工程案例法在“机械工程测试技术”课程教学中的应用

文成，周传德

“机械工程测试技术”包含了测量和试验两方面内容，它是依靠专门的技术、手段、实验、理论计算，求得被测后的物理量。本课程是建立在传感器技术、计算机技术、信息技术、信号分析与处理技术基础之上的一门交叉综合性专业基础课。课程理论性和实践性要求很强，学生必须有足够的实践才能充分理解理论知识，从而更好地把握课程内容。由于教学学时不断压缩以及实验条件的限制，往往在教学实施中更侧重课本内容讲授，学生被动听课，启发和互动性不够。因此，传统教学方法割断了理论和工程之间的联系，难以建立机械测试系统整体概念，学生普遍反映测试技术理论空洞，传感器缺少实物对象，枯燥无味。从事“机械工程测试技术”课程教学的教师也普遍认为，该课程的工程实践性与薄弱的实验环节的矛盾十分突出，教学改革势在必行。

国内一些高校十分重视该课程的教学效果，积极建设机械测试技术实验室，开发相应的实验，促进学生对理论知识的掌握。但实验与工程应用有差别。为让学生充分了解测试技术在工程实际中的应用，开展以工程案例为核心的教学模式，将有助于缩短理论教学与实际生产的距离，体现了面向工程观的教育理念［1］。工程案例教学必将开阔学生的学术眼界，激发他们的学习兴趣，从而提高教学质量。

一、案例教学方法

案例教学法是由哈佛大学法学院提出的一种以学生为中心，致力于提高学生综合素质的教学方法［2］。在案例教学中，教师根据教学要求，设计相应案例，组织学生针对案例内容，运用所学知识进行思考、分析、讨论和交流等教学活动，以提高学生分析问题和解决问题的能力。案例教学有利于充分调动学生的学习主动性，生动具体、直观易学。目前,案例教学在教学过程中的作用和地位已在教育界形成共识,并被引入到工科类课程的教学当中。因此，案例教学越来越受到高校的重视和欢迎，成为教学方法改革的重要内容之一。工程案例则是将发生在工程实践中的客观事实，经过文字、数据、图表、动画等方式进行概括、整理，形成可用于课堂交流或探讨的案例材料［3］。

案例教学具有真实性、典型性、完整性、综合性和启发性等特点。案例取材于生产实际或科研工作，是具有一定代表性的典型事例，涉及多门课程或领域知识，包括一个或几个问题，能够引人深思，启迪思路。案例教学将理论和方法运用于实践，进而深化理解教学内容，培养学生解决实际问题的能力。将案例教学法运用到“机械工程测试技术”课程的教学过程中，学生能够正确建立工程测试与应用的整体概念。一方面不用增加实验学时，另一方面促使学生变被动学习为主动学习，引导学生运用多学科知识去分析和解决工程实际中的具体问题［3］，从而提高教学效果。

二、工程案例教学的实施

（一）案例筛选与提炼

工程案例应充分结合机械专业人才培养计划，紧密联系测试技术理论知识，要与生活密切相关，涉及多门课程，有较强的典型性、综合性。案例应紧扣“机械工程测试技术”课程教学大纲，根据教学内容和进度，力求使案例分布在每一个教学单元和知识点中。为体现这一要求，可从以下三个方面来筛选工程案例：

（1）从科学研究项目中提炼案例。科学研究本身就是利用理论知识并借助实验来解决实际科学问题，是理论和实践的充分结合。课程组教师既是教育工作者，又是科研工作者，长期从事大量的科研工作，这些研究项目大部分又与测试技术有关。整理和提炼科研项目，将教师的科研成果转化为实验教学资源，最终形成教学案例。如课题组教师承担的科研项目“数控机床在线测试仪器”涉及到本课程多个重点章节，能够挖掘出较为典型的案例。这些与测试技术密切相关的案例是教师的深刻体会和经验总结，将亲身经历的案例在课堂上呈现出来，将极大地激发学生的好奇心，提高学习的积极性。

（2）从企业生产、研发中搜集案例。在工业应用中，产品设计、研发、生产以及设备调试、运行、维修等都离不开测试技术和传感器技术，特别是设备状态监测和故障诊断的应用，更是与本课程内容联系十分紧密。例如“高线轧机齿轮箱在线监测系统”涉及到系统识别、传感器技术、信号调理与信号分析技术等，几乎涵盖了“机械工程测试技术”所有章节知识点。由于从企业搜集的工程案例更接近实际，具有很强的说服力，能吸引学生注意力，提高学生主动参与分析问题的兴趣。

（3）从指导学生实践教学中筛选案例。教师指导学生实践通常包括大学生科技创新、毕业设计、生产实习以及学生参与教师科研等方面的指导教学。这些实践教学是培养学生实践动手能力和创新精神的有效途径，促进了教师的教学和科研的有机结合，推动了学生课内学习与课外学习的有机融合。在指导学生实践教学过程中，有意识地收集工程案例素材。从学生实践项目中总结的案例密切联系学生的实际情况，容易引起共鸣，激发学生学习的主动性。

