基于科研項目搭建機械專業(yè)電類課程綜合實驗平臺

莫 莉， 喻洪平， 趙 悅， 倪妍婷

(1.成都大學 機械工程學院， 成都 610106；2. 電子科技大學 機械電子工程學院， 成都 611731)

0 引 言

教書育人和科學研究是高校兩大基本職能。教學是基礎，傳授學生基本知識，科研是提高，需要學生拓展和延伸知識。本文以我校機械工程學院為例，基于科研項目搭建機械專業(yè)電類課程綜合實驗平臺，將教學與科研有機結(jié)合，有效激發(fā)學生學習興趣和學習積極性，良好培養(yǎng)學生動手能力和團隊協(xié)作能力，顯著提高學生科研探索及創(chuàng)新創(chuàng)造能力，從而提高課堂教學質(zhì)量，學生學有所長，學有所用，學有所成。

1 搭建綜合實驗平臺意義

1995年，清華大學借鑒美國麻省理工學院(MIT)提出的把提升本科生的科研能力納入培養(yǎng)計劃，針對在校本科生進行科研訓練(Student Research Training,即SRT)[1]。賴舜男等[2]將科研項目引入本科生創(chuàng)新實踐，提出指導教師將科研項目實驗化，可大大激發(fā)本科學生實驗及創(chuàng)新實踐興趣。王果[3]將科研項目應用于實驗教學，提出“本科生導師制”個性化培養(yǎng)方案，充分發(fā)揮學生學習自主性。電子科技大學張培培等[4]基于國家自然科學基金“難加工材料數(shù)控切削用量時變可靠性優(yōu)化控制研究”搭建研究型實驗平臺，學生可以很直觀地了解數(shù)控加工過程和一些表征的采集方法，同時實現(xiàn)研究思維的鍛煉和培訓。姚列明等[5]將科研項目引入大學物理實驗，把實驗教學與科研內(nèi)容、方法和實際應用結(jié)合，大大提高學生創(chuàng)新精神和科研實踐能力。李旭等[6]針對卓越工程師培養(yǎng)要求，將國家自然科學基金和國家科技支撐計劃重大課題引入數(shù)字電路實驗教學環(huán)節(jié)，堅持實踐環(huán)節(jié)，“學生為主，教師為輔”的原則，有效培養(yǎng)學生動手能力和創(chuàng)新實踐能力。張嫻等[7]對本科生的培養(yǎng)過程中，將科研項目與科研思路與創(chuàng)新實驗進行有機結(jié)合，顯著提高大學生實踐創(chuàng)新創(chuàng)造能力。楊秀平等[8]從本科生科研訓練計劃的內(nèi)涵、對師生要求、流程、措施等幾方面重點闡述了通過科研項目的介入，可更好地培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，為其創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)打下堅實基礎。吳漢福等[9]將科研項目結(jié)合地方特色，開發(fā)儀器分析綜合性實驗，并在化學和化工兩專業(yè)付諸實施，很好地培養(yǎng)學生獨立實驗能力和儀器使用能力。哈爾濱工程大學劉宏達等[10]將科研項目與電氣專業(yè)電機類實驗結(jié)合，設計電機相關參數(shù)測試實驗，提出適時將科研成果引入本科教學實踐環(huán)節(jié)，是高校培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的一種重要形式。沈劍英等[11]將科研項目與教學實驗有機結(jié)合，提高科研設備利用效率，有利于培養(yǎng)學生工程創(chuàng)新能力和動手實踐能力。張華衛(wèi)等[12]結(jié)合卓越工程師計劃，提出以項目為中心的實驗實踐教學體系，吸引廣大學生積極參與基于科研項目的開放性實驗，提高學生創(chuàng)新與綜合能力。

綜上所述，基于科研項目搭建實驗平臺是有理論意義與實際意義的，將科研與教學有機結(jié)合，教育教學與人才培養(yǎng)建立良性循環(huán)，必將是今后高校取得良好發(fā)展的有效途徑和必然趨勢。

