《机械工程测试技术》课程改革

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摘要：文章以滨州学院“机械工程测试技术”课程教学改革为主体内容，以工程教育认证为导向，积极探索基于“案例+实验”驱动的教学模式创新，从培养目标、课程体系、教学方法、考核评价等方面进行了总结提炼。近3年教学效果表明，“机械工程测试技术”课程的教学改革方向正确，学生在科技创新活动等方面表现突出，创新意识不断增强，应用型人才培养的质量得到不断提高。

关键词：机械工程测试技术；工程教育认证；课程改革

前言

测试是人类认识客观世界的重要手段，是科学研究的基本方法，在工程技术领域中，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等都离不开测试技术，它主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法[1]。机械工程测试技术介绍了测试技术的系统组成、基本原理，以及对测试信号数据的分析方法，能够对机械工程测试中应用较多的振动、位移、力、温度等物理量进行检测和处理，是机电一体化技术的基础和桥梁[2]。以滨州学院为例，机械工程测试技术是一门面向机械设计制造及其自动化专业机械电子方向的必修课程，先修课程包括大学物理、电工电子学、控制工程基础等，与后修的机电一体化系统设计形成了完整的机电类专业课程体系[3]。通过课程改革，进一步整合相关教学资源和教学内容，增强测控类应用培养，丰富机械专业的应用型课程体系，为将来从事控制类的机械专业学生打下良好的基础。本课程安排在本科教学的第五学期，学生具有一定的专业基础，同时部分学生参与了科技创新大赛，有使用传感器进行参数检测的经验，这为课程的学习提供了良好的基础。由于本课程应用性强，按照传统的教学方式，信号频谱分析的理论部分要求较高、较难，传感器部分种类多且杂，导致学生学习时兴趣不足、学习动力不够，教学效果无法满足应用型人才培养的需要。自2005年以来，我国开始构建工程教育认证体系，逐步开展专业认证工作，于2016年6月成为《华盛顿协议》正式成员。工程教育认证是实现工程教育与工业界对接，提升工程人才培养质量的有效途径，因此探索工程教育认证视阈下的课程改革，对于更新教学理念、提高人才培养质量、推进地方高校专业认证具有重要的现实意义[4]。因此，滨州学院紧紧围绕培养高素质应用型人才的目标，在工程教育认证的背景下，进行了机械工程测试技术“案例+实验”导向的教学方法改革，改变了传统教学中灌输式教学方法，启发和引导学生主动学习，既有利于学生掌握基础理论知识和基本技能，又较好的培养了学生的工程实践能力。

一、课程培养目标

机械工程测试技术是以机械工程领域为应用背景，解决工程中常见动态物理量的测试问题。通过本课程的学习，培养学生掌握信号采集、传输、变换及数据处理的基本原理和实验方法，能根据研究对象合理选用传感器，具备构建基本工程测试系统和进行常见参量检测的能力，为进一步学习、研究和处理测控工程问题打下基础[5]。具体体现在以下三个方面：（一）知识目标1.信号时域和频域的描述方法，建立起信号频谱分析的概念；利用傅立叶变换对周期信号和非周期信号进行频谱分析计算。2.测试装置静、动态特性的评价方法和不失真测试条件，并能用于测试装置的分析和选择；掌握一阶、二阶线性系统动态特性及其测定方法。3.常用传感器的原理、特点、应用以及传感器的选用原则。4.信号调理电路（电桥、调制与解调、滤波、放大）的工作原理和性能，并能较合理的设计和选用。5.数字信号的一般处理步骤；相关分析及功率谱的基本原理、方法和应用。（二）能力目标1.具备正确运用测试方法、合理选用测试仪器、科学分析与处理数据的能力。2.培养运用所学知识构建测试系统和分析、解决实际测试工程问题的能力。（三）素质目标1.培养学生具有科学的思维方法、自主学习的意识和创新精神；具备工作严谨、诚实守信、敢于承担责任的职业道德与操守。2.通过参与案例分组讨论和实验项目操作，培养学生沟通和团队协作精神。

二、课程体系构建

本课程分为理论和实践两大部分，包括32学时的课堂讲授和8学时的传感器综合实验操作。课程体系整体框架如图1所示。理论教学共8章内容，包括绪论、信号及其描述、测试装置的静态和动态特性、常见传感器的原理与应用、信号调理与记录、信号处理初步、测试技术在工程中的应用以及虚拟仪器技术。其中，第二章信号及其描述主要包括信号的分类与描述，周期信号与离散频谱，瞬变非周期信号与连续频谱，随机信号。第三章测量装置的特性主要包括静态特性，一阶、二阶动态特性，测试装置对单位阶跃信号的响应，实现不失真测量的条件。第四章传感器原理与应用主要包括电阻式、电容式、电感式、磁电式、压电式、热电式与光电式传感器，其他传感器及智能传感器，传感器的选用原则。第五章信号调理与记录主要包括电桥、调制与解调、滤波、信号放大、测试信号的显示与记录。第六章信号处理初步主要包括数字信号处理的基本步骤，相关分析及其应用，功率谱分析及其应用。第七章工程应用中应变、振动、转速、温度等常见工业参数的测量系统的构建，理论与实验紧密联系，并结合第八章虚拟仪器技术开展基于Labview实现计算机数据采集。实践课程共分为4个实验，实验项目为悬臂梁固有频率的测量（验证性实验），转速和温度的综合测试与分析（综合性实验），电子秤的设计（设计性实验）。通过三个不同层次的实验要求，结合丰富的传感器与基于Labview的测控系统，学生通过亲自动手操作基本上掌握工程测试的系统构建和处理方法。培养学生的团队协作能力，提高解决实际测试工程问题的能力。

