工程案例教學在《機械工程測試技術》中的應用

李 冰

（廣西工學院機械工程系，廣西柳州545006）

長期以來，我們的教育模式所沿襲的，基本上是研究型人才的培養(yǎng)模式，特別是在應試教育思想及“以傳授知識為主”的教育觀的深遠影響下，教師大體采用并且習慣于按照教學培養(yǎng)方案“滿堂灌”或“填鴨式”的講授知識。而在這種教育模式下培養(yǎng)出來的高校學子，視野常被局限在獨立的科學技術范圍內(nèi)，他們對工程現(xiàn)場所知甚少，缺乏工程背景而使得知識點的學習抽象化，所學學科之間缺乏系統(tǒng)化而各自獨立，綜合分析問題及工程實踐能力過于低下。

筆者所教授的《機械工程測試技術》是機械類專業(yè)的主干課程，該課程以信號的描述和分析方法，測試儀器的介紹、測試方法的評價及信號的分析、處理為核心內(nèi)容，力求讓學生能夠在實際應用中正確選擇測試裝置，搭建合理的測試系統(tǒng)，通過對所獲取信號的分析及處理定量描述事件的特性及品質(zhì)。該課程涉及知識面廣，理論分析抽象復雜，實踐性較強，是培養(yǎng)學生分析解決實際問題能力的重要教學課程。然而，經(jīng)過一段時間的授課，體會到之前所承襲的教學模式，學生僅是知識的被動接受者。學生對所授課的內(nèi)容經(jīng)常感到困惑——“我學的這些理論知識，有用嗎？在什么地方用的上？怎么用呢？”

如果授課仍然按照傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式，脫離工程，脫離實際，必將加劇學生的困惑，從而打擊他們學習的積極性和主動性，甚至導致部分學生關心的只是考試，使整體學風下降。

“師者，所以傳道授業(yè)解惑也”，而“解惑”僅僅局限在解答學生對某一授課知識點的疑惑，未免局限了“師者”的含義。如何讓學生明白理論知識學習的意義，達到學以致用的教學效果，當然是我們這些“師者”責無旁貸的任務。本文正是基于這個出發(fā)點，在《機械工程測試技術》課程教學中，進行了一些新的探索和嘗試，將工程大背景引入教學環(huán)節(jié)，借助真實工程案例的針對性、直觀性、典型性與實際聯(lián)系密切等特點，縮短了理論教學與實際生產(chǎn)的距離，從而體現(xiàn)了面向工程觀的教育理念。

1 工程案例教學

案例教學法，最早可以追溯到古希臘、古羅馬時代。近代案例教學法（Case Study）于1870年由當時擔任美國哈佛大學法學院院長的克里斯托弗·哥倫姆布斯·朗道爾（Christopher Columbus Langdel1）教授創(chuàng)立[1]。所謂工程案例教學法，是指將真實工程案例引入教學過程形成的教學平臺。而工程案例是指為了一定的教學目的，圍繞某幾個問題，將工程現(xiàn)場所發(fā)生的客觀事實作為為素材，并進行概括、整理、描述，最終形成可用于教學課堂交流或探討的材料。

2 工程案例教學的實踐過程

2.1 課前案例的收集與選擇

工程案例取材于工程實踐，案例的獲取大致包括以下兩種形式：

一是通過工程實踐。直接渠道是授課教師的科研實踐或指導學生實習的實踐。在技術服務和科研課題中所積累的豐富的經(jīng)驗和素材，在指導學生課程實習和畢業(yè)實習過程中，有意識地收集工程案例素材。

二是通過調(diào)研獲取第二手案例即間接渠道，由往屆畢業(yè)生的工作實踐整理反饋，指導教師充分消化吸收后備用。

授課教師必須對所收集的案例充分了解，熟悉案例過程，把握案例精髓，掌握案例細節(jié)，以確保授課過程中可以進行主導討論。

案例素材收集后，應根據(jù)教學的目的和要求進行案例選擇。案例的選擇，應能適應教學目的，突出難點、重點，能促使學生運用所學理論，特別是不同理論綜合起來解決工程實際問題，培養(yǎng)學生解決問題的思維方式，最終使學生對所學課程的理論知識加深理解，提高分析及解決問題的能力。

2.2 課上案例的引入與討論

利用案例法教學時，首先應注重理論知識系統(tǒng)化教授?！稒C械工程測試技術》課程章節(jié)眾多[2]，初學的學生乍看之下，覺得內(nèi)容繁雜、抽象，很容易喪失學習的興趣。而作為授課教師，應先將這些看似繁雜的內(nèi)容進行梳理，力圖找出一條清晰的內(nèi)容連線，從而使理論知識系統(tǒng)化。細分析下不難發(fā)現(xiàn)，這些章節(jié)之間的聯(lián)系密切，正是構(gòu)成測試系統(tǒng)的主要組成部分。一般說來，測試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置3部分組成，因此，我們不妨將各章節(jié)內(nèi)容對號入座梳理系統(tǒng)關系（如圖1所示）。

