文成，周傳德

一、引言

設(shè)計、工藝和檢測是機械工程三大組成部分，在工業(yè)自動化、機械制造信息化和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中，“機械工程測試技術(shù)”課程起著極為重要的作用[1]。本門課程是機械類專業(yè)主干課，教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生利用傳感器與測試技術(shù)知識來解決工程實際問題的能力?！皺C械工程測試技術(shù)”是一門實踐性較強的課程，突出實踐操作能力的培養(yǎng)[2]。學(xué)生必須參與足夠的實踐，才能充分理解理論知識，從而更好地把握課程內(nèi)容。目前各高校開設(shè)的課程實驗項目大多為驗證性、綜合性實驗，且實驗項目之間缺少必要的聯(lián)系，與工程實際相關(guān)度低。學(xué)生動手能力與工程應(yīng)用能力得不到有效的訓(xùn)練，不利于學(xué)習(xí)興趣的提高和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，教學(xué)質(zhì)量難以保證。

2012年3月教育部發(fā)布 《全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》（教高[2012]4號），明確提出進一步加強實踐教學(xué)模式、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革，實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃，提高實踐教學(xué)學(xué)分比例，加強學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)。為貫徹上述教育思想，結(jié)合機械類專業(yè)人才培養(yǎng)計劃和本課程性質(zhì)，本文提出“工程應(yīng)用實踐”教學(xué)新模式，讓學(xué)生更多參與工程應(yīng)用的設(shè)計與開發(fā)，促進理論與實踐的緊密結(jié)合。該教學(xué)模式體現(xiàn)了面向工程觀的教育理念[3]，必將激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強工程實踐能力、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

二、工程應(yīng)用實踐教學(xué)內(nèi)涵

工程應(yīng)用實踐教學(xué)與工程案例教學(xué)的相同之處在于教學(xué)內(nèi)容都源于工程實際或科研項目，涉及多門課程或領(lǐng)域知識。但是，二者之間又存在明顯的差別。工程案例教學(xué)是教師根據(jù)教學(xué)要求，設(shè)計相應(yīng)案例，組織學(xué)生運用所學(xué)知識針對案例內(nèi)容進行思考、分析、討論和交流[4]。它主要用于課堂交流或探討，學(xué)生并沒有參與設(shè)計、研發(fā)工程案例，對案例所涉及的硬件（傳感器、信號調(diào)理設(shè)備及數(shù)據(jù)采集卡）和軟件并不熟悉，談不上真正融入到工程實際。在工程應(yīng)用實踐教學(xué)中，學(xué)生根據(jù)工程應(yīng)用課題，在老師指導(dǎo)下主動參與項目的設(shè)計研發(fā)，最終完成測試任務(wù)。學(xué)生課題討論、資料收集以及項目的實施等都是在課余時間里完成的。因此，工程應(yīng)用實踐教學(xué)是以學(xué)生為中心，以解決實際問題為出發(fā)點，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，致力于提高學(xué)生綜合素質(zhì)的教學(xué)模式。

工程應(yīng)用實踐項目是以工程設(shè)計與應(yīng)用為主線，以培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科交叉應(yīng)用能力和團隊協(xié)作能力為目的，構(gòu)建培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的一種教學(xué)模式。教師根據(jù)課程教學(xué)大綱要求，精心篩選或設(shè)計工程應(yīng)用項目，保證每一個教學(xué)單元和知識點在項目實施中得以充分應(yīng)用，從而加深對理論知識的理解。學(xué)生在學(xué)習(xí)完相關(guān)章節(jié)后，根據(jù)項目要求，主動收集相關(guān)知識，經(jīng)課題小組充分討論后形成項目實施方案，然后選擇相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建測試系統(tǒng)，最終完成實際測試任務(wù)。因此，工程應(yīng)用實踐的目的是把有關(guān)傳感器數(shù)據(jù)采集、信號處理及動態(tài)信號分析等理論知識加以系統(tǒng)化整合。學(xué)生綜合多門學(xué)科知識和多種實驗原理來設(shè)計項目，在實施過程中去發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，并最終解決工程實際問題。工程應(yīng)用實踐訓(xùn)練使學(xué)習(xí)過程更加貼近生產(chǎn)實際，有利于發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生獨立解決實際問題的能力、創(chuàng)新能力以及組織管理能力。

三、工程應(yīng)用實踐教學(xué)設(shè)計

（一）實踐項目設(shè)計原則

工程應(yīng)用實踐項目應(yīng)首先要充分結(jié)合機械類專業(yè)人才培養(yǎng)計劃，緊扣課程教學(xué)大綱，密切生產(chǎn)生活，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。工程應(yīng)用實踐項目既要滿足課程理論知識與工程實際的結(jié)合，又要涉及多門學(xué)科的綜合應(yīng)用，還要考慮項目實施的可行性，保證工程應(yīng)用實踐順利實施。其次，工程應(yīng)用實踐項目必須綜合企業(yè)、教師和學(xué)生三方面的意見[5]。圖1為工程應(yīng)用實踐教學(xué)模式。

