有关机械的“信号分析与处理”教学体系设计

    “信号分析与处理”是作为机械类研究生的学位课程之一来开设的,是以培养研究生掌握现代测试与信号分析理论与技术、提高其科学试验能力为主的课程,是一门有生命力的课程,对于研究生的培养发挥了重要作用.该课程主要论述工程测试、信息与信号分析领域的理论与技术,是从信息探测工程学的角度出发,为适应机械工程技术的新发展(自动化、智能化、精密化)的一门跨学科的课程.该课程涉及多个学科,包括机械电子工程、测控、精密仪器及机械等.

    但是,目前“信号分析与处理”课程主要以电子类专业为主,对有关机械工程的信号分析与处理技术内容涉及较少.[5-8]将现代信号分析与处理技术和机械工程实际问题相结合是机械信号分析与处理课程建设的重要内容.不论是教材的出版还是教学内容的设置,“信号分析与处理”一直以来是电子和通信专业的专业课,理论性强,学生对其抽象的概念难以形象化理解.学生对一些现代信号分析与处理的理论知识难以与机械工程实际问题相联系,如果仍然采用与电子类相同的课程体系和内容,会影响学生对该课程的学习热情,使学生缺乏应用信号分析与处理理论知识分析和解决问题的能力.[9,10]因此,如何将现代信号分析与处理的先进技术与机械工程主干专业结合,是面向机械工程的“信号分析与处理”课程建设值得探讨的一个课题.因此将信号分析与处理理论和实践与机械专业相结合,建设具有机械特色的“信号分析与处理”课程是必要的.

    面向机械工程专业的“信号分析与处理”课程建设具有两个特点:一是围绕机械工程专业的工程实际问题进行相关的理论教学的课程体系、教学内容安排、教学方法和手段、教材等建设;二是针对机械工程测试和控制的典型实际工程问题进行相关的实践教学的课程建设.

    本文根据该课程的特点和在教学建设存在的问题,提出以面向实际机械工程,对“信号分析与处理”课程的教学内容、教学条件、教学方法和手段进行建设探讨,以提高该课程在机械工程专业的应用和教学质量.

    一、教学内容建设.

    1.课程内容体系结构.

    面向机械工程的“信号分析与处理”课程要适应机械工程技术向自动化、智能化、精密化的方向发展,要从信息工程学的角度论述工程测试、信息与信号分析的先进理论与技术领域在机械工程领域的应用,同时从机械工程学科引入信号分析与处理技术的理论和应用,将其融合为一体.

    融合机械工程应用实例教授该课程主要内容:信号分析基础;信息论基础知识;确知信号的特性;时间域分析、频率域分析;线性时不变系统的特性;信号通过线性时不变系统的基本方法;信号与系统分析方法在机械工程领域的应用;数字信号处理等内容.通过课程的学习,使学生掌握信号分析、线性系统分析及数字信号处理的基本理论与方法,并能将这些理论与方法应用于机械工程中.同时通过理论和实践教学,使学生在分析问题与解决问题的能力及实践技能方面有所提高.把以教材内容为主的课堂教学转变为教材与应用实例相结合,理论与实际问题互为补充,相辅相成,并把单独依靠课程教材逐渐改变为以该教材为主、穿插有关机械工程实际案例.重点是拓宽知识面,并在更高更新的基础上教授信号分析与处理基本概念和基本方法.在教学过程中,结合机械工程实例讲授“信号分析与处理”课程的主要内容,工程实例与教学内容对应表如表1所示.

   

    2.教学内容组织方式.

    面向机械工程的“信号分析与处理”课程是以机械信号分析、处理的基本概念、原理、技术、方法为主线,构成机械信号与系统的完整的工程科学基础,讲授内容要力求简单扼要,叙述深入浅出,并尽量体现机械工程意义和背景,避免冗长的理论推导.所以在课程的教学内容组织方式要着重考虑机械特色课程的建设目标:具有基础性,要注重信号分析与处理基本概念、基本方法和基本原理的讲授;具有应用性,要注重信号分析与处理在机械工程的应用讲解,培养学生应用知识能力;具有工程性,强调信号分析与处理在机构工程的应用性,强调应用信号分析与处理的基本概念和方法来描述实际机械工程;具有问题性,注重在教学中以机械工程实际问题来讲解教学内容;具有前沿性,要注重教学内容的更新,注重前进信号分析与处理技术和方法在机械工程领域的应用.紧跟信号分析与处理学科发展的步伐,不断深化教学内容的改革,及时反映该学科领域的最新科技成果,保证教学内容的先进性.

    为了满足面向机械工程的课程建设目标,采取如下的课程教学内容组织方式:

    (1)对信号分析与处理课程内容进行梳理,重点讲授面向机械工程的信号分析与处理的基本概念,以实际机械工程实例串接各个知识点,以使学生能完成机械工程的理解和应用.

