问题探究式教学方法在测试技术实践教学中的应用研究

李昕涛 昝健洲 李子良 王倩倩 李树宏

摘要：测试技术实验作为一门工科课程的实践教学环节，要求综合性和创新性的实验训练，即学生在掌握实验原理和训练实验技能时达到发现问题、提出假设、实验验证并独立自主完成实验分析的教学效果。引入问题探究式教学方法来设计测试技术实验，以学生为参与主体，从讨论实验选材到实验理论建模仿真再到实验验证及实验结果分析的各个阶段，要求学生提出自己的独到见解并配以教师的教学指导，用测试的本质来解释实验不确定度，以期为测试技术教学实践环节乃至工科教学实践环节提供一定的参考和建议。

关键词：问题探究式;测试技术;实验教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）35-0179-05

教学，顾名思义，教与学兼顾。文艺复兴时期，人类提出了因果思维模式，将问题分解为四个核心问题，即“是什么？为什么？怎么办？怎么样？”。随着信息技术的发展，原有的教学方法逐渐让渡给美国教育家约翰·杜威提出的问题探究式的教学方法。其指导思想是教师在哲学领域对学生进行指导，明确“是什么”问题，使学生掌握涉及科学技术领域的认识问题;学生作为研究主体对科学技术问题进行深入分析，给出“为什么”会产生这样的问题;学生自主探索，提出解决问题的方法和步骤，找出“怎么办”的方法和工艺路线;最后，结合现有的方法进行比较，客观评价自主提出的方法的优缺点，建立“怎么样”的科学评价体系和架构。按照“是什么？为什么？怎么办？怎么样？”的探索思路，建立学生的认知模型和学习方法架构。

在测试技术教学工作中，由于测试结果是工程定量分析的判据，是工业产品开发和质量体系的法规保障的数据证据，所以对于测试方法和技术的教学就显得极其重要。

一、问题探究式的教学方法在机械测试技术教学实践中的具体思路

（一）创设机械测试问题的情境，以人为本，激发学生自主探究的兴趣

开设机械测试技术这门课程是为了让学生熟悉一般测试过程的步骤，学习各种测试方法的原理，合理地选用测试装置，掌握分析测试数据等教学要求。为了激发学生的兴趣，让学生参与讨论，自行设计机械测试技术的实验。考虑到实验成本和多专业适用实验的可行性，以应变片的力学测试实验为主体展开一系列的实验设计。

（二）选择与确定问题，理论联系实际，严谨的逻辑分析能力的培养

正式开始实验之前，需要对应变片的测试原理有一定的了解，可以发现应变片的应变效应和物体受力后的机械变形有关，为了验证他们之间的关系，选用实验室常见的钢尺作为受力对象，并将钢尺转换为悬臂梁模型进行分析。这一过程要将物理模型转换为数学模型，培养了学生理论联系实际的能力及严谨的数学建模分析能力。

（三）讨论与提出假设，老师适时点拨方向

在分析完悬臂梁结构后，学生可能并没有意识到这一过程对后面实验的影响，老师可进行适当提醒，悬臂梁各点的应力和应变不同，故应变片的粘贴位置、粘贴质量会对之后的实验结果造成影响，让学生带着问题进行之后的实验。

（四）实践与寻求结果，通过实验提升各种能力

应变片的粘贴实验不仅可以提高学生的动手能力，而且在涂布胶层进行粘贴时需要学生们的相互配合，增强团队合作意识，明确工艺设计的重要性。接下来搭建前置放大器半桥电路，并在面包板上焊接好差动输入电桥放大电路，学生需对照着电路图将实物焊接好，这一步非常考验学生的空间想象能力，连接错任何一个元器件都会对最后的实验结果有很大的影响。之后，将应变钢尺连接到前放电路板上，再接入单片机实验板的ADC采集电路输入端，读取数据并将结果显示在数码管上。

