基于載體、技術(shù)與分組三維交互的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)

陳耿彪+黃浩銘

[摘 ? ?要] ? ?以柔性制造系統(tǒng)控制開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)為例，介紹一種集載體、技術(shù)與分組三維交互的大學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)培養(yǎng)新模式，其實(shí)施過(guò)程不僅可以大大減少指導(dǎo)老師的工作量，而且能真正提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、技術(shù)交流能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。

[關(guān)鍵詞] ? ?三維交互;科學(xué)素養(yǎng);本科實(shí)驗(yàn)

[中圖分類(lèi)號(hào)] ? ?G642.0 ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號(hào)] ? ?1005-4634（2014）06-0101-03

開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的能力一直受到各高校的重視。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力在高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)中起著基礎(chǔ)性的關(guān)鍵作用，有十分重要的地位[1]。為了適應(yīng)大學(xué)生素質(zhì)教育，很多高校增加了實(shí)驗(yàn)課的學(xué)時(shí)，建設(shè)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)綜合性與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生的動(dòng)手能力，但是由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)數(shù)和指導(dǎo)老師少，學(xué)生人數(shù)多，實(shí)驗(yàn)的作用遠(yuǎn)未發(fā)揮出來(lái)。針對(duì)這種弊端，本文在柔性制造系統(tǒng)FMS（Flexible Manufacturing System）開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過(guò)程中，采用載體（Carrier）、技術(shù)（Technology）與分組（Grouping）三維交互的大學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)培養(yǎng)模式（下文簡(jiǎn)稱(chēng)CTG模式），以3～5位學(xué)生為一組劃分組數(shù)，構(gòu)成X軸，實(shí)驗(yàn)所使用的設(shè)備模塊數(shù)作為Y軸，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及到的技術(shù)類(lèi)型作為Z軸，采用三維交互模式（如圖1所示）進(jìn)行技術(shù)交流，其中圖中坐標(biāo)點(diǎn)表示第4小組在第5個(gè)模塊上的4號(hào)技術(shù)的應(yīng)用，配合合適的技術(shù)交流策略，使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)迅速掌握大量的技術(shù)知識(shí)和操作技能，起到事半功倍的效果。

下文以柔性制造系統(tǒng)FMS控制實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)介紹CTG模式的實(shí)施過(guò)程。

1 ? ?實(shí)驗(yàn)載體、技術(shù)、分組選定

1.1 ? ?實(shí)驗(yàn)載體選擇

本FMS控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由供料檢測(cè)單元、搬運(yùn)單元、加工單元、操作手單元、圖像檢測(cè)單元、提取單元、機(jī)器人單元、安裝單元、自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)單元、分裝提取單元、分裝輸送單元、環(huán)形輸送線(xiàn)等12個(gè)單元模塊組成，能完成工件供料、搬運(yùn)機(jī)械手夾取、加工檢測(cè)、搬運(yùn)、圖像檢測(cè)、提取分揀、裝配、倉(cāng)儲(chǔ)、物流、分裝提取、分裝輸送以及環(huán)形輸送等功能。

由于上述12個(gè)單元存在部分功能重疊現(xiàn)象，篩選出加工單元、圖像檢測(cè)單元、機(jī)器人單元、安裝單元、自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)單元、分裝輸送單元等6個(gè)單元模塊作為實(shí)驗(yàn)研究載體。

1.2 ? ?技術(shù)類(lèi)型提取

分析上述選定6個(gè)實(shí)驗(yàn)載體的工作原理及控制方式，提煉出氣動(dòng)技術(shù)、PLC控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、變頻技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、機(jī)電傳動(dòng)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、圖像處理技術(shù)、繼電器應(yīng)用技術(shù)等9大應(yīng)用技術(shù)作為學(xué)習(xí)目標(biāo)。

1.3 ? ?實(shí)驗(yàn)分組

一般來(lái)說(shuō)，參加開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的學(xué)生人數(shù)為30人左右，為了敘述方便，本文以27人為例，每3人一組，劃分為9個(gè)小組，劃分原則為：

