机械工程测试技术课程教学改革与实践
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作者: 张凤生 王海峰 孙忠义 李智 杨倩
[摘 要] 针对机械工程测试技术课程教学中存在的问题和不足，给出了切实可行的改进教学质量的措施。通过合理优化与编排教学内容，使学生易于把握课程的总体内容和本课程与其他课程的关系。利用多媒体教学手段和案例教学法有效地激励学生的学习兴趣和主观能动性。尤其是应用虚拟仪器技术加强实验教学环节。这些措施对更新教师的教育观念，培养学生的实践能力和创新意识起到了积极作用。
[关键词] 机械工程测试技术；教学改革；实验教学；虚拟仪器
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1005-4634(2012)01-0092-03
0 引言
机械工程测试技术是机械类专业的专业基础课。其特点一是多学科交叉，涉及工程数学、物理、机械、电子技术和计算机等多学科；二是理论与实践紧密结合，既涵盖信号与测试系统分析等理论知识，又包含传感器和常见机械量测量等工程应用。长期以来本课程的教学存在“内容比较分散，杂乱，且滞后于新技术的发展”、“总学时不断压缩，但新内容越来越多”、“实验教学环节薄弱”和“教学模式单一”等不足。为此，笔者在总结多年教学经验和借鉴其他院校教学改革经验[1,2]的基础上，对课程进行大力改革，取得良好成果。
1 课程内容体系的完善与新知识的补充
为帮助学生建立完整的课程体系概念，理清学习思路，笔者以测试系统的构成框图为主框架，以信号流程为主线，构建课程的内容体系，见图1。将课程内容划分为7部分：（1）概述部分：通过详解图1，使学生了解本课程的内容梗概以及与其他课程的联系；通过大量实例，展现“测试技术的意义和发展”，激起学生对本课程的兴趣；（2）信号分析与处理：重点介绍傅里叶分析、数字信号处理和随机信号分析，核心内容是“时域与频域间的相互变换”；（3）测试系统特性分析：包括测试系统的静态特性、动态特性、动态响应、负载效应、动态特性的试验测定和实现不失真测量的方法；（4）传感器：介绍工程测试中常用的传感器，重点了解各种传感器的工作原理及其特点；（5）信号调理：包括桥电路、放大电路、滤波器、调制/解调、A/D转换器等内容；（6）常见机械工程量（位移、振动、应变、力、扭矩、温度、流量）的测量：结合工程案例，讲解测量传感器的选择和具体测试系统的实现；（7）测试系统的最新发展――虚拟仪器。其中（2）和（3）两部分理论性强，比较抽象、难懂，笔者将这两部分内容贯穿到以信号流程为主线的整个教学过程中，讲授内容分合相济，变分散为集中，变模糊为清晰，有助于学习、掌握。
测试技术属信息科学的范畴，是当今最活跃的前沿学科之一。为使学生了解本学科的最新发展，对本课程及时补充新知识。例如，传感器部分增加电荷耦合器件（CCD）和光纤传感器的内容；新增了虚拟仪器部分。
2 教学方法改革
针对高校教学改革注重“加强基础，拓宽口径，加强实践和创新能力培养，提高综合素质”的特点，以及教学学时减少、教学要求提高的实际情况，通过改革教学方法来提高教学效率和质量。
1）对传统的教师满堂灌的教学方式进行改革，采用启发式教学。启发式教学不仅是教学方法，更是一种教学思想，是教学原则和教学观。所谓启发式教学是教师在教学过程中，根据教学目的、内容、学生的知识水平和知识规律，运用各种教学手段调动学生的主观能动性，引导学生开动脑筋、积极思维、主动实践，以达到掌握知识和技能，增强能力的目的。
