機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

摘要：分析了“機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中存在的問題，結(jié)合本校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)定位，提出了課程改革的基本思路，并進(jìn)行了有益的探索和實(shí)踐。主要是弱化理論的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，突出理論的應(yīng)用意義，強(qiáng)化有行業(yè)背景的工程應(yīng)用，加強(qiáng)案例教學(xué)；調(diào)整知識點(diǎn)的講授順序，循序漸進(jìn)地完成知識體系的講授；從引導(dǎo)學(xué)生興趣入手，多渠道、多途徑讓學(xué)生接觸實(shí)際問題；加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)對學(xué)生的開放程度，利用虛擬儀器語言，建立對學(xué)生更加開放的試驗(yàn)系統(tǒng)，加強(qiáng)對學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：測試技術(shù)；教學(xué)改革；實(shí)踐

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）29-0051-02

“機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)”是機(jī)械類專業(yè)較為重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在專業(yè)課程體系中的地位非常重要。本課程涉及內(nèi)容較多，既有較復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題、又涉及一定深度的電工學(xué)、力學(xué)、數(shù)電、模電的相關(guān)知識，綜合性和實(shí)踐性都很強(qiáng)。本課程涉及的數(shù)學(xué)知識很多內(nèi)容非常抽象，致使該課程較為晦澀，學(xué)生難以掌握。

為了提高本課程的教學(xué)效果，國內(nèi)外很多教師已進(jìn)行了大量的探索。如在美國，測試技術(shù)被定位為實(shí)驗(yàn)課程，教學(xué)目標(biāo)是通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)來提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力，教學(xué)方法上實(shí)行課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)并重。[1]慕麗等[2]提出了“以工程案例、虛擬儀器和實(shí)驗(yàn)為主線和核心”的邊講、邊實(shí)驗(yàn)、邊演示、邊討論的機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)課程課堂教學(xué)模式。喻紅等[3]提出了以工程案例為背景的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式，利用課程組教師承擔(dān)過大量科研項(xiàng)目，對所承擔(dān)過的科研項(xiàng)目中應(yīng)用到的測試技術(shù)進(jìn)行整理，提煉為具有實(shí)際工程應(yīng)用背景的案例和實(shí)驗(yàn)。崔伯第[4]從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)三個方面進(jìn)行了有益的改革與探索。

本文針對應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)定位，借鑒“卓越工程師”培養(yǎng)模式，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化和更新，強(qiáng)化了知識的應(yīng)用背景，改革了灌輸式的教學(xué)方法，變學(xué)生的被動接受為主動探究，從學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)出發(fā)，加強(qiáng)了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，取得了較好的教學(xué)效果。

一、問題分析及教改思路

1.問題分析

我校為應(yīng)用型本科院校，筆者從事本門課程的教學(xué)已有6年，通過這幾年的教學(xué)實(shí)踐，感覺本課程存在的問題主要有以下幾個方面：

（1）內(nèi)容上理論性偏強(qiáng)，學(xué)生感覺枯燥無味，深奧難懂?！皺C(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)”是一門理論性非常強(qiáng)的課程，其教學(xué)內(nèi)容主要包括傳感器及常用敏感元件轉(zhuǎn)換原理和信號處理及分析相關(guān)理論兩大部分。有關(guān)測試裝置的傳遞函數(shù)、信號的數(shù)字化、信號的頻譜、功率譜分析等內(nèi)容，涉及到傅立葉變換、拉普拉斯變換等比較抽象的數(shù)學(xué)知識，學(xué)生普遍感到深奧難懂，學(xué)起來枯燥無味。這些內(nèi)容在后續(xù)的工程應(yīng)用中又體現(xiàn)的不夠充分，學(xué)生對這些理論知識的作用認(rèn)識不足，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。近年來，隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，測試技術(shù)及儀器也發(fā)生了很大變化，因此，現(xiàn)行教材在測試技術(shù)的工程應(yīng)用及新型傳感器方面內(nèi)容不夠豐富，存在實(shí)際工程應(yīng)用案例過少、大部分傳感器沒有提供實(shí)物對象等問題，不適于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要。

（2）知識點(diǎn)的順序安排不利于學(xué)生接受。現(xiàn)有教材一般是從知識的完整性出發(fā)，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)用這樣一個順序來展開。這樣的順序編排從知識的相關(guān)性和完整性來講，當(dāng)然是非常正確的。但是對于學(xué)生來講，在不能深刻理解這些理論知識應(yīng)用背景的情況下，強(qiáng)迫自己去接受一大堆晦澀難懂的理論知識，是一件非常困難的事情。合理地調(diào)整課程的內(nèi)容順序，可能會使學(xué)生更容易接受。

