工程創新實踐教學裝置的開發

摘要：對于技術本科教育而言，實訓環節的教學是非常重要的，采用什么手段和方法是當前大家所關注的課題之一。本文結合研發、建設“機電復合型創新實訓裝置”的結果和經驗，介紹了實訓裝置所具有的開放性、柔性、實用性的設計理念、設計特點及功能。

關鍵詞：技術本科；創新實訓教學；裝置與方法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）35-0034-02

我們學校是2004年專升本的新本科院校，在50多年的職業教育中，依托行業背景和豐富的辦學資源，形成了突出的職業教育特點及優勢，因此，我們升本后定位為：“應用型技術本科教育”，我們的理念是“技術立校，應用為本”。培養的目標是生產一線的高等工程技術人才。學校升本以后，面臨著教學的轉型，要從高職教育轉向本科教育。高職高專的教育主要是技能教育，培養的著力點是動手能力。尤其是近年來為了滿足技能型人才的增量需要，工程訓練基本上都是以等級工培訓為核心的，而技術本科教育雖然強調應用，但教學重點是應用知識和技術，培養的人才不是技能型的工人，而是一線的工程師，這與高職教育有很大不同。應用型本科學生除了要掌握一定的技能外，還必須掌握一些應用技術或者說是工程實踐的要素，比如：工程的設計知識、安裝與調試知識、生產維護知識等。通過技術本科教育應能縮短或消除學生到工作崗位后的過渡期，為他們的發展提供有利的基礎支撐和扎實的工程基礎。基于以上考慮，學校給我們下達了一個課題，即：要開發具有技術教育特色，適合一線工程師培養的教學裝置，我們結合現代工業生產的實際，開發了一套具有機電復合、工業網絡、開放性較強的實訓裝置，在此介紹給大家。

一、實訓裝置的開發研究

我們經過一年多的調查研究，參觀了一些大學的實驗室，走訪了多家教學儀器廠，給我們的感覺是現有實訓裝置不能完全適合技術本科教育，原因是一些研究型大學注重的是前沿科學，實驗室的專業性太強，而教學儀器廠的產品，往往是重美觀，輕實用；重便捷，輕開放；重實驗性，輕實訓性；功能單一，不具柔性。為此，我們自己開發了一套實訓裝置。我們認為還是有其長處和特點的。

1.實訓項目設計。我們的開發團隊，有多年的實踐和工業生產的經驗，在廣泛聽取生產一線專家和技術人員建議的基礎上，對實驗的內容和項目進行了遴選。就設備的類型而言，應包括繼電控制、變頻控制、計算機和PLC控制、現場總線和工業以太網技術。基于這種思路，我們確定了實訓裝置的開發方向和功能：（1）工件的順序傳送線。工件的傳送、定位、抓取等環節在工業自動化生產，尤其是汽車業、加工業生產中非常多見，它具有物流控制的特性，也具有自動化要求的特性。整個生產線由5段輥式傳送帶組成，上料和下料部分機械手。正常工作時，每段傳送帶只能存放一個工件，當前面一段的工件取走后，檢測裝置會發出空位信號，從而指揮后面的傳送帶啟動，工件自動前行，到達指定位子后停止，實行自動補位。在這個實訓項目中，學生能夠掌握工件如何檢測、采用什么方法檢測、各種檢測設備的特點和適用范圍等。由于這個環節的目的是控制方法的訓練，所以，每段的傳送帶選擇了用普通交流電機恒速驅動。當然，對于這種精確、快速的控制PLC的采用是必不可少的。（2）運料車控制。運料車、過跨車在鋼鐵生產、煤炭生產、原材料生產中廣泛使用，它結構雖簡單但具有機電復合的特點，控制方便。該項訓練可以讓學生了解類似移動設備的簡單控制方法，由于結構簡單，機電一體，便于學生了解和掌握機械結構及動作原理，通過位置控制、變速控制來掌握PLC與變頻器的使用，學會交流電機的交流變速控制概念。通過改變接近開關、光電開關的位置，改變卸料點的位置，學生自己通過改變檢測開關的組合及PLC的程序，可以實現多種運輸方案。（3）恒壓供水實訓系統。在工業生產中，物理量的定值控制是非常重要的。例如：加熱爐的恒溫控制、軋鋼機的恒速控制、卷取機的恒力矩控制、高層建筑的水壓恒定控制等。雖然生產中用到的物理量是多樣的，但其控制方法是相同的，因此，學生只要掌握了恒壓供水的控制方法，到生產崗位后就可以舉一反三，照此辦理了。（4）電梯模擬裝置。電梯的應用可以說是無處不在，電梯的控制具有典型特點。我們的電梯裝置，具有透明的結構，學生可以直觀地看到傳動裝置的所有動作，能清楚看到轎廂的移動、變速和啟停。由于是可視的機械結構，學生更能理解機械與控制的關系，這對于培養學生解決實際問題的能力很有益處。

