测试技术课程的实验教学研究

邹大鹏 肖体兵 刘伟 赵荣丽

摘要：文章探讨了高等教育工科教学体系中测试技术课程教学的实质与难点，提出了开展课堂实验、课程实验、课后虚拟实验三种教学方式，帮助测试技术课程教学实现要点知识和难点知识的学习、理解和实践。课堂实验可以在教学环节中自由完成，课程实验教学必须由学校提供实验场地开展实验，课后虚拟实验可以课后自行完成，三种方式各具特点，可以提高学生的实践动手能力和对课程理论教学的理解能力，变课堂被动为主动，掌握测试技术和测试方法，具备构建工程、生活中测试系统的能力。

关键词：测试技术;实验教学;动态测量;信号处理;频谱分析

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）49-0177-04

工科教學体系中，测试技术属于一门非常基础但又比较难于学习和理解的课程[1-3]。绝大多数学习者很容易理解测试技术的概念，但当把这门课程与即将走向社会工作和科学研究的实践过程联系起来时，很多人表示难以理解和学习。因此，对提高测试技术课程教学知识的有效理解和实际应用有着非常迫切的研究需求。当前各种探讨慕课教育、翻转课堂的教育[4-6]，都是对理论课程教学的改革和尝试，但在实际应用过程中，由于学校水平差异、学生素质差异和教师水平差异，这些改革性的课堂教学在某些基础课程教学中的应用还需要更多的实践和探索。而支撑理论课程教学的实践环节包括实验教学、生产实习、课外科技活动等[7-9]，在教学大纲中，实验教学是与课程联系最为紧密的实践活动。通过实验，使得学生建立起元件和系统的直观形象、将理论过程和结果诉诸动手实践，从而在学习和实际工作之间建立起一个连接的桥梁，把书本知识与实际系统形态联系起来。实验教学可以通过在课中、课后和实验室等多种方式开展，与课程教学紧密相连。

实验教学非常重要，是帮助这门课程的学习者能够直观地掌握理论、学习知识的有效方法。本文以广东工业大学的测试技术体系专业基础课程教学为出发点，研究课堂实验、课程实验、课后虚拟实验三种实验教学方式对理论课程教学的重要支持作用。

一、测试技术课程教学的实质与难点

（一）测试技术课程教学的实质

测试技术教学的实质就是教会学生如何认知测试，如何利用测试技术扩展人认知人类社会和自然世界的能力，从而为改造世界提供必要的改造前、改造中和改造后的状态信息。如图1所示测试技术的实质。首先，人体具有眼睛、鼻子、耳朵、舌头、皮肤等组成的视觉、嗅觉、听觉、味觉和触觉生物传感器，从而能够对周围的与之相联系的事物、环境、人的状态进行感知和认知;然后，基于生物传感器存在模糊性和测量范围有限的特点，无法定量化，无法测量更为广阔的空间和时间范围内的信息，所以借助于测试技术的知识，构建起集合信号的检测、调理、采集、传输、处理、显示、分析、存储等功能的测试系统，实现定量化、自动化、实时化、可视化的测试，帮助人类或者代替人类实现测量，从而使得工业化大生产得以广泛开展、使得人类探索起源和开创未来得以实现。测试技术课程教学的目的是使得学生能够理解测试的基本知识和内涵，掌握测试基本技术，熟悉主要传感器的原理，能够构建测试系统。

（二）测试技术课程教学的难点

广东工业大学开设测试技术体系课程，分别面向成教、本科和研究生三个层次，虽然讲解的要点和重点不同，但在教学实践过程中，均发现很多学生存在理解上的困难，或者说无法准确把握测试技术的目的、内涵和具体技术。学生在此门课程学习前建立起来的测试认知与测试技术教学存在较大差异，主要表现在以下几方面[3]：（1）静态测量向动态测量过程转变;（2）时域分析向频域分析转变;（3）信号处理过程抽象且理论性较强;（4）测试装置的特性无法与具体传感器联系起来。

