“工程测试与信号处理”课程教学探索与实践

龙 慧，李东畅

（韶关学院 智能工程学院，广东 韶关 512005）

0 引言

“工程测试与信息处理”是机械类专业的一门重要的专业课[1]。该课程内容涉及机械、电子、物理、计算机和自动控制等多学科，具有多学科交叉的特点，主要理论教学内容包含信号分析和传感器和两大部分。但是由于课程内容包含较深的数学、力学和电学知识，涉及知识面广且理论性强，公式多、图像多，加之与该课程信号处理相关的数学基础知识前置课程没有学过，学生电学基础也不牢，学生普遍反映该课程难度较大[2]。实验课程安排了八个学时的实验，学生做实验时积极性高，但主观能动性不够，只局限于完成实验的操作，缺乏将实验课程内容与理论课程知识联系，没有通过实验课程消化从而上升到理解理论的高度，导致理论课的教学效果不够理想。如何通过帮助学生理解课程理论知识，降低课程理解难度，同时增强课程实践性，培养学生的工程实践能力，充分调动学生学习的积极性[3]，提高教学效果，是教学改革的目标。

1 “工程测试与信息处理”课程教学现状分析

传统“工程测试与信息处理”课程的教学，课堂内侧重于传授课本中的理论知识，注重于概念、理论以及数学推导过程，教学方式多采用“满堂灌”。课程中虽然借助于多媒体来演示实际测试案例图像或动画，但还是不能实现以直观的形式来演示数学计算的过程和结果，该课程相关数学知识的理解难度非常大[4]。调查表明，我校学生在学习具体课程内容时表现出不同的疑惑，由此，对学习过程中碰见的问题进行详细分析，据此分析结果确定对该门课程采用的教学方案。具体部分内容分析如下：

1.1 信号分析部分

信号分析处理部分主要包含信号傅里叶变换、信号的调理与记录、信号处理方法等内容。该部分内容包含较深的数学公式。在傅里叶变换时，教学内容偏向复数处理，学生普遍反映学习难度大[5]。

1.2 传感器部分

传感器知识的特点主要是物理概念多[6-7]。传感器的很多概念只能通过文字或图片介绍来讲解，由于没有经历过实践操作，对其他传感器的理解深度还不够。同时，传感器部分的测量电路也需要应用电子技术课程知识，电路知识相关部分学习起来感到费劲。

1.3 实验课程部分

在教学实践环节，虽然开设了八节学时的课程实验，安排了四个实验。信息分析部分安排一个实验。传感器部分只开设两个传感器实验，一个电阻应变片实验，另一个是霍尔传感实验。振动测试安排了一个实验。多数实验属验证性实验，主要验证信号仿真分析、具体验证传感器的一些性能，学生在做实验过程中，没有进行独立思考，缺乏系统性和创造性，很难掌握完整的测试系统的构建思路，这恰恰是工程实际最需要的。

1.4 案例教学部分

课程中虽然有些实际案例，但该教材案例通常都是针对某一问题而设置的，这样培养的学生视野多被局限在课程知识的很少范围内，测试系统全局观念难以建立，造成理论与实践脱节。学生仅仅是从课本中吸收了某个测量元件或测量方法的应用特性，但对于测量系统为什么选用该方法或元件、相应测量电路的选择等问题则不是很清楚。学生在学习过程中觉得枯燥乏味，缺乏积极性，学习效果不好。

2 “工程测试与信息处理”课程改革探索

针对以上传统“工程测试与信息处理”课程的教学现状，国内高校通过各种不同的教学改革，这些均取得了良好的教学效果。由于该门课程内容建立在传感器技术、计算机技术、信息技术、信号分析及处理技术基础之上的一门交叉课程，课程具体内容部分有不一样的特点，但是这些文献中的教学方法都是将该门课程作为分析对象，没有指出哪种方法或方式具体适用在“工程测试与信息处理”课程具体哪些知识点。加之由于教学对象的不一致性，学生的学情、专业的课程设置不一致，每个学校的学生在学习时碰到的难点也不相同，因此不能盲目硬套这些教学方法。须结合我校学生的客观实际，对学生在学习中碰到的问题进行详尽分析，并对具体教学内容对应用上述方法进行可行性分析，才能切实降低学生数学知识的理解难度、克服电学知识基础薄弱、提高实践能力、增强工程实践能力。教学改革措施如下：

2.1 变更教材

原来使用的教材理论性强，学生学起来难度大，将教材更换为熊诗波，黄长艺主编的《机械工程测试技术基础》。新教材更侧重应用，更侧重介绍机械工程测试实例。适应以应用性本科培养目标，强调应用性和实践性的教材。

