“機電一體化系統(tǒng)設計”課程實驗分級教學內容設計及考核模式改革

許　焰，朱宗銘，梁　亮，龐小兵

(長沙大學機電工程系,湖南 長沙 410022)

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“機電一體化系統(tǒng)設計”課程實驗分級教學內容設計及考核模式改革

許焰，朱宗銘，梁亮，龐小兵

(長沙大學機電工程系,湖南 長沙 410022)

摘要：分析了當前國內工科學生工程能力培養(yǎng)模式的不足，闡述了機械專業(yè)實驗分級教學的意義.以“機電一體化系統(tǒng)設計”課程實驗教學為例，對基礎級、拓展級和創(chuàng)新能力培養(yǎng)級各層級實驗教學內容進行了設計，改革了分級實驗教學考核模式，提高了實驗教學在課程考核中的比重，對不同層級的實驗成績及效果進行了量化.實踐證明機械專業(yè)實驗分級教學方式可有效地激發(fā)學生的學習興趣和主動性，專業(yè)知識實踐能力以及創(chuàng)新意識都有了不同程度的提高.

關鍵詞：機械專業(yè)；分級教學；實驗；考核模式

實驗教學是高等教育教學的一個重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學生實踐能力的重要途徑，是教學工作的重要組成[1].作為工科專業(yè)，機械專業(yè)的學生進入專業(yè)課學習后，課程實驗教學應該慢慢過渡到以工程訓練為目的的實驗模式[2].對機械專業(yè)學生就業(yè)現(xiàn)狀分析可知，社會對高質量的機電工程高素質應用型人才的需求量很大，企業(yè)難于招聘到合格人才；但是高校畢業(yè)生卻感嘆就業(yè)十分難，其中的問題在于高校培養(yǎng)人的才達不到企業(yè)的要求[3].通過與畢業(yè)學生座談及中聯(lián)重科和長泰機器人等用人單位交流，相關人士均反映機械專業(yè)學生的電類知識掌握都比較欠缺，工程應用能力相對較弱，造成上述現(xiàn)狀的主要原因之一是機械專業(yè)培養(yǎng)工程實踐能力的課程實驗教學環(huán)節(jié)達不到相應的要求，培養(yǎng)不出真正動力能力和工程實踐能力強的高素質應用型人才.

當前的專業(yè)實驗教學內容固定且長年不變，對一些學有余力的同學感覺太簡單，沒完全發(fā)揮自己的專業(yè)特長；而一些學習有困難的同學又覺得教學內容太難，實驗敷衍現(xiàn)象較普遍[4].這就使得當前的實驗教學效果不能讓大部分同學滿意，所以任課教師應盡可能根據(jù)學生的專業(yè)基礎，個性化地設置實驗教學內容，使不同學生均能掌握一定程度的專業(yè)知識及實踐能力，教學過程完全尊重學生個性，大力開展分級式實驗教學，真正實現(xiàn)因材施教，從而可為企業(yè)提供各種層次的專業(yè)技術人才.當前的現(xiàn)狀也突顯了如何開展實驗教學考核模式改革的重要性，實驗教學考核是十分重要的環(huán)節(jié)，可影響教學質量和學生的積極性、主動性[5].本文以“機電一體化系統(tǒng)設計”課程所涉及的實驗教學為改革對象，進行實驗分級教學內容設計及考核模式改革，并總結其改革效果，計劃在機械專業(yè)其他課程中推廣，對其他課程的實驗分級教學起到示范作用.

1“機電一體化系統(tǒng)設計”實驗分級教學內容設計

“機電一體化系統(tǒng)設計”是面向機械設計制造及其自動化本科專業(yè)學生開設的專業(yè)課，主要目的是使學生掌握機電一體化系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，對典型機電一體化系統(tǒng)設計方法進行闡述，學習機電一體化產品的結構、伺服控制及相關接口設計等內容，要求同學們掌握傳感技術在機電一體化系統(tǒng)設計中的應用、掌握控制電機及驅動技術、掌握工業(yè)控制微機及接口設計方法、掌握機電一體化系統(tǒng)的設計方法，提高學生分析問題、解決問題的實際能力，在培養(yǎng)機電復合型人才中具有重要的作用.

本課程共計40學時，其中實驗8學時，第七學期開設，先修課程主要有電工學、電子技術，PLC、機電傳動與控制和測試技術等.通過本項目的研究，“機電一體化系統(tǒng)設計”實驗分級教學內容分以下幾個層級進行設計：

1.1基礎級的實驗教學內容(4課時，必修)

要求了解步進電動機的驅動電源和電機的工作原理，使用示波器對步進電動機驅動電源的波形進行觀測，畫出步進電機處于三拍，六拍不同狀態(tài)時，驅動波形的關系.對步進電動機的動態(tài)性能進行測量，使用MEL系列電機系統(tǒng)教學實驗臺主控屏、電機導軌及測功機,轉速轉矩測量MEL-13、步進電動機M10、步進電機驅動電源MEL-10、雙蹤示波器.

