关键词：机械工程测试技术；工程教育认证；课程改革
前言
测试是人类认识客观世界的重要手段，是科学研究的基本方法，在工程技术领域中，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等都离不开测试技术，它主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法[1]。机械工程测试技术介绍了测试技术的系统组成、基本原理，以及对测试信号数据的分析方法，能够对机械工程测试中应用较多的振动、位移、力、温度等物理量进行检测和处理，是机电一体化技术的基础和桥梁[2]。以滨州学院为例，机械工程测试技术是一门面向机械设计制造及其自动化专业机械电子方向的必修课程，先修课程包括大学物理、电工电子学、控制工程基础等，与后修的机电一体化系统设计形成了完整的机电类专业课程体系[3]。通过课程改革，进一步整合相关教学资源和教学内容，增强测控类应用培养，丰富机械专业的应用型课程体系，为将来从事控制类的机械专业学生打下良好的基础。本课程安排在本科教学的第五学期，学生具有一定的专业基础，同时部分学生参与了科技创新大赛，有使用传感器进行参数检测的经验，这为课程的学习提供了良好的基础。由于本课程应用性强，按照传统的教学方式，信号频谱分析的理论部分要求较高、较难，传感器部分种类多且杂，导致学生学习时兴趣不足、学习动力不够，教学效果无法满足应用型人才培养的需要。自2005年以来，我国开始构建工程教育认证体系，逐步开展专业认证工作，于2016年6月成为《华盛顿协议》正式成员。工程教育认证是实现工程教育与工业界对接，提升工程人才培养质量的有效途径，因此探索工程教育认证视阈下的课程改革，对于更新教学理念、提高人才培养质量、推进地方高校专业认证具有重要的现实意义[4]。因此，滨州学院紧紧围绕培养高素质应用型人才的目标，在工程教育认证的背景下，进行了机械工程测试技术“案例+实验”导向的教学方法改革，改变了传统教学中灌输式教学方法，启发和引导学生主动学习，既有利于学生掌握基础理论知识和基本技能，又较好的培养了学生的工程实践能力。
一、课程培养目标
机械工程测试技术是以机械工程领域为应用背景，解决工程中常见动态物理量的测试问题。通过本课程的学习，培养学生掌握信号采集、传输、变换及数据处理的基本原理和实验方法，能根据研究对象合理选用传感器，具备构建基本工程测试系统和进行常见参量检测的能力，为进一步学习、研究和处理测控工程问题打下基础[5]。具体体现在以下三个方面：（一）知识目标1.信号时域和频域的描述方法，建立起信号频谱分析的概念；利用傅立叶变换对周期信号和非周期信号进行频谱分析计算。2.测试装置静、动态特性的评价方法和不失真测试条件，并能用于测试装置的分析和选择；掌握一阶、二阶线性系统动态特性及其测定方法。3.常用传感器的原理、特点、应用以及传感器的选用原则。4.信号调理电路（电桥、调制与解调、滤波、放大）的工作原理和性能，并能较合理的设计和选用。5.数字信号的一般处理步骤；相关分析及功率谱的基本原理、方法和应用。（二）能力目标1.具备正确运用测试方法、合理选用测试仪器、科学分析与处理数据的能力。2.培养运用所学知识构建测试系统和分析、解决实际测试工程问题的能力。（三）素质目标1.培养学生具有科学的思维方法、自主学习的意识和创新精神；具备工作严谨、诚实守信、敢于承担责任的职业道德与操守。2.通过参与案例分组讨论和实验项目操作，培养学生沟通和团队协作精神。
二、课程体系构建
本课程分为理论和实践两大部分，包括32学时的课堂讲授和8学时的传感器综合实验操作。课程体系整体框架如图1所示。理论教学共8章内容，包括绪论、信号及其描述、测试装置的静态和动态特性、常见传感器的原理与应用、信号调理与记录、信号处理初步、测试技术在工程中的应用以及虚拟仪器技术。其中，第二章信号及其描述主要包括信号的分类与描述，周期信号与离散频谱，瞬变非周期信号与连续频谱，随机信号。第三章测量装置的特性主要包括静态特性，一阶、二阶动态特性，测试装置对单位阶跃信号的响应，实现不失真测量的条件。第四章传感器原理与应用主要包括电阻式、电容式、电感式、磁电式、压电式、热电式与光电式传感器，其他传感器及智能传感器，传感器的选用原则。第五章信号调理与记录主要包括电桥、调制与解调、滤波、信号放大、测试信号的显示与记录。第六章信号处理初步主要包括数字信号处理的基本步骤，相关分析及其应用，功率谱分析及其应用。第七章工程应用中应变、振动、转速、温度等常见工业参数的测量系统的构建，理论与实验紧密联系，并结合第八章虚拟仪器技术开展基于Labview实现计算机数据采集。实践课程共分为4个实验，实验项目为悬臂梁固有频率的测量（验证性实验），转速和温度的综合测试与分析（综合性实验），电子秤的设计（设计性实验）。通过三个不同层次的实验要求，结合丰富的传感器与基于Labview的测控系统，学生通过亲自动手操作基本上掌握工程测试的系统构建和处理方法。培养学生的团队协作能力，提高解决实际测试工程问题的能力。
三、基于“案例+实验”教学的课程模式改革
机械工程测试技术关注新技术、新知识的导入，以案例+实验教学驱动激发学生学习的积极性，培养操作技能和创新意识[6]。本课程以多媒体演示、案例教学和实验操作为主要方法和手段，坚持理论联系实际的教学理念，共引入5个完整案例和4个实验项目设计对所学知识进行综合运用。
（一）探索案例教学模式，培养学生的工程意识和能力
案例1为压缩机齿轮箱故障诊断。通过齿轮箱振动信号频谱分析，确定最大频率分量，然后根据机床转速和传动链，找出故障齿轮。案例2为传感器在农业物联网中的应用。该案例来源于教师服务地方项目———“基于Labview的果园智能系统设计”研究课题，通过构建果园数据采集系统，实现了空气和土壤的温湿度、光照、pH值、风速风向、CO2浓度等参数的检测和数据传输，是传感器应用的综合体现。案例3为滤波在钢管无损探伤中的应用。利用电涡流传感器对钢管进行裂纹检测时，由于外界干扰信号中含有低频噪声，通过低通滤波器处理后得到有用信号，分析高频成分得到裂纹的程度和位置。案例4为互相关在管道泄漏检测中应用。根据互相关的性质，提取出两个信号之间的滞后时间，计算出泄漏点距离中心点的位置，并引申出如何消除误判，增加系统检测的可靠度。案例5为基于Labview的频谱分析仪设计。利用Labview自带频谱分析模块，通过简单的图形化编程实现对于信号的频谱分析并显示。
（二）精心设计实验项目，建立以学生为主的应用型实验模式
学生根据传感器综合实验台提供的30几种传感器以及数据采集系统，构建硬软件系统，团队协作完成相关物理量的采集和分析，充分发挥学生主观能动性，利于培养学生的实践动手能力。实验1为悬臂梁固有频率测量。通过构建悬臂梁结构，在一端施加不同频率的激励，采用传感器测量振动信号，分析该二阶系统的频谱特性，得到悬臂梁的固有频率。实验2为电子秤的设计。将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片构成的电桥电路转化为电量输出，从而实现质量与电量之间的线性关系。实验3和实验4为基于Labview的转速和温度测量。利用YL2000传感器综合试验台，构建转速和温度采集平台，利用数据采集卡和PC机实现数字信号的采集和分析。
（三）丰富授课方式和手段，改革课程考核和评价方法
根据课程内容协调采取多种教学方式和手段。理论性较强的内容，宜采用板书为主的教学手段，比如频谱分析的推导等；同时采用Labview作为机械工程测试信号分析与处理工具，构建虚拟测试系统和信号分析虚拟环境，学生可以在课堂上直观的观察信号的构成、信号的频谱分析和数据采集过程，从而理解傅立叶变换的意义。此外，利用虚拟信号分析系统进行仿真演示，如频谱分析、滤波、相关分析等，加深对理论知识的理解。应用性较强的内容，比如传感器，宜采用多媒体为主的教学手段，配合图片、视频、动画演示等手段辅助教学。教学中结合工程案例，用演示实验对实际测试的振动、温度等信号进行采集和分析，让学生建立信号分析与实际应用间的联系。完善课程考核与评价体系，增加实验考核比重。重点考查工程测试的基础知识、基本概念、基本原理和测试方法，以及利用所学知识构建一个简单的测试系统。期末成绩占60%，实验成绩占20%，过程考核占20%（课堂表现和考勤）。
