《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》課程改革

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摘要：文章以濱州學(xué)院“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”課程教學(xué)改革為主體內(nèi)容，以工程教育認(rèn)證為導(dǎo)向，積極探索基于“案例+實(shí)驗(yàn)”驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式創(chuàng)新，從培養(yǎng)目標(biāo)、課程體系、教學(xué)方法、考核評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了總結(jié)提煉。近3年教學(xué)效果表明，“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”課程的教學(xué)改革方向正確，學(xué)生在科技創(chuàng)新活動(dòng)等方面表現(xiàn)突出，創(chuàng)新意識(shí)不斷增強(qiáng)，應(yīng)用型人才培養(yǎng)的質(zhì)量得到不斷提高。

關(guān)鍵詞：機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)；工程教育認(rèn)證；課程改革

前言

測(cè)試是人類(lèi)認(rèn)識(shí)客觀世界的重要手段，是科學(xué)研究的基本方法，在工程技術(shù)領(lǐng)域中，科學(xué)實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質(zhì)量控制等都離不開(kāi)測(cè)試技術(shù)，它主要研究各種物理量的測(cè)量原理和測(cè)量信號(hào)分析處理方法[1]。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)介紹了測(cè)試技術(shù)的系統(tǒng)組成、基本原理，以及對(duì)測(cè)試信號(hào)數(shù)據(jù)的分析方法，能夠?qū)C(jī)械工程測(cè)試中應(yīng)用較多的振動(dòng)、位移、力、溫度等物理量進(jìn)行檢測(cè)和處理，是機(jī)電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)和橋梁[2]。以濱州學(xué)院為例，機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)是一門(mén)面向機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)機(jī)械電子方向的必修課程，先修課程包括大學(xué)物理、電工電子學(xué)、控制工程基礎(chǔ)等，與后修的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)形成了完整的機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程體系[3]。通過(guò)課程改革，進(jìn)一步整合相關(guān)教學(xué)資源和教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)測(cè)控類(lèi)應(yīng)用培養(yǎng)，豐富機(jī)械專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用型課程體系，為將來(lái)從事控制類(lèi)的機(jī)械專(zhuān)業(yè)學(xué)生打下良好的基礎(chǔ)。本課程安排在本科教學(xué)的第五學(xué)期，學(xué)生具有一定的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)，同時(shí)部分學(xué)生參與了科技創(chuàng)新大賽，有使用傳感器進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，這為課程的學(xué)習(xí)提供了良好的基礎(chǔ)。由于本課程應(yīng)用性強(qiáng)，按照傳統(tǒng)的教學(xué)方式，信號(hào)頻譜分析的理論部分要求較高、較難，傳感器部分種類(lèi)多且雜，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)興趣不足、學(xué)習(xí)動(dòng)力不夠，教學(xué)效果無(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要。自2005年以來(lái)，我國(guó)開(kāi)始構(gòu)建工程教育認(rèn)證體系，逐步開(kāi)展專(zhuān)業(yè)認(rèn)證工作，于2016年6月成為《華盛頓協(xié)議》正式成員。工程教育認(rèn)證是實(shí)現(xiàn)工程教育與工業(yè)界對(duì)接，提升工程人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效途徑，因此探索工程教育認(rèn)證視閾下的課程改革，對(duì)于更新教學(xué)理念、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量、推進(jìn)地方高校專(zhuān)業(yè)認(rèn)證具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。因此，濱州學(xué)院緊緊圍繞培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的目標(biāo)，在工程教育認(rèn)證的背景下，進(jìn)行了機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)“案例+實(shí)驗(yàn)”導(dǎo)向的教學(xué)方法改革，改變了傳統(tǒng)教學(xué)中灌輸式教學(xué)方法，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，既有利于學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)和基本技能，又較好的培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

一、課程培養(yǎng)目標(biāo)

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)是以機(jī)械工程領(lǐng)域?yàn)閼?yīng)用背景，解決工程中常見(jiàn)動(dòng)態(tài)物理量的測(cè)試問(wèn)題。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生掌握信號(hào)采集、傳輸、變換及數(shù)據(jù)處理的基本原理和實(shí)驗(yàn)方法，能根據(jù)研究對(duì)象合理選用傳感器，具備構(gòu)建基本工程測(cè)試系統(tǒng)和進(jìn)行常見(jiàn)參量檢測(cè)的能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究和處理測(cè)控工程問(wèn)題打下基礎(chǔ)[5]。具體體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（一）知識(shí)目標(biāo)1.信號(hào)時(shí)域和頻域的描述方法，建立起信號(hào)頻譜分析的概念；利用傅立葉變換對(duì)周期信號(hào)和非周期信號(hào)進(jìn)行頻譜分析計(jì)算。2.測(cè)試裝置靜、動(dòng)態(tài)特性的評(píng)價(jià)方法和不失真測(cè)試條件，并能用于測(cè)試裝置的分析和選擇；掌握一階、二階線(xiàn)性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及其測(cè)定方法。3.常用傳感器的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用以及傳感器的選用原則。4.信號(hào)調(diào)理電路（電橋、調(diào)制與解調(diào)、濾波、放大）的工作原理和性能，并能較合理的設(shè)計(jì)和選用。5.數(shù)字信號(hào)的一般處理步驟；相關(guān)分析及功率譜的基本原理、方法和應(yīng)用。（二）能力目標(biāo)1.具備正確運(yùn)用測(cè)試方法、合理選用測(cè)試儀器、科學(xué)分析與處理數(shù)據(jù)的能力。2.培養(yǎng)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)和分析、解決實(shí)際測(cè)試工程問(wèn)題的能力。（三）素質(zhì)目標(biāo)1.培養(yǎng)學(xué)生具有科學(xué)的思維方法、自主學(xué)習(xí)的意識(shí)和創(chuàng)新精神；具備工作嚴(yán)謹(jǐn)、誠(chéng)實(shí)守信、敢于承擔(dān)責(zé)任的職業(yè)道德與操守。2.通過(guò)參與案例分組討論和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作，培養(yǎng)學(xué)生溝通和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

