淺談新形勢下機械工程測試技術教學改革的論文
機械工程測試技術是機械類專業學生必修的一門專業技術基礎課，它主要研究機械工程領域與設計相關的試驗、控制和運行監測中所涉及到的物理量及其它工程量的測量和測量裝置的性能，主要包括物理量和其他工程量的測量方法、測試中常用的傳感器、信號的調理電路及記錄、顯示儀器的工作原理、測量裝置基本特性的評價方法、測試信號的分析和處理等內容。它是一門綜合應用相關課程的知識和內容來解決機械行業設計和生產中所面臨的測試問題的課程，基本理論較多，同時所研究的內容都直接面向工程應用中的測試問題，與工程應用緊密結合。由于各種基于新的測試原理和測試方法的新型傳感器不斷出現，課程的教學內容也處于不斷更新的變化之中。
隨著高校專業改革的發展，一方面測試技術課程的學時數逐漸減少，教學時數(包括理論教學和實驗教學)已縮減為32學時，而另一方面為了適應現代工程測試技術發展的需要，對于機械工程測試技術課程的教學要求卻又有所提高。因此，為了在減少學時的情況下達到相同的教學效果，機械工程測試技術的教學內容和教學模式也需要與時俱進。本文依照課程教學內容服從專業培養目標、課程教學方法服務于課程教學內容、素質教育貫穿于整個教學過程的原則，以培養學生的創新意識和分析解決工程實際問題的能力為目的，針對新形勢下機械工程測試技術課程的教學內容和教學模式進行了一些研究與探索。
1以面向工程應用為主的教學內容體系的改革
按照教學內容服務于專業培養目標的原則，以面向工程應用為主要目的，將課程內容進行模塊化整合，在教學過程中應以應用模塊的教學為重點，以適應培養具有創新意識的工程應用型人才的需要。
機械工程中一個完整的測試系統一般包括：被測對象(通常是各類信號)、傳感器、調理電路、信號采集與數字信號處理及反饋控制等，與此相應的理論內容主要有：信號及其描述方法、測試裝置性能的靜動態分析、各種常用傳感器的原理及后接電路、信號調理、信號的顯示與記錄、信號處理等，這些內容構成了機械工程測試技術課程的基本理論部分，涉及知識面較廣，知識點多而繁瑣。同時課程也包括了常見物理量如位移、力、應力和應變、振動測試、溫度及流體參量中的壓力和流量等常見物理量的測試方法，還包括現代計算機測試系統等內容，這一部分屬于應用性內容。
針對課程內容的特點，將教學內容劃分為信號及其描述模塊、信號傳輸系統性能模塊、傳感器模塊、信號調理模塊、信號處理模塊及應用實例模塊這六大模塊。其中前五個模塊屬于該課程的理論部分，它們間的關系也非常明確，即按照信號的運行路徑為主線組織知識點，此部分內容中傳感器模塊為重點內容，主要講授常用傳感器的工作原理及后接電路，該部分內容與工程應用緊密結合，其余內容如信號傳輸系統性能及信號調理等與學生學習過的自動控制原理及電工學等課程有重合，在教學過程中可以做簡單回顧即可。最后的應用實例模塊既是前面各模塊的有機結合，又是該課程的目的所在，該模塊含幾個典型物理量的測試實例，每個實例應有具體的系統組成及適當的理論分析。這樣組織教學內容，學生在學習時能清晰地理解各個知識模塊的作用及在測試系統中的地位，對于測試系統的完整組成及性能分析有比較完整的概念，另外也可以學習到各種物理量測試技術的具體工程應用方法。
2教學方法與手段的改革
2.1工程實例教學法
按照教學方法服務于教學內容的原則，由于機械工程測試技術這門課程與工程實踐聯系緊密，直接面向工程應用，因此在教學過程中，應將適當的工程實例引入教學，這對于提高教學效果具有重要作用。
如在講述傳感器的原理時，除講清楚各種傳感器的原理之外，還需要通過大量的工程實例來使學生認識所學習的傳感器是如何應用于實際工程量的測量。例如，筆者在講述壓電傳感器時，給學生舉了一個壓電傳感器應用于懸臂梁振動測試的例子。壓電加速度計由慣性質量塊和受壓的壓電陶瓷晶體等組成，固定安裝在懸臂梁上，當給懸臂梁施加一定頻率的激振信號時，壓電加速度計感受與懸臂梁相同頻率的振動，若振動頻率遠小于壓電加速度計的固有頻率，質量塊便有正比于加速度的交變力作用在壓電陶瓷晶體上，由于壓電效應，壓電陶瓷晶體上產生正比于運動加速度的表面電荷，通過電荷放大器等后接電路，便可以得到懸臂梁振動的加速度信號，再通過雙重積分器即可得到懸臂梁的振動位移信號。
