文成，周傳德

一、引言

設(shè)計(jì)、工藝和檢測(cè)是機(jī)械工程三大組成部分，在工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)械制造信息化和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中，“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”課程起著極為重要的作用[1]。本門(mén)課程是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)主干課，教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生利用傳感器與測(cè)試技術(shù)知識(shí)來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力?！皺C(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”是一門(mén)實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，突出實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)[2]。學(xué)生必須參與足夠的實(shí)踐，才能充分理解理論知識(shí)，從而更好地把握課程內(nèi)容。目前各高校開(kāi)設(shè)的課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多為驗(yàn)證性、綜合性實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間缺少必要的聯(lián)系，與工程實(shí)際相關(guān)度低。學(xué)生動(dòng)手能力與工程應(yīng)用能力得不到有效的訓(xùn)練，不利于學(xué)習(xí)興趣的提高和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，教學(xué)質(zhì)量難以保證。

2012年3月教育部發(fā)布 《全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》（教高[2012]4號(hào)），明確提出進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)模式、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革，實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃，提高實(shí)踐教學(xué)學(xué)分比例，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)。為貫徹上述教育思想，結(jié)合機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃和本課程性質(zhì)，本文提出“工程應(yīng)用實(shí)踐”教學(xué)新模式，讓學(xué)生更多參與工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，促進(jìn)理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合。該教學(xué)模式體現(xiàn)了面向工程觀的教育理念[3]，必將激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)工程實(shí)踐能力、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

二、工程應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)內(nèi)涵

工程應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)與工程案例教學(xué)的相同之處在于教學(xué)內(nèi)容都源于工程實(shí)際或科研項(xiàng)目，涉及多門(mén)課程或領(lǐng)域知識(shí)。但是，二者之間又存在明顯的差別。工程案例教學(xué)是教師根據(jù)教學(xué)要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)案例，組織學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)針對(duì)案例內(nèi)容進(jìn)行思考、分析、討論和交流[4]。它主要用于課堂交流或探討，學(xué)生并沒(méi)有參與設(shè)計(jì)、研發(fā)工程案例，對(duì)案例所涉及的硬件（傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備及數(shù)據(jù)采集卡）和軟件并不熟悉，談不上真正融入到工程實(shí)際。在工程應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生根據(jù)工程應(yīng)用課題，在老師指導(dǎo)下主動(dòng)參與項(xiàng)目的設(shè)計(jì)研發(fā)，最終完成測(cè)試任務(wù)。學(xué)生課題討論、資料收集以及項(xiàng)目的實(shí)施等都是在課余時(shí)間里完成的。因此，工程應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)是以學(xué)生為中心，以解決實(shí)際問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，致力于提高學(xué)生綜合素質(zhì)的教學(xué)模式。

工程應(yīng)用實(shí)踐項(xiàng)目是以工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用為主線(xiàn)，以培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科交叉應(yīng)用能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力為目的，構(gòu)建培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的一種教學(xué)模式。教師根據(jù)課程教學(xué)大綱要求，精心篩選或設(shè)計(jì)工程應(yīng)用項(xiàng)目，保證每一個(gè)教學(xué)單元和知識(shí)點(diǎn)在項(xiàng)目實(shí)施中得以充分應(yīng)用，從而加深對(duì)理論知識(shí)的理解。學(xué)生在學(xué)習(xí)完相關(guān)章節(jié)后，根據(jù)項(xiàng)目要求，主動(dòng)收集相關(guān)知識(shí)，經(jīng)課題小組充分討論后形成項(xiàng)目實(shí)施方案，然后選擇相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)，最終完成實(shí)際測(cè)試任務(wù)。因此，工程應(yīng)用實(shí)踐的目的是把有關(guān)傳感器數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理及動(dòng)態(tài)信號(hào)分析等理論知識(shí)加以系統(tǒng)化整合。學(xué)生綜合多門(mén)學(xué)科知識(shí)和多種實(shí)驗(yàn)原理來(lái)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，在實(shí)施過(guò)程中去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題，并最終解決工程實(shí)際問(wèn)題。工程應(yīng)用實(shí)踐訓(xùn)練使學(xué)習(xí)過(guò)程更加貼近生產(chǎn)實(shí)際，有利于發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力、創(chuàng)新能力以及組織管理能力。

三、工程應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)原則

工程應(yīng)用實(shí)踐項(xiàng)目應(yīng)首先要充分結(jié)合機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃，緊扣課程教學(xué)大綱，密切生產(chǎn)生活，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。工程應(yīng)用實(shí)踐項(xiàng)目既要滿(mǎn)足課程理論知識(shí)與工程實(shí)際的結(jié)合，又要涉及多門(mén)學(xué)科的綜合應(yīng)用，還要考慮項(xiàng)目實(shí)施的可行性，保證工程應(yīng)用實(shí)踐順利實(shí)施。其次，工程應(yīng)用實(shí)踐項(xiàng)目必須綜合企業(yè)、教師和學(xué)生三方面的意見(jiàn)[5]。圖1為工程應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)模式。

