基于工程案例和实验相结合的机械工程测试技术课程教学改革研究

汪萌生 王金鹤 姜凯雯

[摘 要]为了激发学生的学习兴趣和积极性，提高教学效果，克服单一理论教学的不足，文章以机械工程测试技术课程实验教学为例，提出以“工程案例和实验结合”的教学模式，密切理论与工程应用之间的联系，将学习过程转变为理论学习、实验、应用技术一体化。这类将理论化与实践化相结合的教学模式不仅有利于教学知识的传授，更有利于学生工程实践能力和创新能力的培养。

[关键词]测试技术;工程案例;设计性实验;综合性实验

[中图分类号]G434 [文献标识码]A [文章编号]1008-7656（2021）05-0060-05

引言

機械工程测试技术课程在教学内容上涵盖着大量的实践性知识，该课程教学要求学生掌握测试信号分析理论、传感器原理和机械测试技术应用方法这三部分的相关知识点[1]。其中，信号调理知识点占大量篇幅，该课程的基本知识原理和应用部分是学生需要掌握的关键，然而测试技术板块内容的不足，会导致学生在理论与技能之间难以达到较好的平衡[2]。由于学校实验室条件限制以及课程本身具备一定的难度，使得学生在课堂教学中存在着疑惑之处，较难通过相关的实物去解决问题和较好地掌握相关知识，教学效果需要改进。

为了提高本课程的教学效果，学者们进行了许多探索。喻红等[3]提出了以工程案例为背景的实验课教学模式，利用大量科研项目，对科研项目中应用到的测试技术进行整理，提炼为具有实际工程应用背景的案例和实验。西南科技大学石磊[4]通过设计测试技术虚拟案例，让学生在LABVIEW虚拟仪器平台上完成信号的发生、分析、处理和结果输出，激发学生学习的主动性，培养学生工程意识和解决问题的能力。浙江海洋学院郝鸿雁[5]详细介绍了将工程案例导入到教学过程的具体方法和过程，总结了该方法在教学过程中的使用效果和可能存在的问题。华南理工大学郭建[6]探讨了项目教学法在教学中的应用，通过实际的传感器的安装到硬件平台的搭建，培养学生以工程项目为核心的思维和工作方式，促进学生学习主观能动性，该模式能较好地激发学生的学习兴趣，取得了较好的教学效果。重庆科技学院文成[7]提出以“案例和实验并举”的教学模式，密切理论与实践之间的联系，促进学习过程转变为学习、应用和发展知识的过程。机械工程测试技术课程侧重理论教学，实验教学内容需要加强，这意味着在教学过程缺乏对学生自主探究能力的培养，学生对课程不易产生学习兴趣。因此提出以“工程案例和实验相结合” 的教学模式，密切理论与工程实践之间的联系，促进学习过程转变为理论学习、应用和发展知识的过程，有利于激发学生学习的积极性，帮助学生更高效地学习。

一、教学活动中存在的不足

该课程教学过程中存在的不足主要体现在以下几个方面。

（一）知识点侧重点单一，重理论轻实践

该课程在教学过程当中更倾向于理论知识的传授，相较于记忆型知识，该课程涵盖大量的数学知识。因此，在课程理论知识学习过程中，学生会感觉知识生涩难懂，出现难以深入理解掌握知识的情况。

（二）知识点布局不够合理

该课程从知识点角度考虑，按照信号及其描述、测试装置的基本特性、常用传感器及敏感元件、信号调理、信号处理、工程应用的顺序对教材进行排版布局，此种布局有利于保证知识点的完整性，但知识点学习是一个循序渐进的过程，学生在面对如此排版的教材时，难以较好地处理知识点之间的关联性[8]。

（三）传统的教学方式实践性环节偏少，实验和技术应用结合不够

由于教学实验条件的限制，学生可以动手参与的实验和实践性环节偏少，而且主要是验证性实验，缺少与工程背景的应用技术之间的联系，不利于对学生进行工程实践能力的培养，也影响了教学效果。

二、教学改革的目标方向

针对当前存在的不足，需要从教学环节的讲授端入手，首先明确教学目标。针对“机械工程测试技术”课程教学中存在的理论教学较多的问题，在教学环节可将该部分进行弱化，侧重知识点在物理方向上的涵义;知识点布局存在不合理的情况可在教学环节进行调整，教师可通过知识点本身的关联性适当地对知识点进行重新梳理，力求提高学生学习的效率;考虑到课程本身的性质，在保证理论与实践一体化基础上，还可适当利用现代先进仪器技术来提高教学质量。结合工程实践的需求建立开放的实验系统，培养学生的解决工程实际问题和技术应用能力。为了培养综合型机械人才，本课程教学过程选取的工程案例设计都严格遵循教学目标的要求，具备一定的科学性、代表性及可靠性。工作工程案例的选择主要通过三个途径：科研项目、企业生产和学生实践项目，在保证授课计划紧扣课程教学内容的前提下，设置与各章节相对应的实验与工程案例，帮助学生更好地消化吸收相关知识。

