問題探究式教學方法在測試技術實踐教學中的應用研究

李昕濤 昝健洲 李子良 王倩倩 李樹宏

摘要：測試技術實驗作為一門工科課程的實踐教學環(huán)節(jié)，要求綜合性和創(chuàng)新性的實驗訓練，即學生在掌握實驗原理和訓練實驗技能時達到發(fā)現(xiàn)問題、提出假設、實驗驗證并獨立自主完成實驗分析的教學效果。引入問題探究式教學方法來設計測試技術實驗，以學生為參與主體，從討論實驗選材到實驗理論建模仿真再到實驗驗證及實驗結果分析的各個階段，要求學生提出自己的獨到見解并配以教師的教學指導，用測試的本質(zhì)來解釋實驗不確定度，以期為測試技術教學實踐環(huán)節(jié)乃至工科教學實踐環(huán)節(jié)提供一定的參考和建議。

關鍵詞：問題探究式;測試技術;實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）35-0179-05

教學，顧名思義，教與學兼顧。文藝復興時期，人類提出了因果思維模式，將問題分解為四個核心問題，即“是什么？為什么？怎么辦？怎么樣？”。隨著信息技術的發(fā)展，原有的教學方法逐漸讓渡給美國教育家約翰·杜威提出的問題探究式的教學方法。其指導思想是教師在哲學領域?qū)W生進行指導，明確“是什么”問題，使學生掌握涉及科學技術領域的認識問題;學生作為研究主體對科學技術問題進行深入分析，給出“為什么”會產(chǎn)生這樣的問題;學生自主探索，提出解決問題的方法和步驟，找出“怎么辦”的方法和工藝路線;最后，結合現(xiàn)有的方法進行比較，客觀評價自主提出的方法的優(yōu)缺點，建立“怎么樣”的科學評價體系和架構。按照“是什么？為什么？怎么辦？怎么樣？”的探索思路，建立學生的認知模型和學習方法架構。

在測試技術教學工作中，由于測試結果是工程定量分析的判據(jù)，是工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)和質(zhì)量體系的法規(guī)保障的數(shù)據(jù)證據(jù)，所以對于測試方法和技術的教學就顯得極其重要。

一、問題探究式的教學方法在機械測試技術教學實踐中的具體思路

（一）創(chuàng)設機械測試問題的情境，以人為本，激發(fā)學生自主探究的興趣

開設機械測試技術這門課程是為了讓學生熟悉一般測試過程的步驟，學習各種測試方法的原理，合理地選用測試裝置，掌握分析測試數(shù)據(jù)等教學要求。為了激發(fā)學生的興趣，讓學生參與討論，自行設計機械測試技術的實驗。考慮到實驗成本和多專業(yè)適用實驗的可行性，以應變片的力學測試實驗為主體展開一系列的實驗設計。

（二）選擇與確定問題，理論聯(lián)系實際，嚴謹?shù)倪壿嫹治瞿芰Φ呐囵B(yǎng)

正式開始實驗之前，需要對應變片的測試原理有一定的了解，可以發(fā)現(xiàn)應變片的應變效應和物體受力后的機械變形有關，為了驗證他們之間的關系，選用實驗室常見的鋼尺作為受力對象，并將鋼尺轉(zhuǎn)換為懸臂梁模型進行分析。這一過程要將物理模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學模型，培養(yǎng)了學生理論聯(lián)系實際的能力及嚴謹?shù)臄?shù)學建模分析能力。

（三）討論與提出假設，老師適時點撥方向

在分析完懸臂梁結構后，學生可能并沒有意識到這一過程對后面實驗的影響，老師可進行適當提醒，懸臂梁各點的應力和應變不同，故應變片的粘貼位置、粘貼質(zhì)量會對之后的實驗結果造成影響，讓學生帶著問題進行之后的實驗。

（四）實踐與尋求結果，通過實驗提升各種能力

應變片的粘貼實驗不僅可以提高學生的動手能力，而且在涂布膠層進行粘貼時需要學生們的相互配合，增強團隊合作意識，明確工藝設計的重要性。接下來搭建前置放大器半橋電路，并在面包板上焊接好差動輸入電橋放大電路，學生需對照著電路圖將實物焊接好，這一步非常考驗學生的空間想象能力，連接錯任何一個元器件都會對最后的實驗結果有很大的影響。之后，將應變鋼尺連接到前放電路板上，再接入單片機實驗板的ADC采集電路輸入端，讀取數(shù)據(jù)并將結果顯示在數(shù)碼管上。

