趙倩 李淑娟 趙麗娜

摘? 要 測試技術(shù)基礎(chǔ)是一門重要的工科專業(yè)基礎(chǔ)課。對于包裝工程專業(yè)的教學，如何利用淺顯易懂的實際應(yīng)用解釋晦澀的數(shù)學理論，以及如何設(shè)置符合專業(yè)特色的教學模式，值得深思。對此，根據(jù)包裝工程專業(yè)學生特點和市場需求，對于授課過程中出現(xiàn)的四個主要問題給予詳細分析，并提供解決思路。

關(guān)鍵詞 測試技術(shù)基礎(chǔ);包裝工程;LabVIEW;MATLAB

中圖分類號：G652? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）18-0093-04

1 引言

隨著社會的發(fā)展和工業(yè)自動化水平的不斷提高，測試技術(shù)基礎(chǔ)不僅是機電專業(yè)的一門重要專業(yè)課，也是汽車服務(wù)工程、材料成型、包裝工程等非機電類專業(yè)學生必備的專業(yè)基礎(chǔ)課。測試貫穿在包裝工業(yè)生產(chǎn)過程的每個環(huán)節(jié)，相關(guān)從業(yè)人員均必須了解測試技術(shù)，才能更好地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題[1-2]。

對于包裝工程專業(yè)而言，測試技術(shù)基礎(chǔ)是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要從系統(tǒng)思維研究一個測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及如何完成一個具體的測試過程，同時從微觀思維的角度對測試過程中涉及的信號變換進行分析和處理。具體研究內(nèi)容包括測試技術(shù)基本概念、信號分析與處理、系統(tǒng)特性和誤差分析、信號的獲取及調(diào)理輸出、系統(tǒng)設(shè)計及虛擬儀器等[3]?？梢姡撜n程理論性很強，且內(nèi)容多，難度大。同時，它又是一門實踐性極強的課程，對于當代工業(yè)4.0背景下開展智能包裝生產(chǎn)線的開發(fā)和研制具有重要指導(dǎo)價值。因此，以包裝專業(yè)特色和市場要求為前提，在原有的測試技術(shù)理論教學的基礎(chǔ)上，對課程內(nèi)容和模塊進行調(diào)整優(yōu)化，構(gòu)建完善的課程體系，讓學生在掌握一定的課程基礎(chǔ)理論的同時增強實踐操作能力，具有實際意義。

2 課程開設(shè)過程中遇到的問題

測試技術(shù)基礎(chǔ)在包裝工程專業(yè)課程體系中占據(jù)重要地位，涉及高等數(shù)學、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、電工學、材料力學、經(jīng)典控制論等相關(guān)課程內(nèi)容;同時，對后續(xù)專業(yè)課如包裝測試技術(shù)、包裝運輸、包裝應(yīng)用力學等課程的學習起到重要的鋪墊作用。該課程綜合了很多新技術(shù)、新知識，學時少，且學生基礎(chǔ)參差不齊，因而教學起來具有一定難度。現(xiàn)有課程體系僅重視理論授課，忽略了實踐教學，忽視了專業(yè)特點，導(dǎo)致學生學用分離，積極性不高。

教材適用性不強? 市面上的《測試技術(shù)基礎(chǔ)》教材大多為機電專業(yè)教師所編寫，適用于數(shù)理基礎(chǔ)較好的機電專業(yè)學生。

1）課本缺少對基本信號及其運算的介紹，如信號的移位、尺度變換等，直接過渡到信號的處理方法和理論。而包裝工程專業(yè)前期并未開設(shè)信號與系統(tǒng)方面的課程，學生往往存在“前面學不會，后面直接放棄”的心態(tài)。

2）教材舉例通常為電路或機械方面的，對其他非機電類專業(yè)適用性較差。對于包裝工程專業(yè)的學生而言，他們一方面對電路和機械知識掌握有限，對教材舉例無法理解透徹;另一方面缺乏與專業(yè)相關(guān)的實例，導(dǎo)致理論和實際脫節(jié)，無法達到學以致用的目的。

