魏艷紅, 許 昌, 王桂榮(中國計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018)

0 引 言

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010～2020年)》中關(guān)于高等教育的論述中明確提出：“全面提高高等教育質(zhì)量，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。教師要把教學(xué)作為首要任務(wù)，不斷提高教育教學(xué)水平，深化教學(xué)改革；支持學(xué)生參與科學(xué)研究，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)?！备叩葘W(xué)校作為人才培養(yǎng)的重要基地，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是其人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)提高方面有其獨(dú)特的作用[1-2]。因此提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，解決目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的諸多問題，顯得尤為重要。

從多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來看，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)主要存在以下問題：①盡管專業(yè)培養(yǎng)方案統(tǒng)籌了各課程之間的相互關(guān)系，但在實(shí)際的教學(xué)過程中，各課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間缺乏連貫性，學(xué)生經(jīng)過4年的學(xué)習(xí)還不能對自己所學(xué)的專業(yè)建立一個系統(tǒng)的概念[3-5]。②綜合性實(shí)驗(yàn)涉及的知識點(diǎn)比較多，尤為注重各個知識點(diǎn)的“銜接”，連貫性較強(qiáng)，目前在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核中越來越受到學(xué)校的重視。但是該類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目面臨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容跟不上學(xué)科前沿，有的甚至是已經(jīng)淘汰的技術(shù)[6-8]。③實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容缺乏工程實(shí)踐性，學(xué)生知道“應(yīng)該這么做”，卻不知道“這么做有什么用”，以及“如何用”。

根據(jù)我校機(jī)械電子工程專業(yè)的具體情況，引入了“科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”。教師的科研項(xiàng)目是學(xué)科的前沿，是對某專業(yè)問題的創(chuàng)新性研究。根據(jù)專業(yè)的培養(yǎng)方案選擇一系列科研項(xiàng)目，把科研工作的新進(jìn)展、新熱點(diǎn)及時補(bǔ)充到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容具有前沿性、系統(tǒng)性、連貫性，對學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到積極的作用。同時，科研項(xiàng)目的技術(shù)資料是很系統(tǒng)、先進(jìn)的“教科書”，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求修改為新的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書；其用于測試的模型機(jī)可加以改造，成為新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源，既豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，又避免了設(shè)備資源的浪費(fèi)[9-12]。

1 科研項(xiàng)目應(yīng)用于專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)和意義

我校機(jī)電工程學(xué)院具有很強(qiáng)的科研優(yōu)勢，機(jī)械電子學(xué)科的教師承擔(dān)了眾多的縱向與橫向科研項(xiàng)目。特別是一些緊跟時代前沿發(fā)展的項(xiàng)目，對該領(lǐng)域的發(fā)展過程有比較系統(tǒng)深入的研究，一般在項(xiàng)目結(jié)題后，后續(xù)的進(jìn)展基本與學(xué)校脫離了關(guān)系。怎樣讓更多優(yōu)秀的科研項(xiàng)目繼續(xù)服務(wù)于學(xué)校，服務(wù)于教學(xué)，是每個教師都應(yīng)該思考的問題。

跟蹤結(jié)題科研項(xiàng)目的后續(xù)進(jìn)展，延伸優(yōu)秀科研項(xiàng)目的價(jià)值，將“科研引入教學(xué)，服務(wù)于教學(xué)”，既避免了科研成果的浪費(fèi)，同時也節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)，為學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展起到了積極的作用。

(1) 促進(jìn)了學(xué)科的“特色”發(fā)展。在各個高校之間，同樣的專業(yè)其課程體系都差不多，學(xué)校為其配套的實(shí)驗(yàn)設(shè)施也基本類似，那么如何提高自己專業(yè)的競爭力呢？科研的前沿性、先進(jìn)性、創(chuàng)新性，不僅為學(xué)科的“特色發(fā)展”開辟了一條新的途徑，同時為學(xué)科以后的發(fā)展方向如何定位提供參考。

