機械專業檢測與控制類課程教學改革研究

王欣威，慕 麗，付曉云

（沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽110159）

隨著現代測控技術的發展，測控系統的內涵較之以前發生了很大變化，其自身結構已從單純機械結構或機電結合的結構發展成為集傳感技術、計算機技術、電子技術、現代光學、精密機械等多種高新技術于一身的系統[1]。在機械工程領域，現代機械結構、檢測與控制技術緊密結合。這種密切的關系促使工業生產由機械工程領域邁入以機電一體化為特征的發展新階段，從而需求大量具備機電一體化基礎理論，強調機械動手能力與機電控制能力相結合的新型機械專業人才。為適應這種需求，檢測與控制類課程在機械專業的教學培養中的地位逐步提高，檢測與控制課程教學探討逐漸被重視[2]。因此，必須重構機械專業檢測與控制類課程的教學體系，對課程教學模式進行改革。

1 檢測與控制類課程教學中存在的問題

檢測與控制類課程是機械專業學生的專業基礎課程。目前，測控類課程存在著教學任務重，學時相對短缺，課程間存在很多知識點的重疊部分，課程之間聯系不夠緊密等問題。為使學生能更好地學習機械測控知識和技能，適應國民經濟建設對“傳感器與檢測技術”方面的人才需要，對課程內容體系建設與改革已勢在必行。

2 機械專業檢測與控制類課程教學改革思路

《機械工程測試技術基礎》和《機械工程控制技術基礎》是“機械設計制造及其自動化”專業和許多專業的主要專業基礎課，對相應專業的本科生培養起到了重要作用。課程內容較抽象、理論知識繁多、實踐環節要求高，教學難度較大。傳統的教學結構中，檢測與控制系列課程自成體系，內容脫節，造成學生即使熟識機械結構也無法清楚其控制運作流程。課程改革面向機械大類專業進行測控系列課程體系建設和課程內容整合，開展教學改革和測控實踐教學平臺建設。首先，從現階段傳統機械專業培養模式入手，突出應用型人才培養的需求，改變知識結構上“機強電弱”的嚴峻局面，解決知識更新與課時減少的矛盾，避免機械、檢測和控制等知識的簡單組合、拼湊。通過整合和優化課程內容，解決應用型人才培養的核心問題[2]。其次，增加綜合訓練環節，探討教學中機電的合理結合。

2.1 完善并優化測控類課程的教學體系

機械類專業人才培養要求學生熟練掌握、運用測控知識，能夠使用、評價、設計測試系統。而大部分高等院校機械專業的測試技術課程設置不夠完整。因此，急需完善測試技術課程體系。通過完善并優化測控系列課程的教學體系，形成完整的“基礎知識—工作原理—系統設計—性能評價”的測控課程教學體系。

目前，許多高校都針對測試類課程理論知識抽象、實踐環節要求高的特點，進行了教學改革和課程建設，如將工程案例、虛擬實驗引入課堂，或通過開設特色實驗，加強實踐環節作用等[3，4]。大部分教學改革都僅僅針對《機械工程測試技術基礎》一門課程，少有高校針對機械工程檢測與控制技術系列課程進行整體規劃，導致測控技術知識鏈不完整。考慮到測試技術應包括全部基本理論、工作機制、性能評價和系統設計內容，因此，根據創新、綜合應用型人才培養目標及測控技術發展趨勢，對課程結構、教學內容、實踐環節進行調整和優化，增加了測試系統性能評價、系統設計相關課程，在原有《機械工程測試技術基礎》、《機械工程控制技術基礎》、《現代傳感器》課程基礎上，增加了《檢測系統設計》、《機械產品可靠性設計與試驗》兩門課程，形成了“機械工程測控技術”課程教學體系。同時，對群內現有課程重復的教學內容做明確界定，使課程之間銜接緊密、無重復。經過優化的課程體系層次清晰，形成了完整的“基礎知識—工作原理—系統設計—性能評價”教學過程。

本系列課程通過整合、協調和改革，很好地消除了與各自相關課程存在的部分內容重復現象，增加了新技術和應用技術介紹，使課程內容從整體上得到很大優化。課程之間、課程與前修課程之間基本上實現“無縫銜接”。通過系統地學習測控系統知識，使學生初步具備能夠綜合應用科學、工程知識分析和解決問題的能力。

