测试技术教学改革思考与初探

[摘要]测试技术是自动控制重要的专业课程，涉及到较深的信号理论，同时又有较强的工程实践性，公式多，枯燥难学。笔者在教学实践中，对教学内容进行了充实，注重阐述数学公式的物理意义，增加了工程实例中传感器安装方式的详细讲解；同时对教学方法进行了改进，注重激发学生的兴趣，取得了良好的教学效果。

[关键词]测试技术 信号理论 教学方法

一、引言

机械工程测试技术是自动控制重要的专业课程，其教材从内容上可大致划分为三个组成部分[1]：1、有关信号处理的理论分析及测试装置特性分析；2、传感器及中间变换器，主要介绍各种常用传感器及电桥测量原理；3、这部分是作为前面两部分的应用说明，主要包括力和应力的测量、运动量（包括位移、速度、加速度）的测量以及温度测量等。上述三部分内容各有其不同的特点：信号处理理论中，数学公式较多、推导繁杂，学生对此有怕学厌学心理；传感器和中间变换器部分相对简单，但一般要求学生有一定的模拟电路基础，否则讲解起来比较困难；应用部分则集合了一些常见物理量最普遍的测量方法，以加深学生对测试系统设计理解。然而大部分教材对这些内容仅作概略性描述，学生往往难以深刻理解，出现学不懂理不清的现象。

针对上述问题，笔者对教学内容、教学方法进行了改进，探索了一些新的教学方式，取得了良好的教学效果。

二、课程教学改革探讨

（一）信号理论讲解中应注重物理意义的阐述

从理论上弄清信号处理的基本概念、基本方法对设计好的测试系统有重要意义。然而信号理论涉及到的公式众多、概念抽象。虽然从20世纪90年代起，国内外各种版本的测试技术教材都出现了更加重视实际应用、减少理论推导的趋势，但测试技术课程本身特点所致，教材中理论性内容仍然占有相当的比例。学生常常反映学习过程出现这样的现象――不少内容在高等数学中早已见过，推导过程虽繁杂也能看懂，但合上书本后还是感到茫然。其根本结症在于授课过程中，没有将这些数学公式所蕴含的物理意义向学生作清晰的描述，使得学生仍是从数学符号到数学符号，不能和实际对应的物理过程联系起来，最终往往一知半解。

为了克服上述问题，我们在教学中，无论对结论性的公式还是其证明过程，都引导学生从其所表达的物理意义来思考，进而直接得出结论。例如奈奎斯特采样定理是信号理论中的重点内容之一，在其证明中，要求获得理想采样信号p（t）的频谱，一般推导如下：

上述推导过程比较繁复，而且纯粹是数学变换，学生难以深刻理解其实际意义。究其原因，在于学生对频域概念的理解远不及时域概念熟练。因此应首先向学生反复强调信号幅频特性的物理意义――其上一点就代表某一频率和幅度的正弦波，而该正弦波即是信号的组成成分这一物理本质；然后指出（2）式中既然是求ejkΩst的谱，而该信号为频率为ΩS、幅度为1的正弦信号，那么根据幅频特性的物理意义，就可以得知这种单位正弦波的谱即为频域上的δ函数，进而可直接得到（4）式的结论。

这样的讲解不仅推导形式更为简洁，更重要的是将数学公式对应的物理意义贯穿于整个教学过程之中。我们要求学生无论是在公式定理的学习中还是课后作业中，都要将高度抽象的公式或图表与实际物理意义相联系，尽量不要将信号理论变成纯“数学理论”，从而使学生的思维模式在不知不觉中从原来纯数学变换的窠臼中跳了出来，加深了对信号理论实际物理意义的理解，实现了“从公式到公式”向“从公式到实际”的转变。

（二）注重实际工况对测试系统设计的影响

温度、位移、速度、振动及力等机械参量的测试在工程中应用很广，因此不少测试技术教材中都把这类参量的测量作为电测技术的典型代表予以介绍[2]。在以往的教学中，教师常常对各种传感器的形态结构、测量原理以及一些典型测量结果进行详细说明。然而学生听讲后往往出现这样的状况：虽然对课堂上所讲解内容本身都已理解，甚至也认真进行了实验，但仍感到掌握得较肤浅、不深不透，难以举一反三。

