汪萌生 王金鶴 姜凱雯

[摘 要]為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，提高教學(xué)效果，克服單一理論教學(xué)的不足，文章以機械工程測試技術(shù)課程實驗教學(xué)為例，提出以“工程案例和實驗結(jié)合”的教學(xué)模式，密切理論與工程應(yīng)用之間的聯(lián)系，將學(xué)習(xí)過程轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚搶W(xué)習(xí)、實驗、應(yīng)用技術(shù)一體化。這類將理論化與實踐化相結(jié)合的教學(xué)模式不僅有利于教學(xué)知識的傳授，更有利于學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]測試技術(shù);工程案例;設(shè)計性實驗;綜合性實驗

[中圖分類號]G434 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-7656（2021）05-0060-05

引言

機械工程測試技術(shù)課程在教學(xué)內(nèi)容上涵蓋著大量的實踐性知識，該課程教學(xué)要求學(xué)生掌握測試信號分析理論、傳感器原理和機械測試技術(shù)應(yīng)用方法這三部分的相關(guān)知識點[1]。其中，信號調(diào)理知識點占大量篇幅，該課程的基本知識原理和應(yīng)用部分是學(xué)生需要掌握的關(guān)鍵，然而測試技術(shù)板塊內(nèi)容的不足，會導(dǎo)致學(xué)生在理論與技能之間難以達到較好的平衡[2]。由于學(xué)校實驗室條件限制以及課程本身具備一定的難度，使得學(xué)生在課堂教學(xué)中存在著疑惑之處，較難通過相關(guān)的實物去解決問題和較好地掌握相關(guān)知識，教學(xué)效果需要改進。

為了提高本課程的教學(xué)效果，學(xué)者們進行了許多探索。喻紅等[3]提出了以工程案例為背景的實驗課教學(xué)模式，利用大量科研項目，對科研項目中應(yīng)用到的測試技術(shù)進行整理，提煉為具有實際工程應(yīng)用背景的案例和實驗。西南科技大學(xué)石磊[4]通過設(shè)計測試技術(shù)虛擬案例，讓學(xué)生在LABVIEW虛擬儀器平臺上完成信號的發(fā)生、分析、處理和結(jié)果輸出，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)學(xué)生工程意識和解決問題的能力。浙江海洋學(xué)院郝鴻雁[5]詳細介紹了將工程案例導(dǎo)入到教學(xué)過程的具體方法和過程，總結(jié)了該方法在教學(xué)過程中的使用效果和可能存在的問題。華南理工大學(xué)郭建[6]探討了項目教學(xué)法在教學(xué)中的應(yīng)用，通過實際的傳感器的安裝到硬件平臺的搭建，培養(yǎng)學(xué)生以工程項目為核心的思維和工作方式，促進學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動性，該模式能較好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了較好的教學(xué)效果。重慶科技學(xué)院文成[7]提出以“案例和實驗并舉”的教學(xué)模式，密切理論與實踐之間的聯(lián)系，促進學(xué)習(xí)過程轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)、應(yīng)用和發(fā)展知識的過程。機械工程測試技術(shù)課程側(cè)重理論教學(xué)，實驗教學(xué)內(nèi)容需要加強，這意味著在教學(xué)過程缺乏對學(xué)生自主探究能力的培養(yǎng)，學(xué)生對課程不易產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。因此提出以“工程案例和實驗相結(jié)合” 的教學(xué)模式，密切理論與工程實踐之間的聯(lián)系，促進學(xué)習(xí)過程轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚搶W(xué)習(xí)、應(yīng)用和發(fā)展知識的過程，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，幫助學(xué)生更高效地學(xué)習(xí)。

一、教學(xué)活動中存在的不足

該課程教學(xué)過程中存在的不足主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（一）知識點側(cè)重點單一，重理論輕實踐

該課程在教學(xué)過程當(dāng)中更傾向于理論知識的傳授，相較于記憶型知識，該課程涵蓋大量的數(shù)學(xué)知識。因此，在課程理論知識學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生會感覺知識生澀難懂，出現(xiàn)難以深入理解掌握知識的情況。

（二）知識點布局不夠合理

該課程從知識點角度考慮，按照信號及其描述、測試裝置的基本特性、常用傳感器及敏感元件、信號調(diào)理、信號處理、工程應(yīng)用的順序?qū)滩倪M行排版布局，此種布局有利于保證知識點的完整性，但知識點學(xué)習(xí)是一個循序漸進的過程，學(xué)生在面對如此排版的教材時，難以較好地處理知識點之間的關(guān)聯(lián)性[8]。

