丁 叢， 高發(fā)興， 樸鐘宇

（浙江工業(yè)大學機械工程學院，杭州 310023）

0 引言

新時代新形勢，改革開放和社會主義現(xiàn)代化建設、促進人的全面發(fā)展和社會全面進步對教育和學習提出了新的且更高的要求［1］。我國教育部提出“雙一流專業(yè)”計劃，即建設面向未來、適應需求、引領發(fā)展、理念先進、保障有力的一流專業(yè)為目標，實施一流專業(yè)建設，建設1 萬個國家級一流本科專業(yè)點和1 萬個省級一流本科專業(yè)點［2］。我國高等教育更加關注和注重創(chuàng)新應用型人才培養(yǎng)，這就要求當代大學生具備運用所學知識與技能解決實際工程問題的能力。然而，這種工程實踐能力的培養(yǎng)是高等教育中最薄弱的環(huán)節(jié)和最棘手的問題之一。實驗教學是學生將理論知識與工程應用有機結(jié)合并有效轉(zhuǎn)換的重要支撐，是鍛煉與培養(yǎng)學生解決實際工程問題的關鍵環(huán)節(jié)［3-4］。因此，實驗教學改革無論是對學科建設還是對學生工程實踐能力培養(yǎng)都顯得至關重要。

隨著機電一體化技術的迅速發(fā)展，工程測試技術越來受到人們關注與重視?！肮こ虦y試技術”是從事機械工程行業(yè)的工程師必須掌握的一門實踐性很強的技術［5］。在高校機械類專業(yè)中，普遍把“工程測試技術”作為本科生和研究生必修的一門專業(yè)基礎課，作為培養(yǎng)學生科學研究和實驗研究能力的理論基礎和必要的技能訓練［6］。通常學生可以較容易地掌握測試技術理論知識，但很難將理論知識與科學實踐相結(jié)合，更難于工程運用。而實驗教學是與理論課程緊密聯(lián)系的實踐活動，是連接學習與實際工作的橋梁，有助于學生直觀地掌握理論知識，并將知識付諸工程實踐［7-8］。

因此，開設工程測試技術實驗教學至關重要。然而，傳統(tǒng)的實驗教學模式已出現(xiàn)明顯弊端，很難促進學生的科學研究能力、工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，必須進行教學模式改革與創(chuàng)新［9］。

1 工程測試技術實驗教學現(xiàn)狀

工程測試技術是一門多學科交叉的課程，不僅涉及的知識面廣，其理論性也很強，學生學習與掌握該門課程的難度系數(shù)較高。為了提升學生對本課程的興趣，提升教學效果，更是為了培養(yǎng)學生具備一定的工程實踐能力，開設一門工程測試實驗課程。然而，在實驗教學中普遍存在以下問題：

（1）部分實驗教學內(nèi)容陳舊。目前，測試技術實驗課內(nèi)容主要包含：應變片及電橋電路實驗、差動變壓器實驗、電渦流傳感器和懸臂梁動態(tài)特性測試。這些實驗內(nèi)容存在多年未更新問題，缺少對學生綜合能力培養(yǎng)，以及指導教師講得多學生實際操作環(huán)節(jié)較少的問題。另外，實驗大多采用驗證性和演示性的教學模式［10，11］，在一定程度上有利于鍛煉學生掌握基本操作的能力和強化學生對實驗原理的理解，但是，與培養(yǎng)學生獨立的實驗研究能力的目標還存在很大差距。

（2）理論知識很難付諸實踐。在實驗操作過程中，絕大多數(shù)學生根據(jù)實驗指導書中實驗步驟按部就班地進行設備接線?；蛘撸凑諏嶒炛笇Ы處煹难菔尽罢蘸J畫瓢”地進行相關操作，很多學生知其然而不知其所以然。實驗教學內(nèi)容主要是針對電橋、差動變壓器、電渦流傳感器和壓電傳感器的工作原理與特性進行探討，實驗目的主要是加深學生對理論知識的理解。但是，這些傳感器在工程中如何安裝、如何使用以及它們的目的是什么，學生很難從實驗課中獲取。

（3）理論與工程實踐脫節(jié)現(xiàn)象較嚴重?！肮こ虦y試技術”理論知識相對較零散，章與章之間銜接性較弱。實驗教學中幾乎沒有與實際工程應用相關的實驗測試環(huán)節(jié)，導致學生在專業(yè)理論知識運用到工程實際方面的能力十分薄弱［12-13］。此外，部分實驗環(huán)節(jié)的正確實驗結(jié)果基本已知，使得部分學生機械式拼湊正確的實驗結(jié)果，缺乏執(zhí)行實驗的主觀能動性。

（4）學生對實驗的參與度不強［14-15］。在實驗教學中，學生通常以分組形式進行，每組一般有4 或5 名學生。由于學生很少主動提前預習實驗內(nèi)容，或?qū)碚撝R掌握程度較低，或很難將理論知識與實驗內(nèi)容有機聯(lián)系［12］，致使學生缺乏對實驗內(nèi)容的興趣，缺乏主動性，不愿意或不積極參與到實驗中去。

