基于科研项目的机械电子专业实践教学改革

魏艳红, 许 昌, 王桂荣(中国计量大学 机电工程学院，杭州 310018)

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。该实验设备的机械结构如图1所示。

图1 气动座椅平台的机械结构

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，

图2 座椅气压传动系统

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。在系统达到稳定时，

Δu=0,ui=uf=ky

其中:k为比例系数;y为气缸活塞位移。这样就实现了对气缸活塞位移y对输入信号的跟踪。

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。

图3 座椅平台控制系统的组成

为了简化座椅动作的在线编辑工作，增设了示教平台。在自学习模式时，实验人员根据放映内容，手动调整示教平台的运动状态，A/D模块采集示教平台的状态反馈给PLC，PLC控制实际座椅跟随示教平台的动作进行运动，同时PLC将其动感数据传送给计算机进行存储。播放模式时，计算机将存储的动感数据传送给PLC，PLC控制动感平台动作，动感平台复现了示教平台自学习时所反映出的各种动作。座椅动作的在线编辑界面如图4所示。

图4 座椅动作编辑界面

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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