机械工程测试技术课程教学改革探究

郭智蔷 朱红秀 叶涛 张运九 刘旭涛

［摘 要］机械工程测试技术是一门理论性与实践性均较强的专业课，是本科生从基础课程向专业课程过渡阶段的重要课程，具有重要的实践价值和战略地位。文章基于机械工程测试技术课程教学过程中的常见问题进行分析，从案例式教学方法、以学生为主的教学方法、辅助教学方法3个方面开展课程教学改革，以期提供可行的教学方法，激发学生的学习热情，活跃课堂气氛，增强课程教学效果，为机械工程测试技术课程教学质量提升提供重要的参考。

［关键词］机械工程测试技术；案例式教学；教学改革

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2024.06.065

［中图分类号］G642；TG806［文献标识码］A［文章编号］1673-0194（2024）06-0204-05

0     引 言

作为信息时代的关键技术之一，测试技术在加工制造业、交通运输业、航空航天业、煤炭勘测业等各个行业中都有着不可替代的作用，影响着工业生产和人们的日常生活［1］。机械工程测试技术课程作为机械学科本科生的专业基础课，是引导学生了解并掌握测试和传感器技术的重要课程。该门课程涵盖了信号描述、测试系统特性、传感器原理和应用、信号处理和分析等多方面的知识，是一门融合了机械、电子、物理、化学、数学的交叉课程，具有理论性和实践性较强的特点［2］。要想在有限的授课学时内使学生快速掌握测试和传感技术，学生需要具有扎实的数学、物理、电工电子技术等学科基础知识，但这对于从未接触过工程测试的学生来说有较高的难度。

由于机械工程测试技术课程内容抽象，实践能力要求较高，为提升本课程教学质量，有必要深入分析本课程的特点和学生学情，探索适宜的教学改革方案，调动学生的主观能动性，使学生加深对机械工程测试技术的理解和认知，为学生未来开展科学研究、进入机械行业进行工程实践打下坚实的基础，培养学生的创新和实践能力，为我国机械行业打造优秀的人才队伍［3］。

1     机械工程测试技术课程教学过程中的常见问题

1.1   课程开篇入门难

机械工程测试技术课程的教材一般将“信号描述及频谱分析”作为第一章内容，这是因为信号作为信息的载体，是对物理客观世界进行测量试验采用的重要媒介，只有先对信号有了充分的了解，掌握时域信号和频域信号的相互转换方法，能够从信号中提取有用信息，才能充分发挥测试技术的功能作用。但由于本科生缺乏科学研究经验，对工程实践背景了解较少，在课程学习开始时总会遇到一些问题，信号描述章节的内容涉及傅里叶变换，公式推导内容较多，数学理论性较强，对工程实践性则体现较少，学生容易产生畏难情绪，难以从总体上认识本课程的整体架构，导致學生的学习兴趣减弱。

1.2   知识点多而面广

机械工程测试技术课程不仅是一门实践性较强的课程，而且理论性突出［4］。例如，傅里叶变换在信号频谱分析中的应用、各典型输入信号条件下测试系统的基本特性、多种传感器的测量原理、信号调理过程等，涉及的知识点众多，且涉及不同学科，这使得学生想要真正学好本课程具有一定难度。一方面，由于本课程内容的强理论性，不同学生对知识点的理解程度难以统一，教师难以照顾到每位学生，当部分学生错过某一小知识点的学习时，而教师没有及时发现，将会直接导致这些学生“掉队”，影响他们后面理论知识的学习；另一方面，学生在学习各章知识点时，容易陷入割裂学习的状态，缺少对所学内容的整体把握，不能将前后知识点有机联系在一起，以及构成系统知识链，可能出现只学会了各章知识点，但是无法融合在一起，难以应用到实际科学研究或工程实践中。

1.3   传感器类型繁多

机械工程测试技术中的第三章内容为传感器，从教材内容到教师讲授都侧重于传感器的原理讲解［5］，由于讲授内容涉及众多不同类型的传感器，学生高度集中的注意力难以长时间维持，略显枯燥的内容可能影响学生的积极性，学生难以通过课堂的学习达到灵活选用合适传感器的学习效果。

