浅谈机械电子专业实践教学改革范文

摘要:针对目前实验教学环节中存在的问题，提出了“科研实验项目”这一概念，充分利用科研项目的先进性、综合性、创新性等特点，并将其融入实验教学资源，旨在培养学生的工程实践能力和创新能力;以机械电子学科新试点的“4D影院动感座椅平台控制系统”实验项目为例，探索和分析了实验项目各个环节设计时需要注意的关键点及可能出现的问题，并给出了相应的对策。教学实践表明，该项目的实施为学生提供了逼真的工业现场环境，激励学生用新的思维方式去思考问题，实验教学效果良好。科研实验项目的持续开发为实验教学内容的更新和丰富提供了一条新的途径，可在同类专业中推广。

关键词:科研项目;实验教学;教学改革;工业现场环境

0引言

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010～2020年)》中关于高等教育的论述中明确提出:“全面提高高等教育质量，提高人才培养质量。教师要把教学作为首要任务，不断提高教育教学水平，深化教学改革;支持学生参与科学研究，强化实践教学环节。”高等学校作为人才培养的重要基地，实验教学是其人才培养的重要环节，在培养学生的创新精神、实践能力和综合素质提高方面有其独特的作用［1-2］。因此提高实验教学的质量，解决目前实验教学中存在的诸多问题，显得尤为重要。从多年的实验教学经验来看，实验教学环节主要存在以下问题:①尽管专业培养方案统筹了各课程之间的相互关系，但在实际的教学过程中，各课程实验项目之间缺乏连贯性，学生经过4年的学习还不能对自己所学的专业建立一个系统的概念［3-5］。②综合性实验涉及的知识点比较多，尤为注重各个知识点的“衔接”，连贯性较强，目前在实验教学的考核中越来越受到学校的重视。但是该类实验项目面临着实验设备陈旧，实验内容跟不上学科前沿，有的甚至是已经淘汰的技术［6-8］。③实验设计内容缺乏工程实践性，学生知道“应该这么做”，却不知道“这么做有什么用”，以及“如何用”。根据我校机械电子工程专业的具体情况，引入了“科研实验项目”。教师的科研项目是学科的前沿，是对某专业问题的创新性研究。根据专业的培养方案选择一系列科研项目，把科研工作的新进展、新热点及时补充到实验教学中，使实验教学内容具有前沿性、系统性、连贯性，对学生工程实践和创新能力的培养起到积极的作用。同时，科研项目的技术资料是很系统、先进的“教科书”，可根据实验需求修改为新的实验指导书;其用于测试的模型机可加以改造，成为新的实验设备资源，既丰富了实验教学内容，又避免了设备资源的浪费［9-12］。

1科研项目应用于专业实验教学的基础和意义

我校机电工程学院具有很强的科研优势，机械电子学科的教师承担了众多的纵向与横向科研项目。特别是一些紧跟时代前沿发展的项目，对该领域的发展过程有比较系统深入的研究，一般在项目结题后，后续的进展基本与学校脱离了关系。怎样让更多优秀的科研项目继续服务于学校，服务于教学，是每个教师都应该思考的问题。跟踪结题科研项目的后续进展，延伸优秀科研项目的价值，将“科研引入教学，服务于教学”，既避免了科研成果的浪费，同时也节省了实验室建设经费，为学科的进一步发展起到了积极的作用。(1)促进了学科的“特色”发展。在各个高校之间，同样的专业其课程体系都差不多，学校为其配套的实验设施也基本类似，那么如何提高自己专业的竞争力呢?科研的前沿性、先进性、创新性，不仅为学科的“特色发展”开辟了一条新的途径，同时为学科以后的发展方向如何定位提供参考。(2)促进了学科教师资源的合理化分配。相对于教授理论课的教师而言，实验教师的队伍人数偏少，且实验教师的科研水平参差不齐，严重影响了实验教学质量的提高。引入科研项目，鼓励优秀的教师参与实验教学，壮大实验教师的队伍，从一定程度上提高了实验教学的质量。(3)促进学科实验教学体系的重新调整。综合性实验项目的比例已成为高校实验教学考核的一个重要指标。科研实验项目的引入，丰富了综合性实验项目的内容，增加了综合性实验的数量，加快了综合性实验项目更新换代的速度。

