機械工程測試技術課程教學改革研究

[摘 要] 《機械工程測試技術》是一門重要的技術基礎課，針對目前教學中存在的問題和不足，以啟發(fā)式教學為主線，充分調(diào)動學生積極性，促進了教學理念的轉(zhuǎn)變。針對教學知識點，結(jié)合工程題目設計實驗案例，激勵學生自行設計和集成測試系統(tǒng)，增強其工程分析和實際應用能力。以科研課題為契機，增強學生在科研過程中的求知欲及創(chuàng)新能力，促進產(chǎn)學研建設的可持續(xù)性發(fā)展。

[關鍵詞] 啟發(fā)式教學；工程案例；產(chǎn)學研；教學改革

[中圖分類號] G642.421 [文獻標識碼] A [文章編號] 1005-4634（2013）01-0029-03

0 引言

《機械工程測試技術》是機械類專業(yè)學生必須掌握的一門重要專業(yè)基礎課，其特點在于涉及數(shù)學、物理、機械、電子技術以及計算機工程等多學科的交叉與融合[1]，因而較多學生在學習中倍感吃力，使得學習積極性大打折扣，課堂效率偏低。同時，由于傳統(tǒng)教學過多集中于信號與測試系統(tǒng)分析等基礎理論教學，導致學生感性認識不足，聞其聲但未見其形。加之傳統(tǒng)課程內(nèi)容遠遠滯后于其發(fā)展，尤其近年來，測試技術在各領域中的應用深度及廣度大幅度提升，使得該課程的改革勢在必行。文獻[2，3]對該課程教學方式提出了新的想法，確定了以學生為中心的啟發(fā)式教育模式。另外，引入虛擬儀器加強實踐教學改革，取得了較為顯著的教學成果。但其教學方式鮮有工程案例相佐證，且缺乏科研與教學互為促進的教學模式，學生對測試的了解及認識仍停留在被動學習階段，其創(chuàng)造性思維基本還源于被動激勵。

鑒于此，結(jié)合近幾年的教學經(jīng)驗，筆者提出“以工程案例和生產(chǎn)實踐為主線的測試技術與信號處理課程教學模式”，利用良好的實驗教學平臺，除了教學計劃內(nèi)的實驗外，還針對教學知識點，結(jié)合工程題目設計實驗案例，讓學生自己設計和集成測試系統(tǒng)，重點培養(yǎng)創(chuàng)造意識，增強工程分析和實際應用能力。同時，促進教學與科研相結(jié)合，將承擔的國家和省部級項目的最新成果融入到教學中，提升測試技術課程教學水平和質(zhì)量，旨在探索一條產(chǎn)學研結(jié)合，促進測試技術課程建設的新路子。

1 以啟發(fā)式教學為主線，改革傳統(tǒng)滿堂灌 的教學方法

所謂啟發(fā)式教學就是強調(diào)學生是學習的主體，教師要調(diào)動學生的學習積極性，實現(xiàn)教師主導作用與學生積極性相結(jié)合；強調(diào)學生智力的充分發(fā)展，實現(xiàn)系統(tǒng)知識的學習與智力的充分發(fā)展相結(jié)合；強調(diào)激發(fā)學生內(nèi)在的學習動力，實現(xiàn)內(nèi)在動力與學習的責任感相結(jié)合；強調(diào)理論與實踐聯(lián)系，實現(xiàn)書本知識與直接經(jīng)驗相結(jié)合[4]。

要調(diào)動學生的積極性，其前提是激發(fā)學生對課程的興趣愛好。為此，在授課過程中不僅要列舉大量生活實例，使得學生從頻繁的使用過程中感知該課程的重要性。而且應以“問題”為起點，引導學生逐步解決實際問題。例如，在講述前沿部分時，結(jié)合測試技術在機械工程、冶金、土木、化工等方面的廣泛應用，說明該課程學習的重要意義與必要性。再列舉大量學生有感性認識的實例，如鼠標、鍵盤、手機、話筒、相機、冰箱、汽車等是如何控制的，又是用到了哪些傳感器。最后讓學生從眾多實例中總結(jié)出測試系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，并提示學生輸入信號一般不為電信號而輸出信號一般為電信號。對此，多數(shù)學生會認為傳感器是連接被測信號與輸出信號的紐帶，且視其為唯一關鍵裝置。鑒于此，引導學生思考如何處理傳感器輸送的噪聲信號以及其它干擾信號，從而引發(fā)他們極大的興趣，之后畫出測試系統(tǒng)組成示意圖（圖1）供學生討論。這些實例可大大激發(fā)學生的學習興趣。在講解測試系統(tǒng)動態(tài)特性時，可通過演示滑動變阻器的工作原理向?qū)W生提問激勵與響應的關系，并要求學生用所學《機械控制理論》相關知識建立系統(tǒng)動力學模型，并求出傳遞函數(shù)。而在講解信號頻域分析前，首先讓學生對簡單周期信號的時域圖進行分析并獲得其頻域特性，再以探尋非周期信號的頻域圖為主線引導學生思考。

