面向机械工程测试技术课程的创新教学研究与实践

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  摘要:面向机械工程测试技术课程教学过程中,从理论与实践两方面进行创新性教学研究。重构教学体系,将仿真与虚拟实验及工程应用引入课堂,使学生产生明显的学习兴趣。在实践教学中,以虚拟仪器为平台,应用创新性教学,将课程的知识点融入一个或几个任务之中,使学生在完成设计任务的同时,掌握所学新知识。
  关键词:创新性教学;机械工程测试技术;理论教学;实践教学
  中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2013)46-0056-03
  创新性教学,相对传统教学而言,是一种新的教学模式。它要求教师在继承传统教学中有利于培养学生创新思维的教学方法的同时,又要敢于打破传统教学中不利于学生创新思维的教学方法[1]。《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》中明确提出,要推动人才培养机制改革,健全寓教于研的创新人才培养模式,以高水平科学研究支撑高质量人才培养。如何在人才培养体系中建立创新模式,在教学环节中实现学生自主学习能力、创新能力的提升目标,成为教学改革的关键。传统的课堂教学模式是以教师为中心,学生处于被动消极学习状态,教学手段刻板,一些涵盖丰富专业特点和专业知识的课程,没有用到现代的教学方法中,教师只讲其工作原理,却很少讲其作用,以至于所学知识难以致用,学生对专业课程越来越没有兴趣,其结果是等到毕业时却不知自己所学所用何处[2,3]。哈尔滨理工大学机械电子工程专业,在原有大机械培养背景下,为适应现代机械系统自动化程度的不断提高、测试技术在机械领域中的应用日益广泛的需求下,机械工程测试技术这门课受到越来越多的重视,但是该门课程的教学方式仍然存在着上述教学缺陷,为了改变现状,对机械工程测试技术这门课程进行了教学改革与创新。
  一、机械工程测试技术教学现状分析
  随着新技术、新装备的不断发展,越来越要求学生具有较高的测控技术理论与实践能力。机械工程测试技术是机械类专业重要的平台课程,其特点是多学科交叉、理论和实践紧密结合的课程。该课程教学的好坏,是实现高级机电专业技术人才培养的关键。因此关于机械工程测试技术课程的教学方法的研究,越来越得到教学一线老师的重视[4]。与机械工程测试相关的系列课程的教学内容包括单片机原理与应用、机器人基础、微机接口技术等多门课程。传统的机械工程测试技术课程,以课堂講授为主,从基础的信号分类开始,讲解信号的频谱分析方法、测试系统特性、传感器、信号的采集及处理,在这过程中学生利用一些实验装置进行同频检测与频谱分析、电桥性能比较及振动测量实验。这种教学形式看似是理论和实践结合,互相验证,但在实际教学过程中并不理想。主要原因在于实验均属于验证性实验,而该课程则要培养具有设计和实践能力的人才,因此目前这种传统教学方法很难让学生具有实际设计与操作能力。
  二、面向机械工程测试的创新性教学的内容和形式
  现代教育的大方向是越来越注重理论与实践的结合,尤其到了大三以上的年级,开始进行专业素质的培养。《机械工程测试技术》是机械类专业大三学生必修的专业平台课,这对大四一些专业课程的学习起到承前启后的作用,因此对该课程的教学创新有其独到的特点。首先,任课老师应具有宽广的知识面,即应具有测试、信号分析与处理、控制理论与实践,并了解一定的机械设计及制造方面的知识。同时,还应与时俱进,了解最新的测控手段和发展趋势,这是讲授该课程老师所具备的基本能力。其次,要灵活运用现代教学手段,以便课堂上能够生动地将理论联系到实际应用。最后,在该课程的学习过程中应尽量赋予学生学以致用的思想。面向工程测试的创新性教学包括理论教学、实践教学和考核方式的创新。通过对课程主要内容的细致分析和研究,并根据系统组成模块对课程章节内容按照信号在测试系统中的传输顺序将整个内容贯穿起来,从而使学生建立完整的测试系统概念。传统的理论教学过程中,往往是先教后学,即课堂教学在先,学生复习、体验知识在后。这种形式会出现学生应付了事和互相抄袭现象。为了改变这种现状,创新理论教学环节强调学生要提前学习,梳理问题意识、确定研究课题、查阅相关资料、论证研究方法和可行性等,这种学习方式是学生对知识进行自我构建的过程,使教与学的关系发生深刻变化,真正实现“以人为本,因材施教”的教学思想。