基于MATLAB的機械工程測試技術教學探討

許同樂　蔡道勇　馬金英

[摘 要] 隨著現代機械工業的發展，機械工程測試技術這門課程在教學中扮演的角色越來越重要。由于這門課程課時少、內容多且抽象難理解，對教學造成了很大的困擾。針對這點，將MATLAB軟件應用到這門課程的教學中，豐富了教學內容和增強學生學習的趣味性。

[關鍵詞] 測試技術；教學方法；MATLAB

[中圖分類號] TP274 [文獻標志碼] A [文章編號] 1005-4634（2015）01-0062-04

機械工業生產自動化程度不斷提高，機械工程測試技術在其中所起的作用不可替代。同時機械工程測試技術是機械類及近機械類專業的一門理論和實踐性都很強的基礎課程[1，2]，是交叉性學科。對該類專業學生畢業后快速適應自動化工業生產具有很大的幫助，也在現代制造業和創新型人才培養中起著重要的作用。

1 機械工程測試技術教學中問題

1.1 教學內容缺乏針對性

目前，機械工程測試技術教材內容抽象且實例少，成為影響教學質量的一個重要因素。同時課程內容涉獵極為廣泛，安排較為松散，采用傳統的因“材”施教方式，使學生感到知識枯澀難懂[3-5]。

1.2 課程內容多，而學時少

該課程內容包括材料學、傳感器、信號處理、數理統計、精密機械設計等眾多門學科。而隨著大學教學體系的改革，機械工程測試技術的教學時間大幅度縮減，這就變相增加了老師的教學難度和學生的學習壓力。此外該課程具有很強的實踐性，理論學習必須配合相關實驗才能牢固掌握知識。

1.3 實驗教學模式單一

機械工程測試技術的實驗教學是該課程教學非常重要的環節，主要包括測試系統特性的測量、振動信號測試、各類傳感器的應用等。學生可以通過實驗驗證所學理論，做到活學活用。現在多數實驗教學儀器是集成化實驗裝置，學生只需要按照老師規定的步驟即可完成實驗操作，但是學生對每個實驗及其環節仍沒有直觀認識且缺乏自主性，所以這種實驗教學模式在培養學生創新能力上所起到的作用是非常有限的。

2 MATLAB在機械工程測試課程教學中 應用

為解決以上問題，就要對機械工程測試技術教學進行改革，筆者將MATLAB應用到該門課程教學中，有助于教學質量和學生綜合素質的提高。MATLAB是一個大型的矩陣實驗室，因其在數值分析、自動控制、信號處理、圖像處理和仿真等方面的強大功能，逐漸成為各學科領域中必不可少的研究工具。在歐美等發達國家的高校中，該軟件已成為相關領域的基本教學工具，是在校學生必須掌握的基本技能。在國內，該軟件也以逐步成為理工科的必修課，但在該課程中的應用還很少。

2.1 結合課程內容，采用MATLAB輔助教學

將MATLAB引入機械工程測試技術教學中，有利于活躍課堂氛圍，使學生對理論性較強的內容有更直觀的認識，也掌握了一門對將來學習和工作都很有幫助的計算機編程語言。引入MATLAB，大大減輕學生的計算量，使其有更多的時間進行技術改造和創造性思維。同時也減輕了授課時的計算負擔，從而可將問題的分析引入更深層次。

例如：二階系統的動態特性是該課程的重點，固有頻率和阻尼比對系統特性的影響具有很強的抽象性，為此通過MATLAB編程演示阻尼比對歸一化的二階系統的響應曲線的影響，使學生對該內容有直觀的了解。如圖1所示。

1）教學中合理搭配與應用。近年來，作者將MATLAB及測試信號分析應用軟件用于課程教學，取得了很好的效果。對教師而言，首先要在上課之前準備充分，在課堂上邊講邊演示，將抽象難懂的問題通過MATLAB形象直觀地演示出來，學生一目了然，節省教師畫圖的時間，增加了授課內容，提高了課堂教學效率；就學生而言，通過MATLAB繪圖，直觀了解一些復雜理論，縮短了理解時間。例如在講授測試裝置基本特性這一章內容時，對于測試裝置的二階系統特性的內容學生難以理解，通過圖形演示，學生清楚地看到各種情況下其伯德圖和奈奎斯特曲線的變化（見圖2），這樣直觀表達其特性，學生容易接受。

