許同樂(lè)　蔡道勇　馬金英

[摘 要] 隨著現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)這門(mén)課程在教學(xué)中扮演的角色越來(lái)越重要。由于這門(mén)課程課時(shí)少、內(nèi)容多且抽象難理解，對(duì)教學(xué)造成了很大的困擾。針對(duì)這點(diǎn)，將MATLAB軟件應(yīng)用到這門(mén)課程的教學(xué)中，豐富了教學(xué)內(nèi)容和增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性。

[關(guān)鍵詞] 測(cè)試技術(shù)；教學(xué)方法；MATLAB

[中圖分類(lèi)號(hào)] TP274 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 1005-4634（2015）01-0062-04

機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度不斷提高，機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)在其中所起的作用不可替代。同時(shí)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)是機(jī)械類(lèi)及近機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)理論和實(shí)踐性都很強(qiáng)的基礎(chǔ)課程[1，2]，是交叉性學(xué)科。對(duì)該類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生畢業(yè)后快速適應(yīng)自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)具有很大的幫助，也在現(xiàn)代制造業(yè)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中起著重要的作用。

1 機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)教學(xué)中問(wèn)題

1.1 教學(xué)內(nèi)容缺乏針對(duì)性

目前，機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)教材內(nèi)容抽象且實(shí)例少，成為影響教學(xué)質(zhì)量的一個(gè)重要因素。同時(shí)課程內(nèi)容涉獵極為廣泛，安排較為松散，采用傳統(tǒng)的因“材”施教方式，使學(xué)生感到知識(shí)枯澀難懂[3-5]。

1.2 課程內(nèi)容多，而學(xué)時(shí)少

該課程內(nèi)容包括材料學(xué)、傳感器、信號(hào)處理、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、精密機(jī)械設(shè)計(jì)等眾多門(mén)學(xué)科。而隨著大學(xué)教學(xué)體系的改革，機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)的教學(xué)時(shí)間大幅度縮減，這就變相增加了老師的教學(xué)難度和學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力。此外該課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，理論學(xué)習(xí)必須配合相關(guān)實(shí)驗(yàn)才能牢固掌握知識(shí)。

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該課程教學(xué)非常重要的環(huán)節(jié)，主要包括測(cè)試系統(tǒng)特性的測(cè)量、振動(dòng)信號(hào)測(cè)試、各類(lèi)傳感器的應(yīng)用等。學(xué)生可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所學(xué)理論，做到活學(xué)活用?，F(xiàn)在多數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器是集成化實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)生只需要按照老師規(guī)定的步驟即可完成實(shí)驗(yàn)操作，但是學(xué)生對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)及其環(huán)節(jié)仍沒(méi)有直觀(guān)認(rèn)識(shí)且缺乏自主性，所以這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力上所起到的作用是非常有限的。

2 MATLAB在機(jī)械工程測(cè)試課程教學(xué)中 應(yīng)用

為解決以上問(wèn)題，就要對(duì)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)教學(xué)進(jìn)行改革，筆者將MATLAB應(yīng)用到該門(mén)課程教學(xué)中，有助于教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。MATLAB是一個(gè)大型的矩陣實(shí)驗(yàn)室，因其在數(shù)值分析、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、圖像處理和仿真等方面的強(qiáng)大功能，逐漸成為各學(xué)科領(lǐng)域中必不可少的研究工具。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的高校中，該軟件已成為相關(guān)領(lǐng)域的基本教學(xué)工具，是在校學(xué)生必須掌握的基本技能。在國(guó)內(nèi)，該軟件也以逐步成為理工科的必修課，但在該課程中的應(yīng)用還很少。

2.1 結(jié)合課程內(nèi)容，采用MATLAB輔助教學(xué)

將MATLAB引入機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)教學(xué)中，有利于活躍課堂氛圍，使學(xué)生對(duì)理論性較強(qiáng)的內(nèi)容有更直觀(guān)的認(rèn)識(shí)，也掌握了一門(mén)對(duì)將來(lái)學(xué)習(xí)和工作都很有幫助的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言。引入MATLAB，大大減輕學(xué)生的計(jì)算量，使其有更多的時(shí)間進(jìn)行技術(shù)改造和創(chuàng)造性思維。同時(shí)也減輕了授課時(shí)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，從而可將問(wèn)題的分析引入更深層次。

例如：二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是該課程的重點(diǎn)，固有頻率和阻尼比對(duì)系統(tǒng)特性的影響具有很強(qiáng)的抽象性，為此通過(guò)MATLAB編程演示阻尼比對(duì)歸一化的二階系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)的影響，使學(xué)生對(duì)該內(nèi)容有直觀(guān)的了解。如圖1所示。

1）教學(xué)中合理搭配與應(yīng)用。近年來(lái)，作者將MATLAB及測(cè)試信號(hào)分析應(yīng)用軟件用于課程教學(xué)，取得了很好的效果。對(duì)教師而言，首先要在上課之前準(zhǔn)備充分，在課堂上邊講邊演示，將抽象難懂的問(wèn)題通過(guò)MATLAB形象直觀(guān)地演示出來(lái)，學(xué)生一目了然，節(jié)省教師畫(huà)圖的時(shí)間，增加了授課內(nèi)容，提高了課堂教學(xué)效率；就學(xué)生而言，通過(guò)MATLAB繪圖，直觀(guān)了解一些復(fù)雜理論，縮短了理解時(shí)間。例如在講授測(cè)試裝置基本特性這一章內(nèi)容時(shí)，對(duì)于測(cè)試裝置的二階系統(tǒng)特性的內(nèi)容學(xué)生難以理解，通過(guò)圖形演示，學(xué)生清楚地看到各種情況下其伯德圖和奈奎斯特曲線(xiàn)的變化（見(jiàn)圖2），這樣直觀(guān)表達(dá)其特性，學(xué)生容易接受。

