淺談“測試與傳感技術”的教學創新

史璠 許馬會 黃明 馮俊萍

摘?要：針對機械電子工程專業“測試與傳感技術”課程信號頻域分析的內容概念抽象、對于學生來說晦澀難懂、對應課程目標達成度不理想的教學現狀，課程組采用了重構教學內容、創新教學手段、增加隨堂測試和課程思政融入等一系列創新方法，幫助學生理解課程內容、加強學生理論基礎，提升學生工程應用能力，提高課程目標達成度。

關鍵詞：測試與傳感技術；頻域分析；教學創新；達成度

Discussion?the?Teaching?Innovation?of?"Measuring?and?Testing?Technology"

—Taking?the?Frequency?Domain?Analysis?of?Periodic?Signals?as?an?Example

Shi?Fan?Xu?Mahui?Huang?Ming?Feng?Junping

Jiangsu?University?of?Technology?JiangsuChangzhou?213001

Abstract：In?view?of?the?fact?that?the?abstract?concept?of?signal?frequency?domain?analysis?in?the?course?"?Measuring?and?Testing?Technology"?for?mechanical?and?electronic?engineering?majors?is?obscure?to?students?and?the?corresponding?course?objectives?are?not?ideal，the?course?team?has?adopted?a?series?of?innovative?methods，such?as?reconstructing?teaching?content，innovating?teaching?methods，adding?inclass?tests?and?integrating?the?ideological?and?political?aspects?of?the?course，help?students?understand?the?course?content?and?strengthen?their?theoretical?foundation，improve?students'?engineering?application?ability?and?improve?the?degree?of?achievement?of?course?objectives.

Keywords：Measuring?and?Testing?Technology；Frequency?Domain?Analysis；Teaching?Innovation；Degree?of?Achievement

“測試與傳感技術”為機械電子工程專業一門重要的專業核心課程，與許多先修課程如“電工電子學”“控制技術基礎”“模擬電子技術”等密切相關，在課程體系中起到承上啟下的作用。該課程的主要內容包括信號及信號處理、信號調理、測試系統的基本概念和組成、傳感器原理、常見物理量如位移、速度、壓力、機械振動等的測量原理與測量系統等［12］。該課程也是一門兼具理論性和實踐性的課程，在工程中應用非常廣泛。

信號處理和分析是提取被測對象有用信息的關鍵一環，具有非常重要的意義。其中，信號的頻域分析為信號處理分析部分的教學重點和難點。深入理解信號的頻域分析能夠為學生打下堅實的理論基礎，對于理解該課程后續內容，包括信號調理、系統的頻率響應以及一些工程應用起到促進作用；掌握信號頻域分析能為學生畢業設計和研究生階段進行相關的科學研究和工程實踐提供思路和有力工具。

1?教學中存在的問題

根據該課程的課程大綱，課程目標1要求學生能夠掌握信號時域分析和頻域分析的方法，能夠對機械工程中不同對象所呈現的不同信號進行時域和頻域分析。根據課程定位和學生的知識基礎，該部分課程內容的重點為信號頻域分析的方法和物理意義，難點為頻域分析的物理意義和應用。在實際教學實踐中，該部分的教學效果不理想，究其原因主要有以下幾點：

1.1?教學內容抽象難懂

該部分內容理論性太強，學生很難清晰地把握諸如信號頻率、信號頻域等抽象概念；教材內容的編排順序不恰當，在學生完成時域信號分類學習后，簡單引入信號頻域描述之后就直接展示周期矩形波的頻域表達式，沒有鋪墊和過渡。學生的思維難以直接從時域分析轉變到周期矩形信號的頻域分析，這種跳躍式學習對于他們來說難以接受。

1.2?學生數理基礎薄弱

筆者所在學校大部分學生數理基礎較差，他們在學習信號分析時看到數學表達式就會產生畏懼感和挫敗感，失去學習的信心，或錯誤地將精力放在數學計算上而忽略了真正的課程重點，即頻域分析的物理意義，導致學習焦點錯位。

1.3?教學方法單一

傳統的教學方法主要是教師講授，教師全程給學生進行理論講解，缺乏有效的教學方法和直觀的教學手段。對于學生來說，這樣的課堂枯燥無味，容易喪失學習興趣。即使認真聽課，也難以理解課程內容，無法突破難點。

1.4?缺乏有效考核

傳統教學中，教師講授完課程內容，教學節段就告一段落，課后作業題就是唯一的考核方式。然而教材的課后題目通常只限于一些數學計算，這種考核題目并不能幫助學生厘清課程難點和理解頻域分析的工程意義。因此，沒有有效的考核題目和方法，教師也不能真正把握學生是否理解了頻域分析的物理意義以及學生是否具有將頻域理論分析轉化為解決工程實際問題的能力。

