張鳳生 王海峰 孫忠義 李智 楊倩

[摘要]針對機(jī)械工程測試技術(shù)課程教學(xué)中存在的問題和不足，給出了切實(shí)可行的改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的措施。通過合理優(yōu)化與編排教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生易于把握課程的總體內(nèi)容和本課程與其他課程的關(guān)系。利用多媒體教學(xué)手段和案例教學(xué)法有效地激勵學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性。尤其是應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。這些措施對更新教師的教育觀念，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識起到了積極作用。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械工程測試技術(shù)；教學(xué)改革；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬儀器

[中圖分類號]G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1005-4634(2012)01-0092-03

0引言

機(jī)械工程測試技術(shù)是機(jī)械類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。其特點(diǎn)一是多學(xué)科交叉，涉及工程數(shù)學(xué)、物理、機(jī)械、電子技術(shù)和計算機(jī)等多學(xué)科；二是理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，既涵蓋信號與測試系統(tǒng)分析等理論知識，又包含傳感器和常見機(jī)械量測量等工程應(yīng)用。長期以來本課程的教學(xué)存在“內(nèi)容比較分散，雜亂，且滯后于新技術(shù)的發(fā)展”、“總學(xué)時不斷壓縮，但新內(nèi)容越來越多”、“實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱”和“教學(xué)模式單一”等不足。為此，筆者在總結(jié)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和借鑒其他院校教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)[1,2]的基礎(chǔ)上，對課程進(jìn)行大力改革，取得良好成果。

1課程內(nèi)容體系的完善與新知識的補(bǔ)充

為幫助學(xué)生建立完整的課程體系概念，理清學(xué)習(xí)思路，筆者以測試系統(tǒng)的構(gòu)成框圖為主框架，以信號流程為主線，構(gòu)建課程的內(nèi)容體系，見圖1。將課程內(nèi)容劃分為7部分：（1）概述部分：通過詳解圖1，使學(xué)生了解本課程的內(nèi)容梗概以及與其他課程的聯(lián)系；通過大量實(shí)例，展現(xiàn)“測試技術(shù)的意義和發(fā)展”，激起學(xué)生對本課程的興趣；（2）信號分析與處理：重點(diǎn)介紹傅里葉分析、數(shù)字信號處理和隨機(jī)信號分析，核心內(nèi)容是“時域與頻域間的相互變換”；（3）測試系統(tǒng)特性分析：包括測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動態(tài)特性、動態(tài)響應(yīng)、負(fù)載效應(yīng)、動態(tài)特性的試驗(yàn)測定和實(shí)現(xiàn)不失真測量的方法；（4）傳感器：介紹工程測試中常用的傳感器，重點(diǎn)了解各種傳感器的工作原理及其特點(diǎn)；（5）信號調(diào)理：包括橋電路、放大電路、濾波器、調(diào)制/解調(diào)、A/D轉(zhuǎn)換器等內(nèi)容；（6）常見機(jī)械工程量（位移、振動、應(yīng)變、力、扭矩、溫度、流量）的測量：結(jié)合工程案例，講解測量傳感器的選擇和具體測試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)；（7）測試系統(tǒng)的最新發(fā)展——虛擬儀器。其中（2）和（3）兩部分理論性強(qiáng)，比較抽象、難懂，筆者將這兩部分內(nèi)容貫穿到以信號流程為主線的整個教學(xué)過程中，講授內(nèi)容分合相濟(jì)，變分散為集中，變模糊為清晰，有助于學(xué)習(xí)、掌握。

測試技術(shù)屬信息科學(xué)的范疇，是當(dāng)今最活躍的前沿學(xué)科之一。為使學(xué)生了解本學(xué)科的最新發(fā)展，對本課程及時補(bǔ)充新知識。例如，傳感器部分增加電荷耦合器件（CCD）和光纖傳感器的內(nèi)容；新增了虛擬儀器部分。

