牛禮民

[摘 要]測試技術與信號處理是機電工程專業(yè)的基礎課程，實踐性很強。項目組針對本課程傳統(tǒng)教學中學生被動聽課，啟發(fā)性和互動性不強的問題，以車輛懸架系統(tǒng)振動信號測試案例為實例，對案例式教學進行了探索，引導學生運用多學科知識分析解決實際問題，以期提高教學效果。

[關鍵詞]案例教學法；教學改革；研究型教學；工程實踐

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）12-0036-03

案例教學法是指為執(zhí)行一個完整的項目，師生協(xié)同合作而采取的一系列以學生為主體的教學活動，通過真實或虛擬的工作任務作為目標或出發(fā)點，采取在實踐中學習的方式，很大程度上調動學生的主動學習熱情和實踐能力，實現(xiàn)在完成項目的過程中獲得知識與技能，目前在多媒體教學領域被廣泛采用。如何在課堂上有效引導學生積極思考，分析解決案例中存在的問題，是整個案例分析教學中的重中之重。為進一步深化研究生課堂教學改革，提高研究生教育教學質量，本研究以測試技術與信號處理課程為例，對案例式教學法進行探索，從實際應用出發(fā)，合理設置各種案例，使課程中的抽象問題形象化、具體化，加強學生對基本知識的理解，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，拓寬其研究視野。

一、課程教學內容

測試技術與信號處理是對未知物理量進行測試的一門技術，以及為獲取真實信息而對干擾信號進行處理的總稱。課程涉及的知識面非常多，包括機械學、物理學、高等數(shù)學及自動控制等，在過程控制、質量檢測、故障診斷、模態(tài)分析等工程方面應用極其廣泛。目前，隨著電子技術、計算機技術的迅猛發(fā)展，測試技術更是發(fā)生了翻天覆地的變化，這就要求課程內容要實時更新，緊跟發(fā)展需求。根據(jù)教學大綱要求，本課程內容主要包括：信號的描述、分析和處理方法，測試裝置特性分析，信號的獲取、變換和記錄的工作原理和特性及動態(tài)測試理論在實踐中的具體應用。通過本課程學習，使學生熟悉常用傳感器、信號調理電路和記錄儀器的工作原理和性能，對動態(tài)測試有一個比較完整的概念，能初步運用于機械工程實際研究。

二、案例設計過程

案例選取是否得當是影響教學效果的重要因素。案例設計過程中，引入學生研究方向和具體研究內容，力求盡可能多地啟發(fā)和引導學生獨立思考，減輕對他們創(chuàng)造性思維的束縛。如能使所選案例既與課程內容有關，又與實際科研相關聯(lián)，則更能激發(fā)學生研究的興趣。為此，需要甄別課程哪些知識點可以開展案例教學，哪些知識點有必要開展案例教學，然后根據(jù)知識點搜索、整理國內外相關典型工程應用實例，按照設計規(guī)范要求編寫相關案例。

（一）案例設計要求

本課程面向機電工程專業(yè)的碩士研究生，在案例設計上應盡量與學生的研究方向相關，教學案例設計要求主題突出，便于知識拓展，調動學生學習積極性，在課程內容的實施上則要求貫穿于課前準備、課堂引導討論和課后實踐等教學環(huán)節(jié)中。課程授課教師注意到在具體的課程案例開發(fā)過程中，實用性和教學重難點的把握是案例設計的關鍵，這就要求專業(yè)教師具有較豐富的科研項目背景和工程專業(yè)認證對師資方面的要求。高校教師應走出校門，多與專業(yè)相關企業(yè)合作，具備一定的工程實踐背景，然后結合學生所選案例做進一步的篩選，從中選出教學所能使用的案例課題，力圖給學習者創(chuàng)設一個真實的問題情境，以此引出教學內容。在案例設計過程中，需要制訂案例討論規(guī)范，每個案例包括有背景描述、主題內容、基本原理、效果展示、經驗分享等五個方面，如圖1 所示。

