測試技術(shù)與信號處理課程案例式教學(xué)探索

牛禮民

[摘 要]測試技術(shù)與信號處理是機(jī)電工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，實(shí)踐性很強(qiáng)。項(xiàng)目組針對本課程傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生被動(dòng)聽課，啟發(fā)性和互動(dòng)性不強(qiáng)的問題，以車輛懸架系統(tǒng)振動(dòng)信號測試案例為實(shí)例，對案例式教學(xué)進(jìn)行了探索，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科知識分析解決實(shí)際問題，以期提高教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]案例教學(xué)法；教學(xué)改革；研究型教學(xué)；工程實(shí)踐

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）12-0036-03

案例教學(xué)法是指為執(zhí)行一個(gè)完整的項(xiàng)目，師生協(xié)同合作而采取的一系列以學(xué)生為主體的教學(xué)活動(dòng)，通過真實(shí)或虛擬的工作任務(wù)作為目標(biāo)或出發(fā)點(diǎn)，采取在實(shí)踐中學(xué)習(xí)的方式，很大程度上調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)熱情和實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)在完成項(xiàng)目的過程中獲得知識與技能，目前在多媒體教學(xué)領(lǐng)域被廣泛采用。如何在課堂上有效引導(dǎo)學(xué)生積極思考，分析解決案例中存在的問題，是整個(gè)案例分析教學(xué)中的重中之重。為進(jìn)一步深化研究生課堂教學(xué)改革，提高研究生教育教學(xué)質(zhì)量，本研究以測試技術(shù)與信號處理課程為例，對案例式教學(xué)法進(jìn)行探索，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，合理設(shè)置各種案例，使課程中的抽象問題形象化、具體化，加強(qiáng)學(xué)生對基本知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，拓寬其研究視野。

一、課程教學(xué)內(nèi)容

測試技術(shù)與信號處理是對未知物理量進(jìn)行測試的一門技術(shù)，以及為獲取真實(shí)信息而對干擾信號進(jìn)行處理的總稱。課程涉及的知識面非常多，包括機(jī)械學(xué)、物理學(xué)、高等數(shù)學(xué)及自動(dòng)控制等，在過程控制、質(zhì)量檢測、故障診斷、模態(tài)分析等工程方面應(yīng)用極其廣泛。目前，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，測試技術(shù)更是發(fā)生了翻天覆地的變化，這就要求課程內(nèi)容要實(shí)時(shí)更新，緊跟發(fā)展需求。根據(jù)教學(xué)大綱要求，本課程內(nèi)容主要包括：信號的描述、分析和處理方法，測試裝置特性分析，信號的獲取、變換和記錄的工作原理和特性及動(dòng)態(tài)測試?yán)碚撛趯?shí)踐中的具體應(yīng)用。通過本課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉常用傳感器、信號調(diào)理電路和記錄儀器的工作原理和性能，對動(dòng)態(tài)測試有一個(gè)比較完整的概念，能初步運(yùn)用于機(jī)械工程實(shí)際研究。

二、案例設(shè)計(jì)過程

案例選取是否得當(dāng)是影響教學(xué)效果的重要因素。案例設(shè)計(jì)過程中，引入學(xué)生研究方向和具體研究內(nèi)容，力求盡可能多地啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，減輕對他們創(chuàng)造性思維的束縛。如能使所選案例既與課程內(nèi)容有關(guān)，又與實(shí)際科研相關(guān)聯(lián)，則更能激發(fā)學(xué)生研究的興趣。為此，需要甄別課程哪些知識點(diǎn)可以開展案例教學(xué)，哪些知識點(diǎn)有必要開展案例教學(xué)，然后根據(jù)知識點(diǎn)搜索、整理國內(nèi)外相關(guān)典型工程應(yīng)用實(shí)例，按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求編寫相關(guān)案例。

