基于科研項目搭建制造類研究型實驗平臺

張培培， 王科盛， 何倩鴻

(電子科技大學 機械電子工程學院， 四川 成都 611731)

基于科研項目搭建制造類研究型實驗平臺

張培培， 王科盛， 何倩鴻

(電子科技大學 機械電子工程學院， 四川 成都 611731)

為了更好地將科研與教學結合，基于科研項目搭建了關于數控加工制造過程監測和控制的實驗平臺。此實驗平臺包含4個彼此相關的實驗，并在實驗過程中給學生充分的發揮空間和打破標準答案的考核模式，以達到對學生研究和創新意識的培養。實驗平臺在機電專業和研究生中實施后，結果顯示，該實驗平臺將理論和實際有效結合，鍛煉了學生的實際應用能力，并提高了學生的研究思維和創新意識。

科研與教學結合； 研究型實驗平臺； 實驗教學

科研和教學是高校2大基本職能。教學是基礎，用于傳授知識，科研是創造知識，是教學的延伸和發展[1]。教學和科研結合必將是提高教育質量和培養學生創新能力的有效途徑。在一些科研項目中有大量的實驗，這些實驗包含了基礎知識的運用、前沿知識的探索、理想工況和實際的矛盾解決等，科研實驗的實施對學生能力的要求比較高。但在常規的實驗教學中，內容陳舊固定、過程形式化，學生不能充分發揮自己的能動性，造成學生對實驗環節的忽視，使實驗教學不能起到最初培養學生能力的作用。因此，將科研項目中的實驗引入到實驗教學環節中，可以給學生提供實驗平臺，讓學生直接接觸和了解前沿知識和基礎知識，充分發揮他們的主觀能動性，鍛煉動手能力，從而提高創新思維和創新意識。

1 搭建研究型實驗平臺的意義

將科研項目和教學內容相互結合，充分利用兩者的優勢，在提高學生的動手能力、培養學生的創新意識和思維等方面的研究有很多。比如：

董社英將科研項目實驗研究作為第二課堂，提出“研究型實驗”的建設。“研究型實驗”為業余時間有志對切削加工實驗作較深層次研究的學生提供第二課堂，研究型實驗其中一個重要來源是科研項目的實驗部分[2]。

楊捷等將江蘇省教育廳自然科學科研資助項目的化學實驗方法和表征手段轉化為化學專業的綜合性實驗，有利于引領學生進入研究前沿，學生的化學概念和素質得到加強，擴展了專業視野[3]。

李旭等針對‘卓越工程師’培養，將國家自然科學基金和國家科技支撐計劃重大課題中的實驗引入到數字電路實驗教學體系中，增加了創新性實驗，豐富了理論教學和常規實驗。此改革很好地激發了學生的學習興趣、主觀能動性和創造潛能[4]。

韓延成等從課堂、實驗、科研項目、真實工程4個角度出發對水力實踐教學模式進行改革，實現了多元實踐教學方法，使學生在很短的時間內理解和掌握水力學知識[5]。

姜兵等將科研項目“高填方加筋土路基的變形特征分析研究”中的力學性能實驗轉化為土力學實驗教學內容，使學生被動變主動，學生的科研素質和綜合運用知識的能力得到了顯著提高，也提高了實驗教師隊伍的專業素質[6]。

張軍香等將飛行大氣測量系統中測量飛行器所處位置的大氣總壓等實驗轉化為學生的實驗實踐環節，并建立網站來支持此轉化過程，促進了自主開放實驗的建設，培養了學生的實踐能力和創新能力[7]。

孔濱等將科研中化學實驗的新思想、新技術添加到實驗教學中，充分調動學生的積極性和主動性，構建教學和科研良好互動的實驗教學模式，培養了學生的創新能力和綜合素質[8]。

于兵川等將科研活動中經典成熟的工作、手段和方法轉化為實驗教學內容，并自行研制實驗教學儀器，拓展了科研和實驗教學結合的范疇，將創新意識和能力的培養貫穿于實驗教學全過程[9]。