基于上述四點原因，學生不能真正理解和掌握該部分內容，進而影響后續課程內容的學習，無助于提高學生解決工程實際問題的能力，最終課程目標達成度不理想。

以課程目標和畢業要求為導向，針對該部分內容的教學難點和痛點，筆者所在課程組采取了教學內容重構、教學手段創新、思政融入以及增加隨堂考核等一系列的教學創新措施來幫助學生理解信號頻域分析的物理意義，提高課堂效率和課程目標達成度。本文以江蘇理工學院“測試與傳感技術”課程中“周期信號的頻域描述”在課堂教學環節中的教學設計為例，介紹該課程內容的教學創新。

2?教學創新舉措

2.1?生活與工程結合，變抽象為具象

2.1.1?工程案例導入

課程導入采用工程實例，以故障機床的振動時域波形引入，提出時域信號無法獲得故障信息，如何利用振動信號進行故障診斷的問題。通過提出工程問題，激發學生的好奇心和求知欲，提升學生的學習興趣，打下理論知識解決實際工程問題的基礎。

2.1.2?通過生活實例建立抽象概念

聯系學生在先修課程“單片機原理與應用”中學過不同頻率的激勵信號使蜂鳴器發出不同音高聲音的原理，引入信號的頻率概念。為進一步提升學生興趣，播放中國著名文物編鐘演奏《我的祖國》的視頻，不同大小和形狀的編鐘共振頻率不同，所以在受到敲擊的時候會發出不同音高的聲音。通過舉例為學生建立起聲音信號頻率的概念，以及讓學生了解我國博大精深的古代文化，增強了學生的民族自豪感和文化自信。

進一步聯系學生的生活經驗，說明學生在生活中熟悉的信號“頻率”，比如說彩虹（光波頻率）、通信（電磁波頻率）、琴鍵（聲音頻率）等。通過生活中的例子為同學們創造學習情境，將同學們的感性思維喚起，以此激起學生的學習興趣。接下來采用學生熟悉的測試信號——正弦信號來定義頻率的概念：頻率就是信號變化的快慢。頻率描述就是以頻率為自變量來分析信號。

2.1.3?工程應用

進一步理論聯系實際，將學生所學理論分析能力轉化為工程應用能力。教師講授完頻域分析后，為學生介紹頻域分析的應用，幫助他們進一步理解頻域分析的物理意義。教學中主要選用了三個實例為學生講解頻域分析的工程應用。第一個例子，我們創新性的引入了LabVIEW軟件［3］，麥克風實時采集現場聲音信號以及確定頻率的音頻信號，如單片機控制蜂鳴器發生的聲音，通過LabVIEW軟件分析采集的音頻信號的時域波形圖和頻譜圖，結合前面為學生展示聲音信號在時域和頻域不同的表現形式，強化學生對于信號在“時域”和“頻域”的不同表現形式的理解。第二個例子是同學們在一些先修課程接觸過的信號濾波。信號濾波在時域中是無法進行的，將信號轉換到頻域上就可以輕松處理。第三個例子是機械故障診斷中基于信號頻譜對機械設備進行故障診斷的例子。通過以上三個實例，幫助學生理解頻率就像人的指紋一樣，是信號的重要特征，具有重要的物理意義。

2.2?重構教學內容，豐富教學手段

2.2.1?由淺至深，階梯式教學

傳統教材都是直接以傅里葉級數的三角函數展開形式的矩形波信號為例子進行介紹的，但是這種課程內容編排方式對于大部分學生來講是難以理解的。為解決該部分教學痛點，筆者所在的課程組對這部分教學內容進行了重構。

實際教學中首先講述一個單頻的正弦信號的頻譜分析，例如x（t）=2sin（2t+π/2），引導學生分析該信號是由一個幅值為2、初相位為π/2、角頻率為2的正弦分量組成，并做出幅頻圖和相頻圖。接下來以兩個頻率分量的正弦信號疊加的周期信號為例進行頻譜分析，例如x（t）=2sin3t+4sin（2t+π/3），引導學生分析該信號是由兩個不同頻率的正弦分量組成，分別是頻率為3、幅值為2、相位為0和頻率為2、幅值為4、相位為π/3的兩個頻率分量組成，并做出幅頻圖和相頻圖，進一步引導學生根據頻譜圖寫出時域表達式。

