现代测试技术在机械类本科测试技术教学中的渗透

刘海宁+门秀花+邵海燕+王晓慧

【摘 要】测试技术具有较强的学科交叉性和工程实践性。多年来，虽然测试基本原理和理论方法相同，但现代测试技术在技术形态和应用方式上一直在不断演化，这就构成了学生在相关内容学习上的认识壁垒。本文通过在教学过程中进行现代测试技术的渗透，旨在深化学生对教学内容的理解，建立教学内容与工程应用的联系，提高学生的学习积极性。教学实践发现，基于合理组织的渗透内容和灵活实施的教学过程，教学效果得到了显著提升，测试技术教学知识目标、能力目标和素质目标得到了总体实现。

【关键词】测试技术；机械工程；本科教学

“测试技术”是各机械工程专业必修课程。整体来看，这门课程的特点十分突出：一是，学科交叉性强，技术内容与高等数学、电工电子、控制工程、基础物理等课程关联紧密，是多学科知识的综合应用；二是，工程实践性强，除了满足系统测试目的外，测试技术的应用渗透到生产、生活的各个环节，更是工业自动化、控制技术的重要组成。机械工程测试技术在内容设计上兼顾我国本科教育“厚基础、宽口径”原则的基础上，侧重对机械工程应用中测试技术的介绍。在多年的教学实践中发现，学生对该门课程的学习存在两种负面态度：一种认为该门课程内容陈旧，与工程应用脱节，学习积极性不高；另一种认为课程内容较为枯燥、生涩难懂，与机械专业相去甚远。针对这些问题，各高校在教学过程中均有目的地引入了一些工程应用案例[1]，以辅助对现有教学内容的理解，取得了较好的教学效果。但同时也应看到，随着测试技术的发展，虽然测试的基本原理和理论方法相同，但技术形态和应用方式一直在不断演化，这就构成了学生在相关内容学习上的认识壁垒。本文探讨通过在测试技术教学过程中进行现代测试技术的渗透，拉近学生与测试工程的距离，使其能够明确测试技术教学内容的工程应用价值，解决学生心中疑惑，提高教学质量。

1 把握渗透的目的意义

针对测试技术的课程特点及实际教学过程中出现的问题，基于已有教学内容框架进行现代测试技术的渗透，将经典理论与前沿技术结合，目的是为了进一步提高教学效果，综合实现教学的知识目标、能力目标与素质目标。具体地：

一是，深化对教学内容的理解。在讲清楚已有教学内容的基础上，或将现有理论知识进行扩展，或将相关技术形态进行介绍，使学生能够了解到形式多样的现代测试技术形态、其背后的理论依据以及如何满足工程应用的需要，明确与现有教学内容的区别与联系，在对比和联想中加深对教学内容知识的理解和把握。

二是，建立与工程应用的联系。通过对工程实例和具体技术手段的介绍，将使抽象的理论知识物化为触手可及的技术手段，从而拉近理论知识与实际工程应用之间的距离，使学生一方面能够明确理论知识的学习目的，另一方面能够熟悉时兴的技术手段，并能够以理论知识指导技术手段的选择和应用。

三是，提高学生的学习积极性。教学实践中发现，学生普遍对前沿技术感兴趣，而兴趣是最好的老师。所渗透的现代测试技术概念、知识和技术与围绕大纲但又超越大纲要求，虽然无法详细深入地进行讲解，但是能够引导学生进行自主探究、自我学习，从而在教学效果上产生倍增效应。

2 合理组织渗透内容

伴随着工程实验、运行监测、自动控制、生物医疗等行业需求的深入，现代测试技术理论、技术内容众多，包罗万象。现代测试技术的渗透不能泛泛而谈，否则达不到渗透目的，也不能刨根问底，否则容易使学生产生畏难情绪，必须根据机械专业特点及本科生培养目标要求，围绕授课内容有选择地进行现代测试技术渗透内容的组织。机械工程测试技术授课内容一般包括：信号、传感器、中间变换电路、信号处理方法及测试装置的基本特性等主要内容，本文以《机械工程测试技术基础》[2]为授课教材，围绕核心授课内容进行现代测试技术的渗透内容组织，如图1所示。其中，“测试装置的基本特性”部分是从整体上对测试装置的静态和动态特性进行衡量，相关内容理论性较强，渗透内容的组织可结合传感器与中间变换电路进行实例化描述。而渗透形式可灵活采用理论、技术、工程实例等多种方式。

