促进综合能力培养的工程测试技术实验教学改革

丁 丛， 高发兴， 朴钟宇

（浙江工业大学机械工程学院，杭州 310023）

0 引言

新时代新形势，改革开放和社会主义现代化建设、促进人的全面发展和社会全面进步对教育和学习提出了新的且更高的要求［1］。我国教育部提出“双一流专业”计划，即建设面向未来、适应需求、引领发展、理念先进、保障有力的一流专业为目标，实施一流专业建设，建设1 万个国家级一流本科专业点和1 万个省级一流本科专业点［2］。我国高等教育更加关注和注重创新应用型人才培养，这就要求当代大学生具备运用所学知识与技能解决实际工程问题的能力。然而，这种工程实践能力的培养是高等教育中最薄弱的环节和最棘手的问题之一。实验教学是学生将理论知识与工程应用有机结合并有效转换的重要支撑，是锻炼与培养学生解决实际工程问题的关键环节［3-4］。因此，实验教学改革无论是对学科建设还是对学生工程实践能力培养都显得至关重要。

随着机电一体化技术的迅速发展，工程测试技术越来受到人们关注与重视。“工程测试技术”是从事机械工程行业的工程师必须掌握的一门实践性很强的技术［5］。在高校机械类专业中，普遍把“工程测试技术”作为本科生和研究生必修的一门专业基础课，作为培养学生科学研究和实验研究能力的理论基础和必要的技能训练［6］。通常学生可以较容易地掌握测试技术理论知识，但很难将理论知识与科学实践相结合，更难于工程运用。而实验教学是与理论课程紧密联系的实践活动，是连接学习与实际工作的桥梁，有助于学生直观地掌握理论知识，并将知识付诸工程实践［7-8］。

因此，开设工程测试技术实验教学至关重要。然而，传统的实验教学模式已出现明显弊端，很难促进学生的科学研究能力、工程素质和创新能力的培养，必须进行教学模式改革与创新［9］。

1 工程测试技术实验教学现状

工程测试技术是一门多学科交叉的课程，不仅涉及的知识面广，其理论性也很强，学生学习与掌握该门课程的难度系数较高。为了提升学生对本课程的兴趣，提升教学效果，更是为了培养学生具备一定的工程实践能力，开设一门工程测试实验课程。然而，在实验教学中普遍存在以下问题：

（1）部分实验教学内容陈旧。目前，测试技术实验课内容主要包含：应变片及电桥电路实验、差动变压器实验、电涡流传感器和悬臂梁动态特性测试。这些实验内容存在多年未更新问题，缺少对学生综合能力培养，以及指导教师讲得多学生实际操作环节较少的问题。另外，实验大多采用验证性和演示性的教学模式［10，11］，在一定程度上有利于锻炼学生掌握基本操作的能力和强化学生对实验原理的理解，但是，与培养学生独立的实验研究能力的目标还存在很大差距。

（2）理论知识很难付诸实践。在实验操作过程中，绝大多数学生根据实验指导书中实验步骤按部就班地进行设备接线。或者，按照实验指导教师的演示“照葫芦画瓢”地进行相关操作，很多学生知其然而不知其所以然。实验教学内容主要是针对电桥、差动变压器、电涡流传感器和压电传感器的工作原理与特性进行探讨，实验目的主要是加深学生对理论知识的理解。但是，这些传感器在工程中如何安装、如何使用以及它们的目的是什么，学生很难从实验课中获取。

（3）理论与工程实践脱节现象较严重。“工程测试技术”理论知识相对较零散，章与章之间衔接性较弱。实验教学中几乎没有与实际工程应用相关的实验测试环节，导致学生在专业理论知识运用到工程实际方面的能力十分薄弱［12-13］。此外，部分实验环节的正确实验结果基本已知，使得部分学生机械式拼凑正确的实验结果，缺乏执行实验的主观能动性。