（3）傳統(tǒng)的教學(xué)方式實(shí)踐性環(huán)節(jié)偏少，影響了教學(xué)效果。對于大多數(shù)應(yīng)用型本科院校，由于教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件的限制，本門課程的教學(xué)一般只側(cè)重課本內(nèi)容講授，教學(xué)的基本方法模式是教師講、學(xué)生聽，學(xué)生動手實(shí)踐性環(huán)節(jié)偏少。在課程教學(xué)過程中，學(xué)生積極參與和師生間、學(xué)生間的互動很少，不利于對學(xué)生進(jìn)行工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，也嚴(yán)重影響了教學(xué)效果。老師辛辛苦苦，講了很多，卻沒能給學(xué)生留下什么深刻的印象，甚至部分學(xué)生連一些基本的傳感器都不能分辨，更不用說正確地使用了。

2.教改的基本思路

針對上述問題，筆者總結(jié)幾年來講授本課程的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，結(jié)合我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)定位，確定了本門課程改革的基本思路。主要是弱化理論的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，突出理論的物理意義，強(qiáng)化有行業(yè)背景的工程應(yīng)用，加強(qiáng)案例教學(xué)；調(diào)整知識點(diǎn)的講授順序，循序漸進(jìn)地完成知識體系的講授；從引導(dǎo)學(xué)生興趣入手，多渠道、多途徑讓學(xué)生接觸實(shí)際問題；在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)上狠下功夫，利用虛擬儀器語言，建立對學(xué)生完全開放的試驗(yàn)系統(tǒng)（臺），培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。

二、教學(xué)改革與實(shí)踐

1.優(yōu)化課程的教學(xué)內(nèi)容

清華大學(xué)的林健教授在論述面向“卓越工程師”的教學(xué)改革時曾指出，[5]在教學(xué)內(nèi)容的改革中要注重專業(yè)知識和教學(xué)內(nèi)容的選擇，以確保學(xué)科專業(yè)得到有效傳承。由于近年來電子技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)等技術(shù)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，使得本課程涉及的相關(guān)知識發(fā)生了很大變化，現(xiàn)有教材提供的知識信息顯然不能及時反映傳感技術(shù)的發(fā)展，有些知識已經(jīng)有些陳舊，而各種傳感器的典型應(yīng)用，在教材上并沒有反映。針對上述情況，我們強(qiáng)化了基于虛擬儀器語言的計算機(jī)測試系統(tǒng)和儀器的教學(xué)內(nèi)容，將被測對象、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、微型計算機(jī)組成的測試系統(tǒng)（儀器）作為測試系統(tǒng)基本的組成結(jié)構(gòu)介紹和應(yīng)用，使學(xué)生能夠根據(jù)被測對象，構(gòu)建這樣的測試系統(tǒng)。

對于應(yīng)用型本科院校，學(xué)生的培養(yǎng)定位主要是應(yīng)用型人才，因此，在課程內(nèi)容上強(qiáng)化應(yīng)用，弱化理論的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。對傅立葉變換、頻譜分析等比較抽象的數(shù)學(xué)運(yùn)算，著重介紹其物理意義，弱化純數(shù)學(xué)的運(yùn)算要求，增加了MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容。而在工程應(yīng)用環(huán)節(jié)，突出了行業(yè)背景特色，針對我校機(jī)械專業(yè)學(xué)生的未來就業(yè)方向，增加了工程機(jī)械、機(jī)床制造領(lǐng)域常用的基于現(xiàn)代傳感技術(shù)的測量儀器的介紹，比如，在位移測量這一部分，減少了物位測量的內(nèi)容，增加了表面粗糙度測量儀、表面輪廓測量儀、齒輪誤差測量儀、機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)精度測量等測量儀器和測量案例。

2.調(diào)整知識點(diǎn)的講授順序安排

在知識講授順序的安排上，遵循讓學(xué)生首先知道怎么用、然后學(xué)會正確選擇使用、最后掌握綜合應(yīng)用和正確分析測試信號這樣一個漸進(jìn)式學(xué)習(xí)的原則。

在授課內(nèi)容的安排上，緒論課以后，首先利用標(biāo)準(zhǔn)輸出的荷重傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和虛擬儀器高級語言VB，構(gòu)建一個重量測量系統(tǒng)，讓學(xué)生形成一個清晰而又簡單的傳感器應(yīng)用概念。在此基礎(chǔ)上，先介紹常用傳感器和敏感元件的變換原理，講完后，安排一次企業(yè)參觀，讓學(xué)生了解生產(chǎn)制造企業(yè)中傳感器的應(yīng)用情況，強(qiáng)化其對傳感技術(shù)應(yīng)用背景的理解。

然后再講述信號及其描述、測試裝置的基本特性，結(jié)合前面介紹的不同類型傳感器以及不同應(yīng)用背景分析傳感器的基本特性以及合理選擇的方法，讓學(xué)生學(xué)會根據(jù)被測對象的具體特點(diǎn)正確選擇傳感器或測量元件、測量儀器。

