机械工程测试技术的创新设计实践教学方法

摘 要：为适应新工科专业建设和改革，需加强课程教学改革，提高学生创新设计能力、实践动手能力，达到国际标准的专业认证要求；课程实践教学是培养新工科学生创新设计实践能力的关键环节，强化实践教学是课程教学改革的基础。文章针对机械工程测试技术课程，探索实践教学方法和教学模式，作为加强创新设计能力的专业课程改革突破点，结果表明改进实践教学方法可提高学生创新设计能力，是新工科专业课程建设的着重点。

关键词：创新设计；实践教学模式；测试技术课程；教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）02-0035-03

Abstract： The reform of teaching is deepened on adapting to new engineering professional construction and reform. The innovative design and practical abilities are enhanced for college students and the demands of professional certification is attained in international standard. The key aspects of innovative design and practical abilities are practical teaching on course for college students of the new engineering. Strengthening the practical teaching is the basics of course innovative. To the course of mechanical engineering testing technology， the method and pattern of practical teaching are explored in this paper. That is the breakthrough point of course innovative on strengthening innovative design abilities. The results indicate that the emphasis of professional construction is the improvement on practical teaching and the innovative design abilities of college students can also be strengthened.

Keywords： innovative design； the pattern of practical teaching； the course of testing technology； teaching reform

一、概述

目前，机械工程测试技术课程教学仍侧重测试基础知识学习，在实践能力、创新能力的教育和动手能力训练方面有待提高[1]。随着本科教育教学改革持续、深入推进，加强新工科学生创新能力培养已成为高等教育改革发展的新方向。根据机械电子工程专业培养方案修订和专业认证需求[2]，机械工程测试技术课程教研组完成了机电综合创新实验室建设项目，并获得该课程教改立项资助，课题着重教学内容、课程体系、实践环节等方面的综合改革，现已完成课程创新设计实践教学方法研究。通过已完成并实施的课程实践教学新方法，明显激发学生学习兴趣，培养了学生团队协作意识和创新能力，实际动手能力有显著提高。

二、基于创新设计的课程实践教学基础

（一）机电创新综合实验平台

创新设计综合实验是基于创新设计的测试技术课程实践教学基础，实验室需提供良好的开放实验条件。通过增加课程实验学时数，满足综合型、设计型、创新型实验学时要求，学生有充分的时间进行实验设计和分析[3，4]。

机械工程测试技术教研组充分利用机电综合创新实验室资源，提高师资队伍教学、科研能力，培养教学团队，交流教学方法，做到经验分享，发掘新方法。机电综合创新实验室实验实训台有：单片机和可编程综合实验台、三维数控平台、电机综合实验台、三联电梯群控实验台、光学测试平台、超声测试实验台，如图1所示。能开设机电控制、驱动、测试等多门课程综合实验、实训项目。课程教学中，引导学生整合现有设备，设计综合实验；在此基础上，引导学生对实验设备和实验项目进行创新设计，培养学生创新设计能力。

各实验台主要开设的综合性、创新设计实验项目如下：

1. 单片机可编程控制综合实验装置

可完成测试系统控制器设计、开发实验。该实验装置集单片机实验板、专业仿真器、可编程控制器、通信编程器、模拟控制实验板、实物于一体，可直观地进行单片机原理及各个应用领域的实验、多个PLC实际应用的模拟实验及实物实验，同时也为高层次的设计开发实验提供良好的条件。本装置结合教学要求，设计了单片机和可编程控制器课程中最具典型性的实验项目，适合各高等院校开设的“单片机原理及接口技术”、“单片机数据通信技术”、“可编程控制器技术”、“可编程控制器及其应用”等课程的实验教学。

2. 三维数控实验台

该实验台为主轴带光栅的开放式可重组龙门三维机电综合工作台，可完成位置、速度等三坐标运动控制参数综合测试、开发实验。采用工業模块化结构设计，具有开放式可重组龙门固定式三维平台机械本体，实现可重组三维运动平台和通用四轴闭环控制系统的运动控制；提供VC、Vb、C#、Delphi、Matlab及Labview等主流高级编程环境的接口库，方便进行机电和控制等方面的实验，可使用开放式高级语言采集位置和速度信号，实现位置和速度的全闭环控制、半闭环控制和开环控制，显示位置和速度曲线。