创新性教学方法是建立在教学思想和教学模式转变的基础上,以教师为主导、以学生为主体的新型教学思想和教学模式能充分发挥教师的引导作用和学生的主观能动性。在创新性教学方法引导下,课程理论教学过程采用启发式讲授、工程案例剖析与课堂讨论相结合的方法。在使用课程教材时,不应只单纯的把“教材”看成“教材”,而更多的是把它当成“课材”。教学中不应该过多的把教材当作教学活动的主体,应尽量以教材为基础加大课外知识的引入。所以,这就要求教师应该博览群书,走在知识的前沿,给学生提供最新的信息与技术。在进行理论教学期间,充分利用现代多媒体技术,将工程应用案例与虚拟实验技术引入到课堂。例如教师在讲解绪论这一章中,播放一些应用于企业生产、军事、航天等方面的测控技术,让学生了解该门课程的应用范围与前景,使学生产生强烈的学习兴趣。在实践教学创新方面,为提高教学内容的针对性,同时激发学生的学习兴趣,采用以虚拟仪器为平台的创新性教学,改变过分注重学习知识的科学性和完整性而忽视实践性和创新性现象。虚拟仪器技术是今后仪器仪表、测试控制研究与发展的方向。发展现代科技,仪器仪表技术是重要的基础,虚拟仪器为我们实施创新教育提供了一个具有可操作性的实践平台[5]。根据课程特点,以虚拟仪器为平台,以创新为思想,设置项目任务,让学生在完成工作任务的过程中完成理论知识的学习[6]。创新性教学特点在于把培养学生的能动性和创新能力放在首位,注重培养其独立分析问题和解决问题的能力。在课程考核方面,不应以最终的期末试卷作为考核的基本标准,而是与平时的创新实践结合起来。由于本课程的创新教学尚处于初步实施阶段,在这期间,主要以培养创新团队为主,创新团队的成员所参加的各种创新实践活动也做为最终课程考核的一部分,并占有比其他同学多20%的平时成绩比例。这种激励机制将激发同学们参加创新学习的积极性,加快学生们的实践与动手能力的培养。   三、面向机械工程测试技术课程创新性教学的实践
  教师讲授机械工程测试技术课程过程中,在讲授完第二章傅里叶变换的基本理论后,就可以给学生提出运用創新思想设计一套虚拟测试系统实现各种物理量的测量,这种测试系统内容涵盖教学目标的主要知识点,并具有循序渐进的学习认知规律。因为实际生活与工程中,物理量是多种多样的。在老师的指引下,学生自主研究,自主管理,团结合作,开发出基于虚拟仪器平台上的各种形式的测试系统,真正实现理论与实践的良好结合。针对当前机械工程测试技术课程教学中存在的问题和不足,首先给出以下一些创新性教学策略:
  1.课程讲解中充分利用多媒体技术。和传统板书式教学相比,多媒体技术具有传统板书式教学无法比拟的信息量。多媒体教学设计配合多感官学习,能大大提高教学密度[7]。工程测试技术是实践性很强的课程,因此,课堂上正确使用多媒体技术,能够创设教学情境,引导学生进入工程应用的意境,达到学有所用的境地。将多媒体技术具体应用于机械工程测试技术课程的主要使用方法总结如下:①工程资料累积法,任课老师将与课程相关的科研与工程应用范例等资料以多媒体的形式储存在电脑中,并链接于相应的课件中,教学时根据需要播放相关的内容。②原理过程分部展现法,课程中很多复杂的原理过程,如相关的测控电路,由于机械类学生对电类课程不能很好地理解和应用,这时可利用多媒体技术,将复杂的原理过程分步展示,从传感器拾取信号的过程开始,经过调理电路,调理电路如何调理微弱的传感器信号,然后用何种形式显示出来等,这些过程通过多媒体形象地展示出来,即能帮助学生理解复杂的原理,又能激发学习动机。③动态控速展示法,教材中有许多静态图形图像,但实际上,这些静态图形图像在测试工程中大多数都是运动变化的,为了揭示这种实质上具有动态特性的图形图像的内涵,要使其动态化(二维或三维动画或图像变换),并利用播放过程中的速度控制以及定格技巧,全面深入地揭示测试原理。
  2.利用“任务驱动”激发学习兴趣。机械工程测试是当今最活跃的前沿学科之一,在教学过程中,不仅要使学生了解本学科的最新发展,重要的是要学生学会利用所学知识实现各种现实功能,这才是大学教育的本质。在讲授理论知识的过程中,设置一些测试设计任务,让学生在动手实践过程中发现问题,提出问题,在老师的引导下,最后解决问题。这样,学生的学习由被动变成主动,激发学生的学习兴趣,提高学习效率,很好地培养学生自主探索和创新能力。
