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        工程案例教學(xué)在《機(jī)械工程測試技術(shù)》中的應(yīng)用

        2010-06-22 07:00:56
        裝備制造技術(shù) 2010年8期
        關(guān)鍵詞:案例測試工程

        李 冰

        (廣西工學(xué)院機(jī)械工程系,廣西柳州545006)

        長期以來,我們的教育模式所沿襲的,基本上是研究型人才的培養(yǎng)模式,特別是在應(yīng)試教育思想及“以傳授知識(shí)為主”的教育觀的深遠(yuǎn)影響下,教師大體采用并且習(xí)慣于按照教學(xué)培養(yǎng)方案“滿堂灌”或“填鴨式”的講授知識(shí)。而在這種教育模式下培養(yǎng)出來的高校學(xué)子,視野常被局限在獨(dú)立的科學(xué)技術(shù)范圍內(nèi),他們對(duì)工程現(xiàn)場所知甚少,缺乏工程背景而使得知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)抽象化,所學(xué)學(xué)科之間缺乏系統(tǒng)化而各自獨(dú)立,綜合分析問題及工程實(shí)踐能力過于低下。

        筆者所教授的《機(jī)械工程測試技術(shù)》是機(jī)械類專業(yè)的主干課程,該課程以信號(hào)的描述和分析方法,測試儀器的介紹、測試方法的評(píng)價(jià)及信號(hào)的分析、處理為核心內(nèi)容,力求讓學(xué)生能夠在實(shí)際應(yīng)用中正確選擇測試裝置,搭建合理的測試系統(tǒng),通過對(duì)所獲取信號(hào)的分析及處理定量描述事件的特性及品質(zhì)。該課程涉及知識(shí)面廣,理論分析抽象復(fù)雜,實(shí)踐性較強(qiáng),是培養(yǎng)學(xué)生分析解決實(shí)際問題能力的重要教學(xué)課程。然而,經(jīng)過一段時(shí)間的授課,體會(huì)到之前所承襲的教學(xué)模式,學(xué)生僅是知識(shí)的被動(dòng)接受者。學(xué)生對(duì)所授課的內(nèi)容經(jīng)常感到困惑——“我學(xué)的這些理論知識(shí),有用嗎?在什么地方用的上?怎么用呢?”

        如果授課仍然按照傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式,脫離工程,脫離實(shí)際,必將加劇學(xué)生的困惑,從而打擊他們學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性,甚至導(dǎo)致部分學(xué)生關(guān)心的只是考試,使整體學(xué)風(fēng)下降。

        “師者,所以傳道授業(yè)解惑也”,而“解惑”僅僅局限在解答學(xué)生對(duì)某一授課知識(shí)點(diǎn)的疑惑,未免局限了“師者”的含義。如何讓學(xué)生明白理論知識(shí)學(xué)習(xí)的意義,達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)效果,當(dāng)然是我們這些“師者”責(zé)無旁貸的任務(wù)。本文正是基于這個(gè)出發(fā)點(diǎn),在《機(jī)械工程測試技術(shù)》課程教學(xué)中,進(jìn)行了一些新的探索和嘗試,將工程大背景引入教學(xué)環(huán)節(jié),借助真實(shí)工程案例的針對(duì)性、直觀性、典型性與實(shí)際聯(lián)系密切等特點(diǎn),縮短了理論教學(xué)與實(shí)際生產(chǎn)的距離,從而體現(xiàn)了面向工程觀的教育理念。

        1 工程案例教學(xué)

        案例教學(xué)法,最早可以追溯到古希臘、古羅馬時(shí)代。近代案例教學(xué)法(Case Study)于1870年由當(dāng)時(shí)擔(dān)任美國哈佛大學(xué)法學(xué)院院長的克里斯托弗·哥倫姆布斯·朗道爾(Christopher Columbus Langdel1)教授創(chuàng)立[1]。所謂工程案例教學(xué)法,是指將真實(shí)工程案例引入教學(xué)過程形成的教學(xué)平臺(tái)。而工程案例是指為了一定的教學(xué)目的,圍繞某幾個(gè)問題,將工程現(xiàn)場所發(fā)生的客觀事實(shí)作為為素材,并進(jìn)行概括、整理、描述,最終形成可用于教學(xué)課堂交流或探討的材料。

        2 工程案例教學(xué)的實(shí)踐過程

        2.1 課前案例的收集與選擇

        工程案例取材于工程實(shí)踐,案例的獲取大致包括以下兩種形式:

