“新工科”背景下機械工程測試技術課程教學改革

方從富，李遠

（華僑大學 機電及自動化學院，福建 廈門）

一 引言

“新工科”是為應對國際競爭新形勢和滿足國家戰略新需求而提出的新型工程教育模式，其核心是科學、人文、工程的交叉融合，培養新時代發展需求的“新工科”創新人才[1]。戰略性、創新性、系統性和開放性是“新工科”的基本特征，建設任務的重點是教、學、實踐和創新[2]。課程作為“新工科”人才培養的核心要素，它是影響學生發展最直接的中介和變量，課程教學質量將直接影響人才培養的質量。隨著“新工科”教育改革的不斷推進，需要進一步深化課程教學改革，以應對“新工科”人才的培養需求。

機械工程是以自然科學和技術科學為理論基礎，研究和解決與機械和動力生產有關的應用學科。隨著我國工業自動化、信息化和智能化發展水平的逐漸提高，需要運用測試技術來完成大量的信息檢測、信息提取和信息控制任務，既服務于國家戰略需求，又服務于百姓智慧生活。機械工程測試技術正是這門以機械工程需求為背景、以測試技術為手段、以獲取有用信息為根本任務的專業基礎課程，其特點一是多學科交叉融合性，涉及電子、信息、計算機、機械、物理、數學等多學科；二是厚基礎理論性，涉及信號和測試系統等基礎理論知識；三是較強實踐創新性，涉及傳感器、典型機械量測量和虛擬儀器等工程應用。理論和實踐是學生學習專業知識的重要基礎，也是能力和素質培養的重要環節。隨著機械行業的快速發展，尤其是信息技術、通信技術、網絡技術、計算機技術等的高速發展，測試技術的新知識、新內容和新方法也在不斷涌現，測試技術課程在機械制造業信息化和人才培養中起著越來越重要的作用。為適應“新工科”發展背景和需求，培養符合機械工程行業需求的高素質工程人才，需要立足于教、學、實踐和創新改革重點，亟待深化改革機械工程測試技術課程教學[3]。在原有的課程內容、實驗環節、教學方法和考核方式等基礎上，增添重構教學內容，合理設計實驗環節，優化改進教學方法，完善課程考核體系，從而提升課程教學質量和教學效果，進而實現知識能力素質一體化培養。

二 課程構成與教學中面臨的問題

以往機械工程測試技術課程構成主要包括理論和實驗兩大部分內容，其中理論部分包括緒論、信號基礎、測試系統基本特性、傳感器測量原理、信號調理技術、信號處理技術、信號記錄與處理、位移測量、力測量、溫度測量、振動測量共十一個部分內容；實驗部分包括現代測試系統、LabVIEW編程和虛擬實驗三個部分內容。教學所用教材為熊詩波主編的《機械工程測試技術基礎》，該教材由緒論、信號及其描述、測試裝置的基本特性、常用傳感器與敏感元件、信號的調理與記錄、信號處理初步、測量儀器與數字接口、智能儀器與虛擬儀器、位移測量、振動測量、聲學測量、應變/力/扭矩測量、流體參數測量共十三個章節。根據課程教學內容和所用教材，在教學過程中面臨以下問題。

（一） 課程內容龐雜難學，教材內容相對滯后

教學中，發現學生學習起來困難，探求其原因主要包括兩點：其一是課程理論較為厚重，理論與實驗聯系不緊密。在信號分析基礎和測試系統特性教學中，由于理論知識涉及公式推演，知識抽象不直觀，學生學習較為吃力，知識掌握不夠熟練[4]。在傳感器測量原理、信號調理技術等后續章節學習中，課程知識點分散冗雜，且涉及基本理論知識的靈活運用，學生對知識駕馭度不夠，難以從信號主線的角度融合運用理論知識和實驗知識。其二是教材內容滯后，且各章節聯系不夠緊密，內容更加分散雜亂，學生自主學習效果不理想。究其原因是龐雜難學的課程內容往往讓學生難以清楚認知課程教學主線，造成學生學習知識的割裂感和難度，進而影響學生對知識的掌握度和駕馭度。

