現(xiàn)代測試技術(shù)在機(jī)械類本科測試技術(shù)教學(xué)中的滲透

劉海寧+門秀花+邵海燕+王曉慧

【摘 要】測試技術(shù)具有較強(qiáng)的學(xué)科交叉性和工程實(shí)踐性。多年來，雖然測試基本原理和理論方法相同，但現(xiàn)代測試技術(shù)在技術(shù)形態(tài)和應(yīng)用方式上一直在不斷演化，這就構(gòu)成了學(xué)生在相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)上的認(rèn)識壁壘。本文通過在教學(xué)過程中進(jìn)行現(xiàn)代測試技術(shù)的滲透，旨在深化學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，建立教學(xué)內(nèi)容與工程應(yīng)用的聯(lián)系，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，基于合理組織的滲透內(nèi)容和靈活實(shí)施的教學(xué)過程，教學(xué)效果得到了顯著提升，測試技術(shù)教學(xué)知識目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)得到了總體實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】測試技術(shù)；機(jī)械工程；本科教學(xué)

“測試技術(shù)”是各機(jī)械工程專業(yè)必修課程。整體來看，這門課程的特點(diǎn)十分突出：一是，學(xué)科交叉性強(qiáng)，技術(shù)內(nèi)容與高等數(shù)學(xué)、電工電子、控制工程、基礎(chǔ)物理等課程關(guān)聯(lián)緊密，是多學(xué)科知識的綜合應(yīng)用；二是，工程實(shí)踐性強(qiáng)，除了滿足系統(tǒng)測試目的外，測試技術(shù)的應(yīng)用滲透到生產(chǎn)、生活的各個環(huán)節(jié)，更是工業(yè)自動化、控制技術(shù)的重要組成。機(jī)械工程測試技術(shù)在內(nèi)容設(shè)計(jì)上兼顧我國本科教育“厚基礎(chǔ)、寬口徑”原則的基礎(chǔ)上，側(cè)重對機(jī)械工程應(yīng)用中測試技術(shù)的介紹。在多年的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對該門課程的學(xué)習(xí)存在兩種負(fù)面態(tài)度：一種認(rèn)為該門課程內(nèi)容陳舊，與工程應(yīng)用脫節(jié)，學(xué)習(xí)積極性不高；另一種認(rèn)為課程內(nèi)容較為枯燥、生澀難懂，與機(jī)械專業(yè)相去甚遠(yuǎn)。針對這些問題，各高校在教學(xué)過程中均有目的地引入了一些工程應(yīng)用案例[1]，以輔助對現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容的理解，取得了較好的教學(xué)效果。但同時也應(yīng)看到，隨著測試技術(shù)的發(fā)展，雖然測試的基本原理和理論方法相同，但技術(shù)形態(tài)和應(yīng)用方式一直在不斷演化，這就構(gòu)成了學(xué)生在相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)上的認(rèn)識壁壘。本文探討通過在測試技術(shù)教學(xué)過程中進(jìn)行現(xiàn)代測試技術(shù)的滲透，拉近學(xué)生與測試工程的距離，使其能夠明確測試技術(shù)教學(xué)內(nèi)容的工程應(yīng)用價(jià)值，解決學(xué)生心中疑惑，提高教學(xué)質(zhì)量。

1 把握滲透的目的意義

針對測試技術(shù)的課程特點(diǎn)及實(shí)際教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，基于已有教學(xué)內(nèi)容框架進(jìn)行現(xiàn)代測試技術(shù)的滲透，將經(jīng)典理論與前沿技術(shù)結(jié)合，目的是為了進(jìn)一步提高教學(xué)效果，綜合實(shí)現(xiàn)教學(xué)的知識目標(biāo)、能力目標(biāo)與素質(zhì)目標(biāo)。具體地：

一是，深化對教學(xué)內(nèi)容的理解。在講清楚已有教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，或?qū)F(xiàn)有理論知識進(jìn)行擴(kuò)展，或?qū)⑾嚓P(guān)技術(shù)形態(tài)進(jìn)行介紹，使學(xué)生能夠了解到形式多樣的現(xiàn)代測試技術(shù)形態(tài)、其背后的理論依據(jù)以及如何滿足工程應(yīng)用的需要，明確與現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容的區(qū)別與聯(lián)系，在對比和聯(lián)想中加深對教學(xué)內(nèi)容知識的理解和把握。

二是，建立與工程應(yīng)用的聯(lián)系。通過對工程實(shí)例和具體技術(shù)手段的介紹，將使抽象的理論知識物化為觸手可及的技術(shù)手段，從而拉近理論知識與實(shí)際工程應(yīng)用之間的距離，使學(xué)生一方面能夠明確理論知識的學(xué)習(xí)目的，另一方面能夠熟悉時興的技術(shù)手段，并能夠以理論知識指導(dǎo)技術(shù)手段的選擇和應(yīng)用。

