《機(jī)械工程測試技術(shù)》課程改革

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了《機(jī)械工程測試技術(shù)》課程改革范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

摘要：文章以濱州學(xué)院“機(jī)械工程測試技術(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+實驗”驅(qū)動的教學(xué)模式創(chuàng)新，從培養(yǎng)目標(biāo)、課程體系、教學(xué)方法、考核評價等方面進(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)新活動等方面表現(xiàn)突出，創(chuàng)新意識不斷增強(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)械工程測試技術(shù)；工程教育認(rèn)證；課程改革

前言

測試是人類認(rèn)識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)實驗、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質(zhì)量控制等都離不開測試技術(shù)，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(jī)械工程測試技術(shù)介紹了測試技術(shù)的系統(tǒng)組成、基本原理，以及對測試信號數(shù)據(jù)的分析方法，能夠?qū)C(jī)械工程測試中應(yīng)用較多的振動、位移、力、溫度等物理量進(jìn)行檢測和處理，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)械工程測試技術(shù)是一門面向機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(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)計形成了完整的機(jī)電類專業(yè)課程體系[3]。通過課程改革，進(jìn)一步整合相關(guān)教學(xué)資源和教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)測控類應(yīng)用培養(yǎng)，豐富機(jī)械專業(yè)的應(yīng)用型課程體系，為將來從事控制類的機(jī)械專業(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)生具有一定的專業(yè)基礎(chǔ)，同時部分學(xué)生參與了科技創(chuàng)新大賽，有使用傳感器進(jìn)行參數(shù)檢測的經(jīng)驗，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(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)時興趣不足、學(xué)習(xí)動力不夠，教學(xué)效果無法滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要。自2005年以來，我國開始構(gòu)建工程教育認(rèn)證體系，逐步開展專業(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)證是實現(xiàn)工程教育與工業(yè)界對接，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)地方高校專業(yè)認(rèn)證具有重要的現(xiàn)實意義[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)械工程測試技術(shù)“案例+實驗”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)生主動學(xué)習(xí)，既有利于學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論知識和基本技能，又較好的培養(yǎng)了學(xué)生的工程實踐能力。

一、課程培養(yǎng)目標(biāo)

機(jī)械工程測試技術(shù)是以機(jī)械工程領(lǐng)域為應(yīng)用背景，解決工程中常見動態(tài)物理量的測試問題。通過本課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生掌握信號采集、傳輸、變換及數(shù)據(jù)處理的基本原理和實驗方法，能根據(jù)研究對象合理選用傳感器，具備構(gòu)建基本工程測試系統(tǒng)和進(jìn)行常見參量檢測的能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究和處理測控工程問題打下基礎(chǔ)[5]。具體體現(xiàn)在以下三個方面：（一）知識目標(biāo)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(jìn)行頻譜分析計算。2.測試裝置靜、動態(tài)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(tǒng)動態(tài)特性及其測定方法。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)計和選用。5.數(shù)字信號的一般處理步驟；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)用測試方法、合理選用測試儀器、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)知識構(gòu)建測試系統(tǒng)和分析、解決實際測試工程問題的能力。（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)的意識和創(chuàng)新精神；具備工作嚴(yán)謹(jǐn)、誠實守信、敢于承擔(dān)責(zé)任的職業(yè)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(yǎng)學(xué)生溝通和團(tuán)隊協(xié)作精神。

二、課程體系構(gòu)建

本課程分為理論和實踐兩大部分，包括32學(xué)時的課堂講授和8學(xué)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(xué)共8章內(nèi)容，包括緒論、信號及其描述、測試裝置的靜態(tài)和動態(tài)特性、常見傳感器的原理與應(yīng)用、信號調(diào)理與記錄、信號處理初步、測試技術(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(xù)頻譜，隨機(jī)信號。第三章測量裝置的特性主要包括靜態(tài)特性，一階、二階動態(tài)特性，測試裝置對單位階躍信號的響應(yīng)，實現(xiàn)不失真測量的條件。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。第五章信號調(diào)理與記錄主要包括電橋、調(diào)制與解調(diào)、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(shù)字信號處理的基本步驟，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、轉(zhuǎn)速、溫度等常見工業(yè)參數(shù)的測量系統(tǒng)的構(gòu)建，理論與實驗緊密聯(lián)系，并結(jié)合第八章虛擬儀器技術(shù)開展基于Labview實現(xiàn)計算機(jī)數(shù)據(jù)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(zhuǎn)速和溫度的綜合測試與分析（綜合性實驗），電子秤的設(shè)計（設(shè)計性實驗）。通過三個不同層次的實驗要求，結(jié)合豐富的傳感器與基于Labview的測控系統(tǒng)，學(xué)生通過親自動手操作基本上掌握工程測試的系統(tǒng)構(gòu)建和處理方法。培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)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(xué)的課程模式改革