（二） 實驗環節過于單一，創新訓練相對缺乏

在以往的課程教學中，實驗環節主要是以虛代實或以實代虛。特別是以虛代實的實驗環節，主要通過虛擬儀器LabVIEW等軟件進行編程仿真實驗，由于多為驗證性仿真實驗，教學內容主要集中在對編程操作步驟的講解，仿真內容也是根據設計好的實驗方案進行講解，學生機械化完成虛擬仿真實驗，這雖然有助于課程知識的理解，但是缺乏實踐創新的培養[5]。不論是以虛代實還是以實代虛的實驗環節，都會讓學生割裂虛擬儀器仿真與實際操作間的聯系，學生往往知其然而不知其所以然，難以有效培養學生的主動思考能力和創新訓練能力，實驗環節訓練效果往往不甚理想。

（三） 教學方法形式傳統，思維訓練引導不夠

以往的機械工程測試技術課程還是以教師為中心進行課程教學，教學形式主要以板書、PPT和傳感器實物等對教材進行講解教學。課堂教學由教師對全體學生進行理論講解，這雖然能有效把握教學進度和控制課堂節奏，但易產生“填鴨式”教學，缺乏引導學生進行思維能力鍛煉。雖然教師也在課堂以提問和探討等方式與學生進行交流，但是學生往往難以跟上教師節奏，這不但造成不少學生對不理解的知識缺乏提問的意識和勇氣，也造成被提問的學生難以有效回答問題。長此以往，整個教學過程中學生的知識吸取和思維訓練將無法得到有效的保障，學生學習興趣逐漸缺失，也易形成課堂低頭族、手機族等不良學風。

（四） 課程思政重視不夠，素質培養相對缺失

在落實立德樹人教育中，培養什么人、怎么培養人、為誰培養人是人才培養的關鍵核心，明確指出價值觀塑造是第一要務[6]。然而，在以往的機械工程測試技術課程教學中，雖然教師在測試技術概述部分進行了測試技術地位與重要作用介紹，并用案例圖片等進行展示教學，但缺乏讓學生參與其中的代入感和責任感，且在后續課程教學中主要講授課程知識本身和實踐能力培養，很少涉及價值觀方面的引導和培養。雖然課程教學中也會涉及部分思政教育，但是課程思政主線不明，對學生價值觀的塑造效果不理想。

（五） 課程考核體系僵化，綜合能力難以體現

根據新時代高等教育的要求，課程考核應該以知識、能力、素質作為衡量學生學習成績的唯一標準。在以往的課程考核中，學生成績以期末考試成績為主，約占總成績的70%，而平時成績是以課程作業和課程實驗為主，約占總成績的30%。在平時成績考核中，課程作業存在參考抄襲，課程實驗只求完成，學生心中只考慮保證平時的基本成績，根本不考慮知識掌握度和實驗創新。在期末考試前，學生往往會死記硬背課程知識和典型例題，只求在期末考試中取得好成績，至于課程知識是否真正掌握，往往不予關注。在期末考試季，學生在教室進行通宵達旦的復習場景屢見不鮮。這種僵化的考核體系扼殺了學生綜合能力的培養，也對平時認真學習思考和創新的學生不公平，他們最終的課程成績很可能比不上死記硬背的學生。為了體現學生的綜合能力，建立多元化和全程化考核方式是十分必要的[7]。

三 課程教學改革思路

針對機械工程測試技術課程構成特點和教學中存在的問題，立足教學、實踐、創新的改革重點，從課程內容、實驗教學、教學方法、考核形式等角度對該課程進行教學改革。

（一） 重構課程內容，融入課程思政

面對龐雜難學的教材內容，結合傳感器測試技術的進步與發展，從信號主線出發，立足信息獲取的課程任務和立德樹人的教學任務，將教學內容和思政內容融為一體，最終課程內容重塑為六個章節模塊，分別為測試技術概述、測試信號基礎、信號測試系統與傳感器、信號調理與處理技術、典型機械量測量和虛擬儀器與應用。總學時36，其中理論30學時，實驗6學時。課程內容與教學設計安排如表1。

