機械專業(yè)檢測與控制類課程教學改革研究

王欣威，慕 麗，付曉云

（沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽110159）

隨著現(xiàn)代測控技術(shù)的發(fā)展，測控系統(tǒng)的內(nèi)涵較之以前發(fā)生了很大變化，其自身結(jié)構(gòu)已從單純機械結(jié)構(gòu)或機電結(jié)合的結(jié)構(gòu)發(fā)展成為集傳感技術(shù)、計算機技術(shù)、電子技術(shù)、現(xiàn)代光學、精密機械等多種高新技術(shù)于一身的系統(tǒng)[1]。在機械工程領(lǐng)域，現(xiàn)代機械結(jié)構(gòu)、檢測與控制技術(shù)緊密結(jié)合。這種密切的關(guān)系促使工業(yè)生產(chǎn)由機械工程領(lǐng)域邁入以機電一體化為特征的發(fā)展新階段，從而需求大量具備機電一體化基礎(chǔ)理論，強調(diào)機械動手能力與機電控制能力相結(jié)合的新型機械專業(yè)人才。為適應這種需求，檢測與控制類課程在機械專業(yè)的教學培養(yǎng)中的地位逐步提高，檢測與控制課程教學探討逐漸被重視[2]。因此，必須重構(gòu)機械專業(yè)檢測與控制類課程的教學體系，對課程教學模式進行改革。

1 檢測與控制類課程教學中存在的問題

檢測與控制類課程是機械專業(yè)學生的專業(yè)基礎(chǔ)課程。目前，測控類課程存在著教學任務(wù)重，學時相對短缺，課程間存在很多知識點的重疊部分，課程之間聯(lián)系不夠緊密等問題。為使學生能更好地學習機械測控知識和技能，適應國民經(jīng)濟建設(shè)對“傳感器與檢測技術(shù)”方面的人才需要，對課程內(nèi)容體系建設(shè)與改革已勢在必行。

2 機械專業(yè)檢測與控制類課程教學改革思路

《機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》和《機械工程控制技術(shù)基礎(chǔ)》是“機械設(shè)計制造及其自動化”專業(yè)和許多專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課，對相應專業(yè)的本科生培養(yǎng)起到了重要作用。課程內(nèi)容較抽象、理論知識繁多、實踐環(huán)節(jié)要求高，教學難度較大。傳統(tǒng)的教學結(jié)構(gòu)中，檢測與控制系列課程自成體系，內(nèi)容脫節(jié)，造成學生即使熟識機械結(jié)構(gòu)也無法清楚其控制運作流程。課程改革面向機械大類專業(yè)進行測控系列課程體系建設(shè)和課程內(nèi)容整合，開展教學改革和測控實踐教學平臺建設(shè)。首先，從現(xiàn)階段傳統(tǒng)機械專業(yè)培養(yǎng)模式入手，突出應用型人才培養(yǎng)的需求，改變知識結(jié)構(gòu)上“機強電弱”的嚴峻局面，解決知識更新與課時減少的矛盾，避免機械、檢測和控制等知識的簡單組合、拼湊。通過整合和優(yōu)化課程內(nèi)容，解決應用型人才培養(yǎng)的核心問題[2]。其次，增加綜合訓練環(huán)節(jié)，探討教學中機電的合理結(jié)合。

2.1 完善并優(yōu)化測控類課程的教學體系

機械類專業(yè)人才培養(yǎng)要求學生熟練掌握、運用測控知識，能夠使用、評價、設(shè)計測試系統(tǒng)。而大部分高等院校機械專業(yè)的測試技術(shù)課程設(shè)置不夠完整。因此，急需完善測試技術(shù)課程體系。通過完善并優(yōu)化測控系列課程的教學體系，形成完整的“基礎(chǔ)知識—工作原理—系統(tǒng)設(shè)計—性能評價”的測控課程教學體系。

