面向“卓越計劃”的伺服控制實驗教學(xué)模式研究

摘要：針對“卓越計劃”的人才培養(yǎng)目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有教學(xué)方式的不足，設(shè)計了基于項目化教學(xué)模式的“伺服控制綜合實訓(xùn)”實驗課程，自行研發(fā)了機電交流伺服控制實驗系統(tǒng)。教學(xué)實踐證明，該實驗教學(xué)模式可以較好地解決理論與實踐相結(jié)合的緊張關(guān)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生分析解決問題和工程實際應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：卓越計劃；伺服控制；綜合實訓(xùn)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）44-0058-02

一、前言

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是借鑒世界先進(jìn)國家高等工程教育的成功經(jīng)驗，創(chuàng)建具有中國特色工程教育模式的一項重要舉措。

杭州電子科技大學(xué)機械工程學(xué)院于2010年獲批建立浙江省“機電工程綜合實驗教學(xué)示范中心”。中心制定了與知名企業(yè)合作實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的人才培養(yǎng)方向。通過“知識-能力-素質(zhì)”一體化培養(yǎng)的課程體系，以學(xué)生的理論知識、個人素質(zhì)與發(fā)展能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、在企業(yè)與社會環(huán)境下的工程綜合能力為培養(yǎng)目標(biāo)，系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生掌握機械設(shè)計、機械制造、電子技術(shù)、自動化技術(shù)及計算機技術(shù)的基本理論及專業(yè)知識，開展工程技能訓(xùn)練和項目綜合訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)知識的綜合運用能力和創(chuàng)造思維能力，進(jìn)行機械產(chǎn)品和系機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)統(tǒng)設(shè)計、制造及設(shè)備控制、生產(chǎn)組織管理的工程實踐能力，以及較強的溝通能力和協(xié)調(diào)能力，為社會培養(yǎng)出具有現(xiàn)代工程師的知識、能力和素質(zhì)，具有可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ男率兰o(jì)卓越工程師后備人才。

本示范中心致力于培養(yǎng)卓越工程師后備人才，培養(yǎng)目標(biāo)是：通過中心已有的或正在開發(fā)的實驗教學(xué)項目和設(shè)備，使學(xué)生具備以下的知識、能力與素質(zhì)。

1.系統(tǒng)地掌握數(shù)學(xué)、工程科學(xué)技術(shù)等基礎(chǔ)知識以及機械設(shè)計、機械制造、自動化技術(shù)等專業(yè)知識；

2.具備扎實的專業(yè)技能、創(chuàng)新能力、社會意識、團(tuán)隊合作精神、專業(yè)精神以及企業(yè)家的敏銳性；

3.能夠在越來越依賴于復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)的環(huán)境中保持高效、創(chuàng)新和卓越工程師所必需的素質(zhì)。

二、面向“卓越計劃”的實驗教學(xué)體系

示范中心結(jié)合合作企業(yè)的需求對以往的實驗教學(xué)體系進(jìn)行了大量的改革，從教學(xué)計劃、教學(xué)目標(biāo)，到教學(xué)設(shè)備、教學(xué)手段都做了針對“卓越計劃”的調(diào)整與更新。

中心在改革中，研究如何正確處理實驗教學(xué)過程中各種因素的相互影響和制約的關(guān)系，將傳統(tǒng)的“教學(xué)實驗”理念轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩嶒灲虒W(xué)”理念。堅持全過程實踐能力培養(yǎng)模式，即通過基礎(chǔ)課實驗、專業(yè)課實驗到專業(yè)實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的循序漸進(jìn)，課內(nèi)課外相結(jié)合，形成包括認(rèn)知型、基礎(chǔ)型、驗證性、綜合設(shè)計型、研究型和開放創(chuàng)新型等實驗在內(nèi)的實驗教學(xué)系列。圖1給出中心的實驗教學(xué)平臺的系統(tǒng)框圖。

圖1 實驗教學(xué)平臺系統(tǒng)框圖

從圖1看出，本示范中心將實驗教學(xué)平臺分為多個層次：第一層次為基礎(chǔ)實驗；第二層次為綜合性實驗；第三層次為創(chuàng)新實踐。在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力方面，強調(diào)“以基本實驗技能為基礎(chǔ)，以獨立設(shè)計能力為中心，以研究創(chuàng)新能力為目標(biāo)”，循序漸進(jìn)、促進(jìn)實驗教學(xué)水平的提高。

三、伺服控制實驗教學(xué)課程改革與實施

下面以合作企業(yè)急需的伺服控制技術(shù)人才實驗教學(xué)模式改革為例，闡述中心的實驗體系改革。

目前示范中心面向全校的理工科學(xué)生開設(shè)了多種涉及伺服控制理論的專業(yè)課程，如：機電一體化、機電傳動與控制、機器人技術(shù)等。但是，在實際的實驗教學(xué)過程中，并沒有完全符合伺服教學(xué)需要的專用實驗設(shè)備以及相應(yīng)的教學(xué)理論模式，因而也無法讓學(xué)生得到專業(yè)化的技能培訓(xùn)和理論培育。

