“機械工程測試技術”課程的工程創新式教學探索

摘 要：在新工科教育理念的發展背景下，高校“機械工程測試技術”課程的教學改革對提升學生的學習參與度和培養工程創新思維起到重要作用。該課程是機械工程專業的重要基礎課，然而其存在抽象和實踐性強的特點，導致學生學習積極性普遍不高，教學效果不理想。本文分析了該課程教學中存在的問題，并提出課程教改策略和建議，包括：開發模塊化教學演示軟件、設計基于實際工程項目的任務實踐、搭建基于互聯網的課程協作管理架構。據此，期望助力于國家對工程類創新人才的培養。

關鍵詞：機械工程測試技術 課程教改 新工科 工程創新

在新工科發展的背景下，國家愈加重視高等教育與工業界的緊密結合，強調工程人才的培養及國際化發展，特別是學生工程實踐能力與創新能力的培養[1]。因此，培養學生的工程創新思維、助力創新人才的培養，成為未來教學改革的重要方向。

現代機械設備與機電系統的發展呈現出大型、大功率化與小型、精密或微型化的雙重趨勢。這些設備往往是集機械、電子、信息、控制為一體的復雜機電系統，涉及創新設計、運行監測、故障診斷與維護等全生命周期相關問題[2]。因此，機械工程相關專業的學生必須具備解決這些問題的能力。“機械工程測試技術”作為一門重要的專業基礎課程，在培養學生的理論知識與實踐能力方面發揮著不可或缺的作用。然而，由于該課程內容抽象、知識面廣且實踐性要求高，導致學生學習積極性不高，參與度低，學習效果不佳，很難建立起物理概念與實踐操作之間的系統聯系[3]。

鑒于“機械工程測試技術”課程對學生工程創新思維培養的迫切需求，本項目旨在開發一套模塊化的教學實驗軟件，構建一個綜合性的創新實驗平臺，使學生能夠在課堂上通過簡單操作驗證所學知識。此外，搭建虛擬儀器的網絡平臺，支持學生在課下進行遠程操作與控制，以實現知識點的預習與復習，進而引入基于項目實踐的教學方式，作為課堂教學與實驗的有機補充。通過轉變傳統的以教師為主體、學生被動學習的授課方式，本項目旨在利用虛擬儀器實現交互式授課，提高學生的參與度，加速對實際項目的理解，最終實現學生工程創新思維的培養。

1 “機械工程測試技術”課程在教學中存在的問題

1.1 課程內容學習難度大

“機械工程測試技術”課程涉及信號采集、信號處理、測量系統原理及其在工程中的應用等多個領域，涵蓋了大量公式、物理模型和理論推導。該課程內容的抽象性、跨學科性以及理論與實踐的脫節，導致學生在學習過程中很難形成系統的知識框架，需要通過改進教學方法和優化課程設計來降低學習難度，提高教學質量。

1.2 傳統實驗教學模式限制創新能力

目前高校實驗教學仍然以傳統實驗箱和實驗臺為主，實驗內容主要為驗證性實驗，學生按照設定步驟完成操作，這種實驗模式限制了學生設計性能力和創造性思維的發展，同時實驗設備與實際工業應用的銜接不足，各實驗設備之間缺乏綜合性，難以滿足復雜實驗的需求。

1.3 學生參與度和學習效率低

被動接受知識的教學方式導致學生難以產生主動學習的動力，實踐環節中的低參與度直接影響教學效果。在傳統的教學模式下，學生處于被動接受知識的狀態，缺乏自主探索和問題解決的動力，導致課堂專注度和參與度降低。進一步導致學生對課程的整體認知不足，難以建立起理論與實踐的有機聯系。這樣不僅教學目標難以達成，學生的綜合能力培養也受到了限制，削弱了課程對創新人才培養的推動作用。

2 “機械工程測試技術”課程的教改思路

該課程的教學改革舉措深刻聚焦于全面提升學生的學習熱情與工程創新能力，旨在構建一個以模塊化教學、項目實踐以及先進虛擬實驗平臺為支撐的創新教學體系。這一體系不僅響應了新時代對工程教育的新要求，也深刻體現了教育創新與科技進步的深度融合。在這一框架下，通過精心設計的模塊化課程結構，學生能夠根據自己的學習進度和興趣選擇學習內容，從而有效激發其內在的學習動力。同時，項目實踐作為連接理論與實踐的橋梁，鼓勵學生將所學知識應用于解決實際問題，進一步鍛煉其工程思維與問題解決能力。

美國國家儀器有限公司（National Instruments， NI）所推出的LabVIEW軟件，憑借其強大的圖形化編程能力，極大地簡化了產品開發流程，縮短了從設計到測試的時間周期，已成為全球測試與測量領域廣泛采用的主流編程平臺[4]。LabVIEW不僅提高了編程效率，還降低了技術門檻，使得非專業編程人員也能快速上手，進行復雜的系統設計與驗證。NI ELVIS（Engineering Laboratory Virtual Instrumentation Suite）作為專為教育領域量身打造的虛擬儀器套件，集成了示波器、信號發生器、邏輯分析儀等多種儀器功能于一體，為工程教學提供了一個高度模塊化和靈活的實驗平臺。該平臺不僅支持基礎的智能測量與控制實驗，其獨特的多用戶協作功能還允許學生在同一設備上并行開展項目，極大地促進了團隊合作與資源共享，為實施虛擬仿真、遠程實驗等創新教學模式提供了強有力的支持。