首先，调动学生学习积极性的前提是要激发起学生对学习本课程的强烈兴趣。为此，不仅要在课程开始时讲好学习本课程的意义，而且在讲解每一部分内容之前都让学生明确学习这部分内容的目标以及在工程实际中的作用。例如，在第一堂课的教学中，结合教学内容中的“测试技术的意义和发展”，列举了大量学生有感性认识的实例。如微波炉、空调、冰箱等家用电器如何对温度、湿度等物理量进行检测和控制，用到了哪些类型的传感器；又如电脑中光电鼠标应用了光电位移传感器、麦克风应用了电容传声器等；数码照相机、手机、摄像头等应用了CCD传感器等等。这些实例可大大激发起学生的学习兴趣，认识到本课程的重要性和实用价值，为后续学习作好思想准备。
其次，教师的授课过程是以“问题”为起点，引导学生进行创造性解决问题的过程。教师要注意问题的提出方式，引导学生带着解决问题的愿望，主动地参与教学过程，随着授课内容的进展而解决心存的疑问。例如，在讲授CCD传感器时，不是采用平铺直叙的方法介绍CCD工作原理、性能，而是先提出问题“你是否了解手机的彩信功能是如何实现的？”、“数码相机如何成像？”等，由此引出CCD传感器。这样，在接下来的CCD原理、性能及应用讲解中，学生们表现出强烈的兴趣和主动性。
2）以多媒体CAI课件为课堂教学手段，应用文字、图形、图像、声音、动画等多种媒体素材在时间和空间上进行集成，使抽象的理论形象化，枯燥的知识生动化。学生在直观、形象、生动的感性材料刺激下，激发学习兴趣，思维潜能得到充分的发挥。教师的教学也会因多媒体的使用而变得更加生动活泼，教学空间得到拓宽，教学过程得到优化，教学效率高、效果好。例如，时域与频域间的相互变换是信号分析的核心内容。学生们已习惯时域内的信号描述，而对频域内的信号描述与分析则感到抽象、难懂。为此，笔者借鉴物理学中棱镜分光的例子，将傅里叶变换看作“数学的棱镜”。在课件中，通过棱镜分光的彩色图像直观地示意出棱镜将光分成不同颜色成分，每种成分的颜色由波长（或频率）决定；通过绘制“时间－频率－幅值”的三维图形，直观地展示傅里叶变换作为“数学的棱镜”，将信号基于频率分成不同成分的过程。这样的对比讲解加深了学生对信号时域与频域分析及其相互关系的认识。再如，以往传感器部分的教学因缺乏实物对象，感到枯燥无味。如今多媒体教学，通过精彩的实物照片和生动的动画演示，使学生对光栅传感器、磁栅传感器、感应同步器、霍尔传感器、电涡流传感器等较复杂传感器的工作原理与工程应用，有更深刻的理解和掌握。
3）采用以工程案例和实验为主线的教学模式，用具有工程背景的案例开阔学生的学术眼界、激发学习兴趣、培养理论与实践结合的意识[3,4]。例如，以笔者完成的科研课题“微小尺寸激光衍射测量系统”为工程案例，讲解线阵CCD的工作原理及其应用系统的设计过程。以测定深埋地下的输液管道裂损位置的工程案例讲解相关函数及其应用，使得比较抽象、难懂的相关函数概念易于理解和掌握。再如，通过对电子汽车衡（地磅）工作原理和设计过程的具体分析，不仅使学生加深对电阻应变式传感器、桥电路、A/D转换器和微处理器等的理解，而且有助于掌握测试系统设计的基本过程，培养综合运用知识的能力。
3 实验教学的改革
实验在本课程教学中占重要地位。例如，信号分析与测试系统分析内容理论性强、抽象难懂，需由实验直观演示验证；传感器原理及其工程应用只有通过直观的实验和亲手操作才能深刻理解和掌握。但长期以来实验教学一直是薄弱环节。一是实验条件的改善滞后于招生规模的扩大；二是传统的实验教学中一般只要求学生按实验指导书的步骤操作，有些学生不认真思考就按部就班完成实验，根本没有弄清楚该实验来龙去脉，知其然而不知其所以然。三是实验类型单一，只是一些验证性实验，缺少综合性和设计性实验，不利于激发学生的学习兴趣和积极性，更谈不上创新能力的培养。为此，对实验教学采取了两项改革措施。
