新工科背景下的機械類創新設計性實驗項目群設置與實施

王亞良， 潘柏松， 董晨晨， 屠立群， 金壽松

(浙江工業大學 機械工程學院， 杭州 310023)

0 引 言

“新工科”概念自2016 年提出以來，短期內形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”[1]。新工科內涵與特征表示為：新理念—應對變化，塑造未來；新要求—培養多元化、創新型卓越工程人才；新途徑—繼承與創新，交叉與融合，協調與共享。“新工科”的目的是為了培養能夠適應、甚至引領未來工程需求的人才[2]。

目前，高等學校工程教育培養目標和企業實際需求存在差距，企業對工程教學產品即學生的要求不斷增加，企業希望學生能快速適應企業實際需求，使得學生企業適應期變短[3]。如何做好機械類專業的實踐實驗教學，培養具備扎實專業技能和較好綜合素養的畢業生，且具有大工程思維和良好團隊協作精神，是目前工科高校迫切需要解決的問題。“新工科”的提出為上述困境提供了一種可行解[4]：通過新工科項目的組織和實施能夠促進高校教師在教書育人的同時重視和投入教育教學研究，能夠深入扎實地推動新工科建設并取得實質性成效，能夠擴大我國工程教育的國際影響力，能夠推動高校將人才培養作為高校發展的第一要務，能夠引領我國高等教育的改革，能夠促進我國高等教育質量的根本性提升[5]。

機械類專業具有很強的工程應用背景，如何培養學生實踐創新素養和具備解決工程復雜問題的能力是工科院校尤其是機械類專業面對的突出問題[3-4]。高校承擔著培養各類高素質創新人才的職責，實驗教學是提高學生動手能力和培養創新素養的關鍵。科學合理的實驗(實踐)教學體系能有效促進理論知識的鞏固和提高，進而提升分析和解決工程實踐問題的能力[6-7]。適應新工科教學理念，建立新工科背景下的機械類創新性實驗項目設置并實施，為學生適應企業需求及創新創業奠定良好基礎[8]。

1 機械類創新設計性實驗項目群依托平臺

任何教育實踐都必須對教育的對象負責，機械類專業的教學同樣必須對專業學生負責，提升其理想抱負、專業理論知識和實踐創新能力，以滿足新時代國家和社會發展的需要。新工科不僅僅服務于現有產業，更要引領未來產業轉型升級和創新發展，為引領新的產業甚至行業的誕生提供支撐。新工科的人才培養需要立足于奠定相關領域多職業的共同基礎，培養學生能夠適應未來的可遷移性能力、快速學習的能力以及適應變化的能力[9]。

實驗項目的設計及實施有賴于實驗硬件平臺的支持，我校機械類創新設計性實驗項目依托的主要硬件平臺由機械類國家級虛擬仿真實驗教學中心和2個省級實驗教學示范中心、機械工程CDIO實踐平臺、科研平臺等組成，如圖1所示。

通過機械工程訓練中心實踐，培養學生了解和掌握車、銑、刨、磨、數控加工及增材制造等基本原理、具備基本傳統和現代操作技能；通過機械工程實驗中心的機械類核心課程實驗項目實施，達到在實驗和實踐中檢驗所學理論知識，培養分析和解決工程實踐問題的能力和素養；機械工程CDIO實踐平臺由產品概念設計實踐平臺、基于CDIO的實驗項目(群)及主題設計與制造實踐平臺等組成，使學生掌握機械產品全生命全周期，促進團隊協作和大工程思維的培養；機械類虛擬仿真實驗教學中心主要針對“難實易虛”的實驗項目展開。

圖1 實驗項目依托平臺

在面向新工科的機械類創新人才培養過程中，實踐教學不能僅僅局限于對知識點的訓練，更要注重知識線、面的訓練，即實驗項目群在日常教學中的必要性。實驗項目群就是融合了數個相關聯的實驗項目，把孤立的實驗項目整合成有一定知識體系的、能解決較復雜的生產實際問題的項目群。在實施過程中，要牢牢抓住項目群的本質，嚴格按照項目管理的基本理論和思想來開展實驗項目群的實施[9]。開設創新設計性實驗項目群對于培養學生的主動思考與探索能力，提高了學生利用知識(包括所學和自學得到的)解決實際問題的能力[10-11]。

