淺談新形勢下機(jī)械工程測試技術(shù)教學(xué)改革的論文
機(jī)械工程測試技術(shù)是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，它主要研究機(jī)械工程領(lǐng)域與設(shè)計相關(guān)的試驗、控制和運(yùn)行監(jiān)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(diào)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(nèi)容。它是一門綜合應(yīng)用相關(guān)課程的知識和內(nèi)容來解決機(jī)械行業(yè)設(shè)計和生產(chǎn)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(nèi)容都直接面向工程應(yīng)用中的測試問題，與工程應(yīng)用緊密結(jié)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(xiàn)，課程的教學(xué)內(nèi)容也處于不斷更新的變化之中。
隨著高校專業(yè)改革的發(fā)展，一方面測試技術(shù)課程的學(xué)時數(shù)逐漸減少，教學(xué)時數(shù)(包括理論教學(xué)和實驗教學(xué))已縮減為32學(xué)時，而另一方面為了適應(yīng)現(xiàn)代工程測試技術(shù)發(fā)展的需要，對于機(jī)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)時的情況下達(dá)到相同的教學(xué)效果，機(jī)械工程測試技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式也需要與時俱進(jìn)。本文依照課程教學(xué)內(nèi)容服從專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、課程教學(xué)方法服務(wù)于課程教學(xué)內(nèi)容、素質(zhì)教育貫穿于整個教學(xué)過程的原則，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)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(jī)械工程測試技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)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(yīng)用為主的教學(xué)內(nèi)容體系的改革
按照教學(xué)內(nèi)容服務(wù)于專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的原則，以面向工程應(yīng)用為主要目的，將課程內(nèi)容進(jìn)行模塊化整合，在教學(xué)過程中應(yīng)以應(yīng)用模塊的教學(xué)為重點(diǎn)，以適應(yīng)培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的工程應(yīng)用型人才的需要。
機(jī)械工程中一個完整的測試系統(tǒng)一般包括：被測對象(通常是各類信號)、傳感器、調(diào)理電路、信號采集與數(shù)字信號處理及反饋控制等，與此相應(yīng)的理論內(nèi)容主要有：信號及其描述方法、測試裝置性能的靜動態(tài)分析、各種常用傳感器的原理及后接電路、信號調(diào)理、信號的顯示與記錄、信號處理等，這些內(nèi)容構(gòu)成了機(jī)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。同時課程也包括了常見物理量如位移、力、應(yīng)力和應(yīng)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(xiàn)代計算機(jī)測試系統(tǒng)等內(nèi)容，這一部分屬于應(yīng)用性內(nèi)容。
針對課程內(nèi)容的特點(diǎn)，將教學(xué)內(nèi)容劃分為信號及其描述模塊、信號傳輸系統(tǒng)性能模塊、傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、信號處理模塊及應(yīng)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(guān)系也非常明確，即按照信號的運(yùn)行路徑為主線組織知識點(diǎn)，此部分內(nèi)容中傳感器模塊為重點(diǎn)內(nèi)容，主要講授常用傳感器的工作原理及后接電路，該部分內(nèi)容與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，其余內(nèi)容如信號傳輸系統(tǒng)性能及信號調(diào)理等與學(xué)生學(xué)習(xí)過的自動控制原理及電工學(xué)等課程有重合，在教學(xué)過程中可以做簡單回顧即可。最后的應(yīng)用實例模塊既是前面各模塊的有機(jī)結(jié)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(yīng)有具體的系統(tǒng)組成及適當(dāng)?shù)睦碚摲治�。這樣組織教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生在學(xué)習(xí)時能清晰地理解各個知識模塊的作用及在測試系統(tǒng)中的地位，對于測試系統(tǒng)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(xí)到各種物理量測試技術(shù)的具體工程應(yīng)用方法。
2教學(xué)方法與手段的改革
2.1工程實例教學(xué)法