值得注意的是，啟發(fā)式教育并不是一種單一的教學方法，也是師生溝通的重要手段。在傳統(tǒng)教學過程中，多數(shù)老師以書本為中心，強調(diào)學生對書本知識的利用程度。實際情況下，《機械工程測試技術》課程較為艱澀難懂，教師在授課過程中應及時與學生溝通，了解學生思想動態(tài)，掌握其難學的癥結(jié)所在，并多鼓勵學生走上講臺，采取學生互評與師生互評相結(jié)合的方法使得課程嚴肅而不失活潑，充分調(diào)動學生學習的積極性。另外，還應結(jié)合不同專業(yè)特點闡述測試系統(tǒng)原理及應用。如對機械電子工程專業(yè)學生應重點講解傳感器在機床、PLC等方面的應用，在面對機械設計制造及其自動化專業(yè)的學生時應主要介紹在工藝設計、公差與配合方面如何選擇傳感器，而在給材料成型專業(yè)學生授課時應集中于分析模具設計過程與材料檢測中所應用的測試系統(tǒng)。這一方面要求教師需提高自身科學文化知識，另一方面則在于主動與學生溝通，了解不同專業(yè)學生學習的特點。

2 采用以工程案例和生產(chǎn)實踐為主線的課 程教學模式

利用良好的試驗教學平臺，除了教學計劃內(nèi)的實驗外，還應針對教學知識點，結(jié)合工程題目設計實驗案例，讓學生自己設計和集成測試系統(tǒng)，重點培養(yǎng)創(chuàng)造意識，增強工程分析和實際應用能力。如在監(jiān)測汽車傳動軸轉(zhuǎn)速的工程案例中，讓學生利用所學知識先選擇傳感器并說明其依據(jù)，然后結(jié)合各特點從中挑選幾種典型測量傳動軸轉(zhuǎn)速的傳感器，從可行性、精確性、經(jīng)濟成本及便利程度等方面進行講解并選擇其中較為合理的傳感器。再以此誘發(fā)學生通過對激勵與響應的分析建立測試系統(tǒng)的簡易數(shù)學模型，并分析其時頻特征。再如，講解連續(xù)油管橢圓度測量時，提出油管在長時間工作下會受到流體重力及切應力作用，繼而引發(fā)油管縱向擴張和橫向收縮，從而導致油管截面變形（圖2a）。在闡明油管失效機理后提出“如何檢測油管外壁的橢圓度”的問題，并提醒學生首先考慮用何種傳感器。學生在討論中極有可能把所學傳感器都列舉出來，這種頭腦風暴式的想法邏輯性較差。為此，提示學生油管橢圓度工程檢測中要測的是何種物理量。這樣，學生即可分析出為位移，再提示學生繼續(xù)思考，并結(jié)合粗糙度檢測工藝引發(fā)學生參與討論。這樣部分學生會聯(lián)想到渦流傳感器，并提示學生粗糙度檢測一般為平面，但本文橢圓度檢測為圓周面。通過層層深入挖掘、分析，最后提出油管橢圓度檢測方案之一，如圖2b所示。

在講解大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁時，首先讓學生分析危險截面所在之處，繼而促使學生思考如何貼應變片以測量危險截面處的彎矩，并引導學生思考整個測試系統(tǒng)頻率響應函數(shù)的建立方法。另外，在分析功率譜時，多數(shù)學生誤將其峰值視為具有最大振蕩幅值所對應的信號，實則不然，功率譜中峰值處對應的信號只能說明其平均能量最大，但其振蕩峰值卻未必最高，這可以通過講解測量射流中心速度的方法而使問題明晰。

顯然，通過工程案例的講解，不僅加深了學生對電阻應變式傳感器、橋電路、A/D 轉(zhuǎn)換器和微處理器等的理解，而且有助于其掌握測試系統(tǒng)設計的基本過程，培養(yǎng)綜合運用知識的能力。

3 促進教學與科研相結(jié)合，增強學生創(chuàng)新 能力

將承擔科研項目的最新成果融入到研究生及本科教學中，提升測試技術課程教學水平和質(zhì)量。培養(yǎng)為地方經(jīng)濟建設服務的意識，旨在探索一條產(chǎn)學研結(jié)合、促進測試技術課程建設的新路子。

下面以筆者承擔的省級科研項目（脈沖氣液射流輔助鉆孔水力開采的機理及過程研究）為例分析氣液射流打擊力測試的方法。在授課過程中，首先向?qū)W生介紹水射流打擊力實質(zhì)為射流自身垂直沖擊于壓力傳感器上的滯止壓力，再由壓力傳感器將其轉(zhuǎn)化為電信號并輸送至SD150信號分析系統(tǒng)上的測試過程，然后結(jié)合第三章《測量裝置的基本特性》與第四章《常用的測量方法、器具及傳感器》相關知識[5]，分析整個測試系統(tǒng)的工作原理及關鍵過程。其測試原理圖如圖3。

