許　焰，朱宗銘，梁　亮，龐小兵

(長沙大學(xué)機電工程系,湖南 長沙 410022)

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“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”課程實驗分級教學(xué)內(nèi)容設(shè)計及考核模式改革

許焰，朱宗銘，梁亮，龐小兵

(長沙大學(xué)機電工程系,湖南 長沙 410022)

摘要：分析了當(dāng)前國內(nèi)工科學(xué)生工程能力培養(yǎng)模式的不足，闡述了機械專業(yè)實驗分級教學(xué)的意義.以“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”課程實驗教學(xué)為例，對基礎(chǔ)級、拓展級和創(chuàng)新能力培養(yǎng)級各層級實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計，改革了分級實驗教學(xué)考核模式，提高了實驗教學(xué)在課程考核中的比重，對不同層級的實驗成績及效果進(jìn)行了量化.實踐證明機械專業(yè)實驗分級教學(xué)方式可有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，專業(yè)知識實踐能力以及創(chuàng)新意識都有了不同程度的提高.

關(guān)鍵詞：機械專業(yè)；分級教學(xué)；實驗；考核模式

實驗教學(xué)是高等教育教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的重要途徑，是教學(xué)工作的重要組成[1].作為工科專業(yè)，機械專業(yè)的學(xué)生進(jìn)入專業(yè)課學(xué)習(xí)后，課程實驗教學(xué)應(yīng)該慢慢過渡到以工程訓(xùn)練為目的的實驗?zāi)Ｊ絒2].對機械專業(yè)學(xué)生就業(yè)現(xiàn)狀分析可知，社會對高質(zhì)量的機電工程高素質(zhì)應(yīng)用型人才的需求量很大，企業(yè)難于招聘到合格人才；但是高校畢業(yè)生卻感嘆就業(yè)十分難，其中的問題在于高校培養(yǎng)人的才達(dá)不到企業(yè)的要求[3].通過與畢業(yè)學(xué)生座談及中聯(lián)重科和長泰機器人等用人單位交流，相關(guān)人士均反映機械專業(yè)學(xué)生的電類知識掌握都比較欠缺，工程應(yīng)用能力相對較弱，造成上述現(xiàn)狀的主要原因之一是機械專業(yè)培養(yǎng)工程實踐能力的課程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)達(dá)不到相應(yīng)的要求，培養(yǎng)不出真正動力能力和工程實踐能力強的高素質(zhì)應(yīng)用型人才.

當(dāng)前的專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容固定且長年不變，對一些學(xué)有余力的同學(xué)感覺太簡單，沒完全發(fā)揮自己的專業(yè)特長；而一些學(xué)習(xí)有困難的同學(xué)又覺得教學(xué)內(nèi)容太難，實驗敷衍現(xiàn)象較普遍[4].這就使得當(dāng)前的實驗教學(xué)效果不能讓大部分同學(xué)滿意，所以任課教師應(yīng)盡可能根據(jù)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)，個性化地設(shè)置實驗教學(xué)內(nèi)容，使不同學(xué)生均能掌握一定程度的專業(yè)知識及實踐能力，教學(xué)過程完全尊重學(xué)生個性，大力開展分級式實驗教學(xué)，真正實現(xiàn)因材施教，從而可為企業(yè)提供各種層次的專業(yè)技術(shù)人才.當(dāng)前的現(xiàn)狀也突顯了如何開展實驗教學(xué)考核模式改革的重要性，實驗教學(xué)考核是十分重要的環(huán)節(jié)，可影響教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的積極性、主動性[5].本文以“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”課程所涉及的實驗教學(xué)為改革對象，進(jìn)行實驗分級教學(xué)內(nèi)容設(shè)計及考核模式改革，并總結(jié)其改革效果，計劃在機械專業(yè)其他課程中推廣，對其他課程的實驗分級教學(xué)起到示范作用.

1“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”實驗分級教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”是面向機械設(shè)計制造及其自動化本科專業(yè)學(xué)生開設(shè)的專業(yè)課，主要目的是使學(xué)生掌握機電一體化系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，對典型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法進(jìn)行闡述，學(xué)習(xí)機電一體化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、伺服控制及相關(guān)接口設(shè)計等內(nèi)容，要求同學(xué)們掌握傳感技術(shù)在機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用、掌握控制電機及驅(qū)動技術(shù)、掌握工業(yè)控制微機及接口設(shè)計方法、掌握機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計方法，提高學(xué)生分析問題、解決問題的實際能力，在培養(yǎng)機電復(fù)合型人才中具有重要的作用.

