科教融合的機械工程測試技術(shù)課外實驗探索

董 明 李 曼 王川偉

（西安科技大學(xué)機械工程學(xué)院 陜西·西安 710054）

0 引言

隨著信息化科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的孕育和興起，第四次工業(yè)革命正在悄然發(fā)生，不僅給全球經(jīng)濟帶來了機遇和挑戰(zhàn)，對我國的高等教育也帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，因此，我們的課程教育也要積極應(yīng)變[1-2]。伴隨著第四次工業(yè)革命的進程和《中國制造2025》戰(zhàn)略的提出，智能制造已成為國民經(jīng)濟的核心，在智能制造技術(shù)的幫助下，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量、提升了企業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。智能系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，還要準(zhǔn)確執(zhí)行指令，實現(xiàn)閉環(huán)反饋，最終實現(xiàn)自學(xué)習(xí)、自決策。雖然我國制造裝備已實現(xiàn)數(shù)字化和自動化，但離真正的智能化還有很大差距[3]。機械工程測試技術(shù)是裝備智能化的前提，在產(chǎn)品質(zhì)量控制、裝備狀態(tài)在線監(jiān)測及智能診斷等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。社會急需機械工程測試技術(shù)相關(guān)的專門人才，這對于高等工科院校是一個難得的歷史機遇[4]。

伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和學(xué)科課程的發(fā)展，教學(xué)理念發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變，教學(xué)方式也由傳統(tǒng)教學(xué)方式向現(xiàn)代教學(xué)方式轉(zhuǎn)變[5]。傳統(tǒng)教學(xué)以教師為中心，以教師課堂講授為主，采用理論考試對學(xué)生進行評價，這種教育模式已不能滿足學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)的要求。工程教育改革，需要在基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)中，巧妙地插入大量具體工程案例和產(chǎn)品實例以加深學(xué)生對各個知識點的熟練掌握，需要不斷補充和完善新的教學(xué)內(nèi)容以反映本學(xué)科最新的科技成果和發(fā)展動態(tài)，不斷改變和突破現(xiàn)有的教學(xué)方法及手段以提高實際教學(xué)效果，以靈活多樣的互動來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能夠主動學(xué)習(xí)，成為課堂上學(xué)習(xí)知識的主人,適應(yīng)第四次工業(yè)革命的要求[6]。另外，青年教師逐漸成為教學(xué)的主力，但他們自身在教學(xué)經(jīng)驗和教學(xué)成果上積淀尚弱，而要完成目前對機械工程測試技術(shù)課程的教學(xué)任務(wù)，提高教學(xué)質(zhì)量，就要堅持貫徹“教學(xué)帶動科研，科研促進教學(xué)，教學(xué)科研相長”的指導(dǎo)思想[7]，將科研成果轉(zhuǎn)化為課程教學(xué)素材，使得教學(xué)內(nèi)容及時更新，保持教學(xué)內(nèi)容的先進性。

因此，依據(jù)機械工程測試技術(shù)課程的特點，結(jié)合現(xiàn)代先進教學(xué)理念和教學(xué)方法，把科研項目轉(zhuǎn)化為教學(xué)項目，把科研項目涉及的先進技術(shù)、基礎(chǔ)理論和基本技能，科研人員的創(chuàng)新精神融入課堂教學(xué)中，甚至將項目中實驗平臺的搭建工作作為學(xué)生課后的實踐訓(xùn)練，以提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科研和探索精神，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

1 機械工程測試技術(shù)課程現(xiàn)狀

機械工程測試技術(shù)是我校機械工程專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是專業(yè)培養(yǎng)計劃中的學(xué)科基礎(chǔ)課。通過該門課程的學(xué)習(xí)，掌握測試技術(shù)、信息處理技術(shù)的基本知識和方法，能將這些知識和方法用于對機械工程領(lǐng)域中復(fù)雜工程問題解決方案的分析、比較和綜合。在課程中融入思政，職業(yè)文化和工匠精神，引導(dǎo)學(xué)生正確認識先進測試技術(shù)在制造業(yè)及國民經(jīng)濟中的地位和現(xiàn)狀，培養(yǎng)學(xué)生的使命擔(dān)當(dāng)和社會責(zé)任感。

機械工程測試課程以信號為主線，教師課堂講解理論知識點，包括信號產(chǎn)生、信號調(diào)理、信號處理、結(jié)果顯示等，知識點多，且各章節(jié)相互獨立，學(xué)起來枯燥。課程的先修課程包括高等數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、大學(xué)物理、電工電子技術(shù)等課程，因為這些課程與本門課程間隔時間較長，也影響到了學(xué)習(xí)效果。傳統(tǒng)的授課形式不能滿足新工科建設(shè)要求培養(yǎng)復(fù)合實踐創(chuàng)新人才的要求。結(jié)合學(xué)校實驗教學(xué)條件、學(xué)校行業(yè)背景和教師主持的科研項目情況，將超聲檢測技術(shù)作為課外實驗，將課堂理論教學(xué)時講解的壓電傳感器基本工作原理、測試系統(tǒng)的組成、測試系統(tǒng)搭建和測試系統(tǒng)特性等知識點融入實驗。