例如，在講述關于濾波器的問題時，筆者通過LABVIEW給學生演示了一個濾波器應用程序，頻率為10Hz、幅值為1的正弦波與頻率為60Hz、幅值為0.1混疊有幅值為0.1的白噪聲的'正弦信號疊加的合成信號，通過無限長沖擊響應(IIR)3階低通濾波器進行濾波處理，當濾波器的截止頻率分別為20Hz和65Hz時，通過觀察濾波后信號的波形圖，來了解濾波器的截止頻率對于濾波效果的影響。
這些工程實例的引入，一方面能夠激發學生學習相關知識的興趣，了解相關知識的工程應用，同時又能提高學生應用所學內容分析和解決工程實際問題的能力。
2.2啟發式教學法
啟發式教學，就是根據教學目的、內容、學生的知識水平和知識規律，運用各種教學手段，采用啟發誘導辦法傳授知識，使學生積極主動地學習，以促進能力培養。在課堂教學中，應盡量避免填鴨式教育，盡量啟發學生利用已有知識去主動分析和解決理論推導和實際問題。在具體實施中，針對部分教學內容，以學生理解并掌握該部分內容為目標，可以先列出研究思路和步驟，然后在講解過程依步驟逐步提示學生利用現有知識去進行思考，并嘗試自己獨立推理，然后再由教師進行詳細講解。
例如，在講述關于非周期信號的傅立葉變換時，先列出學生已經學習過的周期信號的復指數展開式，提示他們可以將非周期信號看成是周期為無限長的周期信號，從而引導他們借用周期信號的復指數展開式去自己推導出傅立葉變換式。在講述了傅立葉變換的基本概念之后，提示他們結合數學中的坐標變換去理解傅立葉變換實質上是一種積分變換，將一個信號通過積分變換變成另一個信號，兩個信號相互之間有聯系，傅立葉變換后得到的信號自變量已經變為頻率而非時間，通過分析一個信號的傅立葉變換可以得到信號的頻譜密度函數，從而了解了信號包含的各頻率成份及特征。通過啟發式教學，學生深刻地理解了傅立葉變換的意義，同時也加深了對信號時域分析和頻域分析的理解。
實踐證明，學生對于啟發式教學方法比較感興趣，他們也樂于在教師的啟發下通過自己的思考去一步步解決實際問題，而非被動的接受教師的講解，而經過對具體知識求解過程的鍛煉，他們的自學能力及分析和解決實際問題的能力都得到較大程度的提高。
2.3將MATLAB及LabVIEW軟件應用于課堂教學
機械工程測試技術作為一門與工程應用聯系緊密的課程，其內容隨著現代計算機技術的發展而不斷完善，尤其是MATLAB軟件及虛擬儀器技術等已成為測試系統分析與設計的重要工具。從工程實際需要出發，筆者在課堂教學中，將工程中廣泛應用的MATLAB軟件及虛擬儀器技術引入課堂教學，引導學生去了解這些軟件在測試系統分析與設計中的作用。
例如，在講述測試裝置的靜動態特性時，利用MATLAB的simulink仿真工具箱，建立一階系統和二階系統的仿真框圖模型，給系統以不同的輸入如單位階躍輸入、單位脈沖輸入等，再通過改變一階系統的時間常數及二階系統的阻尼率和固有頻率等參數，來模擬測試裝置在不同輸入下的響應，這些內容編寫成一個個仿真子程序，在授課的時候直接調用子程序來運行。
講述各種信號時，可以利用LABVIEW的信號仿真函數，產生不同頻率和幅值的正弦波信號、方波信號及三角波信號等，同時利用頻譜測量函數顯示相應信號的幅值譜和相位譜。在講述濾波器時，通過合并低頻信號和高頻信號或噪聲信號組成混疊信號，并利用濾波器函數來編制應用程序來仿真高通濾波器、低通濾波器及帶通濾波器等不同種類濾波器的濾波性能，從而使學生可以直觀了解各種不同種類濾波器的性能。所有演示內容都編寫成一個個應用實例，在課堂教學時直接調用。