根據(jù)工程應(yīng)用實踐教學(xué)模式要求，必須保證項目的科學(xué)性和可行性，充分融合工程背景，規(guī)范項目教學(xué)方案，項目設(shè)計可以遵循以下幾個原則。

圖1 工程應(yīng)用實踐教學(xué)模式

1.緊扣培養(yǎng)計劃和教學(xué)大綱

引入工程應(yīng)用實踐教學(xué)模式需結(jié)合機械專業(yè)人才培養(yǎng)計劃和本課程教學(xué)大綱，在不增加課堂教學(xué)課時的情況下，彌補課內(nèi)實驗項目數(shù)量偏少且多為驗證性、綜合性實驗的缺陷。要重點突出傳感器和測試技術(shù)理論在工程上的應(yīng)用。項目要側(cè)重傳感器、濾波器、放大器以及采集設(shè)備的選用，利用虛擬儀器技術(shù)快速構(gòu)建測試系統(tǒng)，完成測試任務(wù)，并對測試結(jié)果進行分析。工程應(yīng)用實踐項目所運用到的知識要盡可能覆蓋課程大綱所規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容。

2.工程實踐內(nèi)容來源于企業(yè)生產(chǎn)和教師科研工作

企業(yè)的設(shè)計、制造、生產(chǎn)以及維修都與測試技術(shù)和傳感器密切相關(guān)，尤其是流程工業(yè)大量運用“設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷”技術(shù)，更是與本課程內(nèi)容聯(lián)系十分緊密。從企業(yè)中提煉的工程應(yīng)用項目本身就是生產(chǎn)實際，特別能引起學(xué)生的興趣。工程應(yīng)用項目與科研結(jié)合，學(xué)生和老師有共同的研究內(nèi)容，能促進學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高。

3.充分考慮學(xué)生知識水平和實驗條件，保證項目切實可行

工程應(yīng)用實踐教學(xué)模式最重要的環(huán)節(jié)是項目的順利實施，最終要解決實際工程問題。因此，項目所涉及的知識點要與學(xué)生水平相適應(yīng)，項目開展所需實驗條件（硬件和開發(fā)軟件）必須完備，任務(wù)具體，工作量適當(dāng)，進度明確，使學(xué)生在教師的指導(dǎo)下在規(guī)定時間內(nèi)通過努力能夠順利完成。

（二）實踐項目的規(guī)劃與實施

（1）工程應(yīng)用實踐項目規(guī)劃。工程應(yīng)用實踐可以根據(jù)“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”要求，以工程應(yīng)用為重點，借助已有的Matlab和LabVIEW等工程軟件，解決實際工程問題，以培養(yǎng)學(xué)生能完成一般機械測試任務(wù)為目標(biāo)。

“機械工程測試技術(shù)”涉及到多學(xué)科的交叉，知識點較多，被公認為較為難學(xué)的課程之一。從測試系統(tǒng)觀點出發(fā)，將教學(xué)內(nèi)容劃分為“測試系統(tǒng)及其基本特性”、“信號獲取與分析”以及“典型機械測試系統(tǒng)”三個知識板塊，每個知識板塊均有工程應(yīng)用實踐?！暗湫蜋C械測試系統(tǒng)”板塊包括振動、噪聲、溫度、機械參量、工業(yè)自動化等測試系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用，內(nèi)容包括機械系統(tǒng)分析、傳感器選擇、基于計算機的測試系統(tǒng)搭建及測試結(jié)果分析。設(shè)置更多的項目，可以突出工程應(yīng)用。圖2為工程應(yīng)用實踐項目在“機械工程測試技術(shù)”課程中的分布情況。

圖2 工程應(yīng)用實踐項目在課程中的分布

（2）工程應(yīng)用實踐教學(xué)實施方法。工程應(yīng)用實踐是提高學(xué)生工程實踐能力、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識的重要途徑。學(xué)生借助虛擬儀器技術(shù)，正確選用硬件設(shè)備，利用相關(guān)軟件設(shè)計測試應(yīng)用程序，綜合各種理論知識來解決實際工程問題。開展工程應(yīng)用實踐教學(xué)可按以下步驟組織實施。

第一，教師向?qū)W生介紹開展工程應(yīng)用實踐教學(xué)的意義和項目實施的方法，使學(xué)生提前有思想準(zhǔn)備。要求學(xué)生自學(xué)應(yīng)用項目設(shè)計軟件——Matlab和LabVIEW，提前儲備相關(guān)理論知識。