2实验项目的设计

2．1实验项目选择

机械电子学科组织专家对各个教师完成的科研项目进行评估，选择一些跟专业主要课程切合度比较高的项目进行立项。具体而言，就是要从专业课实验教学的角度分析、梳理科研项目的内容，从中寻找与专业课程内容相关的知识点，设立科研实验项目。科研实验项目要求具有创新性、综合性、难易适中，可涵盖多门专业课程知识点，有利于提高学生工程实践能力等特点。例如结合横向科研项目“液压比例阀座椅平台控制装置”“甘肃音乐喷泉电气控制系统设计”“基于三菱运动控制单元的弯管机控制装置”等一系列项目，设置了“4D影院动感座椅平台控制系统”“音乐喷泉模型的设计”“数控弯管机的设计”等科研实验项目。这些实验项目可用于“可编程控制器原理及应用”“液压传动与气压传动”“变频伺服控制”“机电一体化”“工程综合实践”等专业课程的实验教学，为专业课程的实际应用提供有力的支撑，提高学生对专业课程的认可度，学有所用。

2．2实验指导书的编写及实验模型的搭建

实验指导教师与科研项目组教师共同编写实验指导书，以科研项目的技术资料为基础，进行适当的裁剪、抽取来安排实验项目的各个环节。设计的各个实验环节应充分兼顾学生已有的理论知识和接受程度，增强学生对科研实验项目的理解和接受能力;同时，适当安排相关的理论学时加以补充，讲解课题的研究背景、应用范围等，为项目的顺利进行打下基础。在设计实验任务时，可以将整个科研项目细化为若干难度低的子任务，学生在实验时，可根据自己的兴趣爱好，自由选择任务去完成。同时，要求学生自己查阅文献资料，获取相应的信息，设计自己的任务方案，尽量要求学生独立完成整个子任务。如“4D影院动感座椅平台控制系统”科研实验项目，根据其系统控制原理，细化为“座椅控制器的硬件电路设计、PLC与上位机的通信程序、数据转换子程序”等若干子任务。此外，在项目组教师的指导下，利用现有的测试设备搭建科研实验项目的实验模型，并从安全性、可靠性等角度考虑对其加以改进，使之符合学校实验设备的管理与规范。

2．3实验教学的实施

实验指导教师选择一门实验课进行小范围试用，根据实验效果进一步修改实验设计方案，剔除其不合理的实验环节，包括危险因素存在比较多的项目、学生难于理解的项目等，增加科研实验项目与专业课程的融合度。例如，在“数控弯管机的设计”实验项目中，发现有些程序设计会对弯管造成损伤，那么可在实验方案设计时，补充相关的注意事项或提出改进的方法。“音乐喷泉模型的设计”实验项目对硬件设备的依赖性不是很强，因而可提前在可编程控制器上进行软件调试，软件调试通过后再连入硬件。

2．4实验教学的考核评价

实验结束时，其考核评价的方式参考毕业设计开题答辩的模式。学生以PPT的形式进行汇报，主要讲解自己在项目中负责的部分，例如硬件电路设计、软件算法、程序调试、数据测试分析等。教师根据学生回答问题的情况，给出相应的答辩成绩，该成绩占实验总成绩的80%。同样，实验报告的内容主要是自己负责的子任务，项目其他介绍性的内容可以不写，该部分占实验总成绩的20%。最终的实验成绩由两项加权即可。

3实例:4D影院动感座椅平台控制系统

3．1实验设计背景

(1)虚拟现实技术中的动感平台广泛应用于军事、科研和工业等领域，例如用于宇航员、飞行员训练的航天模拟器、飞行模拟器等。在发达国家，也已将这一技术应用于娱乐领域，动感电影中的4D座椅是其中具有代表性的的一种。随着我国人民生活水平的提高，放映动感电影的影院也已在我国的若干大城市出现。放映动感电影的影院银幕一般为穹幕，其座椅在计算机的控制下，产生3～6个自由度与银幕内容相配合的运动，给观众尽可能逼真的视觉、听觉、动感和力感，得到身临其境的主观感受［13-14］。(2)机械电子工程是机械学、电子学、信息技术、计算机技术、控制技术等有机融合而形成的一门综合性学科，学科知识面广，交叉性强。实验教学中，学生接触比较多的是各种各样厂家的教学仪器所开设的实验项目，如天煌教仪、浙江求是科教设备等。教学仪器中的控制对象是工程中实物的模型，与实物仍有较大的差别;同时，由于设计人员经验的局限性，其设计方法与实际的工业现场也略有不同［15-17］。因而，学生在做实验时，所需要思考的问题简化了很多，很多在工业现场中出现频率比较高的问题，被回避了，不利于学生动手能力的培养。因此，有必要引入实际的科研项目进入实验课堂，切实解决实验教学设备落后于工业实际应用发展等问题，给学生创造更多的机会去解决现场中可能存在的问题，同时，鼓励学生调整思维方式从实际应用的角度，思考问题，解决问题，进一步发现新的问题。(3)本实验以专用于4D影院动感座椅平台控制系统为控制对象，选取核心控制部分设计了若干实验项目。实验的设计充分考虑学生的基础，提供多种设计方案，让学生自己动手进行操作，极大地发挥其主观能动性。老师也对一些危险因素做出警示，并采取了一些保护措施。(4)实验项目的部分内容作为专业课程的补充实验项目已进行试教学，有相当数量的学生表示出了很大的兴趣，表示能学、实用。

