機械工程測試技術課程教學改革探究

郭智薔 朱紅秀 葉濤 張運九 劉旭濤

［摘 要］機械工程測試技術是一門理論性與實踐性均較強的專業課，是本科生從基礎課程向專業課程過渡階段的重要課程，具有重要的實踐價值和戰略地位。文章基于機械工程測試技術課程教學過程中的常見問題進行分析，從案例式教學方法、以學生為主的教學方法、輔助教學方法3個方面開展課程教學改革，以期提供可行的教學方法，激發學生的學習熱情，活躍課堂氣氛，增強課程教學效果，為機械工程測試技術課程教學質量提升提供重要的參考。

［關鍵詞］機械工程測試技術；案例式教學；教學改革

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2024.06.065

［中圖分類號］G642；TG806［文獻標識碼］A［文章編號］1673-0194（2024）06-0204-05

0? ? ?引 言

作為信息時代的關鍵技術之一，測試技術在加工制造業、交通運輸業、航空航天業、煤炭勘測業等各個行業中都有著不可替代的作用，影響著工業生產和人們的日常生活［1］。機械工程測試技術課程作為機械學科本科生的專業基礎課，是引導學生了解并掌握測試和傳感器技術的重要課程。該門課程涵蓋了信號描述、測試系統特性、傳感器原理和應用、信號處理和分析等多方面的知識，是一門融合了機械、電子、物理、化學、數學的交叉課程，具有理論性和實踐性較強的特點［2］。要想在有限的授課學時內使學生快速掌握測試和傳感技術，學生需要具有扎實的數學、物理、電工電子技術等學科基礎知識，但這對于從未接觸過工程測試的學生來說有較高的難度。

由于機械工程測試技術課程內容抽象，實踐能力要求較高，為提升本課程教學質量，有必要深入分析本課程的特點和學生學情，探索適宜的教學改革方案，調動學生的主觀能動性，使學生加深對機械工程測試技術的理解和認知，為學生未來開展科學研究、進入機械行業進行工程實踐打下堅實的基礎，培養學生的創新和實踐能力，為我國機械行業打造優秀的人才隊伍［3］。

1? ? ?機械工程測試技術課程教學過程中的常見問題

1.1? ?課程開篇入門難

機械工程測試技術課程的教材一般將“信號描述及頻譜分析”作為第一章內容，這是因為信號作為信息的載體，是對物理客觀世界進行測量試驗采用的重要媒介，只有先對信號有了充分的了解，掌握時域信號和頻域信號的相互轉換方法，能夠從信號中提取有用信息，才能充分發揮測試技術的功能作用。但由于本科生缺乏科學研究經驗，對工程實踐背景了解較少，在課程學習開始時總會遇到一些問題，信號描述章節的內容涉及傅里葉變換，公式推導內容較多，數學理論性較強，對工程實踐性則體現較少，學生容易產生畏難情緒，難以從總體上認識本課程的整體架構，導致學生的學習興趣減弱。

1.2? ?知識點多而面廣

機械工程測試技術課程不僅是一門實踐性較強的課程，而且理論性突出［4］。例如，傅里葉變換在信號頻譜分析中的應用、各典型輸入信號條件下測試系統的基本特性、多種傳感器的測量原理、信號調理過程等，涉及的知識點眾多，且涉及不同學科，這使得學生想要真正學好本課程具有一定難度。一方面，由于本課程內容的強理論性，不同學生對知識點的理解程度難以統一，教師難以照顧到每位學生，當部分學生錯過某一小知識點的學習時，而教師沒有及時發現，將會直接導致這些學生“掉隊”，影響他們后面理論知識的學習；另一方面，學生在學習各章知識點時，容易陷入割裂學習的狀態，缺少對所學內容的整體把握，不能將前后知識點有機聯系在一起，以及構成系統知識鏈，可能出現只學會了各章知識點，但是無法融合在一起，難以應用到實際科學研究或工程實踐中。

1.3? ?傳感器類型繁多

機械工程測試技術中的第三章內容為傳感器，從教材內容到教師講授都側重于傳感器的原理講解［5］，由于講授內容涉及眾多不同類型的傳感器，學生高度集中的注意力難以長時間維持，略顯枯燥的內容可能影響學生的積極性，學生難以通過課堂的學習達到靈活選用合適傳感器的學習效果。

