婁軍強，陳特歡，崔玉國，馬劍強

（寧波大學機械工程與力學學院 浙江 寧波 315211）

工程教育專業(yè)認證是針對高等教育本科工程類專業(yè)教育開展的專門性評價[1]，旨在提升工科專業(yè)學生的培養(yǎng)質(zhì)量，實現(xiàn)工程教育質(zhì)量的國際認可[2]。實訓是機械專業(yè)教學中十分重要的一環(huán)，可以培養(yǎng)學生將知識和技能緊密結(jié)合的能力，切實解決生產(chǎn)中的實際問題[3]。然而，傳統(tǒng)的實訓項目往往按照給定的流程讓學生進行實驗測試，簡單地分析實驗結(jié)果，缺乏對實驗結(jié)果的思考與討論[4]，且實訓內(nèi)容通常注重于一門課程，導致學生不能通過實訓將各課程聯(lián)系起來[5]，學生處于被動學習的狀態(tài)，限制了其探索精神以及創(chuàng)新能力，違背了教學的初衷[6]。因此，高校勢必要對傳統(tǒng)實訓項目進行改進，提高學生興趣，激發(fā)學生的創(chuàng)造力，以達到培養(yǎng)具備工程實踐能力的機械人才的目的。

1 目前實踐教學中存在的問題

機械專業(yè)實訓作為機械設計制造及其自動化、機械電子工程等機械本科專業(yè)教學必不可少的一環(huán)，其中涉及的知識理論性強，具有一定難度，內(nèi)容較抽象[7]。傳統(tǒng)的實訓項目通常是按照既定的流程測試實驗數(shù)據(jù)，并對實驗結(jié)果進行簡單的分析驗證，且往往只為某一門課程專項配置[8]，學生只能死記硬背，這種刻板的實訓模式限制了學生的探索精神以及創(chuàng)造力，導致學生無法很好地將各理論課程聯(lián)系起來，且學生在解決相關工程問題時無法完成基本的測試對象分析、測試方案的設計、測試系統(tǒng)的操作、測試數(shù)據(jù)的采集、處理與解釋等任務[9]。綜上所述，現(xiàn)教學內(nèi)容和實踐環(huán)境并不同步，因此有必要開展機械專業(yè)機電綜合實訓，解決學生對所學內(nèi)容無法直接應用于未來任職崗位的問題[10]。

2 工程認證背景下機電綜合實訓教學改革的意義

工程教育認證倡導 “成果導向教育” ，注重培養(yǎng)學生的學習效果和核心能力，不斷完善我國的工程教育質(zhì)量監(jiān)控體系[11]。工程認證背景下的機電綜合實訓，以培養(yǎng)學生的綜合能力為目標，激發(fā)學生積極參與實踐的學習意愿，保證學生的工程能力水平[12]。學生通過實訓可以掌握機電一體化系統(tǒng)的基本組成、控制方式、控制對象的基本特征及工作機理，最終通過考核體系評估學生對知識的掌握程度，從而滿足當前工程行業(yè)的需求。

3 工程認證背景下機電綜合實訓項目設計

3.1 實訓項目總體框架

本實訓項目要求學生設計搭建一個基于應變傳感器的測量系統(tǒng)，完成對二階系統(tǒng)動態(tài)特性的測試與數(shù)據(jù)分析。懸臂梁作為工程領域中典型的二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，針對懸臂梁這一測試對象，設計合理的電橋電路并進行調(diào)試來對其應變傳感器的輸出信號進行放大、濾波與采集，并對采集信號進行特性分析（圖1）。

圖1 實訓內(nèi)容

3.2 實訓項目具體內(nèi)容

3.2.1 懸臂梁動力學建模

以y x，t表示懸臂梁的橫向位移，它是截面位置x和時間t的二元函數(shù)，以f x，t表示作用于梁上的單位長度的橫向力，有懸臂梁在鉛垂y 方向的動力學方程為

式中：（x） 單位體積質(zhì)量；A（x） 橫截面積；EJ（x）——彎曲剛度；E——彈性模量；J（x）——橫截面對垂直于x和y軸且通過橫截面形心的軸的慣性矩。

利用懸臂梁的初始條件以及四個邊界條件可以求解出梁的固有頻率為

式中：l——梁的長度。實驗梁材料為鋁，其一、二、三階特征頻率分別為。其對應參數(shù)如表1 所示。

表1 懸臂梁參數(shù)

代入可以求得懸臂梁的理論一階固有頻率約為52.4Hz。

3.2.2 測量系統(tǒng)設計及搭建

實驗整體示意圖如圖2 所示，通過粘貼于懸臂梁根部的電阻應變器對懸臂梁的位移進行測量，并通過彎曲放大模塊以及NI 板卡將電阻應變片產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號傳輸至計算機，通過計算機內(nèi)的信號采集分析軟件對實驗數(shù)據(jù)進行采集以及分析。

圖2 實驗示意圖

實際電路是由貼在懸臂梁根部兩側(cè)的共四片電阻應變片搭建成的全橋電路，其四根導線分別與彎曲模塊的IN+、IN-、基準電壓的輸入以及輸出相連，再把彎曲模塊上的GND、+5V 以及OUT 與NI 數(shù)據(jù)采集卡的GND、+5V 以及AI0 口相連，數(shù)據(jù)采集卡用USB 線連接電腦。

3.2.3 數(shù)據(jù)采集程序設計

采用Labview 對懸臂梁的振動數(shù)據(jù)進行采集，實驗過程中的軟件界面如圖3（p78）所示，設置電壓值為±5V，接線端配置設置為差分，采樣數(shù)和采樣頻率設置為1000。點擊Labview 上的運行按鈕（Run）；給懸臂梁脈沖激勵，觀察由脈沖激勵引起梁振動衰減的曲線的波形，然后按下 “結(jié)束按鈕” ，完成采集。

圖3 軟件設計程序界面

3.2.4 信號分析處理

實驗數(shù)據(jù)的時域響應如圖4（a）（p78）所示，頻域響應如圖4（b）所示。

圖4 實驗結(jié)果

圖5 幅頻圖局部

4 機電綜合實訓項目效果及學生評價

為了驗證改革后實訓教學環(huán)節(jié)的實際效果，對寧波大學機械學院140 余名機械制造及其自動化專業(yè)的大三學生進行了問卷調(diào)查，結(jié)果如圖6（p79）所示。

圖6 調(diào)查結(jié)果

經(jīng)調(diào)查得知，82%的學生認為機電綜合實訓項目對他們的學習非常有幫助。在實驗過程中，學生對應變傳感器的靈敏度、測量范圍和數(shù)據(jù)處理技術等方面存在一定的困惑和難度，需要進一步加強教學指導和實驗操作培訓。通過一系列的實驗操作，如傳感器安裝、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等，訓練了學生的動手能力和技能，同時也有助于提高他們的實踐能力和解決問題的能力。

5 結(jié)語

機電綜合實訓是機械大類專業(yè)中一門重要的基礎課程，實訓課程能幫助學生更好地將理論知識與實際聯(lián)系起來。本文在工程認證的背景下，對機電綜合實訓進行了教學改革。整個實訓項目基于懸臂梁振動應變分析，從理論分析到實驗設計操作，讓學生在完成實訓項目的過程中，自己學會去查找資料及分析問題，將理論知識應用于實踐活動。通過彌補傳統(tǒng)教學模式的乏味不足之處，讓學生在學習過程中獲得了更高的參與感，其自主學習能力和工程實踐能力也得到了提升，成為能夠滿足國家需求的機械類合格畢業(yè)生。