（一）案例設(shè)計(jì)要求

本課程面向機(jī)電工程專業(yè)的碩士研究生，在案例設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量與學(xué)生的研究方向相關(guān)，教學(xué)案例設(shè)計(jì)要求主題突出，便于知識拓展，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，在課程內(nèi)容的實(shí)施上則要求貫穿于課前準(zhǔn)備、課堂引導(dǎo)討論和課后實(shí)踐等教學(xué)環(huán)節(jié)中。課程授課教師注意到在具體的課程案例開發(fā)過程中，實(shí)用性和教學(xué)重難點(diǎn)的把握是案例設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，這就要求專業(yè)教師具有較豐富的科研項(xiàng)目背景和工程專業(yè)認(rèn)證對師資方面的要求。高校教師應(yīng)走出校門，多與專業(yè)相關(guān)企業(yè)合作，具備一定的工程實(shí)踐背景，然后結(jié)合學(xué)生所選案例做進(jìn)一步的篩選，從中選出教學(xué)所能使用的案例課題，力圖給學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)一個(gè)真實(shí)的問題情境，以此引出教學(xué)內(nèi)容。在案例設(shè)計(jì)過程中，需要制訂案例討論規(guī)范，每個(gè)案例包括有背景描述、主題內(nèi)容、基本原理、效果展示、經(jīng)驗(yàn)分享等五個(gè)方面，如圖1 所示。

背景描述是說明事件的發(fā)生有什么特別的原因或條件，即為什么做這件事情，分析本案例產(chǎn)生的原因。主題內(nèi)容是撰寫案例時(shí)首要考慮這個(gè)案例所要反映的問題，可選擇最有收獲、最具啟發(fā)性的角度切入，從而確立主題要解決的問題。通過主題內(nèi)容分析，結(jié)合背景描述，剖析案例基本原理達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。效果展示要描述活動(dòng)產(chǎn)生的真實(shí)效果是什么，把問題解決到了什么程度，用圖形、公式、數(shù)據(jù)等說明更具說服力。經(jīng)驗(yàn)分享是對案例本身進(jìn)行分析，揭示事件的意義和價(jià)值，也可以分析本案例中成功的經(jīng)驗(yàn)、失敗的教訓(xùn)等，還可以描述對案例問題進(jìn)行的延伸思考。

此外，在每組陳述過程中，要求學(xué)生將理論內(nèi)容可視化，通過自己對案例內(nèi)容和分析過程的理解，將理論內(nèi)容用圖片、公式、視頻等各種可視化效果以幻燈片的形式呈現(xiàn)出來，鼓勵(lì)學(xué)生融入自己對本案例內(nèi)容的理解和學(xué)習(xí)體會(huì)，思索案例原理在其他測試過程中的應(yīng)用，以達(dá)到舉一反三、事半功倍的學(xué)習(xí)效果。在小組討論中，教師給出具體的案例，要求學(xué)生圍繞案例中所呈現(xiàn)的任務(wù)展開討論，將案例需要解決的問題分解成若干個(gè)小任務(wù)，針對這些小任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生說出分析結(jié)果及解決方法，與大家討論以加深對所學(xué)知識的理解，降低復(fù)雜工程問題的處理難度，從而進(jìn)一步優(yōu)化問題的解決方式。

（二）案例實(shí)施過程

確立案例教學(xué)法的教學(xué)內(nèi)容后，通過文獻(xiàn)查閱、仿真建模、動(dòng)畫制作等方式進(jìn)行案例具體內(nèi)容設(shè)計(jì)與分析，形成系列教案，利用多媒體課件，采用互動(dòng)式教學(xué)與學(xué)生討論。課前可預(yù)先向?qū)W生布置案例，介紹工程背景，提出要解決的關(guān)鍵問題。課堂上將學(xué)生分成若干討論小組分析案例，提出解決方案。教師在課堂上運(yùn)用多媒體技術(shù)復(fù)現(xiàn)案例過程，分析案例的關(guān)鍵、涉及的理論知識點(diǎn)，啟發(fā)學(xué)生思考方向。多媒體教學(xué)手段除可以提高課堂教學(xué)效率外，更主要的是采用圖片、動(dòng)畫和視頻相結(jié)合的方法，使一些抽象難懂的內(nèi)容變得直觀而形象。如案例的背景描述部分，通過相關(guān)視頻展示，可以使學(xué)生一目了然地體會(huì)到該案例內(nèi)容的實(shí)際應(yīng)用背景和重要意義。再如課程中的周期信號不同描述部分內(nèi)容，利用動(dòng)畫重復(fù)回放可以直觀顯示不同頻率諧波疊加生成周期信號的過程，方便學(xué)生對信號不同描述進(jìn)行理解和把握。通過加強(qiáng)課堂討論的啟發(fā)和引導(dǎo)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性，始終引導(dǎo)學(xué)生圍繞中心議題發(fā)表自己的見解，得出相應(yīng)結(jié)論。

