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[摘 要] 《机械工程测试技术》是一门重要的技术基础课，针对目前教学中存在的问题和不足，以启发式教学为主线，充分调动学生积极性，促进了教学理念的转变。针对教学知识点，结合工程题目设计实验案例，激励学生自行设计和集成测试系统，增强其工程分析和实际应用能力。以科研课题为契机，增强学生在科研过程中的求知欲及创新能力，促进产学研建设的可持续性发展。
[关键词] 启发式教学；工程案例；产学研；教学改革
[中图分类号] G642.421 [文献标识码] A [文章编号] 1005-4634（2013）01-0029-03
0 引言
《机械工程测试技术》是机械类专业学生必须掌握的一门重要专业基础课，其特点在于涉及数学、物理、机械、电子技术以及计算机工程等多学科的交叉与融合[1]，因而较多学生在学习中倍感吃力，使得学习积极性大打折扣，课堂效率偏低。同时，由于传统教学过多集中于信号与测试系统分析等基础理论教学，导致学生感性认识不足，闻其声但未见其形。加之传统课程内容远远滞后于其发展，尤其近年来，测试技术在各领域中的应用深度及广度大幅度提升，使得该课程的改革势在必行。文献[2，3]对该课程教学方式提出了新的想法，确定了以学生为中心的启发式教育模式。另外，引入虚拟仪器加强实践教学改革，取得了较为显著的教学成果。但其教学方式鲜有工程案例相佐证，且缺乏科研与教学互为促进的教学模式，学生对测试的了解及认识仍停留在被动学习阶段，其创造性思维基本还源于被动激励。
鉴于此，结合近几年的教学经验，笔者提出“以工程案例和生产实践为主线的测试技术与信号处理课程教学模式”，利用良好的实验教学平台，除了教学计划内的实验外，还针对教学知识点，结合工程题目设计实验案例，让学生自己设计和集成测试系统，重点培养创造意识，增强工程分析和实际应用能力。同时，促进教学与科研相结合，将承担的国家和省部级项目的最新成果融入到教学中，提升测试技术课程教学水平和质量，旨在探索一条产学研结合，促进测试技术课程建设的新路子。
1 以启发式教学为主线，改革传统满堂灌 的教学方法
所谓启发式教学就是强调学生是学习的主体，教师要调动学生的学习积极性，实现教师主导作用与学生积极性相结合；强调学生智力的充分发展，实现系统知识的学习与智力的充分发展相结合；强调激发学生内在的学习动力，实现内在动力与学习的责任感相结合；强调理论与实践联系，实现书本知识与直接经验相结合[4]。
要调动学生的积极性，其前提是激发学生对课程的兴趣爱好。为此，在授课过程中不仅要列举大量生活实例，使得学生从频繁的使用过程中感知该课程的重要性。而且应以“问题”为起点，引导学生逐步解决实际问题。例如，在讲述前沿部分时，结合测试技术在机械工程、冶金、土木、化工等方面的广泛应用，说明该课程学习的重要意义与必要性。再列举大量学生有感性认识的实例，如鼠标、键盘、手机、话筒、相机、冰箱、汽车等是如何控制的，又是用到了哪些传感器。最后让学生从众多实例中总结出测试系统组成结构，并提示学生输入信号一般不为电信号而输出信号一般为电信号。对此，多数学生会认为传感器是连接被测信号与输出信号的纽带，且视其为唯一关键装置。鉴于此，引导学生思考如何处理传感器输送的噪声信号以及其它干扰信号，从而引发他们极大的兴趣，之后画出测试系统组成示意图（图1）供学生讨论。这些实例可大大激发学生的学习兴趣。在讲解测试系统动态特性时，可通过演示滑动变阻器的工作原理向学生提问激励与响应的关系，并要求学生用所学《机械控制理论》相关知识建立系统动力学模型，并求出传递函数。而在讲解信号频域分析前，首先让学生对简单周期信号的时域图进行分析并获得其频域特性，再以探寻非周期信号的频域图为主线引导学生思考。
