工程案例教学在《机械工程测试技术》中的应用

2010-06-22李冰

装备制造技术 2010年8期

李冰

（广西工学院机械工程系，广西柳州545006）

长期以来，我们的教育模式所沿袭的，基本上是研究型人才的培养模式，特别是在应试教育思想及“以传授知识为主”的教育观的深远影响下，教师大体采用并且习惯于按照教学培养方案“满堂灌”或“填鸭式”的讲授知识。而在这种教育模式下培养出来的高校学子，视野常被局限在独立的科学技术范围内，他们对工程现场所知甚少，缺乏工程背景而使得知识点的学习抽象化，所学学科之间缺乏系统化而各自独立，综合分析问题及工程实践能力过于低下。

笔者所教授的《机械工程测试技术》是机械类专业的主干课程，该课程以信号的描述和分析方法，测试仪器的介绍、测试方法的评价及信号的分析、处理为核心内容，力求让学生能够在实际应用中正确选择测试装置，搭建合理的测试系统，通过对所获取信号的分析及处理定量描述事件的特性及品质。该课程涉及知识面广，理论分析抽象复杂，实践性较强，是培养学生分析解决实际问题能力的重要教学课程。然而，经过一段时间的授课，体会到之前所承袭的教学模式，学生仅是知识的被动接受者。学生对所授课的内容经常感到困惑——“我学的这些理论知识，有用吗？在什么地方用的上？怎么用呢？”

如果授课仍然按照传统的培养模式，脱离工程，脱离实际，必将加剧学生的困惑，从而打击他们学习的积极性和主动性，甚至导致部分学生关心的只是考试，使整体学风下降。

“师者，所以传道授业解惑也”，而“解惑”仅仅局限在解答学生对某一授课知识点的疑惑，未免局限了“师者”的含义。如何让学生明白理论知识学习的意义，达到学以致用的教学效果，当然是我们这些“师者”责无旁贷的任务。本文正是基于这个出发点，在《机械工程测试技术》课程教学中，进行了一些新的探索和尝试，将工程大背景引入教学环节，借助真实工程案例的针对性、直观性、典型性与实际联系密切等特点，缩短了理论教学与实际生产的距离，从而体现了面向工程观的教育理念。

1 工程案例教学

案例教学法，最早可以追溯到古希腊、古罗马时代。近代案例教学法（Case Study）于1870年由当时担任美国哈佛大学法学院院长的克里斯托弗·哥伦姆布斯·朗道尔（Christopher Columbus Langdel1）教授创立[1]。所谓工程案例教学法，是指将真实工程案例引入教学过程形成的教学平台。而工程案例是指为了一定的教学目的，围绕某几个问题，将工程现场所发生的客观事实作为为素材，并进行概括、整理、描述，最终形成可用于教学课堂交流或探讨的材料。

2 工程案例教学的实践过程

2.1 课前案例的收集与选择

工程案例取材于工程实践，案例的获取大致包括以下两种形式：

一是通过工程实践。直接渠道是授课教师的科研实践或指导学生实习的实践。在技术服务和科研课题中所积累的丰富的经验和素材，在指导学生课程实习和毕业实习过程中，有意识地收集工程案例素材。

二是通过调研获取第二手案例即间接渠道，由往届毕业生的工作实践整理反馈，指导教师充分消化吸收后备用。

授课教师必须对所收集的案例充分了解，熟悉案例过程，把握案例精髓，掌握案例细节，以确保授课过程中可以进行主导讨论。

案例素材收集后，应根据教学的目的和要求进行案例选择。案例的选择，应能适应教学目的，突出难点、重点，能促使学生运用所学理论，特别是不同理论综合起来解决工程实际问题，培养学生解决问题的思维方式，最终使学生对所学课程的理论知识加深理解，提高分析及解决问题的能力。