上述諸多問題的核心是，實驗課與工程實際問題存在嚴重脫節(jié)現(xiàn)象，學生無法認知實驗課的真正意義和重要性所在，以及“工程測試技術”在工程領域的應用價值。

2 工程測試技術實驗教學改革方案

2.1 更新實驗教學內(nèi)容

基于OBE教育理念，增設“基礎型實驗”“綜合型實驗”和“分析研究型實驗”3 個環(huán)環(huán)相扣且層層遞進的實驗教學內(nèi)容。保留工程測試技術實驗教學原有的教學大綱內(nèi)容，并作為“基礎型實驗”內(nèi)容。即將原有4 個實驗“實驗1。應變片及電橋電路實驗”“實驗2。差動變壓器實驗”“實驗3。電渦流傳感器”“實驗4。懸臂梁動態(tài)特性測試”，作為“基礎型實驗”的教學內(nèi)容。主要目的是強化學生對工程測試技術理論知識的理解，了解不同傳感器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理和性能。

“綜合型實驗”主要教學內(nèi)容為：了解數(shù)據(jù)采集卡和力矩傳感器的功能與安裝，安裝振動傳感器、溫度傳感器和聲音傳感器，操作工程項目裝備（摩擦磨損試驗機），以及通過多種傳感器采集不同信號?！熬C合型實驗”實現(xiàn)將零散知識點整合化，將專業(yè)理論知識與工程實踐結(jié)合起來。主要目的是培養(yǎng)學生的自主動手操作能力、獨立思考和解決問題的能力。從而提升學生對工程測試技術的深入學習興趣，使其明確工程測試技術的工程應用價值。

“分析研究型實驗”主要內(nèi)容為：了解LabVIEW分析控制軟件的功用，運用Matlab 軟件對傳感器采集的原始信號進行初步濾波處理，分析力信號、振動信號、溫度信號和聲音信號的特性及相互之間的關聯(lián)?！胺治鲅芯啃蛯嶒灐睂儆谶M階實驗，在“基礎型實驗”與“綜合型實驗”的基礎上，要求學生初步掌握相關分析軟件，掌握信號分析與處理的相關方法，拓展學生知識面，培養(yǎng)學生的分析問題、解決問題等科學研究能力。

2.2 搭建工程項目實驗平臺

為實現(xiàn)“綜合型實驗”教學目的，在摩擦磨損試驗機平臺上搭建工程項目實驗平臺。實驗原理是通過給環(huán)-盤摩擦副施加一定的載荷和轉(zhuǎn)速，使其進行旋轉(zhuǎn)運動，摩擦副接觸表面間會產(chǎn)生力信號、溫度信號、聲音信號和振動信號。這些信號通過相應的傳感器進行采集，傳感器的安裝方式如圖1 所示，三軸力傳感器安裝在加載裝置的下方，溫度傳感器安裝在試樣盤內(nèi)距上表面1 mm 的安裝孔內(nèi)，聲音傳感器安裝在距離摩擦副10 mm位置，振動傳感器安裝在盤夾具下方。

圖1 工程項目實驗平臺示意圖

工程測試技術理論教學和實驗教學是在大三階段進行的，在該階段，大三學生已經(jīng)學習了機械設計這門專業(yè)課程，該課程有一章內(nèi)容專門介紹摩擦學理論、摩擦磨損3 個階段以及磨損類型等知識點，學生對摩擦磨損現(xiàn)象有一定的了解，因此，以摩擦磨損試驗平臺作為載體是具有可行性的。為了強化學生對摩擦磨損問題的認識，在實驗前要求學生提前復習該部分內(nèi)容，并學習課前布置的與摩擦磨損相關的文獻，有益于學生自主拓展。此外，以摩擦磨損實驗平臺為載體的另一個重要原因是，摩擦磨損問題是工程裝備中不可避免的難題，可以作為實驗課程中討論環(huán)節(jié)的一個探討問題。

2.3 建立信號處理與分析系統(tǒng)

為實施“分析研究型實驗”教學內(nèi)容，基于LabVIEW軟件開發(fā)工程項目實驗平臺控制與信號采集系統(tǒng)，以及運用Matlab 軟件中小波分析工具箱（WaveletAnalyzer）進行信號處理與分析。如圖2 所示，實驗平臺控制與信號采集系統(tǒng)主要包含參數(shù)設置、數(shù)據(jù)保存和信號顯示。數(shù)據(jù)設置模塊主要包含實驗的法向載荷、旋轉(zhuǎn)速度、傳感器采樣頻率和摩擦副的磨損直徑。數(shù)據(jù)保存模塊主要包含數(shù)據(jù)保存路徑、實驗時間設置和采樣倒計時。信號顯示模塊主要用于實時在線顯示摩擦力信號、溫度信號、聲音信號和振動信號。

