基于MATLAB的機械工程測試技術(shù)教學探討

許同樂　蔡道勇　馬金英

[摘 要] 隨著現(xiàn)代機械工業(yè)的發(fā)展，機械工程測試技術(shù)這門課程在教學中扮演的角色越來越重要。由于這門課程課時少、內(nèi)容多且抽象難理解，對教學造成了很大的困擾。針對這點，將MATLAB軟件應(yīng)用到這門課程的教學中，豐富了教學內(nèi)容和增強學生學習的趣味性。

[關(guān)鍵詞] 測試技術(shù)；教學方法；MATLAB

[中圖分類號] TP274 [文獻標志碼] A [文章編號] 1005-4634（2015）01-0062-04

機械工業(yè)生產(chǎn)自動化程度不斷提高，機械工程測試技術(shù)在其中所起的作用不可替代。同時機械工程測試技術(shù)是機械類及近機械類專業(yè)的一門理論和實踐性都很強的基礎(chǔ)課程[1，2]，是交叉性學科。對該類專業(yè)學生畢業(yè)后快速適應(yīng)自動化工業(yè)生產(chǎn)具有很大的幫助，也在現(xiàn)代制造業(yè)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中起著重要的作用。

1 機械工程測試技術(shù)教學中問題

1.1 教學內(nèi)容缺乏針對性

目前，機械工程測試技術(shù)教材內(nèi)容抽象且實例少，成為影響教學質(zhì)量的一個重要因素。同時課程內(nèi)容涉獵極為廣泛，安排較為松散，采用傳統(tǒng)的因“材”施教方式，使學生感到知識枯澀難懂[3-5]。

1.2 課程內(nèi)容多，而學時少

該課程內(nèi)容包括材料學、傳感器、信號處理、數(shù)理統(tǒng)計、精密機械設(shè)計等眾多門學科。而隨著大學教學體系的改革，機械工程測試技術(shù)的教學時間大幅度縮減，這就變相增加了老師的教學難度和學生的學習壓力。此外該課程具有很強的實踐性，理論學習必須配合相關(guān)實驗才能牢固掌握知識。

1.3 實驗教學模式單一

機械工程測試技術(shù)的實驗教學是該課程教學非常重要的環(huán)節(jié)，主要包括測試系統(tǒng)特性的測量、振動信號測試、各類傳感器的應(yīng)用等。學生可以通過實驗驗證所學理論，做到活學活用。現(xiàn)在多數(shù)實驗教學儀器是集成化實驗裝置，學生只需要按照老師規(guī)定的步驟即可完成實驗操作，但是學生對每個實驗及其環(huán)節(jié)仍沒有直觀認識且缺乏自主性，所以這種實驗教學模式在培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力上所起到的作用是非常有限的。

2 MATLAB在機械工程測試課程教學中 應(yīng)用

為解決以上問題，就要對機械工程測試技術(shù)教學進行改革，筆者將MATLAB應(yīng)用到該門課程教學中，有助于教學質(zhì)量和學生綜合素質(zhì)的提高。MATLAB是一個大型的矩陣實驗室，因其在數(shù)值分析、自動控制、信號處理、圖像處理和仿真等方面的強大功能，逐漸成為各學科領(lǐng)域中必不可少的研究工具。在歐美等發(fā)達國家的高校中，該軟件已成為相關(guān)領(lǐng)域的基本教學工具，是在校學生必須掌握的基本技能。在國內(nèi)，該軟件也以逐步成為理工科的必修課，但在該課程中的應(yīng)用還很少。

2.1 結(jié)合課程內(nèi)容，采用MATLAB輔助教學

將MATLAB引入機械工程測試技術(shù)教學中，有利于活躍課堂氛圍，使學生對理論性較強的內(nèi)容有更直觀的認識，也掌握了一門對將來學習和工作都很有幫助的計算機編程語言。引入MATLAB，大大減輕學生的計算量，使其有更多的時間進行技術(shù)改造和創(chuàng)造性思維。同時也減輕了授課時的計算負擔，從而可將問題的分析引入更深層次。

例如：二階系統(tǒng)的動態(tài)特性是該課程的重點，固有頻率和阻尼比對系統(tǒng)特性的影響具有很強的抽象性，為此通過MATLAB編程演示阻尼比對歸一化的二階系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的影響，使學生對該內(nèi)容有直觀的了解。如圖1所示。