2教學(xué)方法改革

針對高校教學(xué)改革注重“加強(qiáng)基礎(chǔ)，拓寬口徑，加強(qiáng)實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，提高綜合素質(zhì)”的特點(diǎn)，以及教學(xué)學(xué)時減少、教學(xué)要求提高的實(shí)際情況，通過改革教學(xué)方法來提高教學(xué)效率和質(zhì)量。

1）對傳統(tǒng)的教師滿堂灌的教學(xué)方式進(jìn)行改革，采用啟發(fā)式教學(xué)。啟發(fā)式教學(xué)不僅是教學(xué)方法，更是一種教學(xué)思想，是教學(xué)原則和教學(xué)觀。所謂啟發(fā)式教學(xué)是教師在教學(xué)過程中，根據(jù)教學(xué)目的、內(nèi)容、學(xué)生的知識水平和知識規(guī)律，運(yùn)用各種教學(xué)手段調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，引導(dǎo)學(xué)生開動腦筋、積極思維、主動實(shí)踐，以達(dá)到掌握知識和技能，增強(qiáng)能力的目的。

首先，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的前提是要激發(fā)起學(xué)生對學(xué)習(xí)本課程的強(qiáng)烈興趣。為此，不僅要在課程開始時講好學(xué)習(xí)本課程的意義，而且在講解每一部分內(nèi)容之前都讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容的目標(biāo)以及在工程實(shí)際中的作用。例如，在第一堂課的教學(xué)中，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容中的“測試技術(shù)的意義和發(fā)展”，列舉了大量學(xué)生有感性認(rèn)識的實(shí)例。如微波爐、空調(diào)、冰箱等家用電器如何對溫度、濕度等物理量進(jìn)行檢測和控制，用到了哪些類型的傳感器；又如電腦中光電鼠標(biāo)應(yīng)用了光電位移傳感器、麥克風(fēng)應(yīng)用了電容傳聲器等；數(shù)碼照相機(jī)、手機(jī)、攝像頭等應(yīng)用了CCD傳感器等等。這些實(shí)例可大大激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，認(rèn)識到本課程的重要性和實(shí)用價值，為后續(xù)學(xué)習(xí)作好思想準(zhǔn)備。

其次，教師的授課過程是以“問題”為起點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)造性解決問題的過程。教師要注意問題的提出方式，引導(dǎo)學(xué)生帶著解決問題的愿望，主動地參與教學(xué)過程，隨著授課內(nèi)容的進(jìn)展而解決心存的疑問。例如，在講授CCD傳感器時，不是采用平鋪直敘的方法介紹CCD工作原理、性能，而是先提出問題“你是否了解手機(jī)的彩信功能是如何實(shí)現(xiàn)的？”、“數(shù)碼相機(jī)如何成像？”等，由此引出CCD傳感器。這樣，在接下來的CCD原理、性能及應(yīng)用講解中，學(xué)生們表現(xiàn)出強(qiáng)烈的興趣和主動性。

2）以多媒體CAI課件為課堂教學(xué)手段，應(yīng)用文字、圖形、圖像、聲音、動畫等多種媒體素材在時間和空間上進(jìn)行集成，使抽象的理論形象化，枯燥的知識生動化。學(xué)生在直觀、形象、生動的感性材料刺激下，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，思維潛能得到充分的發(fā)揮。教師的教學(xué)也會因多媒體的使用而變得更加生動活潑，教學(xué)空間得到拓寬，教學(xué)過程得到優(yōu)化，教學(xué)效率高、效果好。例如，時域與頻域間的相互變換是信號分析的核心內(nèi)容。學(xué)生們已習(xí)慣時域內(nèi)的信號描述，而對頻域內(nèi)的信號描述與分析則感到抽象、難懂。為此，筆者借鑒物理學(xué)中棱鏡分光的例子，將傅里葉變換看作“數(shù)學(xué)的棱鏡”。在課件中，通過棱鏡分光的彩色圖像直觀地示意出棱鏡將光分成不同顏色成分，每種成分的顏色由波長（或頻率）決定；通過繪制“時間－頻率－幅值”的三維圖形，直觀地展示傅里葉變換作為“數(shù)學(xué)的棱鏡”，將信號基于頻率分成不同成分的過程。這樣的對比講解加深了學(xué)生對信號時域與頻域分析及其相互關(guān)系的認(rèn)識。再如，以往傳感器部分的教學(xué)因缺乏實(shí)物對象，感到枯燥無味。如今多媒體教學(xué)，通過精彩的實(shí)物照片和生動的動畫演示，使學(xué)生對光柵傳感器、磁柵傳感器、感應(yīng)同步器、霍爾傳感器、電渦流傳感器等較復(fù)雜傳感器的工作原理與工程應(yīng)用，有更深刻的理解和掌握。