1）與技術(shù)類(lèi)型數(shù)匹配原則（組間）：9個(gè)小組對(duì)應(yīng)9種技術(shù)，使每個(gè)小組都能分配到一種技術(shù)去實(shí)踐、掌握，形成自身的專(zhuān)門(mén)技術(shù)用于交流與傳授。

2）興趣相同原則（組內(nèi)）：興趣相同能使組員易于形成共識(shí)，鉆研相同的目標(biāo)。

3）能力互補(bǔ)原則（組內(nèi)）：能力互補(bǔ)使小組技術(shù)結(jié)構(gòu)合理，能順利完成綜合性技術(shù)任務(wù)。

4）能力均衡原則（組間）：使各小組水平相近交流，有利于組間交流、學(xué)習(xí)。

小組成員確定后，必須選舉出一位小組長(zhǎng)，實(shí)行“組長(zhǎng)負(fù)責(zé)制”，這樣有三大好處：首先，主導(dǎo)小組學(xué)習(xí)方向，調(diào)整目標(biāo)完成進(jìn)度;其次，組織組內(nèi)成員學(xué)習(xí);再次，引導(dǎo)組內(nèi)交流;最后，帶領(lǐng)小組進(jìn)行組間交流與專(zhuān)門(mén)技術(shù)傳授。

小組的主要任務(wù)如下。

1）制定實(shí)驗(yàn)方案：根據(jù)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)方案的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性、可操作性、準(zhǔn)確度與可靠性等特點(diǎn)[2]，學(xué)習(xí)吸收好實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想、條件控制方法和減少誤差的操作注意點(diǎn)，設(shè)計(jì)優(yōu)化一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)方案[3]。

2）方案實(shí)施與修正：在實(shí)施方案的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，再做出相應(yīng)的調(diào)整。

3）解決技術(shù)問(wèn)題：提出技術(shù)問(wèn)題加以解決，并形成本組的專(zhuān)門(mén)技術(shù)。

4）交流傳授：傳授專(zhuān)門(mén)技術(shù)，并處理交流中的反饋信息。

2 ? ?三維交互方法與成果

實(shí)驗(yàn)載體、技術(shù)、分組等三個(gè)維度選定后，采用如圖2所示的專(zhuān)門(mén)技術(shù)交互策略，及表1所示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，即可實(shí)現(xiàn)三維度的有效耦合。表1中Z下面的數(shù)字1～9分別表示氣動(dòng)技術(shù)、PLC控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、變頻技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、機(jī)電傳動(dòng)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、圖像處理技術(shù)、繼電器應(yīng)用技術(shù)等9大應(yīng)用技術(shù)，Y列的數(shù)字1～6分別表示加工單元、圖像檢測(cè)單元、機(jī)器人單元、安裝單元、自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)單元、分裝輸送單元等6個(gè)單元模塊，表中的兩位數(shù)字項(xiàng)表示行欄技術(shù)在列欄實(shí)驗(yàn)載體中的應(yīng)用研究，表中的“＼”表示行欄技術(shù)在列欄實(shí)驗(yàn)載體中沒(méi)有得到應(yīng)用，比如，11表示為氣動(dòng)技術(shù)在加工單元中的應(yīng)用研究，53表示傳感器技術(shù)在自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)單元中的應(yīng)用研究。

表1 ? ?FMS控制實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

Z

Y ? ? ? ? ? ? ? 1 ? ? ? 2 ? ? ? 3 ? ? ? 4 ? ? ? 5 ? ? ? 6 ? ? ? 7 ? ? ? 8 ? ? ? 9

1 ? ? ? ? ? ? ? 11 ? ? 12 ? ? 13 ? ? 14 ? ? 15 ? ? 16 ? ? ? ＼ ? ? ? ?＼ ? ? ?19

2 ? ? ? ? ? ? ? 21 ? ? 22 ? ? 23 ? ? ?＼ ? ? ? 25 ? ? ?＼ ? ? ? ?＼ ? ? ? 28 ? ? 29

3 ? ? ? ? ? ? ? 31 ? ? 32 ? ? 33 ? ? 34 ? ? 35 ? ? 36 ? ? 37 ? ? ? ＼ ? ? ?39

4 ? ? ? ? ? ? ? 41 ? ? 42 ? ? 43 ? ? ?＼ ? ? ? 45 ? ? ?＼ ? ? ? ?＼ ? ? ? ? ＼ ? ? ?49

