基于案例的測試類課程模塊化教學(xué)方法研究

別鋒鋒，劉雪東，陸怡，彭劍，呂鳳霞

摘? 要：測試與控制類課程是過程裝備與控制工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系中的“兩翼”之一，起著核心理論在實(shí)踐中提升的作用。文章以信號測試與處理課程為例，依托工程教育專業(yè)認(rèn)證體系，提出了一種課程模塊化的教學(xué)方法。方法研究涵蓋課程模塊的劃分、課程知識點(diǎn)的有機(jī)融合、基于案例分析的方法驗(yàn)證等部分內(nèi)容。方法面向過程裝備與控制工程專業(yè)測試類課程的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)過程機(jī)械測試應(yīng)用、研究型人才的目標(biāo)提供可靠的體系支撐。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué);模塊化教學(xué);信號測試;過程裝備與控制工程

中圖分類號：G640? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）30-0094-04

Abstract： Test and control course is one of the "two wings" in the training system of the process equipment and control engineering majors， which plays a core role in infusing the theory into practice. Taking the course of "Signal Testing and Processing" as the instance， a modularized teaching method based on the certification system of engineering education is proposed in the paper. The method research covers the division of course modules， the organic integration of typical course knowledge points and the method verification based on case analysis. The method study aims at providing a reliable system support for training process machinery testing application and research-oriented talents through theoretical learning and practice verification of testing courses in process equipment and control engineering major.

Keywords： case-teaching; modular teaching; signal test; process equipment and control engineering

信號測試與處理是一門面向化工過程機(jī)械工程測試技術(shù)與信息處理的課程，屬于過程裝備與控制工程專業(yè)“兩翼”中的控制類核心課程[1]，主要培養(yǎng)學(xué)生利用機(jī)械工程測試與信息處理技術(shù)來解決工程實(shí)際問題的能力?；趯W(xué)校的辦學(xué)定位，結(jié)合過程裝備與控制工程專業(yè)教學(xué)科研，將培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才作為專業(yè)的辦學(xué)定位[2]，由此課程培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)定為通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備下列知識和能力：能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和專業(yè)基礎(chǔ)知識來定義和描述化工過程機(jī)械各類靜、動設(shè)備狀態(tài)描述參數(shù)的測試與信息處理，識別和理解化工過程機(jī)械設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行，從而掌握分析和解決化工機(jī)械設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識，解決與化工機(jī)械設(shè)備測試與分析相關(guān)的工程問題，提出合理的處理方案。課程內(nèi)容主要側(cè)重于機(jī)械工程測試、信號處理與狀態(tài)辨識、反饋生產(chǎn)控制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，與過程工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際密切相連，緊跟自動化生產(chǎn)要求的技術(shù)前沿，著重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析與研究問題的技術(shù)性能力。

然而，限于教學(xué)模式與現(xiàn)有課程體系，課程教學(xué)存在著如下幾個(gè)方面的問題：1. 先修知識點(diǎn)串聯(lián)型不夠，在本門課先期開設(shè)理論課程中，高等數(shù)學(xué)、工程力學(xué)與控制工程基礎(chǔ)對于本課程核心知識章節(jié)的學(xué)習(xí)起著基礎(chǔ)性的作用;2. 基于能力導(dǎo)向的知識點(diǎn)模塊化明顯不足[3]，相對分散的知識點(diǎn)在一定程度上影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性效果;3. 信號測試與處理是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程[4]，而當(dāng)前基于過程機(jī)械測試與處理案例實(shí)戰(zhàn)的應(yīng)用能力培養(yǎng)不足，對于后續(xù)課程（如機(jī)械故障診斷）的支撐有待加強(qiáng)[5]。“一圖勝千言”。案例式教學(xué)方法由來已久，在示范性教學(xué)中，圖例現(xiàn)身說法對教學(xué)效果的提升是顯而易見的。其核心思想在于教學(xué)案例的選擇、探究和分析評價(jià)，以案例分析為基礎(chǔ)通過教與學(xué)的互動來實(shí)現(xiàn)教學(xué)的目標(biāo)。當(dāng)前信號測試與處理課程中，多數(shù)案例涉及面較窄，這樣學(xué)生學(xué)習(xí)起來應(yīng)接不暇，無法有效提高學(xué)習(xí)的積極性，特別是在新冠肺炎疫情背景下，線上線下的綜合教學(xué)模式迫切要求我們將課程的案例進(jìn)行集成，對知識點(diǎn)的串聯(lián)起到模塊化應(yīng)用的效果。此外，教學(xué)資料中的一些教學(xué)案例與過程裝備工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合度不高，會讓學(xué)生眼高手低，一旦遇到實(shí)際問題，他們難以有效地及時(shí)解決，無法實(shí)現(xiàn)課程培養(yǎng)目標(biāo)。基于此，本文在對信號測試與處理課程體系進(jìn)行模塊化系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)上，對基于典型案例分析的信號測試與處理課程模塊化教學(xué)方法進(jìn)行了探索性研究。

