淺談新形勢下機械工程測試技術(shù)教學(xué)改革的論文
機械工程測試技術(shù)是機械類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎課，它主要研究機械工程領(lǐng)域與設計相關(guān)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(jià)方法、測試信號的分析和處理等內容。它是一門(mén)綜合應用相關(guān)課程的知識和內容來(lái)解決機械行業(yè)設計和生產(chǎn)中所面臨的測試問(wèn)題的課程，基本理論較多，同時(shí)所研究的內容都直接面向工程應用中的測試問(wèn)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(xué)內容也處于不斷更新的變化之中。
隨著(zhù)高校專(zhuān)業(yè)改革的發(fā)展，一方面測試技術(shù)課程的學(xué)時(shí)數逐漸減少，教學(xué)時(shí)數(包括理論教學(xué)和實(shí)驗教學(xué))已縮減為32學(xué)時(shí)，而另一方面為了適應現代工程測試技術(shù)發(fā)展的需要，對于機械工程測試技術(shù)課程的教學(xué)要求卻又有所提高。因此，為了在減少學(xué)時(shí)的情況下達到相同的教學(xué)效果，機械工程測試技術(shù)的教學(xué)內容和教學(xué)模式也需要與時(shí)俱進(jìn)。本文依照課程教學(xué)內容服從專(zhuān)業(yè)培養目標、課程教學(xué)方法服務(wù)于課程教學(xué)內容、素質(zhì)教育貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程的原則，以培養學(xué)生的創(chuàng )新意識和分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力為目的，針對新形勢下機械工程測試技術(shù)課程的教學(xué)內容和教學(xué)模式進(jìn)行了一些研究與探索。
1以面向工程應用為主的教學(xué)內容體系的改革
按照教學(xué)內容服務(wù)于專(zhuān)業(yè)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(jìn)行模塊化整合，在教學(xué)過(guò)程中應以應用模塊的教學(xué)為重點(diǎn)，以適應培養具有創(chuàng )新意識的工程應用型人才的需要。
機械工程中一個(gè)完整的測試系統一般包括：被測對象(通常是各類(lèi)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(dòng)態(tài)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(shù)課程的基本理論部分，涉及知識面較廣，知識點(diǎn)多而繁瑣。同時(shí)課程也包括了常見(jiàn)物理量如位移、力、應力和應變、振動(dòng)測試、溫度及流體參量中的壓力和流量等常見(jiàn)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?xún)热荨?/p>
針對課程內容的特點(diǎn)，將教學(xué)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(shí)例模塊這六大模塊。其中前五個(gè)模塊屬于該課程的理論部分，它們間的關(guān)系也非常明確，即按照信號的運行路徑為主線(xiàn)組織知識點(diǎn)，此部分內容中傳感器模塊為重點(diǎn)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(xué)生學(xué)習過(guò)的自動(dòng)控制原理及電工學(xué)等課程有重合，在教學(xué)過(guò)程中可以做簡(jiǎn)單回顧即可。最后的應用實(shí)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(gè)典型物理量的測試實(shí)例，每個(gè)實(shí)例應有具體的系統組成及適當的理論分析。這樣組織教學(xué)內容，學(xué)生在學(xué)習時(shí)能清晰地理解各個(gè)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(xué)習到各種物理量測試技術(shù)的具體工程應用方法。
2教學(xué)方法與手段的改革
2.1工程實(shí)例教學(xué)法
按照教學(xué)方法服務(wù)于教學(xué)內容的原則，由于機械工程測試技術(shù)這門(mén)課程與工程實(shí)踐聯(lián)系緊密，直接面向工程應用，因此在教學(xué)過(guò)程中，應將適當的工程實(shí)例引入教學(xué)，這對于提高教學(xué)效果具有重要作用。
如在講述傳感器的原理時(shí)，除講清楚各種傳感器的原理之外，還需要通過(guò)大量的工程實(shí)例來(lái)使學(xué)生認識所學(xué)習的傳感器是如何應用于實(shí)際工程量的測量。例如，筆者在講述壓電傳感器時(shí)，給學(xué)生舉了一個(gè)壓電傳感器應用于懸臂梁振動(dòng)測試的例子。壓電加速度計由慣性質(zhì)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(shí)，壓電加速度計感受與懸臂梁相同頻率的振動(dòng)，若振動(dòng)頻率遠小于壓電加速度計的固有頻率，質(zhì)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(chǎn)生正比于運動(dòng)加速度的表面電荷，通過(guò)電荷放大器等后接電路，便可以得到懸臂梁振動(dòng)的加速度信號，再通過(guò)雙重積分器即可得到懸臂梁的振動(dòng)位移信號。