試驗中，為獲得射流軸心速度，設置靶盤上小孔直徑盡量小，為0.5mm，并與射流軸心對準。這樣，由噴嘴產(chǎn)生的氣液射流軸心部分垂直打擊于壓力傳感器上表面，再依次通過信號放大器與信號采集卡，最終由SD150動態(tài)信號分析系統(tǒng)處理。在測試過程中，激勵為射流的打擊力，響應為輸出終端電壓，中間整個環(huán)節(jié)均為測試系統(tǒng)。在講述完這些問題后，讓學生討論測試系統(tǒng)是否為線性。若學生對此理解有困難，再提出將整個測試系統(tǒng)劃分為兩部分引導學生思考，第一部分為壓力傳感器，第二部分為信號放大器至SD150分析系統(tǒng)。接著讓學生根據(jù)壓力傳感器說明書上的幅頻特性自己分析其線性特性以及可測量的頻率范圍，并判斷何為激勵、何為響應。最后引發(fā)學生思考“第二部分測試系統(tǒng)是否為線性裝置，如何驗證？”通過這些科研實例的講解與分析，不僅誘發(fā)出學生學習的積極性，還極大地培養(yǎng)了學生對科研的熱情，同時對老師的科研水平也會起到較好的促進作用。

為提高學生的學習積極性與創(chuàng)造性，還可據(jù)此提出問題“該方法在測量射流打擊力時有何難點，裝置可靠性是否能夠保證，是否還存在與之不同的測試方法？”在討論過程中提示學生思考靶盤上小孔的直徑和深度是否會對測試有影響，多數(shù)學生可以分析得出射流在噴射入小孔后與壓力傳感器撞擊形成的高速水漬會干擾主射流，甚至會引發(fā)新的渦量脈動。為解決上述難題，筆者提示學生考慮用壓電傳感器測振動的方法分析，即將射流沖擊于懸臂梁并由壓電傳感器測量梁的振動而間接獲得射流的時頻特性，其原理圖如圖4所示。

在分析完上述測試系統(tǒng)組成部分（由懸臂梁系統(tǒng)、加速度傳感器與振動分析儀串聯(lián)組成）后，學生對此可能會提出打擊力的峰值與振動分析儀數(shù)顯峰值如何對應的問題。此時，恰好可以讓學生思考激勵與響應的定量分析問題，并說明如何標定。經(jīng)過一段時間的互動思考，筆者再提出以實踐教學環(huán)節(jié)所用電動激勵器為激勵源來檢驗整個測試系統(tǒng)的線性度。最后提出懸臂梁的結(jié)構(gòu)如何選擇的問題，并通過材料力學彎矩相關知識予以提示，到此可能會有部分學生會考慮到選擇等強度梁，教師可讓學生對此進行解釋。相信通過這些實例講解與循序漸進的激勵機制，學生對測試技術的學習不再感到晦澀難懂，而且創(chuàng)造性思維也會得到極大增強，同時老師在與學生的交流中也會碰撞激發(fā)出科研靈感與創(chuàng)新動力。

4 結(jié)束語

《機械工程測試技術》是一門重要的技術基礎課，它在培養(yǎng)學生、改造專業(yè)和促進科技發(fā)展方面有重要作用。

本文在傳統(tǒng)教學的基礎上，結(jié)合筆者自身教學改革實踐經(jīng)驗，以啟發(fā)式教學為主線，充分調(diào)動學生積極性，化被動學習為主動求知，促進了教學理念的轉(zhuǎn)變；提出“以工程案例和生產(chǎn)實踐為主線的課程教學模式”，利用良好的試驗教學平臺，除了教學計劃內(nèi)的實驗外，還針對教學知識點，結(jié)合工程題目設計實驗案例，讓學生自己設計和集成測試系統(tǒng)，重點培養(yǎng)創(chuàng)造意識，增強工程分析和實際應用能力；將科研課題融入教學以推進兩者緊密結(jié)合，使得學生在科研過程中增強自身的求知欲及創(chuàng)新能力，同時也可促進老師的研發(fā)水平。

參考文獻

[1]張鳳生，王海峰，等.機械工程測試技術課程教學改革與實踐[J].教學研究，2012，35（1）：92-94.

[2]張志剛，石曉輝，等.《機械工程測試技術》課程理論教學的改革與創(chuàng)新[J].技創(chuàng)新導報，2011，（23）：147-148.

[3]張建立，馬泳濤，等.《機械工程測試技術基礎》教學方法研究[J].企業(yè)技術開發(fā)，2012，29（13）：157-158.

[4]曹長德.啟發(fā)式教學論[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2011：10-50.

[5]黃長藝，盧文祥，等.機械工程測量與試驗技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000：43-92.