機(jī)械工程測試技術(shù)課程教學(xué)改革探究

郭智薔 朱紅秀 葉濤 張運(yùn)九 劉旭濤

［摘 要］機(jī)械工程測試技術(shù)是一門理論性與實(shí)踐性均較強(qiáng)的專業(yè)課，是本科生從基礎(chǔ)課程向?qū)I(yè)課程過渡階段的重要課程，具有重要的實(shí)踐價(jià)值和戰(zhàn)略地位。文章基于機(jī)械工程測試技術(shù)課程教學(xué)過程中的常見問題進(jìn)行分析，從案例式教學(xué)方法、以學(xué)生為主的教學(xué)方法、輔助教學(xué)方法3個(gè)方面開展課程教學(xué)改革，以期提供可行的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，活躍課堂氣氛，增強(qiáng)課程教學(xué)效果，為機(jī)械工程測試技術(shù)課程教學(xué)質(zhì)量提升提供重要的參考。

［關(guān)鍵詞］機(jī)械工程測試技術(shù)；案例式教學(xué)；教學(xué)改革

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2024.06.065

［中圖分類號］G642；TG806［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A［文章編號］1673-0194（2024）06-0204-05

0? ? ?引 言

作為信息時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)之一，測試技術(shù)在加工制造業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、航空航天業(yè)、煤炭勘測業(yè)等各個(gè)行業(yè)中都有著不可替代的作用，影響著工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活［1］。機(jī)械工程測試技術(shù)課程作為機(jī)械學(xué)科本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課，是引導(dǎo)學(xué)生了解并掌握測試和傳感器技術(shù)的重要課程。該門課程涵蓋了信號描述、測試系統(tǒng)特性、傳感器原理和應(yīng)用、信號處理和分析等多方面的知識，是一門融合了機(jī)械、電子、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)的交叉課程，具有理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)［2］。要想在有限的授課學(xué)時(shí)內(nèi)使學(xué)生快速掌握測試和傳感技術(shù)，學(xué)生需要具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)、物理、電工電子技術(shù)等學(xué)科基礎(chǔ)知識，但這對于從未接觸過工程測試的學(xué)生來說有較高的難度。

由于機(jī)械工程測試技術(shù)課程內(nèi)容抽象，實(shí)踐能力要求較高，為提升本課程教學(xué)質(zhì)量，有必要深入分析本課程的特點(diǎn)和學(xué)生學(xué)情，探索適宜的教學(xué)改革方案，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使學(xué)生加深對機(jī)械工程測試技術(shù)的理解和認(rèn)知，為學(xué)生未來開展科學(xué)研究、進(jìn)入機(jī)械行業(yè)進(jìn)行工程實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力，為我國機(jī)械行業(yè)打造優(yōu)秀的人才隊(duì)伍［3］。

1? ? ?機(jī)械工程測試技術(shù)課程教學(xué)過程中的常見問題

1.1? ?課程開篇入門難

機(jī)械工程測試技術(shù)課程的教材一般將“信號描述及頻譜分析”作為第一章內(nèi)容，這是因?yàn)樾盘栕鳛樾畔⒌妮d體，是對物理客觀世界進(jìn)行測量試驗(yàn)采用的重要媒介，只有先對信號有了充分的了解，掌握時(shí)域信號和頻域信號的相互轉(zhuǎn)換方法，能夠從信號中提取有用信息，才能充分發(fā)揮測試技術(shù)的功能作用。但由于本科生缺乏科學(xué)研究經(jīng)驗(yàn)，對工程實(shí)踐背景了解較少，在課程學(xué)習(xí)開始時(shí)總會遇到一些問題，信號描述章節(jié)的內(nèi)容涉及傅里葉變換，公式推導(dǎo)內(nèi)容較多，數(shù)學(xué)理論性較強(qiáng)，對工程實(shí)踐性則體現(xiàn)較少，學(xué)生容易產(chǎn)生畏難情緒，難以從總體上認(rèn)識本課程的整體架構(gòu)，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣減弱。

