機械工程測試技術課程教學改革與實踐

張鳳生 王海峰 孫忠義 李智 楊倩

[摘要]針對機械工程測試技術課程教學中存在的問題和不足，給出了切實可行的改進教學質量的措施。通過合理優化與編排教學內容，使學生易于把握課程的總體內容和本課程與其他課程的關系。利用多媒體教學手段和案例教學法有效地激勵學生的學習興趣和主觀能動性。尤其是應用虛擬儀器技術加強實驗教學環節。這些措施對更新教師的教育觀念，培養學生的實踐能力和創新意識起到了積極作用。

[關鍵詞]機械工程測試技術；教學改革；實驗教學；虛擬儀器

[中圖分類號]G642.0[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634(2012)01-0092-03

0引言

機械工程測試技術是機械類專業的專業基礎課。其特點一是多學科交叉，涉及工程數學、物理、機械、電子技術和計算機等多學科；二是理論與實踐緊密結合，既涵蓋信號與測試系統分析等理論知識，又包含傳感器和常見機械量測量等工程應用。長期以來本課程的教學存在“內容比較分散，雜亂，且滯后于新技術的發展”、“總學時不斷壓縮，但新內容越來越多”、“實驗教學環節薄弱”和“教學模式單一”等不足。為此，筆者在總結多年教學經驗和借鑒其他院校教學改革經驗[1,2]的基礎上，對課程進行大力改革，取得良好成果。

1課程內容體系的完善與新知識的補充

為幫助學生建立完整的課程體系概念，理清學習思路，筆者以測試系統的構成框圖為主框架，以信號流程為主線，構建課程的內容體系，見圖1。將課程內容劃分為7部分：（1）概述部分：通過詳解圖1，使學生了解本課程的內容梗概以及與其他課程的聯系；通過大量實例，展現“測試技術的意義和發展”，激起學生對本課程的興趣；（2）信號分析與處理：重點介紹傅里葉分析、數字信號處理和隨機信號分析，核心內容是“時域與頻域間的相互變換”；（3）測試系統特性分析：包括測試系統的靜態特性、動態特性、動態響應、負載效應、動態特性的試驗測定和實現不失真測量的方法；（4）傳感器：介紹工程測試中常用的傳感器，重點了解各種傳感器的工作原理及其特點；（5）信號調理：包括橋電路、放大電路、濾波器、調制/解調、A/D轉換器等內容；（6）常見機械工程量（位移、振動、應變、力、扭矩、溫度、流量）的測量：結合工程案例，講解測量傳感器的選擇和具體測試系統的實現；（7）測試系統的最新發展——虛擬儀器。其中（2）和（3）兩部分理論性強，比較抽象、難懂，筆者將這兩部分內容貫穿到以信號流程為主線的整個教學過程中，講授內容分合相濟，變分散為集中，變模糊為清晰，有助于學習、掌握。

測試技術屬信息科學的范疇，是當今最活躍的前沿學科之一。為使學生了解本學科的最新發展，對本課程及時補充新知識。例如，傳感器部分增加電荷耦合器件（CCD）和光纖傳感器的內容；新增了虛擬儀器部分。

2教學方法改革

針對高校教學改革注重“加強基礎，拓寬口徑，加強實踐和創新能力培養，提高綜合素質”的特點，以及教學學時減少、教學要求提高的實際情況，通過改革教學方法來提高教學效率和質量。

1）對傳統的教師滿堂灌的教學方式進行改革，采用啟發式教學。啟發式教學不僅是教學方法，更是一種教學思想，是教學原則和教學觀。所謂啟發式教學是教師在教學過程中，根據教學目的、內容、學生的知識水平和知識規律，運用各種教學手段調動學生的主觀能動性，引導學生開動腦筋、積極思維、主動實踐，以達到掌握知識和技能，增強能力的目的。