3．2实验目的

(1)了解气动座椅平台的机械结构。(2)了解气动座椅平台的控制气路结构设计。(3)了解气动座椅平台的控制原理。(4)掌握可编程控制器的编程与调试技术。

3．3实验原理

4D座椅动平台由4套独立的气压传动装置驱动，称之为4个独立的运动轴，现以其中的一套为例加以说明其工作原理。该气压传动系统包括PLC、A/D模块、D/A模块、座椅控制器、电气比例阀、气缸、位移传感器等(见图2)。其中电气比例阀采用的是意大利迪普马生产的DSE3，可用于执行机构的方向和速度控制。该系统的原理是PLC通过控制比例阀开口来调节气缸的位置，使反馈的气缸的位置电压信号uf(uf与气缸活塞位移呈线性关系)与输入的目标位置信号ui之间的误差Δu逐渐变小，最终变为零，来达到气缸对输入期望信号跟踪的目的。该过程用语言可以描述为:当输入的期望信号ui，小于反馈位置信号uf，即Δu＜0时，比例阀的右路接通，气缸右腔的压力升高，推动活塞左移。气缸活塞的左移，使位移传感器左移，其反馈位置电压信号uf减小，电压偏差随之减小，如此反复，直到Δu几乎为零。反之，当输入的目标信号ui大于反馈的位置信号uf，即Δu＞0时，通过与上述相反的调节过程使偏差趋于零。

3．4实验子任务

(1)利用C++设计简单的人机交互界面。(2)设计座椅控制器的硬件电路。(3)分析系统的控制流程，画出状态转移(SFC)图，并调试出SFC图。(4)设计PLC与上位机的通信程序。(5)根据系统要求，完成各个PLC子程序的设计，如数据转换子程序、数据处理子程序等。(6)利用Solidworks软件设计示教平台的机械模型。(7)PLC与A/D转换模块、D/A转换模块的应用程序设计。

3．5实验设备介绍

座椅平台控制系统包括计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、A/D转换模块、D/A转换模块、座椅控制器、示教平台等。图3所示为其控制系统组成框图。影片放映时，计算机发送给PLC运行数据，PLC通过D/A转换模块发出信号给座椅控制器，使气缸移动到指定位置，同时电子尺的输出信号反馈回座椅控制器，形成闭环控制。影片放映完毕时，PLC检测到数据块中的结束符“FF”即停止控制数据的输出，同时系统各参数复位到初始状态。其中示教平台的设置较好的解决了座椅动作的编辑问题，使复杂的编辑工作变得简单、形象、生动，取得了良好的效果。

3．6讨论题

(1)分析气动座椅平台控制系统的设计要点。(2)控制单元由PLC改为ARM系列微处理器，其硬件电路的设计方案。(3)运动轴由4个改为3个，其平台机械结构该如何设计。

4结语

“科研实验项目”的引入有效地解决了实验教学设备技术陈旧、实验教学内容更新缓慢等问题。科研项目代表了当今机械学科最新的研究方向，在本科实验教学中引入科研实验项目，不仅促进学科实验教学内容的重新调整，同时也为学科的“特色”发展保驾护航。延伸、拓展优秀科研项目的价值，让实验教学变身为工程实践教学，增加学生从事科研项目的经验，增强学生面对工业现场的应变能力。依托于省级“检测与控制技术”实验教学示范中心，目前，我们正尝试在实验教学改革方面进行诸多探索，开发出一些有特色的科研实验项目，并在学科专业实验教学中进行小范围试用，取得了良好的效果。

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作者：魏艳红，许昌，王桂荣 单位：中国计量大学