機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程教學(xué)改革研究

[摘 要] 《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》是一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，針對(duì)目前教學(xué)中存在的問(wèn)題和不足，以啟發(fā)式教學(xué)為主線，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，促進(jìn)了教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變。針對(duì)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合工程題目設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)案例，激勵(lì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)和集成測(cè)試系統(tǒng)，增強(qiáng)其工程分析和實(shí)際應(yīng)用能力。以科研課題為契機(jī)，增強(qiáng)學(xué)生在科研過(guò)程中的求知欲及創(chuàng)新能力，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研建設(shè)的可持續(xù)性發(fā)展。

[關(guān)鍵詞] 啟發(fā)式教學(xué)；工程案例；產(chǎn)學(xué)研；教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] G642.421 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1005-4634（2013）01-0029-03

0 引言

《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生必須掌握的一門(mén)重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其特點(diǎn)在于涉及數(shù)學(xué)、物理、機(jī)械、電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)工程等多學(xué)科的交叉與融合[1]，因而較多學(xué)生在學(xué)習(xí)中倍感吃力，使得學(xué)習(xí)積極性大打折扣，課堂效率偏低。同時(shí)，由于傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)多集中于信號(hào)與測(cè)試系統(tǒng)分析等基礎(chǔ)理論教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生感性認(rèn)識(shí)不足，聞其聲但未見(jiàn)其形。加之傳統(tǒng)課程內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于其發(fā)展，尤其近年來(lái)，測(cè)試技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用深度及廣度大幅度提升，使得該課程的改革勢(shì)在必行。文獻(xiàn)[2，3]對(duì)該課程教學(xué)方式提出了新的想法，確定了以學(xué)生為中心的啟發(fā)式教育模式。另外，引入虛擬儀器加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)改革，取得了較為顯著的教學(xué)成果。但其教學(xué)方式鮮有工程案例相佐證，且缺乏科研與教學(xué)互為促進(jìn)的教學(xué)模式，學(xué)生對(duì)測(cè)試的了解及認(rèn)識(shí)仍停留在被動(dòng)學(xué)習(xí)階段，其創(chuàng)造性思維基本還源于被動(dòng)激勵(lì)。

鑒于此，結(jié)合近幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，筆者提出“以工程案例和生產(chǎn)實(shí)踐為主線的測(cè)試技術(shù)與信號(hào)處理課程教學(xué)模式”，利用良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，除了教學(xué)計(jì)劃內(nèi)的實(shí)驗(yàn)外，還針對(duì)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合工程題目設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)案例，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)和集成測(cè)試系統(tǒng)，重點(diǎn)培養(yǎng)創(chuàng)造意識(shí)，增強(qiáng)工程分析和實(shí)際應(yīng)用能力。同時(shí)，促進(jìn)教學(xué)與科研相結(jié)合，將承擔(dān)的國(guó)家和省部級(jí)項(xiàng)目的最新成果融入到教學(xué)中，提升測(cè)試技術(shù)課程教學(xué)水平和質(zhì)量，旨在探索一條產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，促進(jìn)測(cè)試技術(shù)課程建設(shè)的新路子。

1 以啟發(fā)式教學(xué)為主線，改革傳統(tǒng)滿堂灌 的教學(xué)方法

所謂啟發(fā)式教學(xué)就是強(qiáng)調(diào)學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教師要調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，實(shí)現(xiàn)教師主導(dǎo)作用與學(xué)生積極性相結(jié)合；強(qiáng)調(diào)學(xué)生智力的充分發(fā)展，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)知識(shí)的學(xué)習(xí)與智力的充分發(fā)展相結(jié)合；強(qiáng)調(diào)激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)內(nèi)在動(dòng)力與學(xué)習(xí)的責(zé)任感相結(jié)合；強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)書(shū)本知識(shí)與直接經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合[4]。