2 機械專業(yè)電類課程實驗平臺現(xiàn)狀

我院機械專業(yè)電類課程實驗平臺主要存在如下幾大問題：①實驗設備老化；②實驗項目陳舊；③驗證性實驗多，創(chuàng)新性實驗少；④實驗學時數(shù)少，實驗過程單調(diào)乏味，學生既不能良好掌握專業(yè)基礎知識和前沿理論，也不能及時發(fā)現(xiàn)并解決理想工況與實際工況矛盾。因此，就目前已開展實驗而言，并未起到積極調(diào)動學生學習興趣，培養(yǎng)學生動手能力及發(fā)揮其科研創(chuàng)造能力的關鍵作用。實驗教學質(zhì)量不能適應新時代對人才培養(yǎng)的要求。

3 綜合實驗平臺構(gòu)建基本思路

基于科研項目搭建實驗平臺，高校教師將科研項目與教育教學有機結(jié)合，其目的就是要培養(yǎng)具有獨立創(chuàng)新精神，較高綜合素質(zhì)的新一代高校畢業(yè)生，為其創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)打下堅實基礎。

在信息融合的探索與實踐中，在教育教學與實驗教學的組織過程中，將實驗教學體系細分為4大板塊，如圖1所示。

圖1 實驗教學體系4大板塊

其中，驗證性實驗由學生單人完成，主要是基礎性實驗，考查學生基礎知識掌握情況；技能性實驗由學生單人完成，初步訓練學生動手能力，考查學生單個專業(yè)知識點認知情況以及對基礎知識的應用能力；設計性實驗由學生組隊完成，訓練學生團隊合作能力和動手能力，考查學生多個專業(yè)知識點連貫情況；創(chuàng)新性實驗由學生組隊完成，課題來源于省級、國家級競賽項目或教師科研項目，學生可盡情發(fā)揮其主觀能動性和創(chuàng)新創(chuàng)造性，提出各種扣題思路并付諸實踐。

4 綜合實驗平臺框架

經(jīng)筆者調(diào)研電子科技大學、長安大學、西安電子科技大學等高校，結(jié)合我院機械專業(yè)實際情況和相關教師國家自然科學基金以及四川省科技廳支撐項目研究方向，搭建機械系電類課程研究型綜合實驗平臺。平臺硬件組成如圖2所示。

該實驗平臺包含傳感信號輸入模塊、中央信息處理模塊、信號輸出控制機構(gòu)模塊，緊貼當前人工智能發(fā)展新方向，較好地將機電一體化結(jié)合起來。該平臺可完成簡單的基礎知識驗證性或?qū)I(yè)知識技能性實驗，如控制某LED亮滅、控制某電動機正反轉(zhuǎn)等；也可完成綜合設計性實驗，如霧霾監(jiān)測模塊，需前端傳感器通道感知相應物理量、中央處理單元記錄并處理數(shù)據(jù)、后端顯示或控制模塊進行顯示或其他控制；最后，也可完成科研創(chuàng)新性實驗，發(fā)揮學生想象空間和創(chuàng)新創(chuàng)造能力，實現(xiàn)更多機電一體化實戰(zhàn)項目。

圖2 綜合實驗平臺硬件框圖

(1) 外部傳感器模塊。包含光敏傳感器、溫濕度傳感器、雨滴/凝露傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌⒗^電器傳感器、霍爾傳感器、超聲波測距傳感器、人體紅外熱輻射傳感器、可燃氣體/煙霧傳感器、酒精傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、三軸加速度傳感器等常用傳感單元，對當前需要檢測的各種物理量進行測量備用。

(2) 信號調(diào)理模塊。包含信號放大和濾波兩大部分，根據(jù)實際情況適當選擇電壓放大倍數(shù)和濾波電路類型，從而得到合適的模擬信號。

(3) 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。包含各種常用模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，實現(xiàn)輸入信號從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

(4) 中央處理器(CPU)。包含各種常用中央處理器，可選AT89S51系列、超低功耗MSP430系列、DSP系列、嵌入式STM32系列、以及時下非常流行的Arduino系列。

(5) 機械手模塊。可實現(xiàn)前方感知信息控制機械手執(zhí)行機構(gòu)按固定程序抓取、搬運物件。

(6) 電動機模塊。可實現(xiàn)中央處理器輸出信號控制電動機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，從而控制后續(xù)機構(gòu)動作。

