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    基于工程案例和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程教學(xué)改革研究

    2021-02-16 19:20:55汪萌生王金鶴姜?jiǎng)P雯
    關(guān)鍵詞:綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)工程案例

    汪萌生 王金鶴 姜?jiǎng)P雯

    [摘 要]為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性,提高教學(xué)效果,克服單一理論教學(xué)的不足,文章以機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例,提出以“工程案例和實(shí)驗(yàn)結(jié)合”的教學(xué)模式,密切理論與工程應(yīng)用之間的聯(lián)系,將學(xué)習(xí)過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚搶W(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用技術(shù)一體化。這類將理論化與實(shí)踐化相結(jié)合的教學(xué)模式不僅有利于教學(xué)知識(shí)的傳授,更有利于學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

    [關(guān)鍵詞]測(cè)試技術(shù);工程案例;設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn);綜合性實(shí)驗(yàn)

    [中圖分類號(hào)]G434 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008-7656(2021)05-0060-05

    引言

    機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程在教學(xué)內(nèi)容上涵蓋著大量的實(shí)踐性知識(shí),該課程教學(xué)要求學(xué)生掌握測(cè)試信號(hào)分析理論、傳感器原理和機(jī)械測(cè)試技術(shù)應(yīng)用方法這三部分的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)[1]。其中,信號(hào)調(diào)理知識(shí)點(diǎn)占大量篇幅,該課程的基本知識(shí)原理和應(yīng)用部分是學(xué)生需要掌握的關(guān)鍵,然而測(cè)試技術(shù)板塊內(nèi)容的不足,會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在理論與技能之間難以達(dá)到較好的平衡[2]。由于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室條件限制以及課程本身具備一定的難度,使得學(xué)生在課堂教學(xué)中存在著疑惑之處,較難通過(guò)相關(guān)的實(shí)物去解決問(wèn)題和較好地掌握相關(guān)知識(shí),教學(xué)效果需要改進(jìn)。

    為了提高本課程的教學(xué)效果,學(xué)者們進(jìn)行了許多探索。喻紅等[3]提出了以工程案例為背景的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式,利用大量科研項(xiàng)目,對(duì)科研項(xiàng)目中應(yīng)用到的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行整理,提煉為具有實(shí)際工程應(yīng)用背景的案例和實(shí)驗(yàn)。西南科技大學(xué)石磊[4]通過(guò)設(shè)計(jì)測(cè)試技術(shù)虛擬案例,讓學(xué)生在LABVIEW虛擬儀器平臺(tái)上完成信號(hào)的發(fā)生、分析、處理和結(jié)果輸出,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性,培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)和解決問(wèn)題的能力。浙江海洋學(xué)院郝鴻雁[5]詳細(xì)介紹了將工程案例導(dǎo)入到教學(xué)過(guò)程的具體方法和過(guò)程,總結(jié)了該方法在教學(xué)過(guò)程中的使用效果和可能存在的問(wèn)題。華南理工大學(xué)郭建[6]探討了項(xiàng)目教學(xué)法在教學(xué)中的應(yīng)用,通過(guò)實(shí)際的傳感器的安裝到硬件平臺(tái)的搭建,培養(yǎng)學(xué)生以工程項(xiàng)目為核心的思維和工作方式,促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性,該模式能較好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,取得了較好的教學(xué)效果。重慶科技學(xué)院文成[7]提出以“案例和實(shí)驗(yàn)并舉”的教學(xué)模式,密切理論與實(shí)踐之間的聯(lián)系,促進(jìn)學(xué)習(xí)過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)、應(yīng)用和發(fā)展知識(shí)的過(guò)程。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程側(cè)重理論教學(xué),實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容需要加強(qiáng),這意味著在教學(xué)過(guò)程缺乏對(duì)學(xué)生自主探究能力的培養(yǎng),學(xué)生對(duì)課程不易產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。因此提出以“工程案例和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合” 的教學(xué)模式,密切理論與工程實(shí)踐之間的聯(lián)系,促進(jìn)學(xué)習(xí)過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚搶W(xué)習(xí)、應(yīng)用和發(fā)展知識(shí)的過(guò)程,有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,幫助學(xué)生更高效地學(xué)習(xí)。

    一、教學(xué)活動(dòng)中存在的不足

    該課程教學(xué)過(guò)程中存在的不足主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

    (一)知識(shí)點(diǎn)側(cè)重點(diǎn)單一,重理論輕實(shí)踐

    該課程在教學(xué)過(guò)程當(dāng)中更傾向于理論知識(shí)的傳授,相較于記憶型知識(shí),該課程涵蓋大量的數(shù)學(xué)知識(shí)。因此,在課程理論知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中,學(xué)生會(huì)感覺(jué)知識(shí)生澀難懂,出現(xiàn)難以深入理解掌握知識(shí)的情況。