在此基礎上，教學改革的深化思路聚焦于開發一套集模塊化實踐項目教學、實驗演示軟件、虛擬實驗儀器以及綜合管理框架于一體的創新實驗平臺。該平臺旨在幫助機械電子工程及其相關專業本科生更加深入地理解和掌握“機械工程測試技術”課程的核心理論，同時強化其機電融合思維與動手實踐能力。其創新亮點包括：

知識可視化：通過集成輕量級測試儀器與軟件演示功能，將課程中難以直觀理解的難點和重點知識以圖形化、動態化的方式呈現，有效降低了學習門檻，使抽象復雜的物理概念變得生動易懂，顯著提升了學生的學習興趣與理解深度。

個性化學習路徑：結合課程大綱，設計一系列涵蓋軟件和硬件兩個維度的實踐任務，學生可以根據個人興趣與專長靈活選擇任務方向，這不僅滿足了不同學習需求，也促進了個性化發展。

團隊協作與創新能力培養：鼓勵學生組成團隊，圍繞具體工程項目展開合作，每個團隊內部根據成員特長分配軟硬件子任務，通過實踐中的溝通與協作，不僅增強了團隊凝聚力，也有效鍛煉了學生的工程實踐能力、創新思維及問題解決能力，為未來職業生涯打下堅實基礎。

3 “機械工程測試技術”課程的教改策略

在當今快速發展的工程教育領域中，“機械工程測試技術”作為機械類專業的重要課程，其教學質量與效果直接關系到學生未來在工程實踐中的競爭力和創新能力。然而，該課程因知識點廣泛、應用性強且學習難度較大，傳統的教學方式往往難以有效激發學生的學習興趣和參與度，導致學生在面對抽象概念和復雜儀器操作時感到困惑和乏味。為了克服這一挑戰，本研究致力于探索并實施一系列創新的教學改革策略，旨在通過模塊化的隨堂知識點教學演示軟件、貼近實際工程項目的實踐任務設計，以及基于互聯網特征的課程協作管理架構，全面提升“機械工程測試技術”課程的教學質量和學生的學習體驗。本課程的教改策略方案如圖1所示。

3.1 模塊化隨堂知識點教學演示軟件的設計與開發

由于傳統的被動式學習方式往往容易使學生產生枯燥感，導致課堂參與度低下，進而影響學習效果和知識的深入理解。為了克服這一難題，本文探索更加生動、互動的教學模式。其中，借助輕量級且易于操作的虛擬實驗平臺，成為一種創新且有效的解決方案。通過深入研究模塊化的教學演示軟件，能夠巧妙地建立起抽象理論知識與實體實驗儀器操作之間的緊密聯系，從而為學生提供一種既具實操性又富含可視化元素的教學方式。

具體實施時，首先需緊密圍繞課程教學大綱，細致分析并提煉出每堂課的核心教學重點與難點。在此基礎上，進行模塊化的課堂演示內容設計，確保每個模塊都能針對性地解決一個或幾個關鍵問題，同時保持內容的連貫性和系統性。這樣的設計不僅有助于學生更好地把握學習方向，還能有效提升他們的學習興趣和參與度。

接下來，基于所選的虛擬實驗平臺，利用功能強大的LabVIEW軟件開發環境，精心編寫用戶界面和各項功能。LabVIEW以其直觀的圖形化編程界面和強大的數據采集、處理及控制能力，成為實現這一目標的理想工具。在軟件設計過程中，特別注重提供若干關鍵參數的調節功能，使學生能夠通過簡單的拖拽、點擊等操作，輕松調整實驗參數，觀察不同條件下實驗結果的變化。

通過這種方式，學生不僅能夠在課堂上直觀地看到抽象知識點的工程化復現，還能通過親身實踐加深對理論知識的理解和應用。更重要的是，這種結合了虛擬實驗與模塊化教學的模式，極大地降低了傳統實驗教學的成本和安全風險，使得更多學生有機會在安全的虛擬環境中進行探索和學習，從而全面提升他們的實踐能力和創新思維。

3.2 項目實踐任務的設計與應用

為了更有效地促進學生創新思維的培養，在課程課堂學習與實驗環節中，精心設計一系列貼近實際工程項目需求的實踐任務。這些任務旨在讓學生不僅掌握階段性的理論知識，更重要的是，通過實踐運用這些知識，培養他們主動思考、解決問題的能力和動手能力。首先，根據課程進度的推進，系統地歸納和整理知識點，形成一系列具有明確工程項目背景的典型實踐任務。這些任務不僅覆蓋了課程的核心內容，還融入了行業前沿技術和實際需求，確保學生能夠從中獲得寶貴的實踐經驗。接下來，將這些大型實踐任務拆分成多個小型的、可管理的子任務，每個子任務都聚焦于特定的知識點或技能點，以便于學生分階段、有步驟地完成。