（4）学生对实验的参与度不强［14-15］。在实验教学中，学生通常以分组形式进行，每组一般有4 或5 名学生。由于学生很少主动提前预习实验内容，或对理论知识掌握程度较低，或很难将理论知识与实验内容有机联系［12］，致使学生缺乏对实验内容的兴趣，缺乏主动性，不愿意或不积极参与到实验中去。

上述诸多问题的核心是，实验课与工程实际问题存在严重脱节现象，学生无法认知实验课的真正意义和重要性所在，以及“工程测试技术”在工程领域的应用价值。

2 工程测试技术实验教学改革方案

2.1 更新实验教学内容

基于OBE教育理念，增设“基础型实验”“综合型实验”和“分析研究型实验”3 个环环相扣且层层递进的实验教学内容。保留工程测试技术实验教学原有的教学大纲内容，并作为“基础型实验”内容。即将原有4 个实验“实验1。应变片及电桥电路实验”“实验2。差动变压器实验”“实验3。电涡流传感器”“实验4。悬臂梁动态特性测试”，作为“基础型实验”的教学内容。主要目的是强化学生对工程测试技术理论知识的理解，了解不同传感器的结构组成、工作原理和性能。

“综合型实验”主要教学内容为：了解数据采集卡和力矩传感器的功能与安装，安装振动传感器、温度传感器和声音传感器，操作工程项目装备（摩擦磨损试验机），以及通过多种传感器采集不同信号。“综合型实验”实现将零散知识点整合化，将专业理论知识与工程实践结合起来。主要目的是培养学生的自主动手操作能力、独立思考和解决问题的能力。从而提升学生对工程测试技术的深入学习兴趣，使其明确工程测试技术的工程应用价值。

“分析研究型实验”主要内容为：了解LabVIEW分析控制软件的功用，运用Matlab 软件对传感器采集的原始信号进行初步滤波处理，分析力信号、振动信号、温度信号和声音信号的特性及相互之间的关联。“分析研究型实验”属于进阶实验，在“基础型实验”与“综合型实验”的基础上，要求学生初步掌握相关分析软件，掌握信号分析与处理的相关方法，拓展学生知识面，培养学生的分析问题、解决问题等科学研究能力。

2.2 搭建工程项目实验平台

为实现“综合型实验”教学目的，在摩擦磨损试验机平台上搭建工程项目实验平台。实验原理是通过给环-盘摩擦副施加一定的载荷和转速，使其进行旋转运动，摩擦副接触表面间会产生力信号、温度信号、声音信号和振动信号。这些信号通过相应的传感器进行采集，传感器的安装方式如图1 所示，三轴力传感器安装在加载装置的下方，温度传感器安装在试样盘内距上表面1 mm 的安装孔内，声音传感器安装在距离摩擦副10 mm位置，振动传感器安装在盘夹具下方。

图1 工程项目实验平台示意图

工程测试技术理论教学和实验教学是在大三阶段进行的，在该阶段，大三学生已经学习了机械设计这门专业课程，该课程有一章内容专门介绍摩擦学理论、摩擦磨损3 个阶段以及磨损类型等知识点，学生对摩擦磨损现象有一定的了解，因此，以摩擦磨损试验平台作为载体是具有可行性的。为了强化学生对摩擦磨损问题的认识，在实验前要求学生提前复习该部分内容，并学习课前布置的与摩擦磨损相关的文献，有益于学生自主拓展。此外，以摩擦磨损实验平台为载体的另一个重要原因是，摩擦磨损问题是工程装备中不可避免的难题，可以作为实验课程中讨论环节的一个探讨问题。

2.3 建立信号处理与分析系统

为实施“分析研究型实验”教学内容，基于LabVIEW软件开发工程项目实验平台控制与信号采集系统，以及运用Matlab 软件中小波分析工具箱（WaveletAnalyzer）进行信号处理与分析。如图2 所示，实验平台控制与信号采集系统主要包含参数设置、数据保存和信号显示。数据设置模块主要包含实验的法向载荷、旋转速度、传感器采样频率和摩擦副的磨损直径。数据保存模块主要包含数据保存路径、实验时间设置和采样倒计时。信号显示模块主要用于实时在线显示摩擦力信号、温度信号、声音信号和振动信号。