本課程共計40學(xué)時，其中實驗8學(xué)時，第七學(xué)期開設(shè)，先修課程主要有電工學(xué)、電子技術(shù)，PLC、機電傳動與控制和測試技術(shù)等.通過本項目的研究，“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”實驗分級教學(xué)內(nèi)容分以下幾個層級進(jìn)行設(shè)計：

1.1基礎(chǔ)級的實驗教學(xué)內(nèi)容(4課時，必修)

要求了解步進(jìn)電動機的驅(qū)動電源和電機的工作原理，使用示波器對步進(jìn)電動機驅(qū)動電源的波形進(jìn)行觀測，畫出步進(jìn)電機處于三拍，六拍不同狀態(tài)時，驅(qū)動波形的關(guān)系.對步進(jìn)電動機的動態(tài)性能進(jìn)行測量，使用MEL系列電機系統(tǒng)教學(xué)實驗臺主控屏、電機導(dǎo)軌及測功機,轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量MEL-13、步進(jìn)電動機M10、步進(jìn)電機驅(qū)動電源MEL-10、雙蹤示波器.

(1)步進(jìn)電動機驅(qū)動電源的波形進(jìn)行觀測包括以下教學(xué)內(nèi)容：

1)合上控制電源船形開關(guān)，分別按下“連續(xù)”和“正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)”，“三拍/六拍”，“啟動/停止”開關(guān)，使電機處于三拍正轉(zhuǎn)連續(xù)運行狀態(tài).

2)用示波器觀察電脈沖信號輸出波形(CP波形)，改變“調(diào)頻”電位器旋鈕，頻率變化范圍應(yīng)不小于5Hz～1KHz(800 KHz)，從頻率計上讀出此頻率.

3)用示波器觀察環(huán)形分配器輸出的三相A，B，C波形之間的相序及其CP脈沖波形之間的關(guān)系.

4)改變電機運行方式，使電機處于正轉(zhuǎn)，六拍運行狀態(tài)，重復(fù)3).

5)再次改變電機運行方式，使電機處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，重復(fù)3).

(2)步進(jìn)電動機的動態(tài)性能進(jìn)行測量包括以下教學(xué)內(nèi)容：

1)單步運行狀態(tài)測量步距角.

2)通過置數(shù)模式，測量角位移和脈沖數(shù)的關(guān)系.

3)對空載突跳頻率的測定.

4)空載最高連續(xù)工作頻率的測定.

5)轉(zhuǎn)子振蕩狀態(tài)的觀察.

6)平均轉(zhuǎn)速和脈沖頻率的關(guān)系.

7)矩頻特性的測定.

1.2拓展級的實驗教學(xué)內(nèi)容(4課時，必修)

在基礎(chǔ)級完成后，同學(xué)們對步進(jìn)電動機有了基本了解，須繼續(xù)完成拓展級的實驗內(nèi)容，該部分包括以下教學(xué)內(nèi)容：

使用THWJX-1五自由度機械手實驗裝置，要求同學(xué)們熟悉步進(jìn)電機驅(qū)動器M415B的設(shè)置及驅(qū)動兩相步進(jìn)電動機的方法，熟悉編程軟件的使用，熟悉脈沖輸出指令應(yīng)用(PLSR).

浮標(biāo)是一種對水文氣象環(huán)境進(jìn)行長期、定點、實時、立體監(jiān)測的重要設(shè)備。富春江浮標(biāo)站主體為船型結(jié)構(gòu),可測量江面溫濕度、雨量、風(fēng)向風(fēng)速、氣壓、富春江水溫、流速8個氣象要素數(shù)據(jù)。浮標(biāo)錨泊系統(tǒng)是浮標(biāo)采集系統(tǒng)的載體。它是由浮標(biāo)體、錨系等組成。浮標(biāo)體為船型鋼制框架結(jié)構(gòu),長4 m,寬2 m,吃水1 m。

根據(jù)I/O分配地址，通過程序編制，完成橫軸步進(jìn)電動機完成以下功能：

(1)按下黃色“復(fù)位”按鈕，機械手橫軸先向左運動；到左邊原點(碰觸到右側(cè)限位X5)后，以相同的速度向右運動至零點(5000個脈沖)后停止.