根據(jù)工程應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)模式要求，必須保證項(xiàng)目的科學(xué)性和可行性，充分融合工程背景，規(guī)范項(xiàng)目教學(xué)方案，項(xiàng)目設(shè)計(jì)可以遵循以下幾個(gè)原則。

圖1 工程應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)模式

1.緊扣培養(yǎng)計(jì)劃和教學(xué)大綱

引入工程應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)模式需結(jié)合機(jī)械專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃和本課程教學(xué)大綱，在不增加課堂教學(xué)課時(shí)的情況下，彌補(bǔ)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量偏少且多為驗(yàn)證性、綜合性實(shí)驗(yàn)的缺陷。要重點(diǎn)突出傳感器和測(cè)試技術(shù)理論在工程上的應(yīng)用。項(xiàng)目要側(cè)重傳感器、濾波器、放大器以及采集設(shè)備的選用，利用虛擬儀器技術(shù)快速構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)，完成測(cè)試任務(wù)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。工程應(yīng)用實(shí)踐項(xiàng)目所運(yùn)用到的知識(shí)要盡可能覆蓋課程大綱所規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容。

2.工程實(shí)踐內(nèi)容來(lái)源于企業(yè)生產(chǎn)和教師科研工作

企業(yè)的設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)以及維修都與測(cè)試技術(shù)和傳感器密切相關(guān)，尤其是流程工業(yè)大量運(yùn)用“設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷”技術(shù)，更是與本課程內(nèi)容聯(lián)系十分緊密。從企業(yè)中提煉的工程應(yīng)用項(xiàng)目本身就是生產(chǎn)實(shí)際，特別能引起學(xué)生的興趣。工程應(yīng)用項(xiàng)目與科研結(jié)合，學(xué)生和老師有共同的研究?jī)?nèi)容，能促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高。

3.充分考慮學(xué)生知識(shí)水平和實(shí)驗(yàn)條件，保證項(xiàng)目切實(shí)可行

工程應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)模式最重要的環(huán)節(jié)是項(xiàng)目的順利實(shí)施，最終要解決實(shí)際工程問(wèn)題。因此，項(xiàng)目所涉及的知識(shí)點(diǎn)要與學(xué)生水平相適應(yīng)，項(xiàng)目開(kāi)展所需實(shí)驗(yàn)條件（硬件和開(kāi)發(fā)軟件）必須完備，任務(wù)具體，工作量適當(dāng)，進(jìn)度明確，使學(xué)生在教師的指導(dǎo)下在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過(guò)努力能夠順利完成。

（二）實(shí)踐項(xiàng)目的規(guī)劃與實(shí)施

（1）工程應(yīng)用實(shí)踐項(xiàng)目規(guī)劃。工程應(yīng)用實(shí)踐可以根據(jù)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”要求，以工程應(yīng)用為重點(diǎn)，借助已有的Matlab和LabVIEW等工程軟件，解決實(shí)際工程問(wèn)題，以培養(yǎng)學(xué)生能完成一般機(jī)械測(cè)試任務(wù)為目標(biāo)。

“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”涉及到多學(xué)科的交叉，知識(shí)點(diǎn)較多，被公認(rèn)為較為難學(xué)的課程之一。從測(cè)試系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)，將教學(xué)內(nèi)容劃分為“測(cè)試系統(tǒng)及其基本特性”、“信號(hào)獲取與分析”以及“典型機(jī)械測(cè)試系統(tǒng)”三個(gè)知識(shí)板塊，每個(gè)知識(shí)板塊均有工程應(yīng)用實(shí)踐?！暗湫蜋C(jī)械測(cè)試系統(tǒng)”板塊包括振動(dòng)、噪聲、溫度、機(jī)械參量、工業(yè)自動(dòng)化等測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用，內(nèi)容包括機(jī)械系統(tǒng)分析、傳感器選擇、基于計(jì)算機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)搭建及測(cè)試結(jié)果分析。設(shè)置更多的項(xiàng)目，可以突出工程應(yīng)用。圖2為工程應(yīng)用實(shí)踐項(xiàng)目在“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”課程中的分布情況。

圖2 工程應(yīng)用實(shí)踐項(xiàng)目在課程中的分布

（2）工程應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)實(shí)施方法。工程應(yīng)用實(shí)踐是提高學(xué)生工程實(shí)踐能力、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)的重要途徑。學(xué)生借助虛擬儀器技術(shù)，正確選用硬件設(shè)備，利用相關(guān)軟件設(shè)計(jì)測(cè)試應(yīng)用程序，綜合各種理論知識(shí)來(lái)解決實(shí)際工程問(wèn)題。開(kāi)展工程應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)可按以下步驟組織實(shí)施。

第一，教師向?qū)W生介紹開(kāi)展工程應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)的意義和項(xiàng)目實(shí)施的方法，使學(xué)生提前有思想準(zhǔn)備。要求學(xué)生自學(xué)應(yīng)用項(xiàng)目設(shè)計(jì)軟件——Matlab和LabVIEW，提前儲(chǔ)備相關(guān)理論知識(shí)。