1.2? ?知識點(diǎn)多而面廣

機(jī)械工程測試技術(shù)課程不僅是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，而且理論性突出［4］。例如，傅里葉變換在信號頻譜分析中的應(yīng)用、各典型輸入信號條件下測試系統(tǒng)的基本特性、多種傳感器的測量原理、信號調(diào)理過程等，涉及的知識點(diǎn)眾多，且涉及不同學(xué)科，這使得學(xué)生想要真正學(xué)好本課程具有一定難度。一方面，由于本課程內(nèi)容的強(qiáng)理論性，不同學(xué)生對知識點(diǎn)的理解程度難以統(tǒng)一，教師難以照顧到每位學(xué)生，當(dāng)部分學(xué)生錯(cuò)過某一小知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)時(shí)，而教師沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將會直接導(dǎo)致這些學(xué)生“掉隊(duì)”，影響他們后面理論知識的學(xué)習(xí)；另一方面，學(xué)生在學(xué)習(xí)各章知識點(diǎn)時(shí)，容易陷入割裂學(xué)習(xí)的狀態(tài)，缺少對所學(xué)內(nèi)容的整體把握，不能將前后知識點(diǎn)有機(jī)聯(lián)系在一起，以及構(gòu)成系統(tǒng)知識鏈，可能出現(xiàn)只學(xué)會了各章知識點(diǎn)，但是無法融合在一起，難以應(yīng)用到實(shí)際科學(xué)研究或工程實(shí)踐中。

1.3? ?傳感器類型繁多

機(jī)械工程測試技術(shù)中的第三章內(nèi)容為傳感器，從教材內(nèi)容到教師講授都側(cè)重于傳感器的原理講解［5］，由于講授內(nèi)容涉及眾多不同類型的傳感器，學(xué)生高度集中的注意力難以長時(shí)間維持，略顯枯燥的內(nèi)容可能影響學(xué)生的積極性，學(xué)生難以通過課堂的學(xué)習(xí)達(dá)到靈活選用合適傳感器的學(xué)習(xí)效果。

2? ? ?機(jī)械工程測試技術(shù)課程教學(xué)改革方案

對內(nèi)容進(jìn)行拆解和分析，把握個(gè)體與整體、一般與特殊（難點(diǎn)）、理論與實(shí)踐的關(guān)系，針對不同內(nèi)容的特點(diǎn)，制訂不同的教學(xué)方案，實(shí)現(xiàn)提升教學(xué)質(zhì)量，以及培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和應(yīng)用能力的教學(xué)目標(biāo)。

2.1? ?應(yīng)用案例式教學(xué)方法

2.1.1? ?圖形輔助教學(xué)增強(qiáng)視覺性

信號的頻域描述是機(jī)械工程測試技術(shù)課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，學(xué)生要從宏觀上認(rèn)識測試。測試系統(tǒng)包括信號采集和信號處理兩大部分，而信號貫穿始終，掌握信號的性質(zhì)和參數(shù)特性是掌握測試技術(shù)的基礎(chǔ)和前提，包括時(shí)域信號的特征參數(shù)、頻域信號的性質(zhì)、時(shí)域信號與頻域信號的相互轉(zhuǎn)換。由于信號描述具有抽象和理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用案例教學(xué)方法能夠增加教學(xué)信息量，將抽象的知識直觀形象地展現(xiàn)出來，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深學(xué)生對教學(xué)點(diǎn)的印象。

以周期信號的頻域描述為例，已知某方波周期信號的周期為2，由傅里葉級數(shù)展開得到其頻譜展開表達(dá)式：

為了更直觀地展示周期信號的傅里葉級數(shù)展開，應(yīng)用Matlab軟件做出原始方波的曲線。首先，分別令諧波次數(shù)n為3、5，做出傅里葉級數(shù)展開式中1次基波、3次諧波、5次諧波的曲線，以及各次諧波的疊加曲線，如圖1所示。從圖1可以看出，隨著諧波次數(shù)的增加，諧波信號頻率增大，波長減小，幅值也隨之減小。然后，再將各次諧波進(jìn)行疊加，如圖2所示，再令n分別為3、5、7、9，得到各次諧波曲線和疊加曲線，如圖3所示。通過前后兩張疊加曲線圖的對比可以看出，疊加諧波的最高次數(shù)越大，疊加結(jié)果更接近原始矩形信號，當(dāng)n趨近于正無窮時(shí)，各次諧波疊加信號與原始矩形信號重合，即驗(yàn)證了周期信號的傅里葉級數(shù)展開的正確性。

