促進(jìn)綜合能力培養(yǎng)的工程測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

丁 叢， 高發(fā)興， 樸鐘宇

（浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310023）

0 引言

新時(shí)代新形勢，改革開放和社會主義現(xiàn)代化建設(shè)、促進(jìn)人的全面發(fā)展和社會全面進(jìn)步對教育和學(xué)習(xí)提出了新的且更高的要求［1］。我國教育部提出“雙一流專業(yè)”計(jì)劃，即建設(shè)面向未來、適應(yīng)需求、引領(lǐng)發(fā)展、理念先進(jìn)、保障有力的一流專業(yè)為目標(biāo)，實(shí)施一流專業(yè)建設(shè)，建設(shè)1 萬個(gè)國家級一流本科專業(yè)點(diǎn)和1 萬個(gè)省級一流本科專業(yè)點(diǎn)［2］。我國高等教育更加關(guān)注和注重創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)，這就要求當(dāng)代大學(xué)生具備運(yùn)用所學(xué)知識與技能解決實(shí)際工程問題的能力。然而，這種工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)是高等教育中最薄弱的環(huán)節(jié)和最棘手的問題之一。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生將理論知識與工程應(yīng)用有機(jī)結(jié)合并有效轉(zhuǎn)換的重要支撐，是鍛煉與培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［3-4］。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革無論是對學(xué)科建設(shè)還是對學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)都顯得至關(guān)重要。

隨著機(jī)電一體化技術(shù)的迅速發(fā)展，工程測試技術(shù)越來受到人們關(guān)注與重視。“工程測試技術(shù)”是從事機(jī)械工程行業(yè)的工程師必須掌握的一門實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)［5］。在高校機(jī)械類專業(yè)中，普遍把“工程測試技術(shù)”作為本科生和研究生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)研究能力的理論基礎(chǔ)和必要的技能訓(xùn)練［6］。通常學(xué)生可以較容易地掌握測試技術(shù)理論知識，但很難將理論知識與科學(xué)實(shí)踐相結(jié)合，更難于工程運(yùn)用。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是與理論課程緊密聯(lián)系的實(shí)踐活動，是連接學(xué)習(xí)與實(shí)際工作的橋梁，有助于學(xué)生直觀地掌握理論知識，并將知識付諸工程實(shí)踐［7-8］。

因此，開設(shè)工程測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已出現(xiàn)明顯弊端，很難促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)研究能力、工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，必須進(jìn)行教學(xué)模式改革與創(chuàng)新［9］。

1 工程測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

工程測試技術(shù)是一門多學(xué)科交叉的課程，不僅涉及的知識面廣，其理論性也很強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)與掌握該門課程的難度系數(shù)較高。為了提升學(xué)生對本課程的興趣，提升教學(xué)效果，更是為了培養(yǎng)學(xué)生具備一定的工程實(shí)踐能力，開設(shè)一門工程測試實(shí)驗(yàn)課程。然而，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在以下問題：

（1）部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊。目前，測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容主要包含：應(yīng)變片及電橋電路實(shí)驗(yàn)、差動變壓器實(shí)驗(yàn)、電渦流傳感器和懸臂梁動態(tài)特性測試。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容存在多年未更新問題，缺少對學(xué)生綜合能力培養(yǎng)，以及指導(dǎo)教師講得多學(xué)生實(shí)際操作環(huán)節(jié)較少的問題。另外，實(shí)驗(yàn)大多采用驗(yàn)證性和演示性的教學(xué)模式［10，11］，在一定程度上有利于鍛煉學(xué)生掌握基本操作的能力和強(qiáng)化學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解，但是，與培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)研究能力的目標(biāo)還存在很大差距。

（2）理論知識很難付諸實(shí)踐。在實(shí)驗(yàn)操作過程中，絕大多數(shù)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中實(shí)驗(yàn)步驟按部就班地進(jìn)行設(shè)備接線。或者，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的演示“照葫蘆畫瓢”地進(jìn)行相關(guān)操作，很多學(xué)生知其然而不知其所以然。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要是針對電橋、差動變壓器、電渦流傳感器和壓電傳感器的工作原理與特性進(jìn)行探討，實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕羌由顚W(xué)生對理論知識的理解。但是，這些傳感器在工程中如何安裝、如何使用以及它們的目的是什么，學(xué)生很難從實(shí)驗(yàn)課中獲取。