3）采用以工程案例和實(shí)驗(yàn)為主線的教學(xué)模式，用具有工程背景的案例開闊學(xué)生的學(xué)術(shù)眼界、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)理論與實(shí)踐結(jié)合的意識[3,4]。例如，以筆者完成的科研課題“微小尺寸激光衍射測量系統(tǒng)”為工程案例，講解線陣CCD的工作原理及其應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計過程。以測定深埋地下的輸液管道裂損位置的工程案例講解相關(guān)函數(shù)及其應(yīng)用，使得比較抽象、難懂的相關(guān)函數(shù)概念易于理解和掌握。再如，通過對電子汽車衡（地磅）工作原理和設(shè)計過程的具體分析，不僅使學(xué)生加深對電阻應(yīng)變式傳感器、橋電路、A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器等的理解，而且有助于掌握測試系統(tǒng)設(shè)計的基本過程，培養(yǎng)綜合運(yùn)用知識的能力。

3實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

實(shí)驗(yàn)在本課程教學(xué)中占重要地位。例如，信號分析與測試系統(tǒng)分析內(nèi)容理論性強(qiáng)、抽象難懂，需由實(shí)驗(yàn)直觀演示驗(yàn)證；傳感器原理及其工程應(yīng)用只有通過直觀的實(shí)驗(yàn)和親手操作才能深刻理解和掌握。但長期以來實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是薄弱環(huán)節(jié)。一是實(shí)驗(yàn)條件的改善滯后于招生規(guī)模的擴(kuò)大；二是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一般只要求學(xué)生按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的步驟操作，有些學(xué)生不認(rèn)真思考就按部就班完成實(shí)驗(yàn)，根本沒有弄清楚該實(shí)驗(yàn)來龍去脈，知其然而不知其所以然。三是實(shí)驗(yàn)類型單一，只是一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺少綜合性和設(shè)計性實(shí)驗(yàn)，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，更談不上創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為此，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)采取了兩項(xiàng)改革措施。

