科教融合的機械工程測試技術課外實驗探索

董 明 李 曼 王川偉

（西安科技大學機械工程學院 陜西·西安 710054）

0 引言

隨著信息化科技革命和產業變革的孕育和興起，第四次工業革命正在悄然發生，不僅給全球經濟帶來了機遇和挑戰，對我國的高等教育也帶來了前所未有的挑戰，因此，我們的課程教育也要積極應變[1-2]。伴隨著第四次工業革命的進程和《中國制造2025》戰略的提出，智能制造已成為國民經濟的核心，在智能制造技術的幫助下，有效提高了產品質量、提升了企業生產效率和經濟效益。智能系統不僅要實現各種數據的采集、處理和分析，還要準確執行指令，實現閉環反饋，最終實現自學習、自決策。雖然我國制造裝備已實現數字化和自動化，但離真正的智能化還有很大差距[3]。機械工程測試技術是裝備智能化的前提，在產品質量控制、裝備狀態在線監測及智能診斷等領域具有廣闊的發展前景。社會急需機械工程測試技術相關的專門人才，這對于高等工科院校是一個難得的歷史機遇[4]。

伴隨著現代科學技術和學科課程的發展，教學理念發生了巨大轉變，教學方式也由傳統教學方式向現代教學方式轉變[5]。傳統教學以教師為中心，以教師課堂講授為主，采用理論考試對學生進行評價，這種教育模式已不能滿足學生創新能力和實踐能力培養的要求。工程教育改革，需要在基礎理論的學習中，巧妙地插入大量具體工程案例和產品實例以加深學生對各個知識點的熟練掌握，需要不斷補充和完善新的教學內容以反映本學科最新的科技成果和發展動態，不斷改變和突破現有的教學方法及手段以提高實際教學效果，以靈活多樣的互動來激發學生的學習興趣，使學生能夠主動學習，成為課堂上學習知識的主人,適應第四次工業革命的要求[6]。另外，青年教師逐漸成為教學的主力，但他們自身在教學經驗和教學成果上積淀尚弱，而要完成目前對機械工程測試技術課程的教學任務，提高教學質量，就要堅持貫徹“教學帶動科研，科研促進教學，教學科研相長”的指導思想[7]，將科研成果轉化為課程教學素材，使得教學內容及時更新，保持教學內容的先進性。

因此，依據機械工程測試技術課程的特點，結合現代先進教學理念和教學方法，把科研項目轉化為教學項目，把科研項目涉及的先進技術、基礎理論和基本技能，科研人員的創新精神融入課堂教學中，甚至將項目中實驗平臺的搭建工作作為學生課后的實踐訓練，以提高學生的動手能力和創新能力，更有利于培養學生的科研和探索精神，全面提高學生的綜合素質。

1 機械工程測試技術課程現狀

機械工程測試技術是我校機械工程專業本科生的專業基礎課程，是專業培養計劃中的學科基礎課。通過該門課程的學習，掌握測試技術、信息處理技術的基本知識和方法，能將這些知識和方法用于對機械工程領域中復雜工程問題解決方案的分析、比較和綜合。在課程中融入思政，職業文化和工匠精神，引導學生正確認識先進測試技術在制造業及國民經濟中的地位和現狀，培養學生的使命擔當和社會責任感。

機械工程測試課程以信號為主線，教師課堂講解理論知識點，包括信號產生、信號調理、信號處理、結果顯示等，知識點多，且各章節相互獨立，學起來枯燥。課程的先修課程包括高等數學、概率論與數理統計、大學物理、電工電子技術等課程，因為這些課程與本門課程間隔時間較長，也影響到了學習效果。傳統的授課形式不能滿足新工科建設要求培養復合實踐創新人才的要求。結合學校實驗教學條件、學校行業背景和教師主持的科研項目情況，將超聲檢測技術作為課外實驗，將課堂理論教學時講解的壓電傳感器基本工作原理、測試系統的組成、測試系統搭建和測試系統特性等知識點融入實驗。