互動(dòng)式教學(xué)模式則是促進(jìn)案例內(nèi)容教和學(xué)的必要手段。互動(dòng)式教學(xué)的方法很多，如在案例背景描述伊始，先將案例基本內(nèi)容做簡單提要，講一下要點(diǎn)難點(diǎn)，并提出幾個(gè)問題，要求學(xué)生在看背景資料的同時(shí)帶著問題組織討論，然后說出自己的理解并解答老師和同學(xué)們的問題。最后，將學(xué)生參加討論情況納入課程考核體系之中，激勵(lì)學(xué)生積極參與。endprint

三、案例教學(xué)實(shí)例

結(jié)合教師科研項(xiàng)目“車輛底盤狀態(tài)檢測與故障診斷研究”整合案例來源，研究底盤懸架減振系統(tǒng)振動(dòng)加速度時(shí)間歷程曲線及其相關(guān)函數(shù)，探索底盤懸架系統(tǒng)故障與非線性振動(dòng)響應(yīng)的關(guān)系，提高診斷的準(zhǔn)確性及早期預(yù)測能力。具體實(shí)施如下：

（一）前期準(zhǔn)備

課堂案例教學(xué)前，先將案例內(nèi)容（測試系統(tǒng)信號的相關(guān)性分析案例）布置給學(xué)生。進(jìn)行背景描述時(shí)，先拋出問題：實(shí)際測試得到的信號通常無法用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式描述，信號間不具有確定性的關(guān)系，如何描述？由此指出“相關(guān)”的概念，是客觀實(shí)物或過程中某兩種特征量之間聯(lián)系的緊密性，變量之間的相依關(guān)系稱為“相關(guān)”。要求一周時(shí)間課外完成測試系統(tǒng)信號的相關(guān)性分析及其應(yīng)用，課堂分組研討時(shí)需要說明各自分工。

（二）關(guān)鍵內(nèi)容

工程案例上，通過對相關(guān)函數(shù)的測量與分析，利用相關(guān)函數(shù)本身所具有的特性，可以獲得許多有用的重要信息。自相關(guān)函數(shù)及互相關(guān)函數(shù)的特性是案例討論的關(guān)鍵，式（1）和式（2）所示分別為自相關(guān)和互相關(guān)的函數(shù)估計(jì)。

（三）案例研討

案例討論時(shí)，可先建立如圖2 所示的車輛振動(dòng)傳遞路徑識別，然后提出分析案例的關(guān)鍵：自相關(guān)函數(shù)特性與互相關(guān)函數(shù)特性。由此引出思考問題（1）：為什么用自相關(guān)分析可以消除周期信號中的白噪聲干擾？思考問題（2）：如何理解信號處理中自相關(guān)函數(shù)的意義？思考問題（3）：相關(guān)函數(shù)特性分析對機(jī)械系統(tǒng)故障診斷的具體應(yīng)用是什么？

經(jīng)過個(gè)人分析和小組討論，有學(xué)生指出白噪聲是包含了所有的頻率，沒有周期性。此時(shí)教師可以加以點(diǎn)評，實(shí)際工程應(yīng)用中，自相關(guān)函數(shù)可以度量信號在不同時(shí)刻的相似程度，得到的結(jié)果只剩下周期性部分，白噪聲得到抑制。自相關(guān)就是函數(shù)和函數(shù)本身的相關(guān)性，當(dāng)函數(shù)中有周期性分量的時(shí)候，自相關(guān)函數(shù)的極大值能夠很好的體現(xiàn)這種周期性。然后進(jìn)一步討論如果利用信號的相關(guān)性分析提取特征信號，實(shí)現(xiàn)故障信號的特征識別。有學(xué)生認(rèn)識到相關(guān)性是兩個(gè)或多個(gè)具備相關(guān)性的變量元素的關(guān)系，這對相關(guān)性概念有了基本的建立，此時(shí)教師可引導(dǎo)并提出新的疑問：相關(guān)性不等于因果性，也不是簡單的個(gè)性化，相關(guān)性所涵蓋的范圍和領(lǐng)域幾乎覆蓋了日常生活所見到的方方面面，相關(guān)性在不同的學(xué)科里面的定義也有很大的差異。如何衡量兩個(gè)變量因素的相關(guān)密切程度？這樣就促使學(xué)生很自然地考慮將案例與課程內(nèi)容結(jié)合起來，得出相關(guān)性元素之間需要存在一定的聯(lián)系或者概率才可以進(jìn)行相關(guān)性分析，并進(jìn)一步引出自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)、相關(guān)系數(shù)等。