理論知識多且難? 整體而言，這門課程具有理論知識點較多，且邏輯關(guān)系緊密、覆蓋面廣的特點，不僅包含信號分析處理，還有系統(tǒng)特性的分析、信號獲取和傳感器基本理論、信號輸出和打印技術(shù)等。由于授課之初需要學生回顧許多數(shù)理知識，包括高等數(shù)學、數(shù)學分析、概率論等，導(dǎo)致學生進入狀態(tài)較慢。同時由于該專業(yè)學生的數(shù)學基礎(chǔ)較之機電專業(yè)較薄弱，故對于信號分析等內(nèi)容往往跟不上教師的節(jié)奏，缺乏學習興趣。而教材中對理論展開很詳細，公式推導(dǎo)和性質(zhì)證明等內(nèi)容偏多，導(dǎo)致學生學習積極性不夠，對教學的開展和學科未來的發(fā)展均不利。

實踐環(huán)節(jié)學時少? 目前，根據(jù)學校教學大綱安排，實驗共八個學時，主要集中在傳感器技術(shù)方面，對典型的電阻式、電感式和電容式傳感器的基本測量原理、接收電路、數(shù)據(jù)分析等方面進行學習。涉及的項目少，學時少，使學生收獲有限。另外，缺乏行之有效的課程實踐評價機制。該課程的系統(tǒng)性未能在零碎的知識點考核及實驗中充分體現(xiàn)，學生若不能將知識點串接起來，形成完整的知識體系，會限制他們在實際中的靈活應(yīng)用。

考核方式單一? 考試是教學中最普遍采用的考核手段，該課程對學生所學知識的評價仍以期末卷面考試為主，導(dǎo)致學生為應(yīng)付考試而對理論知識死記硬背，不重視實踐環(huán)節(jié)，理論和實際應(yīng)用脫節(jié)。尤其包裝專業(yè)是應(yīng)用型多學科交叉專業(yè)，學生的培養(yǎng)方案為培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型的工程科技人才，按照現(xiàn)有考查方式，無法滿足社會的需求，亦無法達到學生的就業(yè)期望。

3 解決方法

綜上所述，針對包裝專業(yè)學生數(shù)理基礎(chǔ)和專業(yè)需求，測試技術(shù)基礎(chǔ)的教授過程與傳統(tǒng)測試技術(shù)基礎(chǔ)的理論教學有所差別，據(jù)此構(gòu)建新的課程體系，如圖1所示。

為了解決第二部分提出的問題，下面從教學內(nèi)容、教學方法、考核方式等方面進行闡述。

調(diào)整教材內(nèi)容，突出理論重點? 測試技術(shù)基礎(chǔ)課程理論教學分為兩個模塊：一為系統(tǒng)思維下的測試系統(tǒng)構(gòu)建，可在此添加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖;二為微觀思維下信號在系統(tǒng)內(nèi)部的變換過程。課程涉及信號的描述方法、獲取手段、調(diào)理電路及輸出打印、虛擬儀器。授課過程中需要引導(dǎo)學生從這兩個思維方式入手，分別對課程框架及知識細節(jié)進行全面闡述。首先通過掌握學生的心理變化，通過必要的方式促進學生的積極主動性;其次應(yīng)該有針對性地對授課內(nèi)容進行調(diào)整。

1）授課內(nèi)容遵循該專業(yè)學生構(gòu)建專業(yè)知識結(jié)構(gòu)所必需及夠用的基本原則。授課時，教師需要對教材內(nèi)容進行揀擇，保留必需的基礎(chǔ)知識，避免枯燥呆板的理論推導(dǎo)，對一些復(fù)雜信號或復(fù)雜系統(tǒng)的分析則可以根據(jù)實際學時及學習要求進行刪減。

2）由于包裝工程專業(yè)學生在數(shù)學方面基礎(chǔ)較薄弱，同時數(shù)學課程較少，對于一些常用的典型信號的介紹不夠，因此，學生在后續(xù)的學習中普遍存在舉步維艱的感覺。故可以在基礎(chǔ)知識介紹時增加一些常用信號及其性質(zhì)的說明。

3）可以將傳感器測量等內(nèi)容調(diào)整至信號分析方法的前面，讓學生先接觸到信號在實際中的應(yīng)用，激發(fā)起學習熱情，再從理論的角度進行講解和分析。

