基于案例的测试类课程模块化教学方法研究

别锋锋，刘雪东，陆怡，彭剑，吕凤霞

摘  要：测试与控制类课程是过程装备与控制工程专业人才培养体系中的“两翼”之一，起着核心理论在实践中提升的作用。文章以信号测试与处理课程为例，依托工程教育专业认证体系，提出了一种课程模块化的教学方法。方法研究涵盖课程模块的划分、课程知识点的有机融合、基于案例分析的方法验证等部分内容。方法面向過程装备与控制工程专业测试类课程的理论学习和实践验证，为实现培养过程机械测试应用、研究型人才的目标提供可靠的体系支撑。

关键词：案例教学;模块化教学;信号测试;过程装备与控制工程

中图分类号：G640       文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）30-0094-04

Abstract： Test and control course is one of the "two wings" in the training system of the process equipment and control engineering majors， which plays a core role in infusing the theory into practice. Taking the course of "Signal Testing and Processing" as the instance， a modularized teaching method based on the certification system of engineering education is proposed in the paper. The method research covers the division of course modules， the organic integration of typical course knowledge points and the method verification based on case analysis. The method study aims at providing a reliable system support for training process machinery testing application and research-oriented talents through theoretical learning and practice verification of testing courses in process equipment and control engineering major.

Keywords： case-teaching; modular teaching; signal test; process equipment and control engineering

信号测试与处理是一门面向化工过程机械工程测试技术与信息处理的课程，属于过程装备与控制工程专业“两翼”中的控制类核心课程[1]，主要培养学生利用机械工程测试与信息处理技术来解决工程实际问题的能力。基于学校的办学定位，结合过程装备与控制工程专业教学科研，将培养应用型工程技术人才作为专业的办学定位[2]，由此课程培养目标设定为通过本课程的学习，使学生具备下列知识和能力：能够运用数学、自然科学和专业基础知识来定义和描述化工过程机械各类静、动设备状态描述参数的测试与信息处理，识别和理解化工过程机械设备状态检测系统的设计与运行，从而掌握分析和解决化工机械设备状态检测系统的方案设计基础知识，解决与化工机械设备测试与分析相关的工程问题，提出合理的处理方案。课程内容主要侧重于机械工程测试、信号处理与状态辨识、反馈生产控制等关键环节，与过程工业生产实际密切相连，紧跟自动化生产要求的技术前沿，着重培养学生发现问题、分析与研究问题的技术性能力。

然而，限于教学模式与现有课程体系，课程教学存在着如下几个方面的问题：1. 先修知识点串联型不够，在本门课先期开设理论课程中，高等数学、工程力学与控制工程基础对于本课程核心知识章节的学习起着基础性的作用;2. 基于能力导向的知识点模块化明显不足[3]，相对分散的知识点在一定程度上影响了学生学习的系统性效果;3. 信号测试与处理是一门实践性很强的课程[4]，而当前基于过程机械测试与处理案例实战的应用能力培养不足，对于后续课程（如机械故障诊断）的支撑有待加强[5]。“一图胜千言”。案例式教学方法由来已久，在示范性教学中，图例现身说法对教学效果的提升是显而易见的。其核心思想在于教学案例的选择、探究和分析评价，以案例分析为基础通过教与学的互动来实现教学的目标。当前信号测试与处理课程中，多数案例涉及面较窄，这样学生学习起来应接不暇，无法有效提高学习的积极性，特别是在新冠肺炎疫情背景下，线上线下的综合教学模式迫切要求我们将课程的案例进行集成，对知识点的串联起到模块化应用的效果。此外，教学资料中的一些教学案例与过程装备工业生产实际结合度不高，会让学生眼高手低，一旦遇到实际问题，他们难以有效地及时解决，无法实现课程培养目标。基于此，本文在对信号测试与处理课程体系进行模块化系统构建的基础上，对基于典型案例分析的信号测试与处理课程模块化教学方法进行了探索性研究。

一、应用型课程体系与模块划分

作为石油石化类高校核心专业，本应用型课程的培养目标决定了课程的基本面向属性：以机械工程技术和化学工程技术为基础，以测试与控制技术为支撑，要求学生掌握从测试装置（含传感器）、信号预处理技术到状态特征识别与控制反馈的知识点环节体系，并通过典型信号的测试与分析来进行操作论证。信号测试与处理课程知识点主要包括[6]：测试信号与处理、测试装置基本特性、传感器技术、信号的转换与调理、虚拟仪器以及典型物理量的测试和信号处理六个部分的内容。基于应用型课程建设的目标，需要对教学内容进行模块化分析和重构，将理论体系转变为目标应用型体系，如图1所示。基于理论知识学习的工程应用能力培养模式，对课程体系进行重新架构，分为四个主要模块。

（一）先修理论基础模块

面向信号测试与处理方案设计，溯源到机械装备结构与机理分析，涉及的基础理论课程包括：高等数学、机械原理/机械设计、工程力学（理论力学与材料力学）、控制工程基础和过程流体机械等，保证了知识的延续性和完整性。