首先，調動學生學習積極性的前提是要激發起學生對學習本課程的強烈興趣。為此，不僅要在課程開始時講好學習本課程的意義，而且在講解每一部分內容之前都讓學生明確學習這部分內容的目標以及在工程實際中的作用。例如，在第一堂課的教學中，結合教學內容中的“測試技術的意義和發展”，列舉了大量學生有感性認識的實例。如微波爐、空調、冰箱等家用電器如何對溫度、濕度等物理量進行檢測和控制，用到了哪些類型的傳感器；又如電腦中光電鼠標應用了光電位移傳感器、麥克風應用了電容傳聲器等；數碼照相機、手機、攝像頭等應用了CCD傳感器等等。這些實例可大大激發起學生的學習興趣，認識到本課程的重要性和實用價值，為后續學習作好思想準備。

其次，教師的授課過程是以“問題”為起點，引導學生進行創造性解決問題的過程。教師要注意問題的提出方式，引導學生帶著解決問題的愿望，主動地參與教學過程，隨著授課內容的進展而解決心存的疑問。例如，在講授CCD傳感器時，不是采用平鋪直敘的方法介紹CCD工作原理、性能，而是先提出問題“你是否了解手機的彩信功能是如何實現的？”、“數碼相機如何成像？”等，由此引出CCD傳感器。這樣，在接下來的CCD原理、性能及應用講解中，學生們表現出強烈的興趣和主動性。

2）以多媒體CAI課件為課堂教學手段，應用文字、圖形、圖像、聲音、動畫等多種媒體素材在時間和空間上進行集成，使抽象的理論形象化，枯燥的知識生動化。學生在直觀、形象、生動的感性材料刺激下，激發學習興趣，思維潛能得到充分的發揮。教師的教學也會因多媒體的使用而變得更加生動活潑，教學空間得到拓寬，教學過程得到優化，教學效率高、效果好。例如，時域與頻域間的相互變換是信號分析的核心內容。學生們已習慣時域內的信號描述，而對頻域內的信號描述與分析則感到抽象、難懂。為此，筆者借鑒物理學中棱鏡分光的例子，將傅里葉變換看作“數學的棱鏡”。在課件中，通過棱鏡分光的彩色圖像直觀地示意出棱鏡將光分成不同顏色成分，每種成分的顏色由波長（或頻率）決定；通過繪制“時間－頻率－幅值”的三維圖形，直觀地展示傅里葉變換作為“數學的棱鏡”，將信號基于頻率分成不同成分的過程。這樣的對比講解加深了學生對信號時域與頻域分析及其相互關系的認識。再如，以往傳感器部分的教學因缺乏實物對象，感到枯燥無味。如今多媒體教學，通過精彩的實物照片和生動的動畫演示，使學生對光柵傳感器、磁柵傳感器、感應同步器、霍爾傳感器、電渦流傳感器等較復雜傳感器的工作原理與工程應用，有更深刻的理解和掌握。

3）采用以工程案例和實驗為主線的教學模式，用具有工程背景的案例開闊學生的學術眼界、激發學習興趣、培養理論與實踐結合的意識[3,4]。例如，以筆者完成的科研課題“微小尺寸激光衍射測量系統”為工程案例，講解線陣CCD的工作原理及其應用系統的設計過程。以測定深埋地下的輸液管道裂損位置的工程案例講解相關函數及其應用，使得比較抽象、難懂的相關函數概念易于理解和掌握。再如，通過對電子汽車衡（地磅）工作原理和設計過程的具體分析，不僅使學生加深對電阻應變式傳感器、橋電路、A/D轉換器和微處理器等的理解，而且有助于掌握測試系統設計的基本過程，培養綜合運用知識的能力。

3實驗教學的改革

實驗在本課程教學中占重要地位。例如，信號分析與測試系統分析內容理論性強、抽象難懂，需由實驗直觀演示驗證；傳感器原理及其工程應用只有通過直觀的實驗和親手操作才能深刻理解和掌握。但長期以來實驗教學一直是薄弱環節。一是實驗條件的改善滯后于招生規模的擴大；二是傳統的實驗教學中一般只要求學生按實驗指導書的步驟操作，有些學生不認真思考就按部就班完成實驗，根本沒有弄清楚該實驗來龍去脈，知其然而不知其所以然。三是實驗類型單一，只是一些驗證性實驗，缺少綜合性和設計性實驗，不利于激發學生的學習興趣和積極性，更談不上創新能力的培養。為此，對實驗教學采取了兩項改革措施。

