工程案例法在“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”課程教學(xué)中的應(yīng)用

文成，周傳德

“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”包含了測(cè)量和試驗(yàn)兩方面內(nèi)容，它是依靠專門的技術(shù)、手段、實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算，求得被測(cè)后的物理量。本課程是建立在傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、信號(hào)分析與處理技術(shù)基礎(chǔ)之上的一門交叉綜合性專業(yè)基礎(chǔ)課。課程理論性和實(shí)踐性要求很強(qiáng)，學(xué)生必須有足夠的實(shí)踐才能充分理解理論知識(shí)，從而更好地把握課程內(nèi)容。由于教學(xué)學(xué)時(shí)不斷壓縮以及實(shí)驗(yàn)條件的限制，往往在教學(xué)實(shí)施中更側(cè)重課本內(nèi)容講授，學(xué)生被動(dòng)聽(tīng)課，啟發(fā)和互動(dòng)性不夠。因此，傳統(tǒng)教學(xué)方法割斷了理論和工程之間的聯(lián)系，難以建立機(jī)械測(cè)試系統(tǒng)整體概念，學(xué)生普遍反映測(cè)試技術(shù)理論空洞，傳感器缺少實(shí)物對(duì)象，枯燥無(wú)味。從事“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”課程教學(xué)的教師也普遍認(rèn)為，該課程的工程實(shí)踐性與薄弱的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的矛盾十分突出，教學(xué)改革勢(shì)在必行。

國(guó)內(nèi)一些高校十分重視該課程的教學(xué)效果，積極建設(shè)機(jī)械測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握。但實(shí)驗(yàn)與工程應(yīng)用有差別。為讓學(xué)生充分了解測(cè)試技術(shù)在工程實(shí)際中的應(yīng)用，開(kāi)展以工程案例為核心的教學(xué)模式，將有助于縮短理論教學(xué)與實(shí)際生產(chǎn)的距離，體現(xiàn)了面向工程觀的教育理念［1］。工程案例教學(xué)必將開(kāi)闊學(xué)生的學(xué)術(shù)眼界，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

一、案例教學(xué)方法

案例教學(xué)法是由哈佛大學(xué)法學(xué)院提出的一種以學(xué)生為中心，致力于提高學(xué)生綜合素質(zhì)的教學(xué)方法［2］。在案例教學(xué)中，教師根據(jù)教學(xué)要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)案例，組織學(xué)生針對(duì)案例內(nèi)容，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行思考、分析、討論和交流等教學(xué)活動(dòng)，以提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。案例教學(xué)有利于充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，生動(dòng)具體、直觀易學(xué)。目前,案例教學(xué)在教學(xué)過(guò)程中的作用和地位已在教育界形成共識(shí),并被引入到工科類課程的教學(xué)當(dāng)中。因此，案例教學(xué)越來(lái)越受到高校的重視和歡迎，成為教學(xué)方法改革的重要內(nèi)容之一。工程案例則是將發(fā)生在工程實(shí)踐中的客觀事實(shí)，經(jīng)過(guò)文字、數(shù)據(jù)、圖表、動(dòng)畫(huà)等方式進(jìn)行概括、整理，形成可用于課堂交流或探討的案例材料［3］。

案例教學(xué)具有真實(shí)性、典型性、完整性、綜合性和啟發(fā)性等特點(diǎn)。案例取材于生產(chǎn)實(shí)際或科研工作，是具有一定代表性的典型事例，涉及多門課程或領(lǐng)域知識(shí)，包括一個(gè)或幾個(gè)問(wèn)題，能夠引人深思，啟迪思路。案例教學(xué)將理論和方法運(yùn)用于實(shí)踐，進(jìn)而深化理解教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。將案例教學(xué)法運(yùn)用到“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”課程的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生能夠正確建立工程測(cè)試與應(yīng)用的整體概念。一方面不用增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，另一方面促使學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)去分析和解決工程實(shí)際中的具體問(wèn)題［3］，從而提高教學(xué)效果。

