別鋒鋒，劉雪東，陸怡，彭劍，呂鳳霞

摘? 要：測(cè)試與控制類(lèi)課程是過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)體系中的“兩翼”之一，起著核心理論在實(shí)踐中提升的作用。文章以信號(hào)測(cè)試與處理課程為例，依托工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證體系，提出了一種課程模塊化的教學(xué)方法。方法研究涵蓋課程模塊的劃分、課程知識(shí)點(diǎn)的有機(jī)融合、基于案例分析的方法驗(yàn)證等部分內(nèi)容。方法面向過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)測(cè)試類(lèi)課程的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)過(guò)程機(jī)械測(cè)試應(yīng)用、研究型人才的目標(biāo)提供可靠的體系支撐。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué);模塊化教學(xué);信號(hào)測(cè)試;過(guò)程裝備與控制工程

中圖分類(lèi)號(hào)：G640? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2021）30-0094-04

Abstract： Test and control course is one of the "two wings" in the training system of the process equipment and control engineering majors， which plays a core role in infusing the theory into practice. Taking the course of "Signal Testing and Processing" as the instance， a modularized teaching method based on the certification system of engineering education is proposed in the paper. The method research covers the division of course modules， the organic integration of typical course knowledge points and the method verification based on case analysis. The method study aims at providing a reliable system support for training process machinery testing application and research-oriented talents through theoretical learning and practice verification of testing courses in process equipment and control engineering major.

Keywords： case-teaching; modular teaching; signal test; process equipment and control engineering

信號(hào)測(cè)試與處理是一門(mén)面向化工過(guò)程機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)與信息處理的課程，屬于過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)“兩翼”中的控制類(lèi)核心課程[1]，主要培養(yǎng)學(xué)生利用機(jī)械工程測(cè)試與信息處理技術(shù)來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力?；趯W(xué)校的辦學(xué)定位，結(jié)合過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)科研，將培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才作為專(zhuān)業(yè)的辦學(xué)定位[2]，由此課程培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)定為通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備下列知識(shí)和能力：能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)來(lái)定義和描述化工過(guò)程機(jī)械各類(lèi)靜、動(dòng)設(shè)備狀態(tài)描述參數(shù)的測(cè)試與信息處理，識(shí)別和理解化工過(guò)程機(jī)械設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行，從而掌握分析和解決化工機(jī)械設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，解決與化工機(jī)械設(shè)備測(cè)試與分析相關(guān)的工程問(wèn)題，提出合理的處理方案。課程內(nèi)容主要側(cè)重于機(jī)械工程測(cè)試、信號(hào)處理與狀態(tài)辨識(shí)、反饋生產(chǎn)控制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，與過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際密切相連，緊跟自動(dòng)化生產(chǎn)要求的技術(shù)前沿，著重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析與研究問(wèn)題的技術(shù)性能力。

然而，限于教學(xué)模式與現(xiàn)有課程體系，課程教學(xué)存在著如下幾個(gè)方面的問(wèn)題：1. 先修知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)型不夠，在本門(mén)課先期開(kāi)設(shè)理論課程中，高等數(shù)學(xué)、工程力學(xué)與控制工程基礎(chǔ)對(duì)于本課程核心知識(shí)章節(jié)的學(xué)習(xí)起著基礎(chǔ)性的作用;2. 基于能力導(dǎo)向的知識(shí)點(diǎn)模塊化明顯不足[3]，相對(duì)分散的知識(shí)點(diǎn)在一定程度上影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性效果;3. 信號(hào)測(cè)試與處理是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程[4]，而當(dāng)前基于過(guò)程機(jī)械測(cè)試與處理案例實(shí)戰(zhàn)的應(yīng)用能力培養(yǎng)不足，對(duì)于后續(xù)課程（如機(jī)械故障診斷）的支撐有待加強(qiáng)[5]。“一圖勝千言”。案例式教學(xué)方法由來(lái)已久，在示范性教學(xué)中，圖例現(xiàn)身說(shuō)法對(duì)教學(xué)效果的提升是顯而易見(jiàn)的。其核心思想在于教學(xué)案例的選擇、探究和分析評(píng)價(jià)，以案例分析為基礎(chǔ)通過(guò)教與學(xué)的互動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)的目標(biāo)。當(dāng)前信號(hào)測(cè)試與處理課程中，多數(shù)案例涉及面較窄，這樣學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)應(yīng)接不暇，無(wú)法有效提高學(xué)習(xí)的積極性，特別是在新冠肺炎疫情背景下，線上線下的綜合教學(xué)模式迫切要求我們將課程的案例進(jìn)行集成，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的串聯(lián)起到模塊化應(yīng)用的效果。此外，教學(xué)資料中的一些教學(xué)案例與過(guò)程裝備工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合度不高，會(huì)讓學(xué)生眼高手低，一旦遇到實(shí)際問(wèn)題，他們難以有效地及時(shí)解決，無(wú)法實(shí)現(xiàn)課程培養(yǎng)目標(biāo)。基于此，本文在對(duì)信號(hào)測(cè)試與處理課程體系進(jìn)行模塊化系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)上，對(duì)基于典型案例分析的信號(hào)測(cè)試與處理課程模塊化教學(xué)方法進(jìn)行了探索性研究。

