華 蕊 唐東煒 吳 茂 盧清華 李 偉

1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院 廣東佛山 528000

2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院自動化學(xué)院 廣東佛山 528000

當前我國正處在工業(yè)化快速發(fā)展期，對高素質(zhì)的應(yīng)用型本科人才需求旺盛，尤其是理工科人才。那么，如何培養(yǎng)這樣的人才，是高校、科研院所、企業(yè)乃至全社會一直在探究和實踐的課題。2006年，當時的華中科技大學(xué)校長李培根院士，曾提出“主動實踐是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的關(guān)鍵”。并指出，我國高校從來不缺少實踐環(huán)節(jié)，但我們的實踐是“被動實踐”。所謂“被動實踐”是指，實踐的對象、方法、程序等關(guān)鍵要素都是教師制訂的，學(xué)生在教師規(guī)定的框架中，沿著制定的路線完成實踐任務(wù)。他們的創(chuàng)新思想無從建立，因此，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)呼喚主動實踐[1]。近年來，許多高校都做了大膽的嘗試和實踐工作。如：華北電力大學(xué)的平萍對高校學(xué)生實踐能力培養(yǎng)進行了研究，構(gòu)建了高校學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)模式[2]；華中科技大學(xué)的姜芳等進行了利用主動實踐模式培養(yǎng)大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的實踐[3]；華東船舶工業(yè)學(xué)院提出了“工科機械類學(xué)生創(chuàng)新能力體系結(jié)構(gòu)”，優(yōu)化了人才培養(yǎng)方案和專業(yè)教學(xué)計劃，加強在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，取得了較好效果[4]。我們是地方普通高校，多年來以創(chuàng)意組合模型為依托，從創(chuàng)建主動實踐環(huán)境和實踐項目著手，在創(chuàng)新模型設(shè)計、控制器硬件設(shè)計、控制軟件設(shè)計等方面，培養(yǎng)了學(xué)生的主動實踐能力和創(chuàng)新能力。

1 創(chuàng)建主動實踐環(huán)境和主動實踐項目

主動實踐是讓學(xué)生盡可能真正作為主體參與實踐活動的各個環(huán)節(jié)，包括資料的檢索、對象的確定、方法的制訂、程序(路線)的設(shè)計、問題質(zhì)疑、分析總結(jié)等[1]。在這個過程中，學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動性，利用已學(xué)知識，或根據(jù)需要自學(xué)知識，完成實踐活動中的各個環(huán)節(jié)，這將大大提高學(xué)生的質(zhì)疑能力，分析問題和解決問題的能力。因此，應(yīng)該把主動實踐的理念貫穿在學(xué)習的各個環(huán)節(jié)中。

1.1 創(chuàng)建主動實踐環(huán)境

對于工科大學(xué)生來說，實驗室是培養(yǎng)學(xué)生主動實踐能力和創(chuàng)新能力不可或缺的場所。我校機電工程系在2001年創(chuàng)建了創(chuàng)新實驗室，先后購買了30多套創(chuàng)意模型組件及若干散件。這些創(chuàng)意模型組件是技術(shù)含量很高的工程技術(shù)類智趣拼裝模型，能夠展示科學(xué)原理和技術(shù)過程，涵蓋了機械、電子、控制、氣動、汽車技術(shù)、能源技術(shù)和機器人技術(shù)等領(lǐng)域和高新學(xué)科。利用工業(yè)標準的基本構(gòu)件(機械元件/電氣元件/氣動元件)，輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件的配合，運用設(shè)計構(gòu)思和實驗分析，可以實現(xiàn)技術(shù)過程的還原，更可以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和大型機械設(shè)備操作的模擬，從而為實驗教學(xué)、科研創(chuàng)新和生產(chǎn)流水線可行性論證提供了可能。我校創(chuàng)新實驗室的模型有：工業(yè)機器人、氣動機器人、移動機器人等。創(chuàng)新實驗室還配備了計算機、PLC控制器、編碼器、步進電機、伺服電機、光柵尺等其他設(shè)備。