按照教學(xué)方法服務(wù)于教學(xué)內(nèi)容的原則，由于機(jī)械工程測試技術(shù)這門課程與工程實踐聯(lián)系緊密，直接面向工程應(yīng)用，因此在教學(xué)過程中，應(yīng)將適當(dāng)?shù)墓こ虒嵗虢虒W(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，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(xué)生認(rèn)識所學(xué)習(xí)的傳感器是如何應(yīng)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(xué)生舉了一個壓電傳感器應(yīng)用于懸臂梁振動測試的例子。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(dāng)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(yuǎn)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(yīng)，壓電陶瓷晶體上產(chǎn)生正比于運(yùn)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(guān)于濾波器的問題時，筆者通過LABVIEW給學(xué)生演示了一個濾波器應(yīng)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(yīng)(IIR)3階低通濾波器進(jìn)行濾波處理，當(dāng)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(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識的興趣，了解相關(guān)知識的工程應(yīng)用，同時又能提高學(xué)生應(yīng)用所學(xué)內(nèi)容分析和解決工程實際問題的能力。
2.2啟發(fā)式教學(xué)法
啟發(fā)式教學(xué)，就是根據(jù)教學(xué)目的、內(nèi)容、學(xué)生的知識水平和知識規(guī)律，運(yùn)用各種教學(xué)手段，采用啟發(fā)誘導(dǎo)辦法傳授知識，使學(xué)生積極主動地學(xué)習(xí)，以促進(jìn)能力培養(yǎng)。在課堂教學(xué)中，應(yīng)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分析和解決理論推導(dǎo)和實際問題。在具體實施中，針對部分教學(xué)內(nèi)容，以學(xué)生理解并掌握該部分內(nèi)容為目標(biāo)，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(xué)生利用現(xiàn)有知識去進(jìn)行思考，并嘗試自己獨(dú)立推理，然后再由教師進(jìn)行詳細(xì)講解。
例如，在講述關(guān)于非周期信號的傅立葉變換時，先列出學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過的周期信號的復(fù)指數(shù)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(dǎo)他們借用周期信號的復(fù)指數(shù)展開式去自己推導(dǎo)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(jié)合數(shù)學(xué)中的坐標(biāo)變換去理解傅立葉變換實質(zhì)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(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(shù)，從而了解了信號包含的各頻率成份及特征。通過啟發(fā)式教學(xué)，學(xué)生深刻地理解了傅立葉變換的意義，同時也加深了對信號時域分析和頻域分析的理解。
實踐證明，學(xué)生對于啟發(fā)式教學(xué)方法比較感興趣，他們也樂于在教師的啟發(fā)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(jīng)過對具體知識求解過程的鍛煉，他們的自學(xué)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(yīng)用于課堂教學(xué)
機(jī)械工程測試技術(shù)作為一門與工程應(yīng)用聯(lián)系緊密的課程，其內(nèi)容隨著現(xiàn)代計算機(jī)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(tǒng)分析與設(shè)計的重要工具。從工程實際需要出發(fā)，筆者在課堂教學(xué)中，將工程中廣泛應(yīng)用的MATLAB軟件及虛擬儀器技術(shù)引入課堂教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生去了解這些軟件在測試系統(tǒng)分析與設(shè)計中的作用。
例如，在講述測試裝置的靜動態(tài)特性時，利用MATLAB的simulink仿真工具箱，建立一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)的仿真框圖模型，給系統(tǒng)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(tǒng)的時間常數(shù)及二階系統(tǒng)的阻尼率和固有頻率等參數(shù)，來模擬測試裝置在不同輸入下的響應(yīng)，這些內(nèi)容編寫成一個個仿真子程序，在授課的時候直接調(diào)用子程序來運(yùn)行。
講述各種信號時，可以利用LABVIEW的信號仿真函數(shù)，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，同時利用頻譜測量函數(shù)顯示相應(yīng)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(shù)來編制應(yīng)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(xué)生可以直觀了解各種不同種類濾波器的性能。所有演示內(nèi)容都編寫成一個個應(yīng)用實例，在課堂教學(xué)時直接調(diào)用。
通過將MATLAB和LabVIEW軟件引入課堂教學(xué)，即避免了書本知識過于枯燥、學(xué)生易失去學(xué)習(xí)興趣的問題，又能通過實例演示加深學(xué)生對于所學(xué)內(nèi)容的直觀印象，同時引導(dǎo)學(xué)生自己學(xué)習(xí)相應(yīng)的軟件，自己動手去處理實際問題，既提高了課堂教學(xué)效果，也培養(yǎng)了學(xué)生的應(yīng)用相關(guān)軟件去分析解決工程實際問題的能力。