一、應(yīng)用型課程體系與模塊劃分

作為石油石化類(lèi)高校核心專(zhuān)業(yè)，本應(yīng)用型課程的培養(yǎng)目標(biāo)決定了課程的基本面向?qū)傩裕阂詸C(jī)械工程技術(shù)和化學(xué)工程技術(shù)為基礎(chǔ)，以測(cè)試與控制技術(shù)為支撐，要求學(xué)生掌握從測(cè)試裝置（含傳感器）、信號(hào)預(yù)處理技術(shù)到狀態(tài)特征識(shí)別與控制反饋的知識(shí)點(diǎn)環(huán)節(jié)體系，并通過(guò)典型信號(hào)的測(cè)試與分析來(lái)進(jìn)行操作論證。信號(hào)測(cè)試與處理課程知識(shí)點(diǎn)主要包括[6]：測(cè)試信號(hào)與處理、測(cè)試裝置基本特性、傳感器技術(shù)、信號(hào)的轉(zhuǎn)換與調(diào)理、虛擬儀器以及典型物理量的測(cè)試和信號(hào)處理六個(gè)部分的內(nèi)容?；趹?yīng)用型課程建設(shè)的目標(biāo)，需要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模塊化分析和重構(gòu)，將理論體系轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)應(yīng)用型體系，如圖1所示?；诶碚撝R(shí)學(xué)習(xí)的工程應(yīng)用能力培養(yǎng)模式，對(duì)課程體系進(jìn)行重新架構(gòu)，分為四個(gè)主要模塊。

（一）先修理論基礎(chǔ)模塊

面向信號(hào)測(cè)試與處理方案設(shè)計(jì)，溯源到機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)與機(jī)理分析，涉及的基礎(chǔ)理論課程包括：高等數(shù)學(xué)、機(jī)械原理/機(jī)械設(shè)計(jì)、工程力學(xué)（理論力學(xué)與材料力學(xué)）、控制工程基礎(chǔ)和過(guò)程流體機(jī)械等，保證了知識(shí)的延續(xù)性和完整性。

（二）信號(hào)測(cè)試模塊

包括信號(hào)分類(lèi)與描述、測(cè)試裝置的基本特性、傳感器工作原理及信號(hào)的放大與預(yù)處理。

（三）信號(hào)處理模塊

包括數(shù)字信號(hào)處理基本概念、信號(hào)的傅里葉變換（時(shí)域與頻域的轉(zhuǎn)換）、信號(hào)的相關(guān)分析、功率譜分析，以及以EMD（經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解）為代表的現(xiàn)代信號(hào)時(shí)頻聯(lián)合分析系列方法。

（四）課程實(shí)驗(yàn)?zāi)K

面向過(guò)程裝備工業(yè)的典型參數(shù)測(cè)試與分析實(shí)驗(yàn)，包括應(yīng)力測(cè)試、振動(dòng)信號(hào)測(cè)試與處理，聲發(fā)射信號(hào)測(cè)試與處理和虛擬儀器部分。

在課程教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，需要根據(jù)培養(yǎng)方案中學(xué)生已修課程，對(duì)模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，而各模塊的劃分和實(shí)施順序可以根據(jù)教學(xué)方法不同，進(jìn)行優(yōu)化、組合，對(duì)不同的典型參數(shù)測(cè)試與分析進(jìn)行針對(duì)性地分類(lèi)。此外，本課程模塊具備組態(tài)式的架構(gòu)，便于與相關(guān)課程進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的銜接，如機(jī)械故障診斷、過(guò)程裝備控制技術(shù)等。信號(hào)測(cè)試與處理技術(shù)的發(fā)展是日新月異的，教學(xué)中須注重知識(shí)的融合性，模塊化課程體系需要不斷吸收前沿技術(shù)最新的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究成果，逐步完善課程的模塊體系。

二、基于案例分析的模塊化教學(xué)