（四）效果總結(jié)

對小組分析討論逐一點(diǎn)評，綜合正確的結(jié)論和觀點(diǎn)，剖析錯(cuò)誤及見解之不足，總結(jié)時(shí)給出案例分析的邏輯路徑。先從概念入手，理解相關(guān)性意義，在掌握其特性的基礎(chǔ)上分析應(yīng)用案例，最后對其原理應(yīng)用進(jìn)行延伸：如何利用相關(guān)性函數(shù)特性設(shè)計(jì)其在回聲測距、通訊、測速、信號識別、故障診斷等工程中的應(yīng)用？本案例緊密結(jié)合車輛工程實(shí)際，從懸架振動(dòng)信號測試開始，對信號的相關(guān)分析進(jìn)行學(xué)習(xí)，逐步引入機(jī)械故障診斷理論，讓學(xué)生了解測試系統(tǒng)信號相關(guān)性分析的重要地位和應(yīng)用場合。通過案例問題導(dǎo)向可以激發(fā)學(xué)生的求知欲，有助于培養(yǎng)他們正確分析問題、解決問題的能力。值得注意的是，案例教學(xué)不同于傳統(tǒng)的問答題，答案沒有固定的模式，每個(gè)人都可以從不同角度、不同途徑去解決問題，因此每個(gè)學(xué)生的觀點(diǎn)都有可取之處，這對學(xué)生的獨(dú)立思考是一種積極鼓勵(lì)。

在案例教學(xué)中，案例內(nèi)容選取上應(yīng)以課程內(nèi)容為中心、專業(yè)基礎(chǔ)為背景，同時(shí)與當(dāng)前相關(guān)研究領(lǐng)域保持同步，不斷更新。學(xué)生為了做好案例分析，必須查閱各種相關(guān)文獻(xiàn)資料，無形中深化了對知識的理解，形成了主動(dòng)學(xué)習(xí)的氛圍。同時(shí)，為解決案例問題，學(xué)生必須對理論知識進(jìn)行有效的整理和融合，打破讀死書的思想約束，這樣才能提出解決問題的方案，實(shí)現(xiàn)由理論知識到實(shí)踐能力培養(yǎng)的提高。

四、結(jié)束語

案例教學(xué)將部分真實(shí)生活引進(jìn)課堂，使學(xué)生接觸到工程實(shí)踐具體應(yīng)用，對調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性，增強(qiáng)課堂教學(xué)的吸引力發(fā)揮著極大的作用。案例教學(xué)中的實(shí)例，會(huì)將學(xué)生更多地置于現(xiàn)實(shí)生活環(huán)境中，分析問題時(shí)須考究多方面因素，但教學(xué)目的則是找出解決實(shí)際生產(chǎn)問題的可行方案，讓學(xué)生寓教于做，學(xué)以致用。課堂教學(xué)過程中，案例內(nèi)容情境設(shè)計(jì)是難點(diǎn)，設(shè)計(jì)讓學(xué)生能主動(dòng)參與的討論情境是教師引導(dǎo)的關(guān)鍵，這就需要教師具有豐富的科研工作經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)踐背景。通過案例教學(xué)與其他教學(xué)方法相結(jié)合，學(xué)生之間以及師生之間的互動(dòng)明顯加強(qiáng)，學(xué)生對案例知識點(diǎn)的掌握較好，有利于形成知識體系結(jié)構(gòu)，教師通過對教學(xué)過程的總結(jié)延伸也有助于進(jìn)一步改進(jìn)案例設(shè)計(jì)，獲得更好的教學(xué)效果。

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]endprint