2? ? ?機械工程測試技術課程教學改革方案

對內容進行拆解和分析，把握個體與整體、一般與特殊（難點）、理論與實踐的關系，針對不同內容的特點，制訂不同的教學方案，實現提升教學質量，以及培養學生的學習能力和應用能力的教學目標。

2.1? ?應用案例式教學方法

2.1.1? ?圖形輔助教學增強視覺性

信號的頻域描述是機械工程測試技術課程中的重點和難點內容，學生要從宏觀上認識測試。測試系統包括信號采集和信號處理兩大部分，而信號貫穿始終，掌握信號的性質和參數特性是掌握測試技術的基礎和前提，包括時域信號的特征參數、頻域信號的性質、時域信號與頻域信號的相互轉換。由于信號描述具有抽象和理論性強的特點，采用案例教學方法能夠增加教學信息量，將抽象的知識直觀形象地展現出來，激發學生的學習熱情，加深學生對教學點的印象。

以周期信號的頻域描述為例，已知某方波周期信號的周期為2，由傅里葉級數展開得到其頻譜展開表達式：

為了更直觀地展示周期信號的傅里葉級數展開，應用Matlab軟件做出原始方波的曲線。首先，分別令諧波次數n為3、5，做出傅里葉級數展開式中1次基波、3次諧波、5次諧波的曲線，以及各次諧波的疊加曲線，如圖1所示。從圖1可以看出，隨著諧波次數的增加，諧波信號頻率增大，波長減小，幅值也隨之減小。然后，再將各次諧波進行疊加，如圖2所示，再令n分別為3、5、7、9，得到各次諧波曲線和疊加曲線，如圖3所示。通過前后兩張疊加曲線圖的對比可以看出，疊加諧波的最高次數越大，疊加結果更接近原始矩形信號，當n趨近于正無窮時，各次諧波疊加信號與原始矩形信號重合，即驗證了周期信號的傅里葉級數展開的正確性。

2.1.2? ?例題輔助教學加強理解

進一步來說，周期信號的傅里葉級數展開有兩種形式，分別是傅里葉級數三角函數形式展開式和傅里葉級數復指數形式展開式，兩種形式可以通過歐拉公式實現相互轉換，并且兩種形式的表達式之間存在一定的數學關系，相應得到的頻譜圖和復數頻譜圖之間也存在著相同點和不同點。周期信號的傅里葉級數展開可以寫成如下兩種形式：

該信號的頻譜圖和復數頻譜圖分別如圖3和圖4所示。對比兩組圖，可以得出以下結論。由傅里葉級數三角函數形式展開式得到信號的幅值頻率圖和相位頻率圖，其諧波分量均在頻率軸的正向，這與式（2）中n的取值是正整數保持一致；由傅里葉級數復指數形式展開式得到信號的復數頻譜圖，圖像在頻率軸的正向和負向均有值，這與式（3）中n的取值是所有整數保持一致；對比幅值頻率圖與復數的模的圖，可以看出，在頻率軸正向，相同頻率對應的幅值是其對應的復數的模的2倍，且復數的模是偶函數；對比相位頻率圖與復數的幅角的圖，可以看出，當相頻圖是由傅里葉級數余弦函數形式展開表達式作圖時，在頻率軸正向，相同頻率對應的相位和復數的幅角相同，且復數的幅角是奇函數。

采用實際信號作為例題，通過傅里葉級數三角函數形式展開表達式和頻譜圖、傅里葉級數復指數形式展開表達式及復數頻譜圖的求解過程，利用圖形清晰直觀的特點，使學生熟悉相關公式的應用方法，理解直流分量的含義，充分掌握兩種形式的傅里葉級數之間的差異和關系，有效提升教學效果。

2.2? ?開展以學生為主的教學改革

機械工程測試技術的第三章內容是傳感器，該章節的知識點包括傳感器的分類、結構、測量原理、工作特性、測量電路、應用等，知識點多，不同傳感器之間存在相似點和不同點，容易產生混淆。傳感器的設計依據是具有確定因果關系的物理現象、化學現象、生物現象等，因此本章節內容涉及力學、電磁學、材料學、熱力學、光學等學科的知識，知識覆蓋面較廣，容易導致學生在學習過程中出現不能及時理解傳感器工作原理，感到知識點繁多無序的情況，從而減弱學生的學習興趣，在課堂上難以跟上教師的節奏。為解決傳感器章節的教學效果欠佳的問題，教師可以采用以學生為主的教學改革方案，由學生進行分組調研預習，每組負責調研一種傳感器，并在課堂上進行分組展示，由學生展示某類傳感器的工作原理、工作特性、測量電路及應用等，充分調動學生的主觀能動性，充實課堂教學過程，激發學生的學習興趣，提高課堂參與度。最后，教師通過梳理和對比各類傳感器，從整體上加強學生的認識。