在實驗中，有些學生可能在搭建電路過程中將元器件錯誤布置，或在焊接過程中出現(xiàn)了虛焊、漏焊等情況，導致最后實驗失敗或?qū)嶒灲Y果出現(xiàn)了很大的誤差，教師啟發(fā)學生誤差理論中的系統(tǒng)誤差、隨機誤差和人為誤差的概念和區(qū)分方法，以及數(shù)據(jù)處理的方法。

如果要檢查哪一步出錯，就會跟不上別的學生的進程，這就考驗了學生的心理承受能力和心理素質(zhì)，通過一些小的挫折鍛煉學生更好地管理自己的情緒。明白差之毫厘，謬之千里的道理，正確理解工藝設計的重要性，教師可啟發(fā)學生理解工程法治文明中，實體法和程序法的關系和意義。

（五）分析實驗結果，驗證并得出結論

通過Excel和Matlab數(shù)學工具處理實驗數(shù)據(jù)，運用散點法分析結果，通過實驗驗證提出的問題，可以加強理解與記憶，在一系列的實驗中培養(yǎng)各種能力。

問題探究式的教學方法是一種快樂教學法，它以人為本，注重學生的興趣與心理，更好地激發(fā)學生的潛能。

二、測試技術實踐教學過程簡述

（一）懸臂梁結構有限元受力分析實驗

此實驗是為了讓學生了解懸臂梁結構和有限元分析軟件并且初步掌握ANSYS有限元分析軟件的使用。通過在ANSYS建立懸臂梁模型，對其施加約束和力，求解后得到應力云圖、應變云圖和最大變形圖。通過對實驗結果的分析，可得知應變片應粘貼的位置，得到金屬箔式應變片的粘貼實驗的實驗基礎。

圖1、圖2和圖3分別為懸臂梁的應力云圖、應變云圖和最大變形圖。

（二）金屬箔式應變片的粘貼實驗

此實驗是為了讓學生學習應變片粘貼的工藝過程，逐步熟悉和掌握應變片的粘貼技術和技巧，包括粘貼質(zhì)量的檢查與防潮措施。通過學習金屬應變片測量原理及主要特性，明晰應變片的測量原理，通過實驗工藝中人為的粘貼技術，使學生了解測試工作中，個人動手能力和工藝過程對測試結果的重要性，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，懂得“差之毫厘，謬之千里”的嚴謹治學要求的意義。

1.金屬電阻應變片的結構。金屬電阻應變片是用直徑0.025毫米的具有高電阻率的金屬絲組成。由金屬電阻應變片的應變效應可得到其物理意義是單位應變所引起的電阻相對變化。

金屬電阻應變式的結構如圖4所示：

2.金屬電阻應變片的工作原理及培養(yǎng)學生正確理解理論的能力。任何金屬在力的作用下會產(chǎn)生一定的形變，這種形變會帶來其電阻率發(fā)生相應的變化。測試理論中的電阻應變效應是指應變電阻以自身電阻的變化量來衡量自身形變的大小，進而測量被測對象的受力情況。

由上式可知，在承受應力的金屬絲發(fā)生機械變形的過程中，ρ、L、S三者都要發(fā)生變化，從而必然會引起金屬絲阻值的變化;應變片金屬絲電阻阻值的變化，通過外圍電路將不易觀測的微小形變量，轉(zhuǎn)化為可以觀測的電量變化。

其過程具體描述為：應變片金屬絲受外力伸張，金屬絲的長度變長，其體積不變，則截面積相應減小，根據(jù)電阻應變效應的理論公式（1）可知，其電阻值增加;反之，應變片金屬絲受壓力縮短其電阻值減小。因此，通過測出電阻值的變化，進而掌握金屬絲的應變情況。

對于不同的金屬材料，其受力引起其阻值變化是不一樣的，通過試驗可以確定金屬材料的應變靈敏系數(shù)△R，其在彈性極限內(nèi)基本為常數(shù)值K;定義金屬材料的軸向應變值ε（亦稱長度應變值），即ε=△L/L，一般金屬絲值ε在0.24—0.4之間，將阻值與應變值的轉(zhuǎn)換關系變?yōu)椤鱎/R=Kε;便于直接測量，減少數(shù)據(jù)單位變換過程中的計算誤差的產(chǎn)生。

在實際生產(chǎn)生活中，監(jiān)測發(fā)生機械形變的機械裝備，僅需將金屬應變片粘貼在受力表面最大形變處，使其與所附著的機械梁臂和彈性元件同步形變，電阻應變片便將力學量轉(zhuǎn)換為電阻的變化量輸出。