三、教改实施方案和方法

（一）工程案例来源途径的分析

工程案例是本次课改的重要环节，其来源于主要依靠于工程实例，具备一定的真实性与实践性，教师在课前可通过以下两种途径获取。

1. 通过工程实践。在教学过程中，教师可通过授课教师的科研或指导学生工厂实习，以及在技术服务和科研课题中所积累的经验和素材，在指导学生科技创新、科研、课程实习和毕业实习过程中，注意收集工程案例素材。

2.调研法获得工程案例，根据相关工作实践的整理反馈，指导教师充分消化吸收后，紧扣案例关键，注重细节把控，以确保授课过程可以进行讨论。

根据教学内容对所得案例进行合理分类（见图1所示）。案例的选择，围绕教学内容，突出其中重点、难点，有利于使学生对理论知识产生更深层次的理解，从而更好地把握理论知识与实践工程问题之间的关系，培养学生解决问题的技术素养，提高分析及解决问题的能力。

（二）课上案例的引入与讨论

机械工程测试技术课程章节众多，先将这些繁杂的内容进行梳理，使理论知识系统化。课程主要学习机械工程测试技术基础理论知识、测试技术方法，将各章节内容对号入座分类系统图。测试系统的作业需要传感器、信号调理和显示记录装置三部分相配合实现。其中被测物理量是由信号模块进行处理，以实现非电量到电量的转换，保证最终信息的获取是符合测试系统的要求。为了保障测试系统最终作业符合实际情况，能够正确反应被测物理量的状况，需要利用测试装置对其展开测评。学生如果学会了搭建测试系统，可以进行常见物理量（位移、振动、应变、力、扭矩、流体参数等）的测试，探讨解决工程实际问题的技术方法（见图2所示）。

随着理论知识学习的不断深入，学生对于课程产生一定的兴趣与疑惑，教学便可通过工程实际需要对传感器进行分类选择，其内容包括传感器的选择、传感器的安装、电路连接调控。将工程实例引入课程教学中，不仅有利于学生更好地掌握理论知识，而且有利于激发学生学习的主动性。同时关注传感器的选用、测试信号的调理和处理分析以及测试结果的显示。

教师将工程实例引入课堂教学中，可采用启发式教学模式，引导学生自主思考、小组讨论，针对工程实例中的一些问题如何利用理论知识展开分析？如何解决这些问题？如何避免这些问题？巩固测试技术的基础知识，才能培养正确的解决问题的思维方式。

（三）课程实验的选择和安排

在原先基于传感器知识的课程实验基础上增加信号调理，信号分析和显示等实验，另外同时增加综合性实验项目。即根据课程的理论知识点，并结合工程案例，实验目的作为实验分类的重要依据具备着重要意义，但考虑到课程知识点之间具备关联性，可通过知识点之间的联系对实验进行重组安排。例如，涉及到传感器及其处理电路、数据采集及信号分析、机械制造工艺以及数据处理等相关知识，涵盖了机械工程测试技术章节知识点的实验：1.传感器制作及其动态特性测试;2.振动与控制实验系统模态综合实验;3.旋转机械轴承故障综合分析实验;4.液压阀性能测试实验等。例如电子秤力传感器制作及其性能测试实验，要求学生掌握力傳感器的原理及其制作工艺，力传感器的标定和误差分析;首先训练学生合理选择承重钢梁试件的结构、材料和应变片规格，工作面的清洗和贴片;然后运用电桥电路和差特性，合理布片，焊接成电桥，完成力传感器的制作;最后搭建实验装置，对制作的力传感器进行性能测试，进行误差分析获得其性能参数。类似这些综合性实验项目已经接近于实际工程测试项目。

为了提高机械测试的工作效率，将虚拟仪器技术-LabView图形化编程工具引入到机械测试当中。LabView作为仪器编程和数据采集系统的工具已在工业界、学术界和研究实验室实现大范围的应用[9，10]。考虑实验室的设备仪器条件并配合LabView工具优选出多个设计性试验。例如：1.振动实验台固有特性测试系统设计;2.基于加速度传感器的振动测试系统设计;3.轴承故障诊断系统设计;4.水箱温度监测系统设计。在教学过程中，教师根据教学目标，合理布置测试实验项目的任务要求，要求学生自主查阅相关资料，依据指定的若干类型传感器、信号调理、信号采集和分析仪，合理进行分析设计，并展开相关测试，实现对测试结果的进行时域和频域等信号处理分析，见图3实验分类图。

