测试技术层次化实验教学改革与实践

刘吉轩，张小栋，陈花玲

(西安交通大学 机械工程学院，陕西 西安710049)

0 引 言

“机械工程测试技术”是一门实践性非常强的专业基础课程，课程内容涵盖了信号分析、测量装置特性、传感器、信号调理、计算机测试系统、测试虚拟仪器设计、典型测量系统设计等诸多方面内容［1-2］。学生在学习测试技术课程的过程中，普遍存在对测试基本概念和物理含义的理解不透彻，对测试基本方法和手段掌握不熟练，对测试系统的构成和测试技术的运用不自如的问题［3-4］。因此，通过相应的测试技术实验和实践过程，有助于学生更好地理解所学的测试技术基本知识和概念，较熟练掌握测试的方法和手段，有效提高测试技能，充分提高分析和解决测试问题能力，提高开展与测试技术有关的研发、设计及应用的创新意识和能力。

1 测试技术层次化实验教学改革思路

机械工程测试技术课程的层次化实验是指根据课程的教学要求、实验的教学定位、学生的能力和兴趣，将测试技术教学实验化分为测试技术基本实验、测试技术综合实验和测试技术探索实验3 个层次。其中测试技术基本实验注重培养学生对测试技术课程基本概念和基本知识的理解，并且培养学生的测试基本技能;测试技术综合实验注重培养学生综合运用测试技术知识分析和解决测试问题的能力;测试技术创新实验注重培养学生开展测试技术方面的研发、设计与应用的创新意识、探索精神和实践能力［5-6］。

2 测试技术层次化实验教学的目标

测试技术基本实验为必做实验，要求学习机械工程测试技术课程的学生都必须完成这一层次的实验，而且必须达到规定的实验要求。实验的目标是:通过完成测试基本实验，能够加深对信号分析基本概念的理解和对信号分析基本方法的掌握;能够掌握测量装置静动态特性的实质，能够充分理解测量装置不失真条件，并且能够对测量误差进行分析;能够较深入了解机械工程中常用传感器的实际结构特点和使用方法，掌握几种典型传感器的静动态性能标定方法;能够较好地掌握机械动态信号测量的信号调理方法和手段;能够进行基本的测试虚拟仪器设计。

测试技术综合实验为选做实验，要求学习机械工程测试技术课程的学生根据情况选做其中的部分实验。实验方法是结合具体对象和测试要求，正确设计实验并组成测试系统，正确选用传感器和信号调理仪器，并且进行信号采集和信号分析;实验的目标是:通过选做其中的综合实验项目，能够系统掌握机械工程领域常遇到的位移与转速、力与压力、振动与噪声等工程量的综合测试技术，为测试技术的工程应用打下基础。

测试技术创新实验为开放实验，实验的目标是:学生根据自己的能力和兴趣，结合工程实际或大学生科研训练和创新实践项目中有关的测试技术问题，提出测试创新实验方案，开发部分测试实验装置或测试实验软件，完成具有创新意义的测试实验内容，得出对工程技术问题或科研训练项目具有参考价值的实验结果，并且对实验结果进行分析研究。通过测试创新实验有利于培养学生的测试技术创新意识［7-9］。

3 测试技术层次化实验教学内容体系

测试技术层次化实验教学内容体系是由测试基础实验、测试综合实验和测试创新实验组成，其中测试基础实验内容主要涉及到周期与非周期信号分析、测量装置特性仿真、传感器及其性能标定、动态测量信号调理以及测试技术虚拟仪器设计等几方面的实验;测试综合实验内容主要涉及到机械系统、机械结构、气动系统以及其他实验对象的振动、噪声、位移、速度、转速、力、压力等常见机械量的综合测试和综合分析实验;测试创新实验内容主要是结合工程技术问题或科研训练，针对机械对象，开放式地开展创新性、研究性的测试实验活动，实验内容涉及到机械对象的动态性能测试和分析研究、新的测试方法和测试技术在机械测试中的应用、测试实验装置的设计和制作、测试虚拟仪器和实验软件的开发、计算机辅助测试技术的应用、网络化测试技术、测试实验系统的集成和调试等。图1 表示了测试技术层次化实验教学内容体系［10-12］。

