“机械工程测试技术”课程的工程应用实践教学探索

文成，周传德

一、引言

设计、工艺和检测是机械工程三大组成部分，在工业自动化、机械制造信息化和创新型人才培养中，“机械工程测试技术”课程起着极为重要的作用[1]。本门课程是机械类专业主干课，教学目的是培养学生利用传感器与测试技术知识来解决工程实际问题的能力。“机械工程测试技术”是一门实践性较强的课程，突出实践操作能力的培养[2]。学生必须参与足够的实践，才能充分理解理论知识，从而更好地把握课程内容。目前各高校开设的课程实验项目大多为验证性、综合性实验，且实验项目之间缺少必要的联系，与工程实际相关度低。学生动手能力与工程应用能力得不到有效的训练，不利于学习兴趣的提高和创新能力的培养，教学质量难以保证。

2012年3月教育部发布 《全面提高高等教育质量的若干意见》（教高[2012]4号），明确提出进一步加强实践教学模式、实践教学环节改革，实施卓越工程师教育培养计划，提高实践教学学分比例，加强学生实践能力、创新能力培养。为贯彻上述教育思想，结合机械类专业人才培养计划和本课程性质，本文提出“工程应用实践”教学新模式，让学生更多参与工程应用的设计与开发，促进理论与实践的紧密结合。该教学模式体现了面向工程观的教育理念[3]，必将激发学生的学习兴趣，增强工程实践能力、综合应用能力和创新意识，从而提高教学质量。

二、工程应用实践教学内涵

工程应用实践教学与工程案例教学的相同之处在于教学内容都源于工程实际或科研项目，涉及多门课程或领域知识。但是，二者之间又存在明显的差别。工程案例教学是教师根据教学要求，设计相应案例，组织学生运用所学知识针对案例内容进行思考、分析、讨论和交流[4]。它主要用于课堂交流或探讨，学生并没有参与设计、研发工程案例，对案例所涉及的硬件（传感器、信号调理设备及数据采集卡）和软件并不熟悉，谈不上真正融入到工程实际。在工程应用实践教学中，学生根据工程应用课题，在老师指导下主动参与项目的设计研发，最终完成测试任务。学生课题讨论、资料收集以及项目的实施等都是在课余时间里完成的。因此，工程应用实践教学是以学生为中心，以解决实际问题为出发点，变被动学习为主动学习，致力于提高学生综合素质的教学模式。

工程应用实践项目是以工程设计与应用为主线，以培养学生多学科交叉应用能力和团队协作能力为目的，构建培养学生创新精神和实践能力的一种教学模式。教师根据课程教学大纲要求，精心筛选或设计工程应用项目，保证每一个教学单元和知识点在项目实施中得以充分应用，从而加深对理论知识的理解。学生在学习完相关章节后，根据项目要求，主动收集相关知识，经课题小组充分讨论后形成项目实施方案，然后选择相关硬件和软件构建测试系统，最终完成实际测试任务。因此，工程应用实践的目的是把有关传感器数据采集、信号处理及动态信号分析等理论知识加以系统化整合。学生综合多门学科知识和多种实验原理来设计项目，在实施过程中去发现问题，分析问题，并最终解决工程实际问题。工程应用实践训练使学习过程更加贴近生产实际，有利于发挥学生的主动性和创造性，提高学生独立解决实际问题的能力、创新能力以及组织管理能力。

三、工程应用实践教学设计

（一）实践项目设计原则

工程应用实践项目应首先要充分结合机械类专业人才培养计划，紧扣课程教学大纲，密切生产生活，提高学生学习的兴趣。工程应用实践项目既要满足课程理论知识与工程实际的结合，又要涉及多门学科的综合应用，还要考虑项目实施的可行性，保证工程应用实践顺利实施。其次，工程应用实践项目必须综合企业、教师和学生三方面的意见[5]。图1为工程应用实践教学模式。

根据工程应用实践教学模式要求，必须保证项目的科学性和可行性，充分融合工程背景，规范项目教学方案，项目设计可以遵循以下几个原则。

图1 工程应用实践教学模式

1.紧扣培养计划和教学大纲

引入工程应用实践教学模式需结合机械专业人才培养计划和本课程教学大纲，在不增加课堂教学课时的情况下，弥补课内实验项目数量偏少且多为验证性、综合性实验的缺陷。要重点突出传感器和测试技术理论在工程上的应用。项目要侧重传感器、滤波器、放大器以及采集设备的选用，利用虚拟仪器技术快速构建测试系统，完成测试任务，并对测试结果进行分析。工程应用实践项目所运用到的知识要尽可能覆盖课程大纲所规定的教学内容。

2.工程实践内容来源于企业生产和教师科研工作

企业的设计、制造、生产以及维修都与测试技术和传感器密切相关，尤其是流程工业大量运用“设备状态监测和故障诊断”技术，更是与本课程内容联系十分紧密。从企业中提炼的工程应用项目本身就是生产实际，特别能引起学生的兴趣。工程应用项目与科研结合，学生和老师有共同的研究内容，能促进学生科学素养的提高。

