机械工程测试技术基础课程的教学改革与实践
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）29-0051-02
“机械工程测试技术基础”是机械类专业较为重要的一门专业基础课，在专业课程体系中的地位非常重要。本课程涉及内容较多，既有较复杂的数学问题、又涉及一定深度的电工学、力学、数电、模电的相关知识，综合性和实践性都很强。本课程涉及的数学知识很多内容非常抽象，致使该课程较为晦涩，学生难以掌握。
为了提高本课程的教学效果，国内外很多教师已进行了大量的探索。如在美国，测试技术被定位为实验课程，教学目标是通过实验环节来提高学生的综合素质和能力，教学方法上实行课堂教学和实验教学并重。[1]慕丽等[2]提出了“以工程案例、虚拟仪器和实验为主线和核心”的边讲、边实验、边演示、边讨论的机械工程测试技术基础课程课堂教学模式。喻红等[3]提出了以工程案例为背景的实验课教学模式，利用课程组教师承担过大量科研项目，对所承担过的科研项目中应用到的测试技术进行整理，提炼为具有实际工程应用背景的案例和实验。崔伯第[4]从教学内容、教学方法及实验环节三个方面进行了有益的改革与探索。
本文针对应用型本科院校的人才培养定位，借鉴“卓越工程师”培养模式，对教学内容进行了优化和更新，强化了知识的应用背景，改革了灌输式的教学方法，变学生的被动接受为主动探究，从学生应用能力的培养出发，加强了实践教学环节，取得了较好的教学效果。
一、问题分析及教改思路
1.问题分析
我校为应用型本科院校，笔者从事本门课程的教学已有6年，通过这几年的教学实践，感觉本课程存在的问题主要有以下几个方面：
（1）内容上理论性偏强，学生感觉枯燥无味，深奥难懂。“机械工程测试技术基础”是一门理论性非常强的课程，其教学内容主要包括传感器及常用敏感元件转换原理和信号处理及分析相关理论两大部分。有关测试装置的传递函数、信号的数字化、信号的频谱、功率谱分析等内容，涉及到傅立叶变换、拉普拉斯变换等比较抽象的数学知识，学生普遍感到深奥难懂，学起来枯燥无味。这些内容在后续的工程应用中又体现的不够充分，学生对这些理论知识的作用认识不足，严重影响教学效果。近年来，随着电子技术、计算机技术的飞速发展，测试技术及仪器也发生了很大变化，因此，现行教材在测试技术的工程应用及新型传感器方面内容不够丰富，存在实际工程应用案例过少、大部分传感器没有提供实物对象等问题，不适于应用型人才培养的需要。
（2）知识点的顺序安排不利于学生接受。现有教材一般是从知识的完整性出发，按照信号及其描述、测试装置的基本特性、常用传感器及敏感元件、信号调理、信号处理、工程应用这样一个顺序来展开。这样的顺序编排从知识的相关性和完整性来讲，当然是非常正确的。但是对于学生来讲，在不能深刻理解这些理论知识应用背景的情况下，强迫自己去接受一大堆晦涩难懂的理论知识，是一件非常困难的事情。合理地调整课程的内容顺序，可能会使学生更容易接受。
（3）传统的教学方式实践性环节偏少，影响了教学效果。对于大多数应用型本科院校，由于教学实验条件的限制，本门课程的教学一般只侧重课本内容讲授，教学的基本方法模式是教师讲、学生听，学生动手实践性环节偏少。在课程教学过程中，学生积极参与和师生间、学生间的互动很少，不利于对学生进行工程实践能力的培养，也严重影响了教学效果。老师辛辛苦苦，讲了很多，却没能给学生留下什么深刻的印象，甚至部分学生连一些基本的传感器都不能分辨，更不用说正确地使用了。
2.教改的基本思路
针对上述问题，笔者总结几年来讲授本课程的经验与教训，结合我校应用型人才培养的目标定位，确定了本门课程改革的基本思路。主要是弱化理论的数学推导，突出理论的物理意义，强化有行业背景的工程应用，加强案例教学；调整知识点的讲授顺序，循序渐进地完成知识体系的讲授；从引导学生兴趣入手，多渠道、多途径让学生接触实际问题；在实践教学环节上狠下功夫，利用虚拟仪器语言，建立对学生完全开放的试验系统（台），培养学生的实际应用能力。
二、教学改革与实践
1.优化课程的教学内容
清华大学的林健教授在论述面向“卓越工程师”的教学改革时曾指出，[5]在教学内容的改革中要注重专业知识和教学内容的选择，以确保学科专业得到有效传承。由于近年来电子技术以及计算机技术等技术领域的迅速发展，使得本课程涉及的相关知识发生了很大变化，现有教材提供的知识信息显然不能及时反映传感技术的发展，有些知识已经有些陈旧，而各种传感器的典型应用，在教材上并没有反映。针对上述情况，我们强化了基于虚拟仪器语言的计算机测试系统和仪器的教学内容，将被测对象、传感器、数据采集卡、微型计算机组成的测试系统（仪器）作为测试系统基本的组成结构介绍和应用，使学生能够根据被测对象，构建这样的测试系统。