值得注意的是，启发式教育并不是一种单一的教学方法，也是师生沟通的重要手段。在传统教学过程中，多数老师以书本为中心，强调学生对书本知识的利用程度。实际情况下，《机械工程测试技术》课程较为艰涩难懂，教师在授课过程中应及时与学生沟通，了解学生思想动态，掌握其难学的症结所在，并多鼓励学生走上讲台，采取学生互评与师生互评相结合的方法使得课程严肃而不失活泼，充分调动学生学习的积极性。另外，还应结合不同专业特点阐述测试系统原理及应用。如对机械电子工程专业学生应重点讲解传感器在机床、PLC等方面的应用，在面对机械设计制造及其自动化专业的学生时应主要介绍在工艺设计、公差与配合方面如何选择传感器，而在给材料成型专业学生授课时应集中于分析模具设计过程与材料检测中所应用的测试系统。这一方面要求教师需提高自身科学文化知识，另一方面则在于主动与学生沟通，了解不同专业学生学习的特点。
2 采用以工程案例和生产实践为主线的课 程教学模式
利用良好的试验教学平台，除了教学计划内的实验外，还应针对教学知识点，结合工程题目设计实验案例，让学生自己设计和集成测试系统，重点培养创造意识，增强工程分析和实际应用能力。如在监测汽车传动轴转速的工程案例中，让学生利用所学知识先选择传感器并说明其依据，然后结合各特点从中挑选几种典型测量传动轴转速的传感器，从可行性、精确性、经济成本及便利程度等方面进行讲解并选择其中较为合理的传感器。再以此诱发学生通过对激励与响应的分析建立测试系统的简易数学模型，并分析其时频特征。再如，讲解连续油管椭圆度测量时，提出油管在长时间工作下会受到流体重力及切应力作用，继而引发油管纵向扩张和横向收缩，从而导致油管截面变形（图2a）。在阐明油管失效机理后提出“如何检测油管外壁的椭圆度”的问题，并提醒学生首先考虑用何种传感器。学生在讨论中极有可能把所学传感器都列举出来，这种头脑风暴式的想法逻辑性较差。为此，提示学生油管椭圆度工程检测中要测的是何种物理量。这样，学生即可分析出为位移，再提示学生继续思考，并结合粗糙度检测工艺引发学生参与讨论。这样部分学生会联想到涡流传感器，并提示学生粗糙度检测一般为平面，但本文椭圆度检测为圆周面。通过层层深入挖掘、分析，最后提出油管椭圆度检测方案之一，如图2b所示。 在讲解大型钢结构桥梁时，首先让学生分析危险截面所在之处，继而促使学生思考如何贴应变片以测量危险截面处的弯矩，并引导学生思考整个测试系统频率响应函数的建立方法。另外，在分析功率谱时，多数学生误将其峰值视为具有最大振荡幅值所对应的信号，实则不然，功率谱中峰值处对应的信号只能说明其平均能量最大，但其振荡峰值却未必最高，这可以通过讲解测量射流中心速度的方法而使问题明晰。
显然，通过工程案例的讲解，不仅加深了学生对电阻应变式传感器、桥电路、A/D 转换器和微处理器等的理解，而且有助于其掌握测试系统设计的基本过程，培养综合运用知识的能力。
3 促进教学与科研相结合，增强学生创新 能力
将承担科研项目的最新成果融入到研究生及本科教学中，提升测试技术课程教学水平和质量。培养为地方经济建设服务的意识，旨在探索一条产学研结合、促进测试技术课程建设的新路子。
下面以笔者承担的省级科研项目（脉冲气液射流辅助钻孔水力开采的机理及过程研究）为例分析气液射流打击力测试的方法。在授课过程中，首先向学生介绍水射流打击力实质为射流自身垂直冲击于压力传感器上的滞止压力，再由压力传感器将其转化为电信号并输送至SD150信号分析系统上的测试过程，然后结合第三章《测量装置的基本特性》与第四章《常用的测量方法、器具及传感器》相关知识[5]，分析整个测试系统的工作原理及关键过程。其测试原理图如图3。
