淺談機械電子專業(yè)實踐教學改革范文

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摘要:針對目前實驗教學環(huán)節(jié)中存在的問題，提出了“科研實驗項目”這一概念，充分利用科研項目的先進性、綜合性、創(chuàng)新性等特點，并將其融入實驗教學資源，旨在培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力;以機械電子學科新試點的“4D影院動感座椅平臺控制系統(tǒng)”實驗項目為例，探索和分析了實驗項目各個環(huán)節(jié)設計時需要注意的關鍵點及可能出現(xiàn)的問題，并給出了相應的對策。教學實踐表明，該項目的實施為學生提供了逼真的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，激勵學生用新的思維方式去思考問題，實驗教學效果良好。科研實驗項目的持續(xù)開發(fā)為實驗教學內(nèi)容的更新和豐富提供了一條新的途徑，可在同類專業(yè)中推廣。

關鍵詞:科研項目;實驗教學;教學改革;工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境

0引言

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010～2020年)》中關于高等教育的論述中明確提出:“全面提高高等教育質(zhì)量，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。教師要把教學作為首要任務，不斷提高教育教學水平，深化教學改革;支持學生參與科學研究，強化實踐教學環(huán)節(jié)。”高等學校作為人才培養(yǎng)的重要基地，實驗教學是其人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、實踐能力和綜合素質(zhì)提高方面有其獨特的作用［1-2］。因此提高實驗教學的質(zhì)量，解決目前實驗教學中存在的諸多問題，顯得尤為重要。從多年的實驗教學經(jīng)驗來看，實驗教學環(huán)節(jié)主要存在以下問題:①盡管專業(yè)培養(yǎng)方案統(tǒng)籌了各課程之間的相互關系，但在實際的教學過程中，各課程實驗項目之間缺乏連貫性，學生經(jīng)過4年的學習還不能對自己所學的專業(yè)建立一個系統(tǒng)的概念［3-5］。②綜合性實驗涉及的知識點比較多，尤為注重各個知識點的“銜接”，連貫性較強，目前在實驗教學的考核中越來越受到學校的重視。但是該類實驗項目面臨著實驗設備陳舊，實驗內(nèi)容跟不上學科前沿，有的甚至是已經(jīng)淘汰的技術(shù)［6-8］。③實驗設計內(nèi)容缺乏工程實踐性，學生知道“應該這么做”，卻不知道“這么做有什么用”，以及“如何用”。根據(jù)我校機械電子工程專業(yè)的具體情況，引入了“科研實驗項目”。教師的科研項目是學科的前沿，是對某專業(yè)問題的創(chuàng)新性研究。根據(jù)專業(yè)的培養(yǎng)方案選擇一系列科研項目，把科研工作的新進展、新熱點及時補充到實驗教學中，使實驗教學內(nèi)容具有前沿性、系統(tǒng)性、連貫性，對學生工程實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到積極的作用。同時，科研項目的技術(shù)資料是很系統(tǒng)、先進的“教科書”，可根據(jù)實驗需求修改為新的實驗指導書;其用于測試的模型機可加以改造，成為新的實驗設備資源，既豐富了實驗教學內(nèi)容，又避免了設備資源的浪費［9-12］。

