基于工程案例和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程教學(xué)改革研究

汪萌生 王金鶴 姜?jiǎng)P雯

[摘 要]為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，提高教學(xué)效果，克服單一理論教學(xué)的不足，文章以機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，提出以“工程案例和實(shí)驗(yàn)結(jié)合”的教學(xué)模式，密切理論與工程應(yīng)用之間的聯(lián)系，將學(xué)習(xí)過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚搶W(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用技術(shù)一體化。這類將理論化與實(shí)踐化相結(jié)合的教學(xué)模式不僅有利于教學(xué)知識(shí)的傳授，更有利于學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]測(cè)試技術(shù);工程案例;設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn);綜合性實(shí)驗(yàn)

[中圖分類號(hào)]G434 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008-7656（2021）05-0060-05

引言

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程在教學(xué)內(nèi)容上涵蓋著大量的實(shí)踐性知識(shí)，該課程教學(xué)要求學(xué)生掌握測(cè)試信號(hào)分析理論、傳感器原理和機(jī)械測(cè)試技術(shù)應(yīng)用方法這三部分的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)[1]。其中，信號(hào)調(diào)理知識(shí)點(diǎn)占大量篇幅，該課程的基本知識(shí)原理和應(yīng)用部分是學(xué)生需要掌握的關(guān)鍵，然而測(cè)試技術(shù)板塊內(nèi)容的不足，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在理論與技能之間難以達(dá)到較好的平衡[2]。由于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室條件限制以及課程本身具備一定的難度，使得學(xué)生在課堂教學(xué)中存在著疑惑之處，較難通過(guò)相關(guān)的實(shí)物去解決問(wèn)題和較好地掌握相關(guān)知識(shí)，教學(xué)效果需要改進(jìn)。

為了提高本課程的教學(xué)效果，學(xué)者們進(jìn)行了許多探索。喻紅等[3]提出了以工程案例為背景的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式，利用大量科研項(xiàng)目，對(duì)科研項(xiàng)目中應(yīng)用到的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行整理，提煉為具有實(shí)際工程應(yīng)用背景的案例和實(shí)驗(yàn)。西南科技大學(xué)石磊[4]通過(guò)設(shè)計(jì)測(cè)試技術(shù)虛擬案例，讓學(xué)生在LABVIEW虛擬儀器平臺(tái)上完成信號(hào)的發(fā)生、分析、處理和結(jié)果輸出，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)和解決問(wèn)題的能力。浙江海洋學(xué)院郝鴻雁[5]詳細(xì)介紹了將工程案例導(dǎo)入到教學(xué)過(guò)程的具體方法和過(guò)程，總結(jié)了該方法在教學(xué)過(guò)程中的使用效果和可能存在的問(wèn)題。華南理工大學(xué)郭建[6]探討了項(xiàng)目教學(xué)法在教學(xué)中的應(yīng)用，通過(guò)實(shí)際的傳感器的安裝到硬件平臺(tái)的搭建，培養(yǎng)學(xué)生以工程項(xiàng)目為核心的思維和工作方式，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性，該模式能較好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了較好的教學(xué)效果。重慶科技學(xué)院文成[7]提出以“案例和實(shí)驗(yàn)并舉”的教學(xué)模式，密切理論與實(shí)踐之間的聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)習(xí)過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)、應(yīng)用和發(fā)展知識(shí)的過(guò)程。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程側(cè)重理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容需要加強(qiáng)，這意味著在教學(xué)過(guò)程缺乏對(duì)學(xué)生自主探究能力的培養(yǎng)，學(xué)生對(duì)課程不易產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。因此提出以“工程案例和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合” 的教學(xué)模式，密切理論與工程實(shí)踐之間的聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)習(xí)過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚搶W(xué)習(xí)、應(yīng)用和發(fā)展知識(shí)的過(guò)程，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，幫助學(xué)生更高效地學(xué)習(xí)。

一、教學(xué)活動(dòng)中存在的不足

該課程教學(xué)過(guò)程中存在的不足主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（一）知識(shí)點(diǎn)側(cè)重點(diǎn)單一，重理論輕實(shí)踐

該課程在教學(xué)過(guò)程當(dāng)中更傾向于理論知識(shí)的傳授，相較于記憶型知識(shí)，該課程涵蓋大量的數(shù)學(xué)知識(shí)。因此，在課程理論知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生會(huì)感覺(jué)知識(shí)生澀難懂，出現(xiàn)難以深入理解掌握知識(shí)的情況。