静态测量和动态测量的区别为被测对象随时间变化快慢的程度。广义来说，都属于动态测量，但当被测对象的状态变化非常缓慢时，就可以当成静态测量，比如在超市买几颗白菜，白菜重量称重就属于静态测量，因为在购买和食用时间的间隔内，白菜的重量基本不变化;但如果是生产线上把白菜加工成泡菜，每棵白菜的重量测量就属于动态测量，因为一颗颗白菜可能在几秒内就要被加工打包，受到流水线节拍的限制使得测量要实时快速，就变成了动态测量。实际上，工业化生产面向的被加工对象都是处于实时动态变化过程中，为了保证流水线正常生产运行和提高生产效率，普遍都需要实时测量被加工对象在工艺流程各个环节中的状态，这就要求测量系统必须具有动态测量的能力、多数传感器需要其考虑动态特性，能否以一定精度下捕捉到被测对象的变化过程。

动态测量涉及时间变化，时间变化对应着频率。这种频率概念包括被测对象的变化频率和测量装置的采样频率。被测对象或者处于多种频率变化过程，或者包含了多个频率变化，因此频域分析就成为必要手段和方法，需要借助于傅里叶变换等方法，研究被测对象的频率结构组成。

所有系统都不是完全独立的，被测对象自身和周围环境都存在大量的信号。测量过程就一定包含有用信号和噪声信号（有用信号之外的所有信号），因此必须对信号进行隔离、放大、滤波、相关、调质等一系列的处理，直接目的就是提高信噪比，准确得出有用信号。

而这些处理过程既可以通过硬件来实现，也可以通过软件来实现。软件的处理过程就是基于理论知识具体程序设计的实现过程。比如，由RC电路搭建的硬件滤波器，可以被软件滤波器代替，软件滤波器的理论基础就是一阶系统特性，把一阶系统特性通过传递函数描述出来，基于离散变换，就得到数字滤波器，从而取代硬件实现软件滤波。信号通过硬件滤波器，实际上是指信号与硬件滤波器的脉冲响应函数发生了卷积产生输出，而信号通过软件滤波器，刚好是通过编程实现了信号与脉冲响应函数的卷积过程。这个过程就如同我们买菜，既可以选择拿着现金（硬件）去付款，也可以通过支付宝或者微信（软件）去付款，还可以两者组合去付款，前者现金是一种硬件形式体现，后者是一种软件形式体现，支付宝里的数字代替了实际物质状态的现金的功能和特性，这也就产生了虚拟测试的概念和系统。

通过以上分析和理解，不难发现可以通过实验手段，搭建硬件实验系统、软件实验系统或者两者结合的实验系统，对以上教学难点知识进行演示、再现和实操。

二、测试技术课程教学的实验教学

测试技术教学的环节组成如图2所示，为了提高学生认知测试技术理论教学的要点知识、理解以上难点内容，开展实验教学，主要包括课堂实验、课程实验、课后虚拟实验三种方式。其中，课堂实验教学是两者的无缝连接，是直接在讲授理论知识的过程中组织学生参与到课堂上的实验教学环节，不需要专门实验室，在课堂上调动学生当场开展实验，让学生通过边学边参与实验，有效掌握课堂教学的内容。教学实验是教学大纲中安排的实验教学环节，实验演示教学重点和要点，需要专门的实验场所和仪器开展实验教学。课后虚拟实验是学生自行在电脑上通过软件来演示和理解课程教学的要点內容，是学生可以在自己分散学习环境下独立开展的。

（一）课堂实验教学

课堂内的一切知识都可以让学生通过自身感受来理解，这是测试技术的实质告诉我们的，因为测试技术就是扩展人自身的生物传感系统的检测技术。结合测试技术的教学要点和大纲，通过课堂实验，让学生们以观察和直接动手感知的角色亲身参与进来，来讲述测试技术的抽象知识。

