《测试技术》课程是机械工程类和机电工程类各专业的技术基础课。该门课程涉及数学、物理学、力学、电子学、控制理论、精密机械、材料科学和计算机科学等多方面知识, 具有广博的理论性和丰富的实践性。根据高等职业教育人才培养目标, 要求学生通过本课程的学习, 掌握测试系统的设计和分析方法, 能够根据工程需要选用合适的传感器, 并能够对测试系统的性能进行分析, 对测得的数据进行处理。
经过多年的教学, 笔者认为可以通过以下四个方面的创新来加强学生的创新意识, 培养学生的实际应用能力, 达到《测试技术》的教学目标。
一、课程教学内容的创新
本课程采用由于永芳和郑仲民主编的《检测技术》作为理论教材。为了解决教材陈旧和知识更新迅速的矛盾, 笔者结合实际, 对教学内容进行了创新。
1. 激发兴趣, 强化重点
传感器是测试系统的重要环节, 对传感器知识的掌握程度决定了能否正确地进行选用, 也影响着测试过程的质量。本教材在第二章对一些常用的传感器从构成、工作原理和性能等方面做了简要的讲述, 但介绍每种传感器知识的篇幅仅有一小节。在过去的教学中, 发现学生学习本章非常困难, 究其原因有两点: (1) 教材偏重于工作原理介绍, 理论性较强, 而且涉及的知识比较复杂,有材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学等。掌握这些知识对电大专科层次的学生来说是比较困难的。(2) 缺乏对具体、实际产品的介绍, 学生缺乏感性认识, 当然也不可能在实践中正确地运用。为了弥补这些不足, 笔者增加了学时, 充实了本章内容。通过互联网搜索了几家传感器生产商的产品及其性能介绍, 并做性价比的分析, 将讲课的重点放在对传感器的选择和运用上, 这样保证了知识的前瞻性和实用性, 激发了学生的学习热情。
2. 突出实用, 淡化深度
高职教育的目标是面向基层, 面向生产和服务第一线培养实用型、技能型人才。因此, 在教学过程中, 教师不能片面强调知识的深度。比如, 在信号的处理与分析这一章, 对测试信号在时域、幅域、频域和倒频谱等分析法中, 有大量的统计函数( 如均值、方差、均方值、自相关函数、
互相关函数等) 的公式推导。这些函数曲线可由测量仪器直接绘制出来, 因此舍去讲述数学函数的推导, 用讲述有关工程估算公式的运用和由函数曲线如何分析信号的特性取而代之。舍去抽象的理论便于提高实用性, 便于学生学习掌握。
3. 整合知识, 优化教学
《测试技术》课程的知识内容主要包括传感器、信号的中间转换、信号传输、信号的显示与记录和测试信号的处理与分析。这些内容分布五个章节, 知识概念处于离散状态, 难以堆砌在一起,不利于综观知识全貌, 也不利于学生发挥学习主动性。因此在教学中尽量淡化各知识点的分界,始终以图 1 为主索引强化整体功能, 以一条主线贯穿整个课程的教学。
二、教学方法的创新
教无定法、常教常新。在教学过程中, 根据不同的教学内容, 适当地采用不同的教学方法, 不仅能激发学生的学习兴趣, 更能收到事半功倍的效果。
1. 大胆运用案例教学法
案例教学法, 又称苏格拉底式教学法。从广义上讲, 案例教学可界定为通过对一个含有问题在内的具体教育情境的描述, 引导学生对这些特
殊情境进行讨论的一种教学方法。其特点是运用案例这个个别来说明、展示一般, 从实际案例出发, 提出问题、分析问题、解决问题, 通过师生的共同努力使学生达到举一反三、理论联系实际、融会贯通、增强知识、提高综合能力和水平的教学方法。它很早就应用在法学和医学专业的教学, 现在广泛运用在工商管理和市场营销等教学中, 但在工科教学中运用甚少。
传统工科专业教学都是由理论教学、课程实验和课程设计等教学环节组成。各个环节依次进行, 相辅相成。课程实验验证理论, 课程设计综合运用理论, 但易造成学生对所学内容的感性认识被延时。为解决此问题, 在《测试技术》这门课程的教学中, 结合工程实际, 运用了大量的案例教学, 使理论与案例紧密结合。如在讲授“测试信号的时域分析”时, 学生难以理解互相关性分析的运用, 因此安排了如下案例:
深埋地下油管道破损位置的探测, 如图2：
