包装工程专业测试技术基础教学方法探讨

赵倩 李淑娟 赵丽娜

摘  要 测试技术基础是一门重要的工科专业基础课。对于包装工程专业的教学，如何利用浅显易懂的实际应用解释晦涩的数学理论，以及如何设置符合专业特色的教学模式，值得深思。对此，根据包装工程专业学生特点和市场需求，对于授课过程中出现的四个主要问题给予详细分析，并提供解决思路。

关键词 测试技术基础;包装工程;LabVIEW;MATLAB

中图分类号：G652    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）18-0093-04

1 引言

随着社会的发展和工业自动化水平的不断提高，测试技术基础不仅是机电专业的一门重要专业课，也是汽车服务工程、材料成型、包装工程等非机电类专业学生必备的专业基础课。测试贯穿在包装工业生产过程的每个环节，相关从业人员均必须了解测试技术，才能更好地发现问题、解决问题[1-2]。

对于包装工程专业而言，测试技术基础是一门重要的專业基础课，主要从系统思维研究一个测试系统的基本结构及如何完成一个具体的测试过程，同时从微观思维的角度对测试过程中涉及的信号变换进行分析和处理。具体研究内容包括测试技术基本概念、信号分析与处理、系统特性和误差分析、信号的获取及调理输出、系统设计及虚拟仪器等[3]。可见，该课程理论性很强，且内容多，难度大。同时，它又是一门实践性极强的课程，对于当代工业4.0背景下开展智能包装生产线的开发和研制具有重要指导价值。因此，以包装专业特色和市场要求为前提，在原有的测试技术理论教学的基础上，对课程内容和模块进行调整优化，构建完善的课程体系，让学生在掌握一定的课程基础理论的同时增强实践操作能力，具有实际意义。

2 课程开设过程中遇到的问题

测试技术基础在包装工程专业课程体系中占据重要地位，涉及高等数学、概率论与数理统计、电工学、材料力学、经典控制论等相关课程内容;同时，对后续专业课如包装测试技术、包装运输、包装应用力学等课程的学习起到重要的铺垫作用。该课程综合了很多新技术、新知识，学时少，且学生基础参差不齐，因而教学起来具有一定难度。现有课程体系仅重视理论授课，忽略了实践教学，忽视了专业特点，导致学生学用分离，积极性不高。

教材适用性不强  市面上的《测试技术基础》教材大多为机电专业教师所编写，适用于数理基础较好的机电专业学生。

1）课本缺少对基本信号及其运算的介绍，如信号的移位、尺度变换等，直接过渡到信号的处理方法和理论。而包装工程专业前期并未开设信号与系统方面的课程，学生往往存在“前面学不会，后面直接放弃”的心态。

2）教材举例通常为电路或机械方面的，对其他非机电类专业适用性较差。对于包装工程专业的学生而言，他们一方面对电路和机械知识掌握有限，对教材举例无法理解透彻;另一方面缺乏与专业相关的实例，导致理论和实际脱节，无法达到学以致用的目的。

理论知识多且难  整体而言，这门课程具有理论知识点较多，且逻辑关系紧密、覆盖面广的特点，不仅包含信号分析处理，还有系统特性的分析、信号获取和传感器基本理论、信号输出和打印技术等。由于授课之初需要学生回顾许多数理知识，包括高等数学、数学分析、概率论等，导致学生进入状态较慢。同时由于该专业学生的数学基础较之机电专业较薄弱，故对于信号分析等内容往往跟不上教师的节奏，缺乏学习兴趣。而教材中对理论展开很详细，公式推导和性质证明等内容偏多，导致学生学习积极性不够，对教学的开展和学科未来的发展均不利。

实践环节学时少  目前，根据学校教学大纲安排，实验共八个学时，主要集中在传感器技术方面，对典型的电阻式、电感式和电容式传感器的基本测量原理、接收电路、数据分析等方面进行学习。涉及的项目少，学时少，使学生收获有限。另外，缺乏行之有效的课程实践评价机制。该课程的系统性未能在零碎的知识点考核及实验中充分体现，学生若不能将知识点串接起来，形成完整的知识体系，会限制他们在实际中的灵活应用。