（二）信号测试模块

包括信号分类与描述、测试装置的基本特性、传感器工作原理及信号的放大与预处理。

（三）信号处理模块

包括数字信号处理基本概念、信号的傅里叶变换（时域与频域的转换）、信号的相关分析、功率谱分析，以及以EMD（经验模态分解）为代表的现代信号时频联合分析系列方法。

（四）课程实验模块

面向过程装备工业的典型参数测试与分析实验，包括应力测试、振动信号测试与处理，声发射信号测试与处理和虚拟仪器部分。

在课程教学实施过程中，需要根据培养方案中学生已修课程，对模块结构进行适当的调整，而各模块的划分和实施顺序可以根据教学方法不同，进行优化、组合，对不同的典型参数测试与分析进行针对性地分类。此外，本课程模块具备组态式的架构，便于与相关课程进行知识点的衔接，如机械故障诊断、过程装备控制技术等。信号测试与处理技术的发展是日新月异的，教学中须注重知识的融合性，模块化课程体系需要不断吸收前沿技术最新的发展动态和研究成果，逐步完善课程的模块体系。

二、基于案例分析的模块化教学

信号测试与处理课程中的案例应基于现有的教学课时量，结合学校现有实验实践环境、工程实际和科研项目，在有限的案例里尽量多地反映更加全面的知识点。这里通过典型旋转机械的振动测试与信号处理为例来进行案例分析与研究。

（一）机械结构动力学分析与信号测试方案设计

以SQI-MFS旋转机械故障模拟试验台为研究对象，根据实际装配在SolidWorks中完成轴承实验台三维建模，将装配好的模型导入多体动力学软件ADAMS中。模型材料选择钢，轴承座与大地施加固定副，轴承外圈与基座施加固定副，滚动体与轴承外圈、内圈及保持架施加接触力，轴承内圈与轴施加固定副，在导入的过程中设置轴承驱动，根据运行机理建立系统动力学模型，如图2所示。这部分内容涉及信号测试与处理课程的前期理论学习模块，包括工程力学、机械设计/机械原理、过程流体机械等，着眼于测试对象的故障机理分析和测试方案的设计优化。

（二）信号测试

为了进行多参数测试示例，本案例以振动测试为主，声发射参数测试为辅来进行说明。测试平台与测试系统如图3所示。滚动轴承型号为MB ER-12K，在其上加工一个长槽来模拟轴承外圈微小故障，设定试验时采样频率为12800Hz，采样点为8192，轴的转速为1200r/min。信号采集系统包括SAEU2S声发射测试系统与IOtech640U振動测试系统，传感器包括ICP振动传感器与W500型声发射传感器。本部分为课程信号测试模块，主要包含的知识环节有：信号的傅里叶变换、测试装置基本特性、传感器、测试与采样参数设置等。测取振动与声发射信号，并对其进行小波降噪预处理，获得其时域与频域信号，如图4所示。

（三）信号分析与评估

本部分主要为课程的第一章与第五章的信号处理模块，将获取的振动与声发射信号进行处理，从而获取典型信号的特征指标。轴承外圈故障信号经过现代信号处理方法（EMD分析）后，获得重构信号的谱峭度和Hilbert包络谱（图5），这样学生可以清晰地发现信号处理与特征分析的结果[7]。

这里可以以模块化教学为纲，基于案例给出一系列问题让学生思考及讨论：1. 信号测试的方案应如何设定？包括测试装置与测试传感器的选用原则是什么？2. 应选择什么类型的传感器进行测试？3. 信号采样的参数如何设置？如何进行信号的预处理？4. 不同类型信号特征的提取方法如何选择和研究？利用这些问题一步一步引导学生进行科研项目的开展及实际工程问题的具体解决，从而实现让学生接触工程实际，接近科技前沿的目的，将教材内容延伸，让学生结合前沿技术，创新性地开展项目研究。

三、结束语

本文着眼于培养应用型人才的办学目标，基于过程装备测试类课程给出了一种基于案例的模块化教学方法。以信号测试与处理课程为例，教学方法研究涵盖了课程模块的划分、课程知识点的有机融合、基于案例分析的方法验证等部分的内容。方法对于过程装备类专业基础课程的教学实施有着一定的借鉴意义和推广价值。

参考文献：

[1]曹宪周，王明旭，张海红，等.基于专创教科融合的过程装备与控制工程专业建设研究[J].高教学刊，2020（6）：24-26.

[2]司文慧，浦恩帅，管志光.应用型本科机械工程测试技术课程分层次教学改革探讨[J].中国现代教育装备，2020（21）：84-86.

[3]梁士栋，马明辉.模块化导向下的大学课程高效教学模式研究[J].教育现代化，2019，6（1）：159-161.

[4]蒋玲莉，谭鸿创.面向应用型人才培养的“现代测试技术”课程案例教学[J].教育现代化，2018，5（39）：1-2.

[5]张志航，陈广伟，侯洪海，等.机械工程测试技术应用型课程模块化教学探索研究[J].智库时代，2019（28）：148+151.

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

[7]别锋锋，谷晟，庞明军，等.基于CEEMDAN-DRT的滚动轴承故障诊断方法研究[J].机械传动，2020，44（4）：158-164.