1）教學中合理搭配與應(yīng)用。近年來，作者將MATLAB及測試信號分析應(yīng)用軟件用于課程教學，取得了很好的效果。對教師而言，首先要在上課之前準備充分，在課堂上邊講邊演示，將抽象難懂的問題通過MATLAB形象直觀地演示出來，學生一目了然，節(jié)省教師畫圖的時間，增加了授課內(nèi)容，提高了課堂教學效率；就學生而言，通過MATLAB繪圖，直觀了解一些復(fù)雜理論，縮短了理解時間。例如在講授測試裝置基本特性這一章內(nèi)容時，對于測試裝置的二階系統(tǒng)特性的內(nèi)容學生難以理解，通過圖形演示，學生清楚地看到各種情況下其伯德圖和奈奎斯特曲線的變化（見圖2），這樣直觀表達其特性，學生容易接受。

2）用MATLAB自主完成課后練習。學生在做課后練習題時，會發(fā)現(xiàn)有些題目很抽象，難以判別對錯，此時就可使用MATLAB進行仿真，學生就可以輕松判斷對錯，同時增加了學習情趣，也提高了學生解決問題的能力。如判斷兩不同周期信號的頻率比為無理數(shù)時，則疊加后信號無公共周期，為了解釋這一結(jié)論，筆者應(yīng)用MATLAB對以下兩組信號進行仿真，第一組為兩不同周期信號的頻率比為有理數(shù)，第二組為兩不同周期信號的頻率比為無理數(shù)。

這樣便于學生前后比較、聯(lián)想，有助于幫助學生理解，而軟件的應(yīng)用是重結(jié)果輕過程。因此在機械工程測試技術(shù)課程教學手段上，需要合理搭配與應(yīng)用，應(yīng)該更多地采用使用軟件和PPT教學相結(jié)合的方法，從而發(fā)揮各自的優(yōu)勢，以達到更好的學習效果。

2.2 解決內(nèi)容多與課時少之間矛盾

為緩解內(nèi)容多與課時少之間的矛盾，教師往往采用“講主省次”的方法。利用MATLAB提供的數(shù)值計算、圖形處理、數(shù)字仿真等功能，不僅可以大量節(jié)省用于計算、概念、圖形講解等方面的時間，而且降低課程內(nèi)容的理論抽象性、增強直觀性，從而可以抽出時間增加課堂教學互動，將學生引導(dǎo)到向更高層次。信號分析如圖5、圖6所示。

2.3 MATLAB結(jié)合LabVIEW實時分析機械故障 信號

LabVIEW是圖形化編程，具有友好的人機界面，而MATLAB在信號分析方面具有強大功能和龐大的內(nèi)置函數(shù)庫，有利于信號處理，筆者利用LabVIEW的matlabscript節(jié)點使兩個軟件結(jié)合起來，LabVIEW利用該節(jié)點可執(zhí)行MATLAB語句或函數(shù)的載體，很方便地調(diào)用MATLAB內(nèi)置函數(shù)，也可以在里面編寫MATLAB語句。因此利用這一特點開發(fā)了故障診斷系統(tǒng)。

根據(jù)診斷系統(tǒng)必須實現(xiàn)的功能，合理設(shè)計系統(tǒng)框架，將系統(tǒng)分模塊設(shè)計。筆者開發(fā)了時域頻域分析模塊等模塊，學生在該模塊可以實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的實時顯示、頻譜分析、以及各指標的計算和報警設(shè)置。模塊采用的時域指標有最大值、最小值、均方根值和峭度值，與設(shè)定的峰值閾值、均方根閾值、峭度閾值比較后程序可以識別是否報警。風機軸承故障診斷系統(tǒng)見圖7、圖8和圖9。

以上程序主要實現(xiàn)信號的處理分析，能讓學生通過實例更加深刻地了解信號分析的作用。

將MATLAB引入機械工程測試技術(shù)的教學中，是對傳統(tǒng)測試技術(shù)教學模式的突破。對教師而言，要求教師必須精通MATLAB，有助于教師素質(zhì)的提高，省去了課堂上原來用于計算等占用的大量課時，以便引導(dǎo)學生走向更深層次，增加了學生學習的興趣；對于學生，通過自己動手以驗證所學知識的正確性，既能加深對知識的理解，又能增加學習該門課程的信心，是對傳統(tǒng)學習模式的挑戰(zhàn)，同時還掌握了對日后學習和工作都很有幫助的一門高級編程語言。這種理論和實踐并重的教學模式，既大大提高了機械工程測試技術(shù)的教學質(zhì)量，又滿足了社會對學生的要求。

參考文獻

[1]熊詩波，黃長藝.機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006：1-30.

[2]許同樂.機械工程測試技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010：3-36.

[3]慕麗，王鑫威.《機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學模式探討[J].裝備制造技術(shù)，2010，（6）：212-214.

[4]李力，陳從平等.面向工程應(yīng)用的“測試技術(shù)”課程教學與實踐[J].中國電力教育，2009，（6）：108-109.

[5]吳世雄，王成勇.“機械工程測試技術(shù)”教學改革的探索[J]. 廣東工業(yè)大學學報（社會科學版），2007，（6）：108-109.