2 新工科背景下的機械類創新設計性實驗項目群理念及目標

學生頭腦不是用來承載知識的容器，是一把需要被點燃的火把；而創新設計性實驗項目群以期成為火把的重要火種；學生在學習中創新，在創新中發展。上述思維是新工科背景下的機械類專業學習特別是實驗項目設計及實施中考慮的重要因素。機械類創新設計性典型實驗項目群主要面向機械類專業學生，通過創新設計性實驗項目群的實踐和訓練，使學生掌握的碎片化知識，通過節點關聯起來，達到解決復雜工程問題的能力。主要通過學生實驗過程的縱橫向兩個維度予以解決；即縱向采用產品流程方式(CDIO模式)，橫向依托專業核心課程的創新設計性實驗項目群銜接[12-13]。機械類創新設計性典型實驗項目群設計理念突出OBE(Outcomes-based Education)導向、CDIO工程教育模式、虛擬仿真、專業知識融合與關聯、項目管理、知識獲取多元化等理念思路，如圖2所示[14-15]。

圖2 機械類創新設計性實驗項目群理念及目標

2.1 新工科創新理念下的實驗教學改革

“新工科”人才的特點就是學科交叉與綜合，要主動服務國家創新驅動發展戰略，高校要構建新工科人才的“創意—創新—創業”教育體系，把創新創業教育融入人才培養全過程，著力培養學生的創新創業素養[16]；真正體現新理念、新要求、新途徑、新結構和新素養的要求。

新工科建設在實驗教學中的應用特別是創新設計性實驗項目群的實施過程中，要處理好如下問題：改變傳統的實驗教學思想觀念，更新現有實驗教學體系、內涵和形式，構建符合新工科需求、培養學生創新能力的實驗教學體系；培養學生自主性學習的興趣，做中學、學中做，邊學邊做，真題真做；真正把教學放在首位，從制度和激勵兩方面入手，提高教師投入實驗教學的意愿；做到對學生、教師、學校和社會四維度負責。真正做到立德樹人，堅持以教師為主體、以學生為中心，把學生培養作為立校之本。

2.2 OBE導向的機械類創新設計性實驗項目

OBE是以預期學習產出為中心來組織、實施和評價教育的結構模式。在OBE教育系統中，教師應對學生畢業時要達到的能力和水平有很清楚的描述，通過尋求設計合適的教育結構(教學計劃和教學大綱)來保障學生實現這些預期目標。學生產出而非其他成為驅動教育系統運作的動力[17]。以解決工程復雜問題為牽引，以培養創新能力為目標。緊緊圍繞專業核心課程，結合浙江省產業特征、開設與某個課程或課程群相銜接的實驗項目；強化新工科教學理念，以OBE教育模式為導向，以提升實驗教學質量為重點，以創新實驗教學方法為基礎，以有效整合實驗教學資源為依托，探索創新人才培養需要的實驗教學體系和實驗項目群，提升實驗內涵，進而提升機械類專業學生實踐創新能力和團隊協作素養。以工程素質、創新意識和實踐能力的培養為核心，堅持個性化、自主性和開放性的實驗教學理念。

2.3 機械類專業的CDIO工程教育模式

CDIO工程教育模式從產品生產流程出發，有利于機械類學生掌握機械產品和系統生命周期4個階段的工程實踐與創新能力。提升學生的大工程觀思維和意識，提升學生的人文素養和團隊協作能力，進一步培養學生發現問題、解決問題和探求工程問題本質的能力和方法，為學生實踐能力培養和創新創業創造良好的條件。對于有效解決目前實驗教學中存在的困境即缺乏基于真實工程環境下的以項目式的實驗教學方法未能有效開展具有重要現實意義。

有效推進CDIO工程教學模式關鍵要做到：① 以構思、設計、實施及運作全過程為載體來培養學生的工程能力，即CDIO理念在實驗教學中的應用；② 突出實驗內容的系統性和專業性，不僅僅局限于對知識點的訓練，更要注重知識線、面的訓練。

2.4 虛擬仿真技術助工程項目創新設計

真實實驗室無法為學生完整地展示復雜機械產品、機械集成系統的結構和運行，也無法在真實實驗室讓學生全面地參與機械產品與系統設計、制造、生產組織等全過程，所以須開展虛擬仿真實驗來彌補真實實驗環境的不足，以實為主、虛實結合，共同構建虛實協同的實驗教學體系。

隨著計算機和網絡技術的發展，虛擬仿真技術逐漸成為理論研究、工程研究和實驗研究的重要手段。在機械行業中，工程師通過虛擬仿真可大幅度提高產品創新設計和結構及參數優化的效率和水平，減少物理樣機試驗次數，降低產品開發成本，縮短產品開發周期，準確驗證加工制造流程的正確性，并提供驗證理論模型的可行手段。具有科學計算可視化的特征，使理論與實際密切結合、由經驗向科學建模轉化，參數優化效率提高，實際消耗大幅度減小。

將“虛擬仿真”平臺引入學生創新活動，推進了學生創新活動由“發散思維+簡易制作”簡單模式向“發散思維+數學建模+科學計算+工程設計+參數優化”的高級模式轉化，以“虛擬仿真”驗證創新思路的正確，通過工程設計和參數優化，提升了學生創新活動的學術性、理論性以及利用仿真軟件開展工程設計的專業能力。

