測試技術課程的實驗教學研究

鄒大鵬 肖體兵 劉偉 趙榮麗

摘要：文章探討了高等教育工科教學體系中測試技術課程教學的實質與難點，提出了開展課堂實驗、課程實驗、課后虛擬實驗三種教學方式，幫助測試技術課程教學實現要點知識和難點知識的學習、理解和實踐。課堂實驗可以在教學環(huán)節(jié)中自由完成，課程實驗教學必須由學校提供實驗場地開展實驗，課后虛擬實驗可以課后自行完成，三種方式各具特點，可以提高學生的實踐動手能力和對課程理論教學的理解能力，變課堂被動為主動，掌握測試技術和測試方法，具備構建工程、生活中測試系統(tǒng)的能力。

關鍵詞：測試技術;實驗教學;動態(tài)測量;信號處理;頻譜分析

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）49-0177-04

工科教學體系中，測試技術屬于一門非常基礎但又比較難于學習和理解的課程[1-3]。絕大多數學習者很容易理解測試技術的概念，但當把這門課程與即將走向社會工作和科學研究的實踐過程聯(lián)系起來時，很多人表示難以理解和學習。因此，對提高測試技術課程教學知識的有效理解和實際應用有著非常迫切的研究需求。當前各種探討慕課教育、翻轉課堂的教育[4-6]，都是對理論課程教學的改革和嘗試，但在實際應用過程中，由于學校水平差異、學生素質差異和教師水平差異，這些改革性的課堂教學在某些基礎課程教學中的應用還需要更多的實踐和探索。而支撐理論課程教學的實踐環(huán)節(jié)包括實驗教學、生產實習、課外科技活動等[7-9]，在教學大綱中，實驗教學是與課程聯(lián)系最為緊密的實踐活動。通過實驗，使得學生建立起元件和系統(tǒng)的直觀形象、將理論過程和結果訴諸動手實踐，從而在學習和實際工作之間建立起一個連接的橋梁，把書本知識與實際系統(tǒng)形態(tài)聯(lián)系起來。實驗教學可以通過在課中、課后和實驗室等多種方式開展，與課程教學緊密相連。

實驗教學非常重要，是幫助這門課程的學習者能夠直觀地掌握理論、學習知識的有效方法。本文以廣東工業(yè)大學的測試技術體系專業(yè)基礎課程教學為出發(fā)點，研究課堂實驗、課程實驗、課后虛擬實驗三種實驗教學方式對理論課程教學的重要支持作用。

一、測試技術課程教學的實質與難點

（一）測試技術課程教學的實質

測試技術教學的實質就是教會學生如何認知測試，如何利用測試技術擴展人認知人類社會和自然世界的能力，從而為改造世界提供必要的改造前、改造中和改造后的狀態(tài)信息。如圖1所示測試技術的實質。首先，人體具有眼睛、鼻子、耳朵、舌頭、皮膚等組成的視覺、嗅覺、聽覺、味覺和觸覺生物傳感器，從而能夠對周圍的與之相聯(lián)系的事物、環(huán)境、人的狀態(tài)進行感知和認知;然后，基于生物傳感器存在模糊性和測量范圍有限的特點，無法定量化，無法測量更為廣闊的空間和時間范圍內的信息，所以借助于測試技術的知識，構建起集合信號的檢測、調理、采集、傳輸、處理、顯示、分析、存儲等功能的測試系統(tǒng)，實現定量化、自動化、實時化、可視化的測試，幫助人類或者代替人類實現測量，從而使得工業(yè)化大生產得以廣泛開展、使得人類探索起源和開創(chuàng)未來得以實現。測試技術課程教學的目的是使得學生能夠理解測試的基本知識和內涵，掌握測試基本技術，熟悉主要傳感器的原理，能夠構建測試系統(tǒng)。

（二）測試技術課程教學的難點

廣東工業(yè)大學開設測試技術體系課程，分別面向成教、本科和研究生三個層次，雖然講解的要點和重點不同，但在教學實踐過程中，均發(fā)現很多學生存在理解上的困難，或者說無法準確把握測試技術的目的、內涵和具體技術。學生在此門課程學習前建立起來的測試認知與測試技術教學存在較大差異，主要表現在以下幾方面[3]：（1）靜態(tài)測量向動態(tài)測量過程轉變;（2）時域分析向頻域分析轉變;（3）信號處理過程抽象且理論性較強;（4）測試裝置的特性無法與具體傳感器聯(lián)系起來。