圖1 各章節(jié)關系圖

通過信號及其描述來描述測試系統(tǒng)的被測物理量，選擇合理傳感器實現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換，通過信號調(diào)理電路完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換，經(jīng)由信號處理完成信息的提取并最終記錄顯示。當然所搭建的測試系統(tǒng)是否合理、能不能真實反映實際情況，就必須借助測試裝置的基本特性進行不失真條件判斷及合理性評價。學會了搭建測試系統(tǒng)，就可以進行常見物理量的測試，包括：位移、振動、聲音、應變、力、扭矩、流體參量等，最終探討隨著計算機技術的不斷發(fā)展而產(chǎn)生發(fā)展的虛擬儀器。

隨著理論知識的不斷深入，學生便開始關心在工程現(xiàn)場傳感器的選擇和安裝，實際測試后續(xù)電路的連接，若接入電橋時該接橋路的形式，以及測試干擾的消除等問題，而此時，正是工程案例引入的最佳時機。因為工程問題的真實性及實時性，立即就能吸引學生的注意力，并調(diào)動他們的參與分析的積極性。

案例引入后，授課教師將以啟發(fā)式教學促進學生的自行思考及討論，不斷主導著學生進行正確的分析，比如提問：解決問題需要什么理論或者知識點？采取什么措施？措施是否合理？處理問題后，效果將會如何等，從而使學生思考、討論、回答的過程中，培養(yǎng)正確的解決問題的思維方式。

2.3 課后效果評價

課后要認真對教學實施過程進行剖析，包括進行得很順利、效果良好的案例，以及進行不下去、討論停止的各種案例，都要進行剖析，同時也可以讓學生課后進行教學效果的評教，從質(zhì)與量兩個方面，分析案例選擇的準確性及可行性。通過不斷的反思、累計、分析、總結(jié)、剔除，建構(gòu)起充足、科學的教學案例資源，不斷完善面向工程觀的案例教學模式。

3 案例之一——轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的判斷

該案例取材自國家自然科學基金資助項目“考慮制造誤差的滑動軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動力學分析”（項目編號：50865001）。該項目采用非線性分析方法，研究系統(tǒng)制造誤差及潤滑油粘度的變化，對滑動軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性及動力學特性的影響。而其中系統(tǒng)穩(wěn)定性，是基于轉(zhuǎn)子軸心軌跡的收斂或是發(fā)散來判定的。因而可提出的工程案例為：針對一個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，如何進行軸心軌跡的獲取，從而判斷該系統(tǒng)是否穩(wěn)定（如圖2），可信的測試方法如圖3所示。

圖2 軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

圖3 軸心軌跡的獲取

案例一屬于描述型案例。所謂描述型案例，是指案例對某一工程實際問題從出現(xiàn)直到解決的全過程進行了描述性介紹。案例中所出現(xiàn)的工程實際問題，在教材或者授課過程中均作為應用舉例介紹過，此時學生的任務，是進一步鞏固所學知識，并利用所學對工程案例中采取的方法及措施進行評價判斷，由此不斷拓寬視野。

4 案例之二——散裝水泥運輸車罐體處應力測試

該案例取材于教育部科學技術研究重點項目“基于知識工程的直筒散裝水泥車設計系統(tǒng)的研究”（項目編號：206112）。為適應教學目的，同時考慮學生接受程度，筆者對該項目進行了適當?shù)膬?nèi)容抽取，僅以該散裝水泥車罐體優(yōu)化設計為案例素材，提出案例為：根據(jù)研究目的，項目進行了罐體動靜態(tài)結(jié)構(gòu)有限元分析。

結(jié)構(gòu)以應力的形式體現(xiàn)（如圖4所示），如果分析所采取的罐體模型及加載方式可信，那么即可以該分析為基礎，進行罐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進。而確定分析正確性及可信性的方法，就是進行測試，即以某處分析的數(shù)據(jù)值與試驗測試所得數(shù)據(jù)進行比較，如果在一定范圍內(nèi)變動，則分析過程可信，那么項目要解決的問題，就集中在某處應力的試驗測試數(shù)據(jù)怎么獲得。

圖4 結(jié)構(gòu)有限元分析

針對這個案例，提出下列一系列問題給學生思考及討論：測試的方案如何？選擇什么類型的傳感器進行測試？傳感器測試原理是什么？被測對象及傳感器之間如何連接？對于該類傳感器使用時注意什么？如何消除溫度及濕度的影響？測試的后續(xù)電路怎么接？如何排除測試干擾？靜態(tài)工況及動態(tài)工況中間變換裝置相同嗎等問題。一步一步引導學生進行實際工程問題的解決，如：測試過程選用金屬電阻應變片進行測試，選用屏蔽導線進行連接，設置金屬補償塊，后續(xù)裝置分別為靜態(tài)、動態(tài)應變儀等等。