虛擬仿真實驗項目是真實實驗項目的必要補充和完善。在虛擬仿真實驗的基礎上，盡可能地讓學生接觸實際，“能實不虛”。學生可以利用虛擬仿真實驗平臺和校內互聯網絡，隨時隨地完成虛擬仿真實驗；可利用大學生科技競賽等創新活動，擴大和國內外學生的交流；可自主開展多學科交叉、產學研結合的實踐活動，使虛擬仿真教學貫穿整個實驗培養環節。

2.5 機械類專業知識的融合與關聯

目前存在只重視知識點訓練和傳授，缺乏知識點系統融合與關聯，是導致學生創新意識和創新能力不足的重要原因之一。解決工程復雜問題需要學生掌握較為扎實的基礎理論知識，能綜合應用并關聯各知識點。應該說，知識點的融合與關聯是解決工程實際問題的必經之路。在教學特別是實驗教學中，積極引導學生善于關聯知識節點，突破學科與專業的限制，不要片面強調知識點的重要性和復雜性。培養具有現代視野的機械工程師需要具備大工程觀和復雜問題視野，注重工程問題的關聯。建立和掌握知識點的融合與關聯比孤立的無限學習更重要，即別讓知識淹沒智慧。

2.6 融合項目管理知識體系

根據創新實驗項目(群)的要求，建立學生實驗項目實施團隊，并建立責任分配矩陣[13]。將實驗項目(群)的任務進行合理分解，分解后的工作任務落實到人。參與該項目(群)的團隊之一的責任分配矩陣如表1所示。P(President)表示主要負責人，S(Service)表示次要負責人。

表1 責任分配矩陣示例

除上述明確實驗項目團隊的職責外，按照項目進度管理技術對實驗項目(群)進行管理和控制；每個項目要嚴格按照項目管理的知識體系來實施，做好每個實驗項目(群)的進度、成本、人力資源等安排。提交的報告要求包括：① 嚴格按照項目管理知識體系來闡述實驗項目(群)的進度、成本、人力資源等安排；② 提供最后的結果，并對其進行分析。

2.7 多元化獲取知識，培養自主式學習模式

網絡時代促進了教學方式方法的改變，同時也使得學生獲取知識變得更加多元。以網絡技術為依托的高等教育方式必將導致教學環境的遷移和教學模式的變革。“同時同地”的傳統課堂模式無法兼顧各層次能力水平的學生，個性化培養難以實現；大規模在線開放課程(MOOC)以其豐富的共享教學資源、學習進度和深度選擇的自主性，解決了學生個性化學習需求難題，使其具有較強的生命力和較大的發展空間[18]，必將推動學生自主學習能力的提升。當前，知識的不斷增長進化，獲得所需知識的途徑比學習者當前掌握的知識更重要。由于知識獲取的多樣化，導致師生信息不對稱性削弱，對教師的知識結構和教學方法提出了更高的要求。

3 機械類創新設計性實驗項目群設置

3.1 機械類創新設計性典型實驗項目群設置方案

擬開設的實驗項目群突出產學研結合、學生主動實踐兩個特點，提供更多的獨立思考和個性發展的空間，有利于培養學生具備良好的大工程觀的工程基本素養、工程項目的構思、設計、制造和實施能力以及團隊協作能力。通過典型實驗項目群的建設，以期推動機械類實驗教學體系及教學內容改革。

機械類創新設計性典型實驗群面向機械工程學院全部專業，與工程圖學、材料力學、機械原理、機械設計、微機原理及應用、先進制造技術、自動控制理論、數控技術、機電系統及生產過程自動化、產品形體建模與創新設計、快速成型技術及應用、機器人技術等機械類專業核心課程相銜接；開設機構創新方案設計、復雜產品創新設計、逆向設計及3D打印、機械手本體設計及多軸運動控制、面向產品的生產線設計與仿真、立體倉庫及其出入庫輸送系統建模與仿真、超大型正鏟液壓挖掘機工作裝置設計與虛擬仿真、電梯群綜合控制虛擬仿真等創新設計性實驗項目，如圖3所示。

圖3 機械類核心課程及創新設計性典型實驗項目群

3.2 建立創新設計性實驗項目群的運行機制

機械類創新設計實驗項目群以學生為中心，具有較強的學生自主實踐性，導致實驗時間的不可控性和實驗結果不唯一性。這就要求其相應的實驗教學方式和實驗運行機制予以變更，為學生提供更多的獨立思考和個性發展的空間，須對該類實驗項目教學指導的運行機制進行探索與實踐。