(7) 智能機器人模塊?？赏瓿珊唵蔚能壽E規(guī)劃、避障、語音傳輸?shù)裙δ堋?/p>

(8) 智能小車模塊。可實現(xiàn)小車正常的前進、后退、轉(zhuǎn)彎、避障、循跡等功能，還可外加吸塵機構(gòu)設計成智能掃地機器人。

(9) 智能農(nóng)業(yè)模塊。可實現(xiàn)當前環(huán)境下溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度、土壤水分，土壤酸堿度等多種因素的實時全方位監(jiān)測、控制與數(shù)據(jù)管理。

(10) 智能家居模塊?？蓪崿F(xiàn)日常家庭生活中照明控制、窗簾控制、防盜報警、環(huán)境監(jiān)測等功能，學生可提前體驗未來家居在智能化、舒適性、安全性和綠色節(jié)能方面的跳躍式變化。

(11) 智能交通模塊?？蓪⒏鞲兄畔⒂行Ъ捎糜谡麄€地面的交通管理，實現(xiàn)自動控制公交系統(tǒng)、智能紅綠燈、ETC系統(tǒng)、智能路燈、智能停車場等功能。

(12) 智能停車模塊。可實現(xiàn)車牌號自動識別、自動判別車位上是否有車停靠、自動停車計時、自動收費、無人值守、車位空余信息自動顯示等功能。

(13) 霧霾監(jiān)測模塊?？啥〞r、定點對當前環(huán)境中空氣污染物的分布和濃度進行監(jiān)測，以確定環(huán)境質(zhì)量狀況并進行數(shù)據(jù)管理，也可拓展到酒后駕駛監(jiān)測方面。

后續(xù)實驗過程中，各具體功能模塊還可根據(jù)當前需要實時更新，滿足教學與科研不同需求。

5 實驗考核與評價

4大實驗板塊可采用不同的考核與評價方式。驗證性、技術性實驗屬基本實驗，必修環(huán)節(jié)，檢查學生對專業(yè)基礎知識、原理等掌握情況，考核與評價主要針對實驗前預習、實驗態(tài)度、實驗過程、實驗結(jié)果、撰寫實驗報告等環(huán)節(jié)進行，實驗得分計入課程總成績，占比20%～30%不等。設計性、創(chuàng)新性實驗屬能力提高實驗，選修環(huán)節(jié)，激發(fā)學生實驗興趣及拓展其創(chuàng)新性思維、開闊眼界，考核與評價主要針對實驗思路設計，數(shù)據(jù)采集、處理方式，控制后續(xù)機構(gòu)動作等環(huán)節(jié)是否具有一定的創(chuàng)新性、創(chuàng)造性、可行性以及實用性進行。完成情況良好及優(yōu)秀的學生團隊可參與省級或國家級相關學科競賽，同時通過選拔及培訓進入教師科研團隊，為其繼續(xù)深造或創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)打下堅實基礎。

6 實驗效果分析

該實驗平臺屬搭建初期，還有更多功能模塊及機構(gòu)創(chuàng)意還在陸續(xù)加載過程中，就目前應用情況來看，實驗效果顯著，良好激發(fā)學生實驗主觀能動性，提高學生實驗積極性、動手能力、團隊合作能力及創(chuàng)新創(chuàng)造性。圖3～6展示學生利用實驗平臺自主搭建的一些便攜式小器件的成果案例。

圖3 避障及自動尋跡小車

圖4 溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)

圖5 車載空氣質(zhì)量檢測儀

圖6 智能窗簾控制系統(tǒng)

7 結(jié) 語

當今高校，科研與教學是兩大基本職能，照本宣科的填鴨式教學早已不能滿足當前社會快速發(fā)展的需求，教師需要及時將科研與教學有機結(jié)合，更多的將科研項目內(nèi)容、技術、實施方案等應用于教學及實驗環(huán)節(jié)，才能有效激發(fā)學生學習興趣和學習積極性，培養(yǎng)學生動手能力和團隊協(xié)作能力，提高學生科研探索及創(chuàng)新創(chuàng)造能力，為其繼續(xù)深造或創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)打下堅實基礎。