关键词：工程测试技术；教学；难点
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）45-0201-02
一、《机械工程测试技术》课程概述
《机械工程测试技术》是各高等院校机械、自动化专业等工程类专业开设的一门重要专业基础性课程，是机械、电子、信息、力学、数学等学科的交叉学科。本课程主要通过讨论信号的描述和分析方法，传感器、常用信号调理电路和记录、显示仪器的工作原理以及测试装置基本特性的评价方法和不失真测试条件等方面的知识，要求学生深刻理解有关测试技术的基本理论、使用测试仪器对不同参数进行测量和分析的方法和手段、动态测试所需要的基本理论、基本知识和基本技能，对机械工程中常见的被测物理量能比较正确的选用检测装置并完成检测任务从而为进一步研究和处理工程测试技术问题打好基础。本文希望通过该门课程教学难点解析与探讨，不断激发学生的学习欲望、增强学生的动手能力与创新能力，引导学生较好地理解和掌握，培养机械工程类的专业人才。
二、《机械工程测试技术》课程的特点
《机械工程测试技术》综合了传感器技术、计算机技术、机械原理、信号分析与处理技术等技术理论，涉及机械工程领域中的非电量电测技术和其他测试技术等知识，是工业生产与科学研究不可或缺的重要技术手段，《机械工程测试技术》强调理论联系实际、突出工程技术应用，简单的理论知识记忆和掌握并不能完成该课程的教学任务，它只是课程开设的主要教学目标之一。学生在课堂教学中掌握的信号分析、数据处理、传感器技术、测试系统方面的理论知识，在专业课程体系中起到的是承上启下的知识衔接作用，是培养学生的工程实践能力、综合素质及创新能力的基础。
三、《机械工程测试技术》难点
1.课程内容具有抽象性，不易理解。《机械工程测试技术》是工程类专业中综合性很强的一门专业基础课程，内容涉及大量的数学知识，课程中有关信处理的部分涉及《概率论与数理统计》和《高等数学》等课程、有关测试装置的动态特性部分涉及《线性代数》和《机械控制工程》等课程，有关振动测试的部分有与《机械振动》等课程的内容有关联。因此，《机械工程测试技术》涉及到大量的较为抽象的高等数学知识，而对来数学基础相对薄弱的工科学生来说如何将抽象的数学知识运用到机械工程测试技术的实践当中，成为学生学习该门课程的一个难点。
2.课程涵盖学科较为广泛，对相关课程的理论知识要求较高。《机械工程测试技术》课程知识范围广，包括机械、电子、信息、力学、数学等多门学科，尤其前面测试信号分析理论部分，涉及到较多以前所学的高等数学知识，特别是积分变换知识，这就要求学生一方面要不断地掌握高等数学、数学分析的内容，另一方面又要不断吸收全新测试技术知识，假如不能充分利用已学过的基础知识并做到与新知识融会贯通，很容易造成各科知识内容的衔接不太顺畅，导致学生长期无法理解课程内容，影响机械工程测试技术课程的教学效果。
3.教学内容与机械工程测试技术的发展存在脱节。随着现代科学技术的不断快速发展，以及与国外相关领域交流的不断加强，机械工程测试技术课程所属的研究领域技术也在快速的更新与发展。但现在高校机械工程测试技术课程教学的内容还停留在以前的教学内容之上，比较陈旧，无法跟上技术实际发展的水平。就譬如在机械工程测试技术课程中的传感器技术、测试方法及测量装置等教学内容方面，都远远落后于当前社会生产实践以及相关技术发展的要求。
4.实验性教学的缺失。机械工程测试技术的实验教学当中存在着参差不齐的现象，各个学校之间也存在着一定的差距。许多学校该门课程受制于实验条件状况，许多复杂的测试实验无法完成，造成学生在理解一些较为复杂的课程的时候，由于只有理论的概念，而无法直观的参与实验，在理解这面课程的时候就存在着一定的困难。而一些较为简单的实验的教学效果来看也不是很理想，着一方面与客观的实验条件限制有关，另一方面也与学生难以理解此门课程而选择主观放弃的思想有关。
四、改进课程教学的措施研讨
1.合理安排课程的教学内容，突出重点教学内容。《机械工程测试技术》在实际的教学过程当中，可以不按照教材内容安排的顺利，打破教材之间的界限，例如可以不拘泥于传统教学，打乱书本上介绍各种类型传感器的顺序，以基本物理量的测量为授课主线，分别介绍位移的测量、振动测量、压力测量、温度测量、应变及力的测量等机械工程中常见物理量测量所采用的主要传感器及其工作原理，不再按照现有单列章节的方式去介绍，从实践教学中优化教材的内容与结构，将教学内容融会贯通，各部分知识点衔接有序，循序渐进地结合起来，将知识的学习和掌握按照螺旋式上升的方向进行融合，可以达到让学生在了解传感器相关知识的同时也知道主要作用，提高学生理论理解与实践理解的能力。
2.采用启发讨论式教学模式。在《机械工程测试技术》课程的教学过程当中，可以采用难点问题启发讨论的模式，对于机械工程测试技术课程中的难点问题，鼓励学生大胆发言，集体讨论，在这个过程当中，老师对扮演的角色不是一个解答者，而是引导者的作用，引导学生对提出的难点问题进行思考，收集相关的资料，调查研究，指导学生研究发放，最终对学生提出的难点进行解决，这样可以让学生真正的理解难点，掌握相关知识。
3.讲板书教学与多媒体教学相结合。作为一门比较抽象的课程，机械工程测试技术课程也要借鉴多媒体将枯燥的文字内容转化成图片传达给学生，使用图片记忆的方式帮助学生加强对知识的记忆。其次，可以通过软件设计模拟动态测试，将动态测试过程形象化，使学生建立起测试与系统的感官认识；再次，还能够通过多媒体技术，将该领域最新的国内外研究成果、知名研究学者、授课教师、本学院及本学校的科研成果介绍给学生，通过这种教学手段，增加了学生对本土科研成果的了解，激发学生的学习热情。
4.改革试验教学环节。实验是机械工程测试技术教学内容的重要组成部分。目前，随着信息技术与传感器技术的飞速发展，传统的实践教学模式已经不能适应社会对机械工程教学发展的要求，现在必须对试验内容进行富有创造性建设意义的课程改革。在试验内容上要增强试验的工程性、可操作性和现实性。在试验方法上，要根据实验室的条件，引导学生开展自行设计性实验，充分发挥学生的主动能动性，发挥学生的学习潜能，培养学生创新探索能力，让学生在解决实际问题的实践中提高分析问题解决问题的应变能力和创造能力。
5.利用科研项目提高学生的动手能力。所谓实践出真知，在剖析《机械工程测试技术》教学难点上可以采用项目实例的方法提高学生的理解力，以真实发生的实际案例，讲解在其中所运用到的《机械工程测试技术》课程当中涉及到的如何测试系统的静态、动态特性、安防测试传感器、设计测试系统等等有关方面的知识。
五、结束语
《机械工程测试技术》是一门理论性和实践性都很强的课程，而且涉及到的相关学科的知识十分庞杂，在教学的过程当中存在着不少的疑难杂症，导致不少学生反映该课程晦涩难懂，课程内容犹如天书，严重影响教学效果，既定的课程目标和教学任务也很难在教学中达到预期的效果。本文试图通过对《机械工程测试技术》课程教学难点的分析，提出了一些在实际教学工作中总结出的经验性的解决方法，希望对《机械工程测试技术》这门课程今后的教学改进有所裨益，广大《机械工程测试技术》教员能够以此来参考提高教学效果，激发学生的学习兴趣，让学生能够自觉地学习和钻研理论和实践。
参考文献：
[1]梁健.“机械工程测试技术”课程教学难点突破[J].广东工业大学学报：社会科学版，2009，（5）.
[2]运红丽，王丽君.PBL教学模式在机械工程测试技术教学红的应用[J].科技信息，2010，（29）.