目前，許多高校都針對測試類課程理論知識抽象、實踐環(huán)節(jié)要求高的特點，進行了教學改革和課程建設(shè)，如將工程案例、虛擬實驗引入課堂，或通過開設(shè)特色實驗，加強實踐環(huán)節(jié)作用等[3，4]。大部分教學改革都僅僅針對《機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》一門課程，少有高校針對機械工程檢測與控制技術(shù)系列課程進行整體規(guī)劃，導致測控技術(shù)知識鏈不完整?？紤]到測試技術(shù)應包括全部基本理論、工作機制、性能評價和系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容，因此，根據(jù)創(chuàng)新、綜合應用型人才培養(yǎng)目標及測控技術(shù)發(fā)展趨勢，對課程結(jié)構(gòu)、教學內(nèi)容、實踐環(huán)節(jié)進行調(diào)整和優(yōu)化，增加了測試系統(tǒng)性能評價、系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)課程，在原有《機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》、《機械工程控制技術(shù)基礎(chǔ)》、《現(xiàn)代傳感器》課程基礎(chǔ)上，增加了《檢測系統(tǒng)設(shè)計》、《機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計與試驗》兩門課程，形成了“機械工程測控技術(shù)”課程教學體系。同時，對群內(nèi)現(xiàn)有課程重復的教學內(nèi)容做明確界定，使課程之間銜接緊密、無重復。經(jīng)過優(yōu)化的課程體系層次清晰，形成了完整的“基礎(chǔ)知識—工作原理—系統(tǒng)設(shè)計—性能評價”教學過程。

本系列課程通過整合、協(xié)調(diào)和改革，很好地消除了與各自相關(guān)課程存在的部分內(nèi)容重復現(xiàn)象，增加了新技術(shù)和應用技術(shù)介紹，使課程內(nèi)容從整體上得到很大優(yōu)化。課程之間、課程與前修課程之間基本上實現(xiàn)“無縫銜接”。通過系統(tǒng)地學習測控系統(tǒng)知識，使學生初步具備能夠綜合應用科學、工程知識分析和解決問題的能力。

2.2 課程教學內(nèi)容的整體優(yōu)化

依據(jù)“機為基礎(chǔ)、電為機用、機電合一”的教學理念，從課堂教學、實踐教學、課外學習三方面入手，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)、豐富教學內(nèi)容，完成課程體系教學內(nèi)容的整體優(yōu)化。

測控系列課程中，課程在人才培養(yǎng)中的作用及課程特點都不盡相同，如控制工程基礎(chǔ)和信號分析與處理課程，著重從理論上闡述不同系統(tǒng)的一般問題，較少地涉及有關(guān)器件和具體系統(tǒng)設(shè)計；而傳感技術(shù)課程則著重于實踐應用，技術(shù)更新較快。因此，首先需要對群內(nèi)課程重復的教學內(nèi)容做明確界定，優(yōu)化課程體系，以保證課程在教學內(nèi)容無重復和疏漏。引入現(xiàn)代化的分析設(shè)計工具，充實學科前沿的新理論和新技術(shù)，使教學內(nèi)容得到進一步優(yōu)化。其次，根據(jù)測控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，增加了Matlab控制工具包和Simulink仿真工具包的應用，使學生初步具備運用測控系列軟件的基本能力。將基于Simulink的系統(tǒng)仿真分析軟件和基于LabVIEW的信號分析與處理軟件包引入教學，減輕繁瑣的計算、復雜圖表的繪制對教學時數(shù)的占用，解決了有關(guān)信號頻譜分析及系統(tǒng)分析等枯燥難懂的問題。另外，為解決增加內(nèi)容于課時之間的矛盾，制作大量LabVIEW和Matlab控制工具包等演示PPT，利用相應軟件編寫了大量系統(tǒng)特性分析與信號分析的虛擬演示軟件。資料內(nèi)容通俗易懂，既有課程相關(guān)知識的拓展、易于學生自學，又有工程實際案例，能激發(fā)學生學習、應用的興趣。