二、課程體系構(gòu)建

本課程分為理論和實(shí)踐兩大部分，包括32學(xué)時(shí)的課堂講授和8學(xué)時(shí)的傳感器綜合實(shí)驗(yàn)操作。課程體系整體框架如圖1所示。理論教學(xué)共8章內(nèi)容，包括緒論、信號(hào)及其描述、測(cè)試裝置的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性、常見(jiàn)傳感器的原理與應(yīng)用、信號(hào)調(diào)理與記錄、信號(hào)處理初步、測(cè)試技術(shù)在工程中的應(yīng)用以及虛擬儀器技術(shù)。其中，第二章信號(hào)及其描述主要包括信號(hào)的分類(lèi)與描述，周期信號(hào)與離散頻譜，瞬變非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜，隨機(jī)信號(hào)。第三章測(cè)量裝置的特性主要包括靜態(tài)特性，一階、二階動(dòng)態(tài)特性，測(cè)試裝置對(duì)單位階躍信號(hào)的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)不失真測(cè)量的條件。第四章傳感器原理與應(yīng)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(hào)調(diào)理與記錄主要包括電橋、調(diào)制與解調(diào)、濾波、信號(hào)放大、測(cè)試信號(hào)的顯示與記錄。第六章信號(hào)處理初步主要包括數(shù)字信號(hào)處理的基本步驟，相關(guān)分析及其應(yīng)用，功率譜分析及其應(yīng)用。第七章工程應(yīng)用中應(yīng)變、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、溫度等常見(jiàn)工業(yè)參數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建，理論與實(shí)驗(yàn)緊密聯(lián)系，并結(jié)合第八章虛擬儀器技術(shù)開(kāi)展基于Labview實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集。實(shí)踐課程共分為4個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為懸臂梁固有頻率的測(cè)量（驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)），轉(zhuǎn)速和溫度的綜合測(cè)試與分析（綜合性實(shí)驗(yàn)），電子秤的設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)）。通過(guò)三個(gè)不同層次的實(shí)驗(yàn)要求，結(jié)合豐富的傳感器與基于Labview的測(cè)控系統(tǒng)，學(xué)生通過(guò)親自動(dòng)手操作基本上掌握工程測(cè)試的系統(tǒng)構(gòu)建和處理方法。培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，提高解決實(shí)際測(cè)試工程問(wèn)題的能力。

三、基于“案例+實(shí)驗(yàn)”教學(xué)的課程模式改革

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)關(guān)注新技術(shù)、新知識(shí)的導(dǎo)入，以案例+實(shí)驗(yàn)教學(xué)驅(qū)動(dòng)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)操作技能和創(chuàng)新意識(shí)[6]。本課程以多媒體演示、案例教學(xué)和實(shí)驗(yàn)操作為主要方法和手段，堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)理念，共引入5個(gè)完整案例和4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用。

（一）探索案例教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和能力

案例1為壓縮機(jī)齒輪箱故障診斷。通過(guò)齒輪箱振動(dòng)信號(hào)頻譜分析，確定最大頻率分量，然后根據(jù)機(jī)床轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)鏈，找出故障齒輪。案例2為傳感器在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。該案例來(lái)源于教師服務(wù)地方項(xiàng)目———“基于Labview的果園智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)”研究課題，通過(guò)構(gòu)建果園數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了空氣和土壤的溫濕度、光照、pH值、風(fēng)速風(fēng)向、CO2濃度等參數(shù)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸，是傳感器應(yīng)用的綜合體現(xiàn)。案例3為濾波在鋼管無(wú)損探傷中的應(yīng)用。利用電渦流傳感器對(duì)鋼管進(jìn)行裂紋檢測(cè)時(shí)，由于外界干擾信號(hào)中含有低頻噪聲，通過(guò)低通濾波器處理后得到有用信號(hào)，分析高頻成分得到裂紋的程度和位置。案例4為互相關(guān)在管道泄漏檢測(cè)中應(yīng)用。根據(jù)互相關(guān)的性質(zhì)，提取出兩個(gè)信號(hào)之間的滯后時(shí)間，計(jì)算出泄漏點(diǎn)距離中心點(diǎn)的位置，并引申出如何消除誤判，增加系統(tǒng)檢測(cè)的可靠度。案例5為基于Labview的頻譜分析儀設(shè)計(jì)。利用Labview自帶頻譜分析模塊，通過(guò)簡(jiǎn)單的圖形化編程實(shí)現(xiàn)對(duì)于信號(hào)的頻譜分析并顯示。