通过这些实验可以使学生掌握基本的测试技术方法，推动学生对于理论知识的进一步理解掌握，培养学生将理论知识、技术方法运用到实际工程中解决现场问题的能力。

（四）工程案例的具体导入过程

对引入的工程测试案例分解为测试传感器的选用、测试信号的调理、测试信号的分析处理和测试结果的显示等部分。下面以电梯轿厢振动的动态测量为例，介绍如何将工程案例导入“机械工程测试技术”的实际教学中。

首先提出问题：电梯轿厢振动测量的工程意义？如何进行测量？测量原理是什么？测量系统中选用那类传感器？测量信号需要采用什么样的处理方法？测量的精度？测量得结果如何显示和表示？能否满足实际工程需要？在授课老师的引导下，学生带着这些问题进行思考逐步寻求解决的办法，找出平时学习的理论知识薄弱点再进行学习，提高了学生的积极性和创造性。

在明确电梯轿厢振动测量测量的工程背景后，根据机械振动测量原理，振动测量是通过加速度幅值计算振动速度和着振动位移，可以存在三种不同的表示方法及相互进行转化，即振动位移、速度和加速度测量，还可以计算振动信号的功率。一个工程案例基本涵盖了课程的大部分内容。包括传感器的选择：采用压电式三向振动加速度传感器，将轿厢内产生的振动加速度值的变化转化为电荷信号，通过电荷放大器转化为电压信号;信号的变换与传输：电压信号输送到A/D采集卡，再以数字信号的形式传送到便携电脑中（见图4）;由虚拟仪器软件的应用，显示记录信号等。这样就将教材中的知识点进行了有机串联，变得立体化，让学生真切地感受到学有所用、学以致用。

（五）课后效果评价

课后要认真对教学实施过程进行剖析，包括进行顺利、效果良好的案例，以及进行不顺畅、讨论之中的各种案例，都要进行剖析，同时也可以让学生课后进行教学效果的评教，从质与量两个方面，分析案例选择的准确性及可行性。通过不断地反思、分析、总结，建构起充足、科学的教学案例资源，不断完善面向工程观的案例教学模式。教学模式改革的目的既要注重学生动手、实践能力的培养，又注重基本概念及物理意义的理解与消化，同时又培养学生的科研能力和创新能力，这将提高机械工程测试技术的教学质量。

四、结语

通过在课堂教学中引用具有实际工程应用背景的案例来激发学生的学习兴趣，并且参照工程案例的核心技术方法组织和设计综合性实验，促进学生自己验证、理解和掌握所学知识以及基本的测试技术方法，这种“案例和实验结合”的教学模式既促进学生对基本原理概念的深度理解消化，又注重学生自主创新能力的发展，理论与实践相结合的教学方式将有效提高机械工程测试技术课程的教学质量与水平。

[参考文献]

[1]王生宁.关于《机械基础》课程教学方法的探索[J].职业教育研究，2006（9）：101-102.

[2]黄长艺，严普强.机械工程测试技术基础[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3]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）：104-106.

[4]石磊.案例教学法在《机械工程测试技术》的应用[J].机电技术，2011（5）：147-149.

[5]郝鸿雁，刘叶华.工程案例导入在机械工程测试技术教学中的应用[J].大学教育，2014 （3）：102-104.

[6]郭建.基于项目教学法应用下的机械工程测试技术[J]，教育教学论坛，2016（18）：178-82.

[7]文成，周传德.机械工程测试技术“案例和实验并举”教学模式探索[J].中国现代教育装备，2013（1）：61-63.

[8]李敏通，朱兆龙，查峥.“机械工程测试技术”教学方法研究探讨[J].教育教学论坛，2012（4）：189-190.

[9]傅健，满庆丰，王钢.基于 Lab VIEW 的“测试技术基础”教学实验平台[J].实验室研究与探索，2010（9）：119-121.

[10]尤丽华，周洋.基于虚拟仪器的测试技术实验教学系统建立[J].实验技术与管理，2011（2）：83-86.

[作者简介]汪萌生，湖州师范学院讲师，博士，研究方向：机械设计及测试技术;王金鹤，湖州师范学院教授，博士，研究方向：机械制造信息化和智能化;姜凯雯，湖州师范学院2017级机械工程本科生，研究方向：机械设计与制造。

[责任编辑 韦 辽]