二、工程案例教學(xué)的實(shí)施

（一）案例篩選與提煉

工程案例應(yīng)充分結(jié)合機(jī)械專業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃，緊密聯(lián)系測(cè)試技術(shù)理論知識(shí)，要與生活密切相關(guān)，涉及多門課程，有較強(qiáng)的典型性、綜合性。案例應(yīng)緊扣“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”課程教學(xué)大綱，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度，力求使案例分布在每一個(gè)教學(xué)單元和知識(shí)點(diǎn)中。為體現(xiàn)這一要求，可從以下三個(gè)方面來(lái)篩選工程案例：

（1）從科學(xué)研究項(xiàng)目中提煉案例?？茖W(xué)研究本身就是利用理論知識(shí)并借助實(shí)驗(yàn)來(lái)解決實(shí)際科學(xué)問(wèn)題，是理論和實(shí)踐的充分結(jié)合。課程組教師既是教育工作者，又是科研工作者，長(zhǎng)期從事大量的科研工作，這些研究項(xiàng)目大部分又與測(cè)試技術(shù)有關(guān)。整理和提煉科研項(xiàng)目，將教師的科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，最終形成教學(xué)案例。如課題組教師承擔(dān)的科研項(xiàng)目“數(shù)控機(jī)床在線測(cè)試儀器”涉及到本課程多個(gè)重點(diǎn)章節(jié)，能夠挖掘出較為典型的案例。這些與測(cè)試技術(shù)密切相關(guān)的案例是教師的深刻體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，將親身經(jīng)歷的案例在課堂上呈現(xiàn)出來(lái)，將極大地激發(fā)學(xué)生的好奇心，提高學(xué)習(xí)的積極性。

（2）從企業(yè)生產(chǎn)、研發(fā)中搜集案例。在工業(yè)應(yīng)用中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)以及設(shè)備調(diào)試、運(yùn)行、維修等都離不開(kāi)測(cè)試技術(shù)和傳感器技術(shù)，特別是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的應(yīng)用，更是與本課程內(nèi)容聯(lián)系十分緊密。例如“高線軋機(jī)齒輪箱在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”涉及到系統(tǒng)識(shí)別、傳感器技術(shù)、信號(hào)調(diào)理與信號(hào)分析技術(shù)等，幾乎涵蓋了“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”所有章節(jié)知識(shí)點(diǎn)。由于從企業(yè)搜集的工程案例更接近實(shí)際，具有很強(qiáng)的說(shuō)服力，能吸引學(xué)生注意力，提高學(xué)生主動(dòng)參與分析問(wèn)題的興趣。

（3）從指導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐教學(xué)中篩選案例。教師指導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐通常包括大學(xué)生科技創(chuàng)新、畢業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)以及學(xué)生參與教師科研等方面的指導(dǎo)教學(xué)。這些實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神的有效途徑，促進(jìn)了教師的教學(xué)和科研的有機(jī)結(jié)合，推動(dòng)了學(xué)生課內(nèi)學(xué)習(xí)與課外學(xué)習(xí)的有機(jī)融合。在指導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，有意識(shí)地收集工程案例素材。從學(xué)生實(shí)踐項(xiàng)目中總結(jié)的案例密切聯(lián)系學(xué)生的實(shí)際情況，容易引起共鳴，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

（二）課程案例規(guī)劃

利用案例法教學(xué)時(shí)，首先應(yīng)注重理論知識(shí)系統(tǒng)化教學(xué)。“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”課程章節(jié)眾多，應(yīng)先將這些看似繁雜的內(nèi)容進(jìn)行梳理，使理論知識(shí)系統(tǒng)化?！皺C(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”課程共十三章［4］，從測(cè)試系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)，將這些章節(jié)分別歸入“測(cè)試信號(hào)獲取”、“測(cè)試信號(hào)轉(zhuǎn)換”、“測(cè)試信號(hào)分析”以及“測(cè)試技術(shù)應(yīng)用”等四個(gè)模塊之中。圖1為課程知識(shí)模塊分類及其相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)。