以學生為主的教學方法，是對教師主導講解、學生被動接受知識的傳統課堂教學方式的一種有力補充，能有效提高學生的學習積極性，鼓勵學生自主調研、總結、思考、討論、合作，培養學生的調研能力和科研能力。

2.3? ?加強多媒體教學的輔助

與板書相比，多媒體課件具有更清晰和直觀的特點，可以將圖像、文字、公式、動畫等有機結合，突出重點，尤其適合總結和復習，能加深學生對重點內容的印象。

機械工程測試技術課程需要教師分別講授信號描述、測試系統基本特性、傳感器原理、信號調理與分析的內容，各章內容相對獨立。為了系統梳理知識體系，教師可以借助多媒體課件，如將測試系統組成圖貫穿課程始終，如圖5所示。通過反復使用相同的圖像，可以加深學生的記憶，使本課程的主旨清晰明確，各章內容都是為實現機械工程領域內的測試工作打下基礎。從圖5可以看出，信號作為信息的載體，是測試系統的流動介質，因此，掌握信號的時域與頻域描述，了解信號的基本特性，是掌握測試技術的基礎；從圖5還可以看出，傳感器是將作為研究對象的非電量轉換成電量的第一個實際執行裝置，其重要性不言而喻，只有傳感器能夠及時有效地反映研究對象的改變，整個測量才有意義；最后，傳感器直接獲得的信號還需要通過信號處理才能被記錄和使用，因此，課程還涉及信號調理和信號分析的內容。至此，通過展示這樣一張圖像，教師可以實現課程整體內容梳理，有助于學生在學習本課程的過程中形成知識體系，真正讓學生理解課程內容，并將所學知識融會貫通。

3? ? ?機械工程測試技術課程教學改革后的預期教學效果

高校經過本門課程的教學改革后，可能會使學生充分掌握機械領域開展工程測試所需的基礎理論知識和基本實踐方法，具備獨立完成科學研究或工程實踐中某物理信號的測量與分析，培養學生的科學思想、創新思維及實踐能力。具體預期教學效果如下。

（1）學生能深刻理解信號的頻域分析的目的與意義，掌握測試信號的時域特征參數分析、頻域分析、相關分析以及功率譜分析，從測試信號中提取有效信息。

（2）學生能熟練掌握各類傳感器的工作原理與應用，具備在實際科學研究或工程實踐中選擇合適傳感器的能力。

（3）學生能深刻理解測試系統的靜態特性與動態特性，能夠實現測試系統動態特性分析、動態特性參數測定、明確測試系統工作范圍。

（4）學生能掌握信號處理方法，能夠在科學研究或工程實踐中選擇適合的放大器、濾波器等［6］。

4? ? ?結束語

機械工程測試技術課程是一門綜合性較強的專業課，是本科生從基礎課程向專業課程過渡階段的重要課程。本文通過分析機械工程測試技術課程教學現存問題，探索適合的教學方法，以期使學生更容易、更愿意走近這門課，掌握機械工程實踐的重要手段，充分發揮學生的主觀能動性，讓學生對測試技術產生興趣，消除本課程理論知識點多引起的畏難情緒，讓學生能夠真正理解測試技術中涵蓋的理論知識，真正掌握測試工作中所需的設計能力和分析能力，最大限度發揮一門專業課的作用。

主要參考文獻

［1］韓連福，叢垚，付長鳳，等.《傳感器與測試技術》教學改革探討［J］.當代教育實踐與教學研究，2019（1）：62-63.

［2］孫業明.機械工程測試技術課程教學改革的實施與探索

［J］.科技視界，2021（34）：31-32.

［3］方從富，李遠.“機械工程測試技術”課程思政教學改革探索［J］.黑龍江教育（高教研究與評估），2022（4）：78-80.

［4］李琳，周靖.應用型本科院?！豆こ虦y試技術》課程教學改革的探討［J］.教育教學論壇，2019（36）：92-93.

［5］胡開群，馮鑫.“機械工程測試技術”課程教學改革探討與研究［J］.科技視界，2017（11）：102-103.

［6］鄒大鵬，肖體兵，劉偉，等.測試技術課程的實驗教學研究［J］.教育教學論壇，2019（49）：177-180.