沈劍英等將精密微位移技術方面的科研累計的設備和軟件開發了‘高精度微位移技術實驗’的綜合性實驗，實驗涉及到工程力學、機械設計、工程軟件應用、測試技術等，培養了學生的工程意識和動手實踐能力，提高了學生查閱資料的能力，挖掘了科研設備的教學價值，提高了科研設備利用率[10]。

國外的教學和科研將實驗實踐環節與科研直接對接，將科研作為實踐的展示環節，并將實際工程問題轉化為作業。每位科研項目的負責人將自己的科研實驗部分作為本科生或者研究生的實踐環節的必修部分，使課堂的理論內容和實際工程結合更緊密。從上述的內容可以看出，科研和實驗結合在人才培養和教育教學方面達到了很好的效果。

2 研究型實驗內容

從我校機械電子工程學院的實際出發，制造類由于師資力量和設備的局限，造成制造類的實驗課程欠缺，基于此，將關于數控加工切削用量優化問題的科研項目實驗部分轉化為教學實驗環節。

研究型實驗基于的科研項目為國家自然科學基金 “難加工材料數控切削用量時變可靠性優化控制研究”。該項目圍繞著數控加工過程中存在的不確定性影響因素和加工過程時變性特征，從4個方面研究難加工材料數控切削用量時變可靠性優化控制方法。主要過程是在線收集數據并對其進行處理和分析，從而量化存在的不確定性并根據數據的特征發掘直接和間接不確定性影響因素的來源。然后建立切削用量(主軸轉速、進給量、切削深度和切削寬度)和響應(刀片磨損量、振動信號、表面粗糙度、切屑等)之間的時變近似模型。通過建立的時變近似模型對含有不確定性和時變的切削用量進行優化，并將優化結果反饋到加工系統中，從而實現切削用量時變可靠性優化控制。

在建立近似模型之前，需要實驗得到切削用量和響應之間的匹配關系[11]。因此該項目的實驗部分就是通過正交試驗設計切削用量，運用3R USB手持數字顯微鏡測量刀柄上5個刀片在同工況下磨損量；運用3R USB手持數字顯微鏡測量切屑形狀參數值；用東華測試自主開發的DHDAS軟件平臺采集處理主軸和工作臺上的振動信號；用高精度粗糙度儀DR160測量加工的表面粗糙度。圖1是實驗平臺的示意圖。圖1顯示了4個響應采集的位置。

圖1 實驗平臺簡圖

實驗目的是讓學生很直觀地了解數控加工過程和一些表征的采集方法，并通過表征變化對加工質量效率的控制方法有所掌握。另外，在一些實驗環節，給學生充分的發揮空間，以實現研究思維的培訓和鍛煉。實驗包含基本實驗部分和研究型實驗部分。基本實驗流程如圖2所示。

圖2 基本實驗流程

首先基于研究目的確定設計變量和響應。然后選擇實驗設計方法(最常用的是正交試驗設計方法)，根據機床性能設計用于實驗的切削用量組。接下來調試機床，設定第一組切削用量，測量初始情況下的刀片磨損量(0 μm)、表面粗糙度(產品出廠材料性能值)、振動(無)和切屑(無)。啟動機床，開始切削，同時采集主軸和工作臺的振動信號。一個加工面結束，停機，測量刀片磨損量、表面粗糙度、收集切屑。繼續加工，采集主軸和工作臺的振動信號。重復振動采集，測量刀片磨損量、表面粗糙度和收集切屑，直到滿足切削次數要求，一般用刀片磨損閾值為終止條件。這樣第一組切削用量數據采集完畢。接下來，更換新刀片，設定其他組切削用量，重復第一組同樣的步驟，收集刀片磨損量、表面粗糙度、振動和切屑。至此實驗結束。

實驗結束后，學生需要根據指導教師提供的方法對數據進行處理，得出一個或多個有效描述切削加工過程變化的特征，并對特征進行比較，分析得出描述切削加工過程變化的最顯著特征。