        一是通過工程實(shí)踐。直接渠道是授課教師的科研實(shí)踐或指導(dǎo)學(xué)生實(shí)習(xí)的實(shí)踐。在技術(shù)服務(wù)和科研課題中所積累的豐富的經(jīng)驗(yàn)和素材,在指導(dǎo)學(xué)生課程實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)過程中,有意識(shí)地收集工程案例素材。

        二是通過調(diào)研獲取第二手案例即間接渠道,由往屆畢業(yè)生的工作實(shí)踐整理反饋,指導(dǎo)教師充分消化吸收后備用。

        授課教師必須對(duì)所收集的案例充分了解,熟悉案例過程,把握案例精髓,掌握案例細(xì)節(jié),以確保授課過程中可以進(jìn)行主導(dǎo)討論。

        案例素材收集后,應(yīng)根據(jù)教學(xué)的目的和要求進(jìn)行案例選擇。案例的選擇,應(yīng)能適應(yīng)教學(xué)目的,突出難點(diǎn)、重點(diǎn),能促使學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論,特別是不同理論綜合起來解決工程實(shí)際問題,培養(yǎng)學(xué)生解決問題的思維方式,最終使學(xué)生對(duì)所學(xué)課程的理論知識(shí)加深理解,提高分析及解決問題的能力。

        2.2 課上案例的引入與討論

        利用案例法教學(xué)時(shí),首先應(yīng)注重理論知識(shí)系統(tǒng)化教授。《機(jī)械工程測試技術(shù)》課程章節(jié)眾多[2],初學(xué)的學(xué)生乍看之下,覺得內(nèi)容繁雜、抽象,很容易喪失學(xué)習(xí)的興趣。而作為授課教師,應(yīng)先將這些看似繁雜的內(nèi)容進(jìn)行梳理,力圖找出一條清晰的內(nèi)容連線,從而使理論知識(shí)系統(tǒng)化。細(xì)分析下不難發(fā)現(xiàn),這些章節(jié)之間的聯(lián)系密切,正是構(gòu)成測試系統(tǒng)的主要組成部分。一般說來,測試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置3部分組成,因此,我們不妨將各章節(jié)內(nèi)容對(duì)號(hào)入座梳理系統(tǒng)關(guān)系(如圖1所示)。

        圖1 各章節(jié)關(guān)系圖

        通過信號(hào)及其描述來描述測試系統(tǒng)的被測物理量,選擇合理傳感器實(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換,通過信號(hào)調(diào)理電路完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換,經(jīng)由信號(hào)處理完成信息的提取并最終記錄顯示。當(dāng)然所搭建的測試系統(tǒng)是否合理、能不能真實(shí)反映實(shí)際情況,就必須借助測試裝置的基本特性進(jìn)行不失真條件判斷及合理性評(píng)價(jià)。學(xué)會(huì)了搭建測試系統(tǒng),就可以進(jìn)行常見物理量的測試,包括:位移、振動(dòng)、聲音、應(yīng)變、力、扭矩、流體參量等,最終探討隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展而產(chǎn)生發(fā)展的虛擬儀器。

        隨著理論知識(shí)的不斷深入,學(xué)生便開始關(guān)心在工程現(xiàn)場傳感器的選擇和安裝,實(shí)際測試后續(xù)電路的連接,若接入電橋時(shí)該接橋路的形式,以及測試干擾的消除等問題,而此時(shí),正是工程案例引入的最佳時(shí)機(jī)。因?yàn)楣こ虇栴}的真實(shí)性及實(shí)時(shí)性,立即就能吸引學(xué)生的注意力,并調(diào)動(dòng)他們的參與分析的積極性。

        案例引入后,授課教師將以啟發(fā)式教學(xué)促進(jìn)學(xué)生的自行思考及討論,不斷主導(dǎo)著學(xué)生進(jìn)行正確的分析,比如提問:解決問題需要什么理論或者知識(shí)點(diǎn)?采取什么措施?措施是否合理?處理問題后,效果將會(huì)如何等,從而使學(xué)生思考、討論、回答的過程中,培養(yǎng)正確的解決問題的思維方式。

        2.3 課后效果評(píng)價(jià)

        課后要認(rèn)真對(duì)教學(xué)實(shí)施過程進(jìn)行剖析,包括進(jìn)行得很順利、效果良好的案例,以及進(jìn)行不下去、討論停止的各種案例,都要進(jìn)行剖析,同時(shí)也可以讓學(xué)生課后進(jìn)行教學(xué)效果的評(píng)教,從質(zhì)與量兩個(gè)方面,分析案例選擇的準(zhǔn)確性及可行性。通過不斷的反思、累計(jì)、分析、總結(jié)、剔除,建構(gòu)起充足、科學(xué)的教學(xué)案例資源,不斷完善面向工程觀的案例教學(xué)模式。