    (2)针对机械工程技术培养的特点,加强有关信号分析与处理技术在机械工程应用的实践性环节,实现理论联系实际,应用基于项目驱动的教学方法,以实际机械工程增加机械工程应用信号分析与处理技术的实践教学内容.

    (3)面向机械工程的信号分析与处理要以解决机械工程问题为主线来设置教学内容,体现课程的工程实用性.也就是说,在设置课程教学内容时,要结合典型的机械工程实例来讲解信号分析与处理的基本概念和方法,要讲述如何从实际工程问题抽象出科学理论问题,然后采用何种方法来解决之,以形成面向机械工程应用的教学思路.

    (4)教学的目的是为了帮助学生形成良好的分析和解决工程问题的能力.在面向机械工程的信号分析与处理课程内容组织实施过程中,首先将理论知识所能解决的问题讲清;然后,结合实际机械工程应用实例,剖析已解决问题及未解决的关键科学问题和技术问题;最后,将理论知识能解决的问题与工程存在的问题对应,寻求解决实际问题的策略.

    (5)密切跟踪信号分析与处理科学的发展及其与机械工程学科的相互渗透,充分体现现代信号分析与处理技术在机械工程的应用,将前沿性的理念和思路引入,引发学生的学习热情.

    (6)根据面向机械的信号分析与处理的目标,提供丰富的有关机械工程应用实例网络教学资源,让学生自己参与工程项目的解决,以提高解决机械工程实际问题的能力,以工程性和实用性为主要目的,充分运用多媒体、网络等现代信息技术设计具有机械特色的“信号分析与处理”课程的教学案例,形成具有机械工程特色的教学内容、教学方法、教学手段等的完整教学体系.

    3.实践教学的设计思想.

    面向机械工程的信号分析与处理的实践教学主要目的是:

    验证、巩固加深信号分析与处理的基础理论知识;培养学生应用信号分析与处理理论知识分析和解决机械工程问题的能力;使学生掌握与信号分析与处理有关的机械工程课题研究的思路和技能;通过实践教学,提高学生实践技能,培养学生严谨的科学态度和创新意识.信号分析与处理课程的实践教学的开设,为学生在今后的科学研究树立正确的科学思维和科学素质,面向机械工程的信号分析与处理课程的实践性教学的设计思想为:

    (1)根据现有实验室的实验设备开设能加深和巩固具有机械特色的信号分析与处理基本理论的实验,如机械结构的模态分析实验、力学量(如应变、加速度、压力等)测量分析实验、随机振动信号测量与分析实验等,并能在实验过程熟练使用有关信号分析与处理的设备,如函数发生器、示波器、信号处理系统及其分析软件.

    (2)通过对机械工程典型案例的分析和讨论,培养选择适宜的信号分析与处理方法,进行信号的特性分析,解决在机械工程实际问题的能力.

    (3)设置具有机械特色的工程项目,以项目的形式给学生以小组的方式分配任务,让他们独立完成,项目的设置要有可行性,既要有硬件设计,又要有软件设计,形成独立的课题形式.在项目的实施过程培养学生解决机械工程问题能力,同时将Matlab、Protel、LabVIEW等软件融入到项目设计的应用中.

    (4)从机械工程实际问题在信号处理的共性问题出发,通过讨论各种机械工程实例的信号处理方法的特征,培养学生科学的思想方法,同时结合学生的研究课题,分析课题中有关信号分析与处理知识应用,并讨论如何应用知识剖析课题的科学问题.

    (5)为了使课堂教学与课外科技活动有机结合,进一步巩固课堂所学的理论知识,培养学生的创新意识和实践能力,结合老师的科研项目,设立“学生实践创新项目”,资助学生在与课程相关的领域内积极探索.

    二、教学条件.

    1.教材建设.

    “工欲善其事,必先利其器.”教学用书是教学的重要基本工具与条件.目前,面向机械工程的“信号分析与处理”的教材较少,需加强该方面教材建设.面向机械工程的“信号分析与处理”课程教材具有如下特点:教材要以机械工程为背景来论述信号分析与处理理论知识;教材要反映测试、信号分析与处理技术在机械工程中的应用;教材要反映现代信号分析与处理技术,体现先进信号分析与处理技术在机械工程的应用;教材要具有机械特色的实践教学内容.

    在选用权威教材的基础上,编写面向机械工程专业的特色理论和实践教学教材,编写一套信号分析与处理系统实践教学系列改革教材,如《面向机械工程的信号分析与处理》、《面向机械工程的MATLAB信号分析与处理》、《信号分析与处理的机械工程案例》等.该系列教材着重强调面向机械工程的信号分析与处理课程的基础性、实用性、创新性和前沿性,同时,增加综合性教学实践内容,以满足信号分析与处理实践教学的需要.

    2.实践教学环境建设.

    面向机械工程的“信号分析与处理”课程的实践教学环境建设主要举措如下:

    (1)建设综合包含机械工程案例的实践教学平台,联合其他机械工程实验室,如机械原理实验室、测控技术实验室等,利用这些实验室的教学设备和实例来开设满足具有机械特色的信号分析与处理实践教学.