為了體現研究型并充分發揮學生的主觀能動性，鍛煉學生的創新能力，此實驗平臺學生可以在下面幾個方面進行探索和研究。探索研究型部分在圖2中用點劃線框標注出來。

首先學生可以根據實際自行確定切削用量或者其他影響加工效率和質量的變量。

在采集響應部分，不局限于提供的4種(刀片磨損量，表面粗糙度，振動和切屑)體現切削過程的表征，可以根據加工過程和特點，提出其他的表征方式，并給出可行性分析。

在實驗設計部分，根據實驗設計方法修改基本實驗步驟中設計的切削用量組數(工況)。

在數據采集過程中，不局限于切削次數的終止條件?？勺孕写_定終止條件，并給出理由和判斷依據。

在數據處理部分沒有具體方法的限制，也沒有標準答案，學生可以根據自己掌握的理論對數據進行分析，主要目的是找到描述切削加工過程的一個或多個特征及這些特征之間的匹配關系，并對此特征進行監測，進而實現切削加工過程的質量和效率的控制。

3 研究型實驗實施

對于機械方向的學生，在學習完制造類課程后，按照常規實驗流程，6人一組，分別負責每部分數據的采集(刀片磨損量2人、振動2人、切屑1人、表面粗糙度1人)和數據分析，實施基本實驗部分。采用指導教師講解基本知識、實驗步驟、注意事項、下達任務書、學生操作實驗、分析數據并撰寫實驗報告的方法。

對于研究型實驗部分，采用以學生為主、教師為輔的方式實施。首先以選修課的形式公布實驗題目、目的和內容，學生根據自己興趣查閱相關資料，提出設想和目的，與指導教師和操作教師討論可行性。如果可行，實施實驗并對數據進行分析，驗證設想的正確性，以達到研究的目的。如果不可行，分析過程、查找原因并修改設計方案，再次實施實驗。

4 考核和評價

基本實驗部分的考核采用實驗態度、實驗操作、實驗報告和團隊合作精神為主要考核依據，研究型部分的考核打破常規的標準答案和提交報告的考核方式。考核和評價重點放在學生能動性和創新性上。具體為學生在實驗設計、數據采集的方式、數據處理等方面體現的新穎性和科學性，而不以實驗的失敗和實驗結果分析好壞進行評判。

例如，實驗設計方面，學生能夠根據自己的觀察提出一個與文獻不同的切削用量或者其他影響加工效率和質量的變量，不管這個變量是否能夠很大程度上影響效率和質量。在數據處理方面，如果學生根據數據特點提出一種新的處理方法可以很好地表征數控加工過程，而不是局限于現有方法得出很好的結果，這種情況下，學生就可以得到較高的評價。

5 研究型實驗效果分析

此研究型實驗在2屆本科畢業設計和2個在讀研究生培養上進行了實施，效果分析如下：

(1) 提高學生查閱相關有價值資料的能力。很多學生過去只使用百度查找資料，途徑相對單一，通過此實驗學會了用圖書館的論文庫查閱專業的資料，有效地提高了查閱資料的能力，并能對文獻進行分析和學術性綜述。

(2) 提高了學生分析處理實驗數據的能力，并從中發現具有研究價值的關鍵問題。由于數據的類型不同，所用的方法也大不相同，此實驗需要了解和掌握的方法比較多，所以能夠有效地提高學生處理分析數據的能力。圖3顯示本科生對振動數據的處理結果，結果很好地表征了數控加工過程的變化。研究生在分析數據時發現了刀片磨損的分布類型，為可靠性分析提供了很好的依據。

圖3 振動幅值變化圖

(3) 有效地使理論和實際相結合。學生由于接觸實際較少，經常停留在想象層面，一些想法的實現是很困難的，或者不可實現的。此實驗將理論用于實際，使學生對實際和理論之間的關系有了深刻的認識。比如測量刀片磨損量，由于實際中有很多潤滑油和冷卻液，所以在主軸刀柄上測量是不可能的，只能拆卸下來測量，但是拆卸下來增加了誤差等諸如此類的問題。另外在切屑測量過程中，由于實際數據均會有不同程度的波動，為了盡可能讓數據真實準確，學生通過除去最大值與最小值在余下數值內取平均數的方法確定最終數據，很好地鍛煉了學生對實際問題的處理能力。