創(chuàng)新實驗室采用的是開放式的管理模式，即3個開放。(1)學(xué)生主體開放：學(xué)生完全采用自愿報名的方式進行。眾所周知，興趣是創(chuàng)新的源泉，知識是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，從以往的實踐中證明，創(chuàng)新實驗室的開放首先吸引的是成績較好、思維活躍敏捷的學(xué)生，通過他們的帶動，越來越多的學(xué)生加入到了這個行列，培養(yǎng)創(chuàng)新能力的同時，也促進了學(xué)生學(xué)習本專業(yè)課程知識的積極性，形成了較好的良性循環(huán)。(2)時間開放：學(xué)生可以提前1周預(yù)約進實驗室的時間，教師盡可能地滿足學(xué)生的要求。(3)實驗設(shè)備開放：在符合實驗設(shè)備操作規(guī)范的前提下，開放學(xué)生所需的各種設(shè)備。上述3個開放雖然給實驗室教師增加了許多工作量，但學(xué)生的進步和取得的成績，是教師最大的欣慰。

1.2 創(chuàng)建主動實踐項目

主動實踐項目創(chuàng)建于課外科技活動和典型實踐環(huán)節(jié)中。我校在課外科技活動中設(shè)有學(xué)生學(xué)術(shù)基金項目和實驗室開放基金項目，學(xué)生可以根據(jù)專業(yè)特色和專業(yè)優(yōu)勢互補等，自由組合團隊，在教師的啟發(fā)和指導(dǎo)下申報項目。

近年來，大學(xué)生、研究生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目也陸續(xù)出臺，有省級和國家級的，團隊的教師積極組織申報，并已獲批。

另外，按我校人才培養(yǎng)計劃，學(xué)生在四年級時開設(shè)了“綜合課程設(shè)計”實踐環(huán)節(jié)，這個環(huán)節(jié)是僅次于“畢業(yè)設(shè)計”的重要實踐環(huán)節(jié)，它能比較系統(tǒng)地訓(xùn)練學(xué)生的質(zhì)疑能力、提出問題能力，以及研究問題和解決問題的能力。

2 主動實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

主動實踐的理念適合不同學(xué)科，對于工科學(xué)生來說，更多地注重實體的對象，如機器、零部件等，而創(chuàng)新也不是那么的抽象，例如機械專業(yè)的學(xué)生學(xué)過機械原理與零件課程以后，有可能根據(jù)工業(yè)或社會需求,構(gòu)想一種新型的機械。或許其中所用的所有原理都是已知的，但其知識集成卻可能是新的，這個過程就是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的過程。圖1是模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括創(chuàng)意組合模型、控制器和控制系統(tǒng)三部分，下面通過介紹它們的設(shè)計，闡述如何培養(yǎng)學(xué)生主動實踐能力和創(chuàng)新能力。

圖1 模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 模型的創(chuàng)新設(shè)計

創(chuàng)意模型具有啟迪、誘導(dǎo)作用，而沒有預(yù)先設(shè)定的框框和結(jié)論，創(chuàng)意無止境，一切要靠學(xué)生自主探索、想象、構(gòu)思、設(shè)計。模型的創(chuàng)新設(shè)計適合于各個年級的學(xué)生，整個設(shè)計過程大致分兩個階段。第一階段是模仿學(xué)習階段，學(xué)生通過對模型組件的資料、圖片、實物進行觀察、研究和琢磨，進而進入自主性學(xué)習和模仿性實驗，多數(shù)學(xué)生不會停留在這一模仿學(xué)習階段，順理成章地進入到了第二個階段—創(chuàng)意設(shè)計和組合裝配階段，學(xué)生根據(jù)生產(chǎn)實踐和生活經(jīng)驗，既大膽設(shè)想，又在原模型的基礎(chǔ)上改良、改進，腳踏實地進行設(shè)計組合和裝配，運用集體智慧攻關(guān)、設(shè)計出自己的創(chuàng)意作品。在這個過程中，有的發(fā)明和設(shè)計是現(xiàn)實生活尚未有的，但充滿著創(chuàng)意和想象，目前雖還不能實施，可能會隨著生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展在將來某一個時期得到認可并開發(fā)應(yīng)用。例如：在“計算機組合包”的應(yīng)用實踐中，提供的樣本是運用簡單六面拼裝塊范例中創(chuàng)意組合成九種機械裝置樣本，即：工業(yè)機械手、投幣機、糖果分撿機、包裝機、音樂彈奏器、磁卡插卡機、電子游戲機、自控繪圖儀、掃描印刷機。有的學(xué)生設(shè)計出無人駕駛的“主戰(zhàn)坦克”，還有些學(xué)生則改進為“聯(lián)合收割機”等。在創(chuàng)意設(shè)計過程中，教師只起輔助作用，體現(xiàn)了學(xué)生是創(chuàng)新設(shè)計的主體。

