工程案例法在“機械工程測試技術”課程教學中的應用

文成，周傳德

“機械工程測試技術”包含了測量和試驗兩方面內容，它是依靠專門的技術、手段、實驗、理論計算，求得被測后的物理量。本課程是建立在傳感器技術、計算機技術、信息技術、信號分析與處理技術基礎之上的一門交叉綜合性專業基礎課。課程理論性和實踐性要求很強，學生必須有足夠的實踐才能充分理解理論知識，從而更好地把握課程內容。由于教學學時不斷壓縮以及實驗條件的限制，往往在教學實施中更側重課本內容講授，學生被動聽課，啟發和互動性不夠。因此，傳統教學方法割斷了理論和工程之間的聯系，難以建立機械測試系統整體概念，學生普遍反映測試技術理論空洞，傳感器缺少實物對象，枯燥無味。從事“機械工程測試技術”課程教學的教師也普遍認為，該課程的工程實踐性與薄弱的實驗環節的矛盾十分突出，教學改革勢在必行。

國內一些高校十分重視該課程的教學效果，積極建設機械測試技術實驗室，開發相應的實驗，促進學生對理論知識的掌握。但實驗與工程應用有差別。為讓學生充分了解測試技術在工程實際中的應用，開展以工程案例為核心的教學模式，將有助于縮短理論教學與實際生產的距離，體現了面向工程觀的教育理念［1］。工程案例教學必將開闊學生的學術眼界，激發他們的學習興趣，從而提高教學質量。

一、案例教學方法

案例教學法是由哈佛大學法學院提出的一種以學生為中心，致力于提高學生綜合素質的教學方法［2］。在案例教學中，教師根據教學要求，設計相應案例，組織學生針對案例內容，運用所學知識進行思考、分析、討論和交流等教學活動，以提高學生分析問題和解決問題的能力。案例教學有利于充分調動學生的學習主動性，生動具體、直觀易學。目前,案例教學在教學過程中的作用和地位已在教育界形成共識,并被引入到工科類課程的教學當中。因此，案例教學越來越受到高校的重視和歡迎，成為教學方法改革的重要內容之一。工程案例則是將發生在工程實踐中的客觀事實，經過文字、數據、圖表、動畫等方式進行概括、整理，形成可用于課堂交流或探討的案例材料［3］。

案例教學具有真實性、典型性、完整性、綜合性和啟發性等特點。案例取材于生產實際或科研工作，是具有一定代表性的典型事例，涉及多門課程或領域知識，包括一個或幾個問題，能夠引人深思，啟迪思路。案例教學將理論和方法運用于實踐，進而深化理解教學內容，培養學生解決實際問題的能力。將案例教學法運用到“機械工程測試技術”課程的教學過程中，學生能夠正確建立工程測試與應用的整體概念。一方面不用增加實驗學時，另一方面促使學生變被動學習為主動學習，引導學生運用多學科知識去分析和解決工程實際中的具體問題［3］，從而提高教學效果。

二、工程案例教學的實施

（一）案例篩選與提煉

工程案例應充分結合機械專業人才培養計劃，緊密聯系測試技術理論知識，要與生活密切相關，涉及多門課程，有較強的典型性、綜合性。案例應緊扣“機械工程測試技術”課程教學大綱，根據教學內容和進度，力求使案例分布在每一個教學單元和知識點中。為體現這一要求，可從以下三個方面來篩選工程案例：

（1）從科學研究項目中提煉案例。科學研究本身就是利用理論知識并借助實驗來解決實際科學問題，是理論和實踐的充分結合。課程組教師既是教育工作者，又是科研工作者，長期從事大量的科研工作，這些研究項目大部分又與測試技術有關。整理和提煉科研項目，將教師的科研成果轉化為實驗教學資源，最終形成教學案例。如課題組教師承擔的科研項目“數控機床在線測試儀器”涉及到本課程多個重點章節，能夠挖掘出較為典型的案例。這些與測試技術密切相關的案例是教師的深刻體會和經驗總結，將親身經歷的案例在課堂上呈現出來，將極大地激發學生的好奇心，提高學習的積極性。

（2）從企業生產、研發中搜集案例。在工業應用中，產品設計、研發、生產以及設備調試、運行、維修等都離不開測試技術和傳感器技術，特別是設備狀態監測和故障診斷的應用，更是與本課程內容聯系十分緊密。例如“高線軋機齒輪箱在線監測系統”涉及到系統識別、傳感器技術、信號調理與信號分析技術等，幾乎涵蓋了“機械工程測試技術”所有章節知識點。由于從企業搜集的工程案例更接近實際，具有很強的說服力，能吸引學生注意力，提高學生主動參與分析問題的興趣。

（3）從指導學生實踐教學中篩選案例。教師指導學生實踐通常包括大學生科技創新、畢業設計、生產實習以及學生參與教師科研等方面的指導教學。這些實踐教學是培養學生實踐動手能力和創新精神的有效途徑，促進了教師的教學和科研的有機結合，推動了學生課內學習與課外學習的有機融合。在指導學生實踐教學過程中，有意識地收集工程案例素材。從學生實踐項目中總結的案例密切聯系學生的實際情況，容易引起共鳴，激發學生學習的主動性。