以提升實驗室開放服務質量為中心，不斷優化運行機制。以新工科背景下的學生工程創新能力培養為目標，面向機械工程領域問題，積極探索以創新設計性實驗項目(群)為主線的實驗教學模式，注重培養學生解決工程實際問題的能力和創新精神；激發學生在項目實施過程中的主體性、自主性和主觀能動性，引入項目管理的基本知識對其進行管理和考核；不斷探索和改進實驗教學的形式與方法，建立實驗室開放的柔性運行機制和模式，全方面構建學生創新能力培養體系和運行機制。

4 機械類創新設計性實驗項目群的實踐案例

以機器人本體設計及多軸控制實驗項目為例，闡述機械類創新設計性實驗項目群的內容設置及組織方式。

4.1 實驗內容及要求

實驗項目主要包括機器人概述、典型機器人的示教編程、運動學及動力學、運動控制系統總體方案分析與設計、多軸運動控制卡選型、運動控制，以及機器人樣機制作與調試等內容(見圖4)。根據給定設計參數，團隊自主設計、制造、裝配和調試完成機器人樣機，并能完成一定的動作軌跡，初步實現機器換人的功能。

圖4 實驗內容

以期達到如下目的：學生對機器人有較深的認知和理解。對6自由度Motoman機器人熟練操作和示教編程。掌握機器人運動學及動力學的基本概念及理論，并能應用軟件對機械本體結構進行受力分析和優化。多軸運動控制器(卡)的選型、編程和調試等，實現對機械本體的精確控制。結合工程實例，對一些簡單重復動作實現機械自動化，用機器人予以替換，達到機器換人的效果。

4.2 相關知識點

機器人系統的基本構成、技術參數及結構類型概念如圖5所示。

圖5 機器人構成、類型及主要技術參數等

控制系統硬件一般由運動控制卡(器)、具有PCI(Peripheral Component Interconnect)接口的主機、伺服電動機或步進電動機、驅動器、驅動器電源、+24V直流電源、原點開關、限位開關等部件組成。控制系統硬件具體實現結構框圖如圖6所示。

圖6 硬件實現結構框圖

運動控制卡可以實現數個伺服/步進電動機的協同控制，包括脈沖輸出、脈沖計數、數字輸入、數字輸出、D/A輸出等功能。比較常見的有科爾摩根、研華、固高、PMark和Border等品牌。

實驗項目選用固高科技公司生產的GTS-400-PV(G)-PCI和GTS-800-PV(G)-PCI系列運動控制卡(見圖7)，其核心由DSP(Digital Signal Processor)和FPGA(Field-Programmable Gate Array)組成，可以實現高性能的控制計算。

控制器與步進伺服系統典型接線。以固高GTS-800-PV(G)-PCI系列運動控制卡為例，闡述了與步進電動機(編碼器)及伺服電動機(驅動器)系統的接線如圖8、9所示。

圖7 GTS-800-PV(G)-PCI系列運動控制卡

圖8 運動控制卡與步進系統驅動器(歐姆龍編碼器)連接圖

4.3 實驗任務和要求

設計多自由度機械手，具體參數要求：自由度5～6個(可采用伺服電動機和步進電動機混合搭配模式)；定位精度±2mm；重復定位精度±1mm；工作載荷0.5kg。其中機械手部分自主設計制造，控制部分采用現有硬件(基于PCI插槽的運動控制板卡和工控機，人機界面操作使用顯示器、鍵盤、鼠標代替)和軟件平臺(基于高級語言開發，如VC、C#、VB、LabVIEW、DELPHI等語言)，實現機器人示教再現、運動控制、零位處理等功能。

5 結 語

機械類創新設計性實驗項目群堅持新工科創新理念教學改革，以OBE為導向，以解決工程復雜問題為牽引，以培養創新能力為目標；結合浙江省產業特征，緊緊圍繞專業核心課程開設與某個課程或課程群相銜接的實驗項目(群)，突出學生實踐能力培養，以項目式工程教育模式為手段，融合虛擬仿真技術，強化知識點的關聯，輔以項目管理知識的有效利用和知識獲取多元化環境下的學生自主式學習模式嘗試。最終達到以整合實驗教學資源為基礎，以提升實驗教學質量為核心，以創新實驗教學模式為重點，探索創新人才培養需要的實驗教學體系和典型實驗項目群，虛實結合、提升實驗內涵，進而提升機械類專業學生實踐創新能力和團隊協作素養。學生通過創新設計性典型實驗項目群的實踐和訓練，能初步滿足創新型人才培養的需要。

圖9 運動控制卡與臺達(ASDA系列)交流伺服系統連接圖

面向新工科的機械類創新設計性典型實驗項目群初步推行的成效較為顯著，提升了學生學習興趣、提高了解決復雜工程問題和創新思維能力，達到知識、能力、素養三者的有機結合和融合，適應了工科高校創新性人才培養的需求。