(1)步進電動機驅動電源的波形進行觀測包括以下教學內容：

1)合上控制電源船形開關，分別按下“連續(xù)”和“正轉/反轉”，“三拍/六拍”，“啟動/停止”開關，使電機處于三拍正轉連續(xù)運行狀態(tài).

2)用示波器觀察電脈沖信號輸出波形(CP波形)，改變“調頻”電位器旋鈕，頻率變化范圍應不小于5Hz～1KHz(800 KHz)，從頻率計上讀出此頻率.

3)用示波器觀察環(huán)形分配器輸出的三相A，B，C波形之間的相序及其CP脈沖波形之間的關系.

4)改變電機運行方式，使電機處于正轉，六拍運行狀態(tài)，重復3).

5)再次改變電機運行方式，使電機處于反轉狀態(tài)，重復3).

(2)步進電動機的動態(tài)性能進行測量包括以下教學內容：

1)單步運行狀態(tài)測量步距角.

2)通過置數(shù)模式，測量角位移和脈沖數(shù)的關系.

3)對空載突跳頻率的測定.

4)空載最高連續(xù)工作頻率的測定.

5)轉子振蕩狀態(tài)的觀察.

6)平均轉速和脈沖頻率的關系.

7)矩頻特性的測定.

1.2拓展級的實驗教學內容(4課時，必修)

在基礎級完成后，同學們對步進電動機有了基本了解，須繼續(xù)完成拓展級的實驗內容，該部分包括以下教學內容：

使用THWJX-1五自由度機械手實驗裝置，要求同學們熟悉步進電機驅動器M415B的設置及驅動兩相步進電動機的方法，熟悉編程軟件的使用，熟悉脈沖輸出指令應用(PLSR).

浮標是一種對水文氣象環(huán)境進行長期、定點、實時、立體監(jiān)測的重要設備。富春江浮標站主體為船型結構,可測量江面溫濕度、雨量、風向風速、氣壓、富春江水溫、流速8個氣象要素數(shù)據(jù)。浮標錨泊系統(tǒng)是浮標采集系統(tǒng)的載體。它是由浮標體、錨系等組成。浮標體為船型鋼制框架結構,長4 m,寬2 m,吃水1 m。

根據(jù)I/O分配地址，通過程序編制，完成橫軸步進電動機完成以下功能：

(1)按下黃色“復位”按鈕，機械手橫軸先向左運動；到左邊原點(碰觸到右側限位X5)后，以相同的速度向右運動至零點(5000個脈沖)后停止.

(2)機械手橫軸復位完成后，可按綠色“啟動”按鈕啟動機械手，向右運動較長路程(30000個脈沖)靠近目標→0.2s后繼續(xù)向右運動到達目標(6000個脈沖)→0.6s返回零點(36000個脈沖)→完成后重復上述(1)的復位動作，完成后停止.

(3)再次按綠色“啟動”按鈕，機械手可重復上述(2)的動作過程.

(4)在“橫軸機械手”動作過程中，按下急停按鈕，系統(tǒng)立即停止，必須先按“復位”，完成“橫軸機械手”復位，可再次啟動運行.

難點：需要掌握M415B步進驅動器的使用方法，尤其是對其PUL和DIR兩個引腳信號的施加方法，從而確定了要裝置橫軸步進電動機的速度和方向.

1.3創(chuàng)新能力培養(yǎng)級的實驗教學內容(4課時，選修，開放實驗)

使用THWJX-1五自由度機械手實驗裝置，要求同學們在了解橫軸步進電動機驅動方法的基礎上，熟悉縱軸三相步進電動機的驅動，使用3ND583驅動器.

(1)按下黃色“復位”按鈕：機械手橫軸先向左運動，到左邊原點(碰觸到右側限位X5)后，以相同的速度向右運動至零點(5000個脈沖)后停止；在此同時，縱軸向上運動，到上邊原點后，以相同的速度向下動動到零點(5000個脈沖)后停止.從而完成各自的復位.

(2)機械手橫軸復位完成后，可按綠色“啟動”按鈕啟動機械手，向右運動較長路程(30000個脈沖)靠近目標→0.2s后繼續(xù)向右運動到達目標(6000個脈沖)→0.6s返回零點(36000個脈沖)→完成后重復上述(1)的橫軸復位動作，完成后停止.與此同時，縱軸步進電動機向下運動較長路程(35000個脈沖)靠近目標→0.2s后繼續(xù)向右運動到達目標(7000個脈沖)→0.6s返回零點(42000個脈沖)→完成后重復上述(1)的縱軸復位動作，完成后停止.通過縱橫軸的運動組全，實現(xiàn)兩軸的運動.