2     机械工程测试技术课程教学改革方案

对内容进行拆解和分析，把握个体与整体、一般与特殊（难点）、理论与实践的关系，针对不同内容的特点，制订不同的教学方案，实现提升教学质量，以及培养学生的学习能力和应用能力的教学目标。

2.1   应用案例式教学方法

2.1.1   图形辅助教学增强视觉性

信号的频域描述是机械工程测试技术课程中的重点和难点内容，学生要从宏观上认识测试。测试系统包括信号采集和信号处理两大部分，而信号贯穿始终，掌握信号的性质和参数特性是掌握测试技术的基础和前提，包括时域信号的特征参数、频域信号的性质、时域信号与频域信号的相互转换。由于信号描述具有抽象和理论性强的特点，采用案例教学方法能够增加教学信息量，将抽象的知识直观形象地展现出来，激发学生的学习热情，加深学生对教学点的印象。

以周期信号的频域描述为例，已知某方波周期信号的周期为2，由傅里叶级数展开得到其频谱展开表达式：

为了更直观地展示周期信号的傅里叶级数展开，应用Matlab软件做出原始方波的曲线。首先，分别令谐波次数n为3、5，做出傅里叶级数展开式中1次基波、3次谐波、5次谐波的曲线，以及各次谐波的叠加曲线，如图1所示。从图1可以看出，随着谐波次数的增加，谐波信号频率增大，波长减小，幅值也随之减小。然后，再将各次谐波进行叠加，如图2所示，再令n分别为3、5、7、9，得到各次谐波曲线和叠加曲线，如图3所示。通过前后两张叠加曲线图的对比可以看出，叠加谐波的最高次数越大，叠加结果更接近原始矩形信号，当n趋近于正无穷时，各次谐波叠加信号与原始矩形信号重合，即验证了周期信号的傅里叶级数展开的正确性。

2.1.2   例题辅助教学加强理解

进一步来说，周期信号的傅里叶级数展开有两种形式，分别是傅里叶级数三角函数形式展开式和傅里叶级数复指数形式展开式，两种形式可以通过欧拉公式实现相互转换，并且两种形式的表达式之间存在一定的数学关系，相应得到的频谱图和复数频谱图之间也存在着相同点和不同点。周期信号的傅里叶级数展开可以写成如下两种形式：

该信号的频谱图和复数频谱图分别如图3和图4所示。对比两组图，可以得出以下结论。由傅里叶级数三角函数形式展开式得到信号的幅值频率图和相位频率图，其谐波分量均在频率轴的正向，这与式（2）中n的取值是正整数保持一致；由傅里叶级数复指数形式展开式得到信号的复数频谱图，图像在频率轴的正向和负向均有值，这与式（3）中n的取值是所有整数保持一致；对比幅值频率图与复数的模的图，可以看出，在频率轴正向，相同频率对应的幅值是其对应的复数的模的2倍，且复数的模是偶函数；对比相位频率图与复数的幅角的图，可以看出，当相频图是由傅里叶级数余弦函数形式展开表达式作图时，在频率轴正向，相同频率对应的相位和复数的幅角相同，且复数的幅角是奇函数。

采用实际信号作为例题，通过傅里叶级数三角函数形式展开表达式和频谱图、傅里叶级数复指数形式展开表达式及复数频谱图的求解过程，利用图形清晰直观的特点，使学生熟悉相关公式的应用方法，理解直流分量的含义，充分掌握两种形式的傅里叶级数之间的差异和关系，有效提升教学效果。

2.2   开展以学生为主的教学改革

机械工程测试技术的第三章内容是传感器，该章节的知识点包括传感器的分类、结构、测量原理、工作特性、测量电路、应用等，知识点多，不同传感器之间存在相似点和不同点，容易产生混淆。传感器的设计依据是具有确定因果关系的物理现象、化学现象、生物现象等，因此本章节内容涉及力学、电磁学、材料学、热力学、光学等学科的知识，知识覆盖面较广，容易导致学生在学习过程中出现不能及时理解传感器工作原理，感到知识点繁多无序的情况，从而减弱学生的学习兴趣，在课堂上难以跟上教师的节奏。为解决传感器章节的教学效果欠佳的问题，教师可以采用以学生为主的教学改革方案，由学生进行分组调研预习，每组负责调研一种传感器，并在课堂上进行分组展示，由学生展示某类传感器的工作原理、工作特性、测量电路及应用等，充分调动学生的主观能动性，充实课堂教学过程，激发学生的学习兴趣，提高课堂参与度。最后，教师通过梳理和对比各类传感器，从整体上加强学生的认识。