3.應變片的粘貼步驟。應變片的粘貼方法根據(jù)應變片、粘貼劑、使用環(huán)境的不同而不同。這里以常溫室內(nèi)測量為例。選用普通型應變片（帶有導線的KFG應變片）、502粘貼劑、低碳鋼試驗片。選用并檢查好應變片后，對試件表面進行除銹、保護膜處理，由有限元分析結構確定好粘貼位置后，涂布膠層、粘貼、加壓、干燥，采取防潮措施，最后為了防止引線被拉脫，還需要焊接引線。

4.貼片質(zhì)量檢查。目測檢查應變片的粘貼牢固度、膠層均勻度、位置準確度，使用萬用表檢查已貼好的應變片有無斷路、短路現(xiàn)象及應變片的原始阻值。使用萬用表高阻檔或兆歐表檢查應變金屬絲與鋼尺間的絕緣電阻，其要求在50—200兆歐以上。若絕緣電阻小，則表面粘貼質(zhì)量差，需重新粘貼;否則會使應變片在測量過程中產(chǎn)生蠕變和零漂。

（三）應變電橋及前置放大電路搭建實驗

為了讓學生了解應變片電信號提取方法，初步掌握電橋電路特點，分析單臂電橋、半橋電橋、全橋電橋的優(yōu)缺點，了解應變片直流電號放大方法，初步掌握集成運放在傳感器信號放大中的使用，驗證有限元分析的正確性。

電橋測量原理：

1.金屬電阻應變片的工作原理。根據(jù)測試理論中的電阻應變效應的理論公式（1）可知，通過測量外圍電路的電信號的變化，可獲得鋼尺相應的形變受力信息。

2.電橋電路圖。直流電路的三種接法如圖5所示：

實驗步驟：搭建半橋電橋接法，取出面包板，按照差動輸入電橋放大電路焊接好電路，接通電源，當鋼尺沒有形變時算出U此時應為0，如輸出的U不接近為0，檢查線路并分析誤差來源。依次對鋼尺施加力，并用萬用表測量輸出電壓，記錄結果并分析其線性度。

通過差動式放大電路的學習，使學生理解采用差動式溫度補償法對測量結果的作用和意義。科學技術的研究和應用常常需要對工作環(huán)境、測試環(huán)境進行分析和考量，進而減少由于自然外部環(huán)境的擾動，引起設備運行的故障或?qū)υO備壽命的影響。

（四）應變測試結果顯示分析實驗

本實驗是為了讓學生了解模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的原理，初步掌握簡單ADC使用并且搭建硬件電路，分析電路特性。

應變測試系統(tǒng)框架如圖7所示：將應變片鋼尺連接到前放面包板上，將前放面包板的輸出加之單片機實驗板的ADC輸入端，打開電源，觀察單片機實驗板的數(shù)碼管顯示部分，并依次加重量，記錄數(shù)據(jù)?？啥啻螠y量，分析系統(tǒng)的重復性。將水量加至塑性變形區(qū)，分析線性度。

（五）實驗數(shù)據(jù)分析

實驗數(shù)據(jù)分析分為兩次，第一次實驗使用Excel進行分析，第二次實驗使用Matlab軟件。

1.本實驗是為了使學生掌握Excel的數(shù)據(jù)處理方法、圖表表達方法和數(shù)據(jù)擬合方法。通過直線擬合、折線直線擬合、柱狀圖直線擬合更加直觀地看出數(shù)據(jù)的變化，并且進行計算線性度、靈敏度、數(shù)據(jù)重復性分析和根據(jù)擬合直線計算均方誤差。

2.本實驗是為了使學生初步了解Matlab的編程方法，初步掌握最小二乘擬合法的原理，顯示和分析數(shù)據(jù)結果后分析對比與Excel的優(yōu)缺點。并且讓學生自行編寫Matlab程序完成計算線性度、靈敏度、數(shù)據(jù)重復性和回程誤差分析。

（六）實驗成績的評定

由于實驗數(shù)據(jù)科學復現(xiàn)性的重復率要求，因此需要采用概率統(tǒng)計的方法對學生實驗數(shù)據(jù)進行分析，如果實驗中學生獨立完成，其測量結果應具備正態(tài)分布特點，通過全體學生測量結果真值的計算，最接近真值的成績最高，其次是實驗結果與理論真值比較，分析實驗結果的不確定度產(chǎn)生原因。

在機械測試技術課程的實際教學工作中，通過問題探究式教學方法構建出適合多專業(yè)工科的測試實驗，通過上述實踐教學整體的設計，培養(yǎng)學生養(yǎng)成“是什么？為什么？怎么辦？怎么樣？”的科學思路，多年來取得了良好的實踐教學效果。

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