在任務實施階段，利用LabVIEW軟件為學生搭建起基本的程序框架，并提供必要的硬件部署指導。LabVIEW的直觀界面和模塊化設計使得學生能夠快速上手，專注于實驗邏輯的設計和實現，而不是糾結于復雜的編程語法。通過這樣的平臺，學生能夠在實踐中快速迭代和優化他們的設計方案，有效提升項目的完成效率和質量。

為了確保每位學生都能充分參與到實踐任務中來，根據學生的興趣和特長進行分組，每組人數適中，以保證團隊成員之間的有效溝通和協作。學生可以利用課余時間或課堂實驗時間，圍繞各自的任務展開討論、分工合作，共同解決實踐過程中遇到的各種問題。這種分組合作的模式不僅鍛煉了學生的團隊協作能力，還讓他們在實踐中學會了如何有效溝通、協調資源，為未來的職業生涯打下堅實的基礎。

布置基于工程項目的實踐任務，其深遠意義在于，它不僅能夠培養學生的團隊協作意識，提升他們的工程項目開發體驗，更重要的是，它能夠作為一面鏡子，真實反映學生綜合運用所學知識的能力。通過實踐任務的完成情況，教師可以清晰地看到學生在哪些方面存在短板，哪些技能點掌握得不夠扎實，從而及時調整教學方式和內容，為學生提供更加精準、有效的指導。這種以學生為中心、注重實踐的教學模式，無疑將為學生的創新思維培養和全面發展提供強有力的支持。

3.3 搭建基于互聯網特征的課程協作管理架構

鑒于課堂時長有限以及實驗平臺資源緊張的現實問題，本文積極探索并利用了現代信息技術的優勢，特別是儀器的互聯網特性，來搭建一個高效便捷的遠程課程管理架構。這一架構的核心在于，它使得教師和學生能夠不受時間和空間的限制，隨時隨地訪問創新實驗平臺，從而極大地拓展了學習和實驗的邊界。

為了實現這一目標，首先從虛擬實驗平臺的無線和網絡接口入手，精心設計了多種應用場景下的網絡接入方案。例如，在課堂教師演示和學生即時驗證的環節，采用無線局域網（WLAN）接入方案，確保教室內的所有設備都能快速、穩定地連接到實驗平臺，實現流暢的互動教學。而對于需要更多資源和數據交換的學生實踐項目，則利用互聯網接入，使得團隊成員即使身處不同地點也能協同工作，共享實驗數據和成果。

其次，根據課程的具體進度和安排，在創新實驗平臺上部署了一系列關鍵功能，包括課程管理、權限訪問控制、設備狀態監控與用戶管理等。課程管理功能使得教師可以方便地發布教學資料、布置作業和實驗任務，而學生則能輕松獲取這些信息，進行預習和復習。權限訪問控制則確保了實驗平臺的安全性和數據的私密性，只有經過授權的用戶才能訪問特定的實驗資源和數據。設備管理功能則讓教師可以實時監控實驗設備的狀態，及時發現并解決潛在的問題，而學生也能通過這一功能了解設備的使用情況，合理安排實驗時間。

最后，為了不斷提升創新實驗平臺的質量和用戶體驗，在各個模塊上建立了完善的反饋評價機制。這一機制鼓勵教師和學生積極提出他們在使用過程中的意見和建議，無論是關于軟件功能的改進，還是硬件設備的升級，都將認真考慮并盡快實施。通過持續的迭代優化，創新實驗平臺將能夠更好地服務于教學和研究，成為培養學生創新思維和實踐能力的重要工具。

4 結語

在新工科教育理念的指導下，為解決“機械工程測試技術”課程中存在的學習難度大、學生參與度低以及創新能力培養不足等問題，本文提出并實施了基于模塊化教學、工程項目實踐和虛擬實驗平臺相結合的教學改革策略。通過開發模塊化演示軟件、設計工程實踐任務和構建互聯網特征的課程協作管理架構間的有機結合，教學過程得以從傳統單向的知識傳遞模式向學生為主體的互動式教學轉變。此外，該教改理念不僅能夠提升學生的學習積極性和課程參與度，并且能夠有效培養學生的工程創新思維和綜合實踐能力，為機械工程相關課程的創新教學提供了有價值的參考。

基金項目：山西省高等學校教學改革創新項目（J20240260）。

參考文獻：

[1]李健，杜彥斌，陳鵬.“新工科+智能制造”背景下地方高校機械類人才培養模式探討[J].中國現代教育裝備，2024（07）：79-81.

[2]熊詩波.機械工程測試技術基礎（第4版）[M].北京：機械工業出版社，2018.

[3]閆肖肖，徐斌，鄒凌云，等.基于OBE理念的“機械工程測試技術”教改探索[J].科技風，2021（26）：187-189.

[4]郭文靜，梁霖，段玉崗，等.虛擬儀器實踐平臺建設與教學中的應用[J].實驗室科學，2023，26（5）：90-93.