機(jī)械工程測試技術(shù)關(guān)注新技術(shù)、新知識的導(dǎo)入，以案例+實驗教學(xué)驅(qū)動激發(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[6]。本課程以多媒體演示、案例教學(xué)和實驗操作為主要方法和手段，堅持理論聯(lián)系實際的教學(xué)理念，共引入5個完整案例和4個實驗項目設(shè)計對所學(xué)知識進(jìn)行綜合運(yùn)用。

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

案例1為壓縮機(jī)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(jù)機(jī)床轉(zhuǎn)速和傳動鏈，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。該案例來源于教師服務(wù)地方項目———“基于Labview的果園智能系統(tǒng)設(shè)計”研究課題，通過構(gòu)建果園數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(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為濾波在鋼管無損探傷中的應(yīng)用。利用電渦流傳感器對鋼管進(jìn)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(guān)在管道泄漏檢測中應(yīng)用。根據(jù)互相關(guān)的性質(zhì)，提取出兩個信號之間的滯后時間，計算出泄漏點(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)檢測的可靠度。案例5為基于Labview的頻譜分析儀設(shè)計。利用Labview自帶頻譜分析模塊，通過簡單的圖形化編程實現(xiàn)對于信號的頻譜分析并顯示。

（二）精心設(shè)計實驗項目，建立以學(xué)生為主的應(yīng)用型實驗?zāi)Ｊ?/p>

學(xué)生根據(jù)傳感器綜合實驗臺提供的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)生主觀能動性，利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力。實驗1為懸臂梁固有頻率測量。通過構(gòu)建懸臂梁結(jié)構(gòu)，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(tǒng)的頻譜特性，得到懸臂梁的固有頻率。實驗2為電子秤的設(shè)計。將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片構(gòu)成的電橋電路轉(zhuǎn)化為電量輸出，從而實現(xiàn)質(zhì)量與電量之間的線性關(guān)系。實驗3和實驗4為基于Labview的轉(zhuǎn)速和溫度測量。利用YL2000傳感器綜合試驗臺，構(gòu)建轉(zhuǎn)速和溫度采集平臺，利用數(shù)據(jù)采集卡和PC機(jī)實現(xiàn)數(shù)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(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，宜采用板書為主的教學(xué)手段，比如頻譜分析的推導(dǎo)等；同時采用Labview作為機(jī)械工程測試信號分析與處理工具，構(gòu)建虛擬測試系統(tǒng)和信號分析虛擬環(huán)境，學(xué)生可以在課堂上直觀的觀察信號的構(gòu)成、信號的頻譜分析和數(shù)據(jù)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(tǒng)進(jìn)行仿真演示，如頻譜分析、濾波、相關(guān)分析等，加深對理論知識的理解。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、動畫演示等手段輔助教學(xué)。教學(xué)中結(jié)合工程案例，用演示實驗對實際測試的振動、溫度等信號進(jìn)行采集和分析，讓學(xué)生建立信號分析與實際應(yīng)用間的聯(lián)系。完善課程考核與評價體系，增加實驗考核比重。重點(diǎn)考查工程測試的基礎(chǔ)知識、基本概念、基本原理和測試方法，以及利用所學(xué)知識構(gòu)建一個簡單的測試系統(tǒng)。期末成績占60%，實驗成績占20%，過程考核占20%（課堂表現(xiàn)和考勤）。

四、結(jié)束語

通過課程組教師們的共同努力，在機(jī)械工程測試技術(shù)教學(xué)過程中積極采取案例+實驗法組織教學(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)械工程測試技術(shù)課程”在機(jī)械專業(yè)課程體系中的性質(zhì)和定位，開展了學(xué)生學(xué)情分析，明確了課程目標(biāo)，制定了機(jī)械工程測試技術(shù)知識體系和主要內(nèi)容，理論和實驗?zāi)軌蜉^好的滿足應(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、實驗教學(xué)和考核體系等方面開展了有益探討。通過合理設(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)計實驗教學(xué)內(nèi)容，建立新的評價與考核體系，切實提升了課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用測試?yán)碚撆c技能來分析與解決問題的能力，并且培養(yǎng)創(chuàng)新意識和實踐能力，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)知識在科技創(chuàng)新活動中能夠?qū)W以致用，積極參加機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計大賽、3D大賽、機(jī)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(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”項目近30項，獲專利授權(quán)21項，孵化在校生創(chuàng)業(yè)項目4項。

參考文獻(xiàn)：

[1]邱榮華，肖淵，周阿維，等.機(jī)械工程測試技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計實踐教學(xué)方法[J].高教學(xué)刊，2019（2）：35-37.

[2]滕云楠，謝里陽.機(jī)械測試的課堂教學(xué)探索與實踐[J].機(jī)械設(shè)計，2018，35（S2）：147-148.

[3]李宏偉，孫魯青.機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)課程體系構(gòu)建———以濱州學(xué)院為例[J].高教學(xué)刊，2018（8）：132-134.

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