试验中，为获得射流轴心速度，设置靶盘上小孔直径尽量小，为0.5mm，并与射流轴心对准。这样，由喷嘴产生的气液射流轴心部分垂直打击于压力传感器上表面，再依次通过信号放大器与信号采集卡，最终由SD150动态信号分析系统处理。在测试过程中，激励为射流的打击力，响应为输出终端电压，中间整个环节均为测试系统。在讲述完这些问题后，让学生讨论测试系统是否为线性。若学生对此理解有困难，再提出将整个测试系统划分为两部分引导学生思考，第一部分为压力传感器，第二部分为信号放大器至SD150分析系统。接着让学生根据压力传感器说明书上的幅频特性自己分析其线性特性以及可测量的频率范围，并判断何为激励、何为响应。最后引发学生思考“第二部分测试系统是否为线性装置，如何验证？”通过这些科研实例的讲解与分析，不仅诱发出学生学习的积极性，还极大地培养了学生对科研的热情，同时对老师的科研水平也会起到较好的促进作用。
为提高学生的学习积极性与创造性，还可据此提出问题“该方法在测量射流打击力时有何难点，装置可靠性是否能够保证，是否还存在与之不同的测试方法？”在讨论过程中提示学生思考靶盘上小孔的直径和深度是否会对测试有影响，多数学生可以分析得出射流在喷射入小孔后与压力传感器撞击形成的高速水渍会干扰主射流，甚至会引发新的涡量脉动。为解决上述难题，笔者提示学生考虑用压电传感器测振动的方法分析，即将射流冲击于悬臂梁并由压电传感器测量梁的振动而间接获得射流的时频特性，其原理图如图4所示。
在分析完上述测试系统组成部分（由悬臂梁系统、加速度传感器与振动分析仪串联组成）后，学生对此可能会提出打击力的峰值与振动分析仪数显峰值如何对应的问题。此时，恰好可以让学生思考激励与响应的定量分析问题，并说明如何标定。经过一段时间的互动思考，笔者再提出以实践教学环节所用电动激励器为激励源来检验整个测试系统的线性度。最后提出悬臂梁的结构如何选择的问题，并通过材料力学弯矩相关知识予以提示，到此可能会有部分学生会考虑到选择等强度梁，教师可让学生对此进行解释。相信通过这些实例讲解与循序渐进的激励机制，学生对测试技术的学习不再感到晦涩难懂，而且创造性思维也会得到极大增强，同时老师在与学生的交流中也会碰撞激发出科研灵感与创新动力。
4 结束语
《机械工程测试技术》是一门重要的技术基础课，它在培养学生、改造专业和促进科技发展方面有重要作用。
本文在传统教学的基础上，结合笔者自身教学改革实践经验，以启发式教学为主线，充分调动学生积极性，化被动学习为主动求知，促进了教学理念的转变；提出“以工程案例和生产实践为主线的课程教学模式”，利用良好的试验教学平台，除了教学计划内的实验外，还针对教学知识点，结合工程题目设计实验案例，让学生自己设计和集成测试系统，重点培养创造意识，增强工程分析和实际应用能力；将科研课题融入教学以推进两者紧密结合，使得学生在科研过程中增强自身的求知欲及创新能力，同时也可促进老师的研发水平。
参考文献
[1]张凤生，王海峰，等.机械工程测试技术课程教学改革与实践[J].教学研究，2012，35（1）：92-94.
[2]张志刚，石晓辉，等.《机械工程测试技术》课程理论教学的改革与创新[J].技创新导报，2011，（23）：147-148.
[3]张建立，马泳涛，等.《机械工程测试技术基础》教学方法研究[J].企业技术开发，2012，29（13）：157-158.