（三）傳統(tǒng)的教學(xué)方式實踐性環(huán)節(jié)偏少，實驗和技術(shù)應(yīng)用結(jié)合不夠

由于教學(xué)實驗條件的限制，學(xué)生可以動手參與的實驗和實踐性環(huán)節(jié)偏少，而且主要是驗證性實驗，缺少與工程背景的應(yīng)用技術(shù)之間的聯(lián)系，不利于對學(xué)生進行工程實踐能力的培養(yǎng)，也影響了教學(xué)效果。

二、教學(xué)改革的目標方向

針對當(dāng)前存在的不足，需要從教學(xué)環(huán)節(jié)的講授端入手，首先明確教學(xué)目標。針對“機械工程測試技術(shù)”課程教學(xué)中存在的理論教學(xué)較多的問題，在教學(xué)環(huán)節(jié)可將該部分進行弱化，側(cè)重知識點在物理方向上的涵義;知識點布局存在不合理的情況可在教學(xué)環(huán)節(jié)進行調(diào)整，教師可通過知識點本身的關(guān)聯(lián)性適當(dāng)?shù)貙χR點進行重新梳理，力求提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率;考慮到課程本身的性質(zhì)，在保證理論與實踐一體化基礎(chǔ)上，還可適當(dāng)利用現(xiàn)代先進儀器技術(shù)來提高教學(xué)質(zhì)量。結(jié)合工程實踐的需求建立開放的實驗系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生的解決工程實際問題和技術(shù)應(yīng)用能力。為了培養(yǎng)綜合型機械人才，本課程教學(xué)過程選取的工程案例設(shè)計都嚴格遵循教學(xué)目標的要求，具備一定的科學(xué)性、代表性及可靠性。工作工程案例的選擇主要通過三個途徑：科研項目、企業(yè)生產(chǎn)和學(xué)生實踐項目，在保證授課計劃緊扣課程教學(xué)內(nèi)容的前提下，設(shè)置與各章節(jié)相對應(yīng)的實驗與工程案例，幫助學(xué)生更好地消化吸收相關(guān)知識。

三、教改實施方案和方法

（一）工程案例來源途徑的分析

工程案例是本次課改的重要環(huán)節(jié)，其來源于主要依靠于工程實例，具備一定的真實性與實踐性，教師在課前可通過以下兩種途徑獲取。

1. 通過工程實踐。在教學(xué)過程中，教師可通過授課教師的科研或指導(dǎo)學(xué)生工廠實習(xí)，以及在技術(shù)服務(wù)和科研課題中所積累的經(jīng)驗和素材，在指導(dǎo)學(xué)生科技創(chuàng)新、科研、課程實習(xí)和畢業(yè)實習(xí)過程中，注意收集工程案例素材。

2.調(diào)研法獲得工程案例，根據(jù)相關(guān)工作實踐的整理反饋，指導(dǎo)教師充分消化吸收后，緊扣案例關(guān)鍵，注重細節(jié)把控，以確保授課過程可以進行討論。

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容對所得案例進行合理分類（見圖1所示）。案例的選擇，圍繞教學(xué)內(nèi)容，突出其中重點、難點，有利于使學(xué)生對理論知識產(chǎn)生更深層次的理解，從而更好地把握理論知識與實踐工程問題之間的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的技術(shù)素養(yǎng)，提高分析及解決問題的能力。

（二）課上案例的引入與討論

機械工程測試技術(shù)課程章節(jié)眾多，先將這些繁雜的內(nèi)容進行梳理，使理論知識系統(tǒng)化。課程主要學(xué)習(xí)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)理論知識、測試技術(shù)方法，將各章節(jié)內(nèi)容對號入座分類系統(tǒng)圖。測試系統(tǒng)的作業(yè)需要傳感器、信號調(diào)理和顯示記錄裝置三部分相配合實現(xiàn)。其中被測物理量是由信號模塊進行處理，以實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換，保證最終信息的獲取是符合測試系統(tǒng)的要求。為了保障測試系統(tǒng)最終作業(yè)符合實際情況，能夠正確反應(yīng)被測物理量的狀況，需要利用測試裝置對其展開測評。學(xué)生如果學(xué)會了搭建測試系統(tǒng)，可以進行常見物理量（位移、振動、應(yīng)變、力、扭矩、流體參數(shù)等）的測試，探討解決工程實際問題的技術(shù)方法（見圖2所示）。