1科研項目應用于專業(yè)實驗教學的基礎和意義

我校機電工程學院具有很強的科研優(yōu)勢，機械電子學科的教師承擔了眾多的縱向與橫向科研項目。特別是一些緊跟時代前沿發(fā)展的項目，對該領域的發(fā)展過程有比較系統(tǒng)深入的研究，一般在項目結(jié)題后，后續(xù)的進展基本與學校脫離了關系。怎樣讓更多優(yōu)秀的科研項目繼續(xù)服務于學校，服務于教學，是每個教師都應該思考的問題。跟蹤結(jié)題科研項目的后續(xù)進展，延伸優(yōu)秀科研項目的價值，將“科研引入教學，服務于教學”，既避免了科研成果的浪費，同時也節(jié)省了實驗室建設經(jīng)費，為學科的進一步發(fā)展起到了積極的作用。(1)促進了學科的“特色”發(fā)展。在各個高校之間，同樣的專業(yè)其課程體系都差不多，學校為其配套的實驗設施也基本類似，那么如何提高自己專業(yè)的競爭力呢?科研的前沿性、先進性、創(chuàng)新性，不僅為學科的“特色發(fā)展”開辟了一條新的途徑，同時為學科以后的發(fā)展方向如何定位提供參考。(2)促進了學科教師資源的合理化分配。相對于教授理論課的教師而言，實驗教師的隊伍人數(shù)偏少，且實驗教師的科研水平參差不齊，嚴重影響了實驗教學質(zhì)量的提高。引入科研項目，鼓勵優(yōu)秀的教師參與實驗教學，壯大實驗教師的隊伍，從一定程度上提高了實驗教學的質(zhì)量。(3)促進學科實驗教學體系的重新調(diào)整。綜合性實驗項目的比例已成為高校實驗教學考核的一個重要指標。科研實驗項目的引入，豐富了綜合性實驗項目的內(nèi)容，增加了綜合性實驗的數(shù)量，加快了綜合性實驗項目更新?lián)Q代的速度。

2實驗項目的設計

2．1實驗項目選擇

機械電子學科組織專家對各個教師完成的科研項目進行評估，選擇一些跟專業(yè)主要課程切合度比較高的項目進行立項。具體而言，就是要從專業(yè)課實驗教學的角度分析、梳理科研項目的內(nèi)容，從中尋找與專業(yè)課程內(nèi)容相關的知識點，設立科研實驗項目。科研實驗項目要求具有創(chuàng)新性、綜合性、難易適中，可涵蓋多門專業(yè)課程知識點，有利于提高學生工程實踐能力等特點。例如結(jié)合橫向科研項目“液壓比例閥座椅平臺控制裝置”“甘肅音樂噴泉電氣控制系統(tǒng)設計”“基于三菱運動控制單元的彎管機控制裝置”等一系列項目，設置了“4D影院動感座椅平臺控制系統(tǒng)”“音樂噴泉模型的設計”“數(shù)控彎管機的設計”等科研實驗項目。這些實驗項目可用于“可編程控制器原理及應用”“液壓傳動與氣壓傳動”“變頻伺服控制”“機電一體化”“工程綜合實踐”等專業(yè)課程的實驗教學，為專業(yè)課程的實際應用提供有力的支撐，提高學生對專業(yè)課程的認可度，學有所用。

2．2實驗指導書的編寫及實驗模型的搭建

實驗指導教師與科研項目組教師共同編寫實驗指導書，以科研項目的技術(shù)資料為基礎，進行適當?shù)牟眉簟⒊槿戆才艑嶒烅椖康母鱾€環(huán)節(jié)。設計的各個實驗環(huán)節(jié)應充分兼顧學生已有的理論知識和接受程度，增強學生對科研實驗項目的理解和接受能力;同時，適當安排相關的理論學時加以補充，講解課題的研究背景、應用范圍等，為項目的順利進行打下基礎。在設計實驗任務時，可以將整個科研項目細化為若干難度低的子任務，學生在實驗時，可根據(jù)自己的興趣愛好，自由選擇任務去完成。同時，要求學生自己查閱文獻資料，獲取相應的信息，設計自己的任務方案，盡量要求學生獨立完成整個子任務。如“4D影院動感座椅平臺控制系統(tǒng)”科研實驗項目，根據(jù)其系統(tǒng)控制原理，細化為“座椅控制器的硬件電路設計、PLC與上位機的通信程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序”等若干子任務。此外，在項目組教師的指導下，利用現(xiàn)有的測試設備搭建科研實驗項目的實驗模型，并從安全性、可靠性等角度考慮對其加以改進，使之符合學校實驗設備的管理與規(guī)范。

