基于工程案例和實驗相結合的機械工程測試技術課程教學改革研究

汪萌生 王金鶴 姜凱雯

[摘 要]為了激發學生的學習興趣和積極性，提高教學效果，克服單一理論教學的不足，文章以機械工程測試技術課程實驗教學為例，提出以“工程案例和實驗結合”的教學模式，密切理論與工程應用之間的聯系，將學習過程轉變為理論學習、實驗、應用技術一體化。這類將理論化與實踐化相結合的教學模式不僅有利于教學知識的傳授，更有利于學生工程實踐能力和創新能力的培養。

[關鍵詞]測試技術;工程案例;設計性實驗;綜合性實驗

[中圖分類號]G434 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-7656（2021）05-0060-05

引言

機械工程測試技術課程在教學內容上涵蓋著大量的實踐性知識，該課程教學要求學生掌握測試信號分析理論、傳感器原理和機械測試技術應用方法這三部分的相關知識點[1]。其中，信號調理知識點占大量篇幅，該課程的基本知識原理和應用部分是學生需要掌握的關鍵，然而測試技術板塊內容的不足，會導致學生在理論與技能之間難以達到較好的平衡[2]。由于學校實驗室條件限制以及課程本身具備一定的難度，使得學生在課堂教學中存在著疑惑之處，較難通過相關的實物去解決問題和較好地掌握相關知識，教學效果需要改進。

為了提高本課程的教學效果，學者們進行了許多探索。喻紅等[3]提出了以工程案例為背景的實驗課教學模式，利用大量科研項目，對科研項目中應用到的測試技術進行整理，提煉為具有實際工程應用背景的案例和實驗。西南科技大學石磊[4]通過設計測試技術虛擬案例，讓學生在LABVIEW虛擬儀器平臺上完成信號的發生、分析、處理和結果輸出，激發學生學習的主動性，培養學生工程意識和解決問題的能力。浙江海洋學院郝鴻雁[5]詳細介紹了將工程案例導入到教學過程的具體方法和過程，總結了該方法在教學過程中的使用效果和可能存在的問題。華南理工大學郭建[6]探討了項目教學法在教學中的應用，通過實際的傳感器的安裝到硬件平臺的搭建，培養學生以工程項目為核心的思維和工作方式，促進學生學習主觀能動性，該模式能較好地激發學生的學習興趣，取得了較好的教學效果。重慶科技學院文成[7]提出以“案例和實驗并舉”的教學模式，密切理論與實踐之間的聯系，促進學習過程轉變為學習、應用和發展知識的過程。機械工程測試技術課程側重理論教學，實驗教學內容需要加強，這意味著在教學過程缺乏對學生自主探究能力的培養，學生對課程不易產生學習興趣。因此提出以“工程案例和實驗相結合” 的教學模式，密切理論與工程實踐之間的聯系，促進學習過程轉變為理論學習、應用和發展知識的過程，有利于激發學生學習的積極性，幫助學生更高效地學習。

一、教學活動中存在的不足

該課程教學過程中存在的不足主要體現在以下幾個方面。

（一）知識點側重點單一，重理論輕實踐

該課程在教學過程當中更傾向于理論知識的傳授，相較于記憶型知識，該課程涵蓋大量的數學知識。因此，在課程理論知識學習過程中，學生會感覺知識生澀難懂，出現難以深入理解掌握知識的情況。

（二）知識點布局不夠合理

該課程從知識點角度考慮，按照信號及其描述、測試裝置的基本特性、常用傳感器及敏感元件、信號調理、信號處理、工程應用的順序對教材進行排版布局，此種布局有利于保證知識點的完整性，但知識點學習是一個循序漸進的過程，學生在面對如此排版的教材時，難以較好地處理知識點之間的關聯性[8]。

（三）傳統的教學方式實踐性環節偏少，實驗和技術應用結合不夠

由于教學實驗條件的限制，學生可以動手參與的實驗和實踐性環節偏少，而且主要是驗證性實驗，缺少與工程背景的應用技術之間的聯系，不利于對學生進行工程實踐能力的培養，也影響了教學效果。

二、教學改革的目標方向

針對當前存在的不足，需要從教學環節的講授端入手，首先明確教學目標。針對“機械工程測試技術”課程教學中存在的理論教學較多的問題，在教學環節可將該部分進行弱化，側重知識點在物理方向上的涵義;知識點布局存在不合理的情況可在教學環節進行調整，教師可通過知識點本身的關聯性適當地對知識點進行重新梳理，力求提高學生學習的效率;考慮到課程本身的性質，在保證理論與實踐一體化基礎上，還可適當利用現代先進儀器技術來提高教學質量。結合工程實踐的需求建立開放的實驗系統，培養學生的解決工程實際問題和技術應用能力。為了培養綜合型機械人才，本課程教學過程選取的工程案例設計都嚴格遵循教學目標的要求，具備一定的科學性、代表性及可靠性。工作工程案例的選擇主要通過三個途徑：科研項目、企業生產和學生實踐項目，在保證授課計劃緊扣課程教學內容的前提下，設置與各章節相對應的實驗與工程案例，幫助學生更好地消化吸收相關知識。