靜態(tài)測量和動態(tài)測量的區(qū)別為被測對象隨時間變化快慢的程度。廣義來說，都屬于動態(tài)測量，但當被測對象的狀態(tài)變化非常緩慢時，就可以當成靜態(tài)測量，比如在超市買幾顆白菜，白菜重量稱重就屬于靜態(tài)測量，因為在購買和食用時間的間隔內，白菜的重量基本不變化;但如果是生產線上把白菜加工成泡菜，每棵白菜的重量測量就屬于動態(tài)測量，因為一顆顆白菜可能在幾秒內就要被加工打包，受到流水線節(jié)拍的限制使得測量要實時快速，就變成了動態(tài)測量。實際上，工業(yè)化生產面向的被加工對象都是處于實時動態(tài)變化過程中，為了保證流水線正常生產運行和提高生產效率，普遍都需要實時測量被加工對象在工藝流程各個環(huán)節(jié)中的狀態(tài)，這就要求測量系統(tǒng)必須具有動態(tài)測量的能力、多數傳感器需要其考慮動態(tài)特性，能否以一定精度下捕捉到被測對象的變化過程。

動態(tài)測量涉及時間變化，時間變化對應著頻率。這種頻率概念包括被測對象的變化頻率和測量裝置的采樣頻率。被測對象或者處于多種頻率變化過程，或者包含了多個頻率變化，因此頻域分析就成為必要手段和方法，需要借助于傅里葉變換等方法，研究被測對象的頻率結構組成。

所有系統(tǒng)都不是完全獨立的，被測對象自身和周圍環(huán)境都存在大量的信號。測量過程就一定包含有用信號和噪聲信號（有用信號之外的所有信號），因此必須對信號進行隔離、放大、濾波、相關、調質等一系列的處理，直接目的就是提高信噪比，準確得出有用信號。

而這些處理過程既可以通過硬件來實現，也可以通過軟件來實現。軟件的處理過程就是基于理論知識具體程序設計的實現過程。比如，由RC電路搭建的硬件濾波器，可以被軟件濾波器代替，軟件濾波器的理論基礎就是一階系統(tǒng)特性，把一階系統(tǒng)特性通過傳遞函數描述出來，基于離散變換，就得到數字濾波器，從而取代硬件實現軟件濾波。信號通過硬件濾波器，實際上是指信號與硬件濾波器的脈沖響應函數發(fā)生了卷積產生輸出，而信號通過軟件濾波器，剛好是通過編程實現了信號與脈沖響應函數的卷積過程。這個過程就如同我們買菜，既可以選擇拿著現金（硬件）去付款，也可以通過支付寶或者微信（軟件）去付款，還可以兩者組合去付款，前者現金是一種硬件形式體現，后者是一種軟件形式體現，支付寶里的數字代替了實際物質狀態(tài)的現金的功能和特性，這也就產生了虛擬測試的概念和系統(tǒng)。

通過以上分析和理解，不難發(fā)現可以通過實驗手段，搭建硬件實驗系統(tǒng)、軟件實驗系統(tǒng)或者兩者結合的實驗系統(tǒng)，對以上教學難點知識進行演示、再現和實操。

二、測試技術課程教學的實驗教學

測試技術教學的環(huán)節(jié)組成如圖2所示，為了提高學生認知測試技術理論教學的要點知識、理解以上難點內容，開展實驗教學，主要包括課堂實驗、課程實驗、課后虛擬實驗三種方式。其中，課堂實驗教學是兩者的無縫連接，是直接在講授理論知識的過程中組織學生參與到課堂上的實驗教學環(huán)節(jié)，不需要專門實驗室，在課堂上調動學生當場開展實驗，讓學生通過邊學邊參與實驗，有效掌握課堂教學的內容。教學實驗是教學大綱中安排的實驗教學環(huán)節(jié)，實驗演示教學重點和要點，需要專門的實驗場所和儀器開展實驗教學。課后虛擬實驗是學生自行在電腦上通過軟件來演示和理解課程教學的要點內容，是學生可以在自己分散學習環(huán)境下獨立開展的。

（一）課堂實驗教學

課堂內的一切知識都可以讓學生通過自身感受來理解，這是測試技術的實質告訴我們的，因為測試技術就是擴展人自身的生物傳感系統(tǒng)的檢測技術。結合測試技術的教學要點和大綱，通過課堂實驗，讓學生們以觀察和直接動手感知的角色親身參與進來，來講述測試技術的抽象知識。