考核方式单一  考试是教学中最普遍采用的考核手段，该课程对学生所学知识的评价仍以期末卷面考试为主，导致学生为应付考试而对理论知识死记硬背，不重视实践环节，理论和实际应用脱节。尤其包装专业是应用型多学科交叉专业，学生的培养方案为培养应用型、创新型的工程科技人才，按照现有考查方式，无法满足社会的需求，亦无法达到学生的就业期望。

3 解决方法

综上所述，针对包装专业学生数理基础和专业需求，测试技术基础的教授过程与传统测试技术基础的理论教学有所差别，据此构建新的课程体系，如图1所示。

为了解决第二部分提出的问题，下面从教学内容、教学方法、考核方式等方面进行阐述。

调整教材内容，突出理论重点  测试技术基础课程理论教学分为两个模块：一为系统思维下的测试系统构建，可在此添加系统结构图;二为微观思维下信号在系统内部的变换过程。课程涉及信号的描述方法、获取手段、调理电路及输出打印、虚拟仪器。授课过程中需要引导学生从这两个思维方式入手，分别对课程框架及知识细节进行全面阐述。首先通过掌握学生的心理变化，通过必要的方式促进学生的积极主动性;其次应该有针对性地对授课内容进行调整。

1）授课内容遵循该专业学生构建专业知识结构所必需及够用的基本原则。授课时，教师需要对教材内容进行拣择，保留必需的基础知识，避免枯燥呆板的理论推导，对一些复杂信号或复杂系统的分析则可以根据实际学时及学习要求进行删减。

2）由于包装工程专业学生在数学方面基础较薄弱，同时数学课程较少，对于一些常用的典型信号的介绍不够，因此，学生在后续的学习中普遍存在举步维艰的感觉。故可以在基础知识介绍时增加一些常用信号及其性质的说明。

3）可以将传感器测量等内容调整至信号分析方法的前面，让学生先接触到信号在实际中的应用，激发起学习热情，再从理论的角度进行讲解和分析。

4）鼓励包装专业学生参加一些相关比赛，如全国大学生数学建模大赛等，他们在此过程中会对一些数学理论和软件进行更深入学习。

丰富实践环节，增加课程设计、实验课时及项目  以往的教学只注重理论，分配给实践环节的学时非常少，尤其缺乏符合专业实际应用的实验项目。为了提高学生工程实践能力，并促进对理论知识的吸收，从四个方面分别给出具体建议。

1）完善基础演示实验，并加大对实验的考核力度，避免产生学生应付实验，实验过程不完整，实验报告不准确的不良现象。

2）加入软件的学习。这门课程涉及的两个主要软件是MATLAB和LabVIEW。其中MATLAB是最常用的数值计算软件，是学生参加数学建模大赛必须掌握的软件;而LabVIEW是仪器仪表发展的重要方向，是未来实现智能仪器及工业系统必不可少的工具。

设计实验项目时，一方面可以从信号分析入手，如利用MATLAB设计周期信号的傅里叶级数叠加实验，直观地观察信号的频谱特点。通过对周期信号的观察，学生可以形象地理解一个周期信号是如何分解和合成的，对傅里叶级数的内容会理解得更透彻。另一方面，亦可利用MATLAB对系统动态特性进行分析[4]。

LabVIEW的实验项目则和系统设计相关，可以安排在课程即将结束时。通过设计一套完整的虚拟系统，学生可以更透彻地理解测试技术的实际应用、设计理念及发展前景。

3）设计和包转工程专业相关的综合实验项目。借此寻找专业课程之间的契合点，加强与其他专业课的联系。如讲到系统特性分析时，以本学期同时开设的包装运输课程中的随机振动响应分析为例[5]。当运输包装件时，公路振动环境可能会造成产品的疲劳损伤，影响产品的使用性能，因此有必要了解公路运输环境的随机振动谱。可以利用增设的综合实验项目进行验证和分析，先利用包装专业振动台进行振动实验，得到功率谱密度函数，并进行分析。图2中PSD（power spectrum density）表示加速度功率谱密度。