“测试技术”是机械工程类专业学生必须掌握的一门综合性专业基础课，涉及机械、电子信息、自动化、仪器仪表等多个技术领域，专业性、理论性和实践性都很强[1-3]。目前课堂教学实施中更侧重讲授基本理论、概念和方法，与机械工程专业相关的应用实践的案例比较缺乏，启发性和互动性不够，学生普遍反映课程理论知识深奥、空洞、抽象，传感器缺少实物对象、枯燥无味，学习效果不明显，与工程实际的要求差距很大[4]，因此，教学方法改革与创新势在必行。“测试技术”课程旨在通过测试技术的学习，培养学生掌握测试技术的基本知识和技能，掌握测控系统分析和设计的基本理论和方法，能够合理选用测试方法和装置构建测试系统，为学生进一步学习、研究和处理机械工程技术问题打下基础。现有的教学内容包括测试信号分析理论、传感器和测试技术应用三大主体部分，在教学实践中存在着以下主要问题：（1）在传感器章节中，与传感器测量电路所直接相关的电桥、调制与解调等内容在传感器之后的章节中才具体讲授，这样就造成了学生在传感器学习中缺乏相应的知识储备，教师讲课中也难以深入讲授相关内容，出现了前后脱节的矛盾；（2）现有教材内容大多以单列章节的形式介绍了机械工程常见物理量的测量方法，如位移测量、振动测试、应变与力测量等内容，但是，由于受到教学课时的限制，这些内容往往不能被充分地讲授，有些内容甚至需要学生自学完成，达不到设置这些教学内容的初衷；（3）现有教材中的案例设置存在着碎片化、单一化、表面化的不足，缺乏能够将教材内容有机融合、工程背景较强、综合性较强的机械工程测试应用实例，学生学完课程后不容易建立起比较完整的动态测试的基本概念，难以做到融会贯通，灵活地利用所学的知识搭建测试系统，实现对机械工程常见物理量的测试。针对目前课程教学中存在的不足，笔者在“测试技术”教学实践过程中进行了一系列的研究与探索，取得了一定的成效，将其总结如下：
2重构教学结构，打破现有章节之间的限制，突出教学内容的连贯性
本课程在教学实践中，重点围绕传感器这一核心章节中存在的问题，提出了“瞻前顾后”的教学思想与方法，探索重构合理的教学结构与顺序：所谓“瞻前”，是指在传感器测量电路教学中，简要介绍与之密切相关的电桥电路、调制与解调的基本原理，帮助学生从直观角度理解教材相关内容。待讲授到信号的调理与记录章节时，将电桥电路、调制解调的基本理论与前面所讲的传感器测量电路中的内容进行重新组合，通过传感器测量电路来讲解电桥、调制解调的工作原理与主要应用，既帮助学生深化了传感器测量电路的知识，又理解了信号调理的基本原理与方法，实现了教学内容的前后呼应和有机统一。所谓“顾后”，是指在传感器教学过程中，打破教材现有章节之间的界限与教材内容的固有结构，不再因循传统地介绍各种类型传感器的顺序，而是以基本物理量的测量为授课主线，分别介绍位移的测量、振动测量、压力测量、温度测量、应变及力的测量等机械工程中常见物理量测量所采用的主要传感器及其工作原理，不再遵循现有单列章节的方式去介绍，这样就可以将教材内容有机结合、优化重构，帮助学生在学习传感器知识的同时一并了解此类传感器的主要应用，回归到合理选用传感器实现测量的基本要求，达到了双重学习的目的，提高了教学的效率和质量。
3以系统观点优化教材体系，突出教学内容系统性和逻辑性
“测试技术”教材在编写体系上缺乏统一性，不同教材在章节顺序和内容编排上差异较大，缺乏合理的内在逻辑。笔者在教学实践中提出以系统论的观点来重新优化教材的体系结构、设置教学内容的观点，其核心思想是从宏观上使学生能建立起机械测试系统整体的概念和框架，帮助学生掌握如何建构测量系统，如何实现信号的采集与分析，最终回归到能够独立地实现对机械工程中常见参量的测量与分析。还提出了以“信号及测试装置是什么—如何采集信号—如何分析处理信号—机械测试系统的构建与应用”的逻辑顺序，重构教材结构、安排教学内容，突出课程的系统性、逻辑性和综合性，并以这样的顺序编写了教材大纲和讲义。“测试技术”是一门实践性和应用性很强的课程，教材中除了对于基本理论知识的叙述外，更需要突出“工程化”和“案例化”，强化学生的工程能力和创新能力，并能够及时体现测试技术的发展趋势。在工程案例的设计与选择上，突破了现有教材案例的局限和不足，引入机械工程测试综合应用实例一个章节，以车辆电子技术、机械设备状态监测与故障诊断、机械产品性能测试等典型工程案例为应用背景，着力介绍机械工程测试技术的基本理论与方法在这些领域的主要应用。以综合实例解构教材各章节内容，将教材章节中的关于信号的采集与传感器选型、测试信号的处理与分析、计算机测试系统等所学内容完整体现出来进行剖析与讲解，使得学生通过对综合工程实际问题深入、系统、本质的认识和理解，达到课程学习对于培养学生能合理选用测试装置，并初步掌握静、动态测量的基本知识和技能的要求，达到培养分析和解决问题能力的要求。
4完善课程考核方法，探索课程目标达成状况监控及评价机制
完善课程考核评价方法，探索课程目标达成状况监控及评价机制：在教学实践中，以能力评价为导向、突出学习的过程性，探索建立能力和素质等多方面结合的测试技术课程成绩综合评价体系，改变传统的仅靠一张试卷的成绩评定方式，以考核促进学生学习的动力和兴趣，以考核体现学生学习的综合效果。以学习中的问题为切入点，鼓励学生利用课外时间结合课程内容自主设计大学生科研训练计划项目，参加机械创设设计竞赛等。将课程学习从课内延伸到课外，通过实践中的学习，激发学生的兴趣和学习主动性，既解决了学习中的难点问题，同时加深了学生对课程内容的理解，促进了学生综合能力的提高。开设机械系统测控实验课程，与理论课程同步进行，将实验内容与理论课程相衔接并进行了必要的拓展。提高了学生的兴趣，改变了实验仅作为课堂教学附属的现象。综合理论知识考查、课程实验与课程设计、开放性课题研究等情况进行综合考核，突出理论学习、实践、创新等多方面素质和能力的考评，体现形成性评价和终结性评价相结合，建立课程群进程式、多渠道、多方式的评价机制。
5基于课程教学，培养学生分析问题和解决问题的能力
结合高等教学心理学关于知识、技能学习的相关理论，设计教学方案，制定教学目标，提高教学质量。不仅重视提高学生的知识技能，还特别注重培养学生解决问题的思想与方法，将这一思想逐步融入测试技术教学的具体环节中。一方面引导学生逐步掌握以整体观和系统论分析解决问题的基本方法与思路，逐步学会将一个较复杂的问题分层次、分步骤去研究，帮助学生通过具体的工程项目和案例，建立起机械测试系统整体的观念，进而建立起各章节之间的有机联系，而不是孤立地去学习各章节的内容，进一步去学习课程中涉及的基本理论和方法，同时也进一步熟悉如何通过所学知识去解决具体工程实际问题的思路和方法。在学习中，学生感觉频域和频谱的概念抽象，不如时域理解起来直观，因此要着力强调并培养学生从多个角度去分析问题、解决问题的能力。如理解信号的描述既可以从比较熟悉的时域上进行描述，同时也可以从频域角度进行描述，需要去理解从频域角度去分析、描述信号的优点，同时也要认识到信号不同描述之间是可以互相转换的，将这些不同角度获得的关于信号的信息综合起来就可以获得对其比较全面的认识。学习这些方法和思想，不仅对于学生理解课程本身知识极其重要，同时对于其他课程的学习、分析问题、解决问题能力的提高都有重要意义。
6结语
关键词：教学模式 启发式教学 案例教学
0 引言
《机械工程测试技术》课程是机械类专业的一门专业技术基础课，通过本课程的学习，学生应该初步掌握静、动态测试所需要的基本理论、基本知识和基本技能。对机械工程中常见的被测物理量能比较正确的选用检测装置并完成检测任务。本课程涉及的学科面较广，它涉及数学、力学、电工与电子、信息技术、计算机等诸多学科[1]，课程理论内容抽象、知识点多学习课时少，对实践环节要求较高，教学难度总体较大。几年来学生普遍反映，该门课程理论内容不容易理解，学习难度很大。为此，希望通过该门课程教学方法的研究与探讨，不断提高该门课程的教学质量。
1 因材施教，合理设置授课内容
1.1 明确课程的教学任务 《机械工程测试技术》的学习对象是机械工程动态物理量测试中常用的传感器、信号调理电路和显示记录仪器的工作原理，测试系统的基本特性和评价方法，测试信号的分析处理方法和常见物理量的测试方法[2]。通过本课程的学习，学生应初步掌握以下几方面的知识：①了解机械工程检测的基本概念和测量数据的处理方法。②基本掌握常用传感器及其测量电路的工作原理和性能。③针对常见的机械量，能够正确地选用检测装置。④掌握典型机械量的检测方法。⑤掌握几何量的测量方法，初步学会使用常用的计量器具。
1.2 把握好课程内容之间的联系，合理组织教学内容 为了使学生更好的理解和掌握所学内容，教师应根据教学内容之间的联系，合理编排教学内容，将有联系的部分有机结合起来讲授。例如，在机械工程测试教材中，在介绍一种物理量的测量时，会介绍测量该物理量常用的传感器以及该传感器的测量电路。我们在讲授本课程的过程中，不能仅仅按照课本顺序来讲解，应该前后内容进行对比，要明确一种传感器可以测量多种物理量，一种物理量也可以选用多种传感器来测量。再者要明确传感器测量电路的选用原则和调理电路的特点，例如电桥这种测量电路，可以作为电阻应变式、电容式、电感式等多种传感器的测量电路。在给学生讲授这门课的时候，我们应该将部分内容有机联系起来，这样有助于学生对所学内容的理解，而不仅仅局限在课本的表面认识。
2 确立以教师为主导，学生为主体的教学模式
2.1 采取启发式教学模式 完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、信号处理电路和显示记录装置等部分组成，分别完成信息的获取、转换、显示和处理等功能。在讲到测试系统组成时，很多同学可能对信号处理电路这部分内容不是很理解，传感器是用来获取信号的，然后再显示输出就可以了，为什么还要有一部分是信号处理电路呢。这时我们就应该启发式的问一下学生，考虑一下传感器的输出信号通常是大还是小呢？这个问题大家不难回答，肯定是传感器的输出信号比较微弱。正因为传感器的输出信号比较微弱，所以在测试系统中还有一个环节是信号处理电路，自然而然信号处理电路的作用学生也就明白了。
2.2 采取案例教学法 例如在讲解位移的测量时，可以先给学生介绍一个电感式滚柱直径分选装置的案例。以往用人工测量和分选轴承用滚柱的直径是一件十分费时且很容易出错的工作。而电感式滚柱直径分选装置可以很轻松完成滚柱直径的分选。电感式滚柱直径分选装置主要由电磁挡板、电感测微移和电磁翻板构成。进一步讲解它的工作过程，通过生活实例和工程案例启发学生，使学生在老师的引导下对实例中所涉及的测试技术基本原理和技术展开积极课堂讨沦，让学生成为教学过程的主体，进而在一定程度上培养学生的理论联系实际的能力和创造性思维能力。
3 板书和多媒体教学有机结合
多媒体教学是现代化授课的一种重要手段，在教学中应用多媒体技术不仅可以改善教学环境、优化教学过程，还可以用尽量少的时间和资源让学生获取更多的知识[3]。多媒体教学能很好地把文字、图形、图像、视频、动画和声音等信息载体有机地结合在一起，进而在一定程度上加深学生对重点、难点的理解。
机械工程测试课程的知识点较多较分散，学时一般较少，如果只用板书的话，学时是不够的，而且对于一些很抽象的内容，例如频谱分析，纯粹板书的话，学生感觉枯燥无味，又很容易分散注意力，这样的话，我们就可以采用多媒体作为一种补充手段，将枯燥的理论内容，以图片动画的形式形象的展示出来，这样不仅吸引了学生的注意力，也使学生加深了印象和对知识点的理解。
4 结论
《机械工程测试技术》是机械工程类专业的一门重要的专业基础课，理论内容抽象，学生学习难度较大。为了提高该门课程的教学质量，针对该门课程的特点，本文从教学内容、教学模式和教学手段等方面而作了研究与探讨。近年教学实践表明，在“机械工程测试技术”教学中，因材施教，合理设置教学内容，确立以学生为主体的教学模式，板书与多媒体并举的教学手段，有助于提高该课程教学质量，提高学生的学习积极性。
参考文献：
[1]王清.《机械工程测试技术》教学改革探讨[J].科技信息，2008.