（二）課程案例規劃

利用案例法教學時，首先應注重理論知識系統化教學。“機械工程測試技術”課程章節眾多，應先將這些看似繁雜的內容進行梳理，使理論知識系統化。“機械工程測試技術”課程共十三章［4］，從測試系統觀點出發，將這些章節分別歸入“測試信號獲取”、“測試信號轉換”、“測試信號分析”以及“測試技術應用”等四個模塊之中。圖1為課程知識模塊分類及其相應知識點。

圖1 課程知識模塊劃分

結合當前測試技術課程實驗條件和學時情況，工程案例設計緊緊結合了教學內容和授課計劃安排，力求在每一個教學單元和知識點中都有工程案例。案例的具體分布如圖2所示。

圖2 工程案例分布

（三）案例教學課堂實施方案

將案例合理引入課堂教學是案例教學的關鍵。一個好的工程案例實施，將為學生提供一個可以發揮自己想象力、創造力和展現才能的空間［5］。案例教學應提出實際測試問題，充分調動學生的主動性，參與解決問題，提出合理解決方案，得出相應結論。為此，可以從以下幾個方面來組織實施：（1）課前向學生布置案例，介紹案例的工程背景，提出要解決的關鍵問題。（2）組織學生課余分析案例，提出解決方案。必要時將學生分成若干學習小組。（3）教師在課堂上運用多媒體技術（視頻、圖片或仿真軟件）復現案例過程，指出案例分析的關鍵所在，涉及的理論知識點，啟發學生思考方向。（4）加強課堂討論的啟發和引導，充分調動學生的主動性，始終引導學生圍繞中心議題發表自己的見解，得出相應結論。（5）將學生參與案例討論納入課程考核體系之中，激勵學生積極參與案例討論。（6）及時對案例教學情況進行總結，為后續章節內容做好鋪墊，同時不斷完善教學案例。（7）根據實驗條件，必要時可以組織學生課后動手實踐，復現案例。

三、案例設計實例：轉子裂紋故障檢測

案例來源于教師科研項目——非接觸掃頻電磁諧激勵下多盤轉子裂紋故障高階非線性振動響應研究。該項目以2盤或3盤轉子系統產生橫向裂紋的轉子為典型研究對象，探索多盤轉子系統裂紋故障與高階非線性振動響應的關系，建立裂紋故障與振動響應信號之間的故障識別鏈據，防止大型旋轉機械異常振動和意外事故的發生，提高診斷的準確性以及早期預測能力。

根據項目研究內容、方法以及取得的成果，提煉出教學案例——轉子裂紋故障檢測。該案例涉及傳感器選擇和信號分析理論，可以安排在測試信號分析知識模塊所對應的章節中實施。案例教學時，首先向學生提出啟發性問題：用什么方法才能檢測出轉子已經出現裂紋現象？為什么要測量轉速？如何測轉速？然后提示轉子系統故障檢測一般應測量其振動信號，應該從常見的測振傳感器中選擇相應檢測設備，提醒學生思考高速旋轉設備振動測量應采用什么測量方法，傳感器如何安裝等。帶著這些問題，學生應在課后搜集相關資料，相互討論這些問題，初步形成自己的觀點或結論。

課堂案例教學時，先組織學生進行分組討論，對學生小組分析結論逐一講解，綜合其中正確的結論或觀點，剖析錯誤見解，給出案例分析的邏輯路徑。本案例講解時，可先建立如圖3所示的測試系統裝置。然后提出分析案例的關鍵——非接觸測試和頻譜分析。可以考慮采用渦流位移傳感器來檢測轉子振動信號。由于轉子運轉時各方向振動情況不同，為了全面反映轉子振動情況，可以同時測量水平方向和垂直方向的振動。理論表明，轉子振動情況與轉速密切相關，特別是故障信息與轉頻信息相關，所以必須測量轉速。光電轉速計可以很方便地實現非接觸測量轉速，且有安裝方便、使用簡單、抗干擾能力強、測量精度高等優點。最后給出故障判斷依據，即轉子存在裂紋時，振動頻率具有轉動頻率的2×，3×，…高頻諧波，當裂紋擴展時，其1×，2×，…等高頻分量的幅值隨之增大。

圖3 測試系統裝置原理

本案例緊密結合工程實際，由簡單機械測試開始，逐步引入機械故障診斷理論，讓學生了解頻譜分析在設備故障診斷中的重要地位。引入更深的思考問題，除了頻譜分析，還可以用什么方法來檢測轉子裂紋故障？信號是如何進入分析儀器？信號中的干擾成分如何消除等？這些問題可以激發學生的好奇心，有助于培養他們正確分析問題、解決問題的能力。

四、結語

工程案例教學來源于企業生產、科學研究和學生實踐，為學生提供了真實的工程應用場景，拉近了理論教學與實際生產的距離，為學生將課程理論和方法運用于工程實踐奠定了一定的基礎。將案例教學法引入“機械工程測試技術”課程教學，有利于教學相長，有利于充分調動學生的學習主動性，生動具體且直觀易學，能夠集思廣益，為提升教師教學技巧，培養學生解決問題的能力，以及提高課堂教學質量都十分必要。

[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(8).

[2]張潤蓮，張向利，葉進.案例教學法及其運用[J].桂林電子工業學院學報，2004(8).

[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).

[4]周傳德，宋強.傳感器與測試技術 [M].重慶大學出版社，2009.

[5]喻紅，黃弢，王俊峰.基于案例的工程測試技術基礎實驗教學[J].實驗室研究與探索，2008(2).