[4]曹长德.启发式教学论[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2011：10-50.
[5]黄长艺，卢文祥，等.机械工程测量与试验技术[M].北京：机械工业出版社，2000：43-92.
[关键词] 启发式教学；工程案例；产学研；教学改革
[中图分类号] G642.421 [文献标识码] A [文章编号] 1005-4634（2013）01-0029-03
0 引言
《机械工程测试技术》是机械类专业学生必须掌握的一门重要专业基础课，其特点在于涉及数学、物理、机械、电子技术以及计算机工程等多学科的交叉与融合[1]，因而较多学生在学习中倍感吃力，使得学习积极性大打折扣，课堂效率偏低。同时，由于传统教学过多集中于信号与测试系统分析等基础理论教学，导致学生感性认识不足，闻其声但未见其形。加之传统课程内容远远滞后于其发展，尤其近年来，测试技术在各领域中的应用深度及广度大幅度提升，使得该课程的改革势在必行。文献[2，3]对该课程教学方式提出了新的想法，确定了以学生为中心的启发式教育模式。另外，引入虚拟仪器加强实践教学改革，取得了较为显著的教学成果。但其教学方式鲜有工程案例相佐证，且缺乏科研与教学互为促进的教学模式，学生对测试的了解及认识仍停留在被动学习阶段，其创造性思维基本还源于被动激励。
鉴于此，结合近几年的教学经验，笔者提出“以工程案例和生产实践为主线的测试技术与信号处理课程教学模式”，利用良好的实验教学平台，除了教学计划内的实验外，还针对教学知识点，结合工程题目设计实验案例，让学生自己设计和集成测试系统，重点培养创造意识，增强工程分析和实际应用能力。同时，促进教学与科研相结合，将承担的国家和省部级项目的最新成果融入到教学中，提升测试技术课程教学水平和质量，旨在探索一条产学研结合，促进测试技术课程建设的新路子。
1 以启发式教学为主线，改革传统满堂灌 的教学方法
所谓启发式教学就是强调学生是学习的主体，教师要调动学生的学习积极性，实现教师主导作用与学生积极性相结合；强调学生智力的充分发展，实现系统知识的学习与智力的充分发展相结合；强调激发学生内在的学习动力，实现内在动力与学习的责任感相结合；强调理论与实践联系，实现书本知识与直接经验相结合[4]。
要调动学生的积极性，其前提是激发学生对课程的兴趣爱好。为此，在授课过程中不仅要列举大量生活实例，使得学生从频繁的使用过程中感知该课程的重要性。而且应以“问题”为起点，引导学生逐步解决实际问题。例如，在讲述前沿部分时，结合测试技术在机械工程、冶金、土木、化工等方面的广泛应用，说明该课程学习的重要意义与必要性。再列举大量学生有感性认识的实例，如鼠标、键盘、手机、话筒、相机、冰箱、汽车等是如何控制的，又是用到了哪些传感器。最后让学生从众多实例中总结出测试系统组成结构，并提示学生输入信号一般不为电信号而输出信号一般为电信号。对此，多数学生会认为传感器是连接被测信号与输出信号的纽带，且视其为唯一关键装置。鉴于此，引导学生思考如何处理传感器输送的噪声信号以及其它干扰信号，从而引发他们极大的兴趣，之后画出测试系统组成示意图（图1）供学生讨论。这些实例可大大激发学生的学习兴趣。在讲解测试系统动态特性时，可通过演示滑动变阻器的工作原理向学生提问激励与响应的关系，并要求学生用所学《机械控制理论》相关知识建立系统动力学模型，并求出传递函数。而在讲解信号频域分析前，首先让学生对简单周期信号的时域图进行分析并获得其频域特性，再以探寻非周期信号的频域图为主线引导学生思考。