以学生为主的教学方法，是对教师主导讲解、学生被动接受知识的传统课堂教学方式的一种有力补充，能有效提高学生的学习积极性，鼓励学生自主调研、总结、思考、讨论、合作，培养学生的调研能力和科研能力。

2.3   加强多媒体教学的辅助

与板书相比，多媒体课件具有更清晰和直观的特点，可以将图像、文字、公式、动画等有机结合，突出重点，尤其适合总结和复习，能加深学生对重点内容的印象。

机械工程测试技术课程需要教师分别讲授信号描述、测试系统基本特性、传感器原理、信号调理与分析的内容，各章内容相对独立。为了系统梳理知识体系，教师可以借助多媒体课件，如将测试系统组成图贯穿课程始终，如图5所示。通过反复使用相同的图像，可以加深学生的记忆，使本课程的主旨清晰明确，各章内容都是为实现机械工程领域内的测试工作打下基础。从图5可以看出，信号作为信息的载体，是测试系统的流动介质，因此，掌握信号的时域与频域描述，了解信号的基本特性，是掌握测试技术的基础；从图5还可以看出，传感器是将作为研究对象的非电量转换成电量的第一个实际执行装置，其重要性不言而喻，只有传感器能够及时有效地反映研究对象的改变，整个测量才有意义；最后，传感器直接获得的信号还需要通过信号处理才能被记录和使用，因此，课程还涉及信号调理和信号分析的内容。至此，通过展示这样一张图像，教师可以实现课程整体内容梳理，有助于学生在学习本课程的过程中形成知识体系，真正让学生理解课程内容，并将所学知识融会贯通。

3     机械工程测试技术课程教学改革后的预期教学效果

高校经过本门课程的教學改革后，可能会使学生充分掌握机械领域开展工程测试所需的基础理论知识和基本实践方法，具备独立完成科学研究或工程实践中某物理信号的测量与分析，培养学生的科学思想、创新思维及实践能力。具体预期教学效果如下。

（1）学生能深刻理解信号的频域分析的目的与意义，掌握测试信号的时域特征参数分析、频域分析、相关分析以及功率谱分析，从测试信号中提取有效信息。

（2）学生能熟练掌握各类传感器的工作原理与应用，具备在实际科学研究或工程实践中选择合适传感器的能力。

（3）学生能深刻理解测试系统的静态特性与动态特性，能够实现测试系统动态特性分析、动态特性参数测定、明确测试系统工作范围。

（4）学生能掌握信号处理方法，能够在科学研究或工程实践中选择适合的放大器、滤波器等［6］。

4     结束语

机械工程测试技术课程是一门综合性较强的专业课，是本科生从基础课程向专业课程过渡阶段的重要课程。本文通过分析机械工程测试技术课程教学现存问题，探索适合的教学方法，以期使学生更容易、更愿意走近这门课，掌握机械工程实践的重要手段，充分发挥学生的主观能动性，让学生对测试技术产生兴趣，消除本课程理论知识点多引起的畏难情绪，让学生能够真正理解测试技术中涵盖的理论知识，真正掌握测试工作中所需的设计能力和分析能力，最大限度发挥一门专业课的作用。

主要参考文献

［1］韩连福，丛垚，付长凤，等.《传感器与测试技术》教学改革探讨［J］.当代教育实践与教学研究，2019（1）：62-63.

［2］孙业明.机械工程测试技术课程教学改革的实施与探索

［J］.科技视界，2021（34）：31-32.

［3］方从富，李远.“机械工程测试技术”课程思政教学改革探索［J］.黑龙江教育（高教研究与评估），2022（4）：78-80.

［4］李琳，周靖.应用型本科院校《工程测试技术》课程教学改革的探讨［J］.教育教学论坛，2019（36）：92-93.

［5］胡开群，冯鑫.“机械工程测试技术”课程教学改革探讨与研究［J］.科技视界，2017（11）：102-103.

［6］邹大鹏，肖体兵，刘伟，等.测试技术课程的实验教学研究［J］.教育教学论坛，2019（49）：177-180.