隨著理論知識學(xué)習(xí)的不斷深入，學(xué)生對于課程產(chǎn)生一定的興趣與疑惑，教學(xué)便可通過工程實際需要對傳感器進行分類選擇，其內(nèi)容包括傳感器的選擇、傳感器的安裝、電路連接調(diào)控。將工程實例引入課程教學(xué)中，不僅有利于學(xué)生更好地掌握理論知識，而且有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。同時關(guān)注傳感器的選用、測試信號的調(diào)理和處理分析以及測試結(jié)果的顯示。

教師將工程實例引入課堂教學(xué)中，可采用啟發(fā)式教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生自主思考、小組討論，針對工程實例中的一些問題如何利用理論知識展開分析？如何解決這些問題？如何避免這些問題？鞏固測試技術(shù)的基礎(chǔ)知識，才能培養(yǎng)正確的解決問題的思維方式。

（三）課程實驗的選擇和安排

在原先基于傳感器知識的課程實驗基礎(chǔ)上增加信號調(diào)理，信號分析和顯示等實驗，另外同時增加綜合性實驗項目。即根據(jù)課程的理論知識點，并結(jié)合工程案例，實驗?zāi)康淖鳛閷嶒灧诸惖闹匾罁?jù)具備著重要意義，但考慮到課程知識點之間具備關(guān)聯(lián)性，可通過知識點之間的聯(lián)系對實驗進行重組安排。例如，涉及到傳感器及其處理電路、數(shù)據(jù)采集及信號分析、機械制造工藝以及數(shù)據(jù)處理等相關(guān)知識，涵蓋了機械工程測試技術(shù)章節(jié)知識點的實驗：1.傳感器制作及其動態(tài)特性測試;2.振動與控制實驗系統(tǒng)模態(tài)綜合實驗;3.旋轉(zhuǎn)機械軸承故障綜合分析實驗;4.液壓閥性能測試實驗等。例如電子秤力傳感器制作及其性能測試實驗，要求學(xué)生掌握力傳感器的原理及其制作工藝，力傳感器的標定和誤差分析;首先訓(xùn)練學(xué)生合理選擇承重鋼梁試件的結(jié)構(gòu)、材料和應(yīng)變片規(guī)格，工作面的清洗和貼片;然后運用電橋電路和差特性，合理布片，焊接成電橋，完成力傳感器的制作;最后搭建實驗裝置，對制作的力傳感器進行性能測試，進行誤差分析獲得其性能參數(shù)。類似這些綜合性實驗項目已經(jīng)接近于實際工程測試項目。

為了提高機械測試的工作效率，將虛擬儀器技術(shù)-LabView圖形化編程工具引入到機械測試當(dāng)中。LabView作為儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工具已在工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室實現(xiàn)大范圍的應(yīng)用[9，10]?？紤]實驗室的設(shè)備儀器條件并配合LabView工具優(yōu)選出多個設(shè)計性試驗。例如：1.振動實驗臺固有特性測試系統(tǒng)設(shè)計;2.基于加速度傳感器的振動測試系統(tǒng)設(shè)計;3.軸承故障診斷系統(tǒng)設(shè)計;4.水箱溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。在教學(xué)過程中，教師根據(jù)教學(xué)目標，合理布置測試實驗項目的任務(wù)要求，要求學(xué)生自主查閱相關(guān)資料，依據(jù)指定的若干類型傳感器、信號調(diào)理、信號采集和分析儀，合理進行分析設(shè)計，并展開相關(guān)測試，實現(xiàn)對測試結(jié)果的進行時域和頻域等信號處理分析，見圖3實驗分類圖。

通過這些實驗可以使學(xué)生掌握基本的測試技術(shù)方法，推動學(xué)生對于理論知識的進一步理解掌握，培養(yǎng)學(xué)生將理論知識、技術(shù)方法運用到實際工程中解決現(xiàn)場問題的能力。

（四）工程案例的具體導(dǎo)入過程

對引入的工程測試案例分解為測試傳感器的選用、測試信號的調(diào)理、測試信號的分析處理和測試結(jié)果的顯示等部分。下面以電梯轎廂振動的動態(tài)測量為例，介紹如何將工程案例導(dǎo)入“機械工程測試技術(shù)”的實際教學(xué)中。