（二）知識(shí)點(diǎn)布局不夠合理

該課程從知識(shí)點(diǎn)角度考慮，按照信號(hào)及其描述、測(cè)試裝置的基本特性、常用傳感器及敏感元件、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)處理、工程應(yīng)用的順序?qū)滩倪M(jìn)行排版布局，此種布局有利于保證知識(shí)點(diǎn)的完整性，但知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，學(xué)生在面對(duì)如此排版的教材時(shí)，難以較好地處理知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性[8]。

（三）傳統(tǒng)的教學(xué)方式實(shí)踐性環(huán)節(jié)偏少，實(shí)驗(yàn)和技術(shù)應(yīng)用結(jié)合不夠

由于教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件的限制，學(xué)生可以動(dòng)手參與的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐性環(huán)節(jié)偏少，而且主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺少與工程背景的應(yīng)用技術(shù)之間的聯(lián)系，不利于對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，也影響了教學(xué)效果。

二、教學(xué)改革的目標(biāo)方向

針對(duì)當(dāng)前存在的不足，需要從教學(xué)環(huán)節(jié)的講授端入手，首先明確教學(xué)目標(biāo)。針對(duì)“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”課程教學(xué)中存在的理論教學(xué)較多的問(wèn)題，在教學(xué)環(huán)節(jié)可將該部分進(jìn)行弱化，側(cè)重知識(shí)點(diǎn)在物理方向上的涵義;知識(shí)點(diǎn)布局存在不合理的情況可在教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，教師可通過(guò)知識(shí)點(diǎn)本身的關(guān)聯(lián)性適當(dāng)?shù)貙?duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重新梳理，力求提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率;考慮到課程本身的性質(zhì)，在保證理論與實(shí)踐一體化基礎(chǔ)上，還可適當(dāng)利用現(xiàn)代先進(jìn)儀器技術(shù)來(lái)提高教學(xué)質(zhì)量。結(jié)合工程實(shí)踐的需求建立開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生的解決工程實(shí)際問(wèn)題和技術(shù)應(yīng)用能力。為了培養(yǎng)綜合型機(jī)械人才，本課程教學(xué)過(guò)程選取的工程案例設(shè)計(jì)都嚴(yán)格遵循教學(xué)目標(biāo)的要求，具備一定的科學(xué)性、代表性及可靠性。工作工程案例的選擇主要通過(guò)三個(gè)途徑：科研項(xiàng)目、企業(yè)生產(chǎn)和學(xué)生實(shí)踐項(xiàng)目，在保證授課計(jì)劃緊扣課程教學(xué)內(nèi)容的前提下，設(shè)置與各章節(jié)相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)與工程案例，幫助學(xué)生更好地消化吸收相關(guān)知識(shí)。

三、教改實(shí)施方案和方法

（一）工程案例來(lái)源途徑的分析

工程案例是本次課改的重要環(huán)節(jié)，其來(lái)源于主要依靠于工程實(shí)例，具備一定的真實(shí)性與實(shí)踐性，教師在課前可通過(guò)以下兩種途徑獲取。

1. 通過(guò)工程實(shí)踐。在教學(xué)過(guò)程中，教師可通過(guò)授課教師的科研或指導(dǎo)學(xué)生工廠實(shí)習(xí)，以及在技術(shù)服務(wù)和科研課題中所積累的經(jīng)驗(yàn)和素材，在指導(dǎo)學(xué)生科技創(chuàng)新、科研、課程實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)過(guò)程中，注意收集工程案例素材。

2.調(diào)研法獲得工程案例，根據(jù)相關(guān)工作實(shí)踐的整理反饋，指導(dǎo)教師充分消化吸收后，緊扣案例關(guān)鍵，注重細(xì)節(jié)把控，以確保授課過(guò)程可以進(jìn)行討論。

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容對(duì)所得案例進(jìn)行合理分類（見(jiàn)圖1所示）。案例的選擇，圍繞教學(xué)內(nèi)容，突出其中重點(diǎn)、難點(diǎn)，有利于使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)產(chǎn)生更深層次的理解，從而更好地把握理論知識(shí)與實(shí)踐工程問(wèn)題之間的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的技術(shù)素養(yǎng)，提高分析及解決問(wèn)題的能力。