1）將虛擬儀器引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在資金投入不大的條件下，有效改善實(shí)驗(yàn)條件。按傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段，要配齊本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需的硬件設(shè)備，需大量的資金投入，這對于普通院校是不現(xiàn)實(shí)的。虛擬儀器是以計算機(jī)為核心，配上相應(yīng)的硬件模塊（數(shù)據(jù)采集卡、各種傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等）和專用軟件構(gòu)成的新型儀器。它具有極強(qiáng)的通用性和靈活性，且成本低，可實(shí)現(xiàn)各種測試儀器的通用功能，為本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了有效手段[5]。筆者利用虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW，基于NI ELVIS教學(xué)套件、各種傳感器、小型伺服電機(jī)和X-Y工作臺等硬件基礎(chǔ)，設(shè)計開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分演示性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)三類。（1）演示性實(shí)驗(yàn)：課程組教師開發(fā)了教學(xué)用演示功能界面，將抽象的理論內(nèi)容直觀地展現(xiàn)在動態(tài)的演示操作中。例如，信號的頻譜分析、信號產(chǎn)生與處理、窗函數(shù)比較實(shí)驗(yàn)等。（2）驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求，在教師指導(dǎo)下，按既定的方法和實(shí)驗(yàn)裝置，完成具體的實(shí)驗(yàn)過程。例如，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測控實(shí)驗(yàn)、熱敏電阻測溫實(shí)驗(yàn)、CCD圖像采集實(shí)驗(yàn)等。通過實(shí)驗(yàn)加深對理論知識的理解，并獲得一定的操作技能訓(xùn)練。（3）設(shè)計性實(shí)驗(yàn)：由教師擬訂題目，學(xué)生根據(jù)所學(xué)內(nèi)容，確定實(shí)驗(yàn)方案，查閱相關(guān)資料，擬定或選擇實(shí)驗(yàn)方法和步驟，選用儀器設(shè)備，獨(dú)立操作完成實(shí)驗(yàn)，并寫出實(shí)驗(yàn)報告。目前有 “位移檢測”和“電子秤設(shè)計”兩個實(shí)驗(yàn)題目，可選傳感器包括電阻應(yīng)變片、差動變壓器、渦流傳感器、霍爾傳感器、電容傳感器、光纖位移傳感器等。通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生獲得實(shí)驗(yàn)全過程的訓(xùn)練，由被動實(shí)驗(yàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訝顟B(tài)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)綜合能力。

2）結(jié)合課程組教師的科研課題，在課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課之外，組織成立研究型學(xué)習(xí)小組，對該課程感興趣的學(xué)生均可參加。小組的學(xué)生在課題組教師指導(dǎo)和研究生的幫助下，積極參與研究項(xiàng)目中的一些工作。由于科研課題多與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，解決生產(chǎn)實(shí)際問題，任務(wù)本身具有挑戰(zhàn)性，學(xué)生在參與科研的過程中，可切身體會到理論與實(shí)踐結(jié)合的價值，激發(fā)起他們內(nèi)在學(xué)習(xí)動機(jī)，積極探索應(yīng)用自己所學(xué)知識解決問題。研究型學(xué)習(xí)小組活動的開展，對學(xué)生了解科學(xué)研究的過程和方法，培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識起到了積極作用。

4結(jié)束語

課程改革實(shí)踐使人們認(rèn)識到：第一，高等學(xué)校教育的主體是學(xué)生，教學(xué)改革必須以學(xué)生為中心，通過改革教學(xué)方法和注重對學(xué)生能力的培養(yǎng)，在有限的學(xué)時內(nèi)，向?qū)W生傳授更多、更新的知識；同時提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識。第二，對于工科類的課程改革突出其實(shí)踐性是最重要的，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是關(guān)鍵。虛擬儀器的發(fā)展為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了強(qiáng)有力的工具，其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的巨大潛力有待進(jìn)一步開發(fā)。第三，科技在不斷進(jìn)步，社會在不斷變革和發(fā)展，為培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的高質(zhì)量人才，必須堅持教學(xué)改革。這是一個長期的過程，需要不斷探索、實(shí)踐和創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

[1]吳世雄,王成勇.“機(jī)械工程測試技術(shù)”教學(xué)改革的探索[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2007,7(S1):108-109.

[2]焦敬品,何存富.機(jī)電類專業(yè)《測量技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)模式研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2007,(3):13-14.

[3]歐儉平,馬愛純,蔣紹堅.工程案例教學(xué)法在熱能與動力工程專業(yè)課教學(xué)改革中的實(shí)踐[J].高教論壇,2006,(5):131-132+135.

[4]丁輝.工科專業(yè)案例教學(xué)研究——以“人工智能”課程為例[J].教育探索,2009,(1):52-53.

[5]鄒大鵬,吳百海,龍建軍.基于虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)測試技術(shù)教學(xué)改革的研究[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2007,7(S1):104-107.