(2)機械手橫軸復(fù)位完成后，可按綠色“啟動”按鈕啟動機械手，向右運動較長路程(30000個脈沖)靠近目標(biāo)→0.2s后繼續(xù)向右運動到達(dá)目標(biāo)(6000個脈沖)→0.6s返回零點(36000個脈沖)→完成后重復(fù)上述(1)的復(fù)位動作，完成后停止.

(3)再次按綠色“啟動”按鈕，機械手可重復(fù)上述(2)的動作過程.

(4)在“橫軸機械手”動作過程中，按下急停按鈕，系統(tǒng)立即停止，必須先按“復(fù)位”，完成“橫軸機械手”復(fù)位，可再次啟動運行.

難點：需要掌握M415B步進(jìn)驅(qū)動器的使用方法，尤其是對其PUL和DIR兩個引腳信號的施加方法，從而確定了要裝置橫軸步進(jìn)電動機的速度和方向.

1.3創(chuàng)新能力培養(yǎng)級的實驗教學(xué)內(nèi)容(4課時，選修，開放實驗)

使用THWJX-1五自由度機械手實驗裝置，要求同學(xué)們在了解橫軸步進(jìn)電動機驅(qū)動方法的基礎(chǔ)上，熟悉縱軸三相步進(jìn)電動機的驅(qū)動，使用3ND583驅(qū)動器.

(1)按下黃色“復(fù)位”按鈕：機械手橫軸先向左運動，到左邊原點(碰觸到右側(cè)限位X5)后，以相同的速度向右運動至零點(5000個脈沖)后停止；在此同時，縱軸向上運動，到上邊原點后，以相同的速度向下動動到零點(5000個脈沖)后停止.從而完成各自的復(fù)位.

(2)機械手橫軸復(fù)位完成后，可按綠色“啟動”按鈕啟動機械手，向右運動較長路程(30000個脈沖)靠近目標(biāo)→0.2s后繼續(xù)向右運動到達(dá)目標(biāo)(6000個脈沖)→0.6s返回零點(36000個脈沖)→完成后重復(fù)上述(1)的橫軸復(fù)位動作，完成后停止.與此同時，縱軸步進(jìn)電動機向下運動較長路程(35000個脈沖)靠近目標(biāo)→0.2s后繼續(xù)向右運動到達(dá)目標(biāo)(7000個脈沖)→0.6s返回零點(42000個脈沖)→完成后重復(fù)上述(1)的縱軸復(fù)位動作，完成后停止.通過縱橫軸的運動組全，實現(xiàn)兩軸的運動.

(3)再次按綠色“啟動”按鈕，機械手可重復(fù)上述(2)的動作過程.

(4)在“兩軸機械手”動作過程中，按下急停按鈕，系統(tǒng)立即停止，必須先按“復(fù)位”，完成“兩軸機械手”復(fù)位后，可再次啟動運行.

難點：需要掌握M415B和3ND583步進(jìn)驅(qū)動器的使用方法，注意縱軸和橫軸步進(jìn)電動機各自運動的協(xié)調(diào)與組合.

2“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”實驗分級教學(xué)考核模式改革

目前同學(xué)們對實驗教學(xué)的積極性差、重視程度不夠，多數(shù)學(xué)生的注意力大多集中在如何按照老師的詳細(xì)指導(dǎo)，照抄照搬地完成整個實驗.一旦出現(xiàn)錯誤，便直接請教老師，很少自己去分析、思考失敗的原因.整個實驗過程中學(xué)生處在一種被動盲目的狀態(tài)，使得學(xué)生的主動性和積極性難以得到充分的發(fā)揮.常常出現(xiàn)學(xué)生不重視預(yù)習(xí)，實驗時不愿意動手，課后不認(rèn)真總結(jié)思考，實驗報告抄襲嚴(yán)重，沒有實驗體會等現(xiàn)象.另外，由于學(xué)生之間的能力差異，有些同學(xué)知識掌握程度高，上手很快，覺得實驗課程很輕松，實驗課程內(nèi)容過于簡單；而有的同學(xué)由于前期課程掌握不夠熟練，眼見別人快完成了，自己卻進(jìn)度很慢，從而產(chǎn)生煩躁和焦慮的不良情緒，甚至覺得自己天生就不是學(xué)機械的料，干脆抄別人的，積極性受到的打擊，結(jié)果對于知識掌握程度高或者低的同學(xué)而言，機械類專業(yè)課程實驗教學(xué)都達(dá)不到目標(biāo)[6].實驗教學(xué)考核模式在實驗教學(xué)過程中十分重要，可體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，那么在對“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”實驗分級教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計后，如何改革相應(yīng)的考核模式，這也是值得研究的問題.