2．3實驗教學的實施

實驗指導教師選擇一門實驗課進行小范圍試用，根據(jù)實驗效果進一步修改實驗設計方案，剔除其不合理的實驗環(huán)節(jié)，包括危險因素存在比較多的項目、學生難于理解的項目等，增加科研實驗項目與專業(yè)課程的融合度。例如，在“數(shù)控彎管機的設計”實驗項目中，發(fā)現(xiàn)有些程序設計會對彎管造成損傷，那么可在實驗方案設計時，補充相關的注意事項或提出改進的方法。“音樂噴泉模型的設計”實驗項目對硬件設備的依賴性不是很強，因而可提前在可編程控制器上進行軟件調(diào)試，軟件調(diào)試通過后再連入硬件。

2．4實驗教學的考核評價

實驗結(jié)束時，其考核評價的方式參考畢業(yè)設計開題答辯的模式。學生以PPT的形式進行匯報，主要講解自己在項目中負責的部分，例如硬件電路設計、軟件算法、程序調(diào)試、數(shù)據(jù)測試分析等。教師根據(jù)學生回答問題的情況，給出相應的答辯成績，該成績占實驗總成績的80%。同樣，實驗報告的內(nèi)容主要是自己負責的子任務，項目其他介紹性的內(nèi)容可以不寫，該部分占實驗總成績的20%。最終的實驗成績由兩項加權(quán)即可。

3實例:4D影院動感座椅平臺控制系統(tǒng)

3．1實驗設計背景

(1)虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的動感平臺廣泛應用于軍事、科研和工業(yè)等領域，例如用于宇航員、飛行員訓練的航天模擬器、飛行模擬器等。在發(fā)達國家，也已將這一技術(shù)應用于娛樂領域，動感電影中的4D座椅是其中具有代表性的的一種。隨著我國人民生活水平的提高，放映動感電影的影院也已在我國的若干大城市出現(xiàn)。放映動感電影的影院銀幕一般為穹幕，其座椅在計算機的控制下，產(chǎn)生3～6個自由度與銀幕內(nèi)容相配合的運動，給觀眾盡可能逼真的視覺、聽覺、動感和力感，得到身臨其境的主觀感受［13-14］。(2)機械電子工程是機械學、電子學、信息技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)等有機融合而形成的一門綜合性學科，學科知識面廣，交叉性強。實驗教學中，學生接觸比較多的是各種各樣廠家的教學儀器所開設的實驗項目，如天煌教儀、浙江求是科教設備等。教學儀器中的控制對象是工程中實物的模型，與實物仍有較大的差別;同時，由于設計人員經(jīng)驗的局限性，其設計方法與實際的工業(yè)現(xiàn)場也略有不同［15-17］。因而，學生在做實驗時，所需要思考的問題簡化了很多，很多在工業(yè)現(xiàn)場中出現(xiàn)頻率比較高的問題，被回避了，不利于學生動手能力的培養(yǎng)。因此，有必要引入實際的科研項目進入實驗課堂，切實解決實驗教學設備落后于工業(yè)實際應用發(fā)展等問題，給學生創(chuàng)造更多的機會去解決現(xiàn)場中可能存在的問題，同時，鼓勵學生調(diào)整思維方式從實際應用的角度，思考問題，解決問題，進一步發(fā)現(xiàn)新的問題。(3)本實驗以專用于4D影院動感座椅平臺控制系統(tǒng)為控制對象，選取核心控制部分設計了若干實驗項目。實驗的設計充分考慮學生的基礎，提供多種設計方案，讓學生自己動手進行操作，極大地發(fā)揮其主觀能動性。老師也對一些危險因素做出警示，并采取了一些保護措施。(4)實驗項目的部分內(nèi)容作為專業(yè)課程的補充實驗項目已進行試教學，有相當數(shù)量的學生表示出了很大的興趣，表示能學、實用。

3．2實驗目的

(1)了解氣動座椅平臺的機械結(jié)構(gòu)。(2)了解氣動座椅平臺的控制氣路結(jié)構(gòu)設計。(3)了解氣動座椅平臺的控制原理。(4)掌握可編程控制器的編程與調(diào)試技術(shù)。