學(xué)生設(shè)計出了上百套模型，這些模型，有些是學(xué)生趣味性的設(shè)計，可能對功能考慮不周，但也要給予鼓勵和引導(dǎo)；有些模型則功能較完善，對真實的機械裝置設(shè)計有借鑒作用。

2.2 硬件創(chuàng)新設(shè)計

如圖1所示，控制器是連接模型和控制系統(tǒng)的橋梁，通常這個控制器采用產(chǎn)品提供的現(xiàn)成接口板，以及擴展板，但學(xué)生在使用過程中發(fā)現(xiàn)了它有一定的局限性，例如：第一代接口板，接口數(shù)量偏少，對復(fù)雜模型的控制無法完整實現(xiàn)等；第二代接口板是中間過渡產(chǎn)品，目前較少應(yīng)用；第三代接口板及控制軟件都有了較大改進，它能在ROBOPro編程環(huán)境下編寫比較復(fù)雜的程序，而對其他的控制方式(如：VB，VC等)較難實現(xiàn)，訓(xùn)練學(xué)生用代碼編程方面有一定限制。因此，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，充分分析各器件的使用參數(shù)，提出設(shè)計要求，擬定設(shè)計方案，實施電路原理設(shè)計、電路板設(shè)計等工作，完成了專用控制器和通用控制器的設(shè)計。例如：在專用控制器控制的智能儲物系統(tǒng)，硬件部分由字符型液晶顯示器、按鍵、雙單片機和傳感器等組成，在軟件控制下實現(xiàn)了車體的尋跡、避障和定位等功能，液晶顯示器能實現(xiàn)用戶和系統(tǒng)的交互訪問。圖2是通用控制器，a是控制器實物圖，b是控制器功能圖，它是在滿足原控制器功能的前提下，又實現(xiàn)了數(shù)字量的I/O數(shù)目倍增，還增加了對電機的調(diào)速控制，以及2個超聲波傳感器接口USB1和USB2，測量范圍是0～400cm。這部分工作適合學(xué)習了電子技術(shù)、單片機原理及應(yīng)用等課程的學(xué)生，對知識結(jié)構(gòu)和學(xué)習能力都有較高要求，因此適合高年級、研究生和有較強學(xué)習能力及鉆研精神的學(xué)生。

圖2 通用控制器

另外，圖1中的控制器也可以用PLC控制器替代，我校實驗室提供了目前應(yīng)用較多的三菱FX1N系列控制器，它是由日本三菱公司生產(chǎn)的一種超小型PLC，主要用于較簡單的開關(guān)量控制，配以模擬單元也可進行模擬量控制。用PLC控制機械模型，適合學(xué)過電氣控制與PLC應(yīng)用課程的學(xué)生，由于機械模型各不相同，因此PLC的接線設(shè)計、程序設(shè)計也不同，能正確完成設(shè)計，使學(xué)生的主動實踐能力有很大提高。