    (2)提供各种机械工程项目,选择的项目应具有应用性和科学性,利用项目的开放性为学生实施全开放式实践教学模式,提高学生的学生自主学习、工程实践能力和创新能力.

    (3)建设研究型的实践教学环境,设立具有研究价值的机械工程项目,学生能在实施项目过程中提出项目的科学问题,能在动手过程掌握信号分析与处理技术的应用.

    (4)建设能将理论与实践相结合的教学环境,理论教学融入实践教学环节.结合机械工程实验设备和工程项目向学生讲授理论知识,让学生对抽象的信号分析与处理理论知识有直观的认识.

    (5)建设具有机械特色的“信号分析与处理”课程教学网站,丰富机械工程实例、多媒体教学课件完成课程教学网络化建设,利用校园网建立信号分析与处理课外辅导教学网站,装入课程的教学课件、辅导软件,提高教学环节中的交互能力,实现教学资源共享,为学生提供更广阔更自主的学习空间.

    三、教学方法与教学手段为了实施面向机械工程的“信号分析与处理”课程的教学,需要采用多种能满足实现机械工程特色的教学方法和手段,采用如下具有特色的教学方法与教学手段:

    采用案例分析教学方法将信号分析与处理的系统理论知识讲授.从学生熟悉的有关机械工程案例中出现的信号分析的问题入手,引入问题,采用信号分析理论分析所提出的问题,并使用信号分析与处理技术解决现有的难题,培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力.

    突破传统追求理论体系的完整和教材的局限,将反映机械工程和信号分析学科的前沿知识纳入理论教学和实践教学环节,启发学生的创新意识并提高创新能力.

    突破传统重视理论教学,而忽视实践教学,设置开放性实践环节,为学生提供机械工程领域的项目,让他们自主查阅相关文献,进行硬件和软件设计,在项目实施过程中交流观点和总结实践经验等,有利于学生理论与实际相联系,激发学生学习兴趣,提高学生独立思考、综合所学基本理论知识的能力.

    科研服务于教学,教师将具有机械工程特色的研究项目、科研案例采用多媒体方式和工程项目的形式给予学生,并通过案例讲解和实施发挥科研成果服务于教学,可以丰富课堂内容,提高“信号分析与处理”课程的教与学的效果.

    充分利用现代教学手段的优势,制作各种具有机械工程实例的多媒体课件、图片、动画等,将抽象的信号分析与处理的理论知识变得生动形象具体,将复杂的理论简单化.

    应用先进工具帮助学生理解和实施机械工程项目,如采用MATLAB软件建立机械工程项目的模型,并对模型进行分析,编制相关程序,仿真分析与处理工程项目获得的信号数据,一方面加深理论知识的理解,另一方面培养学生的编程能力.

    四、结束语.

    将现代信号分析与处理的先进技术与机械工程专业结合,探讨了适应机械工程的“信号分析与处理”课程教学,分别对课程的教学内容、教学条件、教学方法和手段提出具有机械工程特色的建设方案;提出面向机械工程专业的“信号分析与处理”

    课程建设围绕机械工程专业的工程实际问题进行相关的理论教学的课程内容体系、教学内容安排、教学方法和手段、教材等建设;而且针对机械工程测试和控制的典型实际工程问题进行相关的实践教学方法与环境建设.

    参考文献:

    [1] 黄云志 . 借鉴国外研究性教学经验 , 加强信号类系列课程建设[J].合肥工业大学学报 ( 社会科学版 ),2010,24(1):91-95.

    [2] 徐科军 , 黄云志 .自动化专业“信号分析与处理”课程的设置和教学 [J]. 电气电子教学学报 ,2007,29(6):103-107.

    [3] 冯晓云 . 实践育人是大学的根本 [J]. 实验室研究与探索 ,2013,32(1):1-4.

    [4] 刁统山 , 王连飞 , 杨爱新 ,等 . 改革 PLC 教学 , 培养创新型人才[J]. 实验室研究与探索 ,2008,(9):166-168.

    [5] 李元元 . 以新思路新模式促进创新人才培养 [J].中国高等教育,2010,(12):23-25.

    [6] 腾红丽, 林爱英 .创新实验教学模式的研究与实践 [J].中国电力教育,2010,(25):135-136.

    [7] 黄舒, 周建忠 , 刘惠霞 ,等 . 工科大学生综合与创新训练的探索与实践 [J].中国电力教育,2010,(25):13-14.

    [8] 束长宝.改革 PLC 实践教学, 培养学生工程实践和创新能力[J].中国现代教育装备,2008,(9):110-111.

    [9] 赵英娜 , 张艳博 . 实验教学与科研相结合的创新人才培养途径[J].中国电力教育,2009,(10):143-144.

    [10]赖何季,林晓婧.自动化专业课外实践教学的探索与实施[J].中国电力教育,2009,(12):142-143.