信號(hào)測(cè)試與處理課程中的案例應(yīng)基于現(xiàn)有的教學(xué)課時(shí)量，結(jié)合學(xué)校現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)境、工程實(shí)際和科研項(xiàng)目，在有限的案例里盡量多地反映更加全面的知識(shí)點(diǎn)。這里通過(guò)典型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)測(cè)試與信號(hào)處理為例來(lái)進(jìn)行案例分析與研究。

（一）機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析與信號(hào)測(cè)試方案設(shè)計(jì)

以SQI-MFS旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障模擬試驗(yàn)臺(tái)為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際裝配在SolidWorks中完成軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)三維建模，將裝配好的模型導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS中。模型材料選擇鋼，軸承座與大地施加固定副，軸承外圈與基座施加固定副，滾動(dòng)體與軸承外圈、內(nèi)圈及保持架施加接觸力，軸承內(nèi)圈與軸施加固定副，在導(dǎo)入的過(guò)程中設(shè)置軸承驅(qū)動(dòng)，根據(jù)運(yùn)行機(jī)理建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示。這部分內(nèi)容涉及信號(hào)測(cè)試與處理課程的前期理論學(xué)習(xí)模塊，包括工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)/機(jī)械原理、過(guò)程流體機(jī)械等，著眼于測(cè)試對(duì)象的故障機(jī)理分析和測(cè)試方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

（二）信號(hào)測(cè)試

為了進(jìn)行多參數(shù)測(cè)試示例，本案例以振動(dòng)測(cè)試為主，聲發(fā)射參數(shù)測(cè)試為輔來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。測(cè)試平臺(tái)與測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。滾動(dòng)軸承型號(hào)為MB ER-12K，在其上加工一個(gè)長(zhǎng)槽來(lái)模擬軸承外圈微小故障，設(shè)定試驗(yàn)時(shí)采樣頻率為12800Hz，采樣點(diǎn)為8192，軸的轉(zhuǎn)速為1200r/min。信號(hào)采集系統(tǒng)包括SAEU2S聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)與IOtech640U振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，傳感器包括ICP振動(dòng)傳感器與W500型聲發(fā)射傳感器。本部分為課程信號(hào)測(cè)試模塊，主要包含的知識(shí)環(huán)節(jié)有：信號(hào)的傅里葉變換、測(cè)試裝置基本特性、傳感器、測(cè)試與采樣參數(shù)設(shè)置等。測(cè)取振動(dòng)與聲發(fā)射信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行小波降噪預(yù)處理，獲得其時(shí)域與頻域信號(hào)，如圖4所示。

（三）信號(hào)分析與評(píng)估

本部分主要為課程的第一章與第五章的信號(hào)處理模塊，將獲取的振動(dòng)與聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理，從而獲取典型信號(hào)的特征指標(biāo)。軸承外圈故障信號(hào)經(jīng)過(guò)現(xiàn)代信號(hào)處理方法（EMD分析）后，獲得重構(gòu)信號(hào)的譜峭度和Hilbert包絡(luò)譜（圖5），這樣學(xué)生可以清晰地發(fā)現(xiàn)信號(hào)處理與特征分析的結(jié)果[7]。

這里可以以模塊化教學(xué)為綱，基于案例給出一系列問(wèn)題讓學(xué)生思考及討論：1. 信號(hào)測(cè)試的方案應(yīng)如何設(shè)定？包括測(cè)試裝置與測(cè)試傳感器的選用原則是什么？2. 應(yīng)選擇什么類(lèi)型的傳感器進(jìn)行測(cè)試？3. 信號(hào)采樣的參數(shù)如何設(shè)置？如何進(jìn)行信號(hào)的預(yù)處理？4. 不同類(lèi)型信號(hào)特征的提取方法如何選擇和研究？利用這些問(wèn)題一步一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科研項(xiàng)目的開(kāi)展及實(shí)際工程問(wèn)題的具體解決，從而實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生接觸工程實(shí)際，接近科技前沿的目的，將教材內(nèi)容延伸，讓學(xué)生結(jié)合前沿技術(shù)，創(chuàng)新性地開(kāi)展項(xiàng)目研究。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文著眼于培養(yǎng)應(yīng)用型人才的辦學(xué)目標(biāo)，基于過(guò)程裝備測(cè)試類(lèi)課程給出了一種基于案例的模塊化教學(xué)方法。以信號(hào)測(cè)試與處理課程為例，教學(xué)方法研究涵蓋了課程模塊的劃分、課程知識(shí)點(diǎn)的有機(jī)融合、基于案例分析的方法驗(yàn)證等部分的內(nèi)容。方法對(duì)于過(guò)程裝備類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)實(shí)施有著一定的借鑒意義和推廣價(jià)值。

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