3.充分考虑学生知识水平和实验条件，保证项目切实可行

工程应用实践教学模式最重要的环节是项目的顺利实施，最终要解决实际工程问题。因此，项目所涉及的知识点要与学生水平相适应，项目开展所需实验条件（硬件和开发软件）必须完备，任务具体，工作量适当，进度明确，使学生在教师的指导下在规定时间内通过努力能够顺利完成。

（二）实践项目的规划与实施

（1）工程应用实践项目规划。工程应用实践可以根据“卓越工程师教育培养计划”要求，以工程应用为重点，借助已有的Matlab和LabVIEW等工程软件，解决实际工程问题，以培养学生能完成一般机械测试任务为目标。

“机械工程测试技术”涉及到多学科的交叉，知识点较多，被公认为较为难学的课程之一。从测试系统观点出发，将教学内容划分为“测试系统及其基本特性”、“信号获取与分析”以及“典型机械测试系统”三个知识板块，每个知识板块均有工程应用实践。“典型机械测试系统”板块包括振动、噪声、温度、机械参量、工业自动化等测试系统的构建与应用，内容包括机械系统分析、传感器选择、基于计算机的测试系统搭建及测试结果分析。设置更多的项目，可以突出工程应用。图2为工程应用实践项目在“机械工程测试技术”课程中的分布情况。

图2 工程应用实践项目在课程中的分布

（2）工程应用实践教学实施方法。工程应用实践是提高学生工程实践能力、综合应用能力和创新意识的重要途径。学生借助虚拟仪器技术，正确选用硬件设备，利用相关软件设计测试应用程序，综合各种理论知识来解决实际工程问题。开展工程应用实践教学可按以下步骤组织实施。

第一，教师向学生介绍开展工程应用实践教学的意义和项目实施的方法，使学生提前有思想准备。要求学生自学应用项目设计软件——Matlab和LabVIEW，提前储备相关理论知识。

第二，按教学进程介绍每一个工程应用实践项目，以纸质形式布置设计内容，需要解决的工程问题，使学生初步了解每一个项目所涉及的工程应用领域。

第三，将学生分成若干学习小组，指定小组负责人。通过协商确定各小组承担的工程应用实践项目，各小组课题不能相同。

第四，分组布置课题，介绍项目的工程背景，完成任务所涉及的知识点，提出要解决的关键问题。尽量向学生提供相关参考文献目录，以便学生查阅。

第五，组织、指导学生利用课余时间开展项目研究，提出解决方案和实施步骤，明确项目完成最终成果形式。

第六，教师定期组织各项目小组进行学术讨论，研究、解决项目开展中所遇到的问题，及时跟踪项目完成情况，力促各研究项目顺利完成。

第七，以答辩的形式考核项目完成情况，将工程应用实践实施过程、取得的成果纳入课程考核体系之中，激励学生积极主动地参与项目的讨论、设计和测试工作，以保证教学质量。

四、工程应用实践教学实例——基于声卡的振动测试系统

本项目要求学生了解声卡的数据采集功能特点，借助LabVIEW软件，开发振动测试实验教学系统。项目提出了一种基于声卡的数据采集与分析的廉价方案，实现振动信号的采集分析、数据存盘、信号分析（时域分析、频域分析和数字滤波）等多种功能，具有实现简单、性能稳定可靠等诸多优点。项目的成果形式——振动测试分析系统，要求应用于精度不高的振动与声音信号采集、波形显示、任意信号发生、信号记录与监测。

以下是某小组同学们的项目实施过程：在查阅相关文献的前提下，提出了图3所示的测试系统方案。可结合声卡的特点对其进行必要改造，使之能与传感器相接。需选择HK9103-J压电式加速度计和ZK-4CZ2型双通道信号调理器，通过 LabVIEW实现振动测试功能。最后通过实验得出结论：振动信号频率范围在 100 Hz～10 kHz范围内。本测试系统能真实、准确地反映信号的频率和幅值，可以推广到语音识别、环境噪声监测和实验室测量等多种领域，应用前景非常广阔。

图3 基于声卡的振动测试系统组成方案

本项目运用到传感器、信号采集、信号分析、虚拟仪器、振动理论等知识，学生在完成过程中得到了较为全面的训练，提高了分析问题、解决问题的能力。

五、结论

工程应用实践教学方法应用于 “机械工程测试技术”课程，极大地促进了理论与实际相结合。以前教学中出现的“枯燥无味、知识点分割”，现在变得“生动具体、知识点统一”。学生从“被动学习”转为“主动学习”；教师的教学方法和技巧也得到了完善。工程应用实践教学模式突出了工程测试与应用的整体概念，不但提高了教学质量，也使学生的工程实践能力、综合应用能力和创新意识得到提高，为“卓越工程师教育培养”和“机械工程工程师培养”奠定了坚实的基础。

[1]周传德，宋强.传感器与测试技术[M].重庆：重庆大学出版社，2009.

[2]文成，周传德.机械工程测试技术“案例和实验并举”教学模式探索[J].中国现代教育装备，2013（1）.

[3]李冰.工程案例教学在《机械工程测试技术》中的应用[J].装备制造技术，2010（8）.

[4]文成，周传德.工程案例教学在“机械工程测试技术”课程教学中的应用[J].重庆科技学院学报：社会科学版，2012（21）.

[5]张树国，王家宣，刘超.以项目为载体的工程训练教学模式的探索与实践[J].实验室研究与探索，2012（7）.