2 實驗設計與實施

機械工程測試技術是門綜合性較強的課程，各種技術的飛速發展，特別是各種新材料、新原理被開發出來，使得課本內容相對滯后。超聲檢測具有操作方便、穿透能力強、靈敏度高等優點，是應用最為廣泛的一種無損檢測方法。超聲檢測技術涉及壓電傳感器及其工作原理、微弱信號采集、信號處理等技術，與機械工程測試技術的教學內容相匹配。因此，超聲檢測相關知識可作為儀器科學與技術學科下的測試計量技術及儀器專業、材料科學與工程學科下的材料無損檢測與評價專業或者是機械工程學科下的機械電子工程專業的課外實驗。

2.1 實驗原理

超聲檢測是指利用超聲波對金屬構件內部缺陷進行檢查的一種無損探傷方法。用發射探頭向構件表面通過耦合劑發射超聲波，超聲波在構件內部傳播時遇到不同界面時會產生超聲波的反射現象，反射信號被探頭接收，得到超聲回波。根據顯示屏上顯示出的回波信號的位置可以判斷缺陷的深度，根據回波的高度判斷缺陷的大小，根據回波的形狀判斷缺陷的類型[8]。

超聲檢測可分為反射法和透射法，其中反射法是工程中應用最廣泛的一種方法。由脈沖波發生器產生的高頻脈沖，通過放大器后激勵給探頭中的壓電晶片，基于逆壓電效應，電能轉化成機械能，壓電晶片振動產生超聲波，超聲波在工件內部傳播，當遇到缺陷時產生反射現象，部分反射回波被壓電晶片接收，因為壓電效應，機械能轉化為電能，輸出微弱電信號，該信號經放大后在顯示屏上顯示。顯示屏的橫坐標是時間基線，其長度與時間成正比，可以確定各個反射回波到達探頭的時刻，進一步可求出所在的位置；縱坐標表示的是回波的幅值。

2.2 實驗系統組成

測試系統一般由傳感器、信號調理模塊、信號采集模塊、信號處理模塊和結果顯示模塊等組成。超聲波檢測系統就是一個典型的測試系統，主要由超聲探頭、信號發生器、功率放大器、轉換開關、示波器等組成。根據探頭參數對信號發生器進行設置以產生激勵信號，該信號經功率放大器放大后，激勵換能器產生超聲波，超聲波在試塊中傳播，當超聲波遇到聲阻抗差異界面時會產生反射現象，部分反射回波被探頭所接收，根據壓電效應產生電信號，該信號經轉換開關輸送給示波器進行顯示，可對回波信號進行多次時間平均處理，以消除結構噪聲提高信噪比。示波器顯示的是射頻信號，而超聲探傷儀所顯示的是檢波信號，可以根據學生的能力，提升實驗的難度，可以借助虛擬儀器技術，在計算機上開發示波器和計算機的通信程序，將示波器的數據實時傳輸到計算機，在計算機上對回波信號進行包絡處理，得到檢波信號，或編寫頻域分析軟件，對回波信號進行頻域分析。通過采集不同類型缺陷的回波，觀察不同類型回波的時域特征，也可以對各信號進行頻譜分析，得到不同類型缺陷的頻域特征，加深對信號特征提取和缺陷分類的理解。

2.3 實驗項目

基于搭建的實驗平臺，結合超聲檢測相關知識和信號處理的知識，可以開展超聲波聲速測量、探頭零點測量、缺陷定位分析、缺陷回波頻譜分析等實驗。依據《GBT 11345-1989鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》，結合制作的平板、焊縫等人工缺陷試樣，開展實際的超聲檢測實驗，發現內部缺陷并對缺陷的位置進行標記，對大小進行評定，對類型進行評價。

另外，在同學們對超聲檢測基本原理、特點和工程應用的基礎上，可以進一步給學生講解將超聲相控陣、超聲TOFD、超聲導波等先進的無損檢測技術，拓展學生的學術視野，緊跟學科發展前沿，保證教學內容與時俱進。

3 結語

機械工程測試技術是機械工程本科專業的學科基礎課程，在整個培養方案中起到承上啟下的作用，是理論與實踐密切結合的課程。將教師承擔的科研項目中的研究內容、實驗系統搭建和解決實際工程問題的實例與課程的知識點結合起來，不僅掌握了基礎知識，同時也學會了科研的思想和方法，提高了解決復雜工程問題的能力。