例如，在講述關(guān)于濾波器的問(wèn)題時(shí)，筆者通過(guò)LABVIEW給學(xué)生演示了一個(gè)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(guò)無(wú)限長(cháng)沖擊響應(IIR)3階低通濾波器進(jìn)行濾波處理，當濾波器的截止頻率分別為20Hz和65Hz時(shí)，通過(guò)觀(guān)察濾波后信號的波形圖，來(lái)了解濾波器的截止頻率對于濾波效果的影響。
這些工程實(shí)例的引入，一方面能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習相關(guān)知識的興趣，了解相關(guān)知識的工程應用，同時(shí)又能提高學(xué)生應用所學(xué)內容分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。
2.2啟發(fā)式教學(xué)法
啟發(fā)式教學(xué)，就是根據教學(xué)目的、內容、學(xué)生的知識水平和知識規律，運用各種教學(xué)手段，采用啟發(fā)誘導辦法傳授知識，使學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)習，以促進(jìn)能力培養。在課堂教學(xué)中，應盡量避免填鴨式教育，盡量啟發(fā)學(xué)生利用已有知識去主動(dòng)分析和解決理論推導和實(shí)際問(wèn)題。在具體實(shí)施中，針對部分教學(xué)內容，以學(xué)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(guò)程依步驟逐步提示學(xué)生利用現有知識去進(jìn)行思考，并嘗試自己獨立推理，然后再由教師進(jìn)行詳細講解。
例如，在講述關(guān)于非周期信號的傅立葉變換時(shí)，先列出學(xué)生已經(jīng)學(xué)習過(guò)的周期信號的復指數展開(kāi)式，提示他們可以將非周期信號看成是周期為無(wú)限長(cháng)的周期信號，從而引導他們借用周期信號的復指數展開(kāi)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(xué)中的坐標變換去理解傅立葉變換實(shí)質(zhì)上是一種積分變換，將一個(gè)信號通過(guò)積分變換變成另一個(gè)信號，兩個(gè)信號相互之間有聯(lián)系，傅立葉變換后得到的信號自變量已經(jīng)變?yōu)轭l率而非時(shí)間，通過(guò)分析一個(gè)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(guò)啟發(fā)式教學(xué)，學(xué)生深刻地理解了傅立葉變換的意義，同時(shí)也加深了對信號時(shí)域分析和頻域分析的理解。
實(shí)踐證明，學(xué)生對于啟發(fā)式教學(xué)方法比較感興趣，他們也樂(lè )于在教師的啟發(fā)下通過(guò)自己的思考去一步步解決實(shí)際問(wèn)題，而非被動(dòng)的接受教師的講解，而經(jīng)過(guò)對具體知識求解過(guò)程的鍛煉，他們的自學(xué)能力及分析和解決實(shí)際問(wèn)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(xué)
機械工程測試技術(shù)作為一門(mén)與工程應用聯(lián)系緊密的課程，其內容隨著(zhù)現代計算機技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，尤其是MATLAB軟件及虛擬儀器技術(shù)等已成為測試系統分析與設計的重要工具。從工程實(shí)際需要出發(fā)，筆者在課堂教學(xué)中，將工程中廣泛應用的MATLAB軟件及虛擬儀器技術(shù)引入課堂教學(xué)，引導學(xué)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(dòng)態(tài)特性時(shí)，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(guò)改變一階系統的時(shí)間常數及二階系統的阻尼率和固有頻率等參數，來(lái)模擬測試裝置在不同輸入下的響應，這些內容編寫(xiě)成一個(gè)個(gè)仿真子程序，在授課的時(shí)候直接調用子程序來(lái)運行。
講述各種信號時(shí)，可以利用LABVIEW的信號仿真函數，產(chǎn)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(shí)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(shí)，通過(guò)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(lái)編制應用程序來(lái)仿真高通濾波器、低通濾波器及帶通濾波器等不同種類(lèi)濾波器的濾波性能，從而使學(xué)生可以直觀(guān)了解各種不同種類(lèi)濾波器的性能。所有演示內容都編寫(xiě)成一個(gè)個(gè)應用實(shí)例，在課堂教學(xué)時(shí)直接調用。
通過(guò)將MATLAB和LabVIEW軟件引入課堂教學(xué)，即避免了書(shū)本知識過(guò)于枯燥、學(xué)生易失去學(xué)習興趣的問(wèn)題，又能通過(guò)實(shí)例演示加深學(xué)生對于所學(xué)內容的直觀(guān)印象，同時(shí)引導學(xué)生自己學(xué)習相應的軟件，自己動(dòng)手去處理實(shí)際問(wèn)題，既提高了課堂教學(xué)效果，也培養了學(xué)生的應用相關(guān)軟件去分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。