图1 测试技术层次化实验教学内容体系

4 测试技术层次化实验教学模式

传统的测试实验教学模式至少存在以下问题:①学生做实验时多数处于被动状态;②验证性实验占的比例偏大;③注重实验结果，轻视实验过程;④实验与工程实际和科研训练联系少;⑤学生做实验时的创新意识和探索精神缺乏。测试技术层次化实验教学模式是对传统测试实验教学模式的改革，注重了通过实验提高学生综合运用测试技术知识分析和解决实际问题的能力，涉及了实验方案的设计、实验装置和实验系统软件设计、实验结果的综合分析等，对于培养学生的探索精神、创新意识和实践能力大有裨益［13-14］。

4.1 实验教学方法

根据不同层次测试技术实验的目标定位不同，实验教学方法也有所不同，具体而言:

(1)对于测试基础实验。主要是在实验教师的指导下，由学生按照实验指导书上的实验目的、实验原理、实验仪器、实验步骤等完成实验，指定的实验项目要求学生必做，每个测试基础实验项目的实验学时一般在1 ～2 学时，全部测试基础实验的实验学时数是8学时，实验的难度一般不大，实验结果通常一致性较强。这一层次的实验要求学生掌握测试技术理论课程中有关的基本理论知识，要求学生具有较强的实验动手能力。

(2)对于测试综合实验。主要是基于问题学习(Problem-based learning)的实验教学方法，以学生为主体，在实验教师的引导下，学生根据问题围绕测试对象开展系统的测试及分析，系统地完成测试方案设计、测试系统组成/搭建、信号采集、信号分析等各个测试环节的实验任务，培养学生系统性地运用测试技术知识解决实际测试技术问题，并对问题进行分析判断。实验室向学生提供多项测试综合实验项目，要求学生根据自己的专业兴趣选取其中的一项来完成，实验学时一般在8 学时，实验难度适中，但是实验的综合性较强，要求有一定的测试分析综合能力。

(3)对于测试创新实验。主要是基于项目学习(Project-based learning)的实验教学方法，结合工程实际或者科研训练项目，针对实验研究的对象，按照实验目的和实验基本要求，设计实验方案并加以论证，开发部分实验装置或实验系统软件，完成实验系统硬(软)件集成调试，自主完成实验现场测试、实验数据采集和分析、实验结果讨论等。学生可以根据自己的能力和专业兴趣选做一项由实验室提供的测试创新实验，也可以结合自己参与的科研训练项目或工程实际项目进行测试创新实验。测试创新实验的形式、内容和方法都是开放的，学生可以根据自己的能力、专业兴趣和学习时间，事先预约实验时间、实验仪器设备，实验前做好实验预习，并且及时与实验指导老师联系沟通，保证实验的实效。这类实验具有一定的研究性和探索性的创新内容。

4.2 实验考评方法

学生完成8 学时的测试基础实验任务后，通过考察学生在实验过程中，对实验问题的理解程度、独立实验操作能力、得到实验结果的正确程度、实验考勤情况以及提交的实验报告，评定学生的实验成绩，这部分实验成绩占到测试技术课程总成绩的10%。

学生完成一项8 学时的测试大综合实验后，通过考查学生系统地完成测试方案设计、测试实验系统的组成/搭建情况，信号采集与信号分析情况，并以分组答辩的形式，判断学生综合运用测试技术知识分析和解决实际问题的能力。测试综合实验成绩由实验方案设计与实验系统搭建能力、实验结果及其分析、实验报告撰写情况、实验答辩情况等几部分组成，实验成绩占测试技术课程总成绩的10%。

学生完成一项开放式的测试创新实验后，考查学生完成测试方案设计与论证能力、部分测试实验装置或实验软件的设计和开发能力、实验数据获取与分析研究能力，并且通过实验答辩的形式，评判学生完成测试创新实验的创新意识、探索精神和实践能力。该层次实验是学有余力的学生以课外学习的形式完成，实验时间和实验内容都是开放的，实验成绩由测试实验方案设计与论证、实验装置或软件设计开发、试验系统硬件或软件集成调试、实验数据获取与分析研究、实验报告的撰写、实验答辩等几部分组成，实验成绩以课外学分体现。