值得注意的是，启发式教育并不是一种单一的教学方法，也是师生沟通的重要手段。在传统教学过程中，多数老师以书本为中心，强调学生对书本知识的利用程度。实际情况下，《机械工程测试技术》课程较为艰涩难懂，教师在授课过程中应及时与学生沟通，了解学生思想动态，掌握其难学的症结所在，并多鼓励学生走上讲台，采取学生互评与师生互评相结合的方法使得课程严肃而不失活泼，充分调动学生学习的积极性。另外，还应结合不同专业特点阐述测试系统原理及应用。如对机械电子工程专业学生应重点讲解传感器在机床、PLC等方面的应用，在面对机械设计制造及其自动化专业的学生时应主要介绍在工艺设计、公差与配合方面如何选择传感器，而在给材料成型专业学生授课时应集中于分析模具设计过程与材料检测中所应用的测试系统。这一方面要求教师需提高自身科学文化知识，另一方面则在于主动与学生沟通，了解不同专业学生学习的特点。
2 采用以工程案例和生产实践为主线的课 程教学模式
利用良好的试验教学平台，除了教学计划内的实验外，还应针对教学知识点，结合工程题目设计实验案例，让学生自己设计和集成测试系统，重点培养创造意识，增强工程分析和实际应用能力。如在监测汽车传动轴转速的工程案例中，让学生利用所学知识先选择传感器并说明其依据，然后结合各特点从中挑选几种典型测量传动轴转速的传感器，从可行性、精确性、经济成本及便利程度等方面进行讲解并选择其中较为合理的传感器。再以此诱发学生通过对激励与响应的分析建立测试系统的简易数学模型，并分析其时频特征。再如，讲解连续油管椭圆度测量时，提出油管在长时间工作下会受到流体重力及切应力作用，继而引发油管纵向扩张和横向收缩，从而导致油管截面变形（图2a）。在阐明油管失效机理后提出“如何检测油管外壁的椭圆度”的问题，并提醒学生首先考虑用何种传感器。学生在讨论中极有可能把所学传感器都列举出来，这种头脑风暴式的想法逻辑性较差。为此，提示学生油管椭圆度工程检测中要测的是何种物理量。这样，学生即可分析出为位移，再提示学生继续思考，并结合粗糙度检测工艺引发学生参与讨论。这样部分学生会联想到涡流传感器，并提示学生粗糙度检测一般为平面，但本文椭圆度检测为圆周面。通过层层深入挖掘、分析，最后提出油管椭圆度检测方案之一，如图2b所示。 在讲解大型钢结构桥梁时，首先让学生分析危险截面所在之处，继而促使学生思考如何贴应变片以测量危险截面处的弯矩，并引导学生思考整个测试系统频率响应函数的建立方法。另外，在分析功率谱时，多数学生误将其峰值视为具有最大振荡幅值所对应的信号，实则不然，功率谱中峰值处对应的信号只能说明其平均能量最大，但其振荡峰值却未必最高，这可以通过讲解测量射流中心速度的方法而使问题明晰。
显然，通过工程案例的讲解，不仅加深了学生对电阻应变式传感器、桥电路、A/D 转换器和微处理器等的理解，而且有助于其掌握测试系统设计的基本过程，培养综合运用知识的能力。
3 促进教学与科研相结合，增强学生创新 能力
将承担科研项目的最新成果融入到研究生及本科教学中，提升测试技术课程教学水平和质量。培养为地方经济建设服务的意识，旨在探索一条产学研结合、促进测试技术课程建设的新路子。
下面以笔者承担的省级科研项目（脉冲气液射流辅助钻孔水力开采的机理及过程研究）为例分析气液射流打击力测试的方法。在授课过程中，首先向学生介绍水射流打击力实质为射流自身垂直冲击于压力传感器上的滞止压力，再由压力传感器将其转化为电信号并输送至SD150信号分析系统上的测试过程，然后结合第三章《测量装置的基本特性》与第四章《常用的测量方法、器具及传感器》相关知识[5]，分析整个测试系统的工作原理及关键过程。其测试原理图如图3。