(2) 促進(jìn)了學(xué)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(shí)驗(yàn)教師的隊(duì)伍人數(shù)偏少，且實(shí)驗(yàn)教師的科研水平參差不齊，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高。引入科研項(xiàng)目，鼓勵優(yōu)秀的教師參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，壯大實(shí)驗(yàn)教師的隊(duì)伍，從一定程度上提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

(3) 促進(jìn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的重新調(diào)整。綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的比例已成為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核的一個重要指標(biāo)?？蒲袑?shí)驗(yàn)項(xiàng)目的引入，豐富了綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容，增加了綜合性實(shí)驗(yàn)的數(shù)量，加快了綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更新?lián)Q代的速度。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇

機(jī)械電子學(xué)科組織專家對各個教師完成的科研項(xiàng)目進(jìn)行評估，選擇一些跟專業(yè)主要課程切合度比較高的項(xiàng)目進(jìn)行立項(xiàng)。具體而言，就是要從專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角度分析、梳理科研項(xiàng)目的內(nèi)容，從中尋找與專業(yè)課程內(nèi)容相關(guān)的知識點(diǎn)，設(shè)立科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?？蒲袑?shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求具有創(chuàng)新性、綜合性、難易適中，可涵蓋多門專業(yè)課程知識點(diǎn)，有利于提高學(xué)生工程實(shí)踐能力等特點(diǎn)。

例如結(jié)合橫向科研項(xiàng)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(tǒng)設(shè)計(jì)”“基于三菱運(yùn)動控制單元的彎管機(jī)控制裝置”等一系列項(xiàng)目，設(shè)置了“4D影院動感座椅平臺控制系統(tǒng)”“音樂噴泉模型的設(shè)計(jì)”“數(shù)控彎管機(jī)的設(shè)計(jì)”等科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可用于“可編程控制器原理及應(yīng)用”“液壓傳動與氣壓傳動”“變頻伺服控制”“機(jī)電一體化”“工程綜合實(shí)踐”等專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為專業(yè)課程的實(shí)際應(yīng)用提供有力的支撐，提高學(xué)生對專業(yè)課程的認(rèn)可度，學(xué)有所用。

2.2 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的編寫及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罱?/h3>

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師與科研項(xiàng)目組教師共同編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，以科研項(xiàng)目的技術(shù)資料為基礎(chǔ)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉?、抽取來安排?shí)驗(yàn)項(xiàng)目的各個環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)的各個實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)應(yīng)充分兼顧學(xué)生已有的理論知識和接受程度，增強(qiáng)學(xué)生對科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的理解和接受能力；同時，適當(dāng)安排相關(guān)的理論學(xué)時加以補(bǔ)充，講解課題的研究背景、應(yīng)用范圍等，為項(xiàng)目的順利進(jìn)行打下基礎(chǔ)。

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)時，可以將整個科研項(xiàng)目細(xì)化為若干難度低的子任務(wù)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時，可根據(jù)自己的興趣愛好，自由選擇任務(wù)去完成。同時，要求學(xué)生自己查閱文獻(xiàn)資料，獲取相應(yīng)的信息，設(shè)計(jì)自己的任務(wù)方案，盡量要求學(xué)生獨(dú)立完成整個子任務(wù)。

如“4D影院動感座椅平臺控制系統(tǒng)”科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)其系統(tǒng)控制原理，細(xì)化為“座椅控制器的硬件電路設(shè)計(jì)、PLC與上位機(jī)的通信程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序”等若干子任務(wù)。

此外，在項(xiàng)目組教師的指導(dǎo)下，利用現(xiàn)有的測試設(shè)備搭建科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并從安全性、可靠性等角度考慮對其加以改進(jìn)，使之符合學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理與規(guī)范。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師選擇一門實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行小范圍試用，根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)一步修改實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，剔除其不合理的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，包括危險(xiǎn)因素存在比較多的項(xiàng)目、學(xué)生難于理解的項(xiàng)目等，增加科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與專業(yè)課程的融合度。