3. 电机综合实验台

该实验台为运动控制与电机综合实验及故障诊断平台（机电一体化技术综合实训平台）实验系统，可完成机械振动、轴端位移、主轴不对中及轴承磨损等故障参数的综合测试，电机控制及故障诊断系统的设计和分析。可实现机电一体化技术与运动控制和故障诊断综合实验；实验平台包含典型传感器技术、交流电机控制、运动控制器、计算机控制、数控系统等课程实验，故障诊断实验包含典型的机电一体化系统故障诊断与分析实验。

4. 三联电梯群控实验台

六层三联群控电梯模型为透明仿真教学电梯，具有自动平层、自动开门关门、顺向响应轿厢内外呼梯信号、直驶、电梯安全运行保护以及电梯急停、慢上、慢下、照明、风扇等功能；模型软硬件均采用开放式结构，可进行测试、控制系统的二次开发研究，实现群控电梯（统一调度多台集中并列的电梯）、并联控制电梯（2-3台电梯的控制线路并联，进行逻辑控制，共用层站外召唤按钮）、集选控制电梯、信号控制电梯等。

5. 机电系统测控技术综合实训平台

双喷头喷墨打印沉积系统由机械系统、驱动系统、运动控制系统、视觉系统及喷头系统等组成。通过检测微滴运动参数，精确控制微滴稳定喷射及基板精确运动的协调控制，实现功能材料在基板精确沉积制造，完成如：柔性导电线路、微传感器、薄膜太阳能电池、半导体器件的快速成型制造。

变频张力控制教学培训系统具备传感检测技术、人机交互、电机拖动、PID 控制、自动传输、电气调试等技术应用，通过对卷绕系统中收放卷装置的张力控制，线速度、膜厚和卷径等变量算法研究，重点突出变频器模拟量方式对三相电机的调速与控制、收放卷张力恒定等项目，包含PLC、HMI、变频器配线、控制和通讯功能的综合实训；整个动态过程能保证收卷、放卷过程的平稳性，不论是大卷、小卷、加速、减速、激活、停车都能保证张力的恒定。

数字微镜器件（DMD）为数字微镜空间光调制器套件，结合DMD高性能芯片组，能为学生提供FPGA可编程应用开发平台，学生可开发定制应用，该投影套件系统也为高层次综合设计开发实验提供良好条件。

便携式超声波探伤仪具有B扫描（成像）以及全程连续动态实时记录检测回波数据便携式超声波探伤仪，能够快速便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷如裂纹、焊缝、气孔、砂眼、夹杂、折叠等的检测、定位、评估及诊断。

（二）结合研究课题，开设综合设计实验

利用机电创新综合实验室仪器设备，结合科研课题，在光学检测、微滴喷射成型技术、机器视觉、高速主轴可靠性分析等领域的测试方法，引导学生开发、设计实验实训内容。

与工程训练中心合作，探讨开放实验室管理方案，实现学生自主管理实验，全天开放实验室，提高学生动手实践、培养创新思维，参与课题研究，培养科研分析、写作论文、实验数据分析能力，真正掌握、领会测试技术课程学习内容。

加强竞赛竞争力，通过课程探讨竞赛培训方法，课程学习使学生具备参加国家级大赛能力，机械类专业可参加全国机器人大赛、机械创新大赛、工程训练能力竞赛和电子大赛等国家级竞赛；通过竞赛，总结参赛经验，分析与课程教学的结合点，教学方法改革切入点，改进教学方法、教学内容及学生应掌握知识点，强化学生实践能力培养。

结合研究课题，提出问题、设计教学案例，结合实际应用，设计实验教学方法和学生自主完成的实验内容，实现自主训练教学目标。目前，在电机综合实验、电梯群控实验及柔性制造等实验平台上已开设了若干个设计型、创新型实验项目。