    (二)知識(shí)點(diǎn)布局不夠合理

    該課程從知識(shí)點(diǎn)角度考慮,按照信號(hào)及其描述、測(cè)試裝置的基本特性、常用傳感器及敏感元件、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)處理、工程應(yīng)用的順序?qū)滩倪M(jìn)行排版布局,此種布局有利于保證知識(shí)點(diǎn)的完整性,但知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程,學(xué)生在面對(duì)如此排版的教材時(shí),難以較好地處理知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性[8]。

    (三)傳統(tǒng)的教學(xué)方式實(shí)踐性環(huán)節(jié)偏少,實(shí)驗(yàn)和技術(shù)應(yīng)用結(jié)合不夠

    由于教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件的限制,學(xué)生可以動(dòng)手參與的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐性環(huán)節(jié)偏少,而且主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),缺少與工程背景的應(yīng)用技術(shù)之間的聯(lián)系,不利于對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程實(shí)踐能力的培養(yǎng),也影響了教學(xué)效果。

    二、教學(xué)改革的目標(biāo)方向

    針對(duì)當(dāng)前存在的不足,需要從教學(xué)環(huán)節(jié)的講授端入手,首先明確教學(xué)目標(biāo)。針對(duì)“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”課程教學(xué)中存在的理論教學(xué)較多的問(wèn)題,在教學(xué)環(huán)節(jié)可將該部分進(jìn)行弱化,側(cè)重知識(shí)點(diǎn)在物理方向上的涵義;知識(shí)點(diǎn)布局存在不合理的情況可在教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整,教師可通過(guò)知識(shí)點(diǎn)本身的關(guān)聯(lián)性適當(dāng)?shù)貙?duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重新梳理,力求提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率;考慮到課程本身的性質(zhì),在保證理論與實(shí)踐一體化基礎(chǔ)上,還可適當(dāng)利用現(xiàn)代先進(jìn)儀器技術(shù)來(lái)提高教學(xué)質(zhì)量。結(jié)合工程實(shí)踐的需求建立開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),培養(yǎng)學(xué)生的解決工程實(shí)際問(wèn)題和技術(shù)應(yīng)用能力。為了培養(yǎng)綜合型機(jī)械人才,本課程教學(xué)過(guò)程選取的工程案例設(shè)計(jì)都嚴(yán)格遵循教學(xué)目標(biāo)的要求,具備一定的科學(xué)性、代表性及可靠性。工作工程案例的選擇主要通過(guò)三個(gè)途徑:科研項(xiàng)目、企業(yè)生產(chǎn)和學(xué)生實(shí)踐項(xiàng)目,在保證授課計(jì)劃緊扣課程教學(xué)內(nèi)容的前提下,設(shè)置與各章節(jié)相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)與工程案例,幫助學(xué)生更好地消化吸收相關(guān)知識(shí)。

    三、教改實(shí)施方案和方法

    (一)工程案例來(lái)源途徑的分析

    工程案例是本次課改的重要環(huán)節(jié),其來(lái)源于主要依靠于工程實(shí)例,具備一定的真實(shí)性與實(shí)踐性,教師在課前可通過(guò)以下兩種途徑獲取。

    1. 通過(guò)工程實(shí)踐。在教學(xué)過(guò)程中,教師可通過(guò)授課教師的科研或指導(dǎo)學(xué)生工廠實(shí)習(xí),以及在技術(shù)服務(wù)和科研課題中所積累的經(jīng)驗(yàn)和素材,在指導(dǎo)學(xué)生科技創(chuàng)新、科研、課程實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)過(guò)程中,注意收集工程案例素材。

    2.調(diào)研法獲得工程案例,根據(jù)相關(guān)工作實(shí)踐的整理反饋,指導(dǎo)教師充分消化吸收后,緊扣案例關(guān)鍵,注重細(xì)節(jié)把控,以確保授課過(guò)程可以進(jìn)行討論。

    根據(jù)教學(xué)內(nèi)容對(duì)所得案例進(jìn)行合理分類(見(jiàn)圖1所示)。案例的選擇,圍繞教學(xué)內(nèi)容,突出其中重點(diǎn)、難點(diǎn),有利于使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)產(chǎn)生更深層次的理解,從而更好地把握理論知識(shí)與實(shí)踐工程問(wèn)題之間的關(guān)系,培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的技術(shù)素養(yǎng),提高分析及解決問(wèn)題的能力。

