新形势下机械工程测试技术教学改革的研究与实践

新形势下机械工程测试技术教学改革的研究与实践摘要：针对当前机械工程测试技术教学时数减少而教学要求反而提高的教学现状，以培养学生的创新意识和分析与解决工程实际问题的能力为主要目标，在课程教学模式改革方面进行了研究和实践。采取的主要措施有：将教学内容体系模块化，以面向工程应用为主要目标；采用工程实例教学法、启发式教学法、将MATLAB和LabVIEW软件引入课堂教学、多媒体教学及小论文式大作业等教学方法与手段；更新实验内容、加入综合创新性实验及采用开放式实验教学。实践表明：以上措施能够切实有效地提高教学效果与质量，更好地适应高素质创新人才培养的需要。关键词：教学内容体系改革工程实例教学法启发式教学法小论文式大作业开放式实验教学中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1674-098X（2015）02（a）-0041-02机械工程测试技术是机械类专业学生必修的一门专业技术基础课，它主要研究机械工程领域与设计相关的试验、控制和运行监测中所涉及到的物理量及其它工程量的测量和测量装置的性能，主要包括物理量和其他工程量的测量方法、测试中常用的传感器、信号的调理电路及记录、显示仪器的工作原理、测量装置基本特性的评价方法、测试信号的分析和处理等内容[1-2]。它是一门综合应用相关课程的知识和内容来解决机械行业设计和生产中所面临的测试问题的课程，基本理论较多，同时所研究的内容都直接面向工程应用中的测试问题，与工程应用紧密结合。由于各种基于新的测试原理和测试方法的新型传感器不断出现，课程的教学内容也处于不断更新的变化之中。随着高校专业改革的发展，一方面测试技术课程的学时数逐渐减少，教学时数（包括理论教学和实验教学）已缩减为32学时，而另一方面为了适应现代工程测试技术发展的需要，对于机械工程测试技术课程的教学要求却又有所提高。因此，为了在减少学时的情况下达到相同的教学效果，机械工程测试技术的教学内容和教学模式也需要与时俱进。本文依照课程教学内容服从专业培养目标、课程教学方法服务于课程教学内容、素质教育贯穿于整个教学过程的原则，以培养学生的创新意识和分析解决工程实际问题的能力为目的，针对新形势下机械工程测试技术课程的教学内容和教学模式进行了一些研究与探索[3]。1以面向工程应用为主的教学内容体系的改革按照教学内容服务于专业培养目标的原则，以面向工程应用为主要目的，将课程内容进行模块化整合，在教学过程中应以应用模块的教学为重点，以适应培养具有创新意识的工程应用型人才的需要。机械工程中一个完整的测试系统一般包括：被测对象（通常是各类信号）、传感器、调理电路、信号采集与数字信号处理及反馈控制等，与此相应的理论内容主要有：信号及其描述方法、测试装置性能的静动态分析、各种常用传感器的原理及后接电路、信号调理、信号的显示与记录、信号处理等，这些内容构成了机械工程测试技术课程的基本理论部分，涉及知识面较广，知识点多而繁琐。同时课程也包括了常见物理量如位移、力、应力和应变、振动测试、温度及流体参量中的压力和流量等常见物理量的测试方法，还包括现代计算机测试系统等内容，这一部分属于应用性内容。针对课程内容的特点，将教学内容划分为信号及其描述模块、信号传输系统性能模块、传感器模块、信号调理模块、信号处理模块及应用实例模块这六大模块。其中前五个模块属于该课程的理论部分，它们间的关系也非常明确，即按照信号的运行路径为主线组织知识点，此部分内容中传感器模块为重点内容，主要讲授常用传感器的工作原理及后接电路，该部分内容与工程应用紧密结合，其余内容如信号传输系统性能及信号调理等与学生学习过的自动控制原理及电工学等课程有重合，在教学过程中可以做简单回顾即可。最后的应用实例模块既是前面各模块的有机结合，又是该课程的目的所在，该模块含几个典型物理量的测试实例，每个实例应有具体的系统组成及适当的理论分析。