论文部分内容阅读
摘要:随着“质量工程”深入开展,不同层次高校培养不同类型人才的思想获得教育界共识,因此,各高校课程教学需要根据其人才定位合理组织和设计。本文以培养应用型工程技术人才的机械专业为例,分析影响“测试技术”课程教学质量的主要因素,探讨课程内容的设计、组织与教学,提出提高课堂教学质量的方法,为培养应用型人才的地方性高校课程教学改革提供参考:
关键词:测试技术;课程教学;工程应用
作者简介:李力(1964-),女,湖南汨罗人,三峡大学机械与材料学院,教授,工学博士,主要研究方向:高等工科教育理论与实践;陈从平(1976-),男,湖北荆州人,三峡大学机械与材料学院,副教授,工学博士,主要研究方向:高等工科教育理论与实践。(湖北宜昌443002)
基金项目:本文系国家级特色专业建设项目(项目编号:TS10987)、湖北省教育厅高教研究项目(项目编号:2009194)的研究成果。
“测试技术”是为机械设计制造及其自动化专业开设的一门专业基础课程。由于课程内容涉及机械学、物理学、电子学、控制技术和计算机技术等多学科技术,并且随着传感器、信号处理等新技术的发展,课程内容不断更新,使该课程知识多样,既有理论知识,又有实际测试,课程讲授内容相对来说比较分散,因此。采用传统的课堂教学模式教学学生学习积极性不高,长期以来教学效果不好。本文基于这一事实,针对三峡大学(以下简称“我校”)培养应用型工程技术人才的机械专业和多年的教学实践,结合特色专业建设,对“测试技术”课程教学进行改革,分析影响课程教学质量的原因,探讨课程教学内容组织和设计提出由易到难的课程内容和讲授方法。实验与编程相结合的能力培养方法等,调动学生学习积极性,增强课程的教学效果。
一 影响课程教学质量的主要原因
“测试技术”课程主要讲授的内容是机械工程中常用的传感器、信号调理电路及记录分析仪器的工作原理,测量装置基本特性的评价方法,测试信号的分析和处理基本方法,以及常见物理量的测量方法。通过本课程的学习,培养学生能合理地选用测试装置并初步掌握进行动态测试所需的基本知识和技能,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,正是基于这个培养要求和目标,目前,大多数教材内容主要包括:信号分类与描述、测试装置基本特性、常用传感器、信号调理电路、信号显示与记录以及信号分析与处理基础等。由于课程各章节内容相对来说比较分散,概念多且抽象,有较深的理论知识,又有测试实践知识,因此,要提高课堂教学质量,必须探讨清楚影响质量的主要因素,抓住主要矛盾。
首先是教材适应性问题。如前所述,目前的测试技术教材大都按照信号分类与描述、测试装置基本特性、常用传感器、信号调理电路、信号显示与记录和信号分析与处理基础等章节顺序进行编排,真具有普适性。教材按这种顺序编排虽然可以使前后知识之间的逻辑性比较强,但由于信号分类与描述中涉及时域,频域、傅里叶变换等一些比较抽象的概念,内容理论性强、数学推导较多,因此,若按教材顺序讲授会使得刚开始学习此课程的学生感到很困难,建立不起兴趣,从而影响本课程的后续教学。特别对于培养面向行业和地方应用型人才的高校。此类普适性教材由于缺乏针对性、工程应用实例少而成为影响课程教学的主要因素之一。
其次是教学手段问题,由于课程内容涉及较多领域知识,既有理论知识,又有实际测试仪器,内容较为松散,采用传统的按教材内容课堂讲授方式,很容易使学生感到知识难懂,内容枯燥,因此,必须注意巧妙组织教学过程,并采取一些有效方法启发学生思考,帮助他们克服畏难情绪。这方面很多文献进行了有效分析和研究。
最后是实验教学问题。由于课程内容包括各种基本测试装置,如各种传感器、中间调理电路等,要熟悉测试仪器原理,掌握测试方法仅靠传统的理论课堂教学很难达到预期的效果,因此,课程教学都有一定比例的实验课。为了让学生尽快掌握实验内容,一般做实验之前,实验指导教师会将每一实验,从实验目的、实验原理、实验仪器、实验内容到实验步骤等都详细讲解,学生只要按固定步骤操作即可,这种实验教学模式压抑了学生的学习欲望。另外,由于实验教学仪器很多都做成了集成化,操作简单,但学生分不清测试系统各环节实体,使学生很难理解和掌握书本上相应各环节仪器,很难达到实践能力培养的目的。