一、應(yīng)用型課程體系與模塊劃分

作為石油石化類高校核心專業(yè)，本應(yīng)用型課程的培養(yǎng)目標(biāo)決定了課程的基本面向?qū)傩裕阂詸C(jī)械工程技術(shù)和化學(xué)工程技術(shù)為基礎(chǔ)，以測試與控制技術(shù)為支撐，要求學(xué)生掌握從測試裝置（含傳感器）、信號預(yù)處理技術(shù)到狀態(tài)特征識別與控制反饋的知識點(diǎn)環(huán)節(jié)體系，并通過典型信號的測試與分析來進(jìn)行操作論證。信號測試與處理課程知識點(diǎn)主要包括[6]：測試信號與處理、測試裝置基本特性、傳感器技術(shù)、信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理、虛擬儀器以及典型物理量的測試和信號處理六個(gè)部分的內(nèi)容?；趹?yīng)用型課程建設(shè)的目標(biāo)，需要對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模塊化分析和重構(gòu)，將理論體系轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)應(yīng)用型體系，如圖1所示?；诶碚撝R學(xué)習(xí)的工程應(yīng)用能力培養(yǎng)模式，對課程體系進(jìn)行重新架構(gòu)，分為四個(gè)主要模塊。

（一）先修理論基礎(chǔ)模塊

面向信號測試與處理方案設(shè)計(jì)，溯源到機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)與機(jī)理分析，涉及的基礎(chǔ)理論課程包括：高等數(shù)學(xué)、機(jī)械原理/機(jī)械設(shè)計(jì)、工程力學(xué)（理論力學(xué)與材料力學(xué)）、控制工程基礎(chǔ)和過程流體機(jī)械等，保證了知識的延續(xù)性和完整性。

（二）信號測試模塊

包括信號分類與描述、測試裝置的基本特性、傳感器工作原理及信號的放大與預(yù)處理。

（三）信號處理模塊

包括數(shù)字信號處理基本概念、信號的傅里葉變換（時(shí)域與頻域的轉(zhuǎn)換）、信號的相關(guān)分析、功率譜分析，以及以EMD（經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解）為代表的現(xiàn)代信號時(shí)頻聯(lián)合分析系列方法。

（四）課程實(shí)驗(yàn)?zāi)K

面向過程裝備工業(yè)的典型參數(shù)測試與分析實(shí)驗(yàn)，包括應(yīng)力測試、振動信號測試與處理，聲發(fā)射信號測試與處理和虛擬儀器部分。

在課程教學(xué)實(shí)施過程中，需要根據(jù)培養(yǎng)方案中學(xué)生已修課程，對模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，而各模塊的劃分和實(shí)施順序可以根據(jù)教學(xué)方法不同，進(jìn)行優(yōu)化、組合，對不同的典型參數(shù)測試與分析進(jìn)行針對性地分類。此外，本課程模塊具備組態(tài)式的架構(gòu)，便于與相關(guān)課程進(jìn)行知識點(diǎn)的銜接，如機(jī)械故障診斷、過程裝備控制技術(shù)等。信號測試與處理技術(shù)的發(fā)展是日新月異的，教學(xué)中須注重知識的融合性，模塊化課程體系需要不斷吸收前沿技術(shù)最新的發(fā)展動態(tài)和研究成果，逐步完善課程的模塊體系。

二、基于案例分析的模塊化教學(xué)