三是，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍對前沿技術(shù)感興趣，而興趣是最好的老師。所滲透的現(xiàn)代測試技術(shù)概念、知識和技術(shù)與圍繞大綱但又超越大綱要求，雖然無法詳細(xì)深入地進(jìn)行講解，但是能夠引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究、自我學(xué)習(xí)，從而在教學(xué)效果上產(chǎn)生倍增效應(yīng)。

2 合理組織滲透內(nèi)容

伴隨著工程實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行監(jiān)測、自動控制、生物醫(yī)療等行業(yè)需求的深入，現(xiàn)代測試技術(shù)理論、技術(shù)內(nèi)容眾多，包羅萬象。現(xiàn)代測試技術(shù)的滲透不能泛泛而談，否則達(dá)不到滲透目的，也不能刨根問底，否則容易使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，必須根據(jù)機(jī)械專業(yè)特點(diǎn)及本科生培養(yǎng)目標(biāo)要求，圍繞授課內(nèi)容有選擇地進(jìn)行現(xiàn)代測試技術(shù)滲透內(nèi)容的組織。機(jī)械工程測試技術(shù)授課內(nèi)容一般包括：信號、傳感器、中間變換電路、信號處理方法及測試裝置的基本特性等主要內(nèi)容，本文以《機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》[2]為授課教材，圍繞核心授課內(nèi)容進(jìn)行現(xiàn)代測試技術(shù)的滲透內(nèi)容組織，如圖1所示。其中，“測試裝置的基本特性”部分是從整體上對測試裝置的靜態(tài)和動態(tài)特性進(jìn)行衡量，相關(guān)內(nèi)容理論性較強(qiáng)，滲透內(nèi)容的組織可結(jié)合傳感器與中間變換電路進(jìn)行實(shí)例化描述。而滲透形式可靈活采用理論、技術(shù)、工程實(shí)例等多種方式。

在“信號”部分，對信號的頻域描述是重點(diǎn)，而其根本目的還是為了提取信號所攜帶的有用信息。結(jié)合人工智能介紹特征提取技術(shù)能使學(xué)生明確信號與信息的區(qū)別與聯(lián)系；盲源分離技術(shù)對所感興趣波形成分的提取與傅里葉頻譜分析尋找敏感頻譜成分異曲同工，都是以獲取有用信息成分為目的的分析手段，對相關(guān)內(nèi)容的介紹能夠使學(xué)生進(jìn)一步把握頻譜分析的目的，同時能夠?qū)r域與頻域的不同建立直觀感受?；谡駝有盘柕妮S承故障診斷[3]已經(jīng)是較為成熟的技術(shù)，其基本原理如圖2所示：通過頻譜成分分析尋找外圈通過頻率或內(nèi)圈通過頻率就能確定對應(yīng)的故障是外圈故障還是內(nèi)圈故障。通過對該實(shí)例的介紹，學(xué)生不僅能夠把握學(xué)習(xí)頻譜分析方法的意義，同時還能接觸到快速傅里葉變換算法、機(jī)械故障診斷學(xué)等概念。

在“傳感器”部分，掌握傳感器及敏感元件的工作原理是核心?？紤]到工程技術(shù)人員接觸最多的是如何選用適合的傳感器滿足系統(tǒng)構(gòu)建的需要，特別是隨著信息化與工業(yè)化的深入融合，很有必要向?qū)W生介紹面向工業(yè)4.0與物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳感器、智能傳感器等前沿技術(shù)。教學(xué)實(shí)踐也證明，相關(guān)內(nèi)容能夠極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。壓電式傳感器與機(jī)械專業(yè)結(jié)合緊密，該部分內(nèi)容學(xué)習(xí)很重要的一點(diǎn)是讓學(xué)生明白電壓式放大電路與電荷式放大電路的工作原理及各自優(yōu)劣。而在工程應(yīng)用中往往采取折中方案，如廣泛采用的IEPE型加速度傳感器就是通過內(nèi)置電荷放大器外加恒流源的方式來滿足長距離的信號傳輸需要。

中間變換電路是從傳感器到信號顯示、記錄、處理裝置的中間環(huán)節(jié)。微弱信號檢測涉及內(nèi)容眾多，在這里主要介紹交流放大技術(shù)，通過相關(guān)內(nèi)容的介紹能夠講清楚動態(tài)電阻應(yīng)變儀采用交流純電阻電橋，而不是直接采用運(yùn)算放大器的原因。通過介紹廣泛應(yīng)用的虛擬儀器技術(shù)、PCI/PXI/PC104/USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備，能夠使學(xué)生從工程應(yīng)用角度了解當(dāng)前快速集成一個測試系統(tǒng)所用的技術(shù)手段。