二 课程内容设计与教学组织
1 课程内容设计
“测试技术”课程的教材大都按照信号分类与描述、测试装置基本特性、常用传感器、信号调理电路、信号显示与记录和信号分析与处理基础等章节顺序进行编排,我们课程组通过多年教学实践,尝试采用不同顺序授课,结果发现:课程讲授内容基于人们思维习惯,由易到难组织,循序渐进、逐步引入新概念或术语,教学效果就会得到明显改善。因此,我们将教学内容设计成如下顺序,并编写相应教材。
首先介绍信号的分类,这部分内容主要掌握确定性信号和随机信号的一些概念,由于前续课程都学习过,比较容易理解。然后讲解常用传感器工作原理,接着讲授测试系统特性。由于前面讲授传感器原理时已经涉及一些,因此学生不会再感到抽象。接下来再讲授信号的分析与处理基础、信号的调理,这些内容在课程中属于比较难的。在教学中注意尽量少讲硬件电路、复杂公式推导,精简理论内容。
为加强应用型人才培养,可以在最后设计一章测试技术的工程应用,作为学生巩固学习和实践的内容。这部分内容可以融入教师相关科研课题、工作经验以及测试技术前沿知识。测试技术按这种顺序,课程内容基本按照由易到难,循序渐进发展,相比按大多数教材的内容安排去讲授更加科学,教学效果更好。
2 课程内容设计
要切实提高课程教学质量,除了教学内容合理设计外,教学组织也非常重要,如教学内容讲授深浅、重点难点以及教学手段等等。按照我校人才的目标和定位,我们认为讲授“测试技术”课程时,应该将重点放在机械测试系统的组成、测试方法的实现及工程应用等方面,避免讲授很深的理论知识,对于学生难以理解且今后工作中可能接触不到的理论内容尽量少讲,注重实践能力和机械工程应用能力的培养,在教学组织中,重点做好以下方面。
(1)传感器教学突出重点。一般传感器涉及内容很多,要讲授十多种各种类型传感器,不同类型传感器基于不同的物理或化学过程,讲法基本雷同,教学过程很容易使学生感到枯燥,找不到重点,失去兴趣。为此。我们根据培养人才的就业面向,即水电行业或地方机械行业,在教学内容匕将常规的电阻式(主要是应变片式)、电感式、压电式传感器设置为重点内容,在教学中详细讲授,并配动手实验来帮助学生理解和掌握,这些知识在后面的工程应用一章中还会应用于应力、位移,振动等的测试和工程实例中。同时,针对水电行业大型特种工程机械的 特点,介绍一些有代表性的无损检测传感器。通过这种方式的教学组织,使学生真正掌握几种常用的传感器进行测试,突出了重点,更多的传感器知识,学生就可以类推学习掌握了。
(2)变换与推导适当省略。目前教材在介绍傅里叶变换、拉普拉斯变换及其性质时,基本没有单独将其抽出来,而是大量罗列在章节中,使学生感觉变换很繁琐,公式推导多,容易冲淡测试技术主题。这样的内容显然对应用型人才培养来说显得较为困难,且必要性小,为此,我们在讲授时,省略变换的推导过程,重在变换公式的使用和物理意义。为了克服简化中间步骤而带来理解困难,我们在编写教材时,将傳里叶变换、拉普拉斯变换及其性质、证明详细列在附录中,使章节内容简洁,突出主题。
(3)信号处理配合应用实例。信号的时域描述、频域描述,信号的滤波和调制等信号分析与处理基础知识由于涉及较多的抽象概念、公式性质、变换理论等,学生学习此部分内容普遍感到难以理解和掌握,因此,需要合理组织教学过程和内容才能调动学生学习兴趣。讲授时,可以结合例子讲解来加强理解。如在讲解“频谱”内容时,我们增加一些图片和实例,强调时域波形和频谱就是从不同侧面(或角度)观察信号,突出信号不同的特征,就如同对某人从正面和侧面不同角度照相一样,实际就是同一个人,使学生容易理解。再如讲解“相关”概念,主要通过应用实例解释,“自相关”通过设计含噪声周期信号频谱与自相关图比较说明自相关提取含噪信号中周期成分的能力。“互相关”通过钢带测速、管道泄漏检测等实例,使学生把抽象的理论知识与实践结合起来,进一步提高对本课程的学习兴趣。这种抽象理论知识与实例应用结合的教学方法对培养学生工程实践能力以及启迪学生的创新意识具有重要意义。
