面向機械工程測試技術課程的創新教學研究與實踐

摘要：面向機械工程測試技術課程教學過程中，從理論與實踐兩方面進行創新性教學研究。重構教學體系，將仿真與虛擬實驗及工程應用引入課堂，使學生產生明顯的學習興趣。在實踐教學中，以虛擬儀器為平臺，應用創新性教學，將課程的知識點融入一個或幾個任務之中，使學生在完成設計任務的同時，掌握所學新知識。

關鍵詞：創新性教學；機械工程測試技術；理論教學；實踐教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）46-0056-03

創新性教學，相對傳統教學而言，是一種新的教學模式。它要求教師在繼承傳統教學中有利于培養學生創新思維的教學方法的同時，又要敢于打破傳統教學中不利于學生創新思維的教學方法[1]。《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》中明確提出，要推動人才培養機制改革，健全寓教于研的創新人才培養模式，以高水平科學研究支撐高質量人才培養。如何在人才培養體系中建立創新模式，在教學環節中實現學生自主學習能力、創新能力的提升目標，成為教學改革的關鍵。傳統的課堂教學模式是以教師為中心，學生處于被動消極學習狀態，教學手段刻板，一些涵蓋豐富專業特點和專業知識的課程，沒有用到現代的教學方法中，教師只講其工作原理，卻很少講其作用，以至于所學知識難以致用，學生對專業課程越來越沒有興趣，其結果是等到畢業時卻不知自己所學所用何處[2，3]。哈爾濱理工大學機械電子工程專業，在原有大機械培養背景下，為適應現代機械系統自動化程度的不斷提高、測試技術在機械領域中的應用日益廣泛的需求下，機械工程測試技術這門課受到越來越多的重視，但是該門課程的教學方式仍然存在著上述教學缺陷，為了改變現狀，對機械工程測試技術這門課程進行了教學改革與創新。

一、機械工程測試技術教學現狀分析

隨著新技術、新裝備的不斷發展，越來越要求學生具有較高的測控技術理論與實踐能力。機械工程測試技術是機械類專業重要的平臺課程，其特點是多學科交叉、理論和實踐緊密結合的課程。該課程教學的好壞，是實現高級機電專業技術人才培養的關鍵。因此關于機械工程測試技術課程的教學方法的研究，越來越得到教學一線老師的重視[4]。與機械工程測試相關的系列課程的教學內容包括單片機原理與應用、機器人基礎、微機接口技術等多門課程。傳統的機械工程測試技術課程，以課堂講授為主，從基礎的信號分類開始，講解信號的頻譜分析方法、測試系統特性、傳感器、信號的采集及處理，在這過程中學生利用一些實驗裝置進行同頻檢測與頻譜分析、電橋性能比較及振動測量實驗。這種教學形式看似是理論和實踐結合，互相驗證，但在實際教學過程中并不理想。主要原因在于實驗均屬于驗證性實驗，而該課程則要培養具有設計和實踐能力的人才，因此目前這種傳統教學方法很難讓學生具有實際設計與操作能力。