“信息處理方法”部分在教材中主要介紹了相關(guān)分析、功率譜分析兩種初步的信號處理方法，這在工程應(yīng)用中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。工程技術(shù)人員必須建立一定的信息處理方法的知識儲備，才能夠根據(jù)測試環(huán)境的不同、手段的不同、目的的不同選用適合的信息處理方法。諸如數(shù)字濾波、短時傅立葉變換、小波分析、卡爾曼濾波等在內(nèi)的信號處理方法雖然不能夠深入講解，但是可以結(jié)合工程實(shí)例和科研項(xiàng)目介紹這些方法的用途、特點(diǎn)，甚至是相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)、芯片支持等等。

3 靈活實(shí)施授課過程

現(xiàn)代測試技術(shù)內(nèi)容的滲透也面臨著一些矛盾和困難：一是，授課內(nèi)容較多，但是分配學(xué)時普遍較少，并且課程一般包括6-10個學(xué)時的實(shí)驗(yàn)，使得教學(xué)學(xué)時進(jìn)一步壓縮。二是，對滲透內(nèi)容與基礎(chǔ)授課內(nèi)容關(guān)系的把握問題，相對來說，滲透內(nèi)容圍繞基礎(chǔ)內(nèi)容展開，應(yīng)當(dāng)從屬于并服務(wù)于基礎(chǔ)授課內(nèi)容的教學(xué)工作。具體來說，滲透內(nèi)容的教學(xué)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

3.1 合理把握滲透內(nèi)容的講解深度

現(xiàn)代測試技術(shù)的滲透講究知識面的擴(kuò)展，而非理論的深度，重在啟發(fā)學(xué)生的自我探究意識和專業(yè)精神，使其能夠理清理論方法“從何處來，往何處去”，了解技術(shù)手段“依據(jù)什么，能干什么，有何特點(diǎn)”，使學(xué)生能夠建立一定的測試技術(shù)和理論的儲備，便于今后相關(guān)技術(shù)工作的開展。

3.2 注意采用靈活的授課形式

測試技術(shù)本身實(shí)踐性強(qiáng)，相較于基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容，滲透內(nèi)容尤其需要采用直觀、形象的教學(xué)形式來保證教學(xué)效果的實(shí)現(xiàn)，例如：在多媒體教學(xué)過程中，以圖片、視頻的形式介紹最新測試技術(shù)的應(yīng)用案例；通過Matlab進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，實(shí)際演示信號的頻譜分析、信號調(diào)制與解調(diào)、信號濾波等內(nèi)容。

3.3 注重啟發(fā)學(xué)生思考與探究

所滲透的現(xiàn)代測試技術(shù)內(nèi)容超出了教材內(nèi)容，更超出了實(shí)驗(yàn)條件支持，必須通過啟發(fā)學(xué)生思考的方式使學(xué)生在頭腦中建立滲透內(nèi)容與教材內(nèi)容的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)與工程應(yīng)用的對接。在課時允許的情況下，可進(jìn)行一定的工程專題講座，例如以基于振動信號的軸承故障診斷為例，系統(tǒng)地將IEPE型壓電式加速度傳感器、振動信號采集與處理裝置、頻譜分析或信號處理方法等內(nèi)容進(jìn)行串講，使學(xué)生建立對測試技術(shù)的系統(tǒng)化思維。

4 結(jié)論

綜上所述，在機(jī)械類本科測試技術(shù)教學(xué)過程中進(jìn)行現(xiàn)代測試技術(shù)的滲透，符合我國本科教育培養(yǎng)的目標(biāo)要求，有利于解決當(dāng)前測試技術(shù)授課中出現(xiàn)的問題。教學(xué)實(shí)踐也發(fā)現(xiàn)，基于基礎(chǔ)授課內(nèi)容合理組織滲透內(nèi)容，再加上靈活實(shí)施的授課過程，能夠達(dá)到較好的教學(xué)效果。同時，應(yīng)當(dāng)注意測試技術(shù)本身也是處在不斷發(fā)展的過程中，教學(xué)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合科研和工程項(xiàng)目實(shí)踐，不斷追蹤最新的技術(shù)形態(tài)，總結(jié)滲透內(nèi)容并反饋于教學(xué)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與科研的互動相長。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李冰.工程案例教學(xué)在《機(jī)械工程測試技術(shù)》中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2010：196-199.

[2]熊詩波，黃長藝.機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3]鐘秉林，黃仁.機(jī)械故障診斷學(xué)[M].3版.機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[責(zé)任編輯：湯靜]