2.實訓裝置的特點。我們設計裝置的出發點就是要具有真實性，盡量接近生產實際，同時我們注重開放性，盡量讓學生能看清，能動手，同時，必須兼顧設備的先進性，讓學生掌握前沿知，與實際接軌。（1）力求與實際相符以體現真實。先前，我們所看到的實訓或實驗裝置，基本上都是封閉的，以模擬仿真功能為主，例如：水位的高低用信號燈指示，電梯的移動也是圖形加指示的方式，明明是電機控制裝置卻沒有電機，明明是位置控制卻沒有移動，學生看到的或摸到的只是信號燈。這對于毫無實踐經驗的學生來說，只是當作一個游戲或看看熱鬧，益處不大，原因是實驗裝置與實際的應用相差甚遠。有一次我們帶學生到工廠參觀時，學生竟不認識做實驗用過的元件和設備。我們的裝置就是要克服這些弊端，使每個環節都能在生產實際中找到出處，是實實在在的東西。它們需要移動就移動，需要旋轉就旋轉，就連一些檢測元件學生也能看得見，摸得著，可調整，給學生的東西是真真切切的。（2）塊化設計以體現柔性。以前很多的實訓裝置集成度較高，一種裝置只能做一個或兩三個簡單的實訓項目，而且一旦出廠，內容就固定不變了。由于追求了美觀和集成度，往往就只能做一些抽象化的實驗，犧牲的是功能性和實用性，也降低了性價比。我們的裝置，既可分散為單體實驗，又可組合成系統實驗。我們把各裝置按功能劃分，分成多個模塊，如：繼電器模塊、按鈕信號燈模塊、PLC模塊、變頻器模塊、輸入輸出模塊等。學生可以根據需要自由使用。既方便了學生，又鍛煉了學生的創新能力。又如PLC模塊，我們是按照GGD固定式開關柜（箱）的標準制作，PLC采用標準導軌安裝，為了便于學生完成基本項目實訓，箱內配備了按鈕和信號燈，PLC的I/O接口也只是就近引到端子上，PLC與其他元件的關系一目了然。除了繼電器、PLC模塊外，還有變頻器模塊、計算機網絡模塊、機械傳動模塊等。（3）分立式安裝以體現開放性。我們見到過實訓裝置大多為封閉式的，元器件都裝在內部，學生看不到，摸不著。學生所能做的是在面板上插線，看指示燈。而我們開發的裝置是把元器件敞露在外，讓學生自己動手去安裝、去接線，檢查和調試。學生不但明白了實驗結果，更重要的是掌握了實現的過程，在弄懂系統原理的基礎上又掌握了元件特性和工程實現方法。通過一段時間的使用證明：開放性的實訓裝置，對于培養學生的設計、創新能力和增強實際操作的動手能力是有極大幫助的。在設計繼電器、PLC、變頻器等模塊時，我們都充分考慮了它們的開放性，所有元件和設備都是只安裝到位而不連線，每個元件都是相互獨立的，學生在實訓時根據需要再把它們連接起來。為了方便學生接線和減少元件損失，我們在元件旁引出了接線端子。其布置圖如下圖所示，圖中只畫出了兩個模塊，其余類似，不再贅述。

該裝置中元件與元件之間是獨立的，元件之間的連線也是學生自己根據需要進行的，用多少接點，用哪個接點學生根據需要而定。這樣的實驗實訓，學生既知其然，也知其所以然，學生能學到應有的知識。（4）瞄準生產前沿以體現先進性。在現代的工業生產中，技術水平是超前于我們的教學的，我們設想實訓教學應作為生產一線的崗前培訓和練兵，因此，實訓的裝置水平至少不能落后于目前工業應用的先進水平。例如：從上世紀90年代開始，在工業生產中就已應用了現場總線，之后工業以太網技術也相繼成熟，可以說工業以太網技術代表著今后的發展方向。因此，我們把以太網技術引入到我們的機電復合實訓裝置中，通過工業以太網把各個實訓裝置連接起來，這樣投資增加不多，卻具有了一個重要的功能，也提升了整體實驗裝置的先進性。我們的現場總線的主站選用了S7—300的西門子PLC，從站是S7—200和變頻器。其結構示意圖如圖1所示。

技術本科教育對我們來說是新事物，我們只是在創新實訓裝置的研發上作了一點嘗試，我們開發的創新實訓裝置具有技術和技能實訓的長處，雖然不盡完美，確實受到了學生和老師們的認可，該課題的研發為我們進一步提高實訓教學水平奠定了良好的基礎。

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