2.1.2? ?例題輔助教學(xué)加強(qiáng)理解

進(jìn)一步來說，周期信號的傅里葉級數(shù)展開有兩種形式，分別是傅里葉級數(shù)三角函數(shù)形式展開式和傅里葉級數(shù)復(fù)指數(shù)形式展開式，兩種形式可以通過歐拉公式實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換，并且兩種形式的表達(dá)式之間存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，相應(yīng)得到的頻譜圖和復(fù)數(shù)頻譜圖之間也存在著相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。周期信號的傅里葉級數(shù)展開可以寫成如下兩種形式：

該信號的頻譜圖和復(fù)數(shù)頻譜圖分別如圖3和圖4所示。對比兩組圖，可以得出以下結(jié)論。由傅里葉級數(shù)三角函數(shù)形式展開式得到信號的幅值頻率圖和相位頻率圖，其諧波分量均在頻率軸的正向，這與式（2）中n的取值是正整數(shù)保持一致；由傅里葉級數(shù)復(fù)指數(shù)形式展開式得到信號的復(fù)數(shù)頻譜圖，圖像在頻率軸的正向和負(fù)向均有值，這與式（3）中n的取值是所有整數(shù)保持一致；對比幅值頻率圖與復(fù)數(shù)的模的圖，可以看出，在頻率軸正向，相同頻率對應(yīng)的幅值是其對應(yīng)的復(fù)數(shù)的模的2倍，且復(fù)數(shù)的模是偶函數(shù)；對比相位頻率圖與復(fù)數(shù)的幅角的圖，可以看出，當(dāng)相頻圖是由傅里葉級數(shù)余弦函數(shù)形式展開表達(dá)式作圖時(shí)，在頻率軸正向，相同頻率對應(yīng)的相位和復(fù)數(shù)的幅角相同，且復(fù)數(shù)的幅角是奇函數(shù)。

采用實(shí)際信號作為例題，通過傅里葉級數(shù)三角函數(shù)形式展開表達(dá)式和頻譜圖、傅里葉級數(shù)復(fù)指數(shù)形式展開表達(dá)式及復(fù)數(shù)頻譜圖的求解過程，利用圖形清晰直觀的特點(diǎn)，使學(xué)生熟悉相關(guān)公式的應(yīng)用方法，理解直流分量的含義，充分掌握兩種形式的傅里葉級數(shù)之間的差異和關(guān)系，有效提升教學(xué)效果。

2.2? ?開展以學(xué)生為主的教學(xué)改革

機(jī)械工程測試技術(shù)的第三章內(nèi)容是傳感器，該章節(jié)的知識點(diǎn)包括傳感器的分類、結(jié)構(gòu)、測量原理、工作特性、測量電路、應(yīng)用等，知識點(diǎn)多，不同傳感器之間存在相似點(diǎn)和不同點(diǎn)，容易產(chǎn)生混淆。傳感器的設(shè)計(jì)依據(jù)是具有確定因果關(guān)系的物理現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象、生物現(xiàn)象等，因此本章節(jié)內(nèi)容涉及力學(xué)、電磁學(xué)、材料學(xué)、熱力學(xué)、光學(xué)等學(xué)科的知識，知識覆蓋面較廣，容易導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)不能及時(shí)理解傳感器工作原理，感到知識點(diǎn)繁多無序的情況，從而減弱學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在課堂上難以跟上教師的節(jié)奏。為解決傳感器章節(jié)的教學(xué)效果欠佳的問題，教師可以采用以學(xué)生為主的教學(xué)改革方案，由學(xué)生進(jìn)行分組調(diào)研預(yù)習(xí)，每組負(fù)責(zé)調(diào)研一種傳感器，并在課堂上進(jìn)行分組展示，由學(xué)生展示某類傳感器的工作原理、工作特性、測量電路及應(yīng)用等，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，充實(shí)課堂教學(xué)過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂參與度。最后，教師通過梳理和對比各類傳感器，從整體上加強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)識。

以學(xué)生為主的教學(xué)方法，是對教師主導(dǎo)講解、學(xué)生被動(dòng)接受知識的傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式的一種有力補(bǔ)充，能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，鼓勵(lì)學(xué)生自主調(diào)研、總結(jié)、思考、討論、合作，培養(yǎng)學(xué)生的調(diào)研能力和科研能力。