2.2.2?利用軟件工具，豐富教學素材

學生掌握這兩部分內容之后，教師再引導學生進行多個頻率分量疊加而成的矩形波的頻譜分析就水到渠成了。為了幫助學生理解，課題組利用Python軟件制作了動圖：將各個頻率分量在三維坐標軸（時間軸、頻率軸和幅值）上展開為一個三維圖形，為了方便展示，以前六個頻率分量為例（如下圖）。轉變三維圖形的方向，引導學生從時間方向看向頻率軸與幅值軸組成的平面，得到周期矩形波的幅值與頻率的關系圖，即幅頻譜。接下來再次轉動三維圖形方向，引導學生從幅值坐標方向看向頻率軸與時間軸組成的平面，得到相位與頻率的關系，即相頻圖。至此，就得到了周期矩形波的幅頻圖和相頻圖，完成了周期矩形波在頻域上的完整描述。

周期矩形信號圖

通過這種由簡單到復雜、層層遞進的啟發式教學方法能夠給學生足夠的鋪墊和過渡，幫助學生建立周期信號頻域描述的物理意義和掌握頻譜圖的基本繪制方法，啟發學生自主得到結論：頻域描述與相位描述都能夠對信號進行完整的描述，只是從不同的角度來看待信號、分析信號。

建立了周期信號的頻域描述的概念之后，學生就會想要知道求解周期信號頻譜的方法，順勢講授周期信號的傅里葉級數的三角函數展開形式和指數函數展開形式。以學生熟悉的矢量分解方法作為鋪墊和類比，講解周期信號頻域分解的思路。周期信號是通過傅里葉級數的方法寫為多個不同幅值、不同相位的簡諧信號線性相加的形式，這些不同頻率的簡諧信號就是周期信號的基，將周期信號進行這樣的分解之后更能突出信號的頻域特征。

講授這部分內容以前，教師會給學生講授傅里葉級數相關的數學史，用科學家的故事感染學生，讓學生樹立不畏挫折、永葆初心的科學精神。由于傅里葉級數的三角函數的展開計算學生在“高等數學”已經詳細學習，因此在該門課程中不花費過多時間講授數學方法這部分內容，學生只需了解。針對前文所說的學生數理基礎薄弱的問題，更是需要教師給予學生學好的信心，引導學生不要過分關注周期信號頻域描述的數學計算方法，而是將學習焦點轉移到如何通過頻域表現形式來得出信號頻域信息。

2.3?增加過程考核

為了進一步了解學生對課程內容的掌握程度，教師要對學生進行隨堂考核：一個大、中、小齒輪組成的齒輪傳動系統，已知大、中、小齒輪的齒數、輸入軸為大齒輪及其轉速，根據振動信號頻譜圖，讓學生判斷故障齒輪是哪一個。大、中、小齒輪具有不同的轉動頻率，可以通過計算得到。信號頻譜對應的頻率譜線就是不同齒輪的特征譜線，代表了不同齒輪的故障信息。如果某譜線的幅值異常大，其對應頻率的齒輪可能存在故障，考核內容正好與課程導入提出的機械故障診斷的工程問題形成呼應，保證了教學內容體系的完整性。通過考核鞏固課程內容，教師能夠了解學生是否掌握了頻域分析的物理意義和簡單的工程應用。

通過該故障診斷的例子，對學生進行工程安全教育。學生將來作為工程師，在生產制造中肩負著重大的安全責任，只有通過打好理論基礎，才能夠及時找到機器和設備的故障并提出行之有效的解決方法，保證生產安全有效進行。

結語

本文主要以周期信號頻域為例分析教學中課堂教學環節中的教學創新。通過采用上述教學創新方法，實現了工程案例引入—理論解析—工程應用—考核的完整教學閉環，通過聯系學生先修知識、生活經驗、工程軟件應用等方法能夠將抽象的知識具體地展現出來，為學生搭建了有效的教學支架，突破了教學難點。

課程組實施上述教學創新舉措后取得了非常好的教學效果，筆者所在學校2019級和2020級機械電子工程專業學生“測試與傳感技術”對應的課程目標1達成度得到了大幅提升。可見通過教學改革，能夠較好地提升學生對該部分知識的掌握程度，為學生未來的研究和工程實踐起到積極的促進作用。另一方面，通過在課程中融入古代文物、科學家故事、工程安全教育，同時在專業課程教學過程中對學生進行思政教育，實現了知識傳授與價值引領相輔相成、同向而行。

參考文獻：

［1］熊詩波，黃長藝.機械工程測試技術基礎［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［2］馮俊萍，王奎洋，倪彰，等.汽車測試技術及傳感器［M］.重慶：重慶大學出版社，2018.

［3］楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW程序設計與應用［M］.第2版.北京：電子工業出版社，2005.

基金項目：江蘇理工學院教學改革與研究項目（項目號：11610112122）；江蘇理工學院課程思政示范課程立項建設項目（項目號：11210112301）

作者簡介：史璠（1990—?），女，四川人，博士研究生，講師，從事《測試與傳感技術》《虛擬儀器》等課程教學。