“機械工程測試技術”課程的工程應用實踐教學探索

文成，周傳德

一、引言

設計、工藝和檢測是機械工程三大組成部分，在工業(yè)自動化、機械制造信息化和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中，“機械工程測試技術”課程起著極為重要的作用[1]。本門課程是機械類專業(yè)主干課，教學目的是培養(yǎng)學生利用傳感器與測試技術知識來解決工程實際問題的能力。“機械工程測試技術”是一門實踐性較強的課程，突出實踐操作能力的培養(yǎng)[2]。學生必須參與足夠的實踐，才能充分理解理論知識，從而更好地把握課程內容。目前各高校開設的課程實驗項目大多為驗證性、綜合性實驗，且實驗項目之間缺少必要的聯系，與工程實際相關度低。學生動手能力與工程應用能力得不到有效的訓練，不利于學習興趣的提高和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，教學質量難以保證。

2012年3月教育部發(fā)布 《全面提高高等教育質量的若干意見》（教高[2012]4號），明確提出進一步加強實踐教學模式、實踐教學環(huán)節(jié)改革，實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃，提高實踐教學學分比例，加強學生實踐能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)。為貫徹上述教育思想，結合機械類專業(yè)人才培養(yǎng)計劃和本課程性質，本文提出“工程應用實踐”教學新模式，讓學生更多參與工程應用的設計與開發(fā)，促進理論與實踐的緊密結合。該教學模式體現了面向工程觀的教育理念[3]，必將激發(fā)學生的學習興趣，增強工程實踐能力、綜合應用能力和創(chuàng)新意識，從而提高教學質量。

二、工程應用實踐教學內涵

工程應用實踐教學與工程案例教學的相同之處在于教學內容都源于工程實際或科研項目，涉及多門課程或領域知識。但是，二者之間又存在明顯的差別。工程案例教學是教師根據教學要求，設計相應案例，組織學生運用所學知識針對案例內容進行思考、分析、討論和交流[4]。它主要用于課堂交流或探討，學生并沒有參與設計、研發(fā)工程案例，對案例所涉及的硬件（傳感器、信號調理設備及數據采集卡）和軟件并不熟悉，談不上真正融入到工程實際。在工程應用實踐教學中，學生根據工程應用課題，在老師指導下主動參與項目的設計研發(fā)，最終完成測試任務。學生課題討論、資料收集以及項目的實施等都是在課余時間里完成的。因此，工程應用實踐教學是以學生為中心，以解決實際問題為出發(fā)點，變被動學習為主動學習，致力于提高學生綜合素質的教學模式。

工程應用實踐項目是以工程設計與應用為主線，以培養(yǎng)學生多學科交叉應用能力和團隊協作能力為目的，構建培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力的一種教學模式。教師根據課程教學大綱要求，精心篩選或設計工程應用項目，保證每一個教學單元和知識點在項目實施中得以充分應用，從而加深對理論知識的理解。學生在學習完相關章節(jié)后，根據項目要求，主動收集相關知識，經課題小組充分討論后形成項目實施方案，然后選擇相關硬件和軟件構建測試系統，最終完成實際測試任務。因此，工程應用實踐的目的是把有關傳感器數據采集、信號處理及動態(tài)信號分析等理論知識加以系統化整合。學生綜合多門學科知識和多種實驗原理來設計項目，在實施過程中去發(fā)現問題，分析問題，并最終解決工程實際問題。工程應用實踐訓練使學習過程更加貼近生產實際，有利于發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性，提高學生獨立解決實際問題的能力、創(chuàng)新能力以及組織管理能力。

三、工程應用實踐教學設計

（一）實踐項目設計原則

工程應用實踐項目應首先要充分結合機械類專業(yè)人才培養(yǎng)計劃，緊扣課程教學大綱，密切生產生活，提高學生學習的興趣。工程應用實踐項目既要滿足課程理論知識與工程實際的結合，又要涉及多門學科的綜合應用，還要考慮項目實施的可行性，保證工程應用實踐順利實施。其次，工程應用實踐項目必須綜合企業(yè)、教師和學生三方面的意見[5]。圖1為工程應用實踐教學模式。

根據工程應用實踐教學模式要求，必須保證項目的科學性和可行性，充分融合工程背景，規(guī)范項目教學方案，項目設計可以遵循以下幾個原則。

圖1 工程應用實踐教學模式

1.緊扣培養(yǎng)計劃和教學大綱

引入工程應用實踐教學模式需結合機械專業(yè)人才培養(yǎng)計劃和本課程教學大綱，在不增加課堂教學課時的情況下，彌補課內實驗項目數量偏少且多為驗證性、綜合性實驗的缺陷。要重點突出傳感器和測試技術理論在工程上的應用。項目要側重傳感器、濾波器、放大器以及采集設備的選用，利用虛擬儀器技術快速構建測試系統，完成測試任務，并對測試結果進行分析。工程應用實踐項目所運用到的知識要盡可能覆蓋課程大綱所規(guī)定的教學內容。

2.工程實踐內容來源于企業(yè)生產和教師科研工作

企業(yè)的設計、制造、生產以及維修都與測試技術和傳感器密切相關，尤其是流程工業(yè)大量運用“設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷”技術，更是與本課程內容聯系十分緊密。從企業(yè)中提煉的工程應用項目本身就是生產實際，特別能引起學生的興趣。工程應用項目與科研結合，學生和老師有共同的研究內容，能促進學生科學素養(yǎng)的提高。