讲解信号，可以让学生互相俩俩观察，讲述看到了对方什么信号，可以看到面色、脸型等，如果想知道对方是否认真学习，可以观察听者的眼神信号;可以让俩俩同学互相摸脉搏，体验什么是周期信号;可以讲述同学们在教室里座位的随机性，理解随机信号;可以让大家摸桌子、摸衣服、摸皮肤，找感觉，通过把温度、粗糙度、材质等量转化成皮肤的感觉，以理解传感器的功能和作用;讲解采样过程，可以让一个学生在讲台上移动走向门外，让全班其他学生进行睁眼和闭眼的动作，每次睁眼看到移动的同学的状态，就是采样，闭上眼睛在大脑里停留的过程就是保持，如果睁眼、闭眼的频率快，基本可以完全连续地看到移动同学的轨迹，但是一旦睁眼、闭眼的频率低，就丢失信号，看到移动同学状态的间断性，一旦睁眼、闭眼的频率低到一定程度，可能就在两次睁眼的时间间隔失去了移动同学的身影（已经走出到门外了）;讲解一阶系统特性，可以让一个同学去开关电灯开关，由缓慢到快速，会发现灯不亮了，镇流器和灯管构成的系统无法响应开关电灯的速度;讲解滤波，可以拿一张红纸看白光，只有红光透过，其余光被滤除掉了;讲解调制和解调，可以让大家拿手机互打，告诉大家手机既是一个调制器，也是解调器;讲传感器，还可以以手机为例，告诉大家手机可以测量振动、光强、姿态等。

（二）课程实验教学

在实验教学环节，在测试技术实验室给学生开设了四个课程实验，实验以五个人为一组，让学生们一起动手做实验、相互探讨。四个实验分别是弹簧阵子二阶系统振动检测实验、光电与磁电转速检测与频谱分析实验、基于磁电式加速度传感器的试验台振动实验、基于Labview开发的温度检测实验。四个实验针对的知识要点涵盖了测试系统的组成和实物、二阶系统的测试和特性分析、光电与磁电传感器的实物与应用、时域分析于频域分析、虚拟仪器技术等，综合实验台如图3所示。

实验要求每一个人做预习。如果学生能够充分进行预习和对理论知识有所理解的话，通过实验动手认知，将会非常清楚测试系统的实际构成、测试技术的实质、测试技术的系统特性。测试技术综合实验台如弹簧振子二阶系统振动检测实验能够让学生们充分认知LVDT传感器如何测量位移，学习弹簧振动的衰减特性和周期性，了解采样过程以及数据处理过程，通过更换水介质，了解阻尼对二阶系统振动的影响性。

光电与磁电转速检测与频谱分析实验通过调节转轴的不同转速，让学生充分认知一定转动频率后人的眼睛是无法分辨快速转动的轴、认知光电和磁电传感器检测的本质原理、认知在时域分析转速的困难性和通过频谱分析分析转动频率的容易性和直观性。

基于磁电式加速度传感器的试验台振动实验可以通过调节步进电机转速快慢，导致整个实验台架的振动的剧烈程度，认知无法通过人的感知去定量测量这种振动特性，通过磁电式加速度传感器获得微弱的振动信号，通过频谱分析，能够清楚地获得振动的频率。这种拾振和处理过程是故障诊断的基础和信号分析的基础。

基于Labview开发的温度检测实验，让大家感知替代温度计进行测量温度的过程，了解基于Labview软件建立测试程序的流程，了解采集卡的选取、采样通道的匹配设定、采样频率的设定、采样点数的设计。

在多年的实验教学中发现，如果学生未能做好课前预习，在实验过程中现学现操作，往往只能繁忙于搭建系统、记录测量结果方面上，很难有思考的过程。所以，课堂实验教学须是在老师充分讲解基础上学生充分进行预习，独立开展实验，才能发挥效用。

（三）课后虚拟实验教学

课后虚拟实验，不需要具体的传感器，或者是学生可以结合《微机原理应用及接口技术》课程，结合单片机的学习板，连接到计算机中，构建虚拟仪器测试系统。如果未能很好地结合以上硬件，仍然可以运用Mablab、Labview等软件，通过自行设计程序构建虚拟仪器仿真系统[10]，开展虚拟实验。