此研究型制造類實驗平臺基于科研項目，充分給學生空間和自由，很好地鍛煉、培養了學生的創新能力和創新意識。

6 結語

依托國家自然科學基金項目中典型的制造過程實驗部分，搭建開發加工制造類的研究型實驗教學環節。通過實驗可以讓學生很直觀地了解數控加工過程和加工質量、效率的控制方法，以及一些表征的采集方法，從而拓展學生的知識領域，激發學生對機械的興趣，鍛煉學生多角度地解決實際問題的意識和思維，培養學生的創新思維和創新能力。

References)

[1] 金亮,周亮.“科研反哺教學”模式在獨立學院的實踐與探索[J].教育教學論壇,2016(2): 100-101.

[2] 董社英.以科研項目為依托構建多層次學生科研創新能力培養模式[J].西安建筑科技大學學報(社會科學版), 2006, 25(2): 91-93.

[3] 楊捷,沈磊,楊高文.高校如何將科研項目轉化為學生綜合設計型實驗[J].科教導論, 2015 (11): 21-23.

[4] 李旭,張為公.基于科研項目的數字電路創新型實驗教學改革[J].實驗室研究與探索, 2015,34(1):169-171.

[5] 韓延成,杜艷青.基于課堂、實驗、科研項目、真實工程的多元水力學實踐教學模式研究[J].課程教育研究,2013 (7):164-165.

[6] 姜兵,張玲玲.將科研項目引入土力學實驗教學改革的研究與探索[J].高教研究, 2014(4):63-64.

[7] 張軍香,董韶鵬,袁梅,等.科研課題向實驗教學的轉化模式研究[J].實驗技術與管理, 2010, 27(5): 18-22.

[8] 孔濱,孔德玉,趙舉中,等.強化科研反哺實驗教學 培養學生創新能力[J].實驗技術與管理, 2010, 27(6): 147-149.

[9] 于兵川,吳洪特.實驗教學與科研有機結合培養學生創新意識和能力[J].實驗室研究與探索,2010,29(2):76-77.

[10] 沈劍英,黃風立.依托科研項目開發綜合性實驗的實踐與探索[J].實驗技術與管理, 2014,31(3):163-165.

[11] Zhang P,Guo Y. Mapping Time-Variant Modeling of Tool Wears and Cutting Parameters on Difficult-to- Machine Materials[C]//Proceedings of the 10th World Congress on Engineering Asset Management (WCEAM 2015). Switzerland: Springer International Publishing,2016.

Constructing research-oriented experimental platform of manufacture based on research projects

Zhang Peipei, Wang Kesheng, He Qianhong

(School of Mechatronics Engineering, University of Electronic and Science Technology of China, Chengdu 611731, China)

In order to tightly integrate research into teaching, a research-oriented experimental platform for monitoring and controlling NC manufacturing process is developed based on research projects. There are four experiments related to each other. The platform gives students more freedoms instead of the detailed requirements. Assessment is not limited into the answer mode. Students can get the training of thinking on research and innovation. Experimental platform is used by master candidates and undergraduate students of mechanical and electrical field. The results show that theory and practice are combined effectively on this platform. The practical application ability, thinking on research and innovation of students are improved greatly.

combination of scientific research and teaching; research-oriented experimental platform; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.040

2017-01-09

國家自然科學基金青年基金項目(51405062)；中央高?；究蒲袠I務費專項基金資助項目(ZYGX2014J075)；電子科技大學教育教學改革研究項目(2015XJYYB048，2016XJYYB031)

張培培(1981—)，女，河南許昌，博士，講師，從事機械技術基礎教學研究以及數控加工可靠性性設計優化科研.

E-mail：peipei.zhang@uestc.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2017)06-0161-04