圖2 工程實驗平臺控制與信號顯示系統(tǒng)

運用Matlab 軟件中小波分析工具箱（WaveletAnalyzer）進行信號處理與分析，首先打開如圖3 所示的WaveletAnalyzer 工具箱，然后進入一維小波離散變換Wavelet 1-D界面，選用Daubechies（db）方法對采集的原始信號進行降噪處理，如圖4 所示。處理之后，對力信號、溫度信號、聲音信號和振動信號特征，以及不同信號之間的關聯(lián)特性進行分析。

圖3 小波分析工具箱界面

圖4 信號處理界面

2.4 實驗操作流程

實驗教學采用小班教學模式，每次實驗課學生不多于30 人，4 或5 人為一組，整體實驗流程為：①每組先按照指導教師的講解進行“基礎型實驗”，了解傳感器的基本結(jié)構(gòu)組成和原理；②進行“綜合型實驗”，指導教師講解摩擦磨損試驗機的組成和基本原理，演示實驗，接著每組學生分工協(xié)作安裝傳感器、設置實驗參數(shù)、采集相應信號并進行保存；通過該部分實際工程操作，鍛煉學生自己獨立動手能力、工程實踐能力，明確專業(yè)知識在工程實踐中的應用；③進行“分析研究型實驗”，指導教師向?qū)W生講解小波降噪信號處理的原理，學生把數(shù)據(jù)拷貝后回到圖書館或教室，鞏固工程測試技術中信號處理與分析相關理論知識，然后對采集到的原始信號進行處理與分析；通過該部分分析研究訓練，培養(yǎng)學生的分析問題、解決問題的科學研究能力；④學生整合數(shù)據(jù)，給出原始數(shù)據(jù)與處理后數(shù)據(jù)的時間序列圖，并進行實驗報告整理與撰寫，回答相關拓展思考題。

2.5 討論環(huán)節(jié)與實踐

實驗操作與實驗報告完成后，增設一個以小組形式進行的討論環(huán)節(jié)，小組成員自由組合，每組8 人左右。討論環(huán)節(jié)主要分為兩個部分，①老師提出1 或2個問題讓學生們進行討論，問題如：體重秤是利用什么類型傳感器測量體重的？電子溫度計的工作原理是什么？該部分主要起到引導式教學作用。②針對實驗內(nèi)容及在摩擦磨損試驗裝置上進行的科研實踐中問題進行探討，最終每一小組給出期望進一步探索的科學問題。組織學生自行撰寫一份實驗方案，自主式進行實驗。最終，根據(jù)學生提出問題的科學性、實驗方案合理性、實驗操作規(guī)范性，對學生的創(chuàng)新實踐能力進行評判。

另外，可以嘗試將工程測試技術實驗教學環(huán)節(jié)嵌入到大三的暑期工程實踐中。不僅彌補學生對階段式學習知識的遺忘，更注重培養(yǎng)學生在工程生產(chǎn)中將所學知識付諸實踐的能力。

討論環(huán)節(jié)與實踐緊扣OBE理念，注重學習成果產(chǎn)出，該成果是學生自主式探索獲取的成果，不僅具有鮮明的個性化特色，更具有挑戰(zhàn)性，充分鍛煉學生的團隊協(xié)作能力，發(fā)展協(xié)同教學，注重知識整合，引導學生深度學習。

3 結(jié)語

本文針對工程測試技術實驗教學提出的“基礎型實驗-綜合型實驗-分析研究型實驗”新模式的改革方案，很好地將專業(yè)理論知識與工程實踐聯(lián)系起來，具體的優(yōu)勢在于：更新了實驗教學內(nèi)容，增加了工程實驗項目、信號分析環(huán)節(jié)，3 個實驗內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，層層遞進，將零散的理論知識進行了良好整合。改變了傳統(tǒng)實驗教學模式，更加突出了學生在實驗教學環(huán)節(jié)的重要性?；贠BE教學理念，增設了討論環(huán)節(jié)和具有一定挑戰(zhàn)性的自主實踐環(huán)節(jié)。新實驗教學模式促使學生在實驗過程中鞏固專業(yè)理論知識、明確理論知識在實際工程中的應用價值，拓展了學生的知識面，提升了學生對相關專業(yè)知識學習的興趣，培養(yǎng)了學生的實驗研究能力、科學研究能力、工程實踐素質(zhì)和能力、創(chuàng)新能力，提升了學生的自學能力、學習態(tài)度、動手能力、團隊協(xié)作能力，最終，達成培養(yǎng)學生的綜合應用能力的目標。

·名人名言·

實驗室和發(fā)明是兩個有密切關系的名詞，沒有實驗室，自然科學就會枯萎；科學家一經(jīng)離開了實驗室，就變成戰(zhàn)場上繳了械的戰(zhàn)士。

——巴斯德