机械类测试技术课程实验教学现状及改革初探

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  • 更新时间2019-02-17
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  测试技术是一门技术基础课,在前置电工电子、控制工程基础等课程的学习基础上,通过本课程的学习,培养学生能合理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,为进一步学习、研究和处理机械工程技术问题打下基础[1]。该课程具有很强的实践性,对于课程是理论与实践教学安排,国内外存在很大不同;通过互联网查阅国内代表高校的机械楼专业培养计划,发现不同学校之间也存在学时多少和实验占比的很大差别。该文在概述现有测试技术课程实验教学研究现状基础上,结合该校的实际情况,论述了测试技术课程实验教学的改革措施。


  1测试技术课程实验教学现状


  1.1测试技术实验教学改革研究进展


  焦敬品等[2]通过互联网、电子期刊等途径广泛收集教改信息得出:测试技术在美国定位为实验课,教学目标是通过实验环节来提高学生的综合素质和能力,教学法上实行课堂教学和实验教学并重;测试技术在我国定位为专业技术基础课,课程教学目的以向学生传授知识为主,教学上以教师课堂讲授为中心,有少量的验证性实验。王清[3]将测试技术实验项目安排为基础训练性、创新设计性和综合性等三类实验项目,以改变传统验证性实验为主的教学模式。张欣悦[4]提出应把传统的测试技术实验设备与虚拟仪器技术结合,大大提高了测试技术课程实验系统的功能和柔性,从而使得教授的测试技术课程内容和国际新技术接轨。刘吉轩等[5]将测试技术教学实验划分为基本实验、综合实验和探索实验等三个层次的“层次化”实验。亢银霞等[6]指出了测试技术课程实验存在的具体问题:实验学时有限,实验项目设置少;实验过程中缺少主动性和创新性;学生基础参差不齐;实验的考核方式不能反映学生的实验能力,并针对所述问题进行了相关的教学改革与实践。史荣等[7]指出在测试技术课程试验内容上要增强工程性,实验室要对学生进行开放,给学生提供更宽松的实验环境与更长的实验时间。张双双等[8]结合机械专业的实际情况,针对“机械工程测试技术”课程现状,构建了实验教学与理论教学并重的教学体系。


  1.2本校测试技术实验教学现状分析


  1.2.1多专业多层次化教学需求


  南通大学机械类专业包括机械工程、机械工程及自动化、机械电子工程、机械设计制造及其自动化四个机械类专业,近几年招生计划是一本、二本、三本同时招生,且存在逐年动态调整招生专业和层次的现实。测试技术作为一门机械类专业的专业技术基础课,是面向四个机械类专业3个层次学生同时开设的课程,南通大学机械类专业的现行招生计划对测试技术提出了适应多专业多层次化教学需求。


  1.2.2教材内容多与课时少的矛盾


  目前该校机械类专业授课选用教材为熊诗波等主编的《机械工程测试技术基础》教材[1];教材内容包括信号及其描述,测试装置的基本特性,常用传感器与敏感元件,信号的调理与记录,信号处理初步,位移测量,振动测试,声与声发射测量,应变、力与扭矩测量,流体参量的测量,计算机测试系统与虚拟仪器等十一章,内容全面且丰富;而本校规定测试技术理论教学时间为32学时,存在着教材内容多与课时少的矛盾。但由于教学计划给定的学时有限,授课理论教师不可能安排全部内容,而是挑选了测试技术基础部分内容讲解,主要是测试技术概论和教材前五章内容,最后简单介绍教材最后一章计算机测试系统与虚拟仪器简介,培养学生基本测试技术知识,而教材中间各种物理量的测量五章内容由学生课后自学为主;理论教学学时不足,实验教学学时更不可能充足,传感器的种类、信号分析方法、需要测量的物理量较多,由于课程学时又不允许,在有限的6学时内,仅安排了金属箔式应变片性能及电桥特性、差动变压器的特性及应用、电容传感器特性3个实验。


  1.2.3课程实验教学高度集中


  南通大学机械类专业测试技术课程教学计划安排在本科生第七学期第1~14周,每周一次课,每次授课3个学时,理论授课时间有序。而实验课通常要安排在理论课的基础内容讲解之后,一般要集中安排在第10~12周,实验授课时间相对集中。此外,本校机械类专业一个年级通常有10个班级,所在学院会安排多位老师开展理论教学,每周按计划上课即可;但仅安排一位实验教师负责该课程的实验教学,包括:安排实验、通知学生、组织和开展实验、批改实验报告、以及实验考核全部实验教学流程。实验指导老师一个人要在3周内完成10个班级30个批次60学时的实验教学工作,任务高度集中,工作强度大。


  1.2.4多厂家多型号设备共用


  实施教学改革前,测试技术实验室硬件条件一般,测试技术实验室的教学设备主要依托浙江大学CSY10型、CSY10A型和CSY2001B型老中新三代传感器实验台,配套信号测试分析设备有宁波中策和江苏绿杨两个厂家的双踪示波器,一台演示实验用计算机,万用表等。多厂家多型号设备共用于测试技术课程实验教学,针对传感器设备要讲三种型号设备的基本注意点,针对双踪示波器要讲两个厂家设备的基本操作方法,设备基本讲解占用时间长,而每个实验仅有2学时共80min时间,从而导致学时动手做实验的时间不足,常常出现拖堂现象。


  2测试技术课程实验改革初探


  实验教学相对于理论教学具有直观性、实践性、综合性、设计性与创新性等特点,有利于学生创新能力与实际应用能力的培养,具体从实验室建设、实验指导书修订、实验项目体系、实验考核机制、实验教学法等五个方面实施了有益的改革和探索。2.1测试技术实验室建设