2）用MATLAB自主完成課后練習。學生在做課后練習題時，會發現有些題目很抽象，難以判別對錯，此時就可使用MATLAB進行仿真，學生就可以輕松判斷對錯，同時增加了學習情趣，也提高了學生解決問題的能力。如判斷兩不同周期信號的頻率比為無理數時，則疊加后信號無公共周期，為了解釋這一結論，筆者應用MATLAB對以下兩組信號進行仿真，第一組為兩不同周期信號的頻率比為有理數，第二組為兩不同周期信號的頻率比為無理數。

這樣便于學生前后比較、聯想，有助于幫助學生理解，而軟件的應用是重結果輕過程。因此在機械工程測試技術課程教學手段上，需要合理搭配與應用，應該更多地采用使用軟件和PPT教學相結合的方法，從而發揮各自的優勢，以達到更好的學習效果。

2.2 解決內容多與課時少之間矛盾

為緩解內容多與課時少之間的矛盾，教師往往采用“講主省次”的方法。利用MATLAB提供的數值計算、圖形處理、數字仿真等功能，不僅可以大量節省用于計算、概念、圖形講解等方面的時間，而且降低課程內容的理論抽象性、增強直觀性，從而可以抽出時間增加課堂教學互動，將學生引導到向更高層次。信號分析如圖5、圖6所示。

2.3 MATLAB結合LabVIEW實時分析機械故障 信號

LabVIEW是圖形化編程，具有友好的人機界面，而MATLAB在信號分析方面具有強大功能和龐大的內置函數庫，有利于信號處理，筆者利用LabVIEW的matlabscript節點使兩個軟件結合起來，LabVIEW利用該節點可執行MATLAB語句或函數的載體，很方便地調用MATLAB內置函數，也可以在里面編寫MATLAB語句。因此利用這一特點開發了故障診斷系統。

根據診斷系統必須實現的功能，合理設計系統框架，將系統分模塊設計。筆者開發了時域頻域分析模塊等模塊，學生在該模塊可以實現輸入數據的實時顯示、頻譜分析、以及各指標的計算和報警設置。模塊采用的時域指標有最大值、最小值、均方根值和峭度值，與設定的峰值閾值、均方根閾值、峭度閾值比較后程序可以識別是否報警。風機軸承故障診斷系統見圖7、圖8和圖9。

以上程序主要實現信號的處理分析，能讓學生通過實例更加深刻地了解信號分析的作用。

將MATLAB引入機械工程測試技術的教學中，是對傳統測試技術教學模式的突破。對教師而言，要求教師必須精通MATLAB，有助于教師素質的提高，省去了課堂上原來用于計算等占用的大量課時，以便引導學生走向更深層次，增加了學生學習的興趣；對于學生，通過自己動手以驗證所學知識的正確性，既能加深對知識的理解，又能增加學習該門課程的信心，是對傳統學習模式的挑戰，同時還掌握了對日后學習和工作都很有幫助的一門高級編程語言。這種理論和實踐并重的教學模式，既大大提高了機械工程測試技術的教學質量，又滿足了社會對學生的要求。

參考文獻

[1]熊詩波，黃長藝.機械工程測試技術基礎[M].北京：機械工業出版社，2006：1-30.

[2]許同樂.機械工程測試技術[M].北京：機械工業出版社，2010：3-36.

[3]慕麗，王鑫威.《機械工程測試技術基礎》課程教學模式探討[J].裝備制造技術，2010，（6）：212-214.

[4]李力，陳從平等.面向工程應用的“測試技術”課程教學與實踐[J].中國電力教育，2009，（6）：108-109.

[5]吳世雄，王成勇.“機械工程測試技術”教學改革的探索[J]. 廣東工業大學學報（社會科學版），2007，（6）：108-109.