(3)再次按綠色“啟動”按鈕，機械手可重復上述(2)的動作過程.

(4)在“兩軸機械手”動作過程中，按下急停按鈕，系統(tǒng)立即停止，必須先按“復位”，完成“兩軸機械手”復位后，可再次啟動運行.

難點：需要掌握M415B和3ND583步進驅動器的使用方法，注意縱軸和橫軸步進電動機各自運動的協(xié)調與組合.

2“機電一體化系統(tǒng)設計”實驗分級教學考核模式改革

目前同學們對實驗教學的積極性差、重視程度不夠，多數(shù)學生的注意力大多集中在如何按照老師的詳細指導，照抄照搬地完成整個實驗.一旦出現(xiàn)錯誤，便直接請教老師，很少自己去分析、思考失敗的原因.整個實驗過程中學生處在一種被動盲目的狀態(tài)，使得學生的主動性和積極性難以得到充分的發(fā)揮.常常出現(xiàn)學生不重視預習，實驗時不愿意動手，課后不認真總結思考，實驗報告抄襲嚴重，沒有實驗體會等現(xiàn)象.另外，由于學生之間的能力差異，有些同學知識掌握程度高，上手很快，覺得實驗課程很輕松，實驗課程內容過于簡單；而有的同學由于前期課程掌握不夠熟練，眼見別人快完成了，自己卻進度很慢，從而產生煩躁和焦慮的不良情緒，甚至覺得自己天生就不是學機械的料，干脆抄別人的，積極性受到的打擊，結果對于知識掌握程度高或者低的同學而言，機械類專業(yè)課程實驗教學都達不到目標[6].實驗教學考核模式在實驗教學過程中十分重要，可體現(xiàn)學生的學習效果，那么在對“機電一體化系統(tǒng)設計”實驗分級教學內容進行設計后，如何改革相應的考核模式，這也是值得研究的問題.

2.1基礎級實驗考核模式

基礎級實驗所需要的知識比較簡單，涉及到步進電動機特性方面的知識，實驗條件與實驗結果是可預知的，實驗方法是根據(jù)實驗指導書來進行，所以，該層級的考核模式應當是確定的，重點考核學生對實驗操作的熟練程度、操作過程的規(guī)范性以及實驗數(shù)據(jù)分析的深入程度和準確性.考核項分值占比如下：實驗前預習占10%，實驗操作占50%，依據(jù)實驗過程回答問題占10%，實驗報告(結果分析及數(shù)據(jù)處理)占30%.詳見表1.

表1　基礎級實驗考核分值占比

2.2拓展級實驗考核模式

拓展級實驗所需要的知識是綜合型的，需學生在掌握步進電動機特性和PLC控制應用等方面的知識基礎上進行實驗，該層級實驗規(guī)則不固定，學生可以適當改變實驗條件，綜合運用上述兩種知識完成這一層級的實驗內容，主要考核實驗內容是否按要求達到，實驗方法是否多元，實驗報告是否體現(xiàn)了各知識點的聯(lián)系.考核項分值占比如下：實驗前預習及準備占15%，實驗操作占50%，依據(jù)實驗過程回答問題占10%，實驗報告(結果分析及數(shù)據(jù)處理、如何體現(xiàn)各知識點的綜合運用)占25%.詳見表2.

表2　拓展級實驗考核分值占比

2.3創(chuàng)新能力培養(yǎng)級實驗考核模式

創(chuàng)新能力培養(yǎng)級所需要的知識同樣是綜合型的，學生可參考拓展級的實驗條件，也可根據(jù)創(chuàng)新思維定義新的實驗規(guī)則，方法同樣是多元的，學生可在老師指導下創(chuàng)造性地提出完成實驗的思路及方法，該層級考核的重點應放在學生對實驗內容的理解是否正確、實驗條件能否自行改進、實驗報告是否體現(xiàn)創(chuàng)新能力及工程能力的提高、眾多知識點是否聯(lián)系融合.考核項分值占比如下：實驗前預習及準備占20%，實驗操作占55%，依據(jù)實驗過程回答問題占10%，實驗報告(結果分析及數(shù)據(jù)處理、如何體現(xiàn)實驗方法、手段等方面的創(chuàng)新)占15%.詳見表3.

