基于實際工程應用的《測試方法和方案設計》課程設計

華曉青，繆如君，王馳，沈林勇，何玲華

摘要：本文主要針對《測試方法和方案設計》這門課程設計的實際工程課題的選擇、課程設計開展模式、課程設計一般步驟的制定以及具體的指導方法等作了詳細闡述。通過該課程設計，不僅使學生把所學課程有機聯系起來，并與實際工程應用相結合，而且提高了學生的獨立或協同工作能力以及分析問題和解決問題的能力。

關鍵詞：專業課程設計；測控技術與儀器；實踐教學環節

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）46-0202-02

《測試方法和方案設計》是為上海大學機電工程與自動化學院的測控技術與儀器專業大三本科生開設的專業課程設計，開設的初衷是因為經過三年基礎學習的學生，雖然對測控技術與儀器的基礎理論和專業知識有了一定的了解，但僅局限于理論知識的掌握，而且這些知識比較零散，學生在畢業設計時，對于實際的問題仍然束手無策。通過這個課程設計使學生能綜合運用“傳感器原理與應用”、“幾何量測量”、“誤差理論與數據處理”、“精密測試技術”、“信號分析與處理”等課程知識，掌握常見的幾何量、機械量等測量技術，并且通過設計讓學生了解測試方法和方案的總體設計過程、測試方案的比較、傳感器的選擇、測試精度的分配及最終的不確定度分析計算等，培養學生綜合應用各門課程的能力，同時鍛煉和培養學生獨立工作、調查研究、分析問題、解決問題的能力。

一、確定以實際工程應用案例作為課程設計的課題

課程設計課題的確定是比較重要的，這些課題既要與上課內容相接近，又能在實際工程應用中發揮作用。上海大學機電工程與自動化學院的測控技術與儀器專業，側重機械工程方面，主要研究機械測量儀器、光學測量儀器、電子測量儀器的系統構架、運動傳遞、量值傳感、結果指示等內容。因此，在課題選擇上也是注重自動化裝配生產線或單機設備中的測量課題。指導教師利用自己豐富的科研工作經歷，把實際工程應用中的一些檢測課題進行分析，精心挑選出適合作為課程設計的題目，確定了16個工程應用課題，其中絕大部分是以機械系統方案設計為主的，另有兩到三個以單片機控制系統方案設計為主的課題。對于以機械系統方案設計為主的課題，從測試方法的分析到測試方案的制定，選擇傳感器以及測量精度的分配等作為主要內容。這些課題包括單機應用的自動測量裝置和自動化生產線中的在線測量兩種類型。單機應用的自動測量裝置，采用較常用的位移測量、角度測量、速度測量或扭矩測量等傳感器進行測量：如細長軸多參數測量、電動車自動檢測臺設計、汽車傳動軸長度和相位角檢測等；自動化生產線或裝配線中的在線檢測裝置，如冷軋板材厚度在線測試、挺柱體組件自動裝配線中的滾輪間隙（軸向運動間隙）和滾輪高度（位于挺柱體內部的帶有小孔的球面座為基準）測量、壓機中的壓力和位移在線檢測裝置等。這些課題都是系統的測試方案設計，不僅需要學生具備傳感器等理論知識，而且需要學生在選用傳感器的同時考慮被測物體的定位以及不同的測量方法給測量帶來的誤差，因此，讓學生通過課題設計，真正了解實際的工程應用。對于以單片機控制系統方案設計為主的課題，包括傳感器的信號調理電路、信號的采樣等相關處理電路、信號的采樣等相關處理電路、單片機的執行驅動元件、顯示和鍵盤輸入接口電路等設計，要求完成測量系統的硬件電路設計和測量功能的關鍵程序設計。

二、課程設計開展模式

該課程設計為大三本科生開設，其主要模式是由學生自由組合，4-5人為一組，針對課程設計規定的實際應用工程課題進行測試方法和方案設計。學生根據每個課題制定的具體的設計任務、設計要求來進行相應的課題設計。以機械系統方案設計為例，設計任務中包括設計的內容和一些具體的參數要求，設計要求包括測試方法分析比較、總體測試方案設計、傳感器選擇以及不確定度分析等，對于有些測試裝置，還有對定位方法、夾緊方式或輔助裝置等設計方案的確定。課程設計的成績評定包括平時出勤和問題討論、設計情況、匯報情況以及設計報告等方面，設計報告每個組提交一份，指導老師可以根據每個學生的不同表現給出不同的成績，這樣可以杜絕課題組成員中某些學生對其他同學的依賴性，發揮每個學生的積極性。