（二）課上案例的引入與討論

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程章節(jié)眾多，先將這些繁雜的內(nèi)容進(jìn)行梳理，使理論知識(shí)系統(tǒng)化。課程主要學(xué)習(xí)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)理論知識(shí)、測(cè)試技術(shù)方法，將各章節(jié)內(nèi)容對(duì)號(hào)入座分類系統(tǒng)圖。測(cè)試系統(tǒng)的作業(yè)需要傳感器、信號(hào)調(diào)理和顯示記錄裝置三部分相配合實(shí)現(xiàn)。其中被測(cè)物理量是由信號(hào)模塊進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換，保證最終信息的獲取是符合測(cè)試系統(tǒng)的要求。為了保障測(cè)試系統(tǒng)最終作業(yè)符合實(shí)際情況，能夠正確反應(yīng)被測(cè)物理量的狀況，需要利用測(cè)試裝置對(duì)其展開(kāi)測(cè)評(píng)。學(xué)生如果學(xué)會(huì)了搭建測(cè)試系統(tǒng)，可以進(jìn)行常見(jiàn)物理量（位移、振動(dòng)、應(yīng)變、力、扭矩、流體參數(shù)等）的測(cè)試，探討解決工程實(shí)際問(wèn)題的技術(shù)方法（見(jiàn)圖2所示）。

隨著理論知識(shí)學(xué)習(xí)的不斷深入，學(xué)生對(duì)于課程產(chǎn)生一定的興趣與疑惑，教學(xué)便可通過(guò)工程實(shí)際需要對(duì)傳感器進(jìn)行分類選擇，其內(nèi)容包括傳感器的選擇、傳感器的安裝、電路連接調(diào)控。將工程實(shí)例引入課程教學(xué)中，不僅有利于學(xué)生更好地掌握理論知識(shí)，而且有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。同時(shí)關(guān)注傳感器的選用、測(cè)試信號(hào)的調(diào)理和處理分析以及測(cè)試結(jié)果的顯示。

教師將工程實(shí)例引入課堂教學(xué)中，可采用啟發(fā)式教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生自主思考、小組討論，針對(duì)工程實(shí)例中的一些問(wèn)題如何利用理論知識(shí)展開(kāi)分析？如何解決這些問(wèn)題？如何避免這些問(wèn)題？鞏固測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，才能培養(yǎng)正確的解決問(wèn)題的思維方式。

（三）課程實(shí)驗(yàn)的選擇和安排

在原先基于傳感器知識(shí)的課程實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上增加信號(hào)調(diào)理，信號(hào)分析和顯示等實(shí)驗(yàn)，另外同時(shí)增加綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。即根據(jù)課程的理論知識(shí)點(diǎn)，并結(jié)合工程案例，實(shí)驗(yàn)?zāi)康淖鳛閷?shí)驗(yàn)分類的重要依據(jù)具備著重要意義，但考慮到課程知識(shí)點(diǎn)之間具備關(guān)聯(lián)性，可通過(guò)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重組安排。例如，涉及到傳感器及其處理電路、數(shù)據(jù)采集及信號(hào)分析、機(jī)械制造工藝以及數(shù)據(jù)處理等相關(guān)知識(shí)，涵蓋了機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)：1.傳感器制作及其動(dòng)態(tài)特性測(cè)試;2.振動(dòng)與控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn);3.旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸承故障綜合分析實(shí)驗(yàn);4.液壓閥性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)等。例如電子秤力傳感器制作及其性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生掌握力傳感器的原理及其制作工藝，力傳感器的標(biāo)定和誤差分析;首先訓(xùn)練學(xué)生合理選擇承重鋼梁試件的結(jié)構(gòu)、材料和應(yīng)變片規(guī)格，工作面的清洗和貼片;然后運(yùn)用電橋電路和差特性，合理布片，焊接成電橋，完成力傳感器的制作;最后搭建實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)制作的力傳感器進(jìn)行性能測(cè)試，進(jìn)行誤差分析獲得其性能參數(shù)。類似這些綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)接近于實(shí)際工程測(cè)試項(xiàng)目。

為了提高機(jī)械測(cè)試的工作效率，將虛擬儀器技術(shù)-LabView圖形化編程工具引入到機(jī)械測(cè)試當(dāng)中。LabView作為儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工具已在工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)大范圍的應(yīng)用[9，10]?？紤]實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備儀器條件并配合LabView工具優(yōu)選出多個(gè)設(shè)計(jì)性試驗(yàn)。例如：1.振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)固有特性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì);2.基于加速度傳感器的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì);3.軸承故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì);4.水箱溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在教學(xué)過(guò)程中，教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，合理布置測(cè)試實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的任務(wù)要求，要求學(xué)生自主查閱相關(guān)資料，依據(jù)指定的若干類型傳感器、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集和分析儀，合理進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并展開(kāi)相關(guān)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試結(jié)果的進(jìn)行時(shí)域和頻域等信號(hào)處理分析，見(jiàn)圖3實(shí)驗(yàn)分類圖。