对于应用型本科院校，学生的培养定位主要是应用型人才，因此，在课程内容上强化应用，弱化理论的数学推导。对傅立叶变换、频谱分析等比较抽象的数学运算，着重介绍其物理意义，弱化纯数学的运算要求，增加了MATLAB软件进行数据处理的内容。而在工程应用环节，突出了行业背景特色，针对我校机械专业学生的未来就业方向，增加了工程机械、机床制造领域常用的基于现代传感技术的测量仪器的介绍，比如，在位移测量这一部分，减少了物位测量的内容，增加了表面粗糙度测量仪、表面轮廓测量仪、齿轮误差测量仪、机床主轴的回转精度测量等测量仪器和测量案例。 2.调整知识点的讲授顺序安排
在知识讲授顺序的安排上，遵循让学生首先知道怎么用、然后学会正确选择使用、最后掌握综合应用和正确分析测试信号这样一个渐进式学习的原则。
在授课内容的安排上，绪论课以后，首先利用标准输出的荷重传感器、数据采集卡和虚拟仪器高级语言VB，构建一个重量测量系统，让学生形成一个清晰而又简单的传感器应用概念。在此基础上，先介绍常用传感器和敏感元件的变换原理，讲完后，安排一次企业参观，让学生了解生产制造企业中传感器的应用情况，强化其对传感技术应用背景的理解。
然后再讲述信号及其描述、测试装置的基本特性，结合前面介绍的不同类型传感器以及不同应用背景分析传感器的基本特性以及合理选择的方法，让学生学会根据被测对象的具体特点正确选择传感器或测量元件、测量仪器。
接下来讲授工程应用环节，针对不同类型的物理量，比如：位移量、应力、应变、拉压力、温度等，学会构建合理的测量系统，将信号调理的有关内容融合到具体工程量的测量中去讲授。在讲授振动测量内容时，将信号的数字化处理、相关分析、谱分析的内容融合在一起。这样在讲授比较晦涩的数学问题时，和具体的应用结合在一起就会更有针对性，也不会像原先那样抽象难懂。
3.调动学生对学习内容的兴趣
学生对所学内容有兴趣，才会愿意学习并主动学习。在教学活动中，根据具体内容采用灵活多变的教学方法，不仅可以激发学生的学习兴趣，而且能收到事半功倍的效果。[2]作为应用型本科院校，学生在学习的自觉性方面相对较差，尤其是对本门课程这样比较抽象的学习内容，学生容易产生厌学情绪。
针对学生缺乏学习兴趣的问题，我们通过一系列的方法来激发学生的学习兴趣。在讲授完传感器原理后，安排学生到企业参观，教师现场解读生产现场中传感器的具体应用，让学生了解传感器的工程背景，在现场提出一些应用需求让学生去思考。让学生在网上搜集相关传感器的信息，分析其指标特性，使其感受到能看懂传感器的说明信息所带来的成就感。在教学内容上，将老师从事的具有工程背景的科研案例补充进来，一方面可以开阔学生的学术眼界，同时还可以引导学生主动思考，激发学习兴趣；在教学手段上，则注意通过演示实验将抽象的理论形象化、将枯燥的内容变得更有活力。在工程应用的教学环节，让学生动手构建测试系统，从而感受实现测量目标的成功喜悦，增加学习兴趣。
4.强化实践教学环节
课程的实践环节教学能够使学生加深对抽象理论知识的形象化理解，有效提高学生的综合素质和能力。“机械工程测试技术基础”本身也是一门实践性很强的课程，对此，我们重点加强了课程的实践性，让每一个知识点都与实际应用结合起来。
实验更是实践环节的重点，对大多数应用型本科院校来说，本门课程的实验教学还是沿袭传统模式。在实验之前，教师详尽交代实验步骤，学生只是按照规定步骤操作。这种模式，虽然也能使学生较快的掌握所学的教材内容，但却在很大程度上影响了学生创新性，不能很好地激发学生的学习欲望。
为此，我们改变了这种传统的实验模式，加强学生的参与性，让学生尽可能地体验各种物理量的实际测量方法和测试系统的构建方法。一方面，学校购买了测试技术综合实验系统，充分利用该实验系统的功能，使学生全面体验各种传感器的性能测试，增强感性认识。另一方面，重点加强了实验系统对学生的开放程度，尽量采用基于PC机的虚拟仪器技术代替传统测量仪器，以研究性实验、设计性实验以及综合性实验来代替单纯的测量实验。我们利用数据采集卡开发了基于虚拟仪器高级语言VB的各种虚拟仪器，比如：摩擦力矩测量系统、温度测量系统、位移测量系统等，并将代码及各种硬件连接全部向学生开放。学生可以通过变换传感器、改变程序代码等方式设计自己的实验。通过这样的实验，学生对传感器的使用方法更加清楚，学生还可以在动手中体会到成功的乐趣。
三、结语
改革后的“机械工程测试技术基础”课程的教学组织方式，理论讲授和实践教学并重，弱化了纯数学理论的运算推导，突出了理论的应用意义；按照循序渐进的方式，调整了授课内容的顺序，将相关理论知识点融合到具体工程应用；通过工程应用背景的强化、案例教学、自己动手构建测试系统等方法，激发学生的学习兴趣；加强了实验系统对学生的开放程度，增强了学生应用能力的培养。通过几年来的实践，上述改革取得了较好的效果，学生普遍反映对本门课程比较感兴趣。