在实验中，有些学生可能在搭建电路过程中将元器件错误布置，或在焊接过程中出现了虚焊、漏焊等情况，导致最后实验失败或实验结果出现了很大的误差，教师启发学生误差理论中的系统误差、随机误差和人为误差的概念和区分方法，以及数据处理的方法。

如果要检查哪一步出错，就会跟不上别的学生的进程，这就考验了学生的心理承受能力和心理素质，通过一些小的挫折锻炼学生更好地管理自己的情绪。明白差之毫厘，谬之千里的道理，正确理解工艺设计的重要性，教师可启发学生理解工程法治文明中，实体法和程序法的关系和意义。

（五）分析实验结果，验证并得出结论

通过Excel和Matlab数学工具处理实验数据，运用散点法分析结果，通过实验验证提出的问题，可以加强理解与记忆，在一系列的实验中培养各种能力。

问题探究式的教学方法是一种快乐教学法，它以人为本，注重学生的兴趣与心理，更好地激发学生的潜能。

二、测试技术实践教学过程简述

（一）悬臂梁结构有限元受力分析实验

此实验是为了让学生了解悬臂梁结构和有限元分析软件并且初步掌握ANSYS有限元分析软件的使用。通过在ANSYS建立悬臂梁模型，对其施加约束和力，求解后得到应力云图、应变云图和最大变形图。通过对实验结果的分析，可得知应变片应粘贴的位置，得到金属箔式应变片的粘贴实验的实验基础。

图1、图2和图3分别为悬臂梁的应力云图、应变云图和最大变形图。

（二）金属箔式应变片的粘贴实验

此實验是为了让学生学习应变片粘贴的工艺过程，逐步熟悉和掌握应变片的粘贴技术和技巧，包括粘贴质量的检查与防潮措施。通过学习金属应变片测量原理及主要特性，明晰应变片的测量原理，通过实验工艺中人为的粘贴技术，使学生了解测试工作中，个人动手能力和工艺过程对测试结果的重要性，培养学生严谨的治学态度，懂得“差之毫厘，谬之千里”的严谨治学要求的意义。

1.金属电阻应变片的结构。金属电阻应变片是用直径0.025毫米的具有高电阻率的金属丝组成。由金属电阻应变片的应变效应可得到其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。

金属电阻应变式的结构如图4所示：

2.金属电阻应变片的工作原理及培养学生正确理解理论的能力。任何金属在力的作用下会产生一定的形变，这种形变会带来其电阻率发生相应的变化。测试理论中的电阻应变效应是指应变电阻以自身电阻的变化量来衡量自身形变的大小，进而测量被测对象的受力情况。

由上式可知，在承受应力的金属丝发生机械变形的过程中，ρ、L、S三者都要发生变化，从而必然会引起金属丝阻值的变化;应变片金属丝电阻阻值的变化，通过外围电路将不易观测的微小形变量，转化为可以观测的电量变化。

其过程具体描述为：应变片金属丝受外力伸张，金属丝的长度变长，其体积不变，则截面积相应减小，根据电阻应变效应的理论公式（1）可知，其电阻值增加;反之，应变片金属丝受压力缩短其电阻值减小。因此，通过测出电阻值的变化，进而掌握金属丝的应变情况。

对于不同的金属材料，其受力引起其阻值变化是不一样的，通过试验可以确定金属材料的应变灵敏系数△R，其在弹性极限内基本为常数值K;定义金属材料的轴向应变值ε（亦称长度应变值），即ε=△L/L，一般金属丝值ε在0.24—0.4之间，将阻值与应变值的转换关系变为△R/R=Kε;便于直接测量，减少数据单位变换过程中的计算误差的产生。

在实际生产生活中，监测发生机械形变的机械装备，仅需将金属应变片粘贴在受力表面最大形变处，使其与所附着的机械梁臂和弹性元件同步形变，电阻应变片便将力学量转换为电阻的变化量输出。