2.3? ?加強(qiáng)多媒體教學(xué)的輔助

與板書相比，多媒體課件具有更清晰和直觀的特點(diǎn)，可以將圖像、文字、公式、動(dòng)畫等有機(jī)結(jié)合，突出重點(diǎn)，尤其適合總結(jié)和復(fù)習(xí)，能加深學(xué)生對重點(diǎn)內(nèi)容的印象。

機(jī)械工程測試技術(shù)課程需要教師分別講授信號描述、測試系統(tǒng)基本特性、傳感器原理、信號調(diào)理與分析的內(nèi)容，各章內(nèi)容相對獨(dú)立。為了系統(tǒng)梳理知識體系，教師可以借助多媒體課件，如將測試系統(tǒng)組成圖貫穿課程始終，如圖5所示。通過反復(fù)使用相同的圖像，可以加深學(xué)生的記憶，使本課程的主旨清晰明確，各章內(nèi)容都是為實(shí)現(xiàn)機(jī)械工程領(lǐng)域內(nèi)的測試工作打下基礎(chǔ)。從圖5可以看出，信號作為信息的載體，是測試系統(tǒng)的流動(dòng)介質(zhì)，因此，掌握信號的時(shí)域與頻域描述，了解信號的基本特性，是掌握測試技術(shù)的基礎(chǔ)；從圖5還可以看出，傳感器是將作為研究對象的非電量轉(zhuǎn)換成電量的第一個(gè)實(shí)際執(zhí)行裝置，其重要性不言而喻，只有傳感器能夠及時(shí)有效地反映研究對象的改變，整個(gè)測量才有意義；最后，傳感器直接獲得的信號還需要通過信號處理才能被記錄和使用，因此，課程還涉及信號調(diào)理和信號分析的內(nèi)容。至此，通過展示這樣一張圖像，教師可以實(shí)現(xiàn)課程整體內(nèi)容梳理，有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程的過程中形成知識體系，真正讓學(xué)生理解課程內(nèi)容，并將所學(xué)知識融會貫通。

3? ? ?機(jī)械工程測試技術(shù)課程教學(xué)改革后的預(yù)期教學(xué)效果

高校經(jīng)過本門課程的教學(xué)改革后，可能會使學(xué)生充分掌握機(jī)械領(lǐng)域開展工程測試所需的基礎(chǔ)理論知識和基本實(shí)踐方法，具備獨(dú)立完成科學(xué)研究或工程實(shí)踐中某物理信號的測量與分析，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想、創(chuàng)新思維及實(shí)踐能力。具體預(yù)期教學(xué)效果如下。

（1）學(xué)生能深刻理解信號的頻域分析的目的與意義，掌握測試信號的時(shí)域特征參數(shù)分析、頻域分析、相關(guān)分析以及功率譜分析，從測試信號中提取有效信息。

（2）學(xué)生能熟練掌握各類傳感器的工作原理與應(yīng)用，具備在實(shí)際科學(xué)研究或工程實(shí)踐中選擇合適傳感器的能力。

（3）學(xué)生能深刻理解測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)測試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)測定、明確測試系統(tǒng)工作范圍。

（4）學(xué)生能掌握信號處理方法，能夠在科學(xué)研究或工程實(shí)踐中選擇適合的放大器、濾波器等［6］。

4? ? ?結(jié)束語

機(jī)械工程測試技術(shù)課程是一門綜合性較強(qiáng)的專業(yè)課，是本科生從基礎(chǔ)課程向?qū)I(yè)課程過渡階段的重要課程。本文通過分析機(jī)械工程測試技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)存問題，探索適合的教學(xué)方法，以期使學(xué)生更容易、更愿意走近這門課，掌握機(jī)械工程實(shí)踐的重要手段，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生對測試技術(shù)產(chǎn)生興趣，消除本課程理論知識點(diǎn)多引起的畏難情緒，讓學(xué)生能夠真正理解測試技術(shù)中涵蓋的理論知識，真正掌握測試工作中所需的設(shè)計(jì)能力和分析能力，最大限度發(fā)揮一門專業(yè)課的作用。

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