《機械工程測試技術》課程改革

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摘要：文章以濱州學院“機械工程測試技術”課程教學改革為主體內容，以工程教育認證為導向，積極探索基于“案例+實驗”驅動的教學模式創新，從培養目標、課程體系、教學方法、考核評價等方面進行了總結提煉。近3年教學效果表明，“機械工程測試技術”課程的教學改革方向正確，學生在科技創新活動等方面表現突出，創新意識不斷增強，應用型人才培養的質量得到不斷提高。

關鍵詞：機械工程測試技術；工程教育認證；課程改革

前言

測試是人類認識客觀世界的重要手段，是科學研究的基本方法，在工程技術領域中，科學實驗、產品開發、生產監督、質量控制等都離不開測試技術，它主要研究各種物理量的測量原理和測量信號分析處理方法[1]。機械工程測試技術介紹了測試技術的系統組成、基本原理，以及對測試信號數據的分析方法，能夠對機械工程測試中應用較多的振動、位移、力、溫度等物理量進行檢測和處理，是機電一體化技術的基礎和橋梁[2]。以濱州學院為例，機械工程測試技術是一門面向機械設計制造及其自動化專業機械電子方向的必修課程，先修課程包括大學物理、電工電子學、控制工程基礎等，與后修的機電一體化系統設計形成了完整的機電類專業課程體系[3]。通過課程改革，進一步整合相關教學資源和教學內容，增強測控類應用培養，豐富機械專業的應用型課程體系，為將來從事控制類的機械專業學生打下良好的基礎。本課程安排在本科教學的第五學期，學生具有一定的專業基礎，同時部分學生參與了科技創新大賽，有使用傳感器進行參數檢測的經驗，這為課程的學習提供了良好的基礎。由于本課程應用性強，按照傳統的教學方式，信號頻譜分析的理論部分要求較高、較難，傳感器部分種類多且雜，導致學生學習時興趣不足、學習動力不夠，教學效果無法滿足應用型人才培養的需要。自2005年以來，我國開始構建工程教育認證體系，逐步開展專業認證工作，于2016年6月成為《華盛頓協議》正式成員。工程教育認證是實現工程教育與工業界對接，提升工程人才培養質量的有效途徑，因此探索工程教育認證視閾下的課程改革，對于更新教學理念、提高人才培養質量、推進地方高校專業認證具有重要的現實意義[4]。因此，濱州學院緊緊圍繞培養高素質應用型人才的目標，在工程教育認證的背景下，進行了機械工程測試技術“案例+實驗”導向的教學方法改革，改變了傳統教學中灌輸式教學方法，啟發和引導學生主動學習，既有利于學生掌握基礎理論知識和基本技能，又較好的培養了學生的工程實踐能力。

一、課程培養目標

機械工程測試技術是以機械工程領域為應用背景，解決工程中常見動態物理量的測試問題。通過本課程的學習，培養學生掌握信號采集、傳輸、變換及數據處理的基本原理和實驗方法，能根據研究對象合理選用傳感器，具備構建基本工程測試系統和進行常見參量檢測的能力，為進一步學習、研究和處理測控工程問題打下基礎[5]。具體體現在以下三個方面：（一）知識目標1.信號時域和頻域的描述方法，建立起信號頻譜分析的概念；利用傅立葉變換對周期信號和非周期信號進行頻譜分析計算。2.測試裝置靜、動態特性的評價方法和不失真測試條件，并能用于測試裝置的分析和選擇；掌握一階、二階線性系統動態特性及其測定方法。3.常用傳感器的原理、特點、應用以及傳感器的選用原則。4.信號調理電路（電橋、調制與解調、濾波、放大）的工作原理和性能，并能較合理的設計和選用。5.數字信號的一般處理步驟；相關分析及功率譜的基本原理、方法和應用。（二）能力目標1.具備正確運用測試方法、合理選用測試儀器、科學分析與處理數據的能力。2.培養運用所學知識構建測試系統和分析、解決實際測試工程問題的能力。（三）素質目標1.培養學生具有科學的思維方法、自主學習的意識和創新精神；具備工作嚴謹、誠實守信、敢于承擔責任的職業道德與操守。2.通過參與案例分組討論和實驗項目操作，培養學生溝通和團隊協作精神。

二、課程體系構建

本課程分為理論和實踐兩大部分，包括32學時的課堂講授和8學時的傳感器綜合實驗操作。課程體系整體框架如圖1所示。理論教學共8章內容，包括緒論、信號及其描述、測試裝置的靜態和動態特性、常見傳感器的原理與應用、信號調理與記錄、信號處理初步、測試技術在工程中的應用以及虛擬儀器技術。其中，第二章信號及其描述主要包括信號的分類與描述，周期信號與離散頻譜，瞬變非周期信號與連續頻譜，隨機信號。第三章測量裝置的特性主要包括靜態特性，一階、二階動態特性，測試裝置對單位階躍信號的響應，實現不失真測量的條件。第四章傳感器原理與應用主要包括電阻式、電容式、電感式、磁電式、壓電式、熱電式與光電式傳感器，其他傳感器及智能傳感器，傳感器的選用原則。第五章信號調理與記錄主要包括電橋、調制與解調、濾波、信號放大、測試信號的顯示與記錄。第六章信號處理初步主要包括數字信號處理的基本步驟，相關分析及其應用，功率譜分析及其應用。第七章工程應用中應變、振動、轉速、溫度等常見工業參數的測量系統的構建，理論與實驗緊密聯系，并結合第八章虛擬儀器技術開展基于Labview實現計算機數據采集。實踐課程共分為4個實驗，實驗項目為懸臂梁固有頻率的測量（驗證性實驗），轉速和溫度的綜合測試與分析（綜合性實驗），電子秤的設計（設計性實驗）。通過三個不同層次的實驗要求，結合豐富的傳感器與基于Labview的測控系統，學生通過親自動手操作基本上掌握工程測試的系統構建和處理方法。培養學生的團隊協作能力，提高解決實際測試工程問題的能力。