4）鼓勵包裝專業(yè)學生參加一些相關(guān)比賽，如全國大學生數(shù)學建模大賽等，他們在此過程中會對一些數(shù)學理論和軟件進行更深入學習。

豐富實踐環(huán)節(jié)，增加課程設(shè)計、實驗課時及項目? 以往的教學只注重理論，分配給實踐環(huán)節(jié)的學時非常少，尤其缺乏符合專業(yè)實際應(yīng)用的實驗項目。為了提高學生工程實踐能力，并促進對理論知識的吸收，從四個方面分別給出具體建議。

1）完善基礎(chǔ)演示實驗，并加大對實驗的考核力度，避免產(chǎn)生學生應(yīng)付實驗，實驗過程不完整，實驗報告不準確的不良現(xiàn)象。

2）加入軟件的學習。這門課程涉及的兩個主要軟件是MATLAB和LabVIEW。其中MATLAB是最常用的數(shù)值計算軟件，是學生參加數(shù)學建模大賽必須掌握的軟件;而LabVIEW是儀器儀表發(fā)展的重要方向，是未來實現(xiàn)智能儀器及工業(yè)系統(tǒng)必不可少的工具。

設(shè)計實驗項目時，一方面可以從信號分析入手，如利用MATLAB設(shè)計周期信號的傅里葉級數(shù)疊加實驗，直觀地觀察信號的頻譜特點。通過對周期信號的觀察，學生可以形象地理解一個周期信號是如何分解和合成的，對傅里葉級數(shù)的內(nèi)容會理解得更透徹。另一方面，亦可利用MATLAB對系統(tǒng)動態(tài)特性進行分析[4]。

LabVIEW的實驗項目則和系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)，可以安排在課程即將結(jié)束時。通過設(shè)計一套完整的虛擬系統(tǒng)，學生可以更透徹地理解測試技術(shù)的實際應(yīng)用、設(shè)計理念及發(fā)展前景。

3）設(shè)計和包轉(zhuǎn)工程專業(yè)相關(guān)的綜合實驗項目。借此尋找專業(yè)課程之間的契合點，加強與其他專業(yè)課的聯(lián)系。如講到系統(tǒng)特性分析時，以本學期同時開設(shè)的包裝運輸課程中的隨機振動響應(yīng)分析為例[5]。當運輸包裝件時，公路振動環(huán)境可能會造成產(chǎn)品的疲勞損傷，影響產(chǎn)品的使用性能，因此有必要了解公路運輸環(huán)境的隨機振動譜?？梢岳迷鲈O(shè)的綜合實驗項目進行驗證和分析，先利用包裝專業(yè)振動臺進行振動實驗，得到功率譜密度函數(shù)，并進行分析。圖2中PSD（power spectrum density）表示加速度功率譜密度。

4）增加課程設(shè)計。讓學生利用理論知識，結(jié)合本課程和其他專業(yè)課程，進行基于包裝專業(yè)的測試系統(tǒng)綜合設(shè)計及性能分析。學生以家鄉(xiāng)的特色產(chǎn)品（如柚子、牛奶、茶葉、啤酒、瓷器、藥品等）作為被包裝件，選擇合適的包裝容器和測試傳感器，并綜合考慮不同重量、類型及體積的產(chǎn)品分類，設(shè)計一款可用于自動生產(chǎn)及量化生產(chǎn)的包裝生產(chǎn)線。在此過程中，要求學生不追求先進的精密儀器及測試技術(shù)，而是強調(diào)將課程中涉及的基本測量理論、方法和技術(shù)用于生產(chǎn)線的設(shè)計和優(yōu)化。通過這一環(huán)節(jié)，使學生能全面掌握整門課程的知識結(jié)構(gòu)，貫穿整個課程周期，并將理論聯(lián)系實際，切實提高學生的實踐操作能力。