    (二)課上案例的引入與討論

    機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程章節(jié)眾多,先將這些繁雜的內(nèi)容進(jìn)行梳理,使理論知識(shí)系統(tǒng)化。課程主要學(xué)習(xí)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)理論知識(shí)、測(cè)試技術(shù)方法,將各章節(jié)內(nèi)容對(duì)號(hào)入座分類系統(tǒng)圖。測(cè)試系統(tǒng)的作業(yè)需要傳感器、信號(hào)調(diào)理和顯示記錄裝置三部分相配合實(shí)現(xiàn)。其中被測(cè)物理量是由信號(hào)模塊進(jìn)行處理,以實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換,保證最終信息的獲取是符合測(cè)試系統(tǒng)的要求。為了保障測(cè)試系統(tǒng)最終作業(yè)符合實(shí)際情況,能夠正確反應(yīng)被測(cè)物理量的狀況,需要利用測(cè)試裝置對(duì)其展開(kāi)測(cè)評(píng)。學(xué)生如果學(xué)會(huì)了搭建測(cè)試系統(tǒng),可以進(jìn)行常見(jiàn)物理量(位移、振動(dòng)、應(yīng)變、力、扭矩、流體參數(shù)等)的測(cè)試,探討解決工程實(shí)際問(wèn)題的技術(shù)方法(見(jiàn)圖2所示)。

    隨著理論知識(shí)學(xué)習(xí)的不斷深入,學(xué)生對(duì)于課程產(chǎn)生一定的興趣與疑惑,教學(xué)便可通過(guò)工程實(shí)際需要對(duì)傳感器進(jìn)行分類選擇,其內(nèi)容包括傳感器的選擇、傳感器的安裝、電路連接調(diào)控。將工程實(shí)例引入課程教學(xué)中,不僅有利于學(xué)生更好地掌握理論知識(shí),而且有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。同時(shí)關(guān)注傳感器的選用、測(cè)試信號(hào)的調(diào)理和處理分析以及測(cè)試結(jié)果的顯示。

    教師將工程實(shí)例引入課堂教學(xué)中,可采用啟發(fā)式教學(xué)模式,引導(dǎo)學(xué)生自主思考、小組討論,針對(duì)工程實(shí)例中的一些問(wèn)題如何利用理論知識(shí)展開(kāi)分析?如何解決這些問(wèn)題?如何避免這些問(wèn)題?鞏固測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí),才能培養(yǎng)正確的解決問(wèn)題的思維方式。

    (三)課程實(shí)驗(yàn)的選擇和安排

    在原先基于傳感器知識(shí)的課程實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上增加信號(hào)調(diào)理,信號(hào)分析和顯示等實(shí)驗(yàn),另外同時(shí)增加綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。即根據(jù)課程的理論知識(shí)點(diǎn),并結(jié)合工程案例,實(shí)驗(yàn)?zāi)康淖鳛閷?shí)驗(yàn)分類的重要依據(jù)具備著重要意義,但考慮到課程知識(shí)點(diǎn)之間具備關(guān)聯(lián)性,可通過(guò)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重組安排。例如,涉及到傳感器及其處理電路、數(shù)據(jù)采集及信號(hào)分析、機(jī)械制造工藝以及數(shù)據(jù)處理等相關(guān)知識(shí),涵蓋了機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn):1.傳感器制作及其動(dòng)態(tài)特性測(cè)試;2.振動(dòng)與控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn);3.旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸承故障綜合分析實(shí)驗(yàn);4.液壓閥性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)等。例如電子秤力傳感器制作及其性能測(cè)試實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生掌握力傳感器的原理及其制作工藝,力傳感器的標(biāo)定和誤差分析;首先訓(xùn)練學(xué)生合理選擇承重鋼梁試件的結(jié)構(gòu)、材料和應(yīng)變片規(guī)格,工作面的清洗和貼片;然后運(yùn)用電橋電路和差特性,合理布片,焊接成電橋,完成力傳感器的制作;最后搭建實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)制作的力傳感器進(jìn)行性能測(cè)試,進(jìn)行誤差分析獲得其性能參數(shù)。類似這些綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)接近于實(shí)際工程測(cè)試項(xiàng)目。

    為了提高機(jī)械測(cè)試的工作效率,將虛擬儀器技術(shù)-LabView圖形化編程工具引入到機(jī)械測(cè)試當(dāng)中。LabView作為儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工具已在工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)大范圍的應(yīng)用[9,10]??紤]實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備儀器條件并配合LabView工具優(yōu)選出多個(gè)設(shè)計(jì)性試驗(yàn)。例如:1.振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)固有特性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì);2.基于加速度傳感器的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì);3.軸承故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì);4.水箱溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在教學(xué)過(guò)程中,教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo),合理布置測(cè)試實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的任務(wù)要求,要求學(xué)生自主查閱相關(guān)資料,依據(jù)指定的若干類型傳感器、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集和分析儀,合理進(jìn)行分析設(shè)計(jì),并展開(kāi)相關(guān)測(cè)試,實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試結(jié)果的進(jìn)行時(shí)域和頻域等信號(hào)處理分析,見(jiàn)圖3實(shí)驗(yàn)分類圖。