5 测试技术层次化实验教学实践探索

近几年来我们对测试技术层次化实验教学进行了初步地实践探索，已经取得了较好的成效，对学生在测试技术方面的综合素质的提高发挥了较好的作用。我校在修订的2010 版本科生培养方案中，已经将测试技术层次化实验教学内容纳入到了机械工程及自动化等专业本科生测试技术课程实验教学大纲。以下是测试技术层次化实验教学实践探索的例证。

5.1 测试基础实验例证

测量装置动态特性仿真实验是一项测试基础实验，学生采用测试技术课程实验软件模拟仿真测量装置的动态特性。学生通过这项测试基本实验，可以深刻理解测量装置的固有参数设计/选取对测量装置的动态特性影响很大，如果测量装置的固有参数选取/设计的不合理，就会造成测量装置的动态特性差，测量动态信号时就会产生失真现象。

图2 为采用测试实验软件模拟仿真二阶测量装置的动态特性实验结果。

图2 二阶测量装置的动态特性仿真实验结果

从图2 (a)可见，二阶测量装置的固有频率选取/设计偏小，不能满足对所要测量的扫频信号测量要求，测量的结果造成了比较明显的失真现象;而从图2(b)可见，二阶测量装置的固有参数选取/设计合理，能够满足所测量的扫频信号测量要求，测量结果没有出现失真现象。

5.2 测试创新实验例证

摩擦力是影响气缸低速运动特性的主要因素，严重时可造成气缸运动过程中的爬行，导致气缸运动平稳性差和定位精度低。本测试创新实验是以气缸摩擦力测试及其补偿实验研究为学习驱动，实验目的是通过测量气缸运动位移信号，经过运算得到气缸运动过程中的摩擦力，将所得到的摩擦力作为补偿项添加到气缸运动伺服控制算法中，实现气缸运动过程中的摩擦力补偿。

这项测试创新实验的创新性和探索性在于:学生需要设计实验方案、开发气缸摩擦力测试与分析计算软件、设计和搭建实验系统、实现气缸运动伺服控制过程中的摩擦力补偿，最终达到提高气缸运动平稳性和定位精度的目标。气缸摩擦力测试实验系统如图3 所示［15-16］。

图3 气缸运动摩擦力测试实验系统

测量和计算得到的气缸位移与摩擦力之间的关系曲线如图4 所示。

图4 气缸运动位移与摩擦力之间的关系曲线

经过对实验数据处理和数据拟合，可以得到气缸运动过程中的实际摩擦力表达式，将这一摩擦力作为修正项添加到气缸运动伺服控制算法中，得到的摩擦力补偿效果对比如图5 所示。

从图5(a)可见，未添加摩擦力补偿时气缸运动过程出现明显的爬行，定位精度控制在1.2%左右。从图5(b)可见，添加了摩擦力补偿项后气缸运动过程没有出现爬行，定位精度控制在0.4%左右。

经过对气缸摩擦力进行补偿，使气缸运动定位精度提高了2 倍。

图5 气缸摩擦力补偿效果对比

6 结 语

测试技术课程是一门实践性非常强的课程，测试技术实验教学对测试技术课程至关重要。提出的测试技术层次化实验教学体系和模式，克服了传统的测试技术实验存在不足。

测试基本实验为学生掌握和加深理解测试技术课程的基本概念、基本方法与基本技术提供了实验保障;测试综合实验为学生综合运用测试技术知识分析和解决实际的测试技术问题奠定了基础;测试创新实验为学生结合工程实际或科研训练项目，开展研究性和探索性的实验活动提供了开放式的实验条件，有利于培养学生的主动学习能力和探索精神。

通过测试技术层次化实验教学的实践探索和实验项目的实际验证，将测试技术层次化实验教学内容体系和模式落实到测试技术课程实验教学实际当中，是测试技术课程实验教学发展的必然趋势。

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