4）增加课程设计。让学生利用理论知识，结合本课程和其他专业课程，进行基于包装专业的测试系统综合设计及性能分析。学生以家乡的特色产品（如柚子、牛奶、茶叶、啤酒、瓷器、药品等）作为被包装件，选择合适的包装容器和测试传感器，并综合考虑不同重量、类型及体积的产品分类，设计一款可用于自动生产及量化生产的包装生产线。在此过程中，要求学生不追求先进的精密仪器及测试技术，而是强调将课程中涉及的基本测量理论、方法和技术用于生产线的设计和优化。通过这一环节，使学生能全面掌握整门课程的知识结构，贯穿整个课程周期，并将理论联系实际，切实提高学生的实践操作能力。

综上所述，可以建立测试技术基础课程实验教学新体系，如图3所示。

结合专业课程和生活应用，进行启发式教学  强调专业特色，设计综合性实例。

1）以包装运输为例，演示如何加强测试技术基础与其他专业课的联系。两门课程之间的四个契合点如图4所示。

在讲系统动态特性分析时，可以以易损零件的运输包装为例展开。根据系统分析思路，首先将物理系统抽象为数学模型，然后分析并求解，最终还原為实际问题。易损零件被抽象为具有集中质量和一定弹性的悬臂梁，质量用ms表示;产品主体被抽象为悬臂梁的固定端支座，质量为m。以此可以得到产品的力学模型，如图5所示的单自由度支座激励系统，C和K分别为易损零件的阻力系数和弹性系数。当振动环境为简谐振动时，产品对振动环境的响应被视为易损零件系统的激励，如式（1）所示：

其中em和ω分别为振动环境的振幅和角频率。易损零件的稳态解为：

其中rm、ω和φ分别为易损零件的振幅、角频率和相对于产品主体的相位差。

由式（1）和（2）可以看出，易损零件的稳态强迫振动亦属于简介振动，且振动频率与振动环境相同。对r（t）和e（t）分别求二阶导数，可以得到易损零件和振动环境的加速度峰值。令二者相除，则推导出包装件的传递率T（ω）：

根据T（ω）的表达式，可以画出包装件的幅频传递特性，并以此推导出产品有无包装时、有无衬垫时及经历多次共振时的振动情况，供实际包装过程参考。通过这个例子，可以解释如何从系统的角度对一个包装件的等效物理模型进行分析，并提取其中的关键参数，同时复习了信号的时域和频域分析方法[6]。

讲解LabVIEW软件时，针对缓冲包装材料进行震动测试的需求，给学生演示基于LabVIEW的振动控制分析虚拟仪器，让学生了解其在专业中的应用。首先由计算机控制单元提供一定幅值和频率的激励信号，经控制器和D/A转换后，经过放大器与电动振动台连接。被测包装件内侧的加速度传感器可以获取振动信号，并经过信号放大、滤波和A/D转换等步骤传送至计算机进行分析，可以据此绘制出时域信号及频域信号的变化曲线，并提取包装件振动过程中的功率谱密度PSD、加速度均方根（Gravity root mean square，简称Grms）及振动时间等参数[7]。通过对系统的分析，学生可以了解LabVIEW在专业中的实际应用情况以及包装工业中系统分析和设计的基本思路。

2）学以致用，添加生活元素，提高学生的学习兴趣。爱因斯坦说过：“我自己并没有特别的天赋，只有强烈的好奇心。”兴趣是最好的老师，提高学生的学习积极性，需要授课教师认真研究授课方案，充分利用丰富的网络资源，通过国内外的公开课和相关论坛，补充课堂和课本知识。在这个过程中可以添加与生活息息相关的例子。如讲到信号的频率分量和滤波时，可以通过音乐播放器中的均衡器向学生进行解释，让学生观察均衡器中各频率点的设置对音质的影响。

再者，讲解信号的幅度调制解调时，可以以常见的收音机为例提出问题：广播信号是如何产生和传送的？为何要将低频信号搭载在高频信号上？若多个电台同时发送信号，如何处理？傅里叶变换在这个过程中起了什么作用？接收方如何恢复出原始声音信号？以此为例，讲解信号的基本概念和调制解调，不仅可以联系前面讲到的傅里叶变换及其性质，而且将抽象的原理和概念具体化，起到事半功倍的效果。