（二）精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，建立以學(xué)生為主的應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

學(xué)生根據(jù)傳感器綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供的30幾種傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，構(gòu)建硬軟件系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成相關(guān)物理量的采集和分析，充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。實(shí)驗(yàn)1為懸臂梁固有頻率測(cè)量。通過(guò)構(gòu)建懸臂梁結(jié)構(gòu)，在一端施加不同頻率的激勵(lì)，采用傳感器測(cè)量振動(dòng)信號(hào)，分析該二階系統(tǒng)的頻譜特性，得到懸臂梁的固有頻率。實(shí)驗(yàn)2為電子秤的設(shè)計(jì)。將物品重量通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過(guò)應(yīng)變片構(gòu)成的電橋電路轉(zhuǎn)化為電量輸出，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量與電量之間的線(xiàn)性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)4為基于Labview的轉(zhuǎn)速和溫度測(cè)量。利用YL2000傳感器綜合試驗(yàn)臺(tái)，構(gòu)建轉(zhuǎn)速和溫度采集平臺(tái)，利用數(shù)據(jù)采集卡和PC機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的采集和分析。

（三）豐富授課方式和手段，改革課程考核和評(píng)價(jià)方法

根據(jù)課程內(nèi)容協(xié)調(diào)采取多種教學(xué)方式和手段。理論性較強(qiáng)的內(nèi)容，宜采用板書(shū)為主的教學(xué)手段，比如頻譜分析的推導(dǎo)等；同時(shí)采用Labview作為機(jī)械工程測(cè)試信號(hào)分析與處理工具，構(gòu)建虛擬測(cè)試系統(tǒng)和信號(hào)分析虛擬環(huán)境，學(xué)生可以在課堂上直觀的觀察信號(hào)的構(gòu)成、信號(hào)的頻譜分析和數(shù)據(jù)采集過(guò)程，從而理解傅立葉變換的意義。此外，利用虛擬信號(hào)分析系統(tǒng)進(jìn)行仿真演示，如頻譜分析、濾波、相關(guān)分析等，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。應(yīng)用性較強(qiáng)的內(nèi)容，比如傳感器，宜采用多媒體為主的教學(xué)手段，配合圖片、視頻、動(dòng)畫(huà)演示等手段輔助教學(xué)。教學(xué)中結(jié)合工程案例，用演示實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)際測(cè)試的振動(dòng)、溫度等信號(hào)進(jìn)行采集和分析，讓學(xué)生建立信號(hào)分析與實(shí)際應(yīng)用間的聯(lián)系。完善課程考核與評(píng)價(jià)體系，增加實(shí)驗(yàn)考核比重。重點(diǎn)考查工程測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)、基本概念、基本原理和測(cè)試方法，以及利用所學(xué)知識(shí)構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試系統(tǒng)。期末成績(jī)占60%，實(shí)驗(yàn)成績(jī)占20%，過(guò)程考核占20%（課堂表現(xiàn)和考勤）。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)課程組教師們的共同努力，在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)教學(xué)過(guò)程中積極采取案例+實(shí)驗(yàn)法組織教學(xué)，突出了鍛煉學(xué)生綜合應(yīng)用的能力，取得了良好的教學(xué)效果。做到了：1.分析了“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程”在機(jī)械專(zhuān)業(yè)課程體系中的性質(zhì)和定位，開(kāi)展了學(xué)生學(xué)情分析，明確了課程目標(biāo)，制定了機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)知識(shí)體系和主要內(nèi)容，理論和實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜉^好的滿(mǎn)足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要。2.課程改革從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核體系等方面開(kāi)展了有益探討。通過(guò)合理設(shè)置和組織教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)模式和方法，科學(xué)引入工程案例，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，建立新的評(píng)價(jià)與考核體系，切實(shí)提升了課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用測(cè)試?yán)碚撆c技能來(lái)分析與解決問(wèn)題的能力，并且培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，達(dá)到培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的目的。3.學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)在科技創(chuàng)新活動(dòng)中能夠?qū)W以致用，積極參加機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、3D大賽、機(jī)器人競(jìng)賽等賽事，近3年共獲得國(guó)家級(jí)及省級(jí)以上獎(jiǎng)項(xiàng)200余項(xiàng)，立項(xiàng)“國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目近30項(xiàng)，獲專(zhuān)利授權(quán)21項(xiàng)，孵化在校生創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目4項(xiàng)。

參考文獻(xiàn)：

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作者：孫魯青 馮川 徐春龍 單位：濱州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院