机械学科研究生课程《数据采集与处理》教学案例库的探索与实践

机械学科研究生课程《数据采集与处理》教学案例库的探索与实践

于复生 沈孝芹 张涵

山东建筑大学机电工程学院 山东 济南 250101

摘要：《数据采集与处理》是面向机械工程学科硕士研究生的一门重要的修选课程，目的在于培养学生针对具体的工程问题，正确选用传感器，构建测控电路，并将信号输入到MCU或者计算机中进行处理的一门课程。案例教学是当前实现高校教学改革的有效途径之一，而案例库的建设又是案例教学的关键内容。本文针对机械工程学科硕士研究生《数据采集与处理》，构建了以测量、通信与数字处理为侧重点，涉及了机械工程多个方面的教学案例库，并在教学中得到了较好的应用。

关键词：案例教学；数据采集与处理；案例库；机械学科；研究生教学

教育部发布的《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》促使各高校更加重视以“新工科”为内容的研究实践活动，进一步推动了工程教育的改革发展。教育部提出的“新工科”更加强调学科的实用性、交叉性与综合性，更加重视以问题为导向的教学与研究工作。在此背景下，各高校对相关课程都进行了教学目标与方法等的深入改革，案例教学被提到了一个新的高度^[1-3]。而作为案例教学的重中之重，案例库的建设起着重要的实践作用。本文在机械学科硕士研究生《树据采集与处理》方面，进行了大量的探索与实践，经过两届学生的教学使用，取得了理想的效果。

1《数据采集与处理》教学内容的改革

机械学科的硕士研究生一般来自机械制造及其自动化、机械设计理论、机械电子工程甚至车辆工程等专业毕业的本专科生，这些同学的电基础相对薄弱，主要课程有《电工学》、《微机原理与接口》、《电气控制与PLC》等，对于真实的工程测量问题，缺乏传感器、测控电路等相关知识，感到吃力。基于研究生具有较强的学习能力，针对本课程进行了教学内容改革，将数据采集与处理课程内容扩充为：传感器、电信号处理和数字信号处理三部分内容。

在传感器部分，介绍电阻、电感、电容、压电、磁电、热电偶、光电、霍尔等原理以及按功能划分的温度、湿度、位移、加速度、振动测量等传感器，以及MEMS和数字传感器等；在电信号部分，介绍模拟信号数字化、多路开关、放大器、采样保持器、ADC、DAC、防干扰措施、数据采集模块与数据采集板等；在数字信号处理部分，介绍信号分析基础（时域、频域、卷积与相关）、模拟信号分析（调制、滤波器、估值）、数字信号分析DFT与FFT、数字滤波、应用LabView、MATLAB进行数据处理等内容。这三部分内容贯穿了对一个真实物理量的测量与处理的全过程，对学生全面掌握数据采集与处理打下了坚实的基础。

2教学案例库的设计

授课老师结合多年的应用研究成果，面向教学内容的需要，提炼了50个数据采集与处理的教学案例库。这些案例以测量、通信与数字处理等为侧重点，涉及了机械工程测量的多个方面。

在传感器的选择与电路设计方面：主要有大坝坝体数据的光线遥测系统；不规则物体的面积测量与优化排料；电梯导轨的GAP、Misline、Bent、BGD参数测量；重载汽车行车信息测量；鸡瘟监测；奶牛体温、心率以及活动量实时检测；立体车库故障诊断；高精度地磅；土壤湿度实时检测；大棚温度及二氧化碳浓度检测系统；物体表面自动颜色拾取分析仪；溶解氧测定仪；塑胶手套在线气密性检测；铅酸蓄电池壳体气密性检测；气体流量测量计；CCD热轧圆钢直径检测仪；远程抄表系统设计；蔬菜灌溉相关参数检测仪；室内甲醛浓度检测仪；GSP定位仪；塔机倾斜监测仪；塔机黑匣子；柴油机缸体密封环尺寸检测等。

在数字信号处理方面，主要有PM2.5和PM10的城域检测；基于激光干涉的滚珠丝杠误差检测；实时心电监护；睡眠呼吸暂停检测仪；血液检测仪；尿液检测仪；大便检测仪；自动硬币分拣系统；超声波视觉识别系统；基于图像分析的车牌号识别；三相电网功率因数测量；通水管道漏点检测；基于线阵CCD的旋切厚度在线测量系统；激光衍射细丝测径系统；激光二极管管芯点数；平板焊管焊缝缺陷检测；建筑夹芯板表面平整度测量；医用玻璃片表面涂胶厚度检测；高精度机械振动测频仪；LCR测试仪；数字相位测试仪；可见分光光度计；相关流量计；智能路面回弹检测仪；CCD动态线径测量仪；脉搏心率测定仪；线路板自动检查仪；多触点绝缘电阻测试系统等。

这些案例库有简单有复杂，都与教学内容相关，同学们在学习中可以深入研究，也可进行重复试验，为此研发了部分通用测控系统板卡，为同学们针对这些案例进行测量提供了方便。

3案例库教学实践

案例库经过几届研究生的研发，封装为相对独立的测量系统。在硬件上，有真实的测量对象，有可供选择的多款传感器，有为电信号调理和数据采集而设计制作的路线板；在软件上，有应用高级语言编写的界面，有应用LabView、MATLAB等成熟软件而编写的数据处理与分析模块，实现了从测量对象到数据曲线的全过程呈现。这些案例库的应用穿插在课程教学中，以小组讨论的方式领取案例题目，让同学们针对不同的测量对象，从性价比方面考虑选用不同的传感器，设计测量电路，并用Proteus等软件进行仿真。在自己深入研究的基础上，针对上几届同学完成的案例进行比较，分析优劣。从而提高了学习的针对性和学习兴趣，对所学知识和灵活应用有了更深的理解。

4 总结

通过改革教学内容与构建教学案例库，提高了《数据采集与处理》课程教学的针对性，提高了测量系统的直观性，使同学们的学习有的放矢，从理论扩展到了面向工程应用的动手实践，提高了学习效率和学习效果，值得推广。

参考文献：

[1]曹世江,陈家琛,梁鹏,等.《树木生理学》课程案例库建设[J],安徽农学通报,2020,26(20):159-161;

[2]周君华,宫照玮.案例、案例库、案例教学再认识[J],中国成人教育,2021,(2):37-40;

[3]胡成穆,苗成龙,陈津津,等. 基于案例库的药事管理学案例教学改革[J],广东化工,2020,47(24):157-158.

作者简介：于复生（1969.09-），男，教授，博士生导师，研究领域为机器人工程。

*注：山东建筑大学研究生质量提升计划资助项目。