、信息传送、动作控制、结果输出等技术环节中应用的控制技术与方法。仪器技术是一门工程应用技术，具有鲜明的时代性，其内涵随着科学技术的发展与时俱进。仪器已从单纯机电结构发展成为集传感器技术、计算机技术、电子技术、现代光学、精密机械等多种高新技术于一身的产品，其用途也从单纯数据采集发展为集数据采集、信号传输、信号处理以及控制为一体的测控过程。现代仪器仪表涉及机械学、光学、电学和计算机科学等学科知识，仪器科学与技术学科成为以机械学、光学、电学和计算机科学等学科为基础而形成的多学科交叉的边缘学科。特别是进入21世纪以来，随着计算机网络技术、软件技术、微纳米技术的发展，仪器技术出现了智能化、虚拟化、远程化和微型化的发展趋势。回顾仪器仪表的发展历史，瞻望未来，很清晰的显现出仪器科学与技术学科的特点：仪器科学是以多学科理论做支撑而形成的交叉学科，仪器技术是以多种工程技术为支持的集成技术，其结构如图2所示。需要说明的是，仪器科学与技术学科所进行的测量研究，主要从信息获取技术上掌握对相关物理量的测量方法并解决如何准确获得信息的信号与数据处理方法，为被测信号（或数据）正确、可靠的传输提供必要的技术支持。仪器科学与技术学科所涉及的控制技术是针对信息获取、变送传输、数据处理、和执行控制等部分的需要，研究在相关的信号产生、对象跟踪、状态反馈、信息传送、动作控制、结果输出等技术环节中应用的控制技术与方法。仪器则体现了该学科系统性、完整性、集成性的特征。总之，仪器科学与技术学科是应科学技术的需求而产生，以多个学科的交叉融合而形成，集各种工程技术于一体的一门技术科学。3.2仪器技术的特点仪器的实质是信息获取、信息处理、信息利用的工具，而仪器科学与技术学科则是研究以获取信息为目的的信息转换、处理、传输、存贮、显示与应用等技术与装置的应用科学，仪器技术是信息技术中的源头技术、仪器技术是现代科技的前沿技术。3.3仪器科学与技术发展的关键技术3.3.1传感技术传感技术不仅是仪器仪表实现检测的基础，也是仪器仪表实现控制的基础。它包括被测量敏感技术，涉及各学科工作原理、遥感遥测、新材料等技术；信息融合技术，涉及传感器分布，微弱信号提取（增强），传感信息融合，成像技术；传感器制造技术，涉及微加工，生物芯片，新工艺等技术。3.3.2系统集成技术系统集成技术直接影响仪器仪表和测量控制科学技术的应用广度和水平，特别是对大工程、大系统、大型装置的自动化程度和效益有决定性影响，它是系统级层次上的信息融合控制技术。图2仪器科学与技术的结构框架基础学科技术与工具仪器科学与技术众多应用领域支撑支持相互推动测控技术与仪器专业发展战略研究报告63.3.3智能控制技术智能控制技术是人类以接近最佳方式或通过测控系统以接近最佳方式监控智能化工具、装备、系统达到既定目标的技术，是直接涉及测控系统的效益发挥的技术，是从信息技术向知识经济技术发展的关键，是测控系统中最重要和最关键的软件资源。此外，还有人机界面技术、可靠性技术等。3.4国内外仪器技术发展现状及趋势分析3.4.1科学仪器发展已成为国家战略，对国民经济具有重要影响作用发达国家中的科学仪器的发展,已转入有目标的政府行为上来。美、日、欧等发达国家早已制定各自的发展战略并锁定目标,专门投入,以加速原创性仪器的发明,转移(化)和产业化进程,企图遏止发展中国家科学仪器的自主研制。美国对仪器仪表的发展给予高度重视和支持；日本科学技术厅把测量传感技术列为21世纪首位发展的技术；德国大面积推广了应用自动化控制仪器系统；欧共体制定第三个科技发展总体规划，将测量和检测技术列为15个专项之一；我国政府“把发展仪器仪表放到重要位置”，国家发改委和科技部列专项支持仪器仪表发展。3.4.2仪器的研制和生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化、系统工程化利用现代微制造技术(光、机、电)、纳米技术、计算机理论、仿生学原理、新材料等高新技术发展新型科学仪器己成为主流,如微型全化学分析系统、微型实验室、生物芯片、芯片实验室等，又如现在用于基因及基因组研究的器件包括:微流量分配装置,微电泳仪、微聚合酶链式反应器(PCR仪)等。3.4.3测试仪器网络化由于仪器的自动化,智能化水平的提高,多台仪器联网已推广应用,虚拟仪器、三维多媒体等新技术开始实用化。因此,通过Internet网,仪器用户之间可异地交换信息和浏览，仪器操作过程更加简化,功能更换和扩张更加方便。网络化测试系统(仪器)是今后测试技术发展的必然。应该看到,现在我国科学仪器事业还处在十分被动的局面,与世界先进水平的差距还在扩大而不是逐年接近,大量高档的仪器和重大设备,主要依赖进口。据悉,现代化宝钢的技术装备投资,1/3经费用于购置仪器和自控系统。总之，随着科学技术尤其是电子信息技术的飞速发展，迫切需要数字化、智能化，网络化、微型化、多功能化的现代仪器解决科学问题。