(4)动手实验与编程实验相辅相成。“测试技术”具有很强的实践性,一般课程教学设计6个左右的动手实验,这些实验内容的选择应该使学生通过实验受到应有的实验能力的训练,获得关于测试工作的比较完整的概念,由于实验硬件条件的限制,实验内容组织和优化尤其重要。例如传感器实验,目前很多高校都采用传感器综合实验仪,这种仪器集成了十多种不同的传感器,使学生在一台仪器上就可学习和体验到很多传感器测试原理。但从我们多年实验教学看,此类集成化仪器不能完全达到很好的教学效果,因为除传感器外,其余重要测试环节都无法看到,没有实物对象,很难真正理解,以至于出现毕业设计时学生在使用压电传感器测振动时,完全不知道压电加速度传感器后面还需要使用电荷放大器。实际上,测试技术基本要求是培养学生初步掌握使用测试仪器测量,需要学生了解一个物理量的测量所需要的测试系统组成中各环节的所有测试仪器,而不仅仅只是传感器。因此。我们增加应变片式传感器测量应变,配合电桥加减特性(中间变换器)和动态应变测量(记录显示仪器),形成一个完整的测试系统各环节的实验。
随着计算机技术在测试技术中的广泛应用,如何将计算机辅助测试和信号处理引入教学,我们利用MATLAB设计了一些信号分析和处理的编程实验,如信号的叠加和分解、测试系统响应特性、信号滤波等,演示运行给学生观看,帮助学生理解。通过动手实验与编程实验有机结合。丰富了课堂教学,扩大了学生思维空间,增强了教学效果。
三、结论
“测试技术”内容涉及多学科综合技术,并随着传感器、信号处理技术的发展而不断发展,课程性质要求教学和组织方式呈现多样化,虽然长时间来看教学还将以课堂讲授为主,但讲授方法、教学手段、实验设计等都可以不断改革和完善。本文以我校培养应用型人才的“测试技术”课程教学为例,探讨了提高课程教学质量可以开展的工作,总结了一些教学经验,并编写了特色教材出版,以期对特色专业各课程教学改革起到参考作用。
责任编辑 麻剑飞
关键词:测试技术;课程教学;工程应用
作者简介:李力(1964-),女,湖南汨罗人,三峡大学机械与材料学院,教授,工学博士,主要研究方向:高等工科教育理论与实践;陈从平(1976-),男,湖北荆州人,三峡大学机械与材料学院,副教授,工学博士,主要研究方向:高等工科教育理论与实践。(湖北宜昌443002)
基金项目:本文系国家级特色专业建设项目(项目编号:TS10987)、湖北省教育厅高教研究项目(项目编号:2009194)的研究成果。
“测试技术”是为机械设计制造及其自动化专业开设的一门专业基础课程。由于课程内容涉及机械学、物理学、电子学、控制技术和计算机技术等多学科技术,并且随着传感器、信号处理等新技术的发展,课程内容不断更新,使该课程知识多样,既有理论知识,又有实际测试,课程讲授内容相对来说比较分散,因此。采用传统的课堂教学模式教学学生学习积极性不高,长期以来教学效果不好。本文基于这一事实,针对三峡大学(以下简称“我校”)培养应用型工程技术人才的机械专业和多年的教学实践,结合特色专业建设,对“测试技术”课程教学进行改革,分析影响课程教学质量的原因,探讨课程教学内容组织和设计提出由易到难的课程内容和讲授方法。实验与编程相结合的能力培养方法等,调动学生学习积极性,增强课程的教学效果。
一 影响课程教学质量的主要原因
“测试技术”课程主要讲授的内容是机械工程中常用的传感器、信号调理电路及记录分析仪器的工作原理,测量装置基本特性的评价方法,测试信号的分析和处理基本方法,以及常见物理量的测量方法。通过本课程的学习,培养学生能合理地选用测试装置并初步掌握进行动态测试所需的基本知识和技能,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,正是基于这个培养要求和目标,目前,大多数教材内容主要包括:信号分类与描述、测试装置基本特性、常用传感器、信号调理电路、信号显示与记录以及信号分析与处理基础等。由于课程各章节内容相对来说比较分散,概念多且抽象,有较深的理论知识,又有测试实践知识,因此,要提高课堂教学质量,必须探讨清楚影响质量的主要因素,抓住主要矛盾。