3.充分考慮學生知識水平和實驗條件，保證項目切實可行

工程應用實踐教學模式最重要的環(huán)節(jié)是項目的順利實施，最終要解決實際工程問題。因此，項目所涉及的知識點要與學生水平相適應，項目開展所需實驗條件（硬件和開發(fā)軟件）必須完備，任務具體，工作量適當，進度明確，使學生在教師的指導下在規(guī)定時間內通過努力能夠順利完成。

（二）實踐項目的規(guī)劃與實施

（1）工程應用實踐項目規(guī)劃。工程應用實踐可以根據“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”要求，以工程應用為重點，借助已有的Matlab和LabVIEW等工程軟件，解決實際工程問題，以培養(yǎng)學生能完成一般機械測試任務為目標。

“機械工程測試技術”涉及到多學科的交叉，知識點較多，被公認為較為難學的課程之一。從測試系統觀點出發(fā)，將教學內容劃分為“測試系統及其基本特性”、“信號獲取與分析”以及“典型機械測試系統”三個知識板塊，每個知識板塊均有工程應用實踐?！暗湫蜋C械測試系統”板塊包括振動、噪聲、溫度、機械參量、工業(yè)自動化等測試系統的構建與應用，內容包括機械系統分析、傳感器選擇、基于計算機的測試系統搭建及測試結果分析。設置更多的項目，可以突出工程應用。圖2為工程應用實踐項目在“機械工程測試技術”課程中的分布情況。

圖2 工程應用實踐項目在課程中的分布

（2）工程應用實踐教學實施方法。工程應用實踐是提高學生工程實踐能力、綜合應用能力和創(chuàng)新意識的重要途徑。學生借助虛擬儀器技術，正確選用硬件設備，利用相關軟件設計測試應用程序，綜合各種理論知識來解決實際工程問題。開展工程應用實踐教學可按以下步驟組織實施。

第一，教師向學生介紹開展工程應用實踐教學的意義和項目實施的方法，使學生提前有思想準備。要求學生自學應用項目設計軟件——Matlab和LabVIEW，提前儲備相關理論知識。

第二，按教學進程介紹每一個工程應用實踐項目，以紙質形式布置設計內容，需要解決的工程問題，使學生初步了解每一個項目所涉及的工程應用領域。

第三，將學生分成若干學習小組，指定小組負責人。通過協商確定各小組承擔的工程應用實踐項目，各小組課題不能相同。

第四，分組布置課題，介紹項目的工程背景，完成任務所涉及的知識點，提出要解決的關鍵問題。盡量向學生提供相關參考文獻目錄，以便學生查閱。

第五，組織、指導學生利用課余時間開展項目研究，提出解決方案和實施步驟，明確項目完成最終成果形式。

第六，教師定期組織各項目小組進行學術討論，研究、解決項目開展中所遇到的問題，及時跟蹤項目完成情況，力促各研究項目順利完成。

第七，以答辯的形式考核項目完成情況，將工程應用實踐實施過程、取得的成果納入課程考核體系之中，激勵學生積極主動地參與項目的討論、設計和測試工作，以保證教學質量。

四、工程應用實踐教學實例——基于聲卡的振動測試系統

本項目要求學生了解聲卡的數據采集功能特點，借助LabVIEW軟件，開發(fā)振動測試實驗教學系統。項目提出了一種基于聲卡的數據采集與分析的廉價方案，實現振動信號的采集分析、數據存盤、信號分析（時域分析、頻域分析和數字濾波）等多種功能，具有實現簡單、性能穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點。項目的成果形式——振動測試分析系統，要求應用于精度不高的振動與聲音信號采集、波形顯示、任意信號發(fā)生、信號記錄與監(jiān)測。

以下是某小組同學們的項目實施過程：在查閱相關文獻的前提下，提出了圖3所示的測試系統方案?？山Y合聲卡的特點對其進行必要改造，使之能與傳感器相接。需選擇HK9103-J壓電式加速度計和ZK-4CZ2型雙通道信號調理器，通過 LabVIEW實現振動測試功能。最后通過實驗得出結論：振動信號頻率范圍在 100 Hz～10 kHz范圍內。本測試系統能真實、準確地反映信號的頻率和幅值，可以推廣到語音識別、環(huán)境噪聲監(jiān)測和實驗室測量等多種領域，應用前景非常廣闊。

圖3 基于聲卡的振動測試系統組成方案

本項目運用到傳感器、信號采集、信號分析、虛擬儀器、振動理論等知識，學生在完成過程中得到了較為全面的訓練，提高了分析問題、解決問題的能力。

五、結論

工程應用實踐教學方法應用于 “機械工程測試技術”課程，極大地促進了理論與實際相結合。以前教學中出現的“枯燥無味、知識點分割”，現在變得“生動具體、知識點統一”。學生從“被動學習”轉為“主動學習”；教師的教學方法和技巧也得到了完善。工程應用實踐教學模式突出了工程測試與應用的整體概念，不但提高了教學質量，也使學生的工程實踐能力、綜合應用能力和創(chuàng)新意識得到提高，為“卓越工程師教育培養(yǎng)”和“機械工程工程師培養(yǎng)”奠定了堅實的基礎。

[1]周傳德，宋強.傳感器與測試技術[M].重慶：重慶大學出版社，2009.

[2]文成，周傳德.機械工程測試技術“案例和實驗并舉”教學模式探索[J].中國現代教育裝備，2013（1）.

[3]李冰.工程案例教學在《機械工程測試技術》中的應用[J].裝備制造技術，2010（8）.

[4]文成，周傳德.工程案例教學在“機械工程測試技術”課程教學中的應用[J].重慶科技學院學報：社會科學版，2012（21）.

[5]張樹國，王家宣，劉超.以項目為載體的工程訓練教學模式的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2012（7）.