三、教改實施方案和方法

（一）工程案例來源途徑的分析

工程案例是本次課改的重要環節，其來源于主要依靠于工程實例，具備一定的真實性與實踐性，教師在課前可通過以下兩種途徑獲取。

1. 通過工程實踐。在教學過程中，教師可通過授課教師的科研或指導學生工廠實習，以及在技術服務和科研課題中所積累的經驗和素材，在指導學生科技創新、科研、課程實習和畢業實習過程中，注意收集工程案例素材。

2.調研法獲得工程案例，根據相關工作實踐的整理反饋，指導教師充分消化吸收后，緊扣案例關鍵，注重細節把控，以確保授課過程可以進行討論。

根據教學內容對所得案例進行合理分類（見圖1所示）。案例的選擇，圍繞教學內容，突出其中重點、難點，有利于使學生對理論知識產生更深層次的理解，從而更好地把握理論知識與實踐工程問題之間的關系，培養學生解決問題的技術素養，提高分析及解決問題的能力。

（二）課上案例的引入與討論

機械工程測試技術課程章節眾多，先將這些繁雜的內容進行梳理，使理論知識系統化。課程主要學習機械工程測試技術基礎理論知識、測試技術方法，將各章節內容對號入座分類系統圖。測試系統的作業需要傳感器、信號調理和顯示記錄裝置三部分相配合實現。其中被測物理量是由信號模塊進行處理，以實現非電量到電量的轉換，保證最終信息的獲取是符合測試系統的要求。為了保障測試系統最終作業符合實際情況，能夠正確反應被測物理量的狀況，需要利用測試裝置對其展開測評。學生如果學會了搭建測試系統，可以進行常見物理量（位移、振動、應變、力、扭矩、流體參數等）的測試，探討解決工程實際問題的技術方法（見圖2所示）。

隨著理論知識學習的不斷深入，學生對于課程產生一定的興趣與疑惑，教學便可通過工程實際需要對傳感器進行分類選擇，其內容包括傳感器的選擇、傳感器的安裝、電路連接調控。將工程實例引入課程教學中，不僅有利于學生更好地掌握理論知識，而且有利于激發學生學習的主動性。同時關注傳感器的選用、測試信號的調理和處理分析以及測試結果的顯示。

教師將工程實例引入課堂教學中，可采用啟發式教學模式，引導學生自主思考、小組討論，針對工程實例中的一些問題如何利用理論知識展開分析？如何解決這些問題？如何避免這些問題？鞏固測試技術的基礎知識，才能培養正確的解決問題的思維方式。

（三）課程實驗的選擇和安排

在原先基于傳感器知識的課程實驗基礎上增加信號調理，信號分析和顯示等實驗，另外同時增加綜合性實驗項目。即根據課程的理論知識點，并結合工程案例，實驗目的作為實驗分類的重要依據具備著重要意義，但考慮到課程知識點之間具備關聯性，可通過知識點之間的聯系對實驗進行重組安排。例如，涉及到傳感器及其處理電路、數據采集及信號分析、機械制造工藝以及數據處理等相關知識，涵蓋了機械工程測試技術章節知識點的實驗：1.傳感器制作及其動態特性測試;2.振動與控制實驗系統模態綜合實驗;3.旋轉機械軸承故障綜合分析實驗;4.液壓閥性能測試實驗等。例如電子秤力傳感器制作及其性能測試實驗，要求學生掌握力傳感器的原理及其制作工藝，力傳感器的標定和誤差分析;首先訓練學生合理選擇承重鋼梁試件的結構、材料和應變片規格，工作面的清洗和貼片;然后運用電橋電路和差特性，合理布片，焊接成電橋，完成力傳感器的制作;最后搭建實驗裝置，對制作的力傳感器進行性能測試，進行誤差分析獲得其性能參數。類似這些綜合性實驗項目已經接近于實際工程測試項目。

為了提高機械測試的工作效率，將虛擬儀器技術-LabView圖形化編程工具引入到機械測試當中。LabView作為儀器編程和數據采集系統的工具已在工業界、學術界和研究實驗室實現大范圍的應用[9，10]。考慮實驗室的設備儀器條件并配合LabView工具優選出多個設計性試驗。例如：1.振動實驗臺固有特性測試系統設計;2.基于加速度傳感器的振動測試系統設計;3.軸承故障診斷系統設計;4.水箱溫度監測系統設計。在教學過程中，教師根據教學目標，合理布置測試實驗項目的任務要求，要求學生自主查閱相關資料，依據指定的若干類型傳感器、信號調理、信號采集和分析儀，合理進行分析設計，并展開相關測試，實現對測試結果的進行時域和頻域等信號處理分析，見圖3實驗分類圖。