关键词：机械工程测试技术；教学质量；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）38-0084-02
“机械工程测试技术基础”课程是机械类本科专业的一门专业基础课，课程涉及力学、电子学、材料学、机械工程和计算机科学等多学科知识，具有广博的理论性和丰富的实践性[1]。在机械类本科课程体系中起到承上启下的作用，对于培养学生的理论学习能力、实际动手能力、知识运用能力以及创新能力具有重要作用[2]。课程内容抽象繁多，实践环节要求高，内容多而学时少，故出现了“教师难教，学生难学”的问题。为了适应教学改革需要，提高课程教学质量，探讨该课程的教学方法等十分必要[3]。因此，为了提高该门课程的教学质量，从教学方法、教学内容、实验教学、评价体系等方面做了有益的探讨，提出了教学改革措施，以期提高课堂教学质量，满足人才培养需要。
一、教学方法改革
1.启发式教学，加强师生沟通。在教学中必须充分调动学生的积极性，激发其学习热情，才会主动积极地去学习[4]。因此，采用启发式的教学模式，通过提问与讨论来加强师生沟通，激发学习兴趣。例如，讲授电容传感器时，先回顾电容构造及计算公式，然后提问：影响电容的因素有哪些？被测物理量如何作用在这些因素上使电容改变？在明确电容的三个影响因素后，即极板正对面积、极板间的介电常数、极板间距，学生自然明白被测物理量可通过改变这三个因素使得电容改变。进一步提问：在工业现场可用其测哪些量？学生立刻会想到距离。继续引导：距离如何作用在影响因素上使得电容改变？学生自然会想到通过改变极板间距。此时，进一步引导距离与哪些物理量有关，进而启发学生思考，电容传感器还能测其他什么量。通过这样逐步引导，学生会明白其还可测厚度、应变、声压、液位高度等，以及测速度、加速度、角位移、交加速度等。在此教学过程中，学生能深刻理解所学理论知识，且会觉得很有成就感。
2.工程案例教学，培养工程意识和能力。案例教学已成为教学方法改革的重要内容之一，将其引入到课程教学中，能够让学生正确建立起工程测试与应用的整体概念，引导学生应用所学知识解决工程实际问题，从而培养工程意识和工程能力。因此，教师需要提炼出典型的工程教学案例。在案例筛选与提炼上，应紧扣课程教学大纲，可从几个方面来筛选：（1）从科研项目中提炼；（2）从企业生产和研发中收集；（3）从指导学生科研项目中筛选。例如，以笔者指导学生的国家创新训练项目“基于LabVIEW的电机转速远程测控系统研制”为工程案例。可系统介绍转速传感器的基本原理及应用场合，同时讲解如何进行数据采集及基于LabVIEW的系统设计。让学生总结出可用于转速测量的传感器，并思考如何用于转速测量，适用于什么工作场合等。同时比较分析，各有什么优缺点，工作原理有何区别，通过让学生不断思考来培养其工程思维能力。
3.根据课程内容协调多种教学手段。内容既有理论知识又有实际测试，为保证教学效果，要协调好多媒体教学与板书教学的关系，对于不同的章节应采取不同的授课方式[4]。理论性较强的内容，宜采用板书为主的教学手段，比如频谱分析等。应用性较强的内容，比如传感器，宜采用多媒体为主的教学手段，配合图片、视频、动画演示等手段辅助教学。既可减少课时，又能增加信息量，还便于理解和记忆。此外，利用虚拟信号分析系统进行仿真演示，如信号产生与合成、波形特征、频谱分析、滤波、相关分析等，加深对知识的理解。
4.建立课程教学网站，搭建在线交流平台。建立课程教学网站，将多媒体课件、虚拟信号分析系统、微课视频等各类教学资源及时上传，利于学生复习和自学。同时，搭建一个问答反馈与在线交流平台，方便学生与老师之间交流。学生遇到问题时能及时答疑，使师生间的沟通不再受时间与地点限制，利于学生更好地掌握此门课程。
二、教学内容改革
1.建立“工程案例、虚拟仪器和实验教学为主线”教学模式。在教学方法上，建立“工程案例、虚拟仪器和实验为主线”的教学模式；在教学内容上，筛选与提炼出紧扣教学大纲的工程案例来开阔学生学术眼界，促使被动学习变为主动学习；在教学手段上，则用多媒体动画结合虚拟系统进行仿真演示，将抽象的理论形象化，给枯燥的内容以活力。把学生应用能力、实践能力、创新能力的培养融合到教学中。
2.跟踪技术发展进行教材建设。目前，大多教材更新速度缓慢，与技术发展现状严重脱节，教学内容远远落后于社会生产的需求[4]。因此，在教材内容安排上，根据教学大纲，重组教材内容，打破现有教材按章节划分的结构，将内容进行重新组合和调整。在内容设置上，重视基础素质与实践能力培养，突出实训实践环节，引入工程案例，增加实用性。
3.合理组织教学内容。课程内容繁多，必须根据教学内容之间的联系合理组织教学内容。精简课程内容，有的放矢，掌握概念，注重应用，降低理论学习难度，减少公式推导，突出测试理论与技术的应用[4]。补充新的知识，不讲或简单提及其他课程已重点讲述内容，如传递函数等。在完成教学目标前提下，尽可能降低学习难度，激发学习兴趣。
三、实验教学改革
1.精心设计实验内容，注重能力培养。精心设计实验内容，分为3个层次，即：基本实验、综合实验、创新实验。其中，基本实验注重培养对基本概念与知识的理解，培养测试基本技能；综合实验注重培养综合运用测试技术分析与解决问题能力；创新实验注重培养开展测试技术方面研发与应用[5]。基础实验包括：信号分析与处理、测量装置基本特性仿真、常用传感器及性能标定、动态信号调理、虚拟仪器实验等；综合实验包括：机械设备等对象的振动、噪声、速度、位移、加速度、力等常见物理量的综合测试与分析；创新实验主要是结合科研项目或工程问题开展，针对机械设备等对象开展研究性、创新性的开发工作，包括动态性能测试与分析、新的测试技术和方法应用、测试实验装置研制、虚拟仪器系统开发等。
2.建立学生为主的应用型实验模式。由于受传统实验教学模式及实验条件等影响，目前，很多高校的实验教学中仍是以教师为主、学生为辅的模式。学生按部就班地做实验，最后却不清楚基本原理，而且不知道为什么要这么做。因此，必须建立以学生为主的应用型实验模式。在实验前一周下达实验任务书，明确给出实验目的和要求、可提供的实验设备等。学生则根据任务书完成实验原理、实验步骤、实验设计、仪器连线等工作。实验由学生独立完成，教师只需强调注意事项并适时加以指导。这种实验模式下，学生是主体，教师只起到引导作用，能够充分发挥学生主观能动性，利于培养学生能力。
3.建立科研兴趣小组提高实践动手能力。除课堂与实验之外，建立科研项目学习兴趣小组。根据科研项目（如部级创新训练项目，浙江省新苗人才计划）来设置难度相对较大的题目，让各兴趣小组积极参与。由于科研项目需要解决实际问题，因此任务本身就具有挑战性，这就要求学生必须亲自探索、研究，依靠所学知识去分析和解决问题，更加容易激发学生的兴趣和内在学习动机。在做课题的过程中，加深了学生对测试理论与技术的领悟，培养了浓厚的学习兴趣，养成了良好的项目习惯。因此，兴趣小组的建立与科研项目的实施，对于学生了解和体验科学研究的过程与方法，明白测试理论与技术和实际工程应用之间的关系非常有帮助，可切实提高学生的应用能力、动手能力和创新能力。
四、改革课程考核体系
建立新的课程考核与评价体系，采用多种学业评价内容来构成课程成绩。内容包括：课堂考勤、平时作业、课堂讨论、课程实践（大作业、实验和论文）、期末试卷等。其中，期末成绩占50%，平时成绩占50%（课堂考勤10%、平时作业10%、课堂讨论表现10%、实验报告20%）。通过改革，使平时表现、课程实践（实验实践）、期末考试三者进行了有机结合，摒弃了以往考核体系只重视期末成绩而忽视课程学习过程的传统模式，优化了课程评价体系。
五、结语
为提高课程教学质量，从教学方法、教学内容、实验教学和考核体系等方面做了有益探讨。教学实践表明，合理设置和组织教学内容，改革教学模式和方法，精心设计实验教学内容，建立新的评价与考核体系，可以切实提升课程教学质量，有助于培养学生运用测试理论与技能来分析与解决问题的能力，并且培养创新意识和能力，达到培养创新型高素质应用人才的目的。
参考文献：
[1]化春键，尤丽华，周一届.测试技术类课程的教学改革与创新研究[J].江南大学学报：教育科学版，2008，28（1）：69-71.
