基于MATLAB的机械工程测试技术教学探讨

许同乐　蔡道勇　马金英

[摘 要] 随着现代机械工业的发展，机械工程测试技术这门课程在教学中扮演的角色越来越重要。由于这门课程课时少、内容多且抽象难理解，对教学造成了很大的困扰。针对这点，将MATLAB软件应用到这门课程的教学中，丰富了教学内容和增强学生学习的趣味性。

[关键词] 测试技术；教学方法；MATLAB

[中图分类号] TP274 [文献标志码] A [文章编号] 1005-4634（2015）01-0062-04

机械工业生产自动化程度不断提高，机械工程测试技术在其中所起的作用不可替代。同时机械工程测试技术是机械类及近机械类专业的一门理论和实践性都很强的基础课程[1，2]，是交叉性学科。对该类专业学生毕业后快速适应自动化工业生产具有很大的帮助，也在现代制造业和创新型人才培养中起着重要的作用。

1 机械工程测试技术教学中问题

1.1 教学内容缺乏针对性

目前，机械工程测试技术教材内容抽象且实例少，成为影响教学质量的一个重要因素。同时课程内容涉猎极为广泛，安排较为松散，采用传统的因“材”施教方式，使学生感到知识枯涩难懂[3-5]。

1.2 课程内容多，而学时少

该课程内容包括材料学、传感器、信号处理、数理统计、精密机械设计等众多门学科。而随着大学教学体系的改革，机械工程测试技术的教学时间大幅度缩减，这就变相增加了老师的教学难度和学生的学习压力。此外该课程具有很强的实践性，理论学习必须配合相关实验才能牢固掌握知识。

1.3 实验教学模式单一

机械工程测试技术的实验教学是该课程教学非常重要的环节，主要包括测试系统特性的测量、振动信号测试、各类传感器的应用等。学生可以通过实验验证所学理论，做到活学活用。现在多数实验教学仪器是集成化实验装置，学生只需要按照老师规定的步骤即可完成实验操作，但是学生对每个实验及其环节仍没有直观认识且缺乏自主性，所以这种实验教学模式在培养学生创新能力上所起到的作用是非常有限的。

2 MATLAB在机械工程测试课程教学中 应用

为解决以上问题，就要对机械工程测试技术教学进行改革，笔者将MATLAB应用到该门课程教学中，有助于教学质量和学生综合素质的提高。MATLAB是一个大型的矩阵实验室，因其在数值分析、自动控制、信号处理、图像处理和仿真等方面的强大功能，逐渐成为各学科领域中必不可少的研究工具。在欧美等发达国家的高校中，该软件已成为相关领域的基本教学工具，是在校学生必须掌握的基本技能。在国内，该软件也以逐步成为理工科的必修课，但在该课程中的应用还很少。

2.1 结合课程内容，采用MATLAB辅助教学

将MATLAB引入机械工程测试技术教学中，有利于活跃课堂氛围，使学生对理论性较强的内容有更直观的认识，也掌握了一门对将来学习和工作都很有帮助的计算机编程语言。引入MATLAB，大大减轻学生的计算量，使其有更多的时间进行技术改造和创造性思维。同时也减轻了授课时的计算负担，从而可将问题的分析引入更深层次。

例如：二阶系统的动态特性是该课程的重点，固有频率和阻尼比对系统特性的影响具有很强的抽象性，为此通过MATLAB编程演示阻尼比对归一化的二阶系统的响应曲线的影响，使学生对该内容有直观的了解。如图1所示。

1）教学中合理搭配与应用。近年来，作者将MATLAB及测试信号分析应用软件用于课程教学，取得了很好的效果。对教师而言，首先要在上课之前准备充分，在课堂上边讲边演示，将抽象难懂的问题通过MATLAB形象直观地演示出来，学生一目了然，节省教师画图的时间，增加了授课内容，提高了课堂教学效率；就学生而言，通过MATLAB绘图，直观了解一些复杂理论，缩短了理解时间。例如在讲授测试装置基本特性这一章内容时，对于测试装置的二阶系统特性的内容学生难以理解，通过图形演示，学生清楚地看到各种情况下其伯德图和奈奎斯特曲线的变化（见图2），这样直观表达其特性，学生容易接受。

