現代測試技術在機械類本科測試技術教學中的滲透

劉海寧+門秀花+邵海燕+王曉慧

【摘 要】測試技術具有較強的學科交叉性和工程實踐性。多年來，雖然測試基本原理和理論方法相同，但現代測試技術在技術形態和應用方式上一直在不斷演化，這就構成了學生在相關內容學習上的認識壁壘。本文通過在教學過程中進行現代測試技術的滲透，旨在深化學生對教學內容的理解，建立教學內容與工程應用的聯系，提高學生的學習積極性。教學實踐發現，基于合理組織的滲透內容和靈活實施的教學過程，教學效果得到了顯著提升，測試技術教學知識目標、能力目標和素質目標得到了總體實現。

【關鍵詞】測試技術；機械工程；本科教學

“測試技術”是各機械工程專業必修課程。整體來看，這門課程的特點十分突出：一是，學科交叉性強，技術內容與高等數學、電工電子、控制工程、基礎物理等課程關聯緊密，是多學科知識的綜合應用；二是，工程實踐性強，除了滿足系統測試目的外，測試技術的應用滲透到生產、生活的各個環節，更是工業自動化、控制技術的重要組成。機械工程測試技術在內容設計上兼顧我國本科教育“厚基礎、寬口徑”原則的基礎上，側重對機械工程應用中測試技術的介紹。在多年的教學實踐中發現，學生對該門課程的學習存在兩種負面態度：一種認為該門課程內容陳舊，與工程應用脫節，學習積極性不高；另一種認為課程內容較為枯燥、生澀難懂，與機械專業相去甚遠。針對這些問題，各高校在教學過程中均有目的地引入了一些工程應用案例[1]，以輔助對現有教學內容的理解，取得了較好的教學效果。但同時也應看到，隨著測試技術的發展，雖然測試的基本原理和理論方法相同，但技術形態和應用方式一直在不斷演化，這就構成了學生在相關內容學習上的認識壁壘。本文探討通過在測試技術教學過程中進行現代測試技術的滲透，拉近學生與測試工程的距離，使其能夠明確測試技術教學內容的工程應用價值，解決學生心中疑惑，提高教學質量。

1 把握滲透的目的意義

針對測試技術的課程特點及實際教學過程中出現的問題，基于已有教學內容框架進行現代測試技術的滲透，將經典理論與前沿技術結合，目的是為了進一步提高教學效果，綜合實現教學的知識目標、能力目標與素質目標。具體地：

一是，深化對教學內容的理解。在講清楚已有教學內容的基礎上，或將現有理論知識進行擴展，或將相關技術形態進行介紹，使學生能夠了解到形式多樣的現代測試技術形態、其背后的理論依據以及如何滿足工程應用的需要，明確與現有教學內容的區別與聯系，在對比和聯想中加深對教學內容知識的理解和把握。

二是，建立與工程應用的聯系。通過對工程實例和具體技術手段的介紹，將使抽象的理論知識物化為觸手可及的技術手段，從而拉近理論知識與實際工程應用之間的距離，使學生一方面能夠明確理論知識的學習目的，另一方面能夠熟悉時興的技術手段，并能夠以理論知識指導技術手段的選擇和應用。

三是，提高學生的學習積極性。教學實踐中發現，學生普遍對前沿技術感興趣，而興趣是最好的老師。所滲透的現代測試技術概念、知識和技術與圍繞大綱但又超越大綱要求，雖然無法詳細深入地進行講解，但是能夠引導學生進行自主探究、自我學習，從而在教學效果上產生倍增效應。

2 合理組織滲透內容

伴隨著工程實驗、運行監測、自動控制、生物醫療等行業需求的深入，現代測試技術理論、技術內容眾多，包羅萬象。現代測試技術的滲透不能泛泛而談，否則達不到滲透目的，也不能刨根問底，否則容易使學生產生畏難情緒，必須根據機械專業特點及本科生培養目標要求，圍繞授課內容有選擇地進行現代測試技術滲透內容的組織。機械工程測試技術授課內容一般包括：信號、傳感器、中間變換電路、信號處理方法及測試裝置的基本特性等主要內容，本文以《機械工程測試技術基礎》[2]為授課教材，圍繞核心授課內容進行現代測試技術的滲透內容組織，如圖1所示。其中，“測試裝置的基本特性”部分是從整體上對測試裝置的靜態和動態特性進行衡量，相關內容理論性較強，滲透內容的組織可結合傳感器與中間變換電路進行實例化描述。而滲透形式可靈活采用理論、技術、工程實例等多種方式。

在“信號”部分，對信號的頻域描述是重點，而其根本目的還是為了提取信號所攜帶的有用信息。結合人工智能介紹特征提取技術能使學生明確信號與信息的區別與聯系；盲源分離技術對所感興趣波形成分的提取與傅里葉頻譜分析尋找敏感頻譜成分異曲同工，都是以獲取有用信息成分為目的的分析手段，對相關內容的介紹能夠使學生進一步把握頻譜分析的目的，同時能夠對時域與頻域的不同建立直觀感受。基于振動信號的軸承故障診斷[3]已經是較為成熟的技術，其基本原理如圖2所示：通過頻譜成分分析尋找外圈通過頻率或內圈通過頻率就能確定對應的故障是外圈故障還是內圈故障。通過對該實例的介紹，學生不僅能夠把握學習頻譜分析方法的意義，同時還能接觸到快速傅里葉變換算法、機械故障診斷學等概念。