圖1 課程知識(shí)模塊劃分

結(jié)合當(dāng)前測(cè)試技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)條件和學(xué)時(shí)情況，工程案例設(shè)計(jì)緊緊結(jié)合了教學(xué)內(nèi)容和授課計(jì)劃安排，力求在每一個(gè)教學(xué)單元和知識(shí)點(diǎn)中都有工程案例。案例的具體分布如圖2所示。

圖2 工程案例分布

（三）案例教學(xué)課堂實(shí)施方案

將案例合理引入課堂教學(xué)是案例教學(xué)的關(guān)鍵。一個(gè)好的工程案例實(shí)施，將為學(xué)生提供一個(gè)可以發(fā)揮自己想象力、創(chuàng)造力和展現(xiàn)才能的空間［5］。案例教學(xué)應(yīng)提出實(shí)際測(cè)試問(wèn)題，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性，參與解決問(wèn)題，提出合理解決方案，得出相應(yīng)結(jié)論。為此，可以從以下幾個(gè)方面來(lái)組織實(shí)施：（1）課前向?qū)W生布置案例，介紹案例的工程背景，提出要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。（2）組織學(xué)生課余分析案例，提出解決方案。必要時(shí)將學(xué)生分成若干學(xué)習(xí)小組。（3）教師在課堂上運(yùn)用多媒體技術(shù)（視頻、圖片或仿真軟件）復(fù)現(xiàn)案例過(guò)程，指出案例分析的關(guān)鍵所在，涉及的理論知識(shí)點(diǎn)，啟發(fā)學(xué)生思考方向。（4）加強(qiáng)課堂討論的啟發(fā)和引導(dǎo)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性，始終引導(dǎo)學(xué)生圍繞中心議題發(fā)表自己的見(jiàn)解，得出相應(yīng)結(jié)論。（5）將學(xué)生參與案例討論納入課程考核體系之中，激勵(lì)學(xué)生積極參與案例討論。（6）及時(shí)對(duì)案例教學(xué)情況進(jìn)行總結(jié)，為后續(xù)章節(jié)內(nèi)容做好鋪墊，同時(shí)不斷完善教學(xué)案例。（7）根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，必要時(shí)可以組織學(xué)生課后動(dòng)手實(shí)踐，復(fù)現(xiàn)案例。

三、案例設(shè)計(jì)實(shí)例：轉(zhuǎn)子裂紋故障檢測(cè)

案例來(lái)源于教師科研項(xiàng)目——非接觸掃頻電磁諧激勵(lì)下多盤(pán)轉(zhuǎn)子裂紋故障高階非線性振動(dòng)響應(yīng)研究。該項(xiàng)目以2盤(pán)或3盤(pán)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生橫向裂紋的轉(zhuǎn)子為典型研究對(duì)象，探索多盤(pán)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)裂紋故障與高階非線性振動(dòng)響應(yīng)的關(guān)系，建立裂紋故障與振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)之間的故障識(shí)別鏈據(jù)，防止大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械異常振動(dòng)和意外事故的發(fā)生，提高診斷的準(zhǔn)確性以及早期預(yù)測(cè)能力。