2）用MATLAB自主完成课后练习。学生在做课后练习题时，会发现有些题目很抽象，难以判别对错，此时就可使用MATLAB进行仿真，学生就可以轻松判断对错，同时增加了学习情趣，也提高了学生解决问题的能力。如判断两不同周期信号的频率比为无理数时，则叠加后信号无公共周期，为了解释这一结论，笔者应用MATLAB对以下两组信号进行仿真，第一组为两不同周期信号的频率比为有理数，第二组为两不同周期信号的频率比为无理数。

这样便于学生前后比较、联想，有助于帮助学生理解，而软件的应用是重结果轻过程。因此在机械工程测试技术课程教学手段上，需要合理搭配与应用，应该更多地采用使用软件和PPT教学相结合的方法，从而发挥各自的优势，以达到更好的学习效果。

2.2 解决内容多与课时少之间矛盾

为缓解内容多与课时少之间的矛盾，教师往往采用“讲主省次”的方法。利用MATLAB提供的数值计算、图形处理、数字仿真等功能，不仅可以大量节省用于计算、概念、图形讲解等方面的时间，而且降低课程内容的理论抽象性、增强直观性，从而可以抽出时间增加课堂教学互动，将学生引导到向更高层次。信号分析如图5、图6所示。

2.3 MATLAB结合LabVIEW实时分析机械故障 信号

LabVIEW是图形化编程，具有友好的人机界面，而MATLAB在信号分析方面具有强大功能和庞大的内置函数库，有利于信号处理，笔者利用LabVIEW的matlabscript节点使两个软件结合起来，LabVIEW利用该节点可执行MATLAB语句或函数的载体，很方便地调用MATLAB内置函数，也可以在里面编写MATLAB语句。因此利用这一特点开发了故障诊断系统。

根据诊断系统必须实现的功能，合理设计系统框架，将系统分模块设计。笔者开发了时域频域分析模块等模块，学生在该模块可以实现输入数据的实时显示、频谱分析、以及各指标的计算和报警设置。模块采用的时域指标有最大值、最小值、均方根值和峭度值，与设定的峰值阈值、均方根阈值、峭度阈值比较后程序可以识别是否报警。风机轴承故障诊断系统见图7、图8和图9。

以上程序主要实现信号的处理分析，能让学生通过实例更加深刻地了解信号分析的作用。

将MATLAB引入机械工程测试技术的教学中，是对传统测试技术教学模式的突破。对教师而言，要求教师必须精通MATLAB，有助于教师素质的提高，省去了课堂上原来用于计算等占用的大量课时，以便引导学生走向更深层次，增加了学生学习的兴趣；对于学生，通过自己动手以验证所学知识的正确性，既能加深对知识的理解，又能增加学习该门课程的信心，是对传统学习模式的挑战，同时还掌握了对日后学习和工作都很有帮助的一门高级编程语言。这种理论和实践并重的教学模式，既大大提高了机械工程测试技术的教学质量，又满足了社会对学生的要求。

参考文献

[1]熊诗波，黄长艺.机械工程测试技术基础[M].北京：机械工业出版社，2006：1-30.

[2]许同乐.机械工程测试技术[M].北京：机械工业出版社，2010：3-36.

[3]慕丽，王鑫威.《机械工程测试技术基础》课程教学模式探讨[J].装备制造技术，2010，（6）：212-214.

[4]李力，陈从平等.面向工程应用的“测试技术”课程教学与实践[J].中国电力教育，2009，（6）：108-109.

[5]吴世雄，王成勇.“机械工程测试技术”教学改革的探索[J]. 广东工业大学学报（社会科学版），2007，（6）：108-109.