背景描述是說明事件的發(fā)生有什么特別的原因或條件，即為什么做這件事情，分析本案例產生的原因。主題內容是撰寫案例時首要考慮這個案例所要反映的問題，可選擇最有收獲、最具啟發(fā)性的角度切入，從而確立主題要解決的問題。通過主題內容分析，結合背景描述，剖析案例基本原理達成學習目標。效果展示要描述活動產生的真實效果是什么，把問題解決到了什么程度，用圖形、公式、數(shù)據(jù)等說明更具說服力。經驗分享是對案例本身進行分析，揭示事件的意義和價值，也可以分析本案例中成功的經驗、失敗的教訓等，還可以描述對案例問題進行的延伸思考。

此外，在每組陳述過程中，要求學生將理論內容可視化，通過自己對案例內容和分析過程的理解，將理論內容用圖片、公式、視頻等各種可視化效果以幻燈片的形式呈現(xiàn)出來，鼓勵學生融入自己對本案例內容的理解和學習體會，思索案例原理在其他測試過程中的應用，以達到舉一反三、事半功倍的學習效果。在小組討論中，教師給出具體的案例，要求學生圍繞案例中所呈現(xiàn)的任務展開討論，將案例需要解決的問題分解成若干個小任務，針對這些小任務，引導學生說出分析結果及解決方法，與大家討論以加深對所學知識的理解，降低復雜工程問題的處理難度，從而進一步優(yōu)化問題的解決方式。

（二）案例實施過程

確立案例教學法的教學內容后，通過文獻查閱、仿真建模、動畫制作等方式進行案例具體內容設計與分析，形成系列教案，利用多媒體課件，采用互動式教學與學生討論。課前可預先向學生布置案例，介紹工程背景，提出要解決的關鍵問題。課堂上將學生分成若干討論小組分析案例，提出解決方案。教師在課堂上運用多媒體技術復現(xiàn)案例過程，分析案例的關鍵、涉及的理論知識點，啟發(fā)學生思考方向。多媒體教學手段除可以提高課堂教學效率外，更主要的是采用圖片、動畫和視頻相結合的方法，使一些抽象難懂的內容變得直觀而形象。如案例的背景描述部分，通過相關視頻展示，可以使學生一目了然地體會到該案例內容的實際應用背景和重要意義。再如課程中的周期信號不同描述部分內容，利用動畫重復回放可以直觀顯示不同頻率諧波疊加生成周期信號的過程，方便學生對信號不同描述進行理解和把握。通過加強課堂討論的啟發(fā)和引導，充分調動學生的主動性，始終引導學生圍繞中心議題發(fā)表自己的見解，得出相應結論。

互動式教學模式則是促進案例內容教和學的必要手段?；邮浇虒W的方法很多，如在案例背景描述伊始，先將案例基本內容做簡單提要，講一下要點難點，并提出幾個問題，要求學生在看背景資料的同時帶著問題組織討論，然后說出自己的理解并解答老師和同學們的問題。最后，將學生參加討論情況納入課程考核體系之中，激勵學生積極參與。endprint

三、案例教學實例

結合教師科研項目“車輛底盤狀態(tài)檢測與故障診斷研究”整合案例來源，研究底盤懸架減振系統(tǒng)振動加速度時間歷程曲線及其相關函數(shù)，探索底盤懸架系統(tǒng)故障與非線性振動響應的關系，提高診斷的準確性及早期預測能力。具體實施如下：

（一）前期準備

課堂案例教學前，先將案例內容（測試系統(tǒng)信號的相關性分析案例）布置給學生。進行背景描述時，先拋出問題：實際測試得到的信號通常無法用明確的數(shù)學關系式描述，信號間不具有確定性的關系，如何描述？由此指出“相關”的概念，是客觀實物或過程中某兩種特征量之間聯(lián)系的緊密性，變量之間的相依關系稱為“相關”。要求一周時間課外完成測試系統(tǒng)信號的相關性分析及其應用，課堂分組研討時需要說明各自分工。

（二）關鍵內容

工程案例上，通過對相關函數(shù)的測量與分析，利用相關函數(shù)本身所具有的特性，可以獲得許多有用的重要信息。自相關函數(shù)及互相關函數(shù)的特性是案例討論的關鍵，式（1）和式（2）所示分別為自相關和互相關的函數(shù)估計。