首先是教材适应性问题。如前所述,目前的测试技术教材大都按照信号分类与描述、测试装置基本特性、常用传感器、信号调理电路、信号显示与记录和信号分析与处理基础等章节顺序进行编排,真具有普适性。教材按这种顺序编排虽然可以使前后知识之间的逻辑性比较强,但由于信号分类与描述中涉及时域,频域、傅里叶变换等一些比较抽象的概念,内容理论性强、数学推导较多,因此,若按教材顺序讲授会使得刚开始学习此课程的学生感到很困难,建立不起兴趣,从而影响本课程的后续教学。特别对于培养面向行业和地方应用型人才的高校。此类普适性教材由于缺乏针对性、工程应用实例少而成为影响课程教学的主要因素之一。
其次是教学手段问题,由于课程内容涉及较多领域知识,既有理论知识,又有实际测试仪器,内容较为松散,采用传统的按教材内容课堂讲授方式,很容易使学生感到知识难懂,内容枯燥,因此,必须注意巧妙组织教学过程,并采取一些有效方法启发学生思考,帮助他们克服畏难情绪。这方面很多文献进行了有效分析和研究。
最后是实验教学问题。由于课程内容包括各种基本测试装置,如各种传感器、中间调理电路等,要熟悉测试仪器原理,掌握测试方法仅靠传统的理论课堂教学很难达到预期的效果,因此,课程教学都有一定比例的实验课。为了让学生尽快掌握实验内容,一般做实验之前,实验指导教师会将每一实验,从实验目的、实验原理、实验仪器、实验内容到实验步骤等都详细讲解,学生只要按固定步骤操作即可,这种实验教学模式压抑了学生的学习欲望。另外,由于实验教学仪器很多都做成了集成化,操作简单,但学生分不清测试系统各环节实体,使学生很难理解和掌握书本上相应各环节仪器,很难达到实践能力培养的目的。
二 课程内容设计与教学组织
1 课程内容设计
“测试技术”课程的教材大都按照信号分类与描述、测试装置基本特性、常用传感器、信号调理电路、信号显示与记录和信号分析与处理基础等章节顺序进行编排,我们课程组通过多年教学实践,尝试采用不同顺序授课,结果发现:课程讲授内容基于人们思维习惯,由易到难组织,循序渐进、逐步引入新概念或术语,教学效果就会得到明显改善。因此,我们将教学内容设计成如下顺序,并编写相应教材。
首先介绍信号的分类,这部分内容主要掌握确定性信号和随机信号的一些概念,由于前续课程都学习过,比较容易理解。然后讲解常用传感器工作原理,接着讲授测试系统特性。由于前面讲授传感器原理时已经涉及一些,因此学生不会再感到抽象。接下来再讲授信号的分析与处理基础、信号的调理,这些内容在课程中属于比较难的。在教学中注意尽量少讲硬件电路、复杂公式推导,精简理论内容。
为加强应用型人才培养,可以在最后设计一章测试技术的工程应用,作为学生巩固学习和实践的内容。这部分内容可以融入教师相关科研课题、工作经验以及测试技术前沿知识。测试技术按这种顺序,课程内容基本按照由易到难,循序渐进发展,相比按大多数教材的内容安排去讲授更加科学,教学效果更好。
2 课程内容设计
要切实提高课程教学质量,除了教学内容合理设计外,教学组织也非常重要,如教学内容讲授深浅、重点难点以及教学手段等等。按照我校人才的目标和定位,我们认为讲授“测试技术”课程时,应该将重点放在机械测试系统的组成、测试方法的实现及工程应用等方面,避免讲授很深的理论知识,对于学生难以理解且今后工作中可能接触不到的理论内容尽量少讲,注重实践能力和机械工程应用能力的培养,在教学组织中,重点做好以下方面。