2.4多媒體教學(xué)
由于課程教學(xué)內容較多，同時(shí)又包含有大量工程應用內容，而教學(xué)課時(shí)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(xué)，這有利于發(fā)揮多媒體教學(xué)信息量大，且可以對大量實(shí)際工程應用進(jìn)行動(dòng)畫(huà)顯示等優(yōu)點(diǎn)。例如，在講述測試系統的組成時(shí)，為了加深學(xué)生對于測試系統各個(gè)組成環(huán)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(guò)調理電路進(jìn)行放大和濾波，再經(jīng)過(guò)信號數據采集送入計算機，進(jìn)行處理和顯示。監測系統采用動(dòng)畫(huà)顯示的方式，既利于學(xué)生形象地通過(guò)測試信號的傳遞及信號的變換與處理過(guò)程，也利于加深其對測試系統整體組成的理解，同時(shí)也可提高學(xué)生實(shí)際應用能力。
2.5小論文式大作業(yè)
在教學(xué)過(guò)程中，針對主要內容布置一些大作業(yè)，選題范圍主要是一些相關(guān)的工程實(shí)際問(wèn)題，也可以讓學(xué)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(shí)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(jiǎn)單的小論文。例如，在課程學(xué)習基本完成之后，向部分學(xué)生布置了一道機床主軸轉速測試系統的大作業(yè)，讓學(xué)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(gè)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(shí)踐表明，在教學(xué)中鼓勵、指導學(xué)生進(jìn)行小論文式的大作業(yè)的訓練，可以更好地發(fā)揮其學(xué)習的主動(dòng)性和創(chuàng )造性，也使得學(xué)生設計測試系統的能力和分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力得以提高，是一種非常有效的研究型教學(xué)方法。
3更新實(shí)驗內容，實(shí)施開(kāi)放式實(shí)驗教學(xué)
實(shí)驗教學(xué)內容既要服務(wù)于課程教學(xué)目標，同時(shí)也要緊跟工程實(shí)踐要求，著(zhù)重培養學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。為此，我們對實(shí)驗內容進(jìn)行適當改進(jìn)，在保留了一些驗證性的傳統實(shí)驗內容同時(shí)，也積極開(kāi)設了一些設計性和創(chuàng )新性的實(shí)驗項目。更新后的實(shí)驗內容分為二個(gè)部分：第一部分為基本實(shí)驗，主要包括電橋性能綜合實(shí)驗、霍爾測速實(shí)驗及壓電式加速度傳感器測量振動(dòng)實(shí)驗，第二部分為綜合創(chuàng )新性實(shí)驗(機床主軸振動(dòng)測試、液壓系統流量測試及桁架應力綜合測試)�；緦�(shí)驗以課程基本知識為載體，以基本知識和動(dòng)手能力訓練為重點(diǎn)，為必開(kāi)實(shí)驗。綜合創(chuàng )新性的實(shí)驗，以培養學(xué)生的設計能力、分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力為目的，學(xué)生可以選做自己感興趣的實(shí)驗項目。
實(shí)驗教學(xué)實(shí)施開(kāi)放式、自主式教學(xué)，學(xué)生可以在實(shí)驗室開(kāi)放期間任何時(shí)間來(lái)做實(shí)驗，由學(xué)生根據實(shí)驗的要求自行選用相應傳感器及相關(guān)硬件和軟件搭建測試系統，并獨立完成整個(gè)實(shí)驗，從而使自己動(dòng)手能力和實(shí)踐能力得到加強。教師在實(shí)驗結束后，對實(shí)驗結果進(jìn)行總結，指出實(shí)驗過(guò)程中存在的一些不足，同學(xué)生進(jìn)行討論。這樣，可以幫助學(xué)生發(fā)現問(wèn)題，使他們掌握處理問(wèn)題的技巧，從而更好地激發(fā)和培養他們的探索精神和創(chuàng )新能力。
4結論
機械工程測試技術(shù)教學(xué)的主要目的就是讓學(xué)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(xué)會(huì )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(shí)際中的工程量測試問(wèn)題。近幾年的教學(xué)實(shí)踐表明：本文在教學(xué)內容、教學(xué)方法與手段、實(shí)驗教學(xué)等方面進(jìn)行的研究與探索，在提高教學(xué)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(xué)內容體系更適合具有創(chuàng )新意識的應用型人才的培養需要，各種教學(xué)方法與手段的采用能夠提高學(xué)生的學(xué)習興趣、增強學(xué)生學(xué)習主動(dòng)性和分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，更新的實(shí)驗教學(xué)內容和開(kāi)放式實(shí)驗教學(xué)能夠加強學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)踐能力的培養。
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