（二）课程案例规划

利用案例法教学时，首先应注重理论知识系统化教学。“机械工程测试技术”课程章节众多，应先将这些看似繁杂的内容进行梳理，使理论知识系统化。“机械工程测试技术”课程共十三章［4］，从测试系统观点出发，将这些章节分别归入“测试信号获取”、“测试信号转换”、“测试信号分析”以及“测试技术应用”等四个模块之中。图1为课程知识模块分类及其相应知识点。

图1 课程知识模块划分

结合当前测试技术课程实验条件和学时情况，工程案例设计紧紧结合了教学内容和授课计划安排，力求在每一个教学单元和知识点中都有工程案例。案例的具体分布如图2所示。

图2 工程案例分布

（三）案例教学课堂实施方案

将案例合理引入课堂教学是案例教学的关键。一个好的工程案例实施，将为学生提供一个可以发挥自己想象力、创造力和展现才能的空间［5］。案例教学应提出实际测试问题，充分调动学生的主动性，参与解决问题，提出合理解决方案，得出相应结论。为此，可以从以下几个方面来组织实施：（1）课前向学生布置案例，介绍案例的工程背景，提出要解决的关键问题。（2）组织学生课余分析案例，提出解决方案。必要时将学生分成若干学习小组。（3）教师在课堂上运用多媒体技术（视频、图片或仿真软件）复现案例过程，指出案例分析的关键所在，涉及的理论知识点，启发学生思考方向。（4）加强课堂讨论的启发和引导，充分调动学生的主动性，始终引导学生围绕中心议题发表自己的见解，得出相应结论。（5）将学生参与案例讨论纳入课程考核体系之中，激励学生积极参与案例讨论。（6）及时对案例教学情况进行总结，为后续章节内容做好铺垫，同时不断完善教学案例。（7）根据实验条件，必要时可以组织学生课后动手实践，复现案例。

三、案例设计实例：转子裂纹故障检测

案例来源于教师科研项目——非接触扫频电磁谐激励下多盘转子裂纹故障高阶非线性振动响应研究。该项目以2盘或3盘转子系统产生横向裂纹的转子为典型研究对象，探索多盘转子系统裂纹故障与高阶非线性振动响应的关系，建立裂纹故障与振动响应信号之间的故障识别链据，防止大型旋转机械异常振动和意外事故的发生，提高诊断的准确性以及早期预测能力。

根据项目研究内容、方法以及取得的成果，提炼出教学案例——转子裂纹故障检测。该案例涉及传感器选择和信号分析理论，可以安排在测试信号分析知识模块所对应的章节中实施。案例教学时，首先向学生提出启发性问题：用什么方法才能检测出转子已经出现裂纹现象？为什么要测量转速？如何测转速？然后提示转子系统故障检测一般应测量其振动信号，应该从常见的测振传感器中选择相应检测设备，提醒学生思考高速旋转设备振动测量应采用什么测量方法，传感器如何安装等。带着这些问题，学生应在课后搜集相关资料，相互讨论这些问题，初步形成自己的观点或结论。

课堂案例教学时，先组织学生进行分组讨论，对学生小组分析结论逐一讲解，综合其中正确的结论或观点，剖析错误见解，给出案例分析的逻辑路径。本案例讲解时，可先建立如图3所示的测试系统装置。然后提出分析案例的关键——非接触测试和频谱分析。可以考虑采用涡流位移传感器来检测转子振动信号。由于转子运转时各方向振动情况不同，为了全面反映转子振动情况，可以同时测量水平方向和垂直方向的振动。理论表明，转子振动情况与转速密切相关，特别是故障信息与转频信息相关，所以必须测量转速。光电转速计可以很方便地实现非接触测量转速，且有安装方便、使用简单、抗干扰能力强、测量精度高等优点。最后给出故障判断依据，即转子存在裂纹时，振动频率具有转动频率的2×，3×，…高频谐波，当裂纹扩展时，其1×，2×，…等高频分量的幅值随之增大。

图3 测试系统装置原理

本案例紧密结合工程实际，由简单机械测试开始，逐步引入机械故障诊断理论，让学生了解频谱分析在设备故障诊断中的重要地位。引入更深的思考问题，除了频谱分析，还可以用什么方法来检测转子裂纹故障？信号是如何进入分析仪器？信号中的干扰成分如何消除等？这些问题可以激发学生的好奇心，有助于培养他们正确分析问题、解决问题的能力。

四、结语

工程案例教学来源于企业生产、科学研究和学生实践，为学生提供了真实的工程应用场景，拉近了理论教学与实际生产的距离，为学生将课程理论和方法运用于工程实践奠定了一定的基础。将案例教学法引入“机械工程测试技术”课程教学，有利于教学相长，有利于充分调动学生的学习主动性，生动具体且直观易学，能够集思广益，为提升教师教学技巧，培养学生解决问题的能力，以及提高课堂教学质量都十分必要。

[1]李冰.工程案例教学在《机械工程测试技术》中的应用[J].装备制造技术，2010(8).

[2]张润莲，张向利，叶进.案例教学法及其运用[J].桂林电子工业学院学报，2004(8).

[3]欧俭平，马爱纯，蒋绍坚.工程案例教学法在热能与动力工程专业课教学改革中的实践[J].高教论坛，2006(5).

[4]周传德，宋强.传感器与测试技术 [M].重庆大学出版社，2009.

[5]喻红，黄弢，王俊峰.基于案例的工程测试技术基础实验教学[J].实验室研究与探索，2008(2).