第二，按教學(xué)進程介紹每一個工程應(yīng)用實踐項目，以紙質(zhì)形式布置設(shè)計內(nèi)容，需要解決的工程問題，使學(xué)生初步了解每一個項目所涉及的工程應(yīng)用領(lǐng)域。

第三，將學(xué)生分成若干學(xué)習(xí)小組，指定小組負責(zé)人。通過協(xié)商確定各小組承擔(dān)的工程應(yīng)用實踐項目，各小組課題不能相同。

第四，分組布置課題，介紹項目的工程背景，完成任務(wù)所涉及的知識點，提出要解決的關(guān)鍵問題。盡量向?qū)W生提供相關(guān)參考文獻目錄，以便學(xué)生查閱。

第五，組織、指導(dǎo)學(xué)生利用課余時間開展項目研究，提出解決方案和實施步驟，明確項目完成最終成果形式。

第六，教師定期組織各項目小組進行學(xué)術(shù)討論，研究、解決項目開展中所遇到的問題，及時跟蹤項目完成情況，力促各研究項目順利完成。

第七，以答辯的形式考核項目完成情況，將工程應(yīng)用實踐實施過程、取得的成果納入課程考核體系之中，激勵學(xué)生積極主動地參與項目的討論、設(shè)計和測試工作，以保證教學(xué)質(zhì)量。

四、工程應(yīng)用實踐教學(xué)實例——基于聲卡的振動測試系統(tǒng)

本項目要求學(xué)生了解聲卡的數(shù)據(jù)采集功能特點，借助LabVIEW軟件，開發(fā)振動測試實驗教學(xué)系統(tǒng)。項目提出了一種基于聲卡的數(shù)據(jù)采集與分析的廉價方案，實現(xiàn)振動信號的采集分析、數(shù)據(jù)存盤、信號分析（時域分析、頻域分析和數(shù)字濾波）等多種功能，具有實現(xiàn)簡單、性能穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點。項目的成果形式——振動測試分析系統(tǒng)，要求應(yīng)用于精度不高的振動與聲音信號采集、波形顯示、任意信號發(fā)生、信號記錄與監(jiān)測。

以下是某小組同學(xué)們的項目實施過程：在查閱相關(guān)文獻的前提下，提出了圖3所示的測試系統(tǒng)方案。可結(jié)合聲卡的特點對其進行必要改造，使之能與傳感器相接。需選擇HK9103-J壓電式加速度計和ZK-4CZ2型雙通道信號調(diào)理器，通過 LabVIEW實現(xiàn)振動測試功能。最后通過實驗得出結(jié)論：振動信號頻率范圍在 100 Hz～10 kHz范圍內(nèi)。本測試系統(tǒng)能真實、準(zhǔn)確地反映信號的頻率和幅值，可以推廣到語音識別、環(huán)境噪聲監(jiān)測和實驗室測量等多種領(lǐng)域，應(yīng)用前景非常廣闊。

圖3 基于聲卡的振動測試系統(tǒng)組成方案

本項目運用到傳感器、信號采集、信號分析、虛擬儀器、振動理論等知識，學(xué)生在完成過程中得到了較為全面的訓(xùn)練，提高了分析問題、解決問題的能力。

五、結(jié)論

工程應(yīng)用實踐教學(xué)方法應(yīng)用于 “機械工程測試技術(shù)”課程，極大地促進了理論與實際相結(jié)合。以前教學(xué)中出現(xiàn)的“枯燥無味、知識點分割”，現(xiàn)在變得“生動具體、知識點統(tǒng)一”。學(xué)生從“被動學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)為“主動學(xué)習(xí)”；教師的教學(xué)方法和技巧也得到了完善。工程應(yīng)用實踐教學(xué)模式突出了工程測試與應(yīng)用的整體概念，不但提高了教學(xué)質(zhì)量，也使學(xué)生的工程實踐能力、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識得到提高，為“卓越工程師教育培養(yǎng)”和“機械工程工程師培養(yǎng)”奠定了堅實的基礎(chǔ)。

[1]周傳德，宋強.傳感器與測試技術(shù)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2009.

[2]文成，周傳德.機械工程測試技術(shù)“案例和實驗并舉”教學(xué)模式探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2013（1）.

[3]李冰.工程案例教學(xué)在《機械工程測試技術(shù)》中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2010（8）.

[4]文成，周傳德.工程案例教學(xué)在“機械工程測試技術(shù)”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報：社會科學(xué)版，2012（21）.

[5]張樹國，王家宣，劉超.以項目為載體的工程訓(xùn)練教學(xué)模式的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2012（7）.