二、面向機械工程測試的創新性教學的內容和形式

現代教育的大方向是越來越注重理論與實踐的結合，尤其到了大三以上的年級，開始進行專業素質的培養。《機械工程測試技術》是機械類專業大三學生必修的專業平臺課，這對大四一些專業課程的學習起到承前啟后的作用，因此對該課程的教學創新有其獨到的特點。首先，任課老師應具有寬廣的知識面，即應具有測試、信號分析與處理、控制理論與實踐，并了解一定的機械設計及制造方面的知識。同時，還應與時俱進，了解最新的測控手段和發展趨勢，這是講授該課程老師所具備的基本能力。其次，要靈活運用現代教學手段，以便課堂上能夠生動地將理論聯系到實際應用。最后，在該課程的學習過程中應盡量賦予學生學以致用的思想。面向工程測試的創新性教學包括理論教學、實踐教學和考核方式的創新。通過對課程主要內容的細致分析和研究，并根據系統組成模塊對課程章節內容按照信號在測試系統中的傳輸順序將整個內容貫穿起來，從而使學生建立完整的測試系統概念。傳統的理論教學過程中，往往是先教后學，即課堂教學在先，學生復習、體驗知識在后。這種形式會出現學生應付了事和互相抄襲現象。為了改變這種現狀，創新理論教學環節強調學生要提前學習，梳理問題意識、確定研究課題、查閱相關資料、論證研究方法和可行性等，這種學習方式是學生對知識進行自我構建的過程，使教與學的關系發生深刻變化，真正實現“以人為本，因材施教”的教學思想。創新性教學方法是建立在教學思想和教學模式轉變的基礎上，以教師為主導、以學生為主體的新型教學思想和教學模式能充分發揮教師的引導作用和學生的主觀能動性。在創新性教學方法引導下，課程理論教學過程采用啟發式講授、工程案例剖析與課堂討論相結合的方法。在使用課程教材時，不應只單純的把“教材”看成“教材”，而更多的是把它當成“課材”。教學中不應該過多的把教材當作教學活動的主體，應盡量以教材為基礎加大課外知識的引入。所以，這就要求教師應該博覽群書，走在知識的前沿，給學生提供最新的信息與技術。在進行理論教學期間，充分利用現代多媒體技術，將工程應用案例與虛擬實驗技術引入到課堂。例如教師在講解緒論這一章中，播放一些應用于企業生產、軍事、航天等方面的測控技術，讓學生了解該門課程的應用范圍與前景，使學生產生強烈的學習興趣。在實踐教學創新方面，為提高教學內容的針對性，同時激發學生的學習興趣，采用以虛擬儀器為平臺的創新性教學，改變過分注重學習知識的科學性和完整性而忽視實踐性和創新性現象。虛擬儀器技術是今后儀器儀表、測試控制研究與發展的方向。發展現代科技，儀器儀表技術是重要的基礎，虛擬儀器為我們實施創新教育提供了一個具有可操作性的實踐平臺[5]。根據課程特點，以虛擬儀器為平臺，以創新為思想，設置項目任務，讓學生在完成工作任務的過程中完成理論知識的學習[6]。創新性教學特點在于把培養學生的能動性和創新能力放在首位，注重培養其獨立分析問題和解決問題的能力。在課程考核方面，不應以最終的期末試卷作為考核的基本標準，而是與平時的創新實踐結合起來。由于本課程的創新教學尚處于初步實施階段，在這期間，主要以培養創新團隊為主，創新團隊的成員所參加的各種創新實踐活動也做為最終課程考核的一部分，并占有比其他同學多20%的平時成績比例。這種激勵機制將激發同學們參加創新學習的積極性，加快學生們的實踐與動手能力的培養。

三、面向機械工程測試技術課程創新性教學的實踐

教師講授機械工程測試技術課程過程中，在講授完第二章傅里葉變換的基本理論后，就可以給學生提出運用創新思想設計一套虛擬測試系統實現各種物理量的測量，這種測試系統內容涵蓋教學目標的主要知識點，并具有循序漸進的學習認知規律。因為實際生活與工程中，物理量是多種多樣的。在老師的指引下，學生自主研究，自主管理，團結合作，開發出基于虛擬儀器平臺上的各種形式的測試系統，真正實現理論與實踐的良好結合。針對當前機械工程測試技術課程教學中存在的問題和不足，首先給出以下一些創新性教學策略：

1.課程講解中充分利用多媒體技術。和傳統板書式教學相比，多媒體技術具有傳統板書式教學無法比擬的信息量。多媒體教學設計配合多感官學習，能大大提高教學密度[7]。工程測試技術是實踐性很強的課程，因此，課堂上正確使用多媒體技術，能夠創設教學情境，引導學生進入工程應用的意境，達到學有所用的境地。將多媒體技術具體應用于機械工程測試技術課程的主要使用方法總結如下：①工程資料累積法，任課老師將與課程相關的科研與工程應用范例等資料以多媒體的形式儲存在電腦中，并鏈接于相應的課件中，教學時根據需要播放相關的內容。②原理過程分部展現法，課程中很多復雜的原理過程，如相關的測控電路，由于機械類學生對電類課程不能很好地理解和應用，這時可利用多媒體技術，將復雜的原理過程分步展示，從傳感器拾取信號的過程開始，經過調理電路，調理電路如何調理微弱的傳感器信號，然后用何種形式顯示出來等，這些過程通過多媒體形象地展示出來，即能幫助學生理解復雜的原理，又能激發學習動機。③動態控速展示法，教材中有許多靜態圖形圖像，但實際上，這些靜態圖形圖像在測試工程中大多數都是運動變化的，為了揭示這種實質上具有動態特性的圖形圖像的內涵，要使其動態化（二維或三維動畫或圖像變換），并利用播放過程中的速度控制以及定格技巧，全面深入地揭示測試原理。

2.利用“任務驅動”激發學習興趣。機械工程測試是當今最活躍的前沿學科之一，在教學過程中，不僅要使學生了解本學科的最新發展，重要的是要學生學會利用所學知識實現各種現實功能，這才是大學教育的本質。在講授理論知識的過程中，設置一些測試設計任務，讓學生在動手實踐過程中發現問題，提出問題，在老師的引導下，最后解決問題。這樣，學生的學習由被動變成主動，激發學生的學習興趣，提高學習效率，很好地培養學生自主探索和創新能力。