表1 課程教學內容與教學設計安排

在結構上，課程六個章節模塊內容整體上呈現總分總結構，其中第一章測試技術概述為總，重點介紹工程測試目的、需求、應用和發展，并通過引入日常民生、國家需求和科技前沿等案例素材，如抗疫巡邏機器人溫度測量、智能手機傳感檢測、陸海空對地立體探測技術、可穿戴汗液檢測技術等，讓學生建立課程的測試觀，激發學生的學習興趣和動力，樹立學生的家國情懷和責任擔當；第二章測試信號基礎、第三章信號測試系統與傳感器和第四章信號調理與處理技術為分，以理論教學為主，主要講授信號基礎、測試系統特性、傳感器原理和信號調理與處理等理論知識，并穿插具體應用場景，讓理論學習與實踐應用緊密聯系起來，如信號時頻域分析的波形識別、主軸轉速測量、機床振動監測，測試系統分析的麥克風尖銳聲、橋梁固有頻率測量、測力儀零漂，信號調制處理的電視圖像扭曲、手機通話聲音不穩定、信號遠距離/無線傳輸等等，讓學生從信號的角度出發，掌握信號特征、測試系統特性、傳感器原理和信號調理處理等理論知識，樹立信號思考意識，培養工程意識、系統思維和鉆研精神；第五章典型機械量測量和第六章虛擬儀器與應用為總，以實際運用和實驗教學為主，主要教學振動、力、溫度等典型機械量測量和虛擬儀器LabVIEW編程應用，實驗環節采用虛實結合的方式進行，實操實驗讓學生測量實際信號，虛擬實驗讓學生編程分析信號，從而讓學生從總體上完成整個測試過程，實現學中做和做中學，融會貫通課程龐雜知識體系，培養學生工程素養和實踐創新能力。

（二） 改革實驗教學，采用虛實相濟

針對以往的單一實驗教學或虛擬仿真教學，課程實驗采用虛實結合的方式進行實驗環節改革。在第五章教學后期中，設計4課時的實驗教學內容，以典型數控車削加工為對象，以加工過程典型力、溫度、振動等機械量進行測試實驗，考查學生對測試環境、測試需求、傳感器、測試系統等分析選擇，采集正確的測試信號；在學習第六章內容后，利用2課時進行LabVIEW圖形化編程，完成測試信號分析，并給出合理的測試結論。虛實結合實踐環節能夠將信號測試過程和信號分析過程進行有機聯系，讓學生能夠從完成整體測試的角度體驗測試過程，這對課程知識的理解運用具有重要現實意義。由于課程實驗是從課題研究轉化而來，學生能夠真實感受科學研究帶來的新鮮感，激發科研創新興趣[8]。此外，通過嚴謹的實驗操作訓練和細致的數據分析，還可以培養學生踏實鉆研的工匠精神和小組團隊的協作能力。

（三） 改革教學方法，采用多樣教學

針對以往以板書、PPT、實物展示等教學方法帶來的不足，結合學生實際學習情況，從教學形式和教學方法上進行多樣化改革。在教學形式上，主要采用課堂理論教學、實驗操作教學、小組報告、師生互動、生生互動和生生協作等形式，打破沉默課堂，激發學生興趣，將知識輸入轉變為知識輸出，突出思維鍛煉、能力培養和價值觀塑造。

在課程教學過程中，根據每個章節模塊的教學任務設置不同的測試需求場景案例，采用問題引導、討論互動、報告交流等方式進行課程教學。在第一章節模塊中，在解釋測試技術相關概念后，從百姓智慧生活到國家航空航天，利用空氣質量檢測、人體溫度測量、智能電子產品、生產過程檢測、航天軍事監測、學生科創作品等具體案例的展示交流，讓學生從具體測試需求場景中體會測試技術的重要性，激發學習激情，明確學習目標，樹立家國情懷和責任擔當。在第二到第四章節模塊中，針對理論難以理解的問題，如信號調制與解調過程，一方面通過直觀演示和問答交流，感受公式推導過程以及公式背后的物理意義和適用范圍；另一方面通過動態應變測量、機車調度信號檢測等工程問題的討論、聚焦、抽象和提純，感受實際問題背后隱含的公式原理，從而將理論公式與工程問題建立聯系，讓枯燥的知識顯得有血有肉，在傳授知識的同時，也培養學生工程意識和嚴謹治學態度。在第五和第六章節模塊中，主要教學測試技術的應用，如典型機械量測量和實驗訓練。針對典型機械量測量，因機械量眾多，不同場景測試同種機械量的方式也不盡相同，如溫度測量場景就有切削溫度、磨削溫度、人體溫度、大氣溫度，等等，課堂上無法逐一講解。故，在教學中，通常選取兩到三個典型機械量，進行需求分析、傳感器選擇、測試系統搭建和測試實施等內容，引導學生如何針對具體場景進行思考分析，并開展測試工作。然后，對學生進行4～6人分組，每組根據選題進行準備和匯報，其他組的同學負責提問，教師最后點評并記錄學生參與情況。這種教學形式可以很好地提高學生學習積極性、探索性和創新性，學習氛圍濃烈。在實驗訓練部分，根據前面的分組，采用虛實相濟的形式進行車削過程測力測溫綜合實驗，學生間能夠良好協作互動，動手能力和信號分析能力得到有效鍛煉，增強了學生對課程知識的理解和運用，也培養了學生的工程素養。