2.3 控制軟件創(chuàng)新設(shè)計

學(xué)生不僅要設(shè)計、組合一個能反映工程技術(shù)過程或現(xiàn)實生活過程的機器或機器人實體，還要學(xué)會運用現(xiàn)代科技工具，結(jié)合計算機語言的編程，對自行設(shè)計的模型進行編程和控制。根據(jù)學(xué)生的知識儲備不同，分為3個層次指導(dǎo)學(xué)生編程，控制機械模型的正確工作。第1層次—初級階段，適合低年級學(xué)生，采用ROBOPro編程軟件編寫程序，ROBOPro是圖形化、模塊化編程軟件，與其接口板配套使用，它是圖形化編程語言，運用形象、直觀的圖標來表示運行的程序，具有語言簡潔、直觀、易學(xué)易懂、便于調(diào)試等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對模型的實時控制。第2層次—中級階段，適合學(xué)習過電氣控制與PLC應(yīng)用課程或有一定自學(xué)能力的學(xué)生，推薦使用PLC編程或Lab VIEW編程，PLC編程是利用三菱PLC自帶的Fxgpwin軟件, 能在計算機上進行編輯程序、修改程序，然后通過RS232串行通信接口，可直接將修改、完善的程序輸入到PLC的EPROM里，進入最后的調(diào)試工作。Lab VIEW軟件是流行于自動化和測控領(lǐng)域的一種適合于儀器控制和數(shù)據(jù)采集的圖形化程序語言，它具有直觀易學(xué)等特點，應(yīng)用Lab VIEW軟件對于機械模型的控制，要遵循接口板的串行通訊協(xié)議，應(yīng)用Lab VIEW串口通信功能，正確恰當?shù)厥褂肰ISA函數(shù)，就能快速、高效地開發(fā)出交互性良好、界面元素豐富的控制程序，文獻[5]有詳細介紹，這里不再贅述。第3層次—高級階段，推薦學(xué)生使用Visual Basic，Visual C++，C#等面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，不僅能實現(xiàn)對機械模型的本地控制，還能通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程控制，文獻[6]有詳細介紹，這里也不再贅述。

學(xué)生在編制軟件過程中，培養(yǎng)了邏輯思維、提高了編程能力，同時也培養(yǎng)了他們美學(xué)方面的素質(zhì)，即學(xué)生設(shè)計了非常美觀、交互性強的操作界面。

3 結(jié)語

創(chuàng)新人才培養(yǎng)是一種全新的人才培養(yǎng)模式，同時也是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。上面所述是基于組合模型進行的教學(xué)實踐，由于模型沒有肯定的標準答案和固定的模式，不受教材制約，培養(yǎng)了學(xué)生探索精神和創(chuàng)造能力，同時也是學(xué)生將多門已學(xué)過和自學(xué)的理論知識用于實踐中的好典范。團隊教師還指導(dǎo)學(xué)生多次參加全國機械設(shè)計創(chuàng)新大賽，取得了較好成績。因此，我們在繼續(xù)這種培養(yǎng)方式的同時，還要不斷探索、不斷完善，爭取培養(yǎng)大批適應(yīng)形勢發(fā)展、適應(yīng)時代要求的創(chuàng)新人才。

[1] 李培根.主動實踐:培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵[J].中國高等教育,2006(11):17-18.

[2] 平萍.高校學(xué)生實踐能力培養(yǎng)研究[D].北京:華北電力大學(xué),2008.

[3] 姜芳,劉鐵鋒.主動實踐，培養(yǎng)大學(xué)生科技創(chuàng)新能力[J]高等工程教育研究,2007(6):97-99.

[4] 王明強,王黎輝,佘建國.工科機械類大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究與實踐[J].大學(xué)教育科學(xué),2003(4):39-41.

[5] 唐東煒,安軍,肖周勇.基于Lab VIEW的慧魚機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J]中國現(xiàn)代教育裝備,2008(11):50-51.

[6] 華蕊,唐東煒,譚偉潦.基于VB對“慧魚模型”遠程控制的實現(xiàn)[J]現(xiàn)代制造工程,2004(6):72-74.