綜上所述，可以建立測試技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗教學新體系，如圖3所示。

結(jié)合專業(yè)課程和生活應(yīng)用，進行啟發(fā)式教學? 強調(diào)專業(yè)特色，設(shè)計綜合性實例。

1）以包裝運輸為例，演示如何加強測試技術(shù)基礎(chǔ)與其他專業(yè)課的聯(lián)系。兩門課程之間的四個契合點如圖4所示。

在講系統(tǒng)動態(tài)特性分析時，可以以易損零件的運輸包裝為例展開。根據(jù)系統(tǒng)分析思路，首先將物理系統(tǒng)抽象為數(shù)學模型，然后分析并求解，最終還原為實際問題。易損零件被抽象為具有集中質(zhì)量和一定彈性的懸臂梁，質(zhì)量用ms表示;產(chǎn)品主體被抽象為懸臂梁的固定端支座，質(zhì)量為m。以此可以得到產(chǎn)品的力學模型，如圖5所示的單自由度支座激勵系統(tǒng)，C和K分別為易損零件的阻力系數(shù)和彈性系數(shù)。當振動環(huán)境為簡諧振動時，產(chǎn)品對振動環(huán)境的響應(yīng)被視為易損零件系統(tǒng)的激勵，如式（1）所示：

其中em和ω分別為振動環(huán)境的振幅和角頻率。易損零件的穩(wěn)態(tài)解為：

其中rm、ω和φ分別為易損零件的振幅、角頻率和相對于產(chǎn)品主體的相位差。

由式（1）和（2）可以看出，易損零件的穩(wěn)態(tài)強迫振動亦屬于簡介振動，且振動頻率與振動環(huán)境相同。對r（t）和e（t）分別求二階導(dǎo)數(shù)，可以得到易損零件和振動環(huán)境的加速度峰值。令二者相除，則推導(dǎo)出包裝件的傳遞率T（ω）：

根據(jù)T（ω）的表達式，可以畫出包裝件的幅頻傳遞特性，并以此推導(dǎo)出產(chǎn)品有無包裝時、有無襯墊時及經(jīng)歷多次共振時的振動情況，供實際包裝過程參考。通過這個例子，可以解釋如何從系統(tǒng)的角度對一個包裝件的等效物理模型進行分析，并提取其中的關(guān)鍵參數(shù)，同時復(fù)習了信號的時域和頻域分析方法[6]。

講解LabVIEW軟件時，針對緩沖包裝材料進行震動測試的需求，給學生演示基于LabVIEW的振動控制分析虛擬儀器，讓學生了解其在專業(yè)中的應(yīng)用。首先由計算機控制單元提供一定幅值和頻率的激勵信號，經(jīng)控制器和D/A轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過放大器與電動振動臺連接。被測包裝件內(nèi)側(cè)的加速度傳感器可以獲取振動信號，并經(jīng)過信號放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換等步驟傳送至計算機進行分析，可以據(jù)此繪制出時域信號及頻域信號的變化曲線，并提取包裝件振動過程中的功率譜密度PSD、加速度均方根（Gravity root mean square，簡稱Grms）及振動時間等參數(shù)[7]。通過對系統(tǒng)的分析，學生可以了解LabVIEW在專業(yè)中的實際應(yīng)用情況以及包裝工業(yè)中系統(tǒng)分析和設(shè)計的基本思路。

2）學以致用，添加生活元素，提高學生的學習興趣。愛因斯坦說過：“我自己并沒有特別的天賦，只有強烈的好奇心。”興趣是最好的老師，提高學生的學習積極性，需要授課教師認真研究授課方案，充分利用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，通過國內(nèi)外的公開課和相關(guān)論壇，補充課堂和課本知識。在這個過程中可以添加與生活息息相關(guān)的例子。如講到信號的頻率分量和濾波時，可以通過音樂播放器中的均衡器向?qū)W生進行解釋，讓學生觀察均衡器中各頻率點的設(shè)置對音質(zhì)的影響。

再者，講解信號的幅度調(diào)制解調(diào)時，可以以常見的收音機為例提出問題：廣播信號是如何產(chǎn)生和傳送的？為何要將低頻信號搭載在高頻信號上？若多個電臺同時發(fā)送信號，如何處理？傅里葉變換在這個過程中起了什么作用？接收方如何恢復(fù)出原始聲音信號？以此為例，講解信號的基本概念和調(diào)制解調(diào)，不僅可以聯(lián)系前面講到的傅里葉變換及其性質(zhì)，而且將抽象的原理和概念具體化，起到事半功倍的效果。