        3 案例之一——轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的判斷

        該案例取材自國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“考慮制造誤差的滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)分析”(項(xiàng)目編號(hào):50865001)。該項(xiàng)目采用非線性分析方法,研究系統(tǒng)制造誤差及潤滑油粘度的變化,對(duì)滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)力學(xué)特性的影響。而其中系統(tǒng)穩(wěn)定性,是基于轉(zhuǎn)子軸心軌跡的收斂或是發(fā)散來判定的。因而可提出的工程案例為:針對(duì)一個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng),如何進(jìn)行軸心軌跡的獲取,從而判斷該系統(tǒng)是否穩(wěn)定(如圖2),可信的測試方法如圖3所示。

        圖2 軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

        圖3 軸心軌跡的獲取

        案例一屬于描述型案例。所謂描述型案例,是指案例對(duì)某一工程實(shí)際問題從出現(xiàn)直到解決的全過程進(jìn)行了描述性介紹。案例中所出現(xiàn)的工程實(shí)際問題,在教材或者授課過程中均作為應(yīng)用舉例介紹過,此時(shí)學(xué)生的任務(wù),是進(jìn)一步鞏固所學(xué)知識(shí),并利用所學(xué)對(duì)工程案例中采取的方法及措施進(jìn)行評(píng)價(jià)判斷,由此不斷拓寬視野。

        4 案例之二——散裝水泥運(yùn)輸車罐體處應(yīng)力測試

        該案例取材于教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“基于知識(shí)工程的直筒散裝水泥車設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究”(項(xiàng)目編號(hào):206112)。為適應(yīng)教學(xué)目的,同時(shí)考慮學(xué)生接受程度,筆者對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?nèi)容抽取,僅以該散裝水泥車罐體優(yōu)化設(shè)計(jì)為案例素材,提出案例為:根據(jù)研究目的,項(xiàng)目進(jìn)行了罐體動(dòng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)有限元分析。

        結(jié)構(gòu)以應(yīng)力的形式體現(xiàn)(如圖4所示),如果分析所采取的罐體模型及加載方式可信,那么即可以該分析為基礎(chǔ),進(jìn)行罐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。而確定分析正確性及可信性的方法,就是進(jìn)行測試,即以某處分析的數(shù)據(jù)值與試驗(yàn)測試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,如果在一定范圍內(nèi)變動(dòng),則分析過程可信,那么項(xiàng)目要解決的問題,就集中在某處應(yīng)力的試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)怎么獲得。

        圖4 結(jié)構(gòu)有限元分析

        針對(duì)這個(gè)案例,提出下列一系列問題給學(xué)生思考及討論:測試的方案如何?選擇什么類型的傳感器進(jìn)行測試?傳感器測試原理是什么?被測對(duì)象及傳感器之間如何連接?對(duì)于該類傳感器使用時(shí)注意什么?如何消除溫度及濕度的影響?測試的后續(xù)電路怎么接?如何排除測試干擾?靜態(tài)工況及動(dòng)態(tài)工況中間變換裝置相同嗎等問題。一步一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)際工程問題的解決,如:測試過程選用金屬電阻應(yīng)變片進(jìn)行測試,選用屏蔽導(dǎo)線進(jìn)行連接,設(shè)置金屬補(bǔ)償塊,后續(xù)裝置分別為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀等等。

        圖5 問題的分析解決

        案例二屬于問題型案例。所謂問題型案例,則是指案例僅描述了工程設(shè)計(jì)問題的基本情景和要求,通過授課教師問題主導(dǎo),讓學(xué)生一步一步找到癥結(jié),最終解決實(shí)際工程問題。這類案例的設(shè)計(jì),可以在潛移默化下培養(yǎng)學(xué)生分析問題及正確解決工程問題的思維方式。

        5 案例之三——50MW汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障分析

        該案例取材于工廠實(shí)際的工程問題。某鋼廠50 MW單軸單缸凝氣式汽輪機(jī),采用靜態(tài)勵(lì)磁方式,機(jī)組由勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子組成,期間均為剛性聯(lián)軸器連接,整個(gè)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組共有5個(gè)軸承。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

