基于科研項目的機械電子專業實踐教學改革

魏艷紅, 許 昌, 王桂榮(中國計量大學 機電工程學院，杭州 310018)

0 引 言

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010～2020年)》中關于高等教育的論述中明確提出：“全面提高高等教育質量，提高人才培養質量。教師要把教學作為首要任務，不斷提高教育教學水平，深化教學改革；支持學生參與科學研究，強化實踐教學環節。”高等學校作為人才培養的重要基地，實驗教學是其人才培養的重要環節，在培養學生的創新精神、實踐能力和綜合素質提高方面有其獨特的作用[1-2]。因此提高實驗教學的質量，解決目前實驗教學中存在的諸多問題，顯得尤為重要。

從多年的實驗教學經驗來看，實驗教學環節主要存在以下問題：①盡管專業培養方案統籌了各課程之間的相互關系，但在實際的教學過程中，各課程實驗項目之間缺乏連貫性，學生經過4年的學習還不能對自己所學的專業建立一個系統的概念[3-5]。②綜合性實驗涉及的知識點比較多，尤為注重各個知識點的“銜接”，連貫性較強，目前在實驗教學的考核中越來越受到學校的重視。但是該類實驗項目面臨著實驗設備陳舊，實驗內容跟不上學科前沿，有的甚至是已經淘汰的技術[6-8]。③實驗設計內容缺乏工程實踐性，學生知道“應該這么做”，卻不知道“這么做有什么用”，以及“如何用”。

根據我校機械電子工程專業的具體情況，引入了“科研實驗項目”。教師的科研項目是學科的前沿，是對某專業問題的創新性研究。根據專業的培養方案選擇一系列科研項目，把科研工作的新進展、新熱點及時補充到實驗教學中，使實驗教學內容具有前沿性、系統性、連貫性，對學生工程實踐和創新能力的培養起到積極的作用。同時，科研項目的技術資料是很系統、先進的“教科書”，可根據實驗需求修改為新的實驗指導書；其用于測試的模型機可加以改造，成為新的實驗設備資源，既豐富了實驗教學內容，又避免了設備資源的浪費[9-12]。

1 科研項目應用于專業實驗教學的基礎和意義

我校機電工程學院具有很強的科研優勢，機械電子學科的教師承擔了眾多的縱向與橫向科研項目。特別是一些緊跟時代前沿發展的項目，對該領域的發展過程有比較系統深入的研究，一般在項目結題后，后續的進展基本與學校脫離了關系。怎樣讓更多優秀的科研項目繼續服務于學校，服務于教學，是每個教師都應該思考的問題。

跟蹤結題科研項目的后續進展，延伸優秀科研項目的價值，將“科研引入教學，服務于教學”，既避免了科研成果的浪費，同時也節省了實驗室建設經費，為學科的進一步發展起到了積極的作用。

(1) 促進了學科的“特色”發展。在各個高校之間，同樣的專業其課程體系都差不多，學校為其配套的實驗設施也基本類似，那么如何提高自己專業的競爭力呢？科研的前沿性、先進性、創新性，不僅為學科的“特色發展”開辟了一條新的途徑，同時為學科以后的發展方向如何定位提供參考。

(2) 促進了學科教師資源的合理化分配。相對于教授理論課的教師而言，實驗教師的隊伍人數偏少，且實驗教師的科研水平參差不齊，嚴重影響了實驗教學質量的提高。引入科研項目，鼓勵優秀的教師參與實驗教學，壯大實驗教師的隊伍，從一定程度上提高了實驗教學的質量。

(3) 促進學科實驗教學體系的重新調整。綜合性實驗項目的比例已成為高校實驗教學考核的一個重要指標。科研實驗項目的引入，豐富了綜合性實驗項目的內容，增加了綜合性實驗的數量，加快了綜合性實驗項目更新換代的速度。

2 實驗項目的設計

2.1 實驗項目選擇

機械電子學科組織專家對各個教師完成的科研項目進行評估，選擇一些跟專業主要課程切合度比較高的項目進行立項。具體而言，就是要從專業課實驗教學的角度分析、梳理科研項目的內容，從中尋找與專業課程內容相關的知識點，設立科研實驗項目。科研實驗項目要求具有創新性、綜合性、難易適中，可涵蓋多門專業課程知識點，有利于提高學生工程實踐能力等特點。

例如結合橫向科研項目“液壓比例閥座椅平臺控制裝置”“甘肅音樂噴泉電氣控制系統設計”“基于三菱運動控制單元的彎管機控制裝置”等一系列項目，設置了“4D影院動感座椅平臺控制系統”“音樂噴泉模型的設計”“數控彎管機的設計”等科研實驗項目。這些實驗項目可用于“可編程控制器原理及應用”“液壓傳動與氣壓傳動”“變頻伺服控制”“機電一體化”“工程綜合實踐”等專業課程的實驗教學，為專業課程的實際應用提供有力的支撐，提高學生對專業課程的認可度，學有所用。