[2]曾国英，赵登峰.测试技术课程教学改革探讨[J].科技创新导报，2013，（26）：135-136.
[3]李敏通，朱兆龙，查峥.“机械工程测试技术”教学方法研究探讨[J].教育教学论坛，2012，（4）：189-190.
“机械工程测试技术基础”是机械类专业较为重要的一门专业基础课，在专业课程体系中的地位非常重要。本课程涉及内容较多，既有较复杂的数学问题、又涉及一定深度的电工学、力学、数电、模电的相关知识，综合性和实践性都很强。本课程涉及的数学知识很多内容非常抽象，致使该课程较为晦涩，学生难以掌握。
为了提高本课程的教学效果，国内外很多教师已进行了大量的探索。如在美国，测试技术被定位为实验课程，教学目标是通过实验环节来提高学生的综合素质和能力，教学方法上实行课堂教学和实验教学并重。[1]慕丽等[2]提出了“以工程案例、虚拟仪器和实验为主线和核心”的边讲、边实验、边演示、边讨论的机械工程测试技术基础课程课堂教学模式。喻红等[3]提出了以工程案例为背景的实验课教学模式，利用课程组教师承担过大量科研项目，对所承担过的科研项目中应用到的测试技术进行整理，提炼为具有实际工程应用背景的案例和实验。崔伯第[4]从教学内容、教学方法及实验环节三个方面进行了有益的改革与探索。
本文针对应用型本科院校的人才培养定位，借鉴“卓越工程师”培养模式，对教学内容进行了优化和更新，强化了知识的应用背景，改革了灌输式的教学方法，变学生的被动接受为主动探究，从学生应用能力的培养出发，加强了实践教学环节，取得了较好的教学效果。
一、问题分析及教改思路
1.问题分析
我校为应用型本科院校，笔者从事本门课程的教学已有6年，通过这几年的教学实践，感觉本课程存在的问题主要有以下几个方面：
（1）内容上理论性偏强，学生感觉枯燥无味，深奥难懂。“机械工程测试技术基础”是一门理论性非常强的课程，其教学内容主要包括传感器及常用敏感元件转换原理和信号处理及分析相关理论两大部分。有关测试装置的传递函数、信号的数字化、信号的频谱、功率谱分析等内容，涉及到傅立叶变换、拉普拉斯变换等比较抽象的数学知识，学生普遍感到深奥难懂，学起来枯燥无味。这些内容在后续的工程应用中又体现的不够充分，学生对这些理论知识的作用认识不足，严重影响教学效果。近年来，随着电子技术、计算机技术的飞速发展，测试技术及仪器也发生了很大变化，因此，现行教材在测试技术的工程应用及新型传感器方面内容不够丰富，存在实际工程应用案例过少、大部分传感器没有提供实物对象等问题，不适于应用型人才培养的需要。
（2）知识点的顺序安排不利于学生接受。现有教材一般是从知识的完整性出发，按照信号及其描述、测试装置的基本特性、常用传感器及敏感元件、信号调理、信号处理、工程应用这样一个顺序来展开。这样的顺序编排从知识的相关性和完整性来讲，当然是非常正确的。但是对于学生来讲，在不能深刻理解这些理论知识应用背景的情况下，强迫自己去接受一大堆晦涩难懂的理论知识，是一件非常困难的事情。合理地调整课程的内容顺序，可能会使学生更容易接受。
（3）传统的教学方式实践性环节偏少，影响了教学效果。对于大多数应用型本科院校，由于教学实验条件的限制，本门课程的教学一般只侧重课本内容讲授，教学的基本方法模式是教师讲、学生听，学生动手实践性环节偏少。在课程教学过程中，学生积极参与和师生间、学生间的互动很少，不利于对学生进行工程实践能力的培养，也严重影响了教学效果。老师辛辛苦苦，讲了很多，却没能给学生留下什么深刻的印象，甚至部分学生连一些基本的传感器都不能分辨，更不用说正确地使用了。
2.教改的基本思路
针对上述问题，笔者总结几年来讲授本课程的经验与教训，结合我校应用型人才培养的目标定位，确定了本门课程改革的基本思路。主要是弱化理论的数学推导，突出理论的物理意义，强化有行业背景的工程应用，加强案例教学；调整知识点的讲授顺序，循序渐进地完成知识体系的讲授；从引导学生兴趣入手，多渠道、多途径让学生接触实际问题；在实践教学环节上狠下功夫，利用虚拟仪器语言，建立对学生完全开放的试验系统（台），培养学生的实际应用能力。
二、教学改革与实践
1.优化课程的教学内容
清华大学的林健教授在论述面向“卓越工程师”的教学改革时曾指出，[5]在教学内容的改革中要注重专业知识和教学内容的选择，以确保学科专业得到有效传承。由于近年来电子技术以及计算机技术等技术领域的迅速发展，使得本课程涉及的相关知识发生了很大变化，现有教材提供的知识信息显然不能及时反映传感技术的发展，有些知识已经有些陈旧，而各种传感器的典型应用，在教材上并没有反映。针对上述情况，我们强化了基于虚拟仪器语言的计算机测试系统和仪器的教学内容，将被测对象、传感器、数据采集卡、微型计算机组成的测试系统（仪器）作为测试系统基本的组成结构介绍和应用，使学生能够根据被测对象，构建这样的测试系统。
对于应用型本科院校，学生的培养定位主要是应用型人才，因此，在课程内容上强化应用，弱化理论的数学推导。对傅立叶变换、频谱分析等比较抽象的数学运算，着重介绍其物理意义，弱化纯数学的运算要求，增加了MATLAB软件进行数据处理的内容。而在工程应用环节，突出了行业背景特色，针对我校机械专业学生的未来就业方向，增加了工程机械、机床制造领域常用的基于现代传感技术的测量仪器的介绍，比如，在位移测量这一部分，减少了物位测量的内容，增加了表面粗糙度测量仪、表面轮廓测量仪、齿轮误差测量仪、机床主轴的回转精度测量等测量仪器和测量案例。
2.调整知识点的讲授顺序安排
在知识讲授顺序的安排上，遵循让学生首先知道怎么用、然后学会正确选择使用、最后掌握综合应用和正确分析测试信号这样一个渐进式学习的原则。
在授课内容的安排上，绪论课以后，首先利用标准输出的荷重传感器、数据采集卡和虚拟仪器高级语言VB，构建一个重量测量系统，让学生形成一个清晰而又简单的传感器应用概念。在此基础上，先介绍常用传感器和敏感元件的变换原理，讲完后，安排一次企业参观，让学生了解生产制造企业中传感器的应用情况，强化其对传感技术应用背景的理解。
然后再讲述信号及其描述、测试装置的基本特性，结合前面介绍的不同类型传感器以及不同应用背景分析传感器的基本特性以及合理选择的方法，让学生学会根据被测对象的具体特点正确选择传感器或测量元件、测量仪器。
接下来讲授工程应用环节，针对不同类型的物理量，比如：位移量、应力、应变、拉压力、温度等，学会构建合理的测量系统，将信号调理的有关内容融合到具体工程量的测量中去讲授。在讲授振动测量内容时，将信号的数字化处理、相关分析、谱分析的内容融合在一起。这样在讲授比较晦涩的数学问题时，和具体的应用结合在一起就会更有针对性，也不会像原先那样抽象难懂。
3.调动学生对学习内容的兴趣
学生对所学内容有兴趣，才会愿意学习并主动学习。在教学活动中，根据具体内容采用灵活多变的教学方法，不仅可以激发学生的学习兴趣，而且能收到事半功倍的效果。[2]作为应用型本科院校，学生在学习的自觉性方面相对较差，尤其是对本门课程这样比较抽象的学习内容，学生容易产生厌学情绪。
针对学生缺乏学习兴趣的问题，我们通过一系列的方法来激发学生的学习兴趣。在讲授完传感器原理后，安排学生到企业参观，教师现场解读生产现场中传感器的具体应用，让学生了解传感器的工程背景，在现场提出一些应用需求让学生去思考。让学生在网上搜集相关传感器的信息，分析其指标特性，使其感受到能看懂传感器的说明信息所带来的成就感。在教学内容上，将老师从事的具有工程背景的科研案例补充进来，一方面可以开阔学生的学术眼界，同时还可以引导学生主动思考，激发学习兴趣；在教学手段上，则注意通过演示实验将抽象的理论形象化、将枯燥的内容变得更有活力。在工程应用的教学环节，让学生动手构建测试系统，从而感受实现测量目标的成功喜悦，增加学习兴趣。