2.2 引入工程实际案例

将自己参与的工程项目，引入课堂教学，突出测试的目的以及意义。课堂教学引入如下的工程实例。以图1所示的振动筛横梁试验装置为例。振动筛试验装置主要包括振动筛、动态信号采集仪（DH5981）和测试分析系统（DHDAS），如图1所示。为了测量侧板和横梁加速度，试验装置设有3个IEPE型加速度传感器，分别标记为A1，A2和A3。横梁中部安装有1个应变片S1，应变片贴在宽度中间。通过在课堂教学引入如上的工程实际案例，通过提出问题、分析问题、解决问题的思路，培养了学生实际解决工程实际问题的能力。

图1 振动筛横梁测试系统

2.3 引入MATLAB软件教学

在课程信号分析处理部分包括大量数学公式，编写部分MATLAB程序。例如，在信号时频域变换部分，编写快速傅里叶（FFT）程序，通过改变FFT采样频率，可得到不同的频率图形。编写小波变换、短时傅里叶变换、Wigner—Ville等变换的MATLAB程序，对同一时域波形进行时频处理。在讲完上述理论后，可直接演示显示出频域变换结果。利用MATLAB软件，编写相图程序，可得到系统响应的位移和速度构成的直观图形。在例题部分，以Duffing系统的为例，编写Duffing系统的小波变换MATLAB程序，可得到反映Duffing系统的时频域曲线。在相应信号处理部分，通过在课堂教学引入MATLAB演示，将提前编译的程序逐句复制粘贴至MATLAB软件界面，并在课堂上解析这一句代码的数学意义，MATLAB显示界面会随代码输入而变化，通过MATLAB较为直接的演示数学运算的过程和结果。这种教学方式与常用板书学相比，MATLAB软件教学比直接讲解公式趣味性更强一些，能更多吸引学生注意力，大大降低了该课程数学知识的授课难度。

2.4 通过虚拟仪器教学

搭建LabVIEW虚拟教学平台和便携式测试平台，硬件系统包括加速度传感器、机箱、加速度采集板卡、应变采集板卡等，如图2所示为搭建好的便携式测试平台。引入虚拟仪器LabVIEW教学，在该虚拟软件平台上编写程序，编写好的测试程序如图3所示。将搭建的测试平台，用于实际构件加速度响应，得到加速度传感器的响应。在理论课程上，通过LabVIEW虚拟教学平台，演示如何编写振动测试系统。然后，运行编写好程序，通过LabVIEW软件添加的虚拟显示器，可以通过图形显示加速度值变化。通过LabVIEW虚拟教学平台向学生演示搭建测试系统，直接显示出加速度值，激发学生对测试系统的学习兴趣，使学生更容易理解测量系统。

图2 虚拟教学平台硬件系统

图3 虚拟教学Labview测试程序

2.5 增加疲劳测试试验

设置专业核心技能训练课程，增设材料疲劳性能测试项目。利用学校新购的疲劳试验机，开展试件疲劳测试试验。在实验开始前，讲解疲劳试验机的控制系统和测试系统，并指出测试系统载荷传感器、力传感器等硬件位置及功能。疲劳试验通常安排四个学时，前两个学时讲解疲劳试验机结构、控制系统以及测量传感系统。通过让学生感性认识电液伺服闭环控制系统（包括函数发生器和PID控制调节器），以及力和变形位移测试系统。后两个学时完成一个试件疲劳试验，测定在特定应力下试件疲劳循环次数。在疲劳试验过程中，操作软件上会实时显示试件载荷和试件变形量，让学生直观理解系统位移和加速度等信号测量系统。通过增开疲劳测试试验，学生能深入理解试件疲劳性能概念。通过认识疲劳机测试系统，学生更能认识到测量系统对设备完成预定功能的重要性。

3 结语

通过更换教材、采用Labview虚拟仿真、引入工程实例教学、增加实验等措施，学生的学习兴趣极大提高，课堂学习气氛明显得到改善。尤其是工程实例教学，可以将其它课程的知识串联起来，学生听得很投入，教师上课心情愉悦很多，教学改革方案达到预期效果。改革后，有效降低了“工程测试与信息处理”相关数学和电学知识部分的学习难度，学生形成主动、积极的学习风气。通过工程实际案例和虚拟仪器的学习，机械专业学生的实践操作能力得到有效增强，初步掌握应用测试技术相关理论解决工程实际问题的能力。通过相应学习和锻炼，在大学生创新大赛中，学生能利用所学测试知识完成检测等功能，在学科竞赛取得更好的成绩，提高了学生的综合素质，整个教学改革取得了良好的效果。