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.