信號測試與處理課程中的案例應(yīng)基于現(xiàn)有的教學(xué)課時(shí)量，結(jié)合學(xué)校現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)境、工程實(shí)際和科研項(xiàng)目，在有限的案例里盡量多地反映更加全面的知識點(diǎn)。這里通過典型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動測試與信號處理為例來進(jìn)行案例分析與研究。

（一）機(jī)械結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析與信號測試方案設(shè)計(jì)

以SQI-MFS旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障模擬試驗(yàn)臺為研究對象，根據(jù)實(shí)際裝配在SolidWorks中完成軸承實(shí)驗(yàn)臺三維建模，將裝配好的模型導(dǎo)入多體動力學(xué)軟件ADAMS中。模型材料選擇鋼，軸承座與大地施加固定副，軸承外圈與基座施加固定副，滾動體與軸承外圈、內(nèi)圈及保持架施加接觸力，軸承內(nèi)圈與軸施加固定副，在導(dǎo)入的過程中設(shè)置軸承驅(qū)動，根據(jù)運(yùn)行機(jī)理建立系統(tǒng)動力學(xué)模型，如圖2所示。這部分內(nèi)容涉及信號測試與處理課程的前期理論學(xué)習(xí)模塊，包括工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)/機(jī)械原理、過程流體機(jī)械等，著眼于測試對象的故障機(jī)理分析和測試方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

（二）信號測試

為了進(jìn)行多參數(shù)測試示例，本案例以振動測試為主，聲發(fā)射參數(shù)測試為輔來進(jìn)行說明。測試平臺與測試系統(tǒng)如圖3所示。滾動軸承型號為MB ER-12K，在其上加工一個(gè)長槽來模擬軸承外圈微小故障，設(shè)定試驗(yàn)時(shí)采樣頻率為12800Hz，采樣點(diǎn)為8192，軸的轉(zhuǎn)速為1200r/min。信號采集系統(tǒng)包括SAEU2S聲發(fā)射測試系統(tǒng)與IOtech640U振動測試系統(tǒng)，傳感器包括ICP振動傳感器與W500型聲發(fā)射傳感器。本部分為課程信號測試模塊，主要包含的知識環(huán)節(jié)有：信號的傅里葉變換、測試裝置基本特性、傳感器、測試與采樣參數(shù)設(shè)置等。測取振動與聲發(fā)射信號，并對其進(jìn)行小波降噪預(yù)處理，獲得其時(shí)域與頻域信號，如圖4所示。

（三）信號分析與評估

本部分主要為課程的第一章與第五章的信號處理模塊，將獲取的振動與聲發(fā)射信號進(jìn)行處理，從而獲取典型信號的特征指標(biāo)。軸承外圈故障信號經(jīng)過現(xiàn)代信號處理方法（EMD分析）后，獲得重構(gòu)信號的譜峭度和Hilbert包絡(luò)譜（圖5），這樣學(xué)生可以清晰地發(fā)現(xiàn)信號處理與特征分析的結(jié)果[7]。

這里可以以模塊化教學(xué)為綱，基于案例給出一系列問題讓學(xué)生思考及討論：1. 信號測試的方案應(yīng)如何設(shè)定？包括測試裝置與測試傳感器的選用原則是什么？2. 應(yīng)選擇什么類型的傳感器進(jìn)行測試？3. 信號采樣的參數(shù)如何設(shè)置？如何進(jìn)行信號的預(yù)處理？4. 不同類型信號特征的提取方法如何選擇和研究？利用這些問題一步一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科研項(xiàng)目的開展及實(shí)際工程問題的具體解決，從而實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生接觸工程實(shí)際，接近科技前沿的目的，將教材內(nèi)容延伸，讓學(xué)生結(jié)合前沿技術(shù)，創(chuàng)新性地開展項(xiàng)目研究。

三、結(jié)束語

本文著眼于培養(yǎng)應(yīng)用型人才的辦學(xué)目標(biāo)，基于過程裝備測試類課程給出了一種基于案例的模塊化教學(xué)方法。以信號測試與處理課程為例，教學(xué)方法研究涵蓋了課程模塊的劃分、課程知識點(diǎn)的有機(jī)融合、基于案例分析的方法驗(yàn)證等部分的內(nèi)容。方法對于過程裝備類專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)實(shí)施有著一定的借鑒意義和推廣價(jià)值。

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