  近几年,经过学校与学院的资助建设,南通大学机械工程学院“测试技术实验室”实现了主体设备的更新与换代,彻底摆脱了多厂家多型号设备共用问题。测试技术课程实验主要依托设备“传感器系统综合试验仪器”,由三代同堂使用的状况,逐渐改善到目前的全部使用最新一代产品“CSY2001B型传感器系统综合实验台”实现实验教学;与此同时,辅助信号测试分析设备“示波器”也得到了全面更新与换代,全部使用江苏绿杨公司YB4328型双踪示波器;计算机也实现了全面配置,三台主要设备达到了1∶1标准化匹配,共计16套,基本满足了每班一批、两人一组的实验教学需求。


  2.2测试技术实验指导书修订


  学生专业培养方案限制了测试技术课程的授课学时和实验学时,课程授课教学大纲决定了测试技术的授课内容和实验内容安排。通过测试技术实验室建设,设备得到了更新换代,同时试验仪器的外形、模块等也发生了巨大变化。原有的实验指导书无法匹配全新的实验设备,因此,根据新设备的特性及教学大纲的要求,综合考虑不同层次的学生的需求,重新编写测试技术课程的实验指导书,主要内容仍由金属箔式应变片性能及电桥特性、差动变压器的特性及应用、电容传感器特性3个实验组成,增加了前言“实验操作基本注意事项”,以及附录“实验仪器简介”,解决目前测试技术课程实验指导书陈旧的问题。


  2.3实验项目体系的改革探索


  根据实验教学经验及新设备特性,对3个实验开设的先后顺序进行了调整,将操作相对容易“电容传感器特性”提前至第1个实验,为首次实验项目留下了充足的讲解时间,以便清楚讲述各实验设备特性和功能,同时为3次实验提出总体要求。通过第1次实验,不仅让学生了解电容传感器特性,而且让学生建立测试系统的总体框架(如图1所示)概念,明确后续实验要求学生课前完成预习和实验方案设计工作;第2次实验安排金属箔式应变片性能及电桥特性,让学生掌握金属箔式应变片性能,充分认识信号处理电桥的特性,建立测试系统微观电路的意识;第3次实验安排差动变压器的特性及应用,让学生掌握差动变压器的特性,并实现应用,从而培养学生测试系统搭建与实现的技能。


  2.4实验考核机制的探索与建设


  在改进和完善实验考核机制方面,改变以往考核中采用的“粗线条”式考核方法,采用“分类细化”式的考核方法,减小考核过程中带来的不公平不公正现象,从而激发学生学习的兴趣,充分提高学生的实验创新能力。改革前,主要以实验报告为实验评价依据,实验操作过程中经常出现一组同学做,多组同学观望的现象;改革后,构建了上课考勤、随堂操作、实验报告三方面的考核体系,如图2所示,上课考勤占比20%,随堂操作占比40%,实验报告占比40%。


  2.5实验教学法的改进与实践


  首先,立足工程实践,采用启发式、探究式教学方法指导实验教学,嫁接“测试技术”领域工程项目开发经验,把实验项目的“主动权”交给学生;其次,倡导学生热爱思考、主动参与、乐于探索、勤于动手、勇于创新,培养学生发现、分析和解决问题的科学素质以及交流协作的能力。对于第1个“电容传感器特性”实验,主要是在实验教师的指导下,由学生按照实验指导书上的实验目的、实验原理、实验仪器、实验步骤等完成实验,实验的难度不大,实验结果一致性较强。接下来第2个实验“金属箔式应变片性能及电桥特性”,采用启发式和探究式教学方法,要求学生实验前完成测试系统设计,操作过程中完成测试系统的搭建和数据测试。最后一次实验项目,结合教师在“测试技术”领域工程项目开发经验,让学生掌握差动变压器的特性,并实现应用,从而培养培养学生合理选用测试装置并初步掌握测试所需的基本知识和技能。此外,在实验过程中,要求随堂操作检查合格的同学及时整理实验台和离开实验室,打断其他组同学观望的念头,充分调动学生做实验的积极性。


  2.6测试技术实验教学改革效果分析


  通过近几年的实验室建设,彻底更新了相关实验设备,为测试技术实验教学构建了良好的实验平台。通过测试技术实验指导书的修订,紧跟设备更新换代的步伐,为测试技术实验教学提供了切实可行的指导素材。通过实验项目体系的改革探索,优化了测试技术3个实验的先后顺序,明确了各个实验的教学侧重点,为学生在规定的课时内完成实验项目提高了必要的条件。通过实验考核机制的探索与建设,构建了相对科学的实验考核体系,为实现公平公正考核学生实验成绩提供了可行的机制。通过实验教学法的改进与实践,充分调动了学生的实验前、实验过程中及实验后三方面的积极性,为到达测试技术实验教学质量要求提供了可靠的保障。


  3结论与展望


  综述了测试技术实验教学改革研究现状,分析了地方本科院校的测试技术课程实验教学具体情况,围绕测试技术实验室建设、实验指导书修订、实验项目体系、实验考核机制、实验教学法等5个方面实施了有益的改革和探索,构建了良好的实验条件,调动了学生的实验积极性,提高了实验教学质量,满足了现阶段测试技术课程实验教学要求。


  为了适应测试基础器件的飞速发展,接轨国际工程教育,测试技术课程实验改革不仅仅要围绕测试技术课程教学实施改革,更应该围绕工程教育专业认证要求,通盘考虑,综合布局机械类专业学生培养方案,细化各门课程的前后衔接,同步建设课程内实验与课程外开放性实验,构建理论教学与实践教学相统一的教学体系,在培养学生的同时促进教师发展。