首先提出問題：電梯轎廂振動測量的工程意義？如何進行測量？測量原理是什么？測量系統(tǒng)中選用那類傳感器？測量信號需要采用什么樣的處理方法？測量的精度？測量得結(jié)果如何顯示和表示？能否滿足實際工程需要？在授課老師的引導(dǎo)下，學(xué)生帶著這些問題進行思考逐步尋求解決的辦法，找出平時學(xué)習(xí)的理論知識薄弱點再進行學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。

在明確電梯轎廂振動測量測量的工程背景后，根據(jù)機械振動測量原理，振動測量是通過加速度幅值計算振動速度和著振動位移，可以存在三種不同的表示方法及相互進行轉(zhuǎn)化，即振動位移、速度和加速度測量，還可以計算振動信號的功率。一個工程案例基本涵蓋了課程的大部分內(nèi)容。包括傳感器的選擇：采用壓電式三向振動加速度傳感器，將轎廂內(nèi)產(chǎn)生的振動加速度值的變化轉(zhuǎn)化為電荷信號，通過電荷放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號;信號的變換與傳輸：電壓信號輸送到A/D采集卡，再以數(shù)字信號的形式傳送到便攜電腦中（見圖4）;由虛擬儀器軟件的應(yīng)用，顯示記錄信號等。這樣就將教材中的知識點進行了有機串聯(lián)，變得立體化，讓學(xué)生真切地感受到學(xué)有所用、學(xué)以致用。

（五）課后效果評價

課后要認真對教學(xué)實施過程進行剖析，包括進行順利、效果良好的案例，以及進行不順暢、討論之中的各種案例，都要進行剖析，同時也可以讓學(xué)生課后進行教學(xué)效果的評教，從質(zhì)與量兩個方面，分析案例選擇的準確性及可行性。通過不斷地反思、分析、總結(jié)，建構(gòu)起充足、科學(xué)的教學(xué)案例資源，不斷完善面向工程觀的案例教學(xué)模式。教學(xué)模式改革的目的既要注重學(xué)生動手、實踐能力的培養(yǎng)，又注重基本概念及物理意義的理解與消化，同時又培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力，這將提高機械工程測試技術(shù)的教學(xué)質(zhì)量。

四、結(jié)語

通過在課堂教學(xué)中引用具有實際工程應(yīng)用背景的案例來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且參照工程案例的核心技術(shù)方法組織和設(shè)計綜合性實驗，促進學(xué)生自己驗證、理解和掌握所學(xué)知識以及基本的測試技術(shù)方法，這種“案例和實驗結(jié)合”的教學(xué)模式既促進學(xué)生對基本原理概念的深度理解消化，又注重學(xué)生自主創(chuàng)新能力的發(fā)展，理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)方式將有效提高機械工程測試技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量與水平。

[參考文獻]

[1]王生寧.關(guān)于《機械基礎(chǔ)》課程教學(xué)方法的探索[J].職業(yè)教育研究，2006（9）：101-102.

[2]黃長藝，嚴普強.機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[3]喻紅，黃弢，王俊峰.基于案例的工程測試技術(shù)基礎(chǔ)實驗教學(xué)[J].實驗室研究與探索，2008（2）：104-106.

[4]石磊.案例教學(xué)法在《機械工程測試技術(shù)》的應(yīng)用[J].機電技術(shù)，2011（5）：147-149.

[5]郝鴻雁，劉葉華.工程案例導(dǎo)入在機械工程測試技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].大學(xué)教育，2014 （3）：102-104.

[6]郭建.基于項目教學(xué)法應(yīng)用下的機械工程測試技術(shù)[J]，教育教學(xué)論壇，2016（18）：178-82.

[7]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）：61-63.

[8]李敏通，朱兆龍，查崢.“機械工程測試技術(shù)”教學(xué)方法研究探討[J].教育教學(xué)論壇，2012（4）：189-190.

[9]傅健，滿慶豐，王鋼.基于 Lab VIEW 的“測試技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)實驗平臺[J].實驗室研究與探索，2010（9）：119-121.

[10]尤麗華，周洋.基于虛擬儀器的測試技術(shù)實驗教學(xué)系統(tǒng)建立[J].實驗技術(shù)與管理，2011（2）：83-86.

[作者簡介]汪萌生，湖州師范學(xué)院講師，博士，研究方向：機械設(shè)計及測試技術(shù);王金鶴，湖州師范學(xué)院教授，博士，研究方向：機械制造信息化和智能化;姜凱雯，湖州師范學(xué)院2017級機械工程本科生，研究方向：機械設(shè)計與制造。

[責(zé)任編輯 韋 遼]