要調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，其前提是激發(fā)學(xué)生對(duì)課程的興趣愛(ài)好。為此，在授課過(guò)程中不僅要列舉大量生活實(shí)例，使得學(xué)生從頻繁的使用過(guò)程中感知該課程的重要性。而且應(yīng)以“問(wèn)題”為起點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生逐步解決實(shí)際問(wèn)題。例如，在講述前沿部分時(shí)，結(jié)合測(cè)試技術(shù)在機(jī)械工程、冶金、土木、化工等方面的廣泛應(yīng)用，說(shuō)明該課程學(xué)習(xí)的重要意義與必要性。再列舉大量學(xué)生有感性認(rèn)識(shí)的實(shí)例，如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、手機(jī)、話筒、相機(jī)、冰箱、汽車等是如何控制的，又是用到了哪些傳感器。最后讓學(xué)生從眾多實(shí)例中總結(jié)出測(cè)試系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，并提示學(xué)生輸入信號(hào)一般不為電信號(hào)而輸出信號(hào)一般為電信號(hào)。對(duì)此，多數(shù)學(xué)生會(huì)認(rèn)為傳感器是連接被測(cè)信號(hào)與輸出信號(hào)的紐帶，且視其為唯一關(guān)鍵裝置。鑒于此，引導(dǎo)學(xué)生思考如何處理傳感器輸送的噪聲信號(hào)以及其它干擾信號(hào)，從而引發(fā)他們極大的興趣，之后畫(huà)出測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖（圖1）供學(xué)生討論。這些實(shí)例可大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在講解測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性時(shí)，可通過(guò)演示滑動(dòng)變阻器的工作原理向?qū)W生提問(wèn)激勵(lì)與響應(yīng)的關(guān)系，并要求學(xué)生用所學(xué)《機(jī)械控制理論》相關(guān)知識(shí)建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并求出傳遞函數(shù)。而在講解信號(hào)頻域分析前，首先讓學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)單周期信號(hào)的時(shí)域圖進(jìn)行分析并獲得其頻域特性，再以探尋非周期信號(hào)的頻域圖為主線引導(dǎo)學(xué)生思考。

值得注意的是，啟發(fā)式教育并不是一種單一的教學(xué)方法，也是師生溝通的重要手段。在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，多數(shù)老師以書(shū)本為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)書(shū)本知識(shí)的利用程度。實(shí)際情況下，《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》課程較為艱澀難懂，教師在授課過(guò)程中應(yīng)及時(shí)與學(xué)生溝通，了解學(xué)生思想動(dòng)態(tài)，掌握其難學(xué)的癥結(jié)所在，并多鼓勵(lì)學(xué)生走上講臺(tái)，采取學(xué)生互評(píng)與師生互評(píng)相結(jié)合的方法使得課程嚴(yán)肅而不失活潑，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。另外，還應(yīng)結(jié)合不同專業(yè)特點(diǎn)闡述測(cè)試系統(tǒng)原理及應(yīng)用。如對(duì)機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生應(yīng)重點(diǎn)講解傳感器在機(jī)床、PLC等方面的應(yīng)用，在面對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生時(shí)應(yīng)主要介紹在工藝設(shè)計(jì)、公差與配合方面如何選擇傳感器，而在給材料成型專業(yè)學(xué)生授課時(shí)應(yīng)集中于分析模具設(shè)計(jì)過(guò)程與材料檢測(cè)中所應(yīng)用的測(cè)試系統(tǒng)。這一方面要求教師需提高自身科學(xué)文化知識(shí)，另一方面則在于主動(dòng)與學(xué)生溝通，了解不同專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。

2 采用以工程案例和生產(chǎn)實(shí)踐為主線的課 程教學(xué)模式

利用良好的試驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，除了教學(xué)計(jì)劃內(nèi)的實(shí)驗(yàn)外，還應(yīng)針對(duì)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合工程題目設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)案例，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)和集成測(cè)試系統(tǒng)，重點(diǎn)培養(yǎng)創(chuàng)造意識(shí)，增強(qiáng)工程分析和實(shí)際應(yīng)用能力。如在監(jiān)測(cè)汽車傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的工程案例中，讓學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)先選擇傳感器并說(shuō)明其依據(jù)，然后結(jié)合各特點(diǎn)從中挑選幾種典型測(cè)量傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的傳感器，從可行性、精確性、經(jīng)濟(jì)成本及便利程度等方面進(jìn)行講解并選擇其中較為合理的傳感器。再以此誘發(fā)學(xué)生通過(guò)對(duì)激勵(lì)與響應(yīng)的分析建立測(cè)試系統(tǒng)的簡(jiǎn)易數(shù)學(xué)模型，并分析其時(shí)頻特征。再如，講解連續(xù)油管橢圓度測(cè)量時(shí)，提出油管在長(zhǎng)時(shí)間工作下會(huì)受到流體重力及切應(yīng)力作用，繼而引發(fā)油管縱向擴(kuò)張和橫向收縮，從而導(dǎo)致油管截面變形（圖2a）。在闡明油管失效機(jī)理后提出“如何檢測(cè)油管外壁的橢圓度”的問(wèn)題，并提醒學(xué)生首先考慮用何種傳感器。學(xué)生在討論中極有可能把所學(xué)傳感器都列舉出來(lái)，這種頭腦風(fēng)暴式的想法邏輯性較差。為此，提示學(xué)生油管橢圓度工程檢測(cè)中要測(cè)的是何種物理量。這樣，學(xué)生即可分析出為位移，再提示學(xué)生繼續(xù)思考，并結(jié)合粗糙度檢測(cè)工藝引發(fā)學(xué)生參與討論。這樣部分學(xué)生會(huì)聯(lián)想到渦流傳感器，并提示學(xué)生粗糙度檢測(cè)一般為平面，但本文橢圓度檢測(cè)為圓周面。通過(guò)層層深入挖掘、分析，最后提出油管橢圓度檢測(cè)方案之一，如圖2b所示。