1）将虚拟仪器引入实验教学，在资金投入不大的条件下，有效改善实验条件。按传统的实验手段，要配齐本课程实验教学所需的硬件设备，需大量的资金投入，这对于普通院校是不现实的。虚拟仪器是以计算机为核心，配上相应的硬件模块（数据采集卡、各种传感器、信号调理电路、A/D转换器、D/A转换器等）和专用软件构成的新型仪器。它具有极强的通用性和灵活性，且成本低，可实现各种测试仪器的通用功能，为本课程的实验教学提供了有效手段[5]。笔者利用虚拟仪器开发平台LabVIEW，基于NI ELVIS教学套件、各种传感器、小型伺服电机和X-Y工作台等硬件基础，设计开发虚拟实验项目，加强实验教学。实验项目分演示性实验、验证性实验、设计性实验三类。（1）演示性实验：课程组教师开发了教学用演示功能界面，将抽象的理论内容直观地展现在动态的演示操作中。例如，信号的频谱分析、信号产生与处理、窗函数比较实验等。（2）验证性实验：学生根据实验指导书的要求，在教师指导下，按既定的方法和实验装置，完成具体的实验过程。例如，直流电机转速测控实验、热敏电阻测温实验、CCD图像采集实验等。通过实验加深对理论知识的理解，并获得一定的操作技能训练。（3）设计性实验：由教师拟订题目，学生根据所学内容，确定实验方案，查阅相关资料，拟定或选择实验方法和步骤，选用仪器设备，独立操作完成实验，并写出实验报告。目前有 “位移检测”和“电子秤设计”两个实验题目，可选传感器包括电阻应变片、差动变压器、涡流传感器、霍尔传感器、电容传感器、光纤位移传感器等。通过实验使学生获得实验全过程的训练，由被动实验状态转变为主动状态，激发学生学习的主动性，培养综合能力。
2）结合课程组教师的科研课题，在课堂教学和实验课之外，组织成立研究型学习小组，对该课程感兴趣的学生均可参加。小组的学生在课题组教师指导和研究生的帮助下，积极参与研究项目中的一些工作。由于科研课题多与工程应用紧密结合，解决生产实际问题，任务本身具有挑战性，学生在参与科研的过程中，可切身体会到理论与实践结合的价值，激发起他们内在学习动机，积极探索应用自己所学知识解决问题。研究型学习小组活动的开展，对学生了解科学研究的过程和方法，培养实践能力和创新意识起到了积极作用。
4 结束语
课程改革实践使人们认识到：第一，高等学校教育的主体是学生，教学改革必须以学生为中心，通过改革教学方法和注重对学生能力的培养，在有限的学时内，向学生传授更多、更新的知识；同时提高学生的学习兴趣，增强实践能力和创新意识。第二，对于工科类的课程改革突出其实践性是最重要的，加强实验教学环节是关键。虚拟仪器的发展为实验教学改革提供了强有力的工具，其在实验教学中的巨大潜力有待进一步开发。第三，科技在不断进步，社会在不断变革和发展，为培养适应社会需求的高质量人才，必须坚持教学改革。这是一个长期的过程，需要不断探索、实践和创新。
参考文献
[1]吴世雄,王成勇.“机械工程测试技术”教学改革的探索[J].广东工业大学学报(社会科学版),2007,7(S1):108-109.
[2]焦敬品,何存富.机电类专业《测量技术基础》课程教学模式研究[J].中国现代教育装备,2007,(3):13-14.
[3]欧俭平,马爱纯,蒋绍坚.工程案例教学法在热能与动力工程专业课教学改革中的实践[J].高教论坛,2006,(5):131-132+135.
[4]丁辉.工科专业案例教学研究――以“人工智能”课程为例[J].教育探索,2009,(1):52-53.
[5]邹大鹏,吴百海,龙建军.基于虚拟仪器技术实现测试技术教学改革的研究[J].广东工业大学学报(社会科学版),2007,7(S1):104-107.
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