龍 慧，李東暢

（韶關學院 智能工程學院，廣東 韶關 512005）

0 引言

“工程測試與信息處理”是機械類專業(yè)的一門重要的專業(yè)課[1]。該課程內容涉及機械、電子、物理、計算機和自動控制等多學科，具有多學科交叉的特點，主要理論教學內容包含信號分析和傳感器和兩大部分。但是由于課程內容包含較深的數(shù)學、力學和電學知識，涉及知識面廣且理論性強，公式多、圖像多，加之與該課程信號處理相關的數(shù)學基礎知識前置課程沒有學過，學生電學基礎也不牢，學生普遍反映該課程難度較大[2]。實驗課程安排了八個學時的實驗，學生做實驗時積極性高，但主觀能動性不夠，只局限于完成實驗的操作，缺乏將實驗課程內容與理論課程知識聯(lián)系，沒有通過實驗課程消化從而上升到理解理論的高度，導致理論課的教學效果不夠理想。如何通過幫助學生理解課程理論知識，降低課程理解難度，同時增強課程實踐性，培養(yǎng)學生的工程實踐能力，充分調動學生學習的積極性[3]，提高教學效果，是教學改革的目標。

1 “工程測試與信息處理”課程教學現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)“工程測試與信息處理”課程的教學，課堂內側重于傳授課本中的理論知識，注重于概念、理論以及數(shù)學推導過程，教學方式多采用“滿堂灌”。課程中雖然借助于多媒體來演示實際測試案例圖像或動畫，但還是不能實現(xiàn)以直觀的形式來演示數(shù)學計算的過程和結果，該課程相關數(shù)學知識的理解難度非常大[4]。調查表明，我校學生在學習具體課程內容時表現(xiàn)出不同的疑惑，由此，對學習過程中碰見的問題進行詳細分析，據(jù)此分析結果確定對該門課程采用的教學方案。具體部分內容分析如下：

1.1 信號分析部分

信號分析處理部分主要包含信號傅里葉變換、信號的調理與記錄、信號處理方法等內容。該部分內容包含較深的數(shù)學公式。在傅里葉變換時，教學內容偏向復數(shù)處理，學生普遍反映學習難度大[5]。

1.2 傳感器部分

傳感器知識的特點主要是物理概念多[6-7]。傳感器的很多概念只能通過文字或圖片介紹來講解，由于沒有經(jīng)歷過實踐操作，對其他傳感器的理解深度還不夠。同時，傳感器部分的測量電路也需要應用電子技術課程知識，電路知識相關部分學習起來感到費勁。

1.3 實驗課程部分

在教學實踐環(huán)節(jié)，雖然開設了八節(jié)學時的課程實驗，安排了四個實驗。信息分析部分安排一個實驗。傳感器部分只開設兩個傳感器實驗，一個電阻應變片實驗，另一個是霍爾傳感實驗。振動測試安排了一個實驗。多數(shù)實驗屬驗證性實驗，主要驗證信號仿真分析、具體驗證傳感器的一些性能，學生在做實驗過程中，沒有進行獨立思考，缺乏系統(tǒng)性和創(chuàng)造性，很難掌握完整的測試系統(tǒng)的構建思路，這恰恰是工程實際最需要的。

1.4 案例教學部分

課程中雖然有些實際案例，但該教材案例通常都是針對某一問題而設置的，這樣培養(yǎng)的學生視野多被局限在課程知識的很少范圍內，測試系統(tǒng)全局觀念難以建立，造成理論與實踐脫節(jié)。學生僅僅是從課本中吸收了某個測量元件或測量方法的應用特性，但對于測量系統(tǒng)為什么選用該方法或元件、相應測量電路的選擇等問題則不是很清楚。學生在學習過程中覺得枯燥乏味，缺乏積極性，學習效果不好。

2 “工程測試與信息處理”課程改革探索

針對以上傳統(tǒng)“工程測試與信息處理”課程的教學現(xiàn)狀，國內高校通過各種不同的教學改革，這些均取得了良好的教學效果。由于該門課程內容建立在傳感器技術、計算機技術、信息技術、信號分析及處理技術基礎之上的一門交叉課程，課程具體內容部分有不一樣的特點，但是這些文獻中的教學方法都是將該門課程作為分析對象，沒有指出哪種方法或方式具體適用在“工程測試與信息處理”課程具體哪些知識點。加之由于教學對象的不一致性，學生的學情、專業(yè)的課程設置不一致，每個學校的學生在學習時碰到的難點也不相同，因此不能盲目硬套這些教學方法。須結合我校學生的客觀實際，對學生在學習中碰到的問題進行詳盡分析，并對具體教學內容對應用上述方法進行可行性分析，才能切實降低學生數(shù)學知識的理解難度、克服電學知識基礎薄弱、提高實踐能力、增強工程實踐能力。教學改革措施如下：

2.1 變更教材

原來使用的教材理論性強，學生學起來難度大，將教材更換為熊詩波，黃長藝主編的《機械工程測試技術基礎》。新教材更側重應用，更側重介紹機械工程測試實例。適應以應用性本科培養(yǎng)目標，強調應用性和實踐性的教材。