對于測試技術(shù)基礎(chǔ)在實際包裝生產(chǎn)車間及生產(chǎn)線中的應(yīng)用，以德國SICK傳感器為例[8]，該系列傳感器對于醫(yī)藥、食品、飲料、化妝品、藥品及家居用品行業(yè)的包裝要求、設(shè)備和工藝均進行了詳細分析，為一次包裝和二次包裝提供了很好的自動化解決方案。圖6為化妝品灌裝時傳感器的應(yīng)用實例。軟管是包裝乳液狀液體的最佳選擇，因為它牢固并且實用。在灌裝和封裝流程中需要大量使用傳感器，如圖6（a）所示的色標傳感器KT3可以檢測軟管上的色標，以保證軟管正確封尾，使焊縫和字樣整齊劃一。圖6（b）所示的代碼掃描器ICR850通過檢查二維碼，以確定軟管是否在正確的生產(chǎn)線上灌裝了正確的產(chǎn)品。

改革考試方式，實現(xiàn)多樣化考核? 考試是教學中最普遍采用的考核手段，對于高等院校，很多課程對學生所學知識的評價仍以期末卷面考試為主，導(dǎo)致學生為應(yīng)付考試而對理論知識死記硬背，不能靈活運用，出現(xiàn)理論和實際應(yīng)用脫節(jié)的現(xiàn)象。為了增加學生動手能力的培養(yǎng)，強調(diào)實踐的重要性，并對新增的課程設(shè)計進行評估，在該門課程中采取多樣化考核方式[9]：期末考試和平時成績占60%，實驗成績占20%，課程設(shè)計占20%。

對于期末考試，仍保留理論分析為主的特點，增加綜合性分析類題目，提高學生綜合運用知識的能力。

實驗考核則采用小組制，每組3～5名學生，共同完成一項抽取到的實驗項目。對于傳感器類項目，則在平時實驗項目的基礎(chǔ)上進行適當修改，具體要求內(nèi)容為分析實驗原理、總結(jié)實驗步驟、測量數(shù)據(jù)整理和分析、圖表和電路圖的繪制、對遇到問題的思考及實驗報告的書寫;對于MATLAB實驗，則給出一個具體的信號，讓學生進行編程實現(xiàn)信號的變換、分析及特征提取，要求程序和結(jié)果準確，并提供信號的分析過程;對于LabVIEW實驗，要求學生根據(jù)自己所學專業(yè)課，繪制符合專業(yè)特點的虛擬儀器和人機交互界面，如包裝件沖擊分析系統(tǒng)、包裝生產(chǎn)線稱重檢測系統(tǒng)、壓力試驗機[10]、食品包裝噴碼視覺檢測系統(tǒng)[11]等。

課程設(shè)計考核標準包括包裝生產(chǎn)線設(shè)計的合理性、可行性及系統(tǒng)性，設(shè)定功能是否完全滿足，是否具有簡潔易操作的特點等。除此之外，還對學生的寫作能力提出一定要求，如格式是否規(guī)范，邏輯是否清楚，結(jié)構(gòu)是否合理，用詞是否準確等。通過這一環(huán)節(jié)，切實提高學生的綜合設(shè)計能力及論文寫作能力。

4 結(jié)語

包裝工程專業(yè)開設(shè)測試技術(shù)基礎(chǔ)課程，為學生建立系統(tǒng)思維、了解現(xiàn)代包裝生產(chǎn)技術(shù)及完善專業(yè)知識體系提供了重要途徑，同時為后續(xù)專業(yè)課程的學習奠定良好基礎(chǔ)。在課程教學實踐中，教師需要緊扣專業(yè)特色及就業(yè)要求，對課程體系構(gòu)建、教學內(nèi)容、教學方法和考核方式進行改革，以增強學生的學習積極性和學習效果，促進專業(yè)理論和實際應(yīng)用的結(jié)合，加強學生工程實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過對上述方法的具體實踐，學生普遍反映對該門課程的興趣有了一定提升，并且對知識掌握得更深入、準確。

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