首先信号的认知，可以通过Labview中的信号发生器，分别观察简谐信号、叠加了噪声的信号、多个简谐信号的叠加，从而认知自然界实际的信号是无法运用以前学过的知识在时域中将信号区分开的。

对信号的傅里叶变换和吉伯斯现象的理解，可以将书本上的矩形波信号展开的傅里叶三角级数，在Matlab里构建n次的叠加，可以清清楚楚地看到：随着n的增大，三角级数展开式的叠加结果越来越接近时域中的矩形波，这让学生可以直观地理解时域和频域变换之间的联系和关系。

对于一阶系统特性和二阶系统特性，可以在Matlab中，利用Simulink构建一阶系统和二阶系统的输入，显示输出，可以清楚地看到：不用频率输入信号产生输出的变化，从而认知系统的频率特性。当然可以搭建实际系统，用RC电路构建实际的低通滤波器，利用信号发生器产生不同频率的简谐信号，通过示波器或者采集卡看输出的变化，直观地理解一阶系统特性。

在Labview中选择软件滤波器，把前面建立起来的虚拟信号依次输入到滤波器中，观察滤波器的输出，结合频谱分析，对比滤波前后的时域波形和频域的频谱特性，理解实际滤波器的特性。可以通过多个频率叠加信号的滤波器的输出，理解时域中的波形失真，以及频域中的幅值失真和相位失真。

在调制和解调分析中，结合课程教学中的调幅电路，进行调制信号和载波信号的乘积实现调制，可以通过再次乘载波、低通滤波器，恢复波形，实现同步解调，也可以演示包络检波。

通过以上都可以自行开展的课后虚拟实验，既能让学生把Matlab、Labview等软件工具的学习与测试技术理论课程学习结合起来，也能够使学生形象直观地认知测试技术的原理和现象。学习者可以理解世间的绝大多数测试系统、测量对象、处理装置都可以用某种数学表达式表述出来，整个测试过程就是软件结合硬件的过程，如同人体的硬件（生物体）+软件（大脑）构成的测试系统完成实时测试过程一样。但在实际应用中也发现，学生并不能按照设想开展课后虚拟实验，比如布置的吉伯斯现象演示，给了具体的程序，仍然有许多同学并没有进行演示理解。

三、讨论与结论

以上探索的三种应用于测试技术课程体系的实验教学方式，能够将理论教学中的知识要点通过实验联系起来，理解测试技术课程体系中的测试系统特性、信号分析方法、信号处理方法、频域分析特性。三种方式各具特点，课程实验教学必须由学校提供实验场地开展实验，课堂实验可以在教学环节中自由完成，课后虚拟实验可以课后在宿舍等自行完成。實验教学是一种实践过程教学，其关键点在于：

1.实验教学涉及到多门基础知识。需要了解测试技术的理论知识，需要了解传感器、采集卡的硬件系统组成，需要了解Matlab、Labview等软件知识来构建虚拟测试系统。

2.学生需要认真做好预习和认真开展实验。这个与翻转课堂的出发点一致，尤其是课后虚拟实验，需要花费相当多的时间进行学习、准备和完成。这对学生提出了自发和自主学习的要求，但也正是这个自学过程，能够促使学生全面学会测量方法与测量技术。

3.教师需要引导好三种实验教学和过程。在课堂中通过课堂实验调动学生的积极性，增强学生的理解力。在课程实验中，给学生讲清楚实验目的和实验过程。在课后虚拟实验，讲清楚应用的工具，给出基本的程序参考。

测试技术教学存在的难点，有望通过开展课堂实验、课程实验、课后虚拟实验三种实验教学攻克，以提高学生的实践动手能力和对课程理论教学的理解能力，变课堂被动为主动，掌握测试技术和测试方法，具备构建工程、生活中测试系统的能力。

致谢：感谢以下基金项目：广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目（广东省教育厅（粤教高函〔2017〕214号）），广东工业大学校级“本科教学工程”项目（广工大教字（2017）101号文），广东省教育厅（粤教高函[2017]153号，粤教高函[2016]236号）。

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