（3）理論與工程實(shí)踐脫節(jié)現(xiàn)象較嚴(yán)重。“工程測試技術(shù)”理論知識相對較零散，章與章之間銜接性較弱。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中幾乎沒有與實(shí)際工程應(yīng)用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測試環(huán)節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生在專業(yè)理論知識運(yùn)用到工程實(shí)際方面的能力十分薄弱［12-13］。此外，部分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的正確實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本已知，使得部分學(xué)生機(jī)械式拼湊正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，缺乏執(zhí)行實(shí)驗(yàn)的主觀能動性。

（4）學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的參與度不強(qiáng)［14-15］。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生通常以分組形式進(jìn)行，每組一般有4 或5 名學(xué)生。由于學(xué)生很少主動提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，或?qū)碚撝R掌握程度較低，或很難將理論知識與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有機(jī)聯(lián)系［12］，致使學(xué)生缺乏對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的興趣，缺乏主動性，不愿意或不積極參與到實(shí)驗(yàn)中去。

上述諸多問題的核心是，實(shí)驗(yàn)課與工程實(shí)際問題存在嚴(yán)重脫節(jié)現(xiàn)象，學(xué)生無法認(rèn)知實(shí)驗(yàn)課的真正意義和重要性所在，以及“工程測試技術(shù)”在工程領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

2 工程測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案

2.1 更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

基于OBE教育理念，增設(shè)“基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)”“綜合型實(shí)驗(yàn)”和“分析研究型實(shí)驗(yàn)”3 個(gè)環(huán)環(huán)相扣且層層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。保留工程測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)原有的教學(xué)大綱內(nèi)容，并作為“基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)”內(nèi)容。即將原有4 個(gè)實(shí)驗(yàn)“實(shí)驗(yàn)1。應(yīng)變片及電橋電路實(shí)驗(yàn)”“實(shí)驗(yàn)2。差動變壓器實(shí)驗(yàn)”“實(shí)驗(yàn)3。電渦流傳感器”“實(shí)驗(yàn)4。懸臂梁動態(tài)特性測試”，作為“基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)內(nèi)容。主要目的是強(qiáng)化學(xué)生對工程測試技術(shù)理論知識的理解，了解不同傳感器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理和性能。

“綜合型實(shí)驗(yàn)”主要教學(xué)內(nèi)容為：了解數(shù)據(jù)采集卡和力矩傳感器的功能與安裝，安裝振動傳感器、溫度傳感器和聲音傳感器，操作工程項(xiàng)目裝備（摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)），以及通過多種傳感器采集不同信號。“綜合型實(shí)驗(yàn)”實(shí)現(xiàn)將零散知識點(diǎn)整合化，將專業(yè)理論知識與工程實(shí)踐結(jié)合起來。主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的自主動手操作能力、獨(dú)立思考和解決問題的能力。從而提升學(xué)生對工程測試技術(shù)的深入學(xué)習(xí)興趣，使其明確工程測試技術(shù)的工程應(yīng)用價(jià)值。

“分析研究型實(shí)驗(yàn)”主要內(nèi)容為：了解LabVIEW分析控制軟件的功用，運(yùn)用Matlab 軟件對傳感器采集的原始信號進(jìn)行初步濾波處理，分析力信號、振動信號、溫度信號和聲音信號的特性及相互之間的關(guān)聯(lián)。“分析研究型實(shí)驗(yàn)”屬于進(jìn)階實(shí)驗(yàn)，在“基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)”與“綜合型實(shí)驗(yàn)”的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生初步掌握相關(guān)分析軟件，掌握信號分析與處理的相關(guān)方法，拓展學(xué)生知識面，培養(yǎng)學(xué)生的分析問題、解決問題等科學(xué)研究能力。

