機械工程測試技術是機械類專業學生必修的一門專業技術基礎課,它主要研究機械工程領域與設計相關的試驗、控制和運行監測中所涉及到的物理量及其它工程量的測量和測量裝置的性能,主要包括物理量和其他工程量的測量方法、測試中常用的傳感器、信號的調理電路及記錄、顯示儀器的工作原理、測量裝置基本特性的評價方法、測試信號的分析和處理等內容。它是一門綜合應用相關課程的知識和內容來解決機械行業設計和生產中所面臨的測試問題的課程,基本理論較多,同時所研究的內容都直接面向工程應用中的測試問題,與工程應用緊密結合。由于各種基于新的測試原理和測試方法的新型傳感器不斷出現,課程的教學內容也處于不斷更新的變化之中。
隨著高校專業改革的發展,一方面測試技術課程的學時數逐漸減少,教學時數(包括理論教學和實驗教學)已縮減為32學時,而另一方面為了適應現代工程測試技術發展的需要,對于機械工程測試技術課程的教學要求卻又有所提高。因此,為了在減少學時的情況下達到相同的教學效果,機械工程測試技術的教學內容和教學模式也需要與時俱進。本文依照課程教學內容服從專業培養目標、課程教學方法服務于課程教學內容、素質教育貫穿于整個教學過程的原則,以培養學生的創新意識和分析解決工程實際問題的能力為目的,針對新形勢下機械工程測試技術課程的教學內容和教學模式進行了一些研究與探索。
1以面向工程應用為主的教學內容體系的改革
按照教學內容服務于專業培養目標的原則,以面向工程應用為主要目的,將課程內容進行模塊化整合,在教學過程中應以應用模塊的教學為重點,以適應培養具有創新意識的工程應用型人才的需要。
機械工程中一個完整的測試系統一般包括:被測對象(通常是各類信號)、傳感器、調理電路、信號采集與數字信號處理及反饋控制等,與此相應的理論內容主要有:信號及其描述方法、測試裝置性能的靜動態分析、各種常用傳感器的`原理及后接電路、信號調理、信號的顯示與記錄、信號處理等,這些內容構成了機械工程測試技術課程的基本理論部分,涉及知識面較廣,知識點多而繁瑣。同時課程也包括了常見物理量如位移、力、應力和應變、振動測試、溫度及流體參量中的壓力和流量等常見物理量的測試方法,還包括現代計算機測試系統等內容,這一部分屬于應用性內容。
針對課程內容的特點,將教學內容劃分為信號及其描述模塊、信號傳輸系統性能模塊、傳感器模塊、信號調理模塊、信號處理模塊及應用實例模塊這六大模塊。其中前五個模塊屬于該課程的理論部分,它們間的關系也非常明確,即按照信號的運行路徑為主線組織知識點,此部分內容中傳感器模塊為重點內容,主要講授常用傳感器的工作原理及后接電路,該部分內容與工程應用緊密結合,其余內容如信號傳輸系統性能及信號調理等與學生學習過的自動控制原理及電工學等課程有重合,在教學過程中可以做簡單回顧即可。最后的應用實例模塊既是前面各模塊的有機結合,又是該課程的目的所在,該模塊含幾個典型物理量的測試實例,每個實例應有具體的系統組成及適當的理論分析。這樣組織教學內容,學生在學習時能清晰地理解各個知識模塊的作用及在測試系統中的地位,對于測試系統的完整組成及性能分析有比較完整的概念,另外也可以學習到各種物理量測試技術的具體工程應用方法。
2教學方法與手段的改革
2.1工程實例教學法
按照教學方法服務于教學內容的原則,由于機械工程測試技術這門課程與工程實踐聯系緊密,直接面向工程應用,因此在教學過程中,應將適當的工程實例引入教學,這對于提高教學效果具有重要作用。
如在講述傳感器的原理時,除講清楚各種傳感器的原理之外,還需要通過大量的工程實例來使學生認識所學習的傳感器是如何應用于實際工程量的測量。例如,筆者在講述壓電傳感器時,給學生舉了一個壓電傳感器應用于懸臂梁振動測試的例子。壓電加速度計由慣性質量塊和受壓的壓電陶瓷晶體等組成,固定安裝在懸臂梁上,當給懸臂梁施加一定頻率的激振信號時,壓電加速度計感受與懸臂梁相同頻率的振動,若振動頻率遠小于壓電加速度計的固有頻率,質量塊便有正比于加速度的交變力作用在壓電陶瓷晶體上,由于壓電效應,壓電陶瓷晶體上產生正比于運動加速度的表面電荷,通過電荷放大器等后接電路,便可以得到懸臂梁振動的加速度信號,再通過雙重積分器即可得到懸臂梁的振動位移信號。
例如,在講述關于濾波器的問題時,筆者通過LABVIEW給學生演示了一個濾波器應用程序,頻率為10Hz、幅值為1的正弦波與頻率為60Hz、幅值為0.1混疊有幅值為0.1的白噪聲的正弦信號疊加的合成信號,通過無限長沖擊響應(IIR)3階低通濾波器進行濾波處理,當濾波器的截止頻率分別為20Hz和65Hz時,通過觀察濾波后信號的波形圖,來了解濾波器的截止頻率對于濾波效果的影響。
這些工程實例的引入,一方面能夠激發學生學習相關知識的興趣,了解相關知識的工程應用,同時又能提高學生應用所學內容分析和解決工程實際問題的能力。
2.2啟發式教學法
啟發式教學,就是根據教學目的、內容、學生的知識水平和知識規律,運用各種教學手段,采用啟發誘導辦法傳授知識,使學生積極主動地學習,以促進能力培養。在課堂教學中,應盡量避免填鴨式教育,盡量啟發學生利用已有知識去主動分析和解決理論推導和實際問題。在具體實施中,針對部分教學內容,以學生理解并掌握該部分內容為目標,可以先列出研究思路和步驟,然后在講解過程依步驟逐步提示學生利用現有知識去進行思考,并嘗試自己獨立推理,然后再由教師進行詳細講解。
例如,在講述關于非周期信號的傅立葉變換時,先列出學生已經學習過的周期信號的復指數展開式,提示他們可以將非周期信號看成是周期為無限長的周期信號,從而引導他們借用周期信號的復指數展開式去自己推導出傅立葉變換式。在講述了傅立葉變換的基本概念之后,提示他們結合數學中的坐標變換去理解傅立葉變換實質上是一種積分變換,將一個信號通過積分變換變成另一個信號,兩個信號相互之間有聯系,傅立葉變換后得到的信號自變量已經變為頻率而非時間,通過分析一個信號的傅立葉變換可以得到信號的頻譜密度函數,從而了解了信號包含的各頻率成份及特征。通過啟發式教學,學生深刻地理解了傅立葉變換的意義,同時也加深了對信號時域分析和頻域分析的理解。
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