3.培養學生的創新意識，建立創新團隊。為了能夠真正實施基于虛擬儀器平臺的創新實踐教學，首先要培養學生的創新意識。具體的操作方法是，組建創新實踐團隊，以團隊帶動全體。創新團隊通過參加創新實驗、創新大賽等，以興趣為導向，學習相關理論，對所涉及領域有較深入的認識和全面的了解，并開發出與所學課程相關的虛擬實驗平臺。在此基礎上，帶動大多數學生的學習興趣，培養學生的創造性思維，在虛擬實驗平臺的基礎上，根據所學知識，進一步開發出與課程相關的實驗系統，如各種物理量的虛擬測量系統等。在學習和創新期間，要培養學生網絡探索與創新的能力，鼓勵學生在網上建立自主學習網頁，幫助其他學生也加入創新興趣小組來。這一活動不僅可以讓學生所學知識有“用武之地”，幫助他們提高創新實踐能力，而且這些能力對他們今后的工作和生活也具有很大的幫助。

四、以虛擬儀器為平臺面向工程測試技術課程的創新性實踐教學的實現

基于上述創新性教學策略與思想，機械工程測試技術的教學中，理論和實踐教學均引入引入了創新性教學策略與方法。在理論上，課程講解多與工程實踐相結合。實踐教學上，組織有一定學習積極性的同學組建創新實驗小組，目的是以點帶面。在進行創新性實踐教學過程中做出如下創新實踐教學設計：

1.布置設計任務。開發與課程相關的基礎虛擬實驗平臺，該平臺包含信號發生與處理、濾波、頻譜分析功能，此信號發生器可以產生正弦波、方波、三角波，并具有兩個信道。其次在此基礎上開發出虛擬噪聲信號分析測量系統，利用電腦自帶的聲音采集系統，作為虛擬噪聲信號的輸入，在試驗平臺上可以看到信號的幅值和頻率的變化，實現噪聲識別。

2.知識準備與引導。在老師的引導與建議下，學習Labview軟件，學習各種頻譜分析方法，了解各種窗函數原理、各種濾波器的原理，并學習如何應用Labview設置窗函數與濾波器。在此基礎上，設計聲音采集與信號分析虛擬測量系統，應用所學習的幅值域與頻譜分析方法對聲音信號進行分析。

3.項目實施。經過學習，認真設計后，完成的信號發生器與虛擬噪聲測試系統如圖1和圖2所示，其中，圖1是同學們開發的虛擬信號發生系統，該信號發生系統可以產生正弦信號、三角波信號、方波信號，同時可實現濾波、幅值譜和功率譜分析。圖2是虛擬噪聲測試實驗系統，該實驗系統可以模擬噪聲的產生，進行噪聲監測，利用電腦自帶的聲卡，通過麥克風模擬噪聲，對噪聲處理后，可以得到噪聲產生的頻率、幅值和相位。從處理結果可以看到濾波前后的波形變化，這樣直觀地、感性地、綜合地將所學知識融會貫通。[7]

根據創新性教學策略與方法應用于機械工程測試技術這門課程實踐表明，學生對該教學方式給予認同，一致認為這種形式的教學模式讓他們對課程的學習產生了更大的興趣，能夠幫助他們更好地學習，更好地掌握測試技術基礎理論和實際設計能力。針對機械工程測試技術課程的創新性教學的要求，任課老師應具有豐富的理論和實踐知識，要不斷地提高創新教育素養，教師的角色要從知識的重述者和傳遞者，轉變為學生學習的引導者和協作者，教學方法要變復制型為創造型，從而提高學生學習的興趣，提高學生獲取知識的效率和效果。

參考文獻：

[1]段華洽，王朔柏.深化教學改革創新教學模式——高校本科課堂教學模式創新研究[J].中國大學教學，2009，（4）：35-37.

[2]上官劍.創新教育中的“加”與“減”[J].湖南師范大學教育科學學報，2010，（1）：28-30.

[3]陳金國.工科類大學生創新教學實踐[J].實驗室研究與探索，2010，9（3）：95-97.

[4]張鳳生，王海峰，孫忠義，李智，楊倩.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.

[5]賈文華.基于虛擬實驗平臺建設的大學生實踐創新項目的建設與探索[J].中國科教創新導刊，2013，（2）：25.

[6]喬玉晶，魏建宇，謝迪，張鶴銳.基于虛擬儀器的測試技術實驗平臺開發[J].自動化技術與應用，2012，31（8）：75-77.

[7]張軍征，樊文芳.模擬軟件促進科學課程探究學習的作用分析[J].現代教育技術，2012，（4）：34-39.

科研項目：哈爾濱理工大學教育教學研究項目B201200014

作者簡介：喬玉晶（1972-），女，吉林德惠人，哈爾濱理工大學機械學院教授，碩士生導師。