2.1基礎(chǔ)級實驗考核模式

基礎(chǔ)級實驗所需要的知識比較簡單，涉及到步進(jìn)電動機特性方面的知識，實驗條件與實驗結(jié)果是可預(yù)知的，實驗方法是根據(jù)實驗指導(dǎo)書來進(jìn)行，所以，該層級的考核模式應(yīng)當(dāng)是確定的，重點考核學(xué)生對實驗操作的熟練程度、操作過程的規(guī)范性以及實驗數(shù)據(jù)分析的深入程度和準(zhǔn)確性.考核項分值占比如下：實驗前預(yù)習(xí)占10%，實驗操作占50%，依據(jù)實驗過程回答問題占10%，實驗報告(結(jié)果分析及數(shù)據(jù)處理)占30%.詳見表1.

表1　基礎(chǔ)級實驗考核分值占比

2.2拓展級實驗考核模式

拓展級實驗所需要的知識是綜合型的，需學(xué)生在掌握步進(jìn)電動機特性和PLC控制應(yīng)用等方面的知識基礎(chǔ)上進(jìn)行實驗，該層級實驗規(guī)則不固定，學(xué)生可以適當(dāng)改變實驗條件，綜合運用上述兩種知識完成這一層級的實驗內(nèi)容，主要考核實驗內(nèi)容是否按要求達(dá)到，實驗方法是否多元，實驗報告是否體現(xiàn)了各知識點的聯(lián)系.考核項分值占比如下：實驗前預(yù)習(xí)及準(zhǔn)備占15%，實驗操作占50%，依據(jù)實驗過程回答問題占10%，實驗報告(結(jié)果分析及數(shù)據(jù)處理、如何體現(xiàn)各知識點的綜合運用)占25%.詳見表2.

表2　拓展級實驗考核分值占比

2.3創(chuàng)新能力培養(yǎng)級實驗考核模式

創(chuàng)新能力培養(yǎng)級所需要的知識同樣是綜合型的，學(xué)生可參考拓展級的實驗條件，也可根據(jù)創(chuàng)新思維定義新的實驗規(guī)則，方法同樣是多元的，學(xué)生可在老師指導(dǎo)下創(chuàng)造性地提出完成實驗的思路及方法，該層級考核的重點應(yīng)放在學(xué)生對實驗內(nèi)容的理解是否正確、實驗條件能否自行改進(jìn)、實驗報告是否體現(xiàn)創(chuàng)新能力及工程能力的提高、眾多知識點是否聯(lián)系融合.考核項分值占比如下：實驗前預(yù)習(xí)及準(zhǔn)備占20%，實驗操作占55%，依據(jù)實驗過程回答問題占10%，實驗報告(結(jié)果分析及數(shù)據(jù)處理、如何體現(xiàn)實驗方法、手段等方面的創(chuàng)新)占15%.詳見表3.

表3　創(chuàng)新能力培養(yǎng)級實驗考核分值占比

考核細(xì)節(jié)說明：“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”課程總評成績(A)由平時成績(X)、實驗成績(Y)和期末考試成績(Z)組成，分別占20%、40%和40%，其中平時成績由出勤率、課堂提問、作業(yè)等組成，實驗成績(Y)占總評成績(A)的比重與期末考試成績(Z)一樣，均達(dá)到40%，更突出地強調(diào)了實驗教學(xué)在本課程教學(xué)中的地位.實驗成績(Y)主要根據(jù)每位同學(xué)在分級教學(xué)體系中所完成的實際情況而定，其中基礎(chǔ)級(Y1)占實驗成績的60%，拓展級(Y2)占實驗成績的20%，創(chuàng)新能力培養(yǎng)級(Y3)占實驗成績的20%，只有在完成基礎(chǔ)級實驗內(nèi)容后，才能進(jìn)行拓展級的實驗，最后才能選擇進(jìn)行創(chuàng)新能力培養(yǎng)級實驗.即：

A=X*20%+Y*40%+Z*40%；

其中，Y=Y1*60%+Y2*20%+Y3*20%.