講解信號，可以讓學生互相倆倆觀察，講述看到了對方什么信號，可以看到面色、臉型等，如果想知道對方是否認真學習，可以觀察聽者的眼神信號;可以讓倆倆同學互相摸脈搏，體驗什么是周期信號;可以講述同學們在教室里座位的隨機性，理解隨機信號;可以讓大家摸桌子、摸衣服、摸皮膚，找感覺，通過把溫度、粗糙度、材質等量轉化成皮膚的感覺，以理解傳感器的功能和作用;講解采樣過程，可以讓一個學生在講臺上移動走向門外，讓全班其他學生進行睜眼和閉眼的動作，每次睜眼看到移動的同學的狀態(tài)，就是采樣，閉上眼睛在大腦里停留的過程就是保持，如果睜眼、閉眼的頻率快，基本可以完全連續(xù)地看到移動同學的軌跡，但是一旦睜眼、閉眼的頻率低，就丟失信號，看到移動同學狀態(tài)的間斷性，一旦睜眼、閉眼的頻率低到一定程度，可能就在兩次睜眼的時間間隔失去了移動同學的身影（已經走出到門外了）;講解一階系統(tǒng)特性，可以讓一個同學去開關電燈開關，由緩慢到快速，會發(fā)現燈不亮了，鎮(zhèn)流器和燈管構成的系統(tǒng)無法響應開關電燈的速度;講解濾波，可以拿一張紅紙看白光，只有紅光透過，其余光被濾除掉了;講解調制和解調，可以讓大家拿手機互打，告訴大家手機既是一個調制器，也是解調器;講傳感器，還可以以手機為例，告訴大家手機可以測量振動、光強、姿態(tài)等。

（二）課程實驗教學

在實驗教學環(huán)節(jié)，在測試技術實驗室給學生開設了四個課程實驗，實驗以五個人為一組，讓學生們一起動手做實驗、相互探討。四個實驗分別是彈簧陣子二階系統(tǒng)振動檢測實驗、光電與磁電轉速檢測與頻譜分析實驗、基于磁電式加速度傳感器的試驗臺振動實驗、基于Labview開發(fā)的溫度檢測實驗。四個實驗針對的知識要點涵蓋了測試系統(tǒng)的組成和實物、二階系統(tǒng)的測試和特性分析、光電與磁電傳感器的實物與應用、時域分析于頻域分析、虛擬儀器技術等，綜合實驗臺如圖3所示。

實驗要求每一個人做預習。如果學生能夠充分進行預習和對理論知識有所理解的話，通過實驗動手認知，將會非常清楚測試系統(tǒng)的實際構成、測試技術的實質、測試技術的系統(tǒng)特性。測試技術綜合實驗臺如彈簧振子二階系統(tǒng)振動檢測實驗能夠讓學生們充分認知LVDT傳感器如何測量位移，學習彈簧振動的衰減特性和周期性，了解采樣過程以及數據處理過程，通過更換水介質，了解阻尼對二階系統(tǒng)振動的影響性。

光電與磁電轉速檢測與頻譜分析實驗通過調節(jié)轉軸的不同轉速，讓學生充分認知一定轉動頻率后人的眼睛是無法分辨快速轉動的軸、認知光電和磁電傳感器檢測的本質原理、認知在時域分析轉速的困難性和通過頻譜分析分析轉動頻率的容易性和直觀性。

基于磁電式加速度傳感器的試驗臺振動實驗可以通過調節(jié)步進電機轉速快慢，導致整個實驗臺架的振動的劇烈程度，認知無法通過人的感知去定量測量這種振動特性，通過磁電式加速度傳感器獲得微弱的振動信號，通過頻譜分析，能夠清楚地獲得振動的頻率。這種拾振和處理過程是故障診斷的基礎和信號分析的基礎。

基于Labview開發(fā)的溫度檢測實驗，讓大家感知替代溫度計進行測量溫度的過程，了解基于Labview軟件建立測試程序的流程，了解采集卡的選取、采樣通道的匹配設定、采樣頻率的設定、采樣點數的設計。

在多年的實驗教學中發(fā)現，如果學生未能做好課前預習，在實驗過程中現學現操作，往往只能繁忙于搭建系統(tǒng)、記錄測量結果方面上，很難有思考的過程。所以，課堂實驗教學須是在老師充分講解基礎上學生充分進行預習，獨立開展實驗，才能發(fā)揮效用。

（三）課后虛擬實驗教學

課后虛擬實驗，不需要具體的傳感器，或者是學生可以結合《微機原理應用及接口技術》課程，結合單片機的學習板，連接到計算機中，構建虛擬儀器測試系統(tǒng)。如果未能很好地結合以上硬件，仍然可以運用Mablab、Labview等軟件，通過自行設計程序構建虛擬儀器仿真系統(tǒng)[10]，開展虛擬實驗。