这样组织教学内容，学生在学习时能清晰地理解各个知识模块的作用及在测试系统中的地位，对于测试系统的完整组成及性能分析有比较完整的概念，另外也可以学习到各种物理量测试技术的具体工程应用方法。2教学方法与手段的改革2.1工程实例教学法按照教学方法服务于教学内容的原则，由于机械工程测试技术这门课程与工程实践联系紧密，直接面向工程应用，因此在教学过程中，应将适当的工程实例引入教学，这对于提高教学效果具有重要作用。如在讲述传感器的原理时，除讲清楚各种传感器的原理之外，还需要通过大量的工程实例来使学生认识所学习的传感器是如何应用于实际工程量的测量。例如，笔者在讲述压电传感器时，给学生举了一个压电传感器应用于悬臂梁振动测试的例子。压电加速度计由惯性质量块和受压的压电陶瓷晶体等组成，固定安装在悬臂梁上，当给悬臂梁施加一定频率的激振信号时，压电加速度计感受与悬臂梁相同频率的振动，若振动频率远小于压电加速度计的固有频率，质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷晶体上，由于压电效应，压电陶瓷晶体上产生正比于运动加速度的表面电荷，通过电荷放大器等后接电路，便可以得到悬臂梁振动的加速度信号，再通过双重积分器即可得到悬臂梁的振动位移信号。例如，在讲述关于滤波器的问题时，笔者通过LABVIEW给学生演示了一个滤波器应用程序，频率为10Hz、幅值为1的正弦波与频率为60Hz、幅值为0.1混叠有幅值为0.1的白噪声的正弦信号叠加的合成信号，通过无限长冲击响应（IIR）3阶低通滤波器进行滤波处理，当滤波器的截止频率分别为20Hz和65Hz时，通过观察滤波后信号的波形图，来了解滤波器的截止频率对于滤波效果的影响。这些工程实例的引入，一方面能够激发学生学习相关知识的兴趣，了解相关知识的工程应用，同时又能提高学生应用所学内容分析和解决工程实际问题的能力。2.2启发式教学法启发式教学，就是根据教学目的、内容、学生的知识水平和知识规律，运用各种教学手段，采用启发诱导办法传授知识，使学生积极主动地学习，以促进能力培养。在课堂教学中，应尽量避免填鸭式教育，尽量启发学生利用已有知识去主动分析和解决理论推导和实际问题。在具体实施中，针对部分教学内容，以学生理解并掌握该部分内容为目标，可以先列出研究思路和步骤，然后在讲解过程依步骤逐步提示学生利用现有知识去进行思考，并尝试自己独立推理，然后再由教师进行详细讲解。例如，在讲述关于非周期信号的傅立叶变换时，先列出学生已经学习过的周期信号的复指数展开式，提示他们可以将非周期信号看成是周期为无限长的周期信号，从而引导他们借用周期信号的复指数展开式去自己推导出傅立叶变换式。在讲述了傅立叶变换的基本概念之后，提示他们结合数学中的坐标变换去理解傅立叶变换实质上是一种积分变换，将一个信号通过积分变换变成另一个信号，两个信号相互之间有联系，傅立叶变换后得到的信号自变量已经变为频率而非时间，通过分析一个信号的傅立叶变换可以得到信号的频谱密度函数，从而了解了信号包含的各频率成份及特征。通过启发式教学，学生深刻地理解了傅立叶变换的意义，同时也加深了对信号时域分析和频域分析的理解。实践证明，学生对于启发式教学方法比较感兴趣，他们也乐于在教师的启发下通过自己的思考去一步步解决实际问题，而非被动的接受教师的讲解，而经过对具体知识求解过程的锻炼，他们的自学能力及分析和解决实际问题的能力都得到较大程度的提高。2.3将MATLAB及LabVIEW软件应用于课堂教学机械工程测试技术作为一门与工程应用联系紧密的课程，其内容随着现代计算机技术的发展而不断完善，尤其是MATLAB软件及虚拟仪器技术等已成为测试系统分析与设计的重要工具。从工程实际需要出发，笔者在课堂教学中，将工程中广泛应用的MATLAB软件及虚拟仪器技术引入课堂教学，引导学生去了解这些软件在测试系统分析与设计中的作用。例如，在讲述测试装置的静动态特性时，利用MATLAB的simulink仿真工具箱，建立一阶系统和二阶系统的仿真框图模型，给系统以不同的输入如单位阶跃输入、单位脉冲输入等，再通过改变一阶系统的时间常数及二阶系统的阻尼率和固有频率等参数，来模拟测试装置在不同输入下的响应，这些内容编写成一个个仿真子程序，在授课的时候直接调用子程序来运行。