圖5 問題的分析解決

案例二屬于問題型案例。所謂問題型案例，則是指案例僅描述了工程設計問題的基本情景和要求，通過授課教師問題主導，讓學生一步一步找到癥結(jié)，最終解決實際工程問題。這類案例的設計，可以在潛移默化下培養(yǎng)學生分析問題及正確解決工程問題的思維方式。

5 案例之三——50MW汽輪發(fā)電機組振動故障分析

該案例取材于工廠實際的工程問題。某鋼廠50 MW單軸單缸凝氣式汽輪機，采用靜態(tài)勵磁方式，機組由勵磁機轉(zhuǎn)子、發(fā)動機轉(zhuǎn)子和汽輪機轉(zhuǎn)子組成，期間均為剛性聯(lián)軸器連接，整個汽輪機發(fā)電機組共有5個軸承。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

案例三是個綜合實踐型案例，要進行故障分析并進行診斷，所做測試就不會單一的局限在課本的某一章節(jié)，而是課本多個章節(jié)甚至是數(shù)門課程，數(shù)個學科理論知識的綜合運用。這樣的案例，能促使學生根據(jù)工程實際，將不同理論綜合起來解決問題。

圖6 某鋼廠50MW汽輪發(fā)電機組

通過故障分析基礎知識：引起旋轉(zhuǎn)機械設備振動最常見的故障，有不平衡，不對中，轉(zhuǎn)子彎曲，機械松動和軸承故障，而這些常見的故障的判別可以通過頻譜圖進行。學生此時即會自行思考，考慮什么是頻譜圖，如何獲取頻譜圖，如何通過頻譜圖來進行故障判斷等。

通過信號的獲取得到時域描述的波形圖，利用頻譜分析即可獲取該信號的頻域描述和獲取相應的頻譜圖，如圖7所示。

思考的問題不斷深入，如何能在50 MW汽輪發(fā)電機組上獲取到時域描述？選擇什么類型傳感器？采樣過程會出現(xiàn)什么樣的失真？如何避免失真？數(shù)據(jù)分析采集儀的設置如何進行（包括窗函數(shù)的選擇、采樣頻率、采樣時間等）？實際解決的方案如圖8所示。

圖7 信號的時域及頻域描述

圖8 傳感器的選擇及參數(shù)設定

從振動頻譜看，振動頻率主要是基頻，也有少量的二倍頻和三倍頻分量，因而判斷振動故障屬于強迫振動，而普通強迫振動的原因，可以由軸系激振力和系統(tǒng)支承剛度等方面引起，還必須逐一通過測試排查，最終找出振動主因并進行排除。如果要判斷是否是轉(zhuǎn)子動不平衡引起的強迫振動，測試的方法在案例一中即已闡述，如此案例之間相互支撐，相互借鑒，最終培養(yǎng)學生形成正確的分析問題的思路及處理實際工程問題的能力。

6 教學實踐的效果

工程案例教學來源于實際工況，為在校學習的學生提供了真實的工程場景，在理論知識系統(tǒng)化之后引入，拉近了理論教學與實際生產(chǎn)的距離，讓學生知道為什么要學這些理論知識，并嘗試運用這些理論知識處理實際問題，極大提高了學生的積極性及主動性。

在案例引入并通過授課教師的主導進行討論的過程中，學生在潛移默化下培養(yǎng)并鍛煉了系統(tǒng)地分析問題并解決工程問題的思維方式，促進了學生綜合運用系統(tǒng)理論解決工程設計問題的能力。

正所謂教學相長，授課教師在實踐工程案例教學的過程中，其能力亦不斷提高。首先，要將理論與工程實際密切聯(lián)系，授課教師必須不斷夯實專業(yè)功底。其次，為了獲取充足的、科學的教學案例資源，授課教師必須積極地介入科研或深入工廠，實際掌握第一手資料。再者，隨著教改的不斷深入，每次課后的不斷反思、分析和取舍，不斷鍛煉著授課教師總結(jié)歸納的能力，教師也在授課過程中得到不斷學習，不斷提高。

7 結(jié)束語

總之，無論采用何種教學方法和措施，目的都是為了讓學生系統(tǒng)的掌握課程精髓，獲得分析及解決問題的能力，一旦目標達到，教學就是成功的。

[1]張潤蓮，張向利，葉 進.案例教學法及其運用[J].桂林電子工業(yè)學院學報，2004，(8):102-105.

[2]熊詩波，黃長藝.機械工程測試技術基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.