2.2 课上案例的引入与讨论

利用案例法教学时，首先应注重理论知识系统化教授。《机械工程测试技术》课程章节众多[2]，初学的学生乍看之下，觉得内容繁杂、抽象，很容易丧失学习的兴趣。而作为授课教师，应先将这些看似繁杂的内容进行梳理，力图找出一条清晰的内容连线，从而使理论知识系统化。细分析下不难发现，这些章节之间的联系密切，正是构成测试系统的主要组成部分。一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置3部分组成，因此，我们不妨将各章节内容对号入座梳理系统关系（如图1所示）。

图1 各章节关系图

通过信号及其描述来描述测试系统的被测物理量，选择合理传感器实现信息的转换，通过信号调理电路完成非电量到电量的转换，经由信号处理完成信息的提取并最终记录显示。当然所搭建的测试系统是否合理、能不能真实反映实际情况，就必须借助测试装置的基本特性进行不失真条件判断及合理性评价。学会了搭建测试系统，就可以进行常见物理量的测试，包括：位移、振动、声音、应变、力、扭矩、流体参量等，最终探讨随着计算机技术的不断发展而产生发展的虚拟仪器。

随着理论知识的不断深入，学生便开始关心在工程现场传感器的选择和安装，实际测试后续电路的连接，若接入电桥时该接桥路的形式，以及测试干扰的消除等问题，而此时，正是工程案例引入的最佳时机。因为工程问题的真实性及实时性，立即就能吸引学生的注意力，并调动他们的参与分析的积极性。

案例引入后，授课教师将以启发式教学促进学生的自行思考及讨论，不断主导着学生进行正确的分析，比如提问：解决问题需要什么理论或者知识点？采取什么措施？措施是否合理？处理问题后，效果将会如何等，从而使学生思考、讨论、回答的过程中，培养正确的解决问题的思维方式。

2.3 课后效果评价

课后要认真对教学实施过程进行剖析，包括进行得很顺利、效果良好的案例，以及进行不下去、讨论停止的各种案例，都要进行剖析，同时也可以让学生课后进行教学效果的评教，从质与量两个方面，分析案例选择的准确性及可行性。通过不断的反思、累计、分析、总结、剔除，建构起充足、科学的教学案例资源，不断完善面向工程观的案例教学模式。

3 案例之一——转子稳定性的判断

该案例取材自国家自然科学基金资助项目“考虑制造误差的滑动轴承转子系统非线性动力学分析”（项目编号：50865001）。该项目采用非线性分析方法，研究系统制造误差及润滑油粘度的变化，对滑动轴承转子系统稳定性及动力学特性的影响。而其中系统稳定性，是基于转子轴心轨迹的收敛或是发散来判定的。因而可提出的工程案例为：针对一个转子系统，如何进行轴心轨迹的获取，从而判断该系统是否稳定（如图2），可信的测试方法如图3所示。

图2 轴承转子系统

图3 轴心轨迹的获取

案例一属于描述型案例。所谓描述型案例，是指案例对某一工程实际问题从出现直到解决的全过程进行了描述性介绍。案例中所出现的工程实际问题，在教材或者授课过程中均作为应用举例介绍过，此时学生的任务，是进一步巩固所学知识，并利用所学对工程案例中采取的方法及措施进行评价判断，由此不断拓宽视野。

4 案例之二——散装水泥运输车罐体处应力测试

该案例取材于教育部科学技术研究重点项目“基于知识工程的直筒散装水泥车设计系统的研究”（项目编号：206112）。为适应教学目的，同时考虑学生接受程度，笔者对该项目进行了适当的内容抽取，仅以该散装水泥车罐体优化设计为案例素材，提出案例为：根据研究目的，项目进行了罐体动静态结构有限元分析。

结构以应力的形式体现（如图4所示），如果分析所采取的罐体模型及加载方式可信，那么即可以该分析为基础，进行罐体结构优化改进。而确定分析正确性及可信性的方法，就是进行测试，即以某处分析的数据值与试验测试所得数据进行比较，如果在一定范围内变动，则分析过程可信，那么项目要解决的问题，就集中在某处应力的试验测试数据怎么获得。