特别是进入21世纪以来，随着计算机网络技术、软件技术、微纳米技术的发展，测控技术出现了虚拟化、远程化和微型化的发展趋势。现代化仪器应是高新技术包括集传感器技术、计算机技术、电子技术、现代光学、精密机械等多种高新技术于一身的产品，其用途也从单纯数据采集发展为集数据采集、信号传输、信号处理以及控制为一体的测控过程。4.我国仪器仪表产业发展现状及人才需求特点分析4.1仪器仪表在当代社会的地位与作用在国民经济运行中，仪器仪表是“倍增器”，对国民经济有着巨大的辐射作用和影响力。美国商业部国家标准局20世纪90年代中发布的调查数据表明，美国仪器仪表产业的产值约占工业总产值的4，而它拉动的相关经济的产值却达到社会总产值66，仪器仪表发挥出“四两拨千斤”的巨大倍增作用。在科学研究中，仪器仪表是“先行官”。离开了科学仪器，一切科学研究都无法进行。在重大科技攻关项目中，几乎一半的人力财力都是用于购置、研究和制作测量与控制的仪器设备。诺贝尔奖设立至今，众多获奖者都是借助于先进仪器的诞生才获得重要的科学发现；许多科学家因为发明科学仪器而获奖。测控技术与仪器专业发展战略研究报告7在军事上，仪器仪表是“战斗力”。仪器仪表的测量控制精度决定了武器系统的打击精度，仪器仪表的测试速度、诊断能力则决定了武器的反应能力。1991年海湾战争美国使用的精密制导炸弹和导弹只占8，12年后伊拉克战争中，美国使用的精密制导炸弹和导弹达到了90以上，这些先进武器都是靠一系列先进的测量与控制仪器仪表系统装备并实现其控制功能的，配备相关测量控制仪器仪表。中共十六大报告中指出，要以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走出我国一条新型工业化的道路。而在这个进程中，仪器仪表既肩负着以信息化带动工业化的重任是改造传统工业的必备手段，又扮演着以工业化促进信息化进一步发展的重要角色是信息化的重要内容和主要标志。因此，无论是信息化还是工业化，如果没有先进仪器仪表的支撑是完全不可能的。4.2仪器仪表产业发展现状经过几十年来，特别是近十年来的建设与发展，我国仪器仪表已经初步形成产品门类品种比较齐全，具有一定生产规模和开发能力的产业体系，成为亚洲继日本以后的第二大仪器仪表生产国。“十一五”以来，我国仪器仪表发展很快，形式很好。虽然我国仪器仪表产业有了较大的发展，但还远远不能满足国民经济、科学研究、国防建设等各个方面日益增长的迫切需求。我国仪器仪表产品大部分属于中低档产品，技术水平相当于20世纪90年代初中期国际水平，高端大型仪器几乎全部依赖进口。产品技术方面的差距主要表现在：（1）产品的可靠性较差，现有国内产品与国外产品的寿命大致要相差12个数量级；（2）产品的性能、功能落后，现有国内产品在测量精度上要与外国产品相差1个数量级，而国内现有产品普遍智能化程度较低，另外产品的网络化在国外已经进入实用阶段，而我国基本上处于摸索阶段；（3）产品技术更新周期长，当今国外产品的更新周期大约在23年，而我国企业往往通过引进外国技术来实现一代产品的更新，引进后又不能很好地消化吸收，在新产品开发方面原创性成果很少，一些采用新原理的产品，在我国还处于空白状态；（4）缺乏针对使用对象而开发专用解决方案，国外近年仪器仪表的发展趋势是开发仪器仪表与应用对象紧密结合的软件产品，最终向用户提供个性化的解决方案，我国企业在这方面尚未形成产业。综合实力上的差距不小，主要是：（1）行业规模小，仪器仪表行业的总产值较低，不仅是绝对量小，在经济总量中的比例也很小，现有仪器仪表工业的产值仅为工业总产值1.79，国民经济总值0.8，在人力、财力上都不能在市场上与外国跨国集团抗衡；（2）企业劳动生产率低，国内企业管理水平普遍低于外国企业，因此，制造高技术含量产品的企业，劳动生产率远低于外国企业；（3）企业技术开发投入普遍不足，以科学仪器为例，一般国外公司的开发投入占销售额的10，而我国仅占3。4.3现代仪器仪表产业对人才的需求分析4.3.1仪器仪表人才需求的特点（1）知识面宽的复合型人才仪器科学是多学科交叉而形成的边缘学科的属性要求仪器仪表人才必须具备较丰富的光学、电子、精密机械、传感、误差处理、信号分析等方面知识。因此，测控技术与仪器专业的教学安排必须实行“宽基础”，这造就了仪器仪表类专业人才“博学”的特征，也使得测控技术与仪器专业的人才培养目标一直定位于是通晓多学科知识的复合型人才。（2）知识结构新，具备可持续发展能力的人才仪器技术是各种高新技术的“集成”技术。科学技术上新的研究成果和发现及大量高新技术如微弱信号提取技术，计算机软硬件技术、网络技术、激光技术、超导技术、纳米技术等均成为仪器仪表和测量控制技术发展的重要动力。因此，仪器仪表人才的知识结构必须紧随科学技术的发展不断更新，