2）用MATLAB自主完成課后練習(xí)。學(xué)生在做課后練習(xí)題時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)有些題目很抽象，難以判別對(duì)錯(cuò)，此時(shí)就可使用MATLAB進(jìn)行仿真，學(xué)生就可以輕松判斷對(duì)錯(cuò)，同時(shí)增加了學(xué)習(xí)情趣，也提高了學(xué)生解決問(wèn)題的能力。如判斷兩不同周期信號(hào)的頻率比為無(wú)理數(shù)時(shí)，則疊加后信號(hào)無(wú)公共周期，為了解釋這一結(jié)論，筆者應(yīng)用MATLAB對(duì)以下兩組信號(hào)進(jìn)行仿真，第一組為兩不同周期信號(hào)的頻率比為有理數(shù)，第二組為兩不同周期信號(hào)的頻率比為無(wú)理數(shù)。

這樣便于學(xué)生前后比較、聯(lián)想，有助于幫助學(xué)生理解，而軟件的應(yīng)用是重結(jié)果輕過(guò)程。因此在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程教學(xué)手段上，需要合理搭配與應(yīng)用，應(yīng)該更多地采用使用軟件和PPT教學(xué)相結(jié)合的方法，從而發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。

2.2 解決內(nèi)容多與課時(shí)少之間矛盾

為緩解內(nèi)容多與課時(shí)少之間的矛盾，教師往往采用“講主省次”的方法。利用MATLAB提供的數(shù)值計(jì)算、圖形處理、數(shù)字仿真等功能，不僅可以大量節(jié)省用于計(jì)算、概念、圖形講解等方面的時(shí)間，而且降低課程內(nèi)容的理論抽象性、增強(qiáng)直觀(guān)性，從而可以抽出時(shí)間增加課堂教學(xué)互動(dòng)，將學(xué)生引導(dǎo)到向更高層次。信號(hào)分析如圖5、圖6所示。

2.3 MATLAB結(jié)合LabVIEW實(shí)時(shí)分析機(jī)械故障 信號(hào)

LabVIEW是圖形化編程，具有友好的人機(jī)界面，而MATLAB在信號(hào)分析方面具有強(qiáng)大功能和龐大的內(nèi)置函數(shù)庫(kù)，有利于信號(hào)處理，筆者利用LabVIEW的matlabscript節(jié)點(diǎn)使兩個(gè)軟件結(jié)合起來(lái)，LabVIEW利用該節(jié)點(diǎn)可執(zhí)行MATLAB語(yǔ)句或函數(shù)的載體，很方便地調(diào)用MATLAB內(nèi)置函數(shù)，也可以在里面編寫(xiě)MATLAB語(yǔ)句。因此利用這一特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了故障診斷系統(tǒng)。

根據(jù)診斷系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)的功能，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架，將系統(tǒng)分模塊設(shè)計(jì)。筆者開(kāi)發(fā)了時(shí)域頻域分析模塊等模塊，學(xué)生在該模塊可以實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、頻譜分析、以及各指標(biāo)的計(jì)算和報(bào)警設(shè)置。模塊采用的時(shí)域指標(biāo)有最大值、最小值、均方根值和峭度值，與設(shè)定的峰值閾值、均方根閾值、峭度閾值比較后程序可以識(shí)別是否報(bào)警。風(fēng)機(jī)軸承故障診斷系統(tǒng)見(jiàn)圖7、圖8和圖9。

以上程序主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理分析，能讓學(xué)生通過(guò)實(shí)例更加深刻地了解信號(hào)分析的作用。

將MATLAB引入機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)的教學(xué)中，是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)教學(xué)模式的突破。對(duì)教師而言，要求教師必須精通MATLAB，有助于教師素質(zhì)的提高，省去了課堂上原來(lái)用于計(jì)算等占用的大量課時(shí)，以便引導(dǎo)學(xué)生走向更深層次，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣；對(duì)于學(xué)生，通過(guò)自己動(dòng)手以驗(yàn)證所學(xué)知識(shí)的正確性，既能加深對(duì)知識(shí)的理解，又能增加學(xué)習(xí)該門(mén)課程的信心，是對(duì)傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式的挑戰(zhàn)，同時(shí)還掌握了對(duì)日后學(xué)習(xí)和工作都很有幫助的一門(mén)高級(jí)編程語(yǔ)言。這種理論和實(shí)踐并重的教學(xué)模式，既大大提高了機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)的教學(xué)質(zhì)量，又滿(mǎn)足了社會(huì)對(duì)學(xué)生的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]熊詩(shī)波，黃長(zhǎng)藝.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：1-30.

[2]許同樂(lè).機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：3-36.

[3]慕麗，王鑫威.《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)模式探討[J].裝備制造技術(shù)，2010，（6）：212-214.

[4]李力，陳從平等.面向工程應(yīng)用的“測(cè)試技術(shù)”課程教學(xué)與實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育，2009，（6）：108-109.

[5]吳世雄，王成勇.“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”教學(xué)改革的探索[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2007，（6）：108-109.