4.强化实践教学环节
课程的实践环节教学能够使学生加深对抽象理论知识的形象化理解，有效提高学生的综合素质和能力。“机械工程测试技术基础”本身也是一门实践性很强的课程，对此，我们重点加强了课程的实践性，让每一个知识点都与实际应用结合起来。
实验更是实践环节的重点，对大多数应用型本科院校来说，本门课程的实验教学还是沿袭传统模式。在实验之前，教师详尽交代实验步骤，学生只是按照规定步骤操作。这种模式，虽然也能使学生较快的掌握所学的教材内容，但却在很大程度上影响了学生创新性，不能很好地激发学生的学习欲望。
为此，我们改变了这种传统的实验模式，加强学生的参与性，让学生尽可能地体验各种物理量的实际测量方法和测试系统的构建方法。一方面，学校购买了测试技术综合实验系统，充分利用该实验系统的功能，使学生全面体验各种传感器的性能测试，增强感性认识。另一方面，重点加强了实验系统对学生的开放程度，尽量采用基于PC机的虚拟仪器技术代替传统测量仪器，以研究性实验、设计性实验以及综合性实验来代替单纯的测量实验。我们利用数据采集卡开发了基于虚拟仪器高级语言VB的各种虚拟仪器，比如：摩擦力矩测量系统、温度测量系统、位移测量系统等，并将代码及各种硬件连接全部向学生开放。学生可以通过变换传感器、改变程序代码等方式设计自己的实验。通过这样的实验，学生对传感器的使用方法更加清楚，学生还可以在动手中体会到成功的乐趣。
一、机械工程测试系统基本状况分析
测试是测量与试验的简称,测试中最基本的是测量。测量是利用各种装置对可观测量(或称被测参数)进行定性和定量的过程。测试的基本任务是获取信息。测试是发展和检验自然科学理论的实践基础。在工程技术领域,由于实际研究对象的复杂性,很多问题难以进行完善的理论分析、推导和计算,所以必须通过试验来获得研究对象的状态,变化和特征等,这正是通过测试来实现的。测试技术正是研究有关测试方法、测试手段和测试理论的科学,它应用于不同的领域并在各个自然科学研究领域起着重要作用。特别是现在机械工程测试技术引起了大型工业企业和高等院校极大的重视。
测试系统的第一个环节是信号的传感,即是将被测量的量或被观察的量通过一个被测量传感器或敏感元件转换成一个电的、液压的、气动的或其他形式的物理量,被测的或被观察的量与被转换的输出量之间根据可利用的物理定律应该具有一种明确的关系。传感器就是用来完成这种转换的装置。
第二个环节为信号的转换和调理。被测物理量经传感环节被转换为电阻、电容、电感或者电压、电流、电荷等电参量的变化,由于在测试过程中不可避免地遭受各种内、外干扰因素的影响,且为了用被测信号驱动显示、记录和控制等仪器或进一步将信号输入计算机进行数据处理。因此经传感后的信号尚需进过调理、放大、滤波、运算分析等一系列加工处理,以抑制干扰噪声、提高信噪比,便于进一步传输和后续环节中的处理。
第三个环节是是对这些信号进行分析处理以及显示记录,包括信号的时域分析、频域分析、相关分析等。原始波形显示、处理后波形显示等。从而还可以分析出机械运转的工况等。 机械工程测试系统有测量、监控、试验分析机械设备运行过程中的参数功能,但前序步骤必经信号的采集、分析才能得出。所以,本系统对于机械的后续分析作用意义重大。
二、虚拟仪器技术在机械工程测试系统中的应用现状
科学技术的日益发展,对现在的机械工程测试系统影响很大,特别是相对于传统的测试系统来讲。以前要用特定的仪器对信号进行分析,但是利用虚拟仪器组建的机械工程测试系统却不用专用的仪器,而是利用计算机作为连接虚拟仪器软硬件的平台,信号源通过调理后数据采集卡就可以获取数据进行分析处理。现代计算机技术对机械工程测试技术和仪器的发展产生了革命性的影响。
测试系统的发展经历了模拟测试仪器、计算机测试系统(智能仪器)及虚拟仪器三个阶段。现代机械工程测试技术以计算机为中心,计算机的发展必然促进测试技术和仪器的发展。在此背景下,虚拟仪器的产生也就水到渠成。
在虚拟仪器中,软件是虚拟仪器系统的关键,目前国内外这种软件主要有美国DSP公司的DADISP软件,以实验后数据处理分析和表示见长美国NI公司的系列虚拟仪器开发平台(LabVIEW、LabWindows/CVI、Virtual Bench和Component Works)、美国QUATECH公司的DASLab软件包和惠普公司的VEE软件平台都是可以搭建虚拟测试系统的软件平台,以图形化编程和界面灵活见长。华中理工大学的V198虚拟仪器系统和哈尔滨工业大学的仪器王以虚拟的单个仪器或仪器库见长。其中,美国NI公司的LabVIEW软件功能最为完善,LabVIEW软件以简单、直观的图形化编程方式、强大的图形显示和数据处理能力见长,运行速度快、开发周期短、界面灵活是其又一大优势,最能体现虚拟仪器的风格,所以基于LabVIEW的虚拟仪器应用相当广泛。
由于Pc的功能变得越来越强大,速度快,价格低,在标准PC上连接一个或多个仪
器模块构成测试仪器成为一种趋势。这种仪器即为虚拟仪器。虚拟仪器的软件开发平台LabVIEW中,“所见即所得”的可视化技术是应用于测试领域的雏形。虚拟仪器注重测试人员在进行工作中的感觉。用仿真的面板给人以真实仪器的感觉,用丰富的曲线图像向测试人员传递信息,是虚拟现实技术在机械工程测试领域中的广泛应用趋势。
几个测试站点连成一个大的测试网络,互通数据和信息,联合分析测试结果,实现
数据和信息共享的网络化测试是机械工程测试系统的一个发展趋势。虚拟仪器技术是现代机械工程测试系统的发展趋势,在丰富的虚拟仪器软硬件产品支持下,尤其是在被誉为“科学家和工程师的语言”LabVIEW的支持下,组建一个机械工程测试系统正变得越来越容易。在技术发展日新月异的今天,为了让测试系统就有开放性、兼容性和不断更新的可能,利用虚拟仪器的概念组建测试系统不失为一种好的选择。
在机械工程测试系统中,应用虚拟仪器编的越来越普遍,因为很多传统的硬件设备在虚拟仪器中都可以用软件代替,从而降低了大量的设备浪费,降低了成本,并且还可以直观化的显示其结果,将多种的传统仪器合并到一套虚拟仪器测试系统中,有利于编程,也有利于增强测试系统的准确度。
关键词：机械工程测试技术；实验；教学系统
机械工程测试技术，是机械工程学院必不可少的一门课程，但是与其他的实验教学一样，实验有着他的特殊性，机械工程测试技术尤其如此。机械工程测试技术，是一门涵盖学科范围较广、应用价值很高的一门专业基础课，它涵盖了机械、电子信息、自动仪、仪器仪等多个领域，而工程机械测试技术则是运用了多种技术，比如常用的传感器原理与应用、测试信号调理电路、信号的分析与处理、计算机的测试系统等等。因为该课程涵盖范围极广，因而其具有理论性强、知识点多、思维跨度大的特点，因此必须将理论与实践相结合，只有这样才能取得教育教学的效果。笔者通过对书本的审视，并结合学生的学习特点以及对学生的培养要求，将机械工程测试技术教学实验系统的建构分为了基础性实验系统的建构、综合性实验系统的建构和探究式实验的建构，三个层次来探讨。
1.基础性实验系统的构建
基础性实验室针对信号处理课程量身定做的实验场所，其实验内容丰富，涵盖了教材中所有信号分析的知识，其中包含了信号的基本性质、时域分析、频域分析、调制、加窗、滤波和采样等内容，其程序包含了信号发生器、自相关等从基础到高级的信号处理知识点的演示程序。