        案例三是個(gè)綜合實(shí)踐型案例,要進(jìn)行故障分析并進(jìn)行診斷,所做測試就不會(huì)單一的局限在課本的某一章節(jié),而是課本多個(gè)章節(jié)甚至是數(shù)門課程,數(shù)個(gè)學(xué)科理論知識(shí)的綜合運(yùn)用。這樣的案例,能促使學(xué)生根據(jù)工程實(shí)際,將不同理論綜合起來解決問題。

        圖6 某鋼廠50MW汽輪發(fā)電機(jī)組

        通過故障分析基礎(chǔ)知識(shí):引起旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)最常見的故障,有不平衡,不對(duì)中,轉(zhuǎn)子彎曲,機(jī)械松動(dòng)和軸承故障,而這些常見的故障的判別可以通過頻譜圖進(jìn)行。學(xué)生此時(shí)即會(huì)自行思考,考慮什么是頻譜圖,如何獲取頻譜圖,如何通過頻譜圖來進(jìn)行故障判斷等。

        通過信號(hào)的獲取得到時(shí)域描述的波形圖,利用頻譜分析即可獲取該信號(hào)的頻域描述和獲取相應(yīng)的頻譜圖,如圖7所示。

        思考的問題不斷深入,如何能在50 MW汽輪發(fā)電機(jī)組上獲取到時(shí)域描述?選擇什么類型傳感器?采樣過程會(huì)出現(xiàn)什么樣的失真?如何避免失真?數(shù)據(jù)分析采集儀的設(shè)置如何進(jìn)行(包括窗函數(shù)的選擇、采樣頻率、采樣時(shí)間等)?實(shí)際解決的方案如圖8所示。

        圖7 信號(hào)的時(shí)域及頻域描述

        圖8 傳感器的選擇及參數(shù)設(shè)定

        從振動(dòng)頻譜看,振動(dòng)頻率主要是基頻,也有少量的二倍頻和三倍頻分量,因而判斷振動(dòng)故障屬于強(qiáng)迫振動(dòng),而普通強(qiáng)迫振動(dòng)的原因,可以由軸系激振力和系統(tǒng)支承剛度等方面引起,還必須逐一通過測試排查,最終找出振動(dòng)主因并進(jìn)行排除。如果要判斷是否是轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡引起的強(qiáng)迫振動(dòng),測試的方法在案例一中即已闡述,如此案例之間相互支撐,相互借鑒,最終培養(yǎng)學(xué)生形成正確的分析問題的思路及處理實(shí)際工程問題的能力。

        6 教學(xué)實(shí)踐的效果

        工程案例教學(xué)來源于實(shí)際工況,為在校學(xué)習(xí)的學(xué)生提供了真實(shí)的工程場景,在理論知識(shí)系統(tǒng)化之后引入,拉近了理論教學(xué)與實(shí)際生產(chǎn)的距離,讓學(xué)生知道為什么要學(xué)這些理論知識(shí),并嘗試運(yùn)用這些理論知識(shí)處理實(shí)際問題,極大提高了學(xué)生的積極性及主動(dòng)性。

        在案例引入并通過授課教師的主導(dǎo)進(jìn)行討論的過程中,學(xué)生在潛移默化下培養(yǎng)并鍛煉了系統(tǒng)地分析問題并解決工程問題的思維方式,促進(jìn)了學(xué)生綜合運(yùn)用系統(tǒng)理論解決工程設(shè)計(jì)問題的能力。

        正所謂教學(xué)相長,授課教師在實(shí)踐工程案例教學(xué)的過程中,其能力亦不斷提高。首先,要將理論與工程實(shí)際密切聯(lián)系,授課教師必須不斷夯實(shí)專業(yè)功底。其次,為了獲取充足的、科學(xué)的教學(xué)案例資源,授課教師必須積極地介入科研或深入工廠,實(shí)際掌握第一手資料。再者,隨著教改的不斷深入,每次課后的不斷反思、分析和取舍,不斷鍛煉著授課教師總結(jié)歸納的能力,教師也在授課過程中得到不斷學(xué)習(xí),不斷提高。

        7 結(jié)束語

        總之,無論采用何種教學(xué)方法和措施,目的都是為了讓學(xué)生系統(tǒng)的掌握課程精髓,獲得分析及解決問題的能力,一旦目標(biāo)達(dá)到,教學(xué)就是成功的。

        [1]張潤蓮,張向利,葉 進(jìn).案例教學(xué)法及其運(yùn)用[J].桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2004,(8):102-105.

        [2]熊詩波,黃長藝.機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

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