  3.培养学生的创新意识,建立创新团队。为了能够真正实施基于虚拟仪器平台的创新实践教学,首先要培养学生的创新意识。具体的操作方法是,组建创新实践团队,以团队带动全体。创新团队通过参加创新实验、创新大赛等,以兴趣为导向,学习相关理论,对所涉及领域有较深入的认识和全面的了解,并开发出与所学课程相关的虚拟实验平台。在此基础上,带动大多数学生的学习兴趣,培养学生的创造性思维,在虚拟实验平台的基础上,根据所学知识,进一步开发出与课程相关的实验系统,如各种物理量的虚拟测量系统等。在学习和创新期间,要培养学生网络探索与创新的能力,鼓励学生在网上建立自主学习网页,帮助其他学生也加入创新兴趣小组来。这一活动不仅可以让学生所学知识有“用武之地”,帮助他们提高创新实践能力,而且这些能力对他们今后的工作和生活也具有很大的帮助。
  四、以虚拟仪器为平台面向工程测试技术课程的创新性实践教学的实现
  基于上述创新性教学策略与思想,机械工程测试技术的教学中,理论和实践教学均引入引入了创新性教学策略与方法。在理论上,课程讲解多与工程实践相结合。实践教学上,组织有一定学习积极性的同学组建创新实验小组,目的是以点带面。在进行创新性实践教学过程中做出如下创新实践教学设计:
  1.布置设计任务。开发与课程相关的基础虚拟实验平台,该平台包含信号发生与处理、滤波、频谱分析功能,此信号发生器可以产生正弦波、方波、三角波,并具有两个信道。其次在此基础上开发出虚拟噪声信号分析测量系统,利用电脑自带的声音采集系统,作为虚拟噪声信号的输入,在试验平台上可以看到信号的幅值和频率的变化,实现噪声识别。
  2.知识准备与引导。在老师的引导与建议下,学习Labview软件,学习各种频谱分析方法,了解各种窗函数原理、各种滤波器的原理,并学习如何应用Labview设置窗函数与滤波器。在此基础上,设计声音采集与信号分析虚拟测量系统,应用所学习的幅值域与频谱分析方法对声音信号进行分析。
  3.项目实施。经过学习,认真设计后,完成的信号发生器与虚拟噪声测试系统如图1和图2所示,其中,图1是同学们开发的虚拟信号发生系统,该信号发生系统可以产生正弦信号、三角波信号、方波信号,同时可实现滤波、幅值谱和功率谱分析。图2是虚拟噪声测试实验系统,该实验系统可以模拟噪声的产生,进行噪声监测,利用电脑自带的声卡,通过麦克风模拟噪声,对噪声处理后,可以得到噪声产生的频率、幅值和相位。从处理结果可以看到滤波前后的波形变化,这样直观地、感性地、综合地将所学知识融会贯通。[7]
  根据创新性教学策略与方法应用于机械工程测试技术这门课程实践表明,学生对该教学方式给予认同,一致认为这种形式的教学模式让他们对课程的学习产生了更大的兴趣,能够帮助他们更好地学习,更好地掌握测试技术基础理论和实际设计能力。针对机械工程测试技术课程的创新性教学的要求,任课老师应具有丰富的理论和实践知识,要不断地提高创新教育素养,教师的角色要从知识的重述者和传递者,转变为学生学习的引导者和协作者,教学方法要变复制型为创造型,从而提高学生学习的兴趣,提高学生获取知识的效率和效果。
  参考文献:
  [1]段华洽,王朔柏.深化教学改革创新教学模式——高校本科课堂教学模式创新研究[J].中国大学教学,2009,(4):35-37.
  [2]上官剑.创新教育中的“加”与“减”[J].湖南师范大学教育科学学报,2010,(1):28-30.
  [3]陈金国.工科类大学生创新教学实践[J].实验室研究与探索,2010,9(3):95-97.
  [4]张凤生,王海峰,孙忠义,李智,杨倩.机械工程测试技术课程教学改革与实践[J].教学研究,2012,35(1):92-94.
  [5]贾文华.基于虚拟实验平台建设的大学生实践创新项目的建设与探索[J].中国科教创新导刊,2013,(2):25.
  [6]乔玉晶,魏建宇,谢迪,张鹤锐.基于虚拟仪器的测试技术实验平台开发[J].自动化技术与应用,2012,31(8):75-77.
  [7]张军征,樊文芳.模拟软件促进科学课程探究学习的作用分析[J].现代教育技术,2012,(4):34-39.
  科研项目:哈尔滨理工大学教育教学研究项目B201200014
  作者简介:乔玉晶(1972-),女,吉林德惠人,哈尔滨理工大学机械学院教授,硕士生导师。
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