（四） 改革考核標準，建立多元體系

針對以往期末考試為主、作業實驗考核為輔的考核形式，課程考核成績采用期末考試和過程考核并重的原則，進一步加大過程考核比例，將期末考試成績占比降為60%，過程考核成績占比提升至40%。在期末考試環節，設置選擇題、填空題、簡答題、分析題和綜述題五類題型，其中選擇題、填空題、簡答題以理論知識掌握為主，分析題和綜述題以知識應用為主，并且考題選擇緊密聯系社會實際，融入思政教育元素，如農業扶貧的溫室測試、新能源汽車的診斷測試、工程橋梁渦振、軍用步話機原理等等。在過程考核環節，將課堂出勤作為常規項，實行扣分不加分原則。過程考核主要涉及四個部分：其一是課程作業，以作業提交情況和完成度作為依據，占過程考核10%；其二是課堂表現，以課堂參與提問、互動、交流情況作為依據，占過程考核20%；其三是小組報告，以小組分工和小組報告質量作為依據，占過程考核20%；其四是綜合實驗，以實際實驗操作和虛擬實驗分析情況作為依據，占過程考核50%。通過課堂出勤、課程作業、課程表現、小組報告、綜合實驗和期末考試六個層面，建立一套多元化的課程考核體系，可以更為有效地體現學生的綜合能力，更加契合知識、能力和素質的一體化培養目標。

四 課程教學改革成效

對機械工程測試技術課程進行課程內容、實踐環節、教學方法和課程考核等方面進行深化改革，其主要目的是打破沉默課堂、轉教為學、加強知識能力素質的培養。近年來，通過課程教學的持續深化改革，學生學習激情明顯提高，針對不懂的知識和實際問題，不少學生通過微信、QQ以及面聊等各種方式進行詢問交流。課程考核成績較以前也有較大提升，尤其是在具體問題分析上，經常會有較為新穎的觀點。由科研課題轉化的虛實相濟實驗也大大激發學生的科研興趣，參與本碩培養的學生比例增加，部分學生在大四就已正式進入課題組，進行科學研究。學生參與科創的激情也明顯增加，在傳感器創新創業大賽、大學生挑戰杯、機械創新大賽、大學生工程訓練大賽等賽事中成績優異，先后獲得國家級獎項13項，省級獎項26項。參賽作品不少都與測試技術相關，如基于機器視覺的激光熔覆再制造系統、新型測螨儀、X-bond多方位環形探測機器人、新能源汽車火災安全狀態早期探測預警系統、養殖場環境參數無線監控系統設計、自供電可換氣帶雙攝像頭電焊面罩等等，這反映了學生對工程需求的關注、測試知識的轉化和科學創新的探索。此外，不少學生主動提出做與測試相關的畢業設計題目，發揮知識掌握優勢。由此可見，立足教、學、實踐、創新的課程教學改革重點，可以有效地提高課程教學質量和教學效果。

五 結語

在“新工科”教育背景下，高等教育中心從教師轉為學生，打破沉默的課程教學和僵化的課程考核體系，突出學生知識、能力和素質的一體化培養，這既是當前國際競爭新形勢和國家戰略的新需求，也是發展新經濟的新要求。本文從機械工程測試技術課程構成和教學中存在問題入手，從重塑課程內容、改革實驗教學、改革教學方法、改革課程考核等幾個層面進行課程教學改革。重塑的課程內容有利于學生把握課程知識脈絡和塑造情感價值觀，虛實相濟的實驗環節有利于促進學生知識理解和知識運用，多樣化的教學方法有利于學生互動思考和實踐創新，多元化的課程考核體系有利于反映學生綜合能力。課程的教學改革契合知識能力素質的培養目標，可為新時代高等教育的課程教學改革提供一定的參考。