2.2 實驗指導書的編寫及實驗模型的搭建

實驗指導教師與科研項目組教師共同編寫實驗指導書，以科研項目的技術資料為基礎，進行適當的裁剪、抽取來安排實驗項目的各個環節。設計的各個實驗環節應充分兼顧學生已有的理論知識和接受程度，增強學生對科研實驗項目的理解和接受能力；同時，適當安排相關的理論學時加以補充，講解課題的研究背景、應用范圍等，為項目的順利進行打下基礎。

在設計實驗任務時，可以將整個科研項目細化為若干難度低的子任務，學生在實驗時，可根據自己的興趣愛好，自由選擇任務去完成。同時，要求學生自己查閱文獻資料，獲取相應的信息，設計自己的任務方案，盡量要求學生獨立完成整個子任務。

如“4D影院動感座椅平臺控制系統”科研實驗項目，根據其系統控制原理，細化為“座椅控制器的硬件電路設計、PLC與上位機的通信程序、數據轉換子程序”等若干子任務。

此外，在項目組教師的指導下，利用現有的測試設備搭建科研實驗項目的實驗模型，并從安全性、可靠性等角度考慮對其加以改進，使之符合學校實驗設備的管理與規范。

2.3 實驗教學的實施

實驗指導教師選擇一門實驗課進行小范圍試用，根據實驗效果進一步修改實驗設計方案，剔除其不合理的實驗環節，包括危險因素存在比較多的項目、學生難于理解的項目等，增加科研實驗項目與專業課程的融合度。

例如，在“數控彎管機的設計”實驗項目中，發現有些程序設計會對彎管造成損傷，那么可在實驗方案設計時，補充相關的注意事項或提出改進的方法。“音樂噴泉模型的設計”實驗項目對硬件設備的依賴性不是很強，因而可提前在可編程控制器上進行軟件調試，軟件調試通過后再連入硬件。

2.4 實驗教學的考核評價

實驗結束時，其考核評價的方式參考畢業設計開題答辯的模式。學生以PPT的形式進行匯報，主要講解自己在項目中負責的部分，例如硬件電路設計、軟件算法、程序調試、數據測試分析等。教師根據學生回答問題的情況，給出相應的答辯成績，該成績占實驗總成績的80%。同樣，實驗報告的內容主要是自己負責的子任務，項目其他介紹性的內容可以不寫，該部分占實驗總成績的20%。最終的實驗成績由兩項加權即可。

3 實例：4D影院動感座椅平臺控制系統

3.1 實驗設計背景

(1) 虛擬現實技術中的動感平臺廣泛應用于軍事、科研和工業等領域，例如用于宇航員、飛行員訓練的航天模擬器、飛行模擬器等。在發達國家，也已將這一技術應用于娛樂領域，動感電影中的4D座椅是其中具有代表性的的一種。隨著我國人民生活水平的提高，放映動感電影的影院也已在我國的若干大城市出現。放映動感電影的影院銀幕一般為穹幕，其座椅在計算機的控制下，產生3～6個自由度與銀幕內容相配合的運動，給觀眾盡可能逼真的視覺、聽覺、動感和力感, 得到身臨其境的主觀感受[13-14]。

(2) 機械電子工程是機械學、電子學、信息技術、計算機技術、控制技術等有機融合而形成的一門綜合性學科，學科知識面廣，交叉性強。實驗教學中，學生接觸比較多的是各種各樣廠家的教學儀器所開設的實驗項目，如天煌教儀、浙江求是科教設備等。教學儀器中的控制對象是工程中實物的模型，與實物仍有較大的差別；同時，由于設計人員經驗的局限性，其設計方法與實際的工業現場也略有不同[15-17]。因而，學生在做實驗時，所需要思考的問題簡化了很多，很多在工業現場中出現頻率比較高的問題，被回避了，不利于學生動手能力的培養。因此，有必要引入實際的科研項目進入實驗課堂，切實解決實驗教學設備落后于工業實際應用發展等問題，給學生創造更多的機會去解決現場中可能存在的問題，同時，鼓勵學生調整思維方式從實際應用的角度，思考問題，解決問題，進一步發現新的問題。

(3) 本實驗以專用于4D影院動感座椅平臺控制系統為控制對象，選取核心控制部分設計了若干實驗項目。實驗的設計充分考慮學生的基礎，提供多種設計方案，讓學生自己動手進行操作，極大地發揮其主觀能動性。老師也對一些危險因素做出警示，并采取了一些保護措施。