图2 工程实验平台控制与信号显示系统

运用Matlab 软件中小波分析工具箱（WaveletAnalyzer）进行信号处理与分析，首先打开如图3 所示的WaveletAnalyzer 工具箱，然后进入一维小波离散变换Wavelet 1-D界面，选用Daubechies（db）方法对采集的原始信号进行降噪处理，如图4 所示。处理之后，对力信号、温度信号、声音信号和振动信号特征，以及不同信号之间的关联特性进行分析。

图3 小波分析工具箱界面

图4 信号处理界面

2.4 实验操作流程

实验教学采用小班教学模式，每次实验课学生不多于30 人，4 或5 人为一组，整体实验流程为：①每组先按照指导教师的讲解进行“基础型实验”，了解传感器的基本结构组成和原理；②进行“综合型实验”，指导教师讲解摩擦磨损试验机的组成和基本原理，演示实验，接着每组学生分工协作安装传感器、设置实验参数、采集相应信号并进行保存；通过该部分实际工程操作，锻炼学生自己独立动手能力、工程实践能力，明确专业知识在工程实践中的应用；③进行“分析研究型实验”，指导教师向学生讲解小波降噪信号处理的原理，学生把数据拷贝后回到图书馆或教室，巩固工程测试技术中信号处理与分析相关理论知识，然后对采集到的原始信号进行处理与分析；通过该部分分析研究训练，培养学生的分析问题、解决问题的科学研究能力；④学生整合数据，给出原始数据与处理后数据的时间序列图，并进行实验报告整理与撰写，回答相关拓展思考题。

2.5 讨论环节与实践

实验操作与实验报告完成后，增设一个以小组形式进行的讨论环节，小组成员自由组合，每组8 人左右。讨论环节主要分为两个部分，①老师提出1 或2个问题让学生们进行讨论，问题如：体重秤是利用什么类型传感器测量体重的？电子温度计的工作原理是什么？该部分主要起到引导式教学作用。②针对实验内容及在摩擦磨损试验装置上进行的科研实践中问题进行探讨，最终每一小组给出期望进一步探索的科学问题。组织学生自行撰写一份实验方案，自主式进行实验。最终，根据学生提出问题的科学性、实验方案合理性、实验操作规范性，对学生的创新实践能力进行评判。

另外，可以尝试将工程测试技术实验教学环节嵌入到大三的暑期工程实践中。不仅弥补学生对阶段式学习知识的遗忘，更注重培养学生在工程生产中将所学知识付诸实践的能力。

讨论环节与实践紧扣OBE理念，注重学习成果产出，该成果是学生自主式探索获取的成果，不仅具有鲜明的个性化特色，更具有挑战性，充分锻炼学生的团队协作能力，发展协同教学，注重知识整合，引导学生深度学习。

3 结语

本文针对工程测试技术实验教学提出的“基础型实验-综合型实验-分析研究型实验”新模式的改革方案，很好地将专业理论知识与工程实践联系起来，具体的优势在于：更新了实验教学内容，增加了工程实验项目、信号分析环节，3 个实验内容环环相扣，层层递进，将零散的理论知识进行了良好整合。改变了传统实验教学模式，更加突出了学生在实验教学环节的重要性。基于OBE教学理念，增设了讨论环节和具有一定挑战性的自主实践环节。新实验教学模式促使学生在实验过程中巩固专业理论知识、明确理论知识在实际工程中的应用价值，拓展了学生的知识面，提升了学生对相关专业知识学习的兴趣，培养了学生的实验研究能力、科学研究能力、工程实践素质和能力、创新能力，提升了学生的自学能力、学习态度、动手能力、团队协作能力，最终，达成培养学生的综合应用能力的目标。

·名人名言·

实验室和发明是两个有密切关系的名词，没有实验室，自然科学就会枯萎；科学家一经离开了实验室，就变成战场上缴了械的战士。

——巴斯德