2.4多媒體教學(xué)
由于課程教學(xué)內(nèi)容較多，同時又包含有大量工程應(yīng)用內(nèi)容，而教學(xué)課時數(shù)又相對較少，因此，對于大部分內(nèi)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，且可以對大量實際工程應(yīng)用進(jìn)行動畫顯示等優(yōu)點(diǎn)。例如，在講述測試系統(tǒng)的組成時，為了加深學(xué)生對于測試系統(tǒng)各個組成環(huán)節(jié)的印象，筆者舉了旋轉(zhuǎn)軸偏心量監(jiān)測系統(tǒng)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(diào)理電路進(jìn)行放大和濾波，再經(jīng)過信號數(shù)據(jù)采集送入計算機(jī)，進(jìn)行處理和顯示。監(jiān)測系統(tǒng)采用動畫顯示的方式，既利于學(xué)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(tǒng)整體組成的理解，同時也可提高學(xué)生實際應(yīng)用能力。
2.5小論文式大作業(yè)
在教學(xué)過程中，針對主要內(nèi)容布置一些大作業(yè)，選題范圍主要是一些相關(guān)的工程實際問題，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(tǒng)的組成，自己選擇相應(yīng)的硬件去搭建能夠投入工程實際應(yīng)用的測試系統(tǒng)，并分析所組成的測試系統(tǒng)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(xué)習(xí)基本完成之后，向部分學(xué)生布置了一道機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)的大作業(yè)，讓學(xué)生自己選用合適的傳感器，并選用相應(yīng)的測試系統(tǒng)硬件，自己搭建一個轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)，并應(yīng)用LANVIEW軟件編制信號采集及信號處理程序。實踐表明，在教學(xué)中鼓勵、指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小論文式的大作業(yè)的訓(xùn)練，可以更好地發(fā)揮其學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性，也使得學(xué)生設(shè)計測試系統(tǒng)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(xué)方法。
3更新實驗內(nèi)容，實施開放式實驗教學(xué)
實驗教學(xué)內(nèi)容既要服務(wù)于課程教學(xué)目標(biāo)，同時也要緊跟工程實踐要求，著重培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實際問題的能力。為此，我們對實驗內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，在保留了一些驗證性的傳統(tǒng)實驗內(nèi)容同時，也積極開設(shè)了一些設(shè)計性和創(chuàng)新性的實驗項目。更新后的實驗內(nèi)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(chuàng)新性實驗(機(jī)床主軸振動測試、液壓系統(tǒng)流量測試及桁架應(yīng)力綜合測試)�；緦嶒炓哉n程基本知識為載體，以基本知識和動手能力訓(xùn)練為重點(diǎn)，為必開實驗。綜合創(chuàng)新性的實驗，以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力、分析和解決工程實際問題的能力為目的，學(xué)生可以選做自己感興趣的實驗項目。
實驗教學(xué)實施開放式、自主式教學(xué)，學(xué)生可以在實驗室開放期間任何時間來做實驗，由學(xué)生根據(jù)實驗的要求自行選用相應(yīng)傳感器及相關(guān)硬件和軟件搭建測試系統(tǒng)，并獨(dú)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(qiáng)。教師在實驗結(jié)束后，對實驗結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，指出實驗過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(xiàn)問題，使他們掌握處理問題的技巧，從而更好地激發(fā)和培養(yǎng)他們的探索精神和創(chuàng)新能力。
4結(jié)論
機(jī)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(tǒng)的理論和測試系統(tǒng)性能分析的方法，并學(xué)會獨(dú)立選用相應(yīng)的硬件和軟件去搭建測試系統(tǒng)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(xué)實踐表明：本文在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段、實驗教學(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(yīng)用為主的教學(xué)內(nèi)容體系更適合具有創(chuàng)新意識的應(yīng)用型人才的培養(yǎng)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(xí)興趣、增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和分析解決工程實際問題的能力，更新的實驗教學(xué)內(nèi)容和開放式實驗教學(xué)能夠加強(qiáng)學(xué)生動手能力和實踐能力的培養(yǎng)。
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