当此案例提出后, 立即引起了同学们的浓厚兴趣, 展开了热烈的讨论。在笔者的适当引导启发下, 讨论一步步深入, 切入主题, 最终形成了解决方案。即在估计的破损处的两侧打下两个孔,在孔内输油管表面沿轴向分别放置传感器( 例如拾音器、加速度计或 AE 传感器等)1 和 2, 油管漏损处可视为向两侧传播声波的声源, 因放置两传感器的位置距离漏损处不等, 则油管漏油处的声波传至两传感器就有时差, 将两拾音器测得的音响信号 x1(t)和 x2(t)进行互相关分析, 找出互相关值最大处的延时 τ, 即可由 τ确定油管破损位置。最后根据公式 S=vτ/2 即求得破损处距两孔中心的距离 S。(式中 S 指两传感器的中心至破损处的距离; v 指声波通过管道的传播速度)。通过此案例的学习, 同学们不但对简单的测试系统构成有了全面的认识, 还对本讲抽象的理论内容有了深刻的理解。通过解决工程实际问题, 让学生对学习本门课程的意义有了重新的认识, 由“要我学”变为“我要学”。
在《测试技术》这门课程中笔者区分不同的知识点安排了不同容量的案例和不同的讲授形式。对于小案例则跟随授课内容, 用生动、形象的案例阐述理论和概念, 让学生很快建立理论和实践的联系; 对于大案例, 专门组织案例课, 采取分组讨论, 老师点评的方式, 让学生积极地参与分析和讨论, 发挥学生的主动性和积极性。
总之, 案例教学的运用使得学生成为教学活动的主体, 形成自主学习、合作学习、研究性学习和探索性学习的开放型的学习氛围, 提高分析问题和解决实际问题的能力。
2. 积极尝试“发现式”教学模式
发现式教学是根据美国教育心理学家布鲁纳的理论建构起来的。发现式教学以学科的知识结构来构建课程, 让学生通过自己的体验和积极思维去认识和发现事物的本质和规律, 从而掌握学科的概念、原理和法则, 据此解决问题。
发现式教学模式的一般教学程序: 提出问题———创 设 问 题 情 境 ———提 出 假 设 ———推理——验证和得出结论。在教学过程中, 根据学生的心理特点, 在教师的指导下, 通过阅读、观察、实验、思考、讨论等方式, 引导学生去发现问题, 解决问题, 总结规律, 努力使学生成为知识的发现者, 从而培养学生的探索能力和创造能力。
事实上, 现成的结论并不重要, 重要的是得出结论的过程。如《信号的时域分析法》一节中的自相关函数 Rx(τ), 教学大纲要求学生掌握其五点性质。若按照传统的讲授方式由老师讲, 学生听,课后再让学生背, 那效果是可想而知的。对这个知识的讲解, 笔者尝试了“发现式”教学法, 具体步骤如下:
(1) 导入课题。将四个典型信号( 正弦信号、正弦随机信号、窄带随机信号和宽带随机信号)的自相关函数曲线图在屏幕上展示, 如图 3 所示:
(2)提出与课题相关的系列问题。问题一: 通过四种不同类型自相关函数曲线的分析, 归纳出Rx(τ)的共性; 问题二: 对比正弦信号与其余 3 个信号的不同, 分析周期信号与随机信号 Rx(τ)有何不同; 问题三: 对比窄带随机信号与宽带随机信号的 Rx(τ), 分析哪种信号衰减慢 。这些问题看似简单, 答出却不容易, 能调动学生的好奇心, 产生学习兴趣, 主动参与学习。
(3) 探索问题的答案。在探索过程中应鼓励学生发表不同的观点和独特见解, 允许标新立异、异想天开, 不仅使学生获取知识, 而且培养学生创新意识。在上述问题提出后, 笔者引导学生观察图形, 发现规律。对问题一的答案有“自相关函数是 t 的偶函数 ( 左右对称), 即 RX (t)=Rx(-t)”,“当 t=0 时, 自相关函数具有最大值”; 对问题二的答案有“周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号, 但不保留原信号的相位信息”,“随机信号的自相关函数将随 t 的增大而衰减”;对问题三的答案有“窄带随机信号的自相关函数比宽带随机信号的自相关函数收敛得慢”。