通過將MATLAB和LabVIEW軟件引入課堂教學，即避免了書本知識過于枯燥、學生易失去學習興趣的問題，又能通過實例演示加深學生對于所學內容的直觀印象，同時引導學生自己學習相應的軟件，自己動手去處理實際問題，既提高了課堂教學效果，也培養了學生的應用相關軟件去分析解決工程實際問題的能力。
2.4多媒體教學
由于課程教學內容較多，同時又包含有大量工程應用內容，而教學課時數又相對較少，因此，對于大部分內容的講解宜采用多媒體教學，這有利于發揮多媒體教學信息量大，且可以對大量實際工程應用進行動畫顯示等優點。例如，在講述測試系統的組成時，為了加深學生對于測試系統各個組成環節的印象，筆者舉了旋轉軸偏心量監測系統的例子。位移傳感器獲取軸承在X、Y方向的位移信號，通過調理電路進行放大和濾波，再經過信號數據采集送入計算機，進行處理和顯示。監測系統采用動畫顯示的方式，既利于學生形象地通過測試信號的傳遞及信號的變換與處理過程，也利于加深其對測試系統整體組成的理解，同時也可提高學生實際應用能力。
2.5小論文式大作業
在教學過程中，針對主要內容布置一些大作業，選題范圍主要是一些相關的工程實際問題，也可以讓學生自行選題，要求他們以小組的形式，按照測試系統的組成，自己選擇相應的硬件去搭建能夠投入工程實際應用的測試系統，并分析所組成的測試系統的性能，最后按照一般科技論文的格式完成一篇簡單的小論文。例如，在課程學習基本完成之后，向部分學生布置了一道機床主軸轉速測試系統的大作業，讓學生自己選用合適的傳感器，并選用相應的測試系統硬件，自己搭建一個轉速測試系統，并應用LANVIEW軟件編制信號采集及信號處理程序。實踐表明，在教學中鼓勵、指導學生進行小論文式的大作業的訓練，可以更好地發揮其學習的主動性和創造性，也使得學生設計測試系統的能力和分析解決工程實際問題的能力得以提高，是一種非常有效的研究型教學方法。
3更新實驗內容，實施開放式實驗教學
實驗教學內容既要服務于課程教學目標，同時也要緊跟工程實踐要求，著重培養學生分析和解決工程實際問題的能力。為此，我們對實驗內容進行適當改進，在保留了一些驗證性的傳統實驗內容同時，也積極開設了一些設計性和創新性的實驗項目。更新后的實驗內容分為二個部分：第一部分為基本實驗，主要包括電橋性能綜合實驗、霍爾測速實驗及壓電式加速度傳感器測量振動實驗，第二部分為綜合創新性實驗(機床主軸振動測試、液壓系統流量測試及桁架應力綜合測試)。基本實驗以課程基本知識為載體，以基本知識和動手能力訓練為重點，為必開實驗。綜合創新性的實驗，以培養學生的設計能力、分析和解決工程實際問題的能力為目的，學生可以選做自己感興趣的實驗項目。
實驗教學實施開放式、自主式教學，學生可以在實驗室開放期間任何時間來做實驗，由學生根據實驗的要求自行選用相應傳感器及相關硬件和軟件搭建測試系統，并獨立完成整個實驗，從而使自己動手能力和實踐能力得到加強。教師在實驗結束后，對實驗結果進行總結，指出實驗過程中存在的一些不足，同學生進行討論。這樣，可以幫助學生發現問題，使他們掌握處理問題的技巧，從而更好地激發和培養他們的探索精神和創新能力。
4結論
機械工程測試技術教學的主要目的就是讓學生更好地掌握測試系統的理論和測試系統性能分析的方法，并學會獨立選用相應的硬件和軟件去搭建測試系統去分析和解決工程實際中的工程量測試問題。近幾年的教學實踐表明：本文在教學內容、教學方法與手段、實驗教學等方面進行的研究與探索，在提高教學效果方面顯示了較好的作用。模塊化且面向工程應用為主的教學內容體系更適合具有創新意識的應用型人才的培養需要，各種教學方法與手段的采用能夠提高學生的學習興趣、增強學生學習主動性和分析解決工程實際問題的能力，更新的實驗教學內容和開放式實驗教學能夠加強學生動手能力和實踐能力的培養。
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