1）將虛擬儀器引入實驗教學，在資金投入不大的條件下，有效改善實驗條件。按傳統的實驗手段，要配齊本課程實驗教學所需的硬件設備，需大量的資金投入，這對于普通院校是不現實的。虛擬儀器是以計算機為核心，配上相應的硬件模塊（數據采集卡、各種傳感器、信號調理電路、A/D轉換器、D/A轉換器等）和專用軟件構成的新型儀器。它具有極強的通用性和靈活性，且成本低，可實現各種測試儀器的通用功能，為本課程的實驗教學提供了有效手段[5]。筆者利用虛擬儀器開發平臺LabVIEW，基于NI ELVIS教學套件、各種傳感器、小型伺服電機和X-Y工作臺等硬件基礎，設計開發虛擬實驗項目，加強實驗教學。實驗項目分演示性實驗、驗證性實驗、設計性實驗三類。（1）演示性實驗：課程組教師開發了教學用演示功能界面，將抽象的理論內容直觀地展現在動態的演示操作中。例如，信號的頻譜分析、信號產生與處理、窗函數比較實驗等。（2）驗證性實驗：學生根據實驗指導書的要求，在教師指導下，按既定的方法和實驗裝置，完成具體的實驗過程。例如，直流電機轉速測控實驗、熱敏電阻測溫實驗、CCD圖像采集實驗等。通過實驗加深對理論知識的理解，并獲得一定的操作技能訓練。（3）設計性實驗：由教師擬訂題目，學生根據所學內容，確定實驗方案，查閱相關資料，擬定或選擇實驗方法和步驟，選用儀器設備，獨立操作完成實驗，并寫出實驗報告。目前有 “位移檢測”和“電子秤設計”兩個實驗題目，可選傳感器包括電阻應變片、差動變壓器、渦流傳感器、霍爾傳感器、電容傳感器、光纖位移傳感器等。通過實驗使學生獲得實驗全過程的訓練，由被動實驗狀態轉變為主動狀態，激發學生學習的主動性，培養綜合能力。

2）結合課程組教師的科研課題，在課堂教學和實驗課之外，組織成立研究型學習小組，對該課程感興趣的學生均可參加。小組的學生在課題組教師指導和研究生的幫助下，積極參與研究項目中的一些工作。由于科研課題多與工程應用緊密結合，解決生產實際問題，任務本身具有挑戰性，學生在參與科研的過程中，可切身體會到理論與實踐結合的價值，激發起他們內在學習動機，積極探索應用自己所學知識解決問題。研究型學習小組活動的開展，對學生了解科學研究的過程和方法，培養實踐能力和創新意識起到了積極作用。

4結束語

課程改革實踐使人們認識到：第一，高等學校教育的主體是學生，教學改革必須以學生為中心，通過改革教學方法和注重對學生能力的培養，在有限的學時內，向學生傳授更多、更新的知識；同時提高學生的學習興趣，增強實踐能力和創新意識。第二，對于工科類的課程改革突出其實踐性是最重要的，加強實驗教學環節是關鍵。虛擬儀器的發展為實驗教學改革提供了強有力的工具，其在實驗教學中的巨大潛力有待進一步開發。第三，科技在不斷進步，社會在不斷變革和發展，為培養適應社會需求的高質量人才，必須堅持教學改革。這是一個長期的過程，需要不斷探索、實踐和創新。

參考文獻

[1]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),2007,7(S1):108-109.

[2]焦敬品,何存富.機電類專業《測量技術基礎》課程教學模式研究[J].中國現代教育裝備,2007,(3):13-14.

[3]歐儉平,馬愛純,蔣紹堅.工程案例教學法在熱能與動力工程專業課教學改革中的實踐[J].高教論壇,2006,(5):131-132+135.

[4]丁輝.工科專業案例教學研究——以“人工智能”課程為例[J].教育探索,2009,(1):52-53.

[5]鄒大鵬,吳百海,龍建軍.基于虛擬儀器技術實現測試技術教學改革的研究[J].廣東工業大學學報(社會科學版),2007,7(S1):104-107.