(4)讨论总结, 得出结论。讨论总结探索的结论是发现式教学法的重要内容, 学生在探索发现的基础上, 自己把获得的知识由感性认识提高到理性认识, 得出完整的科学结论。将上述答案归纳总结即是 RX(t)的五个性质。这样就使学生感觉到整节课是他们自己在探索中得到了规律, 而不是老师满堂灌的结果。学生尝试了探索发现所带来的成功和喜悦, 进一步增强和激发了探索的信心和决心。
三、教学手段的创新
为提升教学效果, 根据本课程的特点, 在教学过程中积极探索综合使用多种教学手段。
1. 制作课程的 PPT 课件, 运用多媒体手段授课。将原来抽象、复杂的仪器结构及其工作原理用生动的图像和动画表现出来, 变得直观、形象,易于学生接受, 使教学过程与教学效果达到最优化的状态。
2. 建立网上课程 QQ 群。通过 QQ 群, 可实现教师网上实时答疑, 可以群内学生共享。另外将教学大纲、电子教案、习题、实验指导、往届试卷、陈晓军:《测试技术》课程的教学创新与实践参考资料等内容全部上网放在共享区, 学生可以在课外自主学习。通过此手段, 让学生与老师不受时空的限制进行沟通, 互动效果良好。
3. 借助辅助软件, 制作演示实验。在讲解比较抽象、枯燥的理论知识过程中, 穿插一定的演示实验加以验证, 形象、生动, 增强了学生的理解, 也解决了部分实验无条件开设的矛盾。
四、实践教学的创新
教育部高教 [2001]4 号文件指出:“实践教学对于提高学生的综合素质、培养学生的创新精神与实践能力具有特殊作用。”教育专家们提出, 我国高等教育实践教学环节薄弱, 传统实践教学模式不能适应社会发展的要求, 必须对实践教学进行改革和创新, 只有这样, 才能培养出具有丰富创新能力的高素质人才。
1. 实践教学模式创新。实践教学欲培养学生的创新技能, 关键是为学生营造一个用所学理论知识解决实际问题的环境。实践教学模式是学生参与实践的方式。以往的实践教学往往是增加学生的感性认识, 或将课本理论知识通过动手实践重新推理、验证, 培养不出学生的创新能力。我系有一校外实习基地, 主要生产空调电机, 我们与厂家一起研发“电机性能综合测试台”, 使各项性能的检测一次性完成, 解决了困扰该企业的一个难题。在开发过程中 03 机电的同学多次到企业中去调研, 当理论与实践真正结合起来时, 许多实际问题都凸现出来, 学生的兴趣得到了激发,学生的综合应用能力也有所提高。
2. 实践教学内容更新。实践教学必须以一定的内容为依托, 对学生的实践进行全面有效的指导。以前的实践教学内容以理论知识和书本知识为主, 学生在学习之后并不一定能将其很好地运用到实践中去。为此, 结合工程实际选择了具有实际应用价值的几个综合实验, 如机械振动测试、应变测试和加速度测试等, 取得了较好的效果。
3.实践教学技术手段更新。由于检测技术的试验对设备的要求非常高而且新产品更新较快,为此选用了由华中科技大学开发的 DRLab(Dy-namic Reconfigurable Lab) 创新实验室系列产品。这是一个将 Java 技术与虚拟仪器技术结合而开发的一个网络化虚拟实验室, 实现了检测技术课程网上仿真实验。结合教学大纲要求, 要求学生通过虚拟实验室完成“典型信号的波形分析”、“典型信号的相关分析”、“典型信号的幅值特性分析”及“典型信号的频谱分析”等实验。
4. 实践教学考核模式创新。以前的实践教学考核以学生完成实验的报告为考核内容, 不一定能够真正考核学生的实践效果和成绩。这种考核方式导致部分同学实验态度不端正, 有的甚至不参加实验抄袭别人的实验报告应付。为此, 改变过去的考核标准, 从学生参与实践的态度、参与实践的纪律、参与实践的能力、参与实践的效果等多方面进行考核并计入该课程的平时成绩, 实验不合格者不得参加期末考试。
教学内容、教学方法、教学手段和实践教学四个方面的创新, 使得学生能够了解《测试技术》这门课程, 掌握课程的精髓, 获得一定的解决工程实际问题的能力, 不断成长为社会迫切需求的高素质的应用型技术人才。
【参考文献】
[1]于永芳,郑仲民 .检测技术[M].北京:机械工业出版社,1993.
[2]郑金洲.案例教学指南[M] .上海:华东师大出版社, 2000.
【 作者简介】陈晓军, 男, 讲师, 南通广播电视大学机械建筑系。