通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生掌握基本的測(cè)試技術(shù)方法，推動(dòng)學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的進(jìn)一步理解掌握，培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)、技術(shù)方法運(yùn)用到實(shí)際工程中解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的能力。

（四）工程案例的具體導(dǎo)入過(guò)程

對(duì)引入的工程測(cè)試案例分解為測(cè)試傳感器的選用、測(cè)試信號(hào)的調(diào)理、測(cè)試信號(hào)的分析處理和測(cè)試結(jié)果的顯示等部分。下面以電梯轎廂振動(dòng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量為例，介紹如何將工程案例導(dǎo)入“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”的實(shí)際教學(xué)中。

首先提出問(wèn)題：電梯轎廂振動(dòng)測(cè)量的工程意義？如何進(jìn)行測(cè)量？測(cè)量原理是什么？測(cè)量系統(tǒng)中選用那類傳感器？測(cè)量信號(hào)需要采用什么樣的處理方法？測(cè)量的精度？測(cè)量得結(jié)果如何顯示和表示？能否滿足實(shí)際工程需要？在授課老師的引導(dǎo)下，學(xué)生帶著這些問(wèn)題進(jìn)行思考逐步尋求解決的辦法，找出平時(shí)學(xué)習(xí)的理論知識(shí)薄弱點(diǎn)再進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。

在明確電梯轎廂振動(dòng)測(cè)量測(cè)量的工程背景后，根據(jù)機(jī)械振動(dòng)測(cè)量原理，振動(dòng)測(cè)量是通過(guò)加速度幅值計(jì)算振動(dòng)速度和著振動(dòng)位移，可以存在三種不同的表示方法及相互進(jìn)行轉(zhuǎn)化，即振動(dòng)位移、速度和加速度測(cè)量，還可以計(jì)算振動(dòng)信號(hào)的功率。一個(gè)工程案例基本涵蓋了課程的大部分內(nèi)容。包括傳感器的選擇：采用壓電式三向振動(dòng)加速度傳感器，將轎廂內(nèi)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度值的變化轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào)，通過(guò)電荷放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào);信號(hào)的變換與傳輸：電壓信號(hào)輸送到A/D采集卡，再以數(shù)字信號(hào)的形式傳送到便攜電腦中（見(jiàn)圖4）;由虛擬儀器軟件的應(yīng)用，顯示記錄信號(hào)等。這樣就將教材中的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了有機(jī)串聯(lián)，變得立體化，讓學(xué)生真切地感受到學(xué)有所用、學(xué)以致用。

（五）課后效果評(píng)價(jià)

課后要認(rèn)真對(duì)教學(xué)實(shí)施過(guò)程進(jìn)行剖析，包括進(jìn)行順利、效果良好的案例，以及進(jìn)行不順暢、討論之中的各種案例，都要進(jìn)行剖析，同時(shí)也可以讓學(xué)生課后進(jìn)行教學(xué)效果的評(píng)教，從質(zhì)與量?jī)蓚€(gè)方面，分析案例選擇的準(zhǔn)確性及可行性。通過(guò)不斷地反思、分析、總結(jié)，建構(gòu)起充足、科學(xué)的教學(xué)案例資源，不斷完善面向工程觀的案例教學(xué)模式。教學(xué)模式改革的目的既要注重學(xué)生動(dòng)手、實(shí)踐能力的培養(yǎng)，又注重基本概念及物理意義的理解與消化，同時(shí)又培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力，這將提高機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)的教學(xué)質(zhì)量。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在課堂教學(xué)中引用具有實(shí)際工程應(yīng)用背景的案例來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且參照工程案例的核心技術(shù)方法組織和設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生自己驗(yàn)證、理解和掌握所學(xué)知識(shí)以及基本的測(cè)試技術(shù)方法，這種“案例和實(shí)驗(yàn)結(jié)合”的教學(xué)模式既促進(jìn)學(xué)生對(duì)基本原理概念的深度理解消化，又注重學(xué)生自主創(chuàng)新能力的發(fā)展，理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式將有效提高機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量與水平。

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[作者簡(jiǎn)介]汪萌生，湖州師范學(xué)院講師，博士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù);王金鶴，湖州師范學(xué)院教授，博士，研究方向：機(jī)械制造信息化和智能化;姜?jiǎng)P雯，湖州師范學(xué)院2017級(jí)機(jī)械工程本科生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。

[責(zé)任編輯 韋 遼]