例如，在“數(shù)控彎管機(jī)的設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，發(fā)現(xiàn)有些程序設(shè)計(jì)會對彎管造成損傷，那么可在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時，補(bǔ)充相關(guān)的注意事項(xiàng)或提出改進(jìn)的方法?！耙魳穱娙Ｐ偷脑O(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對硬件設(shè)備的依賴性不是很強(qiáng)，因而可提前在可編程控制器上進(jìn)行軟件調(diào)試，軟件調(diào)試通過后再連入硬件。

2.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核評價(jià)

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，其考核評價(jià)的方式參考畢業(yè)設(shè)計(jì)開題答辯的模式。學(xué)生以PPT的形式進(jìn)行匯報(bào)，主要講解自己在項(xiàng)目中負(fù)責(zé)的部分，例如硬件電路設(shè)計(jì)、軟件算法、程序調(diào)試、數(shù)據(jù)測試分析等。教師根據(jù)學(xué)生回答問題的情況，給出相應(yīng)的答辯成績，該成績占實(shí)驗(yàn)總成績的80%。同樣，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容主要是自己負(fù)責(zé)的子任務(wù)，項(xiàng)目其他介紹性的內(nèi)容可以不寫，該部分占實(shí)驗(yàn)總成績的20%。最終的實(shí)驗(yàn)成績由兩項(xiàng)加權(quán)即可。

3 實(shí)例：4D影院動感座椅平臺控制系統(tǒng)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)背景

(1) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的動感平臺廣泛應(yīng)用于軍事、科研和工業(yè)等領(lǐng)域，例如用于宇航員、飛行員訓(xùn)練的航天模擬器、飛行模擬器等。在發(fā)達(dá)國家，也已將這一技術(shù)應(yīng)用于娛樂領(lǐng)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(xiàn)。放映動感電影的影院銀幕一般為穹幕，其座椅在計(jì)算機(jī)的控制下，產(chǎn)生3～6個自由度與銀幕內(nèi)容相配合的運(yùn)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(jī)械電子工程是機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)等有機(jī)融合而形成的一門綜合性學(xué)科，學(xué)科知識面廣，交叉性強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生接觸比較多的是各種各樣廠家的教學(xué)儀器所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如天煌教儀、浙江求是科教設(shè)備等。教學(xué)儀器中的控制對象是工程中實(shí)物的模型，與實(shí)物仍有較大的差別；同時，由于設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)的局限性，其設(shè)計(jì)方法與實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場也略有不同[15-17]。因而，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時，所需要思考的問題簡化了很多，很多在工業(yè)現(xiàn)場中出現(xiàn)頻率比較高的問題，被回避了，不利于學(xué)生動手能力的培養(yǎng)。因此，有必要引入實(shí)際的科研項(xiàng)目進(jìn)入實(shí)驗(yàn)課堂，切實(shí)解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備落后于工業(yè)實(shí)際應(yīng)用發(fā)展等問題，給學(xué)生創(chuàng)造更多的機(jī)會去解決現(xiàn)場中可能存在的問題，同時，鼓勵學(xué)生調(diào)整思維方式從實(shí)際應(yīng)用的角度，思考問題，解決問題，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)新的問題。

(3) 本實(shí)驗(yàn)以專用于4D影院動感座椅平臺控制系統(tǒng)為控制對象，選取核心控制部分設(shè)計(jì)了若干實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)充分考慮學(xué)生的基礎(chǔ)，提供多種設(shè)計(jì)方案，讓學(xué)生自己動手進(jìn)行操作，極大地發(fā)揮其主觀能動性。老師也對一些危險(xiǎn)因素做出警示，并采取了一些保護(hù)措施。

(4) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的部分內(nèi)容作為專業(yè)課程的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已進(jìn)行試教學(xué)，有相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生表示出了很大的興趣，表示能學(xué)、實(shí)用。該實(shí)驗(yàn)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣動座椅平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)

3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1) 了解氣動座椅平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

(2) 了解氣動座椅平臺的控制氣路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(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(diào)試技術(shù)。