上述課程原有6學(xué)時的伺服控制類課內(nèi)實驗，實驗設(shè)備是一套自制的繼電接觸式伺服控制實驗箱，以單片機來控制直流伺服電機，功能簡單，可操行不強，與“卓越計劃”合作企業(yè)的需求相差甚遠(yuǎn)。因此，示范中心新增了16學(xué)時的“伺服控制綜合實訓(xùn)”課程，由專職實驗教師與企業(yè)指導(dǎo)教師共同授課。制定了全新的課程教學(xué)計劃、實驗項目，編寫了實驗指導(dǎo)書。設(shè)計了綜合實訓(xùn)考核方式，豐富了教學(xué)手段，如圖2所示。

圖2 實驗教學(xué)考核體系

然而，本示范中心建設(shè)前的大多數(shù)實驗設(shè)備依舊是常規(guī)的理論課配套設(shè)備，其實驗?zāi)Ｊ胶团囵B(yǎng)手段還是以讓學(xué)生通過實驗了解理論知識（概念、公式等）為主要目標(biāo)，是為了學(xué)習(xí)理論常識而開發(fā)的實驗設(shè)備，無法讓學(xué)生通過實驗真正接觸到工程項目中實際需要的理論知識，自然也無法培養(yǎng)卓越工程師的工程實踐經(jīng)驗和動手能力。

為支持“伺服控制綜合實訓(xùn)”實驗課程的順利開展，示范中心組織實驗教師自行開發(fā)、研制了一套實用性強、技能培訓(xùn)作用突出的伺服控制實驗教學(xué)平臺，據(jù)此深入研究伺服控制的教學(xué)模式，做到切實符合“卓越計劃”專業(yè)技術(shù)人才實驗教學(xué)需要。

示范中心教師開發(fā)、設(shè)計的伺服控制教學(xué)平臺融合“卓越工程師”的理念，采用實際的工業(yè)控制伺服設(shè)備，如三菱MR-J3-40A伺服放大器、三菱HF-KP43伺服電機、西門子S7-224XP PLC、西門子SMART1000觸摸屏等，伺服電機通過渦輪蝸桿減速驅(qū)動一個時鐘指針式定位機構(gòu)，控制器產(chǎn)生所需的伺服信號并驅(qū)動伺服電機運轉(zhuǎn)。該實驗系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 伺服控制實驗教學(xué)裝置結(jié)構(gòu)框圖

實驗系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計方法，設(shè)置成開放式的接口模式，讓學(xué)生自行動手組建伺服控制平臺，并自由開發(fā)多種控制模式，在做中學(xué)，從而提高學(xué)生的專業(yè)技能水平。

該實驗系統(tǒng)注重學(xué)生的實際動手能力的培養(yǎng)，全部電氣連接都采用了易于插拔的接插件形式，根據(jù)不同實驗內(nèi)容，讓學(xué)生自行進(jìn)行電氣硬件部分的連接，經(jīng)教師檢查無誤后再開始實驗；如果遇到硬件問題，可以實時地指導(dǎo)學(xué)生改正錯誤，加深其實際工程認(rèn)識，更加深入地領(lǐng)會伺服控制硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該實驗系統(tǒng)具有開放式軟件編程界面，在西門子觸摸屏上面設(shè)計了如圖4所示的上位機界面。

圖4 伺服控制實驗教學(xué)上位機界面

伺服控制實驗程序在計算機中編寫，通過通信接口與伺服系統(tǒng)相連接。學(xué)生在上位機界面中設(shè)定參數(shù)后，可以實時運行系統(tǒng)并觀察指針式定位機構(gòu)的運行位置，從而直觀地檢測到學(xué)生伺服控制系統(tǒng)的精度

四、結(jié)論

綜上所述，本文提出了關(guān)于在本科實驗教學(xué)示范中心開展“卓越計劃”的改革思路和措施。針對實驗教學(xué)的模式進(jìn)行改革，建立面向“卓越計劃”的實驗教學(xué)體系。

實踐證明，在“機電工程綜合示范中心”實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，對提升我校機械工程人才培養(yǎng)質(zhì)量，促進(jìn)我校工程教育，培養(yǎng)符合浙江省傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和船舶及港口新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的卓越機械工程師預(yù)備人才具有重要的現(xiàn)實意義。

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基金項目：本文為杭州電子科技大學(xué)高等教育研究實驗專項項目論文

作者簡介：王萬強，男，高級實驗師，主要從事機電一體化控制領(lǐng)域的教學(xué)研究及工程應(yīng)用。