2.2 搭建工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)平臺

為實(shí)現(xiàn)“綜合型實(shí)驗(yàn)”教學(xué)目的，在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)平臺上搭建工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)原理是通過給環(huán)-盤摩擦副施加一定的載荷和轉(zhuǎn)速，使其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，摩擦副接觸表面間會產(chǎn)生力信號、溫度信號、聲音信號和振動信號。這些信號通過相應(yīng)的傳感器進(jìn)行采集，傳感器的安裝方式如圖1 所示，三軸力傳感器安裝在加載裝置的下方，溫度傳感器安裝在試樣盤內(nèi)距上表面1 mm 的安裝孔內(nèi)，聲音傳感器安裝在距離摩擦副10 mm位置，振動傳感器安裝在盤夾具下方。

圖1 工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)平臺示意圖

工程測試技術(shù)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在大三階段進(jìn)行的，在該階段，大三學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了機(jī)械設(shè)計(jì)這門專業(yè)課程，該課程有一章內(nèi)容專門介紹摩擦學(xué)理論、摩擦磨損3 個(gè)階段以及磨損類型等知識點(diǎn)，學(xué)生對摩擦磨損現(xiàn)象有一定的了解，因此，以摩擦磨損試驗(yàn)平臺作為載體是具有可行性的。為了強(qiáng)化學(xué)生對摩擦磨損問題的認(rèn)識，在實(shí)驗(yàn)前要求學(xué)生提前復(fù)習(xí)該部分內(nèi)容，并學(xué)習(xí)課前布置的與摩擦磨損相關(guān)的文獻(xiàn)，有益于學(xué)生自主拓展。此外，以摩擦磨損實(shí)驗(yàn)平臺為載體的另一個(gè)重要原因是，摩擦磨損問題是工程裝備中不可避免的難題，可以作為實(shí)驗(yàn)課程中討論環(huán)節(jié)的一個(gè)探討問題。

2.3 建立信號處理與分析系統(tǒng)

為實(shí)施“分析研究型實(shí)驗(yàn)”教學(xué)內(nèi)容，基于LabVIEW軟件開發(fā)工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)平臺控制與信號采集系統(tǒng)，以及運(yùn)用Matlab 軟件中小波分析工具箱（WaveletAnalyzer）進(jìn)行信號處理與分析。如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)平臺控制與信號采集系統(tǒng)主要包含參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)保存和信號顯示。數(shù)據(jù)設(shè)置模塊主要包含實(shí)驗(yàn)的法向載荷、旋轉(zhuǎn)速度、傳感器采樣頻率和摩擦副的磨損直徑。數(shù)據(jù)保存模塊主要包含數(shù)據(jù)保存路徑、實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)置和采樣倒計(jì)時(shí)。信號顯示模塊主要用于實(shí)時(shí)在線顯示摩擦力信號、溫度信號、聲音信號和振動信號。

圖2 工程實(shí)驗(yàn)平臺控制與信號顯示系統(tǒng)

運(yùn)用Matlab 軟件中小波分析工具箱（WaveletAnalyzer）進(jìn)行信號處理與分析，首先打開如圖3 所示的WaveletAnalyzer 工具箱，然后進(jìn)入一維小波離散變換Wavelet 1-D界面，選用Daubechies（db）方法對采集的原始信號進(jìn)行降噪處理，如圖4 所示。處理之后，對力信號、溫度信號、聲音信號和振動信號特征，以及不同信號之間的關(guān)聯(lián)特性進(jìn)行分析。