通過這些實驗可以使學生掌握基本的測試技術方法，推動學生對于理論知識的進一步理解掌握，培養學生將理論知識、技術方法運用到實際工程中解決現場問題的能力。

（四）工程案例的具體導入過程

對引入的工程測試案例分解為測試傳感器的選用、測試信號的調理、測試信號的分析處理和測試結果的顯示等部分。下面以電梯轎廂振動的動態測量為例，介紹如何將工程案例導入“機械工程測試技術”的實際教學中。

首先提出問題：電梯轎廂振動測量的工程意義？如何進行測量？測量原理是什么？測量系統中選用那類傳感器？測量信號需要采用什么樣的處理方法？測量的精度？測量得結果如何顯示和表示？能否滿足實際工程需要？在授課老師的引導下，學生帶著這些問題進行思考逐步尋求解決的辦法，找出平時學習的理論知識薄弱點再進行學習，提高了學生的積極性和創造性。

在明確電梯轎廂振動測量測量的工程背景后，根據機械振動測量原理，振動測量是通過加速度幅值計算振動速度和著振動位移，可以存在三種不同的表示方法及相互進行轉化，即振動位移、速度和加速度測量，還可以計算振動信號的功率。一個工程案例基本涵蓋了課程的大部分內容。包括傳感器的選擇：采用壓電式三向振動加速度傳感器，將轎廂內產生的振動加速度值的變化轉化為電荷信號，通過電荷放大器轉化為電壓信號;信號的變換與傳輸：電壓信號輸送到A/D采集卡，再以數字信號的形式傳送到便攜電腦中（見圖4）;由虛擬儀器軟件的應用，顯示記錄信號等。這樣就將教材中的知識點進行了有機串聯，變得立體化，讓學生真切地感受到學有所用、學以致用。

（五）課后效果評價

課后要認真對教學實施過程進行剖析，包括進行順利、效果良好的案例，以及進行不順暢、討論之中的各種案例，都要進行剖析，同時也可以讓學生課后進行教學效果的評教，從質與量兩個方面，分析案例選擇的準確性及可行性。通過不斷地反思、分析、總結，建構起充足、科學的教學案例資源，不斷完善面向工程觀的案例教學模式。教學模式改革的目的既要注重學生動手、實踐能力的培養，又注重基本概念及物理意義的理解與消化，同時又培養學生的科研能力和創新能力，這將提高機械工程測試技術的教學質量。

四、結語

通過在課堂教學中引用具有實際工程應用背景的案例來激發學生的學習興趣，并且參照工程案例的核心技術方法組織和設計綜合性實驗，促進學生自己驗證、理解和掌握所學知識以及基本的測試技術方法，這種“案例和實驗結合”的教學模式既促進學生對基本原理概念的深度理解消化，又注重學生自主創新能力的發展，理論與實踐相結合的教學方式將有效提高機械工程測試技術課程的教學質量與水平。

[參考文獻]

[1]王生寧.關于《機械基礎》課程教學方法的探索[J].職業教育研究，2006（9）：101-102.

[2]黃長藝，嚴普強.機械工程測試技術基礎[M].北京：機械工業出版社，2001.

[3]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）：104-106.

[4]石磊.案例教學法在《機械工程測試技術》的應用[J].機電技術，2011（5）：147-149.

[5]郝鴻雁，劉葉華.工程案例導入在機械工程測試技術教學中的應用[J].大學教育，2014 （3）：102-104.

[6]郭建.基于項目教學法應用下的機械工程測試技術[J]，教育教學論壇，2016（18）：178-82.

[7]文成，周傳德.機械工程測試技術“案例和實驗并舉”教學模式探索[J].中國現代教育裝備，2013（1）：61-63.

[8]李敏通，朱兆龍，查崢.“機械工程測試技術”教學方法研究探討[J].教育教學論壇，2012（4）：189-190.

[9]傅健，滿慶豐，王鋼.基于 Lab VIEW 的“測試技術基礎”教學實驗平臺[J].實驗室研究與探索，2010（9）：119-121.

[10]尤麗華，周洋.基于虛擬儀器的測試技術實驗教學系統建立[J].實驗技術與管理，2011（2）：83-86.

[作者簡介]汪萌生，湖州師范學院講師，博士，研究方向：機械設計及測試技術;王金鶴，湖州師范學院教授，博士，研究方向：機械制造信息化和智能化;姜凱雯，湖州師范學院2017級機械工程本科生，研究方向：機械設計與制造。

[責任編輯 韋 遼]