在講解大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁時(shí)，首先讓學(xué)生分析危險(xiǎn)截面所在之處，繼而促使學(xué)生思考如何貼應(yīng)變片以測(cè)量危險(xiǎn)截面處的彎矩，并引導(dǎo)學(xué)生思考整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)的建立方法。另外，在分析功率譜時(shí)，多數(shù)學(xué)生誤將其峰值視為具有最大振蕩幅值所對(duì)應(yīng)的信號(hào)，實(shí)則不然，功率譜中峰值處對(duì)應(yīng)的信號(hào)只能說(shuō)明其平均能量最大，但其振蕩峰值卻未必最高，這可以通過(guò)講解測(cè)量射流中心速度的方法而使問(wèn)題明晰。

顯然，通過(guò)工程案例的講解，不僅加深了學(xué)生對(duì)電阻應(yīng)變式傳感器、橋電路、A/D 轉(zhuǎn)換器和微處理器等的理解，而且有助于其掌握測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本過(guò)程，培養(yǎng)綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。

3 促進(jìn)教學(xué)與科研相結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新 能力

將承擔(dān)科研項(xiàng)目的最新成果融入到研究生及本科教學(xué)中，提升測(cè)試技術(shù)課程教學(xué)水平和質(zhì)量。培養(yǎng)為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)的意識(shí)，旨在探索一條產(chǎn)學(xué)研結(jié)合、促進(jìn)測(cè)試技術(shù)課程建設(shè)的新路子。

下面以筆者承擔(dān)的省級(jí)科研項(xiàng)目（脈沖氣液射流輔助鉆孔水力開(kāi)采的機(jī)理及過(guò)程研究）為例分析氣液射流打擊力測(cè)試的方法。在授課過(guò)程中，首先向?qū)W生介紹水射流打擊力實(shí)質(zhì)為射流自身垂直沖擊于壓力傳感器上的滯止壓力，再由壓力傳感器將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并輸送至SD150信號(hào)分析系統(tǒng)上的測(cè)試過(guò)程，然后結(jié)合第三章《測(cè)量裝置的基本特性》與第四章《常用的測(cè)量方法、器具及傳感器》相關(guān)知識(shí)[5]，分析整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的工作原理及關(guān)鍵過(guò)程。其測(cè)試原理圖如圖3。

試驗(yàn)中，為獲得射流軸心速度，設(shè)置靶盤(pán)上小孔直徑盡量小，為0.5mm，并與射流軸心對(duì)準(zhǔn)。這樣，由噴嘴產(chǎn)生的氣液射流軸心部分垂直打擊于壓力傳感器上表面，再依次通過(guò)信號(hào)放大器與信號(hào)采集卡，最終由SD150動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)處理。在測(cè)試過(guò)程中，激勵(lì)為射流的打擊力，響應(yīng)為輸出終端電壓，中間整個(gè)環(huán)節(jié)均為測(cè)試系統(tǒng)。在講述完這些問(wèn)題后，讓學(xué)生討論測(cè)試系統(tǒng)是否為線性。若學(xué)生對(duì)此理解有困難，再提出將整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)劃分為兩部分引導(dǎo)學(xué)生思考，第一部分為壓力傳感器，第二部分為信號(hào)放大器至SD150分析系統(tǒng)。接著讓學(xué)生根據(jù)壓力傳感器說(shuō)明書(shū)上的幅頻特性自己分析其線性特性以及可測(cè)量的頻率范圍，并判斷何為激勵(lì)、何為響應(yīng)。最后引發(fā)學(xué)生思考“第二部分測(cè)試系統(tǒng)是否為線性裝置，如何驗(yàn)證？”通過(guò)這些科研實(shí)例的講解與分析，不僅誘發(fā)出學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，還極大地培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)科研的熱情，同時(shí)對(duì)老師的科研水平也會(huì)起到較好的促進(jìn)作用。