（三）案例研討

案例討論時，可先建立如圖2 所示的車輛振動傳遞路徑識別，然后提出分析案例的關鍵：自相關函數(shù)特性與互相關函數(shù)特性。由此引出思考問題（1）：為什么用自相關分析可以消除周期信號中的白噪聲干擾？思考問題（2）：如何理解信號處理中自相關函數(shù)的意義？思考問題（3）：相關函數(shù)特性分析對機械系統(tǒng)故障診斷的具體應用是什么？

經過個人分析和小組討論，有學生指出白噪聲是包含了所有的頻率，沒有周期性。此時教師可以加以點評，實際工程應用中，自相關函數(shù)可以度量信號在不同時刻的相似程度，得到的結果只剩下周期性部分，白噪聲得到抑制。自相關就是函數(shù)和函數(shù)本身的相關性，當函數(shù)中有周期性分量的時候，自相關函數(shù)的極大值能夠很好的體現(xiàn)這種周期性。然后進一步討論如果利用信號的相關性分析提取特征信號，實現(xiàn)故障信號的特征識別。有學生認識到相關性是兩個或多個具備相關性的變量元素的關系，這對相關性概念有了基本的建立，此時教師可引導并提出新的疑問：相關性不等于因果性，也不是簡單的個性化，相關性所涵蓋的范圍和領域幾乎覆蓋了日常生活所見到的方方面面，相關性在不同的學科里面的定義也有很大的差異。如何衡量兩個變量因素的相關密切程度？這樣就促使學生很自然地考慮將案例與課程內容結合起來，得出相關性元素之間需要存在一定的聯(lián)系或者概率才可以進行相關性分析，并進一步引出自相關函數(shù)、互相關函數(shù)、相關系數(shù)等。

（四）效果總結

對小組分析討論逐一點評，綜合正確的結論和觀點，剖析錯誤及見解之不足，總結時給出案例分析的邏輯路徑。先從概念入手，理解相關性意義，在掌握其特性的基礎上分析應用案例，最后對其原理應用進行延伸：如何利用相關性函數(shù)特性設計其在回聲測距、通訊、測速、信號識別、故障診斷等工程中的應用？本案例緊密結合車輛工程實際，從懸架振動信號測試開始，對信號的相關分析進行學習，逐步引入機械故障診斷理論，讓學生了解測試系統(tǒng)信號相關性分析的重要地位和應用場合。通過案例問題導向可以激發(fā)學生的求知欲，有助于培養(yǎng)他們正確分析問題、解決問題的能力。值得注意的是，案例教學不同于傳統(tǒng)的問答題，答案沒有固定的模式，每個人都可以從不同角度、不同途徑去解決問題，因此每個學生的觀點都有可取之處，這對學生的獨立思考是一種積極鼓勵。

在案例教學中，案例內容選取上應以課程內容為中心、專業(yè)基礎為背景，同時與當前相關研究領域保持同步，不斷更新。學生為了做好案例分析，必須查閱各種相關文獻資料，無形中深化了對知識的理解，形成了主動學習的氛圍。同時，為解決案例問題，學生必須對理論知識進行有效的整理和融合，打破讀死書的思想約束，這樣才能提出解決問題的方案，實現(xiàn)由理論知識到實踐能力培養(yǎng)的提高。

四、結束語

案例教學將部分真實生活引進課堂，使學生接觸到工程實踐具體應用，對調動學生的學習積極性、主動性，增強課堂教學的吸引力發(fā)揮著極大的作用。案例教學中的實例，會將學生更多地置于現(xiàn)實生活環(huán)境中，分析問題時須考究多方面因素，但教學目的則是找出解決實際生產問題的可行方案，讓學生寓教于做，學以致用。課堂教學過程中，案例內容情境設計是難點，設計讓學生能主動參與的討論情境是教師引導的關鍵，這就需要教師具有豐富的科研工作經驗和工程實踐背景。通過案例教學與其他教學方法相結合，學生之間以及師生之間的互動明顯加強，學生對案例知識點的掌握較好，有利于形成知識體系結構，教師通過對教學過程的總結延伸也有助于進一步改進案例設計，獲得更好的教學效果。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：鐘 嵐]endprint