接下來講授工程應(yīng)用環(huán)節(jié)，針對不同類型的物理量，比如：位移量、應(yīng)力、應(yīng)變、拉壓力、溫度等，學(xué)會構(gòu)建合理的測量系統(tǒng)，將信號調(diào)理的有關(guān)內(nèi)容融合到具體工程量的測量中去講授。在講授振動測量內(nèi)容時，將信號的數(shù)字化處理、相關(guān)分析、譜分析的內(nèi)容融合在一起。這樣在講授比較晦澀的數(shù)學(xué)問題時，和具體的應(yīng)用結(jié)合在一起就會更有針對性，也不會像原先那樣抽象難懂。

3.調(diào)動學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的興趣

學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容有興趣，才會愿意學(xué)習(xí)并主動學(xué)習(xí)。在教學(xué)活動中，根據(jù)具體內(nèi)容采用靈活多變的教學(xué)方法，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能收到事半功倍的效果。[2]作為應(yīng)用型本科院校，學(xué)生在學(xué)習(xí)的自覺性方面相對較差，尤其是對本門課程這樣比較抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生容易產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

針對學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣的問題，我們通過一系列的方法來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在講授完傳感器原理后，安排學(xué)生到企業(yè)參觀，教師現(xiàn)場解讀生產(chǎn)現(xiàn)場中傳感器的具體應(yīng)用，讓學(xué)生了解傳感器的工程背景，在現(xiàn)場提出一些應(yīng)用需求讓學(xué)生去思考。讓學(xué)生在網(wǎng)上搜集相關(guān)傳感器的信息，分析其指標(biāo)特性，使其感受到能看懂傳感器的說明信息所帶來的成就感。在教學(xué)內(nèi)容上，將老師從事的具有工程背景的科研案例補(bǔ)充進(jìn)來，一方面可以開闊學(xué)生的學(xué)術(shù)眼界，同時還可以引導(dǎo)學(xué)生主動思考，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；在教學(xué)手段上，則注意通過演示實(shí)驗(yàn)將抽象的理論形象化、將枯燥的內(nèi)容變得更有活力。在工程應(yīng)用的教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生動手構(gòu)建測試系統(tǒng)，從而感受實(shí)現(xiàn)測量目標(biāo)的成功喜悅，增加學(xué)習(xí)興趣。

4.強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)能夠使學(xué)生加深對抽象理論知識的形象化理解，有效提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力。“機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)”本身也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，對此，我們重點(diǎn)加強(qiáng)了課程的實(shí)踐性，讓每一個知識點(diǎn)都與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來。

實(shí)驗(yàn)更是實(shí)踐環(huán)節(jié)的重點(diǎn)，對大多數(shù)應(yīng)用型本科院校來說，本門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)還是沿襲傳統(tǒng)模式。在實(shí)驗(yàn)之前，教師詳盡交代實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生只是按照規(guī)定步驟操作。這種模式，雖然也能使學(xué)生較快的掌握所學(xué)的教材內(nèi)容，但卻在很大程度上影響了學(xué)生創(chuàng)新性，不能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望。

為此，我們改變了這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，加?qiáng)學(xué)生的參與性，讓學(xué)生盡可能地體驗(yàn)各種物理量的實(shí)際測量方法和測試系統(tǒng)的構(gòu)建方法。一方面，學(xué)校購買了測試技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，充分利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能，使學(xué)生全面體驗(yàn)各種傳感器的性能測試，增強(qiáng)感性認(rèn)識。另一方面，重點(diǎn)加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對學(xué)生的開放程度，盡量采用基于PC機(jī)的虛擬儀器技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)測量儀器，以研究性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)以及綜合性實(shí)驗(yàn)來代替單純的測量實(shí)驗(yàn)。我們利用數(shù)據(jù)采集卡開發(fā)了基于虛擬儀器高級語言VB的各種虛擬儀器，比如：摩擦力矩測量系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)、位移測量系統(tǒng)等，并將代碼及各種硬件連接全部向?qū)W生開放。學(xué)生可以通過變換傳感器、改變程序代碼等方式設(shè)計自己的實(shí)驗(yàn)。通過這樣的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對傳感器的使用方法更加清楚，學(xué)生還可以在動手中體會到成功的樂趣。

三、結(jié)語

改革后的“機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)組織方式，理論講授和實(shí)踐教學(xué)并重，弱化了純數(shù)學(xué)理論的運(yùn)算推導(dǎo)，突出了理論的應(yīng)用意義；按照循序漸進(jìn)的方式，調(diào)整了授課內(nèi)容的順序，將相關(guān)理論知識點(diǎn)融合到具體工程應(yīng)用；通過工程應(yīng)用背景的強(qiáng)化、案例教學(xué)、自己動手構(gòu)建測試系統(tǒng)等方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對學(xué)生的開放程度，增強(qiáng)了學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)。通過幾年來的實(shí)踐，上述改革取得了較好的效果，學(xué)生普遍反映對本門課程比較感興趣。

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（責(zé)任編輯：劉翠枝）