為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與創(chuàng)造性，還可據(jù)此提出問(wèn)題“該方法在測(cè)量射流打擊力時(shí)有何難點(diǎn)，裝置可靠性是否能夠保證，是否還存在與之不同的測(cè)試方法？”在討論過(guò)程中提示學(xué)生思考靶盤(pán)上小孔的直徑和深度是否會(huì)對(duì)測(cè)試有影響，多數(shù)學(xué)生可以分析得出射流在噴射入小孔后與壓力傳感器撞擊形成的高速水漬會(huì)干擾主射流，甚至?xí)l(fā)新的渦量脈動(dòng)。為解決上述難題，筆者提示學(xué)生考慮用壓電傳感器測(cè)振動(dòng)的方法分析，即將射流沖擊于懸臂梁并由壓電傳感器測(cè)量梁的振動(dòng)而間接獲得射流的時(shí)頻特性，其原理圖如圖4所示。

在分析完上述測(cè)試系統(tǒng)組成部分（由懸臂梁系統(tǒng)、加速度傳感器與振動(dòng)分析儀串聯(lián)組成）后，學(xué)生對(duì)此可能會(huì)提出打擊力的峰值與振動(dòng)分析儀數(shù)顯峰值如何對(duì)應(yīng)的問(wèn)題。此時(shí)，恰好可以讓學(xué)生思考激勵(lì)與響應(yīng)的定量分析問(wèn)題，并說(shuō)明如何標(biāo)定。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的互動(dòng)思考，筆者再提出以實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)所用電動(dòng)激勵(lì)器為激勵(lì)源來(lái)檢驗(yàn)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的線性度。最后提出懸臂梁的結(jié)構(gòu)如何選擇的問(wèn)題，并通過(guò)材料力學(xué)彎矩相關(guān)知識(shí)予以提示，到此可能會(huì)有部分學(xué)生會(huì)考慮到選擇等強(qiáng)度梁，教師可讓學(xué)生對(duì)此進(jìn)行解釋。相信通過(guò)這些實(shí)例講解與循序漸進(jìn)的激勵(lì)機(jī)制，學(xué)生對(duì)測(cè)試技術(shù)的學(xué)習(xí)不再感到晦澀難懂，而且創(chuàng)造性思維也會(huì)得到極大增強(qiáng)，同時(shí)老師在與學(xué)生的交流中也會(huì)碰撞激發(fā)出科研靈感與創(chuàng)新動(dòng)力。

4 結(jié)束語(yǔ)

《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》是一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，它在培養(yǎng)學(xué)生、改造專業(yè)和促進(jìn)科技發(fā)展方面有重要作用。

本文在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合筆者自身教學(xué)改革實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以啟發(fā)式教學(xué)為主線，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，化被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)求知，促進(jìn)了教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變；提出“以工程案例和生產(chǎn)實(shí)踐為主線的課程教學(xué)模式”，利用良好的試驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，除了教學(xué)計(jì)劃內(nèi)的實(shí)驗(yàn)外，還針對(duì)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合工程題目設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)案例，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)和集成測(cè)試系統(tǒng)，重點(diǎn)培養(yǎng)創(chuàng)造意識(shí)，增強(qiáng)工程分析和實(shí)際應(yīng)用能力；將科研課題融入教學(xué)以推進(jìn)兩者緊密結(jié)合，使得學(xué)生在科研過(guò)程中增強(qiáng)自身的求知欲及創(chuàng)新能力，同時(shí)也可促進(jìn)老師的研發(fā)水平。

參考文獻(xiàn)

[1]張鳳生，王海峰，等.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教學(xué)研究，2012，35（1）：92-94.

[2]張志剛，石曉輝，等.《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》課程理論教學(xué)的改革與創(chuàng)新[J].技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011，（23）：147-148.

[3]張建立，馬泳濤，等.《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)》教學(xué)方法研究[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2012，29（13）：157-158.

[4]曹長(zhǎng)德.啟發(fā)式教學(xué)論[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2011：10-50.

[5]黃長(zhǎng)藝，盧文祥，等.機(jī)械工程測(cè)量與試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：43-92.