三、基于“案例+实验”教学的课程模式改革

机械工程测试技术关注新技术、新知识的导入，以案例+实验教学驱动激发学生学习的积极性，培养操作技能和创新意识[6]。本课程以多媒体演示、案例教学和实验操作为主要方法和手段，坚持理论联系实际的教学理念，共引入5个完整案例和4个实验项目设计对所学知识进行综合运用。

（一）探索案例教学模式，培养学生的工程意识和能力

案例1为压缩机齿轮箱故障诊断。通过齿轮箱振动信号频谱分析，确定最大频率分量，然后根据机床转速和传动链，找出故障齿轮。案例2为传感器在农业物联网中的应用。该案例来源于教师服务地方项目———“基于Labview的果园智能系统设计”研究课题，通过构建果园数据采集系统，实现了空气和土壤的温湿度、光照、pH值、风速风向、CO2浓度等参数的检测和数据传输，是传感器应用的综合体现。案例3为滤波在钢管无损探伤中的应用。利用电涡流传感器对钢管进行裂纹检测时，由于外界干扰信号中含有低频噪声，通过低通滤波器处理后得到有用信号，分析高频成分得到裂纹的程度和位置。案例4为互相关在管道泄漏检测中应用。根据互相关的性质，提取出两个信号之间的滞后时间，计算出泄漏点距离中心点的位置，并引申出如何消除误判，增加系统检测的可靠度。案例5为基于Labview的频谱分析仪设计。利用Labview自带频谱分析模块，通过简单的图形化编程实现对于信号的频谱分析并显示。

（二）精心设计实验项目，建立以学生为主的应用型实验模式

学生根据传感器综合实验台提供的30几种传感器以及数据采集系统，构建硬软件系统，团队协作完成相关物理量的采集和分析，充分发挥学生主观能动性，利于培养学生的实践动手能力。实验1为悬臂梁固有频率测量。通过构建悬臂梁结构，在一端施加不同频率的激励，采用传感器测量振动信号，分析该二阶系统的频谱特性，得到悬臂梁的固有频率。实验2为电子秤的设计。将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片构成的电桥电路转化为电量输出，从而实现质量与电量之间的线性关系。实验3和实验4为基于Labview的转速和温度测量。利用YL2000传感器综合试验台，构建转速和温度采集平台，利用数据采集卡和PC机实现数字信号的采集和分析。

（三）丰富授课方式和手段，改革课程考核和评价方法

根据课程内容协调采取多种教学方式和手段。理论性较强的内容，宜采用板书为主的教学手段，比如频谱分析的推导等；同时采用Labview作为机械工程测试信号分析与处理工具，构建虚拟测试系统和信号分析虚拟环境，学生可以在课堂上直观的观察信号的构成、信号的频谱分析和数据采集过程，从而理解傅立叶变换的意义。此外，利用虚拟信号分析系统进行仿真演示，如频谱分析、滤波、相关分析等，加深对理论知识的理解。应用性较强的内容，比如传感器，宜采用多媒体为主的教学手段，配合图片、视频、动画演示等手段辅助教学。教学中结合工程案例，用演示实验对实际测试的振动、温度等信号进行采集和分析，让学生建立信号分析与实际应用间的联系。完善课程考核与评价体系，增加实验考核比重。重点考查工程测试的基础知识、基本概念、基本原理和测试方法，以及利用所学知识构建一个简单的测试系统。期末成绩占60%，实验成绩占20%，过程考核占20%（课堂表现和考勤）。

四、结束语

通过课程组教师们的共同努力，在机械工程测试技术教学过程中积极采取案例+实验法组织教学，突出了锻炼学生综合应用的能力，取得了良好的教学效果。做到了：1.分析了“机械工程测试技术课程”在机械专业课程体系中的性质和定位，开展了学生学情分析，明确了课程目标，制定了机械工程测试技术知识体系和主要内容，理论和实验能够较好的满足应用型人才培养的需要。2.课程改革从教学方法、教学内容、实验教学和考核体系等方面开展了有益探讨。通过合理设置和组织教学内容，改革教学模式和方法，科学引入工程案例，精心设计实验教学内容，建立新的评价与考核体系，切实提升了课程教学质量，培养学生运用测试理论与技能来分析与解决问题的能力，并且培养创新意识和实践能力，达到培养高素质应用型人才的目的。3.学生利用所学知识在科技创新活动中能够学以致用，积极参加机电产品创新设计大赛、3D大赛、机器人竞赛等赛事，近3年共获得国家级及省级以上奖项200余项，立项“国家大学生创新创业训练计划”项目近30项，获专利授权21项，孵化在校生创业项目4项。

参考文献：

[1]邱荣华，肖渊，周阿维，等.机械工程测试技术的创新设计实践教学方法[J].高教学刊，2019（2）：35-37.

[2]滕云楠，谢里阳.机械测试的课堂教学探索与实践[J].机械设计，2018，35（S2）：147-148.

[3]李宏伟，孙鲁青.机械设计制造及其自动化专业课程体系构建———以滨州学院为例[J].高教学刊，2018（8）：132-134.

作者：孙鲁青 冯川 徐春龙 单位：滨州学院机电工程学院