(1)传感器教学突出重点。一般传感器涉及内容很多,要讲授十多种各种类型传感器,不同类型传感器基于不同的物理或化学过程,讲法基本雷同,教学过程很容易使学生感到枯燥,找不到重点,失去兴趣。为此。我们根据培养人才的就业面向,即水电行业或地方机械行业,在教学内容匕将常规的电阻式(主要是应变片式)、电感式、压电式传感器设置为重点内容,在教学中详细讲授,并配动手实验来帮助学生理解和掌握,这些知识在后面的工程应用一章中还会应用于应力、位移,振动等的测试和工程实例中。同时,针对水电行业大型特种工程机械的 特点,介绍一些有代表性的无损检测传感器。通过这种方式的教学组织,使学生真正掌握几种常用的传感器进行测试,突出了重点,更多的传感器知识,学生就可以类推学习掌握了。
(2)变换与推导适当省略。目前教材在介绍傅里叶变换、拉普拉斯变换及其性质时,基本没有单独将其抽出来,而是大量罗列在章节中,使学生感觉变换很繁琐,公式推导多,容易冲淡测试技术主题。这样的内容显然对应用型人才培养来说显得较为困难,且必要性小,为此,我们在讲授时,省略变换的推导过程,重在变换公式的使用和物理意义。为了克服简化中间步骤而带来理解困难,我们在编写教材时,将傳里叶变换、拉普拉斯变换及其性质、证明详细列在附录中,使章节内容简洁,突出主题。
(3)信号处理配合应用实例。信号的时域描述、频域描述,信号的滤波和调制等信号分析与处理基础知识由于涉及较多的抽象概念、公式性质、变换理论等,学生学习此部分内容普遍感到难以理解和掌握,因此,需要合理组织教学过程和内容才能调动学生学习兴趣。讲授时,可以结合例子讲解来加强理解。如在讲解“频谱”内容时,我们增加一些图片和实例,强调时域波形和频谱就是从不同侧面(或角度)观察信号,突出信号不同的特征,就如同对某人从正面和侧面不同角度照相一样,实际就是同一个人,使学生容易理解。再如讲解“相关”概念,主要通过应用实例解释,“自相关”通过设计含噪声周期信号频谱与自相关图比较说明自相关提取含噪信号中周期成分的能力。“互相关”通过钢带测速、管道泄漏检测等实例,使学生把抽象的理论知识与实践结合起来,进一步提高对本课程的学习兴趣。这种抽象理论知识与实例应用结合的教学方法对培养学生工程实践能力以及启迪学生的创新意识具有重要意义。
(4)动手实验与编程实验相辅相成。“测试技术”具有很强的实践性,一般课程教学设计6个左右的动手实验,这些实验内容的选择应该使学生通过实验受到应有的实验能力的训练,获得关于测试工作的比较完整的概念,由于实验硬件条件的限制,实验内容组织和优化尤其重要。例如传感器实验,目前很多高校都采用传感器综合实验仪,这种仪器集成了十多种不同的传感器,使学生在一台仪器上就可学习和体验到很多传感器测试原理。但从我们多年实验教学看,此类集成化仪器不能完全达到很好的教学效果,因为除传感器外,其余重要测试环节都无法看到,没有实物对象,很难真正理解,以至于出现毕业设计时学生在使用压电传感器测振动时,完全不知道压电加速度传感器后面还需要使用电荷放大器。实际上,测试技术基本要求是培养学生初步掌握使用测试仪器测量,需要学生了解一个物理量的测量所需要的测试系统组成中各环节的所有测试仪器,而不仅仅只是传感器。因此。我们增加应变片式传感器测量应变,配合电桥加减特性(中间变换器)和动态应变测量(记录显示仪器),形成一个完整的测试系统各环节的实验。
随着计算机技术在测试技术中的广泛应用,如何将计算机辅助测试和信号处理引入教学,我们利用MATLAB设计了一些信号分析和处理的编程实验,如信号的叠加和分解、测试系统响应特性、信号滤波等,演示运行给学生观看,帮助学生理解。通过动手实验与编程实验有机结合。丰富了课堂教学,扩大了学生思维空间,增强了教学效果。
三、结论
“测试技术”内容涉及多学科综合技术,并随着传感器、信号处理技术的发展而不断发展,课程性质要求教学和组织方式呈现多样化,虽然长时间来看教学还将以课堂讲授为主,但讲授方法、教学手段、实验设计等都可以不断改革和完善。本文以我校培养应用型人才的“测试技术”课程教学为例,探讨了提高课程教学质量可以开展的工作,总结了一些教学经验,并编写了特色教材出版,以期对特色专业各课程教学改革起到参考作用。
责任编辑 麻剑飞