表3　創(chuàng)新能力培養(yǎng)級實驗考核分值占比

考核細節(jié)說明：“機電一體化系統(tǒng)設計”課程總評成績(A)由平時成績(X)、實驗成績(Y)和期末考試成績(Z)組成，分別占20%、40%和40%，其中平時成績由出勤率、課堂提問、作業(yè)等組成，實驗成績(Y)占總評成績(A)的比重與期末考試成績(Z)一樣，均達到40%，更突出地強調了實驗教學在本課程教學中的地位.實驗成績(Y)主要根據(jù)每位同學在分級教學體系中所完成的實際情況而定，其中基礎級(Y1)占實驗成績的60%，拓展級(Y2)占實驗成績的20%，創(chuàng)新能力培養(yǎng)級(Y3)占實驗成績的20%，只有在完成基礎級實驗內容后，才能進行拓展級的實驗，最后才能選擇進行創(chuàng)新能力培養(yǎng)級實驗.即：

A=X*20%+Y*40%+Z*40%；

其中，Y=Y1*60%+Y2*20%+Y3*20%.

3實踐效果

(1)本文對機械專業(yè)的“機電一體化系統(tǒng)設計”課程實驗教學內容進行了設計，對考核模式進行了分層次改革，充分調動了學生參與本課程實驗的積極性和主動性，沒有缺課的學生出現(xiàn)，與教師交流次數(shù)明顯增加.順利完成基礎級的學生達到100%，完全完成拓展級的學生達到95%，另有近20%的學生可達到創(chuàng)新能力培養(yǎng)級要求的實驗目標.

(2)通過三個層級的實驗教學改革，不僅鞏固了理論基礎知識，還提高了實踐能力.所有同學在實驗報告中均表達了學有所獲的心得體會，每個人的專業(yè)知識實踐能力以及創(chuàng)新意識都有了不同程度的提高，并在后續(xù)的各類競賽中得到了體現(xiàn).比如：2014年和2015年機械專業(yè)受益學生參加湖南省大學生工程訓練綜合能力競賽(無碳小車)和“挑戰(zhàn)杯”湖南省大學生課外學術科技作品競賽獲獎情況如下：

1)“挑戰(zhàn)杯”獲二等獎1項：便攜式遠程智能水質采樣器.

2)“挑戰(zhàn)杯”獲三等獎4項：主動螺旋旋風除塵器、花炮卷筒自動捆扎機構、具有自適應的防瞌睡矯正坐姿多功能課桌等.

3)湖南省大學生工程訓練綜合能力競賽(無碳小車)共獲二等獎1項，三等獎5項.

(3)部分地改變了實驗教學從屬于理論教學的狀態(tài)，完善了實驗考核評價體系，提高了實驗教學在課程考核中的比重，對不同層級的實驗成績及效果進行了量化；實驗教學同時促進了理論教學質量的提高，增加了學生理論聯(lián)系實際的方法，達到學以致用的目的，使得長沙學院的機械專業(yè)高素質應用型人才的培養(yǎng)有了落腳點.

參考文獻：

[1]林偉君. 多元化實驗考核的實施研究[J].實驗室科學,2011,(2):201-204.

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[3]栗英杰,李偉,李香.《機械設計基礎實驗》教學改革的探討[J].現(xiàn)代交際,2013,(5):240.

[4]羅亞輝,康江,劉旭紅.機械電子工程專業(yè)實驗教學改革探討[J].中國電力教育,2013,(28):145-146.

[5]邱菡,朱俊虎,李玉峰,等.高校實驗教學考核模式改革探索與實踐[J].武漢大學學報：理學版,2012,(S2):207-210.

[6]高冬梅,洪波,張民生. 實驗教學考核體系的改革探索[J].實驗室科學,2015,(3):100-102.

(作者本人校對)

Classification Teaching Content Design and Assessment Mode Reform of Mechatronics System Design

XU Yan, ZHU Zongming, LIANG Liang, PANG Xiaobing

(Department of Mechanical Engineering, Changsha University, Changsha Hunan 410022, China)

Abstract：The problems of the training mode of engineering students’engineering ability in China are analyzed. The significance of the experiment classification teaching of mechanical major is explained. Taking the experiment teaching of Mechatronics System Design as an example, the classification teaching content of base level, development level and innovation ability training level is designed and the assessment mode is reformed. The proportion of experimental teaching in the course assessment is improved and the experimental result and effect of different levels are quantified. The practice proves that the experiment classification teaching method of mechanical major can intrigue students’learning interest and initiative effectively. The practical ability of professional knowledge and innovation consciousness of students are improved on different degree.

Key Words：mechanical major; classification teaching; experiment; assessment mode

中圖分類號:G642

文獻標識碼：A

文章編號：1008-4681(2016)02-0149-04

作者簡介：許焰(1976— )，男，湖南邵陽人，長沙大學機電工程系教授，博士.研究方向：機電控制理論與技術.

基金項目：湖南省普通高等學校教學改革研究項目(批準號：2014-524，2013-473，2015-519).

收稿日期：2015-11-25