2.2 課程教學內容的整體優化

依據“機為基礎、電為機用、機電合一”的教學理念，從課堂教學、實踐教學、課外學習三方面入手，優化課程結構、豐富教學內容，完成課程體系教學內容的整體優化。

測控系列課程中，課程在人才培養中的作用及課程特點都不盡相同，如控制工程基礎和信號分析與處理課程，著重從理論上闡述不同系統的一般問題，較少地涉及有關器件和具體系統設計；而傳感技術課程則著重于實踐應用，技術更新較快。因此，首先需要對群內課程重復的教學內容做明確界定，優化課程體系，以保證課程在教學內容無重復和疏漏。引入現代化的分析設計工具，充實學科前沿的新理論和新技術，使教學內容得到進一步優化。其次，根據測控技術的發展現狀及趨勢，增加了Matlab控制工具包和Simulink仿真工具包的應用，使學生初步具備運用測控系列軟件的基本能力。將基于Simulink的系統仿真分析軟件和基于LabVIEW的信號分析與處理軟件包引入教學，減輕繁瑣的計算、復雜圖表的繪制對教學時數的占用，解決了有關信號頻譜分析及系統分析等枯燥難懂的問題。另外，為解決增加內容于課時之間的矛盾，制作大量LabVIEW和Matlab控制工具包等演示PPT，利用相應軟件編寫了大量系統特性分析與信號分析的虛擬演示軟件。資料內容通俗易懂，既有課程相關知識的拓展、易于學生自學，又有工程實際案例，能激發學生學習、應用的興趣。

3 建設實踐教學平臺拓展與深化實踐教學

為了增加機、電、測控課程的綜合應用實踐環節，更好地培養學生的實踐應用能力、激發學生創新精神，建立了測控技術綜合實踐平臺，設計了綜合綜合性、實踐性強的課程設計。以鍛煉大學生創新設計能力、培養應用型人才為指導思想，在教學實踐中采用與工業應用技術相通的平臺，增加了機械結構、電工電子、測量與控制等課程的綜合訓練環節，使教學內容更加合理化和系統化，突出課程的實用性。真正實現“由實踐驗證理論，由實踐認識理論”、“工程教育回歸工程”的教學理念。

基于nextboard通用工程教學實驗平臺，開發綜合實驗項目。為使學生快速熟悉、使用nextboard平臺，開發了油門控制系統和洗衣機狀態仿真系統等綜合實踐項目；基于nextmech機器人創新實踐模塊開發了課程設計項目，開發了機械結構建模與仿真、結構運動學與動力學分析的基本方法和過程、典型傳感器使用原理和方法、可編程控制器的控制原理及使用等PPT演示及視頻，實現了機械結構設計與運動分析、傳感器檢測與可編程序控制的綜合應用訓練。課程體系設計的綜合實踐教學平臺，實現了理論與實踐、原理與工程、基礎性與先進性的有機結合，培養學生測控技術基本概念、基本原理、基本方法的同時，突出機械測試系統總體方案設計與實踐的訓練。

4 預期的教學效果

改革、優化后的測控課程體系，包含了《機械工程測試技術基礎》、《機械工程控制技術基礎》、《現代傳感器》、《檢測系統設計》、《機械產品可靠性設計與試驗》課程，面向機械專業本科學生，適用于機械工程大專業和機械電子工程專業，直接受益學生約500～600人。改革前的測控課程各門課程相互獨立，學生學到的知識無法融匯貫通，學生缺乏對知識的應用、實踐訓練。通過對機械類測控技術課程進行完善和優化，有效使用先進的教學方法和手段，充分利用資源，將機械工程的特點和檢測與控制的課程整合為一個現代機械工程測控系統的教學體系，使學生在有限的學時內能夠掌握機電一體化的基本理論及先進技術。通過實踐教學平臺的建設，使學生將書本的理論知識和實踐經驗真正融入自己的知識鏈。解決了理論知識枯燥、內容銜接不夠緊密，實踐內容陳舊、與前沿知識、工程實際聯系不夠緊密的問題。同時，教學改革成果可輻射，汽車專業本科生、機械工程專業研究生。

5 結束語

總之，完整的“機械工程測控技術”課程體系，能夠系統、循序漸進地講授測試系統的基本理論、工作機制、性能評價、系統設計等主要內容，注重激發學生的創新意識，培養學生的自主學習能力、創新能力和對知識的綜合運用能力。建立了從基礎課程到畢業設計的應用型人才培養體系，通過系統地學習測控系統知識，學生不僅具備比較深厚的科學、工程知識和能力，還具有創新精神，具備能夠綜合應用科學、工程知識分析和解決問題的能力。