三、项目驱动实践教学方法

针对机械电子工程、机械设计、制造及自动化等专业的培养要求[5，6]，结合课题研究，设计、开发了图1所示的机电综合创新实验项目，可为机械电子工程、机械设计等多个专业测试、控制及仿真课程提供综合设计实验，很好地改进了实践教学方法。

（一）工程测试项目在实践教学中的综合应用

课题组完成的工程测试项目有机械零件超声波无损检测与探伤技术、轴承故障检测与故障诊断技术、高速主轴振动检测、机器视觉和光学检测、可穿戴织物导线的微滴喷射成型技术和高速电主轴可靠性试验技术等课题，涉及位置、振动、位移、超声波、光学等多种测试方法。项目研究扩充了机电综合创新实验内容，学生通过课程实践教学参与项目研究，将学习的测试方法用于实际工程项目，提高学生课程学习积极性，加强了动手能力和解决实际问题能力，大大提高了课程实践教学效果。

（二）科研成果融入实践教学环节

课题组利用科研项目，结合应用的工程测量方法，整理了科研项目中的测试系统，提炼出具有实际工程应用的实践教学案例，作为项目驱动教学，课程结合科研项目的实践教学内容。以力和扭矩非接触检测方法为例，实践教学中，针对高速电主轴接触式检测存在的问题，引导学生提出新的检测方法，设计、开发非接触检测装置。这种装置是通过创新设计得到的研究成果，一种学生自己开发的测试新技术。经过创新设计实践训练，很好地开拓了学生思维方法，提高了知识探索能力。

该应用是在高速电主轴可靠性实验课题研究中，需检测作用在高速电主轴轴端加载盘上的电磁加载量，包括径向电磁力和扭矩的检测。根据高速主轴接触式检测存在的问题[7]，实验教学中引导学生设计非接触电磁加载量检测方法，提出电磁加载力和扭矩的非接触检测方法，对电磁加载量检测装置进行了创新设计，如图2所示。

应用图2所示测试装置完成加载力和扭矩测试实验，学生分析了径向力和扭矩同步检测方法及实验装置工作原理，通过实验数据的处理，得到力和扭矩检测值，解决了高速主轴作用力和扭矩检测的工程应用问题。与教材讲授的力和扭矩检测方法相比，创新设计实验教法很好地培养了学生动手实践和分析解决实际问题的能力。

四、结束语

本文针对机械工程专业新工科培养目标，分析和探讨了机械工程测试技术实践教学新方法。为加强学生实践动手能力，建立以学生为中心的多层次、应用型机电综合创新实践教学模式，构建了机械系统检测技术综合创新设计的课程实验实训平台。本文研究促进了专业实践教学资源的整合、优化和共享。有利于通过课程实践教学环节，提高学生动手能力和解决实际问题的能力。

参考文献：

[1]田和强.加强创新和实践能力培养的机械工程测试技术课程教学改革[J].高教学刊，2016（1）：71-72.

[2]王红军，常城，钟建琳，等.基于工程教育认证理念的机械类实践环节教学方法与评价方式改革[J].高教学刊，2018（1）：13-14，17.

[3]胡开群，冯鑫.“机械工程测试技术”课程教学改革探讨与研究[J].科技视界，2017（11）：102-103.

[4]周超伦.面向应用型本科的《机械工程测试技术》课程教学改革的探讨[J].科技风，2017（16）：35.

[5]周岳斌，王中任，杜毓瑾，等.在《機械工程测试技术》课程教学中培养大学生的创新能力[J].科技创新导报，2015（10）：154-155.

[6]杨帆，周济人，朱红耕.基于创新能力培养的水泵及水泵站课程教学改革与实践[J].高教学刊，2018（1）：27-29.

[7]邱荣华，刘宏昭.一种高速电主轴非接触电磁加载量的测试方法[J].西安理工大学学报，2012，28（3）：253-257.