我们发现在造成这一问题的主要原因在于：这部分教学内容的特点一是比较灵活、分散，并牵涉到机械、物理、电子、光学等多方面知识；二是这部分内容往往和实际工程中某些具体工况联系密切，造成即使是同一被测量的测试系统实际形态差别也很大。学生知识面及设计经验都比较有限，往往知其然而不知其所以然，难以深入理解并掌握。

为了夯实学生基础，增强实际动手能力，提高其综合素质，我们在教学中除了对原有重点内容予以详细讲解外，还有针对性地补充了有关机械、电子等方面的内容。例如造成各测试系统千差万别的一个重要原因是为了适应各种不同的实际工况，传感器的安装方式有着巨大的不同，然而当前的教材中对此几乎没有什么介绍。应向学生强调传感器安装方式对测试系统能否最终达到应有的技术指标，有着非常重要的作用。传感器位于测试系统的最前端，担负着提取被测物理量的任务。如果安装不当，被测量将难于正确提取，或者虽然能够给出信号，但很容易受到被测过程中其他因素的干扰，从而使整个测试系统的设计难度大大增加，甚至归于失败。因此我们在介绍传感器形态结构的基础上，重点向学生补充讲解正确安装的原则和方法。例如在用加速计测量振动时，应考虑到圆柱振动台的对称性，故应采用三加速计呈120°对称分布安装；测量精度要求高的情况下，应避免简单的螺纹紧固安装。在一些较复杂的情况下，如果无法直接安装时，还涉及到夹具设计等内容。由于课时有限，涉及到的知识面广，这些内容不可能作非常细致深入的讲解――因为不少内容是其他专业课讲授的任务。但通过对大量实例补充和分析，激发了学生的学习兴趣，克服了畏难心理，更重要的是将各专业课相互联系起来，从而宽阔了学生思路。这对提高学生的综合能力有很大帮助。

三、结束语

测试技术属信息科学的范畴，发展很快，是最活跃的学科之一。其理论与工程实际结合紧密，既包含信号与测试系统的理论分析，又包含复杂多变的工程实际应用。这种学科特点导致本课程教学内容分散且杂乱。传统教学方式存在教学模式单一、理论和实际脱节等问题，在总学时减少的情况下，要想达到良好的教学效果颇为不易。

为帮助学生建立完整的测试系统的体系概念，理清学习思路，我们仔细分析了在本学科的学习中，究竟哪些知识点是容易感到困惑的地方，哪些方面的内容还存在欠缺，从而有针对性地作出了补充，构建了更为完善的内容体系。在理论分析部分，重点补充讲解频域变换的物理意义，并使之贯穿于整个教学之中；应用部分则重点介绍工程测试中常用的传感器的形态结构、适用范围、选择依据；并结合工程案例，讲解传感器的安装原则和具体测试系统的实现。我们始终注意用系统设计的整体观念统领所有讲解内容，避免了以往教学中各部分相对零散、学生甚感难以把握的弊病，从而使讲授内容分合相济，变分散为集中，变模糊为清晰，有助于学生的学习和掌握。

我们还采用启发式教学方法[3]，根据教学内容、学生自身的知识水平以及本学科的知识规律，引导学生开动脑筋、积极思维、主动实践，达到了掌握知识和技能，增强能力的目的。

另外我们也很重视多媒体教学手段的运用。多媒体教学信息量大、直观效果强，但容易出现注重课件形式、忽视课件内容质量的倾向[4]。为克服此问题，我们除充实课件内容外，注重加强师生课堂交流，活跃课堂气氛，引起学生兴趣，取得了较好的教学效果。

[参考文献]

[1]周生国，李世义编著，机械工程测试技术 第二版，国防工业出版社，2008.

[2]石来德，袁礼平编著，机械参数电测技术，上海科学出版社，1981.

[3]魏冬云，主动学习课型指导教师的意识结构探析，当代教育论坛[J]，2006（5上）：82-83.

[4]邓重一，计算机多媒体教学的利与弊[J]，电子电气教学学报，2006（2）：98-103.

（作者单位：西南科技大学制造学院制造过程检测重点实验室 四川绵阳）