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(chǔ)，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(yīng)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(yīng)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(chǔ)。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?zāi)芰蛢x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(shè)計電機相關(guān)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(shè)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(shè)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(chǔ)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(guān)鍵作用。實驗教學質(zhì)量不能適應(yīng)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(chǔ)。

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(chǔ)性實驗，考查學生基礎(chǔ)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(chǔ)知識的應(yīng)用能力；設(shè)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(guān)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(chǔ)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(shè)計性實驗，如霧霾監(jiān)測模塊，需前端傳感器通道感知相應(yīng)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?？蓪崿F(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?？蓪崿F(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(shè)計成智能掃地機器人。

(9) 智能農(nóng)業(yè)模塊?？蓪崿F(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。可實現(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?？蓪崿F(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(shù)性實驗屬基本實驗，必修環(huán)節(jié)，檢查學生對專業(yè)基礎(chǔ)知識、原理等掌握情況，考核與評價主要針對實驗前預(yù)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(shè)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(shè)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(guān)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(chǔ)。

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(yīng)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(shù)、實施方案等應(yīng)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(chǔ)。