3實踐效果

(1)本文對機械專業(yè)的“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”課程實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計，對考核模式進(jìn)行了分層次改革，充分調(diào)動了學(xué)生參與本課程實驗的積極性和主動性，沒有缺課的學(xué)生出現(xiàn)，與教師交流次數(shù)明顯增加.順利完成基礎(chǔ)級的學(xué)生達(dá)到100%，完全完成拓展級的學(xué)生達(dá)到95%，另有近20%的學(xué)生可達(dá)到創(chuàng)新能力培養(yǎng)級要求的實驗?zāi)繕?biāo).

(2)通過三個層級的實驗教學(xué)改革，不僅鞏固了理論基礎(chǔ)知識，還提高了實踐能力.所有同學(xué)在實驗報告中均表達(dá)了學(xué)有所獲的心得體會，每個人的專業(yè)知識實踐能力以及創(chuàng)新意識都有了不同程度的提高，并在后續(xù)的各類競賽中得到了體現(xiàn).比如：2014年和2015年機械專業(yè)受益學(xué)生參加湖南省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽(無碳小車)和“挑戰(zhàn)杯”湖南省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽獲獎情況如下：

1)“挑戰(zhàn)杯”獲二等獎1項：便攜式遠(yuǎn)程智能水質(zhì)采樣器.

2)“挑戰(zhàn)杯”獲三等獎4項：主動螺旋旋風(fēng)除塵器、花炮卷筒自動捆扎機構(gòu)、具有自適應(yīng)的防瞌睡矯正坐姿多功能課桌等.

3)湖南省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽(無碳小車)共獲二等獎1項，三等獎5項.

(3)部分地改變了實驗教學(xué)從屬于理論教學(xué)的狀態(tài)，完善了實驗考核評價體系，提高了實驗教學(xué)在課程考核中的比重，對不同層級的實驗成績及效果進(jìn)行了量化；實驗教學(xué)同時促進(jìn)了理論教學(xué)質(zhì)量的提高，增加了學(xué)生理論聯(lián)系實際的方法，達(dá)到學(xué)以致用的目的，使得長沙學(xué)院的機械專業(yè)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)有了落腳點.

參考文獻(xiàn)：

[1]林偉君. 多元化實驗考核的實施研究[J].實驗室科學(xué),2011,(2):201-204.

[2]馬臣,孟延紅.機械實驗課程教學(xué)體系構(gòu)建的探索[J].實驗室科學(xué),2010,(1):44-46.

[3]栗英杰,李偉,李香.《機械設(shè)計基礎(chǔ)實驗》教學(xué)改革的探討[J].現(xiàn)代交際,2013,(5):240.

[4]羅亞輝,康江,劉旭紅.機械電子工程專業(yè)實驗教學(xué)改革探討[J].中國電力教育,2013,(28):145-146.

[5]邱菡,朱俊虎,李玉峰,等.高校實驗教學(xué)考核模式改革探索與實踐[J].武漢大學(xué)學(xué)報：理學(xué)版,2012,(S2):207-210.

[6]高冬梅,洪波,張民生. 實驗教學(xué)考核體系的改革探索[J].實驗室科學(xué),2015,(3):100-102.

(作者本人校對)

Classification Teaching Content Design and Assessment Mode Reform of Mechatronics System Design

XU Yan, ZHU Zongming, LIANG Liang, PANG Xiaobing

(Department of Mechanical Engineering, Changsha University, Changsha Hunan 410022, China)

Abstract：The problems of the training mode of engineering students’engineering ability in China are analyzed. The significance of the experiment classification teaching of mechanical major is explained. Taking the experiment teaching of Mechatronics System Design as an example, the classification teaching content of base level, development level and innovation ability training level is designed and the assessment mode is reformed. The proportion of experimental teaching in the course assessment is improved and the experimental result and effect of different levels are quantified. The practice proves that the experiment classification teaching method of mechanical major can intrigue students’learning interest and initiative effectively. The practical ability of professional knowledge and innovation consciousness of students are improved on different degree.

Key Words：mechanical major; classification teaching; experiment; assessment mode

中圖分類號:G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-4681(2016)02-0149-04

作者簡介：許焰(1976— )，男，湖南邵陽人，長沙大學(xué)機電工程系教授，博士.研究方向：機電控制理論與技術(shù).

基金項目：湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目(批準(zhǔn)號：2014-524，2013-473，2015-519).

收稿日期：2015-11-25