3．3實驗原理

4D座椅動平臺由4套獨立的氣壓傳動裝置驅(qū)動，稱之為4個獨立的運動軸，現(xiàn)以其中的一套為例加以說明其工作原理。該氣壓傳動系統(tǒng)包括PLC、A/D模塊、D/A模塊、座椅控制器、電氣比例閥、氣缸、位移傳感器等(見圖2)。其中電氣比例閥采用的是意大利迪普馬生產(chǎn)的DSE3，可用于執(zhí)行機構(gòu)的方向和速度控制。該系統(tǒng)的原理是PLC通過控制比例閥開口來調(diào)節(jié)氣缸的位置，使反饋的氣缸的位置電壓信號uf(uf與氣缸活塞位移呈線性關系)與輸入的目標位置信號ui之間的誤差Δu逐漸變小，最終變?yōu)榱悖瑏磉_到氣缸對輸入期望信號跟蹤的目的。該過程用語言可以描述為:當輸入的期望信號ui，小于反饋位置信號uf，即Δu＜0時，比例閥的右路接通，氣缸右腔的壓力升高，推動活塞左移。氣缸活塞的左移，使位移傳感器左移，其反饋位置電壓信號uf減小，電壓偏差隨之減小，如此反復，直到Δu幾乎為零。反之，當輸入的目標信號ui大于反饋的位置信號uf，即Δu＞0時，通過與上述相反的調(diào)節(jié)過程使偏差趨于零。

3．4實驗子任務

(1)利用C++設計簡單的人機交互界面。(2)設計座椅控制器的硬件電路。(3)分析系統(tǒng)的控制流程，畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移(SFC)圖，并調(diào)試出SFC圖。(4)設計PLC與上位機的通信程序。(5)根據(jù)系統(tǒng)要求，完成各個PLC子程序的設計，如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程序等。(6)利用Solidworks軟件設計示教平臺的機械模型。(7)PLC與A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊的應用程序設計。

3．5實驗設備介紹

座椅平臺控制系統(tǒng)包括計算機、可編程邏輯控制器(PLC)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、座椅控制器、示教平臺等。圖3所示為其控制系統(tǒng)組成框圖。影片放映時，計算機發(fā)送給PLC運行數(shù)據(jù)，PLC通過D/A轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出信號給座椅控制器，使氣缸移動到指定位置，同時電子尺的輸出信號反饋回座椅控制器，形成閉環(huán)控制。影片放映完畢時，PLC檢測到數(shù)據(jù)塊中的結(jié)束符“FF”即停止控制數(shù)據(jù)的輸出，同時系統(tǒng)各參數(shù)復位到初始狀態(tài)。其中示教平臺的設置較好的解決了座椅動作的編輯問題，使復雜的編輯工作變得簡單、形象、生動，取得了良好的效果。

3．6討論題

(1)分析氣動座椅平臺控制系統(tǒng)的設計要點。(2)控制單元由PLC改為ARM系列微處理器，其硬件電路的設計方案。(3)運動軸由4個改為3個，其平臺機械結(jié)構(gòu)該如何設計。

4結(jié)語

“科研實驗項目”的引入有效地解決了實驗教學設備技術(shù)陳舊、實驗教學內(nèi)容更新緩慢等問題。科研項目代表了當今機械學科最新的研究方向，在本科實驗教學中引入科研實驗項目，不僅促進學科實驗教學內(nèi)容的重新調(diào)整，同時也為學科的“特色”發(fā)展保駕護航。延伸、拓展優(yōu)秀科研項目的價值，讓實驗教學變身為工程實踐教學，增加學生從事科研項目的經(jīng)驗，增強學生面對工業(yè)現(xiàn)場的應變能力。依托于省級“檢測與控制技術(shù)”實驗教學示范中心，目前，我們正嘗試在實驗教學改革方面進行諸多探索，開發(fā)出一些有特色的科研實驗項目，并在學科專業(yè)實驗教學中進行小范圍試用，取得了良好的效果。

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作者：魏艷紅，許昌，王桂榮 單位：中國計量大學