首先信號的認知，可以通過Labview中的信號發(fā)生器，分別觀察簡諧信號、疊加了噪聲的信號、多個簡諧信號的疊加，從而認知自然界實際的信號是無法運用以前學過的知識在時域中將信號區(qū)分開的。

對信號的傅里葉變換和吉伯斯現象的理解，可以將書本上的矩形波信號展開的傅里葉三角級數，在Matlab里構建n次的疊加，可以清清楚楚地看到：隨著n的增大，三角級數展開式的疊加結果越來越接近時域中的矩形波，這讓學生可以直觀地理解時域和頻域變換之間的聯(lián)系和關系。

對于一階系統(tǒng)特性和二階系統(tǒng)特性，可以在Matlab中，利用Simulink構建一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)的輸入，顯示輸出，可以清楚地看到：不用頻率輸入信號產生輸出的變化，從而認知系統(tǒng)的頻率特性。當然可以搭建實際系統(tǒng)，用RC電路構建實際的低通濾波器，利用信號發(fā)生器產生不同頻率的簡諧信號，通過示波器或者采集卡看輸出的變化，直觀地理解一階系統(tǒng)特性。

在Labview中選擇軟件濾波器，把前面建立起來的虛擬信號依次輸入到濾波器中，觀察濾波器的輸出，結合頻譜分析，對比濾波前后的時域波形和頻域的頻譜特性，理解實際濾波器的特性?？梢酝ㄟ^多個頻率疊加信號的濾波器的輸出，理解時域中的波形失真，以及頻域中的幅值失真和相位失真。

在調制和解調分析中，結合課程教學中的調幅電路，進行調制信號和載波信號的乘積實現調制，可以通過再次乘載波、低通濾波器，恢復波形，實現同步解調，也可以演示包絡檢波。

通過以上都可以自行開展的課后虛擬實驗，既能讓學生把Matlab、Labview等軟件工具的學習與測試技術理論課程學習結合起來，也能夠使學生形象直觀地認知測試技術的原理和現象。學習者可以理解世間的絕大多數測試系統(tǒng)、測量對象、處理裝置都可以用某種數學表達式表述出來，整個測試過程就是軟件結合硬件的過程，如同人體的硬件（生物體）+軟件（大腦）構成的測試系統(tǒng)完成實時測試過程一樣。但在實際應用中也發(fā)現，學生并不能按照設想開展課后虛擬實驗，比如布置的吉伯斯現象演示，給了具體的程序，仍然有許多同學并沒有進行演示理解。

三、討論與結論

以上探索的三種應用于測試技術課程體系的實驗教學方式，能夠將理論教學中的知識要點通過實驗聯(lián)系起來，理解測試技術課程體系中的測試系統(tǒng)特性、信號分析方法、信號處理方法、頻域分析特性。三種方式各具特點，課程實驗教學必須由學校提供實驗場地開展實驗，課堂實驗可以在教學環(huán)節(jié)中自由完成，課后虛擬實驗可以課后在宿舍等自行完成。實驗教學是一種實踐過程教學，其關鍵點在于：

1.實驗教學涉及到多門基礎知識。需要了解測試技術的理論知識，需要了解傳感器、采集卡的硬件系統(tǒng)組成，需要了解Matlab、Labview等軟件知識來構建虛擬測試系統(tǒng)。

2.學生需要認真做好預習和認真開展實驗。這個與翻轉課堂的出發(fā)點一致，尤其是課后虛擬實驗，需要花費相當多的時間進行學習、準備和完成。這對學生提出了自發(fā)和自主學習的要求，但也正是這個自學過程，能夠促使學生全面學會測量方法與測量技術。

3.教師需要引導好三種實驗教學和過程。在課堂中通過課堂實驗調動學生的積極性，增強學生的理解力。在課程實驗中，給學生講清楚實驗目的和實驗過程。在課后虛擬實驗，講清楚應用的工具，給出基本的程序參考。

測試技術教學存在的難點，有望通過開展課堂實驗、課程實驗、課后虛擬實驗三種實驗教學攻克，以提高學生的實踐動手能力和對課程理論教學的理解能力，變課堂被動為主動，掌握測試技術和測試方法，具備構建工程、生活中測試系統(tǒng)的能力。

致謝：感謝以下基金項目：廣東省本科高校教學質量與教學改革工程建設項目（廣東省教育廳（粵教高函〔2017〕214號）），廣東工業(yè)大學校級“本科教學工程”項目（廣工大教字（2017）101號文），廣東省教育廳（粵教高函[2017]153號，粵教高函[2016]236號）。

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