2.2 引入工程實際案例

將自己參與的工程項目，引入課堂教學，突出測試的目的以及意義。課堂教學引入如下的工程實例。以圖1所示的振動篩橫梁試驗裝置為例。振動篩試驗裝置主要包括振動篩、動態(tài)信號采集儀（DH5981）和測試分析系統(tǒng)（DHDAS），如圖1所示。為了測量側板和橫梁加速度，試驗裝置設有3個IEPE型加速度傳感器，分別標記為A1，A2和A3。橫梁中部安裝有1個應變片S1，應變片貼在寬度中間。通過在課堂教學引入如上的工程實際案例，通過提出問題、分析問題、解決問題的思路，培養(yǎng)了學生實際解決工程實際問題的能力。

圖1 振動篩橫梁測試系統(tǒng)

2.3 引入MATLAB軟件教學

在課程信號分析處理部分包括大量數(shù)學公式，編寫部分MATLAB程序。例如，在信號時頻域變換部分，編寫快速傅里葉（FFT）程序，通過改變FFT采樣頻率，可得到不同的頻率圖形。編寫小波變換、短時傅里葉變換、Wigner—Ville等變換的MATLAB程序，對同一時域波形進行時頻處理。在講完上述理論后，可直接演示顯示出頻域變換結果。利用MATLAB軟件，編寫相圖程序，可得到系統(tǒng)響應的位移和速度構成的直觀圖形。在例題部分，以Duffing系統(tǒng)的為例，編寫Duffing系統(tǒng)的小波變換MATLAB程序，可得到反映Duffing系統(tǒng)的時頻域曲線。在相應信號處理部分，通過在課堂教學引入MATLAB演示，將提前編譯的程序逐句復制粘貼至MATLAB軟件界面，并在課堂上解析這一句代碼的數(shù)學意義，MATLAB顯示界面會隨代碼輸入而變化，通過MATLAB較為直接的演示數(shù)學運算的過程和結果。這種教學方式與常用板書學相比，MATLAB軟件教學比直接講解公式趣味性更強一些，能更多吸引學生注意力，大大降低了該課程數(shù)學知識的授課難度。

2.4 通過虛擬儀器教學

搭建LabVIEW虛擬教學平臺和便攜式測試平臺，硬件系統(tǒng)包括加速度傳感器、機箱、加速度采集板卡、應變采集板卡等，如圖2所示為搭建好的便攜式測試平臺。引入虛擬儀器LabVIEW教學，在該虛擬軟件平臺上編寫程序，編寫好的測試程序如圖3所示。將搭建的測試平臺，用于實際構件加速度響應，得到加速度傳感器的響應。在理論課程上，通過LabVIEW虛擬教學平臺，演示如何編寫振動測試系統(tǒng)。然后，運行編寫好程序，通過LabVIEW軟件添加的虛擬顯示器，可以通過圖形顯示加速度值變化。通過LabVIEW虛擬教學平臺向學生演示搭建測試系統(tǒng)，直接顯示出加速度值，激發(fā)學生對測試系統(tǒng)的學習興趣，使學生更容易理解測量系統(tǒng)。

圖2 虛擬教學平臺硬件系統(tǒng)

圖3 虛擬教學Labview測試程序

2.5 增加疲勞測試試驗

設置專業(yè)核心技能訓練課程，增設材料疲勞性能測試項目。利用學校新購的疲勞試驗機，開展試件疲勞測試試驗。在實驗開始前，講解疲勞試驗機的控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)，并指出測試系統(tǒng)載荷傳感器、力傳感器等硬件位置及功能。疲勞試驗通常安排四個學時，前兩個學時講解疲勞試驗機結構、控制系統(tǒng)以及測量傳感系統(tǒng)。通過讓學生感性認識電液伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)（包括函數(shù)發(fā)生器和PID控制調節(jié)器），以及力和變形位移測試系統(tǒng)。后兩個學時完成一個試件疲勞試驗，測定在特定應力下試件疲勞循環(huán)次數(shù)。在疲勞試驗過程中，操作軟件上會實時顯示試件載荷和試件變形量，讓學生直觀理解系統(tǒng)位移和加速度等信號測量系統(tǒng)。通過增開疲勞測試試驗，學生能深入理解試件疲勞性能概念。通過認識疲勞機測試系統(tǒng)，學生更能認識到測量系統(tǒng)對設備完成預定功能的重要性。

3 結語

通過更換教材、采用Labview虛擬仿真、引入工程實例教學、增加實驗等措施，學生的學習興趣極大提高，課堂學習氣氛明顯得到改善。尤其是工程實例教學，可以將其它課程的知識串聯(lián)起來，學生聽得很投入，教師上課心情愉悅很多，教學改革方案達到預期效果。改革后，有效降低了“工程測試與信息處理”相關數(shù)學和電學知識部分的學習難度，學生形成主動、積極的學習風氣。通過工程實際案例和虛擬儀器的學習，機械專業(yè)學生的實踐操作能力得到有效增強，初步掌握應用測試技術相關理論解決工程實際問題的能力。通過相應學習和鍛煉，在大學生創(chuàng)新大賽中，學生能利用所學測試知識完成檢測等功能，在學科競賽取得更好的成績，提高了學生的綜合素質，整個教學改革取得了良好的效果。