基础性实验的信号基本性质其内容包含了基本信号发生器、方法函数&sinc、随机信号、函数FFT的奇偶性、FFT线性叠加、时移和频移；其时域分析包含了RMS&峰值、自相关、互相关、时域卷积、反卷积、信号积分、时域平均-相位、时域平均噪声和小波分析；其频域分析包含了倒谱、谐振、频闪仪、2DFFT、频域平均、频移和轨道；而调制只有幅度调制及解调和频率调制及解调；加窗的内容是窗振幅、窗比较、加窗的频域分析、窗噪声基底、窗重叠和窗分辨率；滤波是基础性实验系统中极为重要的一个部分，滤波器响应时间、FIR窗滤波器设计、IIR滤波器设计、低通滤波器、中值滤波器和恒百分率带宽滤波器；而采样的内容则是重采样及混叠、栅栏效应、频谱泄露、位数&分辨率和限幅。
由于滤波能够随意的将信号中的各个波段进行分析操作，或者是滤除，因而是抑制和仿干扰的意象重要措施。滤波的主要装置是滤波器，它可以帮助实验人员实现选频，并且可以将信号中的特定频率成分通过，还可以衰减其他非特定频率的频率成分，如果我只对信号中某一频段的成分感兴趣时，在滤波器的作用下，去掉其他频段的成分和噪声，从而提高信噪比。如：将一个要处理的信号叠加一个干扰信号，幅值为A=10V、频率f=10Hz的正弦信号与幅值A=5V噪声叠加的原始信号，经过截止频率f=25Hz低通滤波器滤波后，从而将两者进行对比。
通过滤波的实验教学与实验，学生能够掌握和学会响应函数的测试方法，以此来了解各种滤波器的频率响应特性，它能够极为直观的改变教师教学的单一讲解，从而使得学生能够在现象的显示下进行直观的记忆，如果将LabVIEW应用程序配置一个VI服务器的话，那么就可以指定相应的远程计算机，通过网络来加载VI服务器，不仅能够现场试验，而且也能帮助学生预习和复习。
2.综合性实验系统的构建
综合性实验，按照实验内容可以划分为：振动测试、应力应变测试、温度测试和噪声测试4个模块，其中能够针对学生对已学过的测试学原理，通过综合性实验，使学生能初步了解典型测试系统的构成，而且能够明白各个环节的功能和特点，以及典型测量电路的基本构成与特点，在综合性实验系统的构建中，笔者将进行振动测试和噪音测试的探讨。
2.1综合性实验测试振动测试系统的构建
振动测试是机械测试中最基础，也是应用最广泛的技术，其振动测试的内容主要含有圆板固有频率及主振性的测量、机械振动系统固有频率的测量、简支梁固有频率及主振型的测量、单自由度模型参数的测量、振动信号的FFT分析、简谐振动幅值测量和拍振测量；其次是应用较多，尤其是在机械工程中，其实验的内容包含了弯曲变形主应力实验、扭转变形主应力实验、弯扭组合变形主应力实验、拉扭组合变形主应力实验和压扭组合变形主应力实验等；温度测试的内容包含了温度实时自动检测和多通道温度实时动态显示；在工业和运输业中，主要涉及的是噪音测试，噪音测试实验的内容主要有噪音的测量和频谱的分析、环境噪声实时自动监测。
由于振动测试是机械工程测试中最为广泛采用的一种实验，在这种实验中，经常采用的是ZK-5VIC型虚拟测试振动与控制实验装置。在振动测试的过程中，实验装置有4大部分，即振动系统模型、激振系统、振动测量系统、减振系统等，而振动系统的模型一般分为5种：单自由度系统模型、多自由度系统模型、悬臂梁模型、简支梁模型和薄壁圆板模型。激振系统有电动式激振器、非接触式激振器、偏心电机、调压器和激振信号源。更换相应的振动模型和激励系统，可以做成超过20个实验，下面以简支梁各阶的固有频率测量实验为例。
在整个测试实验系统建构之后，如果将新电机取下，然后便能得到简支梁模型，当选用电动式激振器，激振器内部信号源可选用产生10Hz到1Hz，幅度小于等于5v的正弦信号作为输入信号。在实验的过程中，将激振器与激振信号源的输出端相连，连接之后通过调整信号源的输出频率和功率来改变激振力的频率与幅值大小。将压电式加速度传感器与ZK-5VIC型测振仪的输入端相连，ZK-5VIC用数字显示测点的振动位移X、速度V、加速度A，而将输出端接在动态信号分析仪之上，这样动态信号分析仪的操作面板，主要用于完成单、双通道振动信号的时域、频域分析，这样便能全部完成振动测试。
通过振动测试，可以充分了解实际工程中典型测试装置的组成、安装及调试方法；了解测试系统的构成；学会激振器、传感器与测振仪器的操作方法。
2.2综合性实验噪音测试系统的构建
在机械工程测试技术中，工业与运输业的测试也是极为重要的一个方向，因而也不能不提及这个方面，之所以将噪音测试运用于工业与运输业，是因为机电设备的振动具有规律性，因而其声音也具有规律性，当噪音出现的时候，就能获取机电设备的运行状态，因此噪音测试，将为控制噪声、改进产品、设备运行状态检测、制定环保措施及法律等提供必要的依据。
在噪音测试实验中，传感器将声音转化成电信号经过中间变换装置预处理之后传入噪声分析仪，噪音分析仪可以将线性计权总声压级的测试；经过A计权和C计权总声压级的测试；线性、A计权和C计权的1比1倍频程分析；线性、A计权和C计权的三分之一频程分析；8到20Hz高分辨率宽带线性声压频谱测量；然后将数据存盘，数据回放以及测量结构进行打印。在实验的过程中，我们可以搭配转子实验台，通过改变转子的速度、质量不平衡、冲击等设备的配制，以此来模拟及其不同的运行状态，从而能记录振动的特性。
3.探究性实验系统的构建
创新能力的培养是21世纪人才所必备的关键因素，但是实验是一种极为陈规的模式，它不能培养出人的创新能力，传统的实验模式是高度地固定化、程序化的模式，不能培养出人的创新能力，因而有必要构建探究性实验系统。所谓探究性的实验系统，是指学生能够通过自己构建实验系统，进行不同实验的系统，它有着高度的自主性，因而可以满足学生的好奇心，并能将实验内容与实验设备的性能有一个全新的了解，笔者在这里主要阐述平衡测试和轴心轨迹测试，来阐述探究性实验系统的构建。
3.1探究性实验平衡测试系统的构建
旋转机械，是目前运用最为广泛的机械，而其核心部件为转子，如果转子的不能正常工作，就会影响机械的正常工作，因此我们以平衡测试为例，探讨探究性实验系统的建构。
平衡测试，最为关键的就是研究转子是否平衡，转子的不平衡是由于转子质量不均，而这种不均可能是因为重心偏移或者是转子缺损所造成的，转子的平衡方法很多，其中影响系数以简单、对操作者要求低等特点被较多的动平衡系统采用，笔者所探讨的也是影响系数法。
影响系数法采用双面动平衡实验装置，动平衡实验主要由多功能转子实验台、计算机、LabVIEW平台、速度传感器、转速相位传感器、数据采集仪和加重块组成。LabVIEW虚拟实验仪器，具有数据采集、分析和现实的功能。在实验的面板上标有实验操作流程，参数设置，转子运行时的转矩、转速等特性和测试结果的显示，因其具有设计方法独特，结构简单、功能丰富综合性强的特点，而被广泛的教学采用。在实验的过程中，转子通过电动机的皮带所带动，在转动的过程中，在转子支撑点各安装一个速度传感器，以此来检验转子的振动，激光转速相位传感器用来获取相位基准以及转速信息。所有传感器将检测到的信号经过电路的调理之后，输入到数据采集卡，最后在LabVIEW开发出虚拟式动平衡测试仪器处理并显示。
3.2探究性测试轴心轨迹测试系统的构建
除了动平衡测试之外，较为广泛采用的还有轴心轨迹测试，它也是主要利用转子来进行实验的。轴心的轨迹是指轴颈旋转中心相对于轴承中心的运动轨迹。在旋转机械的故障诊断中，其中最为重要的是回转部件中心位置比振幅和旋转副频曲线更能直观地反映转轴运动的情况。对于轴心轨迹的测试，笔者采用旋转机械轴心轨迹分析仪来阐述其测试。轴心轨迹分析仪可以完成两种信号的波迹显示，能够完成两路信号的频谱分析，从而完成轴心轨迹的提供、分解、合成，最后得出科学的结果。在轴心轨迹的测试过程中，要完成水平和垂直的测试，水平的主要做的是前置放大，这需要调整电路，才能进行数据采集，最后将信号发给轴心轨迹分析仪，垂直也是经过这样的程序来完成。其中需要说明的是，将信号收集之后，需要经过LabVIEW开发出虚拟式轴心轨迹测试仪器处理并显示。其中轴心轨迹虚拟分析仪器可以实时的显示轴心轨迹和轴心位置，采集频率和其他的信号，并对这些信息进行存储，当测试完成后，可以离线回放，得出轴心轨迹和轴心位置图。