三、制定課程設計的一般步驟

學生在經歷基礎課和專業課學習之后，已經掌握了一定的基礎和專業理論知識，但是他們從來沒有接觸到實際的課題，因此，在設計之初，他們會很茫然，經過幾屆課程設計指導后積累的經驗，給學生制定了一個設計的一般步驟，對他們如何進行課程設計有一個指導作用。這個一般步驟（以機械系統方案設計為例）的內容如下：1）了解測試的技術要求和指標；2）分析被測試產品或零件的特點；3）定位方法分析（包括夾緊方式等）；4）測量誤差來源的初步分析；5）檢測方法的確定；6）檢測方案的制定；7）檢測傳感器的選用；8）方案圖設計；9）檢測系統B類不確定度的分析計算；10）完成設計報告。通過這樣的引導，使學生能夠一步一步地深入，從最初的測試方法分析到測試方案確定、傳感器選擇、方案圖設計以及最后的不確定度分析等循序漸進，最終順利完成設計報告。

四、具體指導方法

1.設計前的上課指導。上述的這些步驟中有些內容是各個課題組共性的問題，有些是不同的，比如測量方法的選擇是每個課題組首先面臨的問題，傳感器的選用也是必不可少的，另外，對于測量裝置，不確定度的分析也是每個組都必須要完成的，因此，教師要在設計之前集中上課，將設計步驟予以介紹，并且對一些共性的問題，展開詳細介紹。

首先，針對檢測中的方法進行分析比較。測量方法一般有絕對測量和相對測量、直接測量和間接測量，在介紹時，針對這兩種不同的分類方法進行分析比較，采用非常簡潔的方式，將測量方法、測量原理簡圖、優缺點以及測量誤差來源等在一個PPT頁面中完整地顯示，讓學生可以一目了然，而且很容易接受，也使學生有一個總體分析比較的概念。其次，對于傳感器的選用，課堂授課時，是以傳感器的原理進行分類，讓學生對傳感器的工作原理有了理論認識，但是對于傳感器的具體應用，學生還是比較陌生的，因此，在課程設計階段，對所選用的傳感器進行介紹時，從被測量的對象出發來回顧各種傳感器的性質，使學生可以從理論知識轉變到實際應用。第三，對不確定度分析方法進行指導。雖然在《誤差理論與數據處理》這門課程中有不確定度分析的內容，但是學生其實是無法和實際應用聯系起來的，因此，在這里，不是簡單地介紹不確定度概念，而是以具體的實例來介紹具體的分析方法，從而為學生的繼續設計工作提供幫助。

2.各個課題組的具體指導。對于不同的課題，無法同時進行指導，因此，分組進行，每次指導，一個組半個小時時間，根據設計步驟，一步一步地進行指導，并安排好時間節點，要求查閱參考文獻。

3.課題組設計匯報。每次課題組指導時，不是老師一味地進行指導講解，而是要求學生匯報自己所做的工作，這樣老師可以充分了解學生的課題進度，通過提問學生也可以知道自己在設計過程中存在的問題，并且，這對于課題進展較慢的課題組也是一個督促。

4.課程設計結束匯報。在課程設計的最后，每個組必須對自己的課題予以匯報介紹，在學生匯報時，指導教師進行相應的質詢，相當于答辯。這樣，既考核了學生的設計情況，又提高了學生的總結能力。

五、總結

《測試方法和方案設計》開設已有十幾年了，在開設之初，沒有形成非常完善的指導體系，因此，效果并不是很明顯。隨著指導經驗的不斷提升，目前已經確立了較為完善的指導體系，從學生的畢業設計情況來看，這樣的課程設計指導還是取得了很大的成效，它不僅使學生把所學課程有機聯系起來，并與實際工程應用相結合，還提高了學生獨立或協同工作能力以及分析和解決問題的能力。但是這種課程設計仍然是停留在理論上，下一步的設想是將這些理論上的設計與實際相結合，就是將它與測控技術綜合實驗課程聯系起來，前期做好課程設計，后期動手在實驗室將自己的方案進行實際落實。當然這個還需要與實驗建設配合起來，是需要一個過程的。

參考文獻：

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