機械工程專業科研拓展實驗教學探索與實踐

朱新杰, 顧大強, 王慶九

(浙江大學 機械工程學院, 浙江 杭州　310027)

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機械工程專業科研拓展實驗教學探索與實踐

朱新杰, 顧大強, 王慶九

(浙江大學 機械工程學院, 浙江 杭州310027)

以浙江大學機械工程學院機械工程專業實驗教學為例,介紹了如何將機械學科的科研優勢轉化為優質教學資源,進而更新、豐富實驗教學的內容和形式。通過把科研項目延伸、拓展到本科實驗教學中,使科研項目中所具有的多學科交叉、多行業綜合的特點融合進實驗教學資源,并在此基礎上建立了開放自主的個性化實驗平臺,取得了較好的實驗教學效果。

科研延伸； 實驗教學； 教學改革

在目前的機械工程實驗教學體系中,綜合性、設計性、探索性實驗占了很大的比例,并且在持續增長[1-7]。但是該類實驗面臨著實驗內容與設備陳舊、實驗課時數不足、實驗開放平臺缺乏等問題,對此,不少實驗教學教師和研究人員從多方面、各角度進行了相關研究,并給出了一些解決方案[8-12]。根據我校機械工程專業的具體情況,我們提出了“科研延伸、交叉綜合、開放自主——機械工程實驗教學新模式”,即：延伸教師科研項目的價值,將教師在科研過程中的一些心得體會與鉆研過程以一定的文檔形式記錄下來提供給學生,幫助他們全面快速了解科研流程及方法；將已完成科研項目中的原型樣機加以改造,成為教學實驗設備,既豐富了實驗教學內容,也避免了設備資源的浪費。教師的科研項目往往是多學科交叉綜合,用于實驗項目教學能極大地擴展學生的知識面。這種開放自主式且具有個性化的實驗教學模式能很好地開闊學生的視野,激勵學生的學習熱情,激發學生的創新思維,具有廣闊的應用前景。

1　科研拓展實驗教學的基礎和意義

我校機械學科具有很強的科研優勢,機械學院教職人員承擔了眾多的縱向與橫向科研項目。一般情況下,許多科研項目在結題后即完成了其使命,理論研究在國內外刊物上發表,與企業合作的研究項目進入生產應用,與學?；久撾x了關系。教師在研究過程中付出的精力與學校的配套投入就此終止。

延伸、拓展科研項目的價值,搭建起一條科研與實驗教學的新橋梁,讓更多優秀的科研項目能發揮余熱,持續服務于學校,走進實驗室、走近學生,鼓勵有能力的教師將一些最新科研前沿內容通過實驗室傳授給學生,尤其是本科學生。將不同教師各自熟悉領域的最新研究成果引入實驗室，不僅避免了科研資源的浪費,而且可以節省實驗室費用、豐富實驗器材的種類,更能促進學科發展方向的交叉與綜合。實驗室可起到一個交流平臺的作用,展示各學科各領域教師的科研方向與動態,同時也能為學科的綜合發展提供參考。

2　科研拓展實驗教學的方法與步驟

2.1科研項目評估

機械工程實驗教學中心組織專家對相關學科的教師完成的科研項目進行評估,選擇一些具備一定條件的項目進行立項。項目要求具有可操作性、典型性、綜合性,有利于提高學生工程實踐能力,培養學生的創新意識,擴充學生的多學科知識面等特征。

2.2實驗教案的編寫

實驗指導教師與項目組教師以科研項目資料為藍本,共同編寫實驗指導教案,內容不僅包括該實驗項目的背景、目的、原理與步驟,還包括給學生展示實驗原型,即項目的研究過程與教師的研究心得。

2.3實驗臺架的搭建

實驗指導教師在項目組教師的配合下整理項目器材,利用項目組多余的材料,或根據需要補充購置相關零部件搭建若干樣機或模型機。其間應依據學校對實驗器材的要求(如安全性、可靠性、防塵降噪等)對樣機加以改進,使之符合機械工程實驗中心要求與規范。

2.4實驗教學的實施

實驗指導教師在相關實驗課上進行小范圍試用,根據實驗效果進一步改進與完善新設備,并考慮增加臺套數,將該實驗項目納入中心實驗教學項目,并根據具體情況為其建立開放自主的個性化實驗平臺。學生根據自身興趣、特長與專業基礎,組隊來實驗室自主選做實驗。鼓勵學生進行學科交叉,綜合運用知識點,以團隊協作的形式共同完成實驗。學生的實驗考核與成績評定方式可以是遞交實驗報告、組織答辯與展示作品等多種形式。

3　科研拓展實驗實例：卷繞成形系統的設計

3.1實驗設計背景

(1) 紡織工業是浙江省的傳統支柱工業之一，在各種紡織機械中既可以看到傳統的機械零部件如齒輪、鏈條、軸承、軸系,也可以看到一些新型的工業控制單元,如PLC、變頻器、觸摸屏等。在諸如絡筒機、織機、整經機、驗布機、起毛機等各種紡織設備中,或多或少會涉及到卷繞機構。合理地規劃卷繞機械系統、設計卷繞控制程序、分析卷繞效能,對提高整機性能具有重要的意義。