讲述各种信号时，可以利用LABVIEW的信号仿真函数，产生不同频率和幅值的正弦波信号、方波信号及三角波信号等，同时利用频谱测量函数显示相应信号的幅值谱和相位谱。在讲述滤波器时，通过合并低频信号和高频信号或噪声信号组成混叠信号，并利用滤波器函数来编制应用程序来仿真高通滤波器、低通滤波器及带通滤波器等不同种类滤波器的滤波性能，从而使学生可以直观了解各种不同种类滤波器的性能。所有演示内容都编写成一个个应用实例，在课堂教学时直接调用。通过将MATLAB和LabVIEW软件引入课堂教学，即避免了书本知识过于枯燥、学生易失去学习兴趣的问题，又能通过实例演示加深学生对于所学内容的直观印象，同时引导学生自己学习相应的软件，自己动手去处理实际问题，既提高了课堂教学效果，也培养了学生的应用相关软件去分析解决工程实际问题的能力。2.4多媒体教学由于课程教学内容较多，同时又包含有大量工程应用内容，而教学课时数又相对较少，因此，对于大部分内容的讲解宜采用多媒体教学，这有利于发挥多媒体教学信息量大，且可以对大量实际工程应用进行动画显示等优点。例如，在讲述测试系统的组成时，为了加深学生对于测试系统各个组成环节的印象，笔者举了旋转轴偏心量监测系统的例子。位移传感器获取轴承在X、Y方向的位移信号，通过调理电路进行放大和滤波，再经过信号数据采集送入计算机，进行处理和显示。监测系统采用动画显示的方式，既利于学生形象地通过测试信号的传递及信号的变换与处理过程，也利于加深其对测试系统整体组成的理解，同时也可提高学生实际应用能力。2.5小论文式大作业在教学过程中，针对主要内容布置一些大作业，选题范围主要是一些相关的工程实际问题，也可以让学生自行选题，要求他们以小组的形式，按照测试系统的组成，自己选择相应的硬件去搭建能够投入工程实际应用的测试系统，并分析所组成的测试系统的性能，最后按照一般科技论文的格式完成一篇简单的小论文。例如，在课程学习基本完成之后，向部分学生布置了一道机床主轴转速测试系统的大作业，让学生自己选用合适的传感器，并选用相应的测试系统硬件，自己搭建一个转速测试系统，并应用LANVIEW软件编制信号采集及信号处理程序。实践表明，在教学中鼓励、指导学生进行小论文式的大作业的训练，可以更好地发挥其学习的主动性和创造性，也使得学生设计测试系统的能力和分析解决工程实际问题的能力得以提高，是一种非常有效的研究型教学方法。3更新实验内容，实施开放式实验教学实验教学内容既要服务于课程教学目标，同时也要紧跟工程实践要求，着重培养学生分析和解决工程实际问题的能力。为此，我们对实验内容进行适当改进，在保留了一些验证性的传统实验内容同时，也积极开设了一些设计性和创新性的实验项目。更新后的实验内容分为二个部分：第一部分为基本实验，主要包括电桥性能综合实验、霍尔测速实验及压电式加速度传感器测量振动实验，第二部分为综合创新性实验（机床主轴振动测试、液压系统流量测试及桁架应力综合测试）。基本实验以课程基本知识为载体，以基本知识和动手能力训练为重点，为必开实验。综合创新性的实验，以培养学生的设计能力、分析和解决工程实际问题的能力为目的，学生可以选做自己感兴趣的实验项目。实验教学实施开放式、自主式教学，学生可以在实验室开放期间任何时间来做实验，由学生根据实验的要求自行选用相应传感器及相关硬件和软件搭建测试系统，并独立完成整个实验，从而使自己动手能力和实践能力得到加强。教师在实验结束后，对实验结果进行总结，指出实验过程中存在的一些不足，同学生进行讨论。这样，可以帮助学生发现问题，使他们掌握处理问题的技巧，从而更好地激发和培养他们的探索精神和创新能力。4结论机械工程测试技术教学的主要目的就是让学生更好地掌握测试系统的理论和测试系统性能分析的方法，并学会独立选用相应的硬件和软件去搭建测试系统去分析和解决工程实际中的工程量测试问题。近几年的教学实践表明：本文在教学内容、教学方法与