5 ? ? ? ? ? ? ? 51 ? ? 52 ? ? 53 ? ? 54 ? ? 55 ? ? 56 ? ? 57 ? ? ? ＼ ? ? ?59

6 ? ? ? ? ? ? ? 61 ? ? 62 ? ? 63 ? ? 64 ? ? 65 ? ? 66 ? ? ?＼ ? ? ? ? ＼ ? ? ?69

指導(dǎo)老師先整套示范操作一次FMS系統(tǒng)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)基本的操作。在此基礎(chǔ)上實(shí)施如下的GCT交互實(shí)施方案如下。

第一步，學(xué)生根據(jù)興趣自愿選擇加入上述的9個(gè)技術(shù)小組，指導(dǎo)老師依據(jù)分組的四大原則調(diào)整好各小組的團(tuán)隊(duì)結(jié)構(gòu)及水平層次。

第二步，各小組集中力量解決各自組所承擔(dān)的技術(shù)專(zhuān)項(xiàng)攻克任務(wù)，形成自己的專(zhuān)長(zhǎng)技術(shù)。

第三步，各小組向其他所有小組同學(xué)分享、教授自己的專(zhuān)長(zhǎng)技術(shù)。

第四步，利用學(xué)到的9大技術(shù)綜合應(yīng)用到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)載體中，獲得全面的技術(shù)解決方案。

傳統(tǒng)教學(xué)中，9個(gè)小組學(xué)習(xí)9種技術(shù)在6個(gè)不同的單元模塊得到完全應(yīng)用，需要9€？€？=486個(gè)實(shí)驗(yàn)歷程，而采用GCT交互模式，只需要進(jìn)行6個(gè)實(shí)驗(yàn)歷程。即要做486次實(shí)驗(yàn)才能完成的實(shí)驗(yàn)，只需6次即可完成，并能最大程度得到所有技術(shù)的解決方案，大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)的人力、物力、時(shí)間等資源，而且學(xué)習(xí)效果良好，全面培養(yǎng)了學(xué)生的自主探究能力、技術(shù)分享技巧、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，以及技術(shù)綜合應(yīng)用技能。

3 ? ?總結(jié)

載體、技術(shù)與分組三維交互的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法以實(shí)驗(yàn)載體為依托，歸納其涉及的技術(shù)作為分組的依據(jù)之一，結(jié)合興趣相同、能力互補(bǔ)、能力均衡等其它三原則劃分合理的小組，采用小組長(zhǎng)負(fù)責(zé)制專(zhuān)攻某門(mén)技術(shù)，形成本組的專(zhuān)門(mén)技術(shù)，再以“一對(duì)多”的技術(shù)分享方式實(shí)現(xiàn)各小組專(zhuān)門(mén)技術(shù)的相互傳授與信息反饋，至此，各小組都獲得了實(shí)驗(yàn)載體所包含的全部技術(shù)。最后，選用某一載體去實(shí)踐應(yīng)用，即可得到全面的技術(shù)解決方案。本模式以學(xué)生為主體，可用于各種實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，經(jīng)課程實(shí)習(xí)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、科技創(chuàng)新活動(dòng)等實(shí)踐環(huán)節(jié)應(yīng)用證明，它不僅有效解決了指導(dǎo)老師不足的問(wèn)題，而且對(duì)知識(shí)與技能的傳播效率高、教學(xué)效果好。FMS控制開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的研究主題“柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)PLC軟件控制與通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”獲得了長(zhǎng)沙理工大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目”即是明證之一，更重要的隱性成果是培養(yǎng)了大批具有創(chuàng)新意識(shí)、溝通交流能力和團(tuán)體合作精神的大學(xué)生。

參考文獻(xiàn)

[1]許家瑞，周勤，陳步云等.構(gòu)建創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26（5）：2-4.

[2]藍(lán)軍.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)初探[J].樂(lè)山師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，21（12）：39-41.

[3]梁旭.教師實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力的差異及提升方法[J].物理教學(xué)，2010，32（11）：37-39.