圖3 小波分析工具箱界面

圖4 信號處理界面

2.4 實(shí)驗(yàn)操作流程

實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用小班教學(xué)模式，每次實(shí)驗(yàn)課學(xué)生不多于30 人，4 或5 人為一組，整體實(shí)驗(yàn)流程為：①每組先按照指導(dǎo)教師的講解進(jìn)行“基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)”，了解傳感器的基本結(jié)構(gòu)組成和原理；②進(jìn)行“綜合型實(shí)驗(yàn)”，指導(dǎo)教師講解摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的組成和基本原理，演示實(shí)驗(yàn)，接著每組學(xué)生分工協(xié)作安裝傳感器、設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)、采集相應(yīng)信號并進(jìn)行保存；通過該部分實(shí)際工程操作，鍛煉學(xué)生自己獨(dú)立動手能力、工程實(shí)踐能力，明確專業(yè)知識在工程實(shí)踐中的應(yīng)用；③進(jìn)行“分析研究型實(shí)驗(yàn)”，指導(dǎo)教師向?qū)W生講解小波降噪信號處理的原理，學(xué)生把數(shù)據(jù)拷貝后回到圖書館或教室，鞏固工程測試技術(shù)中信號處理與分析相關(guān)理論知識，然后對采集到的原始信號進(jìn)行處理與分析；通過該部分分析研究訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的分析問題、解決問題的科學(xué)研究能力；④學(xué)生整合數(shù)據(jù)，給出原始數(shù)據(jù)與處理后數(shù)據(jù)的時(shí)間序列圖，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告整理與撰寫，回答相關(guān)拓展思考題。

2.5 討論環(huán)節(jié)與實(shí)踐

實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成后，增設(shè)一個(gè)以小組形式進(jìn)行的討論環(huán)節(jié)，小組成員自由組合，每組8 人左右。討論環(huán)節(jié)主要分為兩個(gè)部分，①老師提出1 或2個(gè)問題讓學(xué)生們進(jìn)行討論，問題如：體重秤是利用什么類型傳感器測量體重的？電子溫度計(jì)的工作原理是什么？該部分主要起到引導(dǎo)式教學(xué)作用。②針對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及在摩擦磨損試驗(yàn)裝置上進(jìn)行的科研實(shí)踐中問題進(jìn)行探討，最終每一小組給出期望進(jìn)一步探索的科學(xué)問題。組織學(xué)生自行撰寫一份實(shí)驗(yàn)方案，自主式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最終，根據(jù)學(xué)生提出問題的科學(xué)性、實(shí)驗(yàn)方案合理性、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范性，對學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力進(jìn)行評判。

另外，可以嘗試將工程測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)嵌入到大三的暑期工程實(shí)踐中。不僅彌補(bǔ)學(xué)生對階段式學(xué)習(xí)知識的遺忘，更注重培養(yǎng)學(xué)生在工程生產(chǎn)中將所學(xué)知識付諸實(shí)踐的能力。

討論環(huán)節(jié)與實(shí)踐緊扣OBE理念，注重學(xué)習(xí)成果產(chǎn)出，該成果是學(xué)生自主式探索獲取的成果，不僅具有鮮明的個(gè)性化特色，更具有挑戰(zhàn)性，充分鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，發(fā)展協(xié)同教學(xué)，注重知識整合，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

3 結(jié)語

本文針對工程測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出的“基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)-綜合型實(shí)驗(yàn)-分析研究型實(shí)驗(yàn)”新模式的改革方案，很好地將專業(yè)理論知識與工程實(shí)踐聯(lián)系起來，具體的優(yōu)勢在于：更新了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，增加了工程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、信號分析環(huán)節(jié)，3 個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，層層遞進(jìn)，將零散的理論知識進(jìn)行了良好整合。改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，更加突出了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的重要性。基于OBE教學(xué)理念，增設(shè)了討論環(huán)節(jié)和具有一定挑戰(zhàn)性的自主實(shí)踐環(huán)節(jié)。新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式促使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中鞏固專業(yè)理論知識、明確理論知識在實(shí)際工程中的應(yīng)用價(jià)值，拓展了學(xué)生的知識面，提升了學(xué)生對相關(guān)專業(yè)知識學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)研究能力、科學(xué)研究能力、工程實(shí)踐素質(zhì)和能力、創(chuàng)新能力，提升了學(xué)生的自學(xué)能力、學(xué)習(xí)態(tài)度、動手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，最終，達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力的目標(biāo)。

·名人名言·

實(shí)驗(yàn)室和發(fā)明是兩個(gè)有密切關(guān)系的名詞，沒有實(shí)驗(yàn)室，自然科學(xué)就會枯萎；科學(xué)家一經(jīng)離開了實(shí)驗(yàn)室，就變成戰(zhàn)場上繳了械的戰(zhàn)士。

——巴斯德