图4 结构有限元分析

针对这个案例，提出下列一系列问题给学生思考及讨论：测试的方案如何？选择什么类型的传感器进行测试？传感器测试原理是什么？被测对象及传感器之间如何连接？对于该类传感器使用时注意什么？如何消除温度及湿度的影响？测试的后续电路怎么接？如何排除测试干扰？静态工况及动态工况中间变换装置相同吗等问题。一步一步引导学生进行实际工程问题的解决，如：测试过程选用金属电阻应变片进行测试，选用屏蔽导线进行连接，设置金属补偿块，后续装置分别为静态、动态应变仪等等。

图5 问题的分析解决

案例二属于问题型案例。所谓问题型案例，则是指案例仅描述了工程设计问题的基本情景和要求，通过授课教师问题主导，让学生一步一步找到症结，最终解决实际工程问题。这类案例的设计，可以在潜移默化下培养学生分析问题及正确解决工程问题的思维方式。

5 案例之三——50MW汽轮发电机组振动故障分析

该案例取材于工厂实际的工程问题。某钢厂50 MW单轴单缸凝气式汽轮机，采用静态励磁方式，机组由励磁机转子、发动机转子和汽轮机转子组成，期间均为刚性联轴器连接，整个汽轮机发电机组共有5个轴承。其结构如图6所示。

案例三是个综合实践型案例，要进行故障分析并进行诊断，所做测试就不会单一的局限在课本的某一章节，而是课本多个章节甚至是数门课程，数个学科理论知识的综合运用。这样的案例，能促使学生根据工程实际，将不同理论综合起来解决问题。

图6 某钢厂50MW汽轮发电机组

通过故障分析基础知识：引起旋转机械设备振动最常见的故障，有不平衡，不对中，转子弯曲，机械松动和轴承故障，而这些常见的故障的判别可以通过频谱图进行。学生此时即会自行思考，考虑什么是频谱图，如何获取频谱图，如何通过频谱图来进行故障判断等。

通过信号的获取得到时域描述的波形图，利用频谱分析即可获取该信号的频域描述和获取相应的频谱图，如图7所示。

思考的问题不断深入，如何能在50 MW汽轮发电机组上获取到时域描述？选择什么类型传感器？采样过程会出现什么样的失真？如何避免失真？数据分析采集仪的设置如何进行（包括窗函数的选择、采样频率、采样时间等）？实际解决的方案如图8所示。

图7 信号的时域及频域描述

图8 传感器的选择及参数设定

从振动频谱看，振动频率主要是基频，也有少量的二倍频和三倍频分量，因而判断振动故障属于强迫振动，而普通强迫振动的原因，可以由轴系激振力和系统支承刚度等方面引起，还必须逐一通过测试排查，最终找出振动主因并进行排除。如果要判断是否是转子动不平衡引起的强迫振动，测试的方法在案例一中即已阐述，如此案例之间相互支撑，相互借鉴，最终培养学生形成正确的分析问题的思路及处理实际工程问题的能力。

6 教学实践的效果

工程案例教学来源于实际工况，为在校学习的学生提供了真实的工程场景，在理论知识系统化之后引入，拉近了理论教学与实际生产的距离，让学生知道为什么要学这些理论知识，并尝试运用这些理论知识处理实际问题，极大提高了学生的积极性及主动性。

在案例引入并通过授课教师的主导进行讨论的过程中，学生在潜移默化下培养并锻炼了系统地分析问题并解决工程问题的思维方式，促进了学生综合运用系统理论解决工程设计问题的能力。

正所谓教学相长，授课教师在实践工程案例教学的过程中，其能力亦不断提高。首先，要将理论与工程实际密切联系，授课教师必须不断夯实专业功底。其次，为了获取充足的、科学的教学案例资源，授课教师必须积极地介入科研或深入工厂，实际掌握第一手资料。再者，随着教改的不断深入，每次课后的不断反思、分析和取舍，不断锻炼着授课教师总结归纳的能力，教师也在授课过程中得到不断学习，不断提高。