对于测试技术基础在实际包装生产车间及生产线中的应用，以德国SICK传感器为例[8]，该系列传感器对于医药、食品、饮料、化妆品、药品及家居用品行业的包装要求、设备和工艺均进行了详细分析，为一次包装和二次包装提供了很好的自动化解决方案。图6为化妆品灌装时传感器的应用实例。软管是包装乳液状液体的最佳选择，因为它牢固并且实用。在灌装和封装流程中需要大量使用传感器，如图6（a）所示的色标传感器KT3可以检测软管上的色标，以保证软管正确封尾，使焊缝和字样整齐划一。图6（b）所示的代码扫描器ICR850通过检查二维码，以确定软管是否在正确的生产线上灌装了正确的产品。

改革考试方式，实现多样化考核  考试是教学中最普遍采用的考核手段，对于高等院校，很多课程对学生所学知识的评价仍以期末卷面考试为主，导致学生为应付考试而对理论知识死记硬背，不能灵活运用，出现理论和实际应用脱节的现象。为了增加学生动手能力的培养，强调实践的重要性，并对新增的课程设计进行评估，在该门课程中采取多样化考核方式[9]：期末考试和平时成绩占60%，实验成绩占20%，课程设计占20%。

对于期末考试，仍保留理论分析为主的特点，增加综合性分析类题目，提高学生综合运用知识的能力。

实验考核则采用小组制，每组3～5名学生，共同完成一项抽取到的实验项目。对于传感器类项目，则在平时实验项目的基础上进行适当修改，具体要求内容为分析实验原理、总结实验步骤、测量数据整理和分析、图表和电路图的绘制、对遇到问题的思考及实验报告的书写;对于MATLAB实验，则给出一个具体的信号，让学生进行编程实现信号的变换、分析及特征提取，要求程序和结果准确，并提供信号的分析过程;对于LabVIEW实验，要求学生根据自己所学专业课，绘制符合专业特点的虚拟仪器和人机交互界面，如包装件冲击分析系统、包装生产线称重检测系统、压力试验机[10]、食品包装喷码视觉检测系统[11]等。

课程设计考核标准包括包装生产线设计的合理性、可行性及系统性，设定功能是否完全满足，是否具有简洁易操作的特点等。除此之外，还对学生的写作能力提出一定要求，如格式是否规范，逻辑是否清楚，结构是否合理，用词是否准确等。通过这一环节，切实提高学生的综合设计能力及论文写作能力。

4 结语

包装工程专业开设测试技术基础课程，为学生建立系统思维、了解现代包装生产技术及完善专业知识体系提供了重要途径，同时为后续专业课程的学习奠定良好基础。在课程教學实践中，教师需要紧扣专业特色及就业要求，对课程体系构建、教学内容、教学方法和考核方式进行改革，以增强学生的学习积极性和学习效果，促进专业理论和实际应用的结合，加强学生工程实践创新能力的培养。通过对上述方法的具体实践，学生普遍反映对该门课程的兴趣有了一定提升，并且对知识掌握得更深入、准确。

参考文献

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[3]王伯雄.测试技术基础[M].北京：清华大学出版社，2012：1-5.

[4]卢杰，周廷美，张晓帆.包装工程专业实验教学体系改革模式探讨[J].包装工程，2008，29（10）：258-260.

[5]康甜，李春丽，蒋华兵.模拟公路运输的随机振动试验谱及调整方法研究[J].航天器环境工程，2015，32（5）：532-536.

[6]舒祖菊，王宝霞，袁艳，等.“双创型”人才培养模式下“运输包装”课程体系的构建与实践[J].河北农业大学学报：农林教育版，2017，19（2）：68-71.

[7]陈志强，陈振强.解析运输包装随机振动试验[J].印刷技术，2010（22）：46-47.

[8]德国西克传感器.包装行业的有效解决方案[EB/OL].[2015-10-27].https：//wenku.baidu.com/view/7e7bdb0751e79b89680226ae.html.

[9]王静.基于知识、能力、素质协调发展的高校课程考核方式研究[J].学理论，2011（11）：298-299.

[10]陈超，唐善华.基于LabVIEW压力试验机测试系统的设计与实现[J].包装工程，2008，29（8）：91-93.

[11]杨慧斌，闫娟.基于LabVIEW的食品包装喷码视觉检测方法[J].食品与机械，2016，32（4）：123-126.