平衡测试系统与轴心轨迹测试系统的构建的关键在于仪器的设置，它的设计方法相对来说较为独特，但是又结构简单，因而理论性较强，也因不同的转子可以进行不同的实验，这个上文已有阐述，也正是因为这个特点，有助于开发学生的创造性思维，这也意味着对于老师有着更高的要求。
参考文献：
[1]柏林，张晓鸽，刘小锋等.机械工程测试技术教学实验系统[J].实验技术与管理，2012：9
[2]杨冠琼，柏林.机械工程测试技术教学实验系统的开发[J].中国现代教育装备，2011：9
[3]杨芳，刘义，李济顺.机械工程测试技术教学实验内容的探索[J].中国现代教育装备，2013：17
[4]刘春阳，郭爱芳.测试技术教材建设与教学模式探究[J]中国现代教育装备，2012：17
[5]王承，何志伟.虚拟仪器现代仪器发展的新阶段[J].测控技术，2001：10
[6]俞红，黄|等.基于案例的工程测试技术基础实验教学[J].实验室研究与探索，2008：27
机械工程测试技术是高等院校工科类教学中不可缺少的一门课程。该课程涉及机械、电子信息、自动化、仪器仪表等多个领域，是一门专业性较强，涉及知识面很广，应用价值很高的专业基础课[1]。课程主要介绍了与机械工程相关的测试技术的基本概念、基本理论和应用技术，包括常用传感器的原理与应用、测试信号调理电路、信号分析与处理、计算机测试系统、测试系统的特性、测试系统的干扰及抑制以及机械工程中常见的测试等内容[2]。由于该课程理论性较强，知识点较多，思维跨度较大且比较抽象，因此需要设置与之相匹配的教学实验才能达到较好的教学效果。
1 教学实验内容的设计
教学实验是高等学校教学环节中重要的一环，是培养学生创新能力、实践能力和工程应用的重要部分[3]。在教学过程中发现，学生在认知过程中的一个普遍现象是见小不见大，不能把握测试系统的整体结构，而关注点总是放在较小的一个知识点或是问题中。为了强化学生对测试系统的概念，了解测试技术重要的方法，在教学实验中设计了自顶向下的实验思想：首先通过系统认知使学生建立起机械工程测试系统的整体概念，了解组成测试系统的各个部分，明白相关知识点的适用范围，从而做到有的放矢的学习。而后制定相对应的实验项目，学生能够理解各知识点的内容，明白系统各部分的关联关系。最后再通过综合性实验对所学知识进行串联和巩固[4]。
为此，在机械工程测试技术的教学实验中制定了基础性实验和综合性实验。
基础性实验主要是针对信号处理方面，其内容有：传感器的选取、信号的基本性质、信号的采集、A/D转换、数据处理。基础性实验共5部分，内容见表1。
综合性实验针对学生已学过的知识，建立起典型的测试系统，通过实际的测试实验使学生了解传感器的性能，测试电路的构成，测试软件的应用以及数据的处理与分析。综合性实验的内容见表2。
2 实验仪器
为了高质量地完成教学实验任务，课题组选择了较为先进的仪器来搭建实验系统。
（1）单点式激光测振仪：Polytec高性能的单点式激光测振仪由控制器、数字式速度解码器、自动聚焦式光学头组成。能够实现最小速度分辨率0.02微米/秒，最大速度+/-10米/秒的速度信号测量；最大输出信号为+/-10 V，输出带520 100 KHz低通滤波和100 Hz高通滤波。
（2）加速度计：B&K压电式加速度计是振动的绝对测量的最佳传感器，可用于较为宽泛的频率范围；在很宽的动态范围内具有良好的线性，该种传感器不需要额外电源，具有较高的灵敏度质量比。设备参数：灵敏度10 pC/g；最大正弦振动6 000 g-peak；最大冲击极限+/-20 000 g-peak；频率范围0.1 Hz～12.6 KHz。
（3）双通道调理放大器：B&K双通道电荷放大器，能够实现放大增益0.1 mV/pC～3.16 V/pC；频响范围0.1 Hz～100 KHz；具有低通、高通滤波器；能实现过载检测。
（4）A/D采集模块：课题组自主研发了基于USB2.0的数据采集模块。该模块具有8个模拟量输入通道，能够实现16-bit分辨率A/D转换器，采样速率高达200 kS/s。该模块采用总线供电，拥有设备状态LED指示灯。
（5）信号分析软件：课题组采用自主研发的信号分析软件，该软件采用Windows视窗风格，界面友好，使用方便，能够实现在线检测分析和离线数据分析。能够实现频谱分析、传递函数分析、互谱分析、互相关函数分析、包络/倒频谱分析等信号分析功能。软件具有画面设置、显示设置、采样参数设置、单位设置、跟踪设置、放大器设置、预处理设置、滤波器设置、计算设置等模块，方便使用者根据需要进行快速组合。该软件已经在工程应用中验证了其可靠性。
此外，课题组还搭建了振动测试平台和动平衡测试平台供实验使用，这些仪器、软件的应用能够开拓学生的视野，提高学生的学习兴趣，更重要的是实验系统能够使学生更好地理解系统的概念，提高对知识的认知程度。
3 实验案例
综合性实验是针对学生已经学过的信号处理、测试技术和测试系统等内容，通过实验室使学生了解典型的机械工程测试系统的构成以及各个环节所完成的工作。基于工程应用的指导思想，该部分实验设置了挠性接管自由振动测试和微小转子不平衡量检测。
3.1 挠性接管自由振动测试
自由振动测试是机械工程测试的基础，该部分实验能让学生了解激励信号的产生、信号的采集、自由振动以及动态性能参数的计算。实验装置主要由激振器、加速度信号采集装置、数据采集系统、计算机等组成（如图1所示）。
实验中，利用波形发生器产生振动谱信号，经功率放大器，由激振器产生振动信号。加速度传感器采集响应信号，经电荷放大器和数据采集系统进入计算机，系统结构如图2所示。图3是通过信号分析软件采集的自由振动信号。
通过挠性接管的自由振动测试实验可以让学生了解典型测试系统的结构、组成部分。通过实验理解测试系统的设备、安装、调试；了解信号接口的类型与连接方法；了解激励信号的产生方法。
3.2 微小转子不平衡量检测
转子的不平衡是旋转机械故障的主要诱因，为了提高旋转机械的品质就需要进行转子的不平衡量检测。该项实验通过学生自己动手调试来完成对转子的不平衡检测，能够激发学生的学习热情，培养动手能力。图4为微小转子不平衡检测实验台。
微小转子不平衡检测系统的实验装置由不平衡量检测实验台、激光测振仪、光电式开关传感器、采集系统和信号分析软件构成。实验中，变频调速电机通过带动皮带轮带动转子旋转，利用激光测振仪测量振动的绝对速度信号，利用光电式开关传感器测量转子的转速，传感器信号通过数据采集装置获取。系统原理如图5所示。图6为不平衡量的计算界面。
通过该项实验，学生能够了解转子不平衡检测的系统结构，激光测振仪和光电式开关传感器的应用方法，多路信号采集的触发方法，不平衡量的计算。
4 结束语
机械工程测试的教学实验选择了当前较为新式的测试仪器，让学生了解不同测试仪器的特点和应用方法。同时，以工程导向的实验内容，激发了学生的学习兴趣，提高了动手能力。通过教学实验，更加有利于学生巩固所学知识，培养创新能力。
参考文献
[1] 刘春阳，郭 爱芳.测试技术教材建设与教学模式探讨[J].中国现代教育装备，2012（17）：54-56.
[2] 韩建海，马伟.机械工程测试技术[M].北京：清华大学出版社，2010.