第二，按教學(xué)進(jìn)程介紹每一個(gè)工程應(yīng)用實(shí)踐項(xiàng)目，以紙質(zhì)形式布置設(shè)計(jì)內(nèi)容，需要解決的工程問(wèn)題，使學(xué)生初步了解每一個(gè)項(xiàng)目所涉及的工程應(yīng)用領(lǐng)域。

第三，將學(xué)生分成若干學(xué)習(xí)小組，指定小組負(fù)責(zé)人。通過(guò)協(xié)商確定各小組承擔(dān)的工程應(yīng)用實(shí)踐項(xiàng)目，各小組課題不能相同。

第四，分組布置課題，介紹項(xiàng)目的工程背景，完成任務(wù)所涉及的知識(shí)點(diǎn)，提出要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。盡量向?qū)W生提供相關(guān)參考文獻(xiàn)目錄，以便學(xué)生查閱。

第五，組織、指導(dǎo)學(xué)生利用課余時(shí)間開(kāi)展項(xiàng)目研究，提出解決方案和實(shí)施步驟，明確項(xiàng)目完成最終成果形式。

第六，教師定期組織各項(xiàng)目小組進(jìn)行學(xué)術(shù)討論，研究、解決項(xiàng)目開(kāi)展中所遇到的問(wèn)題，及時(shí)跟蹤項(xiàng)目完成情況，力促各研究項(xiàng)目順利完成。

第七，以答辯的形式考核項(xiàng)目完成情況，將工程應(yīng)用實(shí)踐實(shí)施過(guò)程、取得的成果納入課程考核體系之中，激勵(lì)學(xué)生積極主動(dòng)地參與項(xiàng)目的討論、設(shè)計(jì)和測(cè)試工作，以保證教學(xué)質(zhì)量。

四、工程應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)實(shí)例——基于聲卡的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

本項(xiàng)目要求學(xué)生了解聲卡的數(shù)據(jù)采集功能特點(diǎn)，借助LabVIEW軟件，開(kāi)發(fā)振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。項(xiàng)目提出了一種基于聲卡的數(shù)據(jù)采集與分析的廉價(jià)方案，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的采集分析、數(shù)據(jù)存盤(pán)、信號(hào)分析（時(shí)域分析、頻域分析和數(shù)字濾波）等多種功能，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。項(xiàng)目的成果形式——振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，要求應(yīng)用于精度不高的振動(dòng)與聲音信號(hào)采集、波形顯示、任意信號(hào)發(fā)生、信號(hào)記錄與監(jiān)測(cè)。

以下是某小組同學(xué)們的項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程：在查閱相關(guān)文獻(xiàn)的前提下，提出了圖3所示的測(cè)試系統(tǒng)方案?？山Y(jié)合聲卡的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行必要改造，使之能與傳感器相接。需選擇HK9103-J壓電式加速度計(jì)和ZK-4CZ2型雙通道信號(hào)調(diào)理器，通過(guò) LabVIEW實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)試功能。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：振動(dòng)信號(hào)頻率范圍在 100 Hz～10 kHz范圍內(nèi)。本測(cè)試系統(tǒng)能真實(shí)、準(zhǔn)確地反映信號(hào)的頻率和幅值，可以推廣到語(yǔ)音識(shí)別、環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量等多種領(lǐng)域，應(yīng)用前景非常廣闊。

圖3 基于聲卡的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成方案

本項(xiàng)目運(yùn)用到傳感器、信號(hào)采集、信號(hào)分析、虛擬儀器、振動(dòng)理論等知識(shí)，學(xué)生在完成過(guò)程中得到了較為全面的訓(xùn)練，提高了分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

五、結(jié)論

工程應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)方法應(yīng)用于 “機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”課程，極大地促進(jìn)了理論與實(shí)際相結(jié)合。以前教學(xué)中出現(xiàn)的“枯燥無(wú)味、知識(shí)點(diǎn)分割”，現(xiàn)在變得“生動(dòng)具體、知識(shí)點(diǎn)統(tǒng)一”。學(xué)生從“被動(dòng)學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)為“主動(dòng)學(xué)習(xí)”；教師的教學(xué)方法和技巧也得到了完善。工程應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)模式突出了工程測(cè)試與應(yīng)用的整體概念，不但提高了教學(xué)質(zhì)量，也使學(xué)生的工程實(shí)踐能力、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)得到提高，為“卓越工程師教育培養(yǎng)”和“機(jī)械工程工程師培養(yǎng)”奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]周傳德，宋強(qiáng).傳感器與測(cè)試技術(shù)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2009.

[2]文成，周傳德.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)“案例和實(shí)驗(yàn)并舉”教學(xué)模式探索[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2013（1）.

[3]李冰.工程案例教學(xué)在《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2010（8）.

[4]文成，周傳德.工程案例教學(xué)在“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2012（21）.

[5]張樹(shù)國(guó)，王家宣，劉超.以項(xiàng)目為載體的工程訓(xùn)練教學(xué)模式的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012（7）.