在“信号”部分，对信号的频域描述是重点，而其根本目的还是为了提取信号所携带的有用信息。结合人工智能介绍特征提取技术能使学生明确信号与信息的区别与联系；盲源分离技术对所感兴趣波形成分的提取与傅里叶频谱分析寻找敏感频谱成分异曲同工，都是以获取有用信息成分为目的的分析手段，对相关内容的介绍能够使学生进一步把握频谱分析的目的，同时能够对时域与频域的不同建立直观感受。基于振动信号的轴承故障诊断[3]已经是较为成熟的技术，其基本原理如图2所示：通过频谱成分分析寻找外圈通过频率或内圈通过频率就能确定对应的故障是外圈故障还是内圈故障。通过对该实例的介绍，学生不仅能够把握学习频谱分析方法的意义，同时还能接触到快速傅里叶变换算法、机械故障诊断学等概念。

在“传感器”部分，掌握传感器及敏感元件的工作原理是核心。考虑到工程技术人员接触最多的是如何选用适合的传感器满足系统构建的需要，特别是随着信息化与工业化的深入融合，很有必要向学生介绍面向工业4.0与物联网的网络传感器、智能传感器等前沿技术。教学实践也证明，相关内容能够极大激发学生的学习兴趣。压电式传感器与机械专业结合紧密，该部分内容学习很重要的一点是让学生明白电压式放大电路与电荷式放大电路的工作原理及各自优劣。而在工程应用中往往采取折中方案，如广泛采用的IEPE型加速度传感器就是通过内置电荷放大器外加恒流源的方式来满足长距离的信号传输需要。

中间变换电路是从传感器到信号显示、记录、处理装置的中间环节。微弱信号检测涉及内容众多，在这里主要介绍交流放大技术，通过相关内容的介绍能够讲清楚动态电阻应变仪采用交流纯电阻电桥，而不是直接采用运算放大器的原因。通过介绍广泛应用的虚拟仪器技术、PCI/PXI/PC104/USB数据采集设备，能够使学生从工程应用角度了解当前快速集成一个测试系统所用的技术手段。

“信息处理方法”部分在教材中主要介绍了相关分析、功率谱分析两种初步的信号处理方法，这在工程应用中是远远不够的。工程技术人员必须建立一定的信息处理方法的知识储备，才能够根据测试环境的不同、手段的不同、目的的不同选用适合的信息处理方法。诸如数字滤波、短时傅立叶变换、小波分析、卡尔曼滤波等在内的信号处理方法虽然不能够深入讲解，但是可以结合工程实例和科研项目介绍这些方法的用途、特点，甚至是相应的算法实现、芯片支持等等。

3 灵活实施授课过程

现代测试技术内容的渗透也面临着一些矛盾和困难：一是，授课内容较多，但是分配学时普遍较少，并且课程一般包括6-10个学时的实验，使得教学学时进一步压缩。二是，对渗透内容与基础授课内容关系的把握问题，相对来说，渗透内容围绕基础内容展开，应当从属于并服务于基础授课内容的教学工作。具体来说，渗透内容的教学应注意以下几点：

3.1 合理把握渗透内容的讲解深度

现代测试技术的渗透讲究知识面的扩展，而非理论的深度，重在启发学生的自我探究意识和专业精神，使其能够理清理论方法“从何处来，往何处去”，了解技术手段“依据什么，能干什么，有何特点”，使学生能够建立一定的测试技术和理论的储备，便于今后相关技术工作的开展。

3.2 注意采用灵活的授课形式

测试技术本身实践性强，相较于基础教学内容，渗透内容尤其需要采用直观、形象的教学形式来保证教学效果的实现，例如：在多媒体教学过程中，以图片、视频的形式介绍最新测试技术的应用案例；通过Matlab进行数值实验，实际演示信号的频谱分析、信号调制与解调、信号滤波等内容。

3.3 注重启发学生思考与探究

所渗透的现代测试技术内容超出了教材内容，更超出了实验条件支持，必须通过启发学生思考的方式使学生在头脑中建立渗透内容与教材内容的联系，实现与工程应用的对接。在课时允许的情况下，可进行一定的工程专题讲座，例如以基于振动信号的轴承故障诊断为例，系统地将IEPE型压电式加速度传感器、振动信号采集与处理装置、频谱分析或信号处理方法等内容进行串讲，使学生建立对测试技术的系统化思维。

4 结论

综上所述，在机械类本科测试技术教学过程中进行现代测试技术的渗透，符合我国本科教育培养的目标要求，有利于解决当前测试技术授课中出现的问题。教学实践也发现，基于基础授课内容合理组织渗透内容，再加上灵活实施的授课过程，能够达到较好的教学效果。同时，应当注意测试技术本身也是处在不断发展的过程中，教学人员应当结合科研和工程项目实践，不断追踪最新的技术形态，总结渗透内容并反馈于教学，实现教学与科研的互动相长。

【参考文献】

[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，2010：196-199.

[2]熊诗波，黄长艺.机械工程测试技术基础[M].3版.北京：机械工业出版社，2006.

[3]钟秉林，黄仁.机械故障诊断学[M].3版.机械工业出版社，2006.

[责任编辑：汤静]