3.3 實(shí)驗(yàn)原理

4D座椅動平臺由4套獨(dú)立的氣壓傳動裝置驅(qū)動，稱之為4個獨(dú)立的運(yùn)動軸，現(xiàn)以其中的一套為例加以說明其工作原理。該氣壓傳動系統(tǒng)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(chǎn)的DSE3，可用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方向和速度控制。

該系統(tǒng)的原理是PLC通過控制比例閥開口來調(diào)節(jié)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(guān)系)與輸入的目標(biāo)位置信號ui之間的誤差Δu逐漸變小，最終變?yōu)榱?，來達(dá)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(dāng)輸入的期望信號ui，

圖2 座椅氣壓傳動系統(tǒng)

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(fù)，直到Δu幾乎為零。反之，當(dāng)輸入的目標(biāo)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(diào)節(jié)過程使偏差趨于零。在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時，

Δu=0,ui=uf=ky

其中:k為比例系數(shù);y為氣缸活塞位移。這樣就實(shí)現(xiàn)了對氣缸活塞位移y對輸入信號的跟蹤。

3.4 實(shí)驗(yàn)子任務(wù)

(1) 利用C++設(shè)計(jì)簡單的人機(jī)交互界面。

(2) 設(shè)計(jì)座椅控制器的硬件電路。

(3) 分析系統(tǒng)的控制流程，畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移(SFC)圖，并調(diào)試出SFC圖。

(4) 設(shè)計(jì)PLC與上位機(jī)的通信程序。

(5) 根據(jù)系統(tǒng)要求，完成各個PLC子程序的設(shè)計(jì)，如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程序等。

(6) 利用Solidworks軟件設(shè)計(jì)示教平臺的機(jī)械模型。

(7) PLC與A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

3.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹

座椅平臺控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器(PLC)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、座椅控制器、示教平臺等。圖3所示為其控制系統(tǒng)組成框圖。影片放映時，計(jì)算機(jī)發(fā)送給PLC運(yùn)行數(shù)據(jù)，PLC通過D/A 轉(zhuǎn)換模塊發(fā)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(huán)控制。影片放映完畢時，PLC檢測到數(shù)據(jù)塊中的結(jié)束符“FF”即停止控制數(shù)據(jù)的輸出，同時系統(tǒng)各參數(shù)復(fù)位到初始狀態(tài)。其中示教平臺的設(shè)置較好的解決了座椅動作的編輯問題，使復(fù)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(tǒng)的組成

為了簡化座椅動作的在線編輯工作，增設(shè)了示教平臺。在自學(xué)習(xí)模式時，實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)放映內(nèi)容，手動調(diào)整示教平臺的運(yùn)動狀態(tài)，A/D模塊采集示教平臺的狀態(tài)反饋給PLC，PLC控制實(shí)際座椅跟隨示教平臺的動作進(jìn)行運(yùn)動，同時PLC將其動感數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲。播放模式時，計(jì)算機(jī)將存儲的動感數(shù)據(jù)傳送給PLC，PLC控制動感平臺動作，動感平臺復(fù)現(xiàn)了示教平臺自學(xué)習(xí)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(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

(2) 控制單元由PLC改為ARM系列微處理器，其硬件電路的設(shè)計(jì)方案。

(3) 運(yùn)動軸由4個改為3個，其平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)該如何設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語

“科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”的引入有效地解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備技術(shù)陳舊、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更新緩慢等問題?？蒲许?xiàng)目代表了當(dāng)今機(jī)械學(xué)科最新的研究方向，在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不僅促進(jìn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的重新調(diào)整，同時也為學(xué)科的“特色”發(fā)展保駕護(hù)航。延伸、拓展優(yōu)秀科研項(xiàng)目的價(jià)值，讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)變身為工程實(shí)踐教學(xué)，增加學(xué)生從事科研項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生面對工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)變能力。依托于省級“檢測與控制技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，目前，我們正嘗試在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方面進(jìn)行諸多探索，開發(fā)出一些有特色的科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并在學(xué)科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行小范圍試用，取得了良好的效果。

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