三、基于“案例+實驗”教學的課程模式改革

機械工程測試技術關注新技術、新知識的導入，以案例+實驗教學驅動激發學生學習的積極性，培養操作技能和創新意識[6]。本課程以多媒體演示、案例教學和實驗操作為主要方法和手段，堅持理論聯系實際的教學理念，共引入5個完整案例和4個實驗項目設計對所學知識進行綜合運用。

（一）探索案例教學模式，培養學生的工程意識和能力

案例1為壓縮機齒輪箱故障診斷。通過齒輪箱振動信號頻譜分析，確定最大頻率分量，然后根據機床轉速和傳動鏈，找出故障齒輪。案例2為傳感器在農業物聯網中的應用。該案例來源于教師服務地方項目———“基于Labview的果園智能系統設計”研究課題，通過構建果園數據采集系統，實現了空氣和土壤的溫濕度、光照、pH值、風速風向、CO2濃度等參數的檢測和數據傳輸，是傳感器應用的綜合體現。案例3為濾波在鋼管無損探傷中的應用。利用電渦流傳感器對鋼管進行裂紋檢測時，由于外界干擾信號中含有低頻噪聲，通過低通濾波器處理后得到有用信號，分析高頻成分得到裂紋的程度和位置。案例4為互相關在管道泄漏檢測中應用。根據互相關的性質，提取出兩個信號之間的滯后時間，計算出泄漏點距離中心點的位置，并引申出如何消除誤判，增加系統檢測的可靠度。案例5為基于Labview的頻譜分析儀設計。利用Labview自帶頻譜分析模塊，通過簡單的圖形化編程實現對于信號的頻譜分析并顯示。

（二）精心設計實驗項目，建立以學生為主的應用型實驗模式

學生根據傳感器綜合實驗臺提供的30幾種傳感器以及數據采集系統，構建硬軟件系統，團隊協作完成相關物理量的采集和分析，充分發揮學生主觀能動性，利于培養學生的實踐動手能力。實驗1為懸臂梁固有頻率測量。通過構建懸臂梁結構，在一端施加不同頻率的激勵，采用傳感器測量振動信號，分析該二階系統的頻譜特性，得到懸臂梁的固有頻率。實驗2為電子秤的設計。將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片構成的電橋電路轉化為電量輸出，從而實現質量與電量之間的線性關系。實驗3和實驗4為基于Labview的轉速和溫度測量。利用YL2000傳感器綜合試驗臺，構建轉速和溫度采集平臺，利用數據采集卡和PC機實現數字信號的采集和分析。

（三）豐富授課方式和手段，改革課程考核和評價方法

根據課程內容協調采取多種教學方式和手段。理論性較強的內容，宜采用板書為主的教學手段，比如頻譜分析的推導等；同時采用Labview作為機械工程測試信號分析與處理工具，構建虛擬測試系統和信號分析虛擬環境，學生可以在課堂上直觀的觀察信號的構成、信號的頻譜分析和數據采集過程，從而理解傅立葉變換的意義。此外，利用虛擬信號分析系統進行仿真演示，如頻譜分析、濾波、相關分析等，加深對理論知識的理解。應用性較強的內容，比如傳感器，宜采用多媒體為主的教學手段，配合圖片、視頻、動畫演示等手段輔助教學。教學中結合工程案例，用演示實驗對實際測試的振動、溫度等信號進行采集和分析，讓學生建立信號分析與實際應用間的聯系。完善課程考核與評價體系，增加實驗考核比重。重點考查工程測試的基礎知識、基本概念、基本原理和測試方法，以及利用所學知識構建一個簡單的測試系統。期末成績占60%，實驗成績占20%，過程考核占20%（課堂表現和考勤）。

四、結束語

通過課程組教師們的共同努力，在機械工程測試技術教學過程中積極采取案例+實驗法組織教學，突出了鍛煉學生綜合應用的能力，取得了良好的教學效果。做到了：1.分析了“機械工程測試技術課程”在機械專業課程體系中的性質和定位，開展了學生學情分析，明確了課程目標，制定了機械工程測試技術知識體系和主要內容，理論和實驗能夠較好的滿足應用型人才培養的需要。2.課程改革從教學方法、教學內容、實驗教學和考核體系等方面開展了有益探討。通過合理設置和組織教學內容，改革教學模式和方法，科學引入工程案例，精心設計實驗教學內容，建立新的評價與考核體系，切實提升了課程教學質量，培養學生運用測試理論與技能來分析與解決問題的能力，并且培養創新意識和實踐能力，達到培養高素質應用型人才的目的。3.學生利用所學知識在科技創新活動中能夠學以致用，積極參加機電產品創新設計大賽、3D大賽、機器人競賽等賽事，近3年共獲得國家級及省級以上獎項200余項，立項“國家大學生創新創業訓練計劃”項目近30項，獲專利授權21項，孵化在校生創業項目4項。

參考文獻：

[1]邱榮華，肖淵，周阿維，等.機械工程測試技術的創新設計實踐教學方法[J].高教學刊，2019（2）：35-37.

[2]滕云楠，謝里陽.機械測試的課堂教學探索與實踐[J].機械設計，2018，35（S2）：147-148.

[3]李宏偉，孫魯青.機械設計制造及其自動化專業課程體系構建———以濱州學院為例[J].高教學刊，2018（8）：132-134.

作者：孫魯青 馮川 徐春龍 單位：濱州學院機電工程學院