(2) 我校機械系專業的學生接觸比較多的是純機械方面的知識,只在本科低年級的時候有粗略的電子基礎知識的學習。只有機械零部件構筑的一個系統是動不起來的,必須加入電氣控制單元,因此有必要讓高年級即將走向工作崗位或更高學習層次的學生熟悉一些常用的機電控制單元,了解基本控制系統的組成結構,通過學習增強學生獨立思考和操作的能力,培養創新意識和創新能力,激發學生的創新潛能,為今后從事的科研生產工作打下良好基礎。

(3) 本實驗以專用于紗線卷繞成形的紡織設備——絡筒機為原型,抽取關鍵機構并經改進后設計了部分實驗項目。實驗的設計充分考慮學生的基礎,提供多種交互方式,讓學生自己動手進行操作,極大地發揮其主觀能動性。我們也對一些強電環節(380V交流)做出警示,并采取了一些保護措施。

(4) 實驗項目的部分內容已進行過試教學,有相當數量的學生表示出了很大的興趣,表示能學到實用的東西。

該實驗的設備實物如圖1所示。

圖1　絡筒機控制系統實驗箱

3.2實驗目的

(1) 了解絡筒機的機械結構。

(2) 了解絡筒機的導紗方式,并能通過分析計算提出控制思路。

(3) 掌握人機界面與可編程控制器的編程與調試技術。

(4) 熟悉機電系統的一般性結構并掌握典型機電產品設計要點。

3.3實驗原理

在絡筒過程中,通過卷繞機構把紗線以螺旋線形式有規律地卷繞在筒子表面。卷繞機構要完成的第一項任務是帶動筒子作旋轉運動,使筒子產生圓周速度v1,把紗線卷繞到筒子表面；第二項任務是要帶動紗線沿著筒管軸線方向作往復運動,使紗線產生導紗速度v2,把紗線均勻分布到整個筒子表面[13]。筒子的旋轉運動和紗線的往復運動相合成,共同實現了卷繞的過程,如圖2所示。

圖2　筒子的卷繞成形運動

圖3　筒子的卷繞結構

圖4　筒子的逐層卷繞過程

3.4實驗任務

(1) 畫出絡筒機控制系統的機構簡圖。

(2) 根據機構圖分析各模塊運動關系,并列出計算公式。

(3) 根據控制要求,設計絡筒機控制系統,以PLC為控制中心,以F920文本顯示器為人機界面。

(4) 編制觸摸屏畫面,能實時地控制絡筒機的運轉,并可根據生產要求修改工藝參數。

(5) 設計PLC程序完成控制功能。

3.5實驗設備介紹

實驗臺提供了一套以三菱F系列工控產品為核心的控制系統和一套精簡版的絡筒機機構,組成結構如圖5所示。其中,FX1S可編程控制器為控制中心,觸摸屏通過編程口與其連接以設置運行參數并實時顯示狀態信息,PLC的輸入口連接了用于兩側限位的行程開關、用于記錄橫向移動量的光柵、用于檢測原點的接近開關以及啟動按鈕、復位按鈕與停止按鈕等開關量,輸出口連接了狀態指示燈、風機開關以及用于控制兩只變頻器正轉或反轉的開關信號。可編程控制器通過RS-485通訊網絡實時調整卷繞電機與導紗電機的轉速,確保紗線能均勻地纏繞到紗筒上?？刂葡涿姘寮澳K布局如圖6所示。

圖5　絡筒機控制系統的組成

3.6討論題

(1) 分析卷繞成形控制系統的設計要點。

(2) 總結紡織機械卷繞機構的特點。

4　結語

科研拓展實驗教學能解決實驗教學設備技術陳舊、與工業實際應用脫軌等問題?？蒲许椖看砹水?/p>

圖6　絡筒機實驗箱模塊布局

今機械學科的發展方向和當前工業生產的實際需求,具有較多地應用新知識、新技術、新方法的特征。在本科實驗教學中引入科研成果,無疑是提高實驗教學質量、緊跟學科發展步伐,更新、豐富實驗教學內容的一條捷徑。通過二次開發,把科研成果轉化為教學資源,利用科研項目的“剩余價值”為教學服務,無論從經濟、社會和教學方面估量,都是很有必要的。依托于國家級機械工程實驗教學示范中心,近些年,我們在新型實驗教學發展模式方面進行了諸多有益的探索,開發出了一系列特色實驗項目,并在我校機械工程學院本科生探究性實驗教學中應用,取得了良好的效果。

References)

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[13] 朱保林.織造原理[M].北京:中國紡織出版社,2002.

Explorationandpracticeofexperimentalteachingbasedonresearchextensioninmechanicalengineeringmajors

ZhuXinjie,GuDaqiang,WangQingjiu

(CollegeofMechanicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Thispaperintroduceshowtoconvertresearchadvantagesofmechanicalengineeringintohigh-qualityteachingresources,andthenupdateandenrichthecontentandmodeofexperimentalteachingbytakingtheexperimentalteachinginthemajorofmechanicaldesignintheDepartmentofMechanicalEngineeringofZhejiangUniversityasaninstance.Researchprojectswereextendedtoexperimentalteaching,whichintegratedthemultidisciplinaryandmulti-industryfeaturesofresearchprojectsintoteachingresources.Basedonthis,anopen,independentandindividualexperimentplatformwasestablishedandgoodteachingresultswereachieved.

researchextension;experimentalteaching;teachingreform

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.050

2015- 11- 11修改日期：2015- 11- 30

朱新杰(1978-),男,浙江樂清,碩士,工程師,主要研究方向為生產管理自動化、PLC應用等.

E-mail：memdi@zju.edu.cn

G642.0

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1002-4956(2016)5- 0191- 03