试验中，为获得射流轴心速度，设置靶盘上小孔直径尽量小，为0.5mm，并与射流轴心对准。这样，由喷嘴产生的气液射流轴心部分垂直打击于压力传感器上表面，再依次通过信号放大器与信号采集卡，最终由SD150动态信号分析系统处理。在测试过程中，激励为射流的打击力，响应为输出终端电压，中间整个环节均为测试系统。在讲述完这些问题后，让学生讨论测试系统是否为线性。若学生对此理解有困难，再提出将整个测试系统划分为两部分引导学生思考，第一部分为压力传感器，第二部分为信号放大器至SD150分析系统。接着让学生根据压力传感器说明书上的幅频特性自己分析其线性特性以及可测量的频率范围，并判断何为激励、何为响应。最后引发学生思考“第二部分测试系统是否为线性装置，如何验证？”通过这些科研实例的讲解与分析，不仅诱发出学生学习的积极性，还极大地培养了学生对科研的热情，同时对老师的科研水平也会起到较好的促进作用。
为提高学生的学习积极性与创造性，还可据此提出问题“该方法在测量射流打击力时有何难点，装置可靠性是否能够保证，是否还存在与之不同的测试方法？”在讨论过程中提示学生思考靶盘上小孔的直径和深度是否会对测试有影响，多数学生可以分析得出射流在喷射入小孔后与压力传感器撞击形成的高速水渍会干扰主射流，甚至会引发新的涡量脉动。为解决上述难题，笔者提示学生考虑用压电传感器测振动的方法分析，即将射流冲击于悬臂梁并由压电传感器测量梁的振动而间接获得射流的时频特性，其原理图如图4所示。
在分析完上述测试系统组成部分（由悬臂梁系统、加速度传感器与振动分析仪串联组成）后，学生对此可能会提出打击力的峰值与振动分析仪数显峰值如何对应的问题。此时，恰好可以让学生思考激励与响应的定量分析问题，并说明如何标定。经过一段时间的互动思考，笔者再提出以实践教学环节所用电动激励器为激励源来检验整个测试系统的线性度。最后提出悬臂梁的结构如何选择的问题，并通过材料力学弯矩相关知识予以提示，到此可能会有部分学生会考虑到选择等强度梁，教师可让学生对此进行解释。相信通过这些实例讲解与循序渐进的激励机制，学生对测试技术的学习不再感到晦涩难懂，而且创造性思维也会得到极大增强，同时老师在与学生的交流中也会碰撞激发出科研灵感与创新动力。
4 结束语
《机械工程测试技术》是一门重要的技术基础课，它在培养学生、改造专业和促进科技发展方面有重要作用。
本文在传统教学的基础上，结合笔者自身教学改革实践经验，以启发式教学为主线，充分调动学生积极性，化被动学习为主动求知，促进了教学理念的转变；提出“以工程案例和生产实践为主线的课程教学模式”，利用良好的试验教学平台，除了教学计划内的实验外，还针对教学知识点，结合工程题目设计实验案例，让学生自己设计和集成测试系统，重点培养创造意识，增强工程分析和实际应用能力；将科研课题融入教学以推进两者紧密结合，使得学生在科研过程中增强自身的求知欲及创新能力，同时也可促进老师的研发水平。
参考文献
[1]张凤生，王海峰，等.机械工程测试技术课程教学改革与实践[J].教学研究，2012，35（1）：92-94.
[2]张志刚，石晓辉，等.《机械工程测试技术》课程理论教学的改革与创新[J].技创新导报，2011，（23）：147-148.
[3]张建立，马泳涛，等.《机械工程测试技术基础》教学方法研究[J].企业技术开发，2012，29（13）：157-158.
[4]曹长德.启发式教学论[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2011：10-50.
[5]黄长艺，卢文祥，等.机械工程测量与试验技术[M].北京：机械工业出版社，2000：43-92.