2 實驗設(shè)計與實施

機械工程測試技術(shù)是門綜合性較強的課程，各種技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是各種新材料、新原理被開發(fā)出來，使得課本內(nèi)容相對滯后。超聲檢測具有操作方便、穿透能力強、靈敏度高等優(yōu)點，是應(yīng)用最為廣泛的一種無損檢測方法。超聲檢測技術(shù)涉及壓電傳感器及其工作原理、微弱信號采集、信號處理等技術(shù)，與機械工程測試技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容相匹配。因此，超聲檢測相關(guān)知識可作為儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科下的測試計量技術(shù)及儀器專業(yè)、材料科學(xué)與工程學(xué)科下的材料無損檢測與評價專業(yè)或者是機械工程學(xué)科下的機械電子工程專業(yè)的課外實驗。

2.1 實驗原理

超聲檢測是指利用超聲波對金屬構(gòu)件內(nèi)部缺陷進行檢查的一種無損探傷方法。用發(fā)射探頭向構(gòu)件表面通過耦合劑發(fā)射超聲波，超聲波在構(gòu)件內(nèi)部傳播時遇到不同界面時會產(chǎn)生超聲波的反射現(xiàn)象，反射信號被探頭接收，得到超聲回波。根據(jù)顯示屏上顯示出的回波信號的位置可以判斷缺陷的深度，根據(jù)回波的高度判斷缺陷的大小，根據(jù)回波的形狀判斷缺陷的類型[8]。

超聲檢測可分為反射法和透射法，其中反射法是工程中應(yīng)用最廣泛的一種方法。由脈沖波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻脈沖，通過放大器后激勵給探頭中的壓電晶片，基于逆壓電效應(yīng)，電能轉(zhuǎn)化成機械能，壓電晶片振動產(chǎn)生超聲波，超聲波在工件內(nèi)部傳播，當(dāng)遇到缺陷時產(chǎn)生反射現(xiàn)象，部分反射回波被壓電晶片接收，因為壓電效應(yīng)，機械能轉(zhuǎn)化為電能，輸出微弱電信號，該信號經(jīng)放大后在顯示屏上顯示。顯示屏的橫坐標(biāo)是時間基線，其長度與時間成正比，可以確定各個反射回波到達探頭的時刻，進一步可求出所在的位置；縱坐標(biāo)表示的是回波的幅值。

2.2 實驗系統(tǒng)組成

測試系統(tǒng)一般由傳感器、信號調(diào)理模塊、信號采集模塊、信號處理模塊和結(jié)果顯示模塊等組成。超聲波檢測系統(tǒng)就是一個典型的測試系統(tǒng)，主要由超聲探頭、信號發(fā)生器、功率放大器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、示波器等組成。根據(jù)探頭參數(shù)對信號發(fā)生器進行設(shè)置以產(chǎn)生激勵信號，該信號經(jīng)功率放大器放大后，激勵換能器產(chǎn)生超聲波，超聲波在試塊中傳播，當(dāng)超聲波遇到聲阻抗差異界面時會產(chǎn)生反射現(xiàn)象，部分反射回波被探頭所接收，根據(jù)壓電效應(yīng)產(chǎn)生電信號，該信號經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)輸送給示波器進行顯示，可對回波信號進行多次時間平均處理，以消除結(jié)構(gòu)噪聲提高信噪比。示波器顯示的是射頻信號，而超聲探傷儀所顯示的是檢波信號，可以根據(jù)學(xué)生的能力，提升實驗的難度，可以借助虛擬儀器技術(shù)，在計算機上開發(fā)示波器和計算機的通信程序，將示波器的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)接嬎銠C，在計算機上對回波信號進行包絡(luò)處理，得到檢波信號，或編寫頻域分析軟件，對回波信號進行頻域分析。通過采集不同類型缺陷的回波，觀察不同類型回波的時域特征，也可以對各信號進行頻譜分析，得到不同類型缺陷的頻域特征，加深對信號特征提取和缺陷分類的理解。

2.3 實驗項目

基于搭建的實驗平臺，結(jié)合超聲檢測相關(guān)知識和信號處理的知識，可以開展超聲波聲速測量、探頭零點測量、缺陷定位分析、缺陷回波頻譜分析等實驗。依據(jù)《GBT 11345-1989鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級》，結(jié)合制作的平板、焊縫等人工缺陷試樣，開展實際的超聲檢測實驗，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷并對缺陷的位置進行標(biāo)記，對大小進行評定，對類型進行評價。

另外，在同學(xué)們對超聲檢測基本原理、特點和工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，可以進一步給學(xué)生講解將超聲相控陣、超聲TOFD、超聲導(dǎo)波等先進的無損檢測技術(shù)，拓展學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，緊跟學(xué)科發(fā)展前沿，保證教學(xué)內(nèi)容與時俱進。

3 結(jié)語

機械工程測試技術(shù)是機械工程本科專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程，在整個培養(yǎng)方案中起到承上啟下的作用，是理論與實踐密切結(jié)合的課程。將教師承擔(dān)的科研項目中的研究內(nèi)容、實驗系統(tǒng)搭建和解決實際工程問題的實例與課程的知識點結(jié)合起來，不僅掌握了基礎(chǔ)知識，同時也學(xué)會了科研的思想和方法，提高了解決復(fù)雜工程問題的能力。