根據(jù)項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容、方法以及取得的成果，提煉出教學(xué)案例——轉(zhuǎn)子裂紋故障檢測(cè)。該案例涉及傳感器選擇和信號(hào)分析理論，可以安排在測(cè)試信號(hào)分析知識(shí)模塊所對(duì)應(yīng)的章節(jié)中實(shí)施。案例教學(xué)時(shí)，首先向?qū)W生提出啟發(fā)性問(wèn)題：用什么方法才能檢測(cè)出轉(zhuǎn)子已經(jīng)出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象？為什么要測(cè)量轉(zhuǎn)速？如何測(cè)轉(zhuǎn)速？然后提示轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障檢測(cè)一般應(yīng)測(cè)量其振動(dòng)信號(hào)，應(yīng)該從常見(jiàn)的測(cè)振傳感器中選擇相應(yīng)檢測(cè)設(shè)備，提醒學(xué)生思考高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)測(cè)量應(yīng)采用什么測(cè)量方法，傳感器如何安裝等。帶著這些問(wèn)題，學(xué)生應(yīng)在課后搜集相關(guān)資料，相互討論這些問(wèn)題，初步形成自己的觀點(diǎn)或結(jié)論。

課堂案例教學(xué)時(shí)，先組織學(xué)生進(jìn)行分組討論，對(duì)學(xué)生小組分析結(jié)論逐一講解，綜合其中正確的結(jié)論或觀點(diǎn)，剖析錯(cuò)誤見(jiàn)解，給出案例分析的邏輯路徑。本案例講解時(shí)，可先建立如圖3所示的測(cè)試系統(tǒng)裝置。然后提出分析案例的關(guān)鍵——非接觸測(cè)試和頻譜分析。可以考慮采用渦流位移傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)。由于轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)各方向振動(dòng)情況不同，為了全面反映轉(zhuǎn)子振動(dòng)情況，可以同時(shí)測(cè)量水平方向和垂直方向的振動(dòng)。理論表明，轉(zhuǎn)子振動(dòng)情況與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，特別是故障信息與轉(zhuǎn)頻信息相關(guān)，所以必須測(cè)量轉(zhuǎn)速。光電轉(zhuǎn)速計(jì)可以很方便地實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量轉(zhuǎn)速，且有安裝方便、使用簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。最后給出故障判斷依據(jù)，即轉(zhuǎn)子存在裂紋時(shí)，振動(dòng)頻率具有轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的2×，3×，…高頻諧波，當(dāng)裂紋擴(kuò)展時(shí)，其1×，2×，…等高頻分量的幅值隨之增大。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)裝置原理

本案例緊密結(jié)合工程實(shí)際，由簡(jiǎn)單機(jī)械測(cè)試開(kāi)始，逐步引入機(jī)械故障診斷理論，讓學(xué)生了解頻譜分析在設(shè)備故障診斷中的重要地位。引入更深的思考問(wèn)題，除了頻譜分析，還可以用什么方法來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子裂紋故障？信號(hào)是如何進(jìn)入分析儀器？信號(hào)中的干擾成分如何消除等？這些問(wèn)題可以激發(fā)學(xué)生的好奇心，有助于培養(yǎng)他們正確分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

四、結(jié)語(yǔ)

工程案例教學(xué)來(lái)源于企業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和學(xué)生實(shí)踐，為學(xué)生提供了真實(shí)的工程應(yīng)用場(chǎng)景，拉近了理論教學(xué)與實(shí)際生產(chǎn)的距離，為學(xué)生將課程理論和方法運(yùn)用于工程實(shí)踐奠定了一定的基礎(chǔ)。將案例教學(xué)法引入“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”課程教學(xué)，有利于教學(xué)相長(zhǎng)，有利于充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，生動(dòng)具體且直觀易學(xué)，能夠集思廣益，為提升教師教學(xué)技巧，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力，以及提高課堂教學(xué)質(zhì)量都十分必要。

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

[2]張潤(rùn)蓮，張向利，葉進(jìn).案例教學(xué)法及其運(yùn)用[J].桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(8).

[3]歐儉平，馬愛(ài)純，蔣紹堅(jiān).工程案例教學(xué)法在熱能與動(dòng)力工程專業(yè)課教學(xué)改革中的實(shí)踐[J].高教論壇，2006(5).

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

[5]喻紅，黃弢，王俊峰.基于案例的工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008(2).