淺談新形勢下機械工程測試技術教學改革的論文
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、控制和執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效能，主要包括物理量和其他工程量的測量方法、測試中常用的感測器、訊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、測試訊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。由於各種基於新的測試原理和測試方法的新型感測器不斷出現，課程的教學內容也處於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，對於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、課程教學方法服務於課程教學內容、素質教育貫穿於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
按照教學內容服務於專業培養目標的原則，以面向工程應用為主要目的，將課程內容進行模組化整合，在教學過程中應以應用模組的教學為重點，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：被測物件(通常是各類訊號)、感測器、調理電路、訊號採集與數字訊號處理及反饋控制等，與此相應的理論內容主要有：訊號及其描述方法、測試裝置效能的靜動態分析、各種常用感測器的原理及後接電路、訊號調理、訊號的顯示與記錄、訊號處理等，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，這一部分屬於應用性內容。
針對課程內容的特點，將教學內容劃分為訊號及其描述模組、訊號傳輸系統性能模組、感測器模組、訊號調理模組、訊號處理模組及應用例項模組這六大模組。其中前五個模組屬於該課程的理論部分，它們間的關係也非常明確，即按照訊號的執行路徑為主線組織知識點，此部分內容中感測器模組為重點內容，主要講授常用感測器的工作原理及後接電路，該部分內容與工程應用緊密結合，其餘內容如訊號傳輸系統性能及訊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。最後的應用例項模組既是前面各模組的有機結合，又是該課程的目的所在，該模組含幾個典型物理量的測試例項，每個例項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組的作用及在測試系統中的地位，對於測試系統的完整組成及效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工程例項教學法
按照教學方法服務於教學內容的原則，由於機械工程測試技術這門課程與工程實踐聯絡緊密，直接面向工程應用，因此在教學過程中，應將適當的工程例項引入教學，這對於提高教學效果具有重要作用。
如在講述感測器的原理時，除講清楚各種感測器的原理之外，還需要透過大量的工程例項來使學生認識所學習的感測器是如何應用於實際工程量的測量。例如，筆者在講述壓電感測器時，給學生舉了一個壓電感測器應用於懸臂樑振動測試的例子。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，固定安裝在懸臂樑上，當給懸臂樑施加一定頻率的激振訊號時，壓電加速度計感受與懸臂樑相同頻率的振動，若振動頻率遠小於壓電加速度計的固有頻率，質量塊便有正比於加速度的交變力作用在壓電陶瓷晶體上，由於壓電效應，壓電陶瓷晶體上產生正比於運動加速度的表面電荷，透過電荷放大器等後接電路，便可以得到懸臂樑振動的加速度訊號，再透過雙重積分器即可得到懸臂樑的振動位移訊號。
例如，在講述關於濾波器的問題時，筆者透過LABVIEW給學生演示了一個濾波器應用程式，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'正弦訊號疊加的合成訊號，透過無限長衝擊響應(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，透過觀察濾波後訊號的波形圖，來了解濾波器的截止頻率對於濾波效果的影響。
這些工程例項的引入，一方面能夠激發學生學習相關知識的興趣，瞭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，採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，應儘量避免填鴨式教育，儘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，以學生理解並掌握該部分內容為目標，可以先列出研究思路和步驟，然後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，並嘗試自己獨立推理，然後再由教師進行詳細講解。
例如，在講述關於非週期訊號的傅立葉變換時，先列出學生已經學習過的週期訊號的復指數展開式，提示他們可以將非週期訊號看成是週期為無限長的週期訊號，從而引導他們借用週期訊號的復指數展開式去自己推匯出傅立葉變換式。在講述了傅立葉變換的基本概念之後，提示他們結合數學中的座標變換去理解傅立葉變換實質上是一種積分變換，將一個訊號透過積分變換變成另一個訊號，兩個訊號相互之間有聯絡，傅立葉變換後得到的訊號自變數已經變為頻率而非時間，透過分析一個訊號的傅立葉變換可以得到訊號的頻譜密度函式，從而瞭解了訊號包含的各頻率成份及特徵。透過啟發式教學，學生深刻地理解了傅立葉變換的意義，同時也加深了對訊號時域分析和頻域分析的理解。
實踐證明，學生對於啟發式教學方法比較感興趣，他們也樂於在教師的啟發下透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鍊，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軟體應用於課堂教學
機械工程測試技術作為一門與工程應用聯絡緊密的課程，其內容隨著現代計算機技術的發展而不斷完善，尤其是MATLAB軟體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軟體及虛擬儀器技術引入課堂教學，引導學生去了解這些軟體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模擬工具箱，建立一階系統和二階系統的模擬框圖模型，給系統以不同的輸入如單位階躍輸入、單位脈衝輸入等，再透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引數，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模擬子程式，在授課的時候直接呼叫子程式來執行。
講述各種訊號時，可以利用LABVIEW的訊號模擬函式，產生不同頻率和幅值的正弦波訊號、方波訊號及三角波訊號等，同時利用頻譜測量函式顯示相應訊號的幅值譜和相位譜。在講述濾波器時，透過合併低頻訊號和高頻訊號或噪聲訊號組成混疊訊號，並利用濾波器函式來編制應用程式來模擬高通濾波器、低通濾波器及帶通濾波器等不同種類濾波器的濾波效能，從而使學生可以直觀瞭解各種不同種類濾波器的效能。所有演示內容都編寫成一個個應用例項，在課堂教學時直接呼叫。
透過將MATLAB和LabVIEW軟體引入課堂教學，即避免了書本知識過於枯燥、學生易失去學習興趣的問題，又能透過例項演示加深學生對於所學內容的直觀印象，同時引導學生自己學習相應的軟體，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體去分析解決工程實際問題的能力。
2.4多媒體教學
由於課程教學內容較多，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，對於大部分內容的講解宜採用多媒體教學，這有利於發揮多媒體教學資訊量大，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，為了加深學生對於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。位移感測器獲取軸承在X、Y方向的位移訊號，透過調理電路進行放大和濾波，再經過訊號資料採集送入計算機，進行處理和顯示。監測系統採用動畫顯示的方式，既利於學生形象地透過測試訊號的傳遞及訊號的變換與處理過程，也利於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，針對主要內容佈置一些大作業，選題範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，自己選擇相應的硬體去搭建能夠投入工程實際應用的測試系統，並分析所組成的測試系統的效能，最後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後，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感測器，並選用相應的測試系統硬體，自己搭建一個轉速測試系統，並應用LANVIEW軟體編制訊號採集及訊號處理程式。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於課程教學目標，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專案。更新後的實驗內容分為二個部分：第一部分為基本實驗，主要包括電橋效能綜合實驗、霍爾測速實驗及壓電式加速度感測器測量振動實驗，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專案。
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感測器及相關硬體和軟體搭建測試系統，並獨立完成整個實驗，從而使自己動手能力和實踐能力得到加強。教師在實驗結束後，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，可以幫助學生髮現問題，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，並學會獨立選用相應的硬體和軟體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。模組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採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。