    通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生掌握基本的測(cè)試技術(shù)方法,推動(dòng)學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的進(jìn)一步理解掌握,培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)、技術(shù)方法運(yùn)用到實(shí)際工程中解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的能力。

    (四)工程案例的具體導(dǎo)入過(guò)程

    對(duì)引入的工程測(cè)試案例分解為測(cè)試傳感器的選用、測(cè)試信號(hào)的調(diào)理、測(cè)試信號(hào)的分析處理和測(cè)試結(jié)果的顯示等部分。下面以電梯轎廂振動(dòng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量為例,介紹如何將工程案例導(dǎo)入“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”的實(shí)際教學(xué)中。

    首先提出問(wèn)題:電梯轎廂振動(dòng)測(cè)量的工程意義?如何進(jìn)行測(cè)量?測(cè)量原理是什么?測(cè)量系統(tǒng)中選用那類傳感器?測(cè)量信號(hào)需要采用什么樣的處理方法?測(cè)量的精度?測(cè)量得結(jié)果如何顯示和表示?能否滿足實(shí)際工程需要?在授課老師的引導(dǎo)下,學(xué)生帶著這些問(wèn)題進(jìn)行思考逐步尋求解決的辦法,找出平時(shí)學(xué)習(xí)的理論知識(shí)薄弱點(diǎn)再進(jìn)行學(xué)習(xí),提高了學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。

    在明確電梯轎廂振動(dòng)測(cè)量測(cè)量的工程背景后,根據(jù)機(jī)械振動(dòng)測(cè)量原理,振動(dòng)測(cè)量是通過(guò)加速度幅值計(jì)算振動(dòng)速度和著振動(dòng)位移,可以存在三種不同的表示方法及相互進(jìn)行轉(zhuǎn)化,即振動(dòng)位移、速度和加速度測(cè)量,還可以計(jì)算振動(dòng)信號(hào)的功率。一個(gè)工程案例基本涵蓋了課程的大部分內(nèi)容。包括傳感器的選擇:采用壓電式三向振動(dòng)加速度傳感器,將轎廂內(nèi)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度值的變化轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào),通過(guò)電荷放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào);信號(hào)的變換與傳輸:電壓信號(hào)輸送到A/D采集卡,再以數(shù)字信號(hào)的形式傳送到便攜電腦中(見(jiàn)圖4);由虛擬儀器軟件的應(yīng)用,顯示記錄信號(hào)等。這樣就將教材中的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了有機(jī)串聯(lián),變得立體化,讓學(xué)生真切地感受到學(xué)有所用、學(xué)以致用。

    (五)課后效果評(píng)價(jià)

    課后要認(rèn)真對(duì)教學(xué)實(shí)施過(guò)程進(jìn)行剖析,包括進(jìn)行順利、效果良好的案例,以及進(jìn)行不順暢、討論之中的各種案例,都要進(jìn)行剖析,同時(shí)也可以讓學(xué)生課后進(jìn)行教學(xué)效果的評(píng)教,從質(zhì)與量?jī)蓚€(gè)方面,分析案例選擇的準(zhǔn)確性及可行性。通過(guò)不斷地反思、分析、總結(jié),建構(gòu)起充足、科學(xué)的教學(xué)案例資源,不斷完善面向工程觀的案例教學(xué)模式。教學(xué)模式改革的目的既要注重學(xué)生動(dòng)手、實(shí)踐能力的培養(yǎng),又注重基本概念及物理意義的理解與消化,同時(shí)又培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力,這將提高機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)的教學(xué)質(zhì)量。

    四、結(jié)語(yǔ)

    通過(guò)在課堂教學(xué)中引用具有實(shí)際工程應(yīng)用背景的案例來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,并且參照工程案例的核心技術(shù)方法組織和設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn),促進(jìn)學(xué)生自己驗(yàn)證、理解和掌握所學(xué)知識(shí)以及基本的測(cè)試技術(shù)方法,這種“案例和實(shí)驗(yàn)結(jié)合”的教學(xué)模式既促進(jìn)學(xué)生對(duì)基本原理概念的深度理解消化,又注重學(xué)生自主創(chuàng)新能力的發(fā)展,理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式將有效提高機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量與水平。

    [參考文獻(xiàn)]

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    [作者簡(jiǎn)介]汪萌生,湖州師范學(xué)院講師,博士,研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù);王金鶴,湖州師范學(xué)院教授,博士,研究方向:機(jī)械制造信息化和智能化;姜?jiǎng)P雯,湖州師范學(xué)院2017級(jí)機(jī)械工程本科生,研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。

    [責(zé)任編輯 韋 遼]

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