(4) 實驗項目的部分內容作為專業課程的補充實驗項目已進行試教學，有相當數量的學生表示出了很大的興趣，表示能學、實用。該實驗設備的機械結構如圖1所示。

圖1 氣動座椅平臺的機械結構

3.2 實驗目的

(1) 了解氣動座椅平臺的機械結構。

(2) 了解氣動座椅平臺的控制氣路結構設計。

(3) 了解氣動座椅平臺的控制原理。

(4) 掌握可編程控制器的編程與調試技術。

3.3 實驗原理

4D座椅動平臺由4套獨立的氣壓傳動裝置驅動，稱之為4個獨立的運動軸，現以其中的一套為例加以說明其工作原理。該氣壓傳動系統包括PLC、A/D模塊、D/A模塊、座椅控制器、電氣比例閥、氣缸、位移傳感器等(見圖2)。其中電氣比例閥采用的是意大利迪普馬生產的DSE3，可用于執行機構的方向和速度控制。

該系統的原理是PLC通過控制比例閥開口來調節氣缸的位置，使反饋的氣缸的位置電壓信號uf(uf與氣缸活塞位移呈線性關系)與輸入的目標位置信號ui之間的誤差Δu逐漸變小，最終變為零，來達到氣缸對輸入期望信號跟蹤的目的。

該過程用語言可以描述為：當輸入的期望信號ui，

圖2 座椅氣壓傳動系統

小于反饋位置信號uf，即Δu<0時，比例閥的右路接通，氣缸右腔的壓力升高，推動活塞左移。氣缸活塞的左移，使位移傳感器左移，其反饋位置電壓信號uf減小，電壓偏差隨之減小，如此反復，直到Δu幾乎為零。反之，當輸入的目標信號ui大于反饋的位置信號uf，即Δu>0時，通過與上述相反的調節過程使偏差趨于零。在系統達到穩定時，

Δu=0,ui=uf=ky

其中:k為比例系數;y為氣缸活塞位移。這樣就實現了對氣缸活塞位移y對輸入信號的跟蹤。

3.4 實驗子任務

(1) 利用C++設計簡單的人機交互界面。

(2) 設計座椅控制器的硬件電路。

(3) 分析系統的控制流程，畫出狀態轉移(SFC)圖，并調試出SFC圖。

(4) 設計PLC與上位機的通信程序。

(5) 根據系統要求，完成各個PLC子程序的設計，如數據轉換子程序、數據處理子程序等。

(6) 利用Solidworks軟件設計示教平臺的機械模型。

(7) PLC與A/D轉換模塊、D/A轉換模塊的應用程序設計。

3.5 實驗設備介紹

座椅平臺控制系統包括計算機、可編程邏輯控制器(PLC)、A/D轉換模塊、D/A轉換模塊、座椅控制器、示教平臺等。圖3所示為其控制系統組成框圖。影片放映時，計算機發送給PLC運行數據，PLC通過D/A 轉換模塊發出信號給座椅控制器，使氣缸移動到指定位置，同時電子尺的輸出信號反饋回座椅控制器，形成閉環控制。影片放映完畢時，PLC檢測到數據塊中的結束符“FF”即停止控制數據的輸出，同時系統各參數復位到初始狀態。其中示教平臺的設置較好的解決了座椅動作的編輯問題，使復雜的編輯工作變得簡單、形象、生動，取得了良好的效果。

圖3 座椅平臺控制系統的組成

為了簡化座椅動作的在線編輯工作，增設了示教平臺。在自學習模式時，實驗人員根據放映內容，手動調整示教平臺的運動狀態，A/D模塊采集示教平臺的狀態反饋給PLC，PLC控制實際座椅跟隨示教平臺的動作進行運動，同時PLC將其動感數據傳送給計算機進行存儲。播放模式時，計算機將存儲的動感數據傳送給PLC，PLC控制動感平臺動作，動感平臺復現了示教平臺自學習時所反映出的各種動作。座椅動作的在線編輯界面如圖4所示。

圖4 座椅動作編輯界面

3.6 討論題

(1) 分析氣動座椅平臺控制系統的設計要點。

(2) 控制單元由PLC改為ARM系列微處理器，其硬件電路的設計方案。

(3) 運動軸由4個改為3個，其平臺機械結構該如何設計。

4 結 語

“科研實驗項目”的引入有效地解決了實驗教學設備技術陳舊、實驗教學內容更新緩慢等問題。科研項目代表了當今機械學科最新的研究方向，在本科實驗教學中引入科研實驗項目，不僅促進學科實驗教學內容的重新調整，同時也為學科的“特色”發展保駕護航。延伸、拓展優秀科研項目的價值，讓實驗教學變身為工程實踐教學，增加學生從事科研項目的經驗，增強學生面對工業現場的應變能力。依托于省級“檢測與控制技術”實驗教學示范中心，目前，我們正嘗試在實驗教學改革方面進行諸多探索，開發出一些有特色的科研實驗項目，并在學科專業實驗教學中進行小范圍試用，取得了良好的效果。

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