3.应变片的粘贴步骤。应变片的粘贴方法根据应变片、粘贴剂、使用环境的不同而不同。这里以常温室内测量为例。选用普通型应变片（带有导线的KFG应变片）、502粘贴剂、低碳钢试验片。选用并检查好应变片后，对试件表面进行除锈、保护膜处理，由有限元分析结构确定好粘贴位置后，涂布胶层、粘贴、加压、干燥，采取防潮措施，最后为了防止引线被拉脱，还需要焊接引线。

4.贴片质量检查。目测检查应变片的粘贴牢固度、胶层均匀度、位置准确度，使用万用表检查已贴好的应变片有无断路、短路现象及应变片的原始阻值。使用万用表高阻档或兆欧表检查应变金属丝与钢尺间的绝缘电阻，其要求在50—200兆欧以上。若绝缘电阻小，则表面粘贴质量差，需重新粘贴;否则会使应变片在测量过程中产生蠕变和零漂。

（三）应变电桥及前置放大电路搭建实验

为了让学生了解应变片电信号提取方法，初步掌握电桥电路特点，分析单臂电桥、半桥电桥、全桥电桥的优缺点，了解应变片直流电号放大方法，初步掌握集成运放在传感器信号放大中的使用，验证有限元分析的正确性。

电桥测量原理：

1.金属电阻应变片的工作原理。根据测试理论中的电阻应变效应的理论公式（1）可知，通过测量外围电路的电信号的变化，可获得钢尺相应的形变受力信息。

2.电桥电路图。直流电路的三种接法如图5所示：

实验步骤：搭建半桥电桥接法，取出面包板，按照差动输入电桥放大电路焊接好电路，接通电源，当钢尺没有形变时算出U此时应为0，如输出的U不接近为0，检查线路并分析误差来源。依次对钢尺施加力，并用万用表测量输出电压，记录结果并分析其線性度。

通过差动式放大电路的学习，使学生理解采用差动式温度补偿法对测量结果的作用和意义。科学技术的研究和应用常常需要对工作环境、测试环境进行分析和考量，进而减少由于自然外部环境的扰动，引起设备运行的故障或对设备寿命的影响。

（四）应变测试结果显示分析实验

本实验是为了让学生了解模拟信号转换成数字信号的原理，初步掌握简单ADC使用并且搭建硬件电路，分析电路特性。

应变测试系统框架如图7所示：将应变片钢尺连接到前放面包板上，将前放面包板的输出加之单片机实验板的ADC输入端，打开电源，观察单片机实验板的数码管显示部分，并依次加重量，记录数据。可多次测量，分析系统的重复性。将水量加至塑性变形区，分析线性度。

（五）实验数据分析

实验数据分析分为两次，第一次实验使用Excel进行分析，第二次实验使用Matlab软件。

1.本实验是为了使学生掌握Excel的数据处理方法、图表表达方法和数据拟合方法。通过直线拟合、折线直线拟合、柱状图直线拟合更加直观地看出数据的变化，并且进行计算线性度、灵敏度、数据重复性分析和根据拟合直线计算均方误差。

2.本实验是为了使学生初步了解Matlab的编程方法，初步掌握最小二乘拟合法的原理，显示和分析数据结果后分析对比与Excel的优缺点。并且让学生自行编写Matlab程序完成计算线性度、灵敏度、数据重复性和回程误差分析。

（六）实验成绩的评定

由于实验数据科学复现性的重复率要求，因此需要采用概率统计的方法对学生实验数据进行分析，如果实验中学生独立完成，其测量结果应具备正态分布特点，通过全体学生测量结果真值的计算，最接近真值的成绩最高，其次是实验结果与理论真值比较，分析实验结果的不确定度产生原因。

在机械测试技术课程的实际教学工作中，通过问题探究式教学方法构建出适合多专业工科的测试实验，通过上述实践教学整体的设计，培养学生养成“是什么？为什么？怎么办？怎么样？”的科学思路，多年来取得了良好的实践教学效果。

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