3 建設(shè)實踐教學平臺拓展與深化實踐教學

為了增加機、電、測控課程的綜合應用實踐環(huán)節(jié)，更好地培養(yǎng)學生的實踐應用能力、激發(fā)學生創(chuàng)新精神，建立了測控技術(shù)綜合實踐平臺，設(shè)計了綜合綜合性、實踐性強的課程設(shè)計。以鍛煉大學生創(chuàng)新設(shè)計能力、培養(yǎng)應用型人才為指導思想，在教學實踐中采用與工業(yè)應用技術(shù)相通的平臺，增加了機械結(jié)構(gòu)、電工電子、測量與控制等課程的綜合訓練環(huán)節(jié)，使教學內(nèi)容更加合理化和系統(tǒng)化，突出課程的實用性。真正實現(xiàn)“由實踐驗證理論，由實踐認識理論”、“工程教育回歸工程”的教學理念。

基于nextboard通用工程教學實驗平臺，開發(fā)綜合實驗項目。為使學生快速熟悉、使用nextboard平臺，開發(fā)了油門控制系統(tǒng)和洗衣機狀態(tài)仿真系統(tǒng)等綜合實踐項目；基于nextmech機器人創(chuàng)新實踐模塊開發(fā)了課程設(shè)計項目，開發(fā)了機械結(jié)構(gòu)建模與仿真、結(jié)構(gòu)運動學與動力學分析的基本方法和過程、典型傳感器使用原理和方法、可編程控制器的控制原理及使用等PPT演示及視頻，實現(xiàn)了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動分析、傳感器檢測與可編程序控制的綜合應用訓練。課程體系設(shè)計的綜合實踐教學平臺，實現(xiàn)了理論與實踐、原理與工程、基礎(chǔ)性與先進性的有機結(jié)合，培養(yǎng)學生測控技術(shù)基本概念、基本原理、基本方法的同時，突出機械測試系統(tǒng)總體方案設(shè)計與實踐的訓練。

4 預期的教學效果

改革、優(yōu)化后的測控課程體系，包含了《機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》、《機械工程控制技術(shù)基礎(chǔ)》、《現(xiàn)代傳感器》、《檢測系統(tǒng)設(shè)計》、《機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計與試驗》課程，面向機械專業(yè)本科學生，適用于機械工程大專業(yè)和機械電子工程專業(yè)，直接受益學生約500～600人。改革前的測控課程各門課程相互獨立，學生學到的知識無法融匯貫通，學生缺乏對知識的應用、實踐訓練。通過對機械類測控技術(shù)課程進行完善和優(yōu)化，有效使用先進的教學方法和手段，充分利用資源，將機械工程的特點和檢測與控制的課程整合為一個現(xiàn)代機械工程測控系統(tǒng)的教學體系，使學生在有限的學時內(nèi)能夠掌握機電一體化的基本理論及先進技術(shù)。通過實踐教學平臺的建設(shè)，使學生將書本的理論知識和實踐經(jīng)驗真正融入自己的知識鏈。解決了理論知識枯燥、內(nèi)容銜接不夠緊密，實踐內(nèi)容陳舊、與前沿知識、工程實際聯(lián)系不夠緊密的問題。同時，教學改革成果可輻射，汽車專業(yè)本科生、機械工程專業(yè)研究生。

5 結(jié)束語

總之，完整的“機械工程測控技術(shù)”課程體系，能夠系統(tǒng)、循序漸進地講授測試系統(tǒng)的基本理論、工作機制、性能評價、系統(tǒng)設(shè)計等主要內(nèi)容，注重激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生的自主學習能力、創(chuàng)新能力和對知識的綜合運用能力。建立了從基礎(chǔ)課程到畢業(yè)設(shè)計的應用型人才培養(yǎng)體系，通過系統(tǒng)地學習測控系統(tǒng)知識，學生不僅具備比較深厚的科學、工程知識和能力，還具有創(chuàng)新精神，具備能夠綜合應用科學、工程知識分析和解決問題的能力。