在“傳感器”部分，掌握傳感器及敏感元件的工作原理是核心?？紤]到工程技術人員接觸最多的是如何選用適合的傳感器滿足系統構建的需要，特別是隨著信息化與工業化的深入融合，很有必要向學生介紹面向工業4.0與物聯網的網絡傳感器、智能傳感器等前沿技術。教學實踐也證明，相關內容能夠極大激發學生的學習興趣。壓電式傳感器與機械專業結合緊密，該部分內容學習很重要的一點是讓學生明白電壓式放大電路與電荷式放大電路的工作原理及各自優劣。而在工程應用中往往采取折中方案，如廣泛采用的IEPE型加速度傳感器就是通過內置電荷放大器外加恒流源的方式來滿足長距離的信號傳輸需要。

中間變換電路是從傳感器到信號顯示、記錄、處理裝置的中間環節。微弱信號檢測涉及內容眾多，在這里主要介紹交流放大技術，通過相關內容的介紹能夠講清楚動態電阻應變儀采用交流純電阻電橋，而不是直接采用運算放大器的原因。通過介紹廣泛應用的虛擬儀器技術、PCI/PXI/PC104/USB數據采集設備，能夠使學生從工程應用角度了解當前快速集成一個測試系統所用的技術手段。

“信息處理方法”部分在教材中主要介紹了相關分析、功率譜分析兩種初步的信號處理方法，這在工程應用中是遠遠不夠的。工程技術人員必須建立一定的信息處理方法的知識儲備，才能夠根據測試環境的不同、手段的不同、目的的不同選用適合的信息處理方法。諸如數字濾波、短時傅立葉變換、小波分析、卡爾曼濾波等在內的信號處理方法雖然不能夠深入講解，但是可以結合工程實例和科研項目介紹這些方法的用途、特點，甚至是相應的算法實現、芯片支持等等。

3 靈活實施授課過程

現代測試技術內容的滲透也面臨著一些矛盾和困難：一是，授課內容較多，但是分配學時普遍較少，并且課程一般包括6-10個學時的實驗，使得教學學時進一步壓縮。二是，對滲透內容與基礎授課內容關系的把握問題，相對來說，滲透內容圍繞基礎內容展開，應當從屬于并服務于基礎授課內容的教學工作。具體來說，滲透內容的教學應注意以下幾點：

3.1 合理把握滲透內容的講解深度

現代測試技術的滲透講究知識面的擴展，而非理論的深度，重在啟發學生的自我探究意識和專業精神，使其能夠理清理論方法“從何處來，往何處去”，了解技術手段“依據什么，能干什么，有何特點”，使學生能夠建立一定的測試技術和理論的儲備，便于今后相關技術工作的開展。

3.2 注意采用靈活的授課形式

測試技術本身實踐性強，相較于基礎教學內容，滲透內容尤其需要采用直觀、形象的教學形式來保證教學效果的實現，例如：在多媒體教學過程中，以圖片、視頻的形式介紹最新測試技術的應用案例；通過Matlab進行數值實驗，實際演示信號的頻譜分析、信號調制與解調、信號濾波等內容。

3.3 注重啟發學生思考與探究

所滲透的現代測試技術內容超出了教材內容，更超出了實驗條件支持，必須通過啟發學生思考的方式使學生在頭腦中建立滲透內容與教材內容的聯系，實現與工程應用的對接。在課時允許的情況下，可進行一定的工程專題講座，例如以基于振動信號的軸承故障診斷為例，系統地將IEPE型壓電式加速度傳感器、振動信號采集與處理裝置、頻譜分析或信號處理方法等內容進行串講，使學生建立對測試技術的系統化思維。

4 結論

綜上所述，在機械類本科測試技術教學過程中進行現代測試技術的滲透，符合我國本科教育培養的目標要求，有利于解決當前測試技術授課中出現的問題。教學實踐也發現，基于基礎授課內容合理組織滲透內容，再加上靈活實施的授課過程，能夠達到較好的教學效果。同時，應當注意測試技術本身也是處在不斷發展的過程中，教學人員應當結合科研和工程項目實踐，不斷追蹤最新的技術形態，總結滲透內容并反饋于教學，實現教學與科研的互動相長。

【參考文獻】

[1]李冰.工程案例教學在《機械工程測試技術》中的應用[J].裝備制造技術，2010：196-199.

[2]熊詩波，黃長藝.機械工程測試技術基礎[M].3版.北京：機械工業出版社，2006.

[3]鐘秉林，黃仁.機械故障診斷學[M].3版.機械工業出版社，2006.

[責任編輯：湯靜]