基于高級(jí)別學(xué)生項(xiàng)目的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

趙明巖

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

2012年,教育部、團(tuán)中央推出了“全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目”；2006年,浙江省教育廳、浙江省科技廳、共青團(tuán)浙江省委、浙江省財(cái)政廳推出了“浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃)項(xiàng)目”,旨在培養(yǎng)在校大學(xué)生的創(chuàng)新能力、動(dòng)手實(shí)踐能力。由于這2類項(xiàng)目級(jí)別較高(國(guó)家級(jí)、省部級(jí)),在創(chuàng)新性、技術(shù)性方面非常適合拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng),有利于提升學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。然而,由于這2類學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目科技體量大、難度及強(qiáng)度高、周期長(zhǎng)(2年左右),為此需要對(duì)項(xiàng)目的特點(diǎn)進(jìn)行研究,并建立相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室,開(kāi)展針對(duì)性的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),使此類項(xiàng)目能夠順利實(shí)施,切實(shí)提高學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力。

1 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)目標(biāo)

(1) 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)。隨著高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的深入,創(chuàng)新開(kāi)放實(shí)驗(yàn)正全面展開(kāi)[1-6]，但基于學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面的研究較少[7-9]。對(duì)本課題而言,每個(gè)學(xué)生項(xiàng)目不同,研究的方向、領(lǐng)域、對(duì)象不同,因此實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)設(shè)。對(duì)理工科專業(yè)的學(xué)生而言,“全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目”及“省新苗人才項(xiàng)目”一般為光機(jī)電一體化的綜合項(xiàng)目,其中包括機(jī)械本體設(shè)計(jì)、三維仿真、硬件電路、嵌入式系統(tǒng)、單片機(jī)、PLC、軟件編程、智能控制、傳感技術(shù)、通信、顯示技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)等。對(duì)這類項(xiàng)目來(lái)說(shuō),由于每個(gè)項(xiàng)目參與的學(xué)生較多、周期長(zhǎng)、專業(yè)分布廣,因此創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)要有自身的特色與針對(duì)性。例如國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目“魚(yú)皮分離機(jī)”,要求完成對(duì)黑魚(yú)的裝夾、定位、攝像頭拍攝三維建模、執(zhí)行末端路徑規(guī)劃、實(shí)時(shí)調(diào)整路徑、智能剝皮等動(dòng)作,涉及到機(jī)械本體的設(shè)計(jì)、三維仿真、氣動(dòng)、PLC與單片機(jī)及伺服控制、各種傳感器、觸摸屏技術(shù)等。

(2) 合理規(guī)劃實(shí)驗(yàn)室布局。根據(jù)學(xué)生項(xiàng)目的上述特點(diǎn),創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室主要包括設(shè)計(jì)區(qū)與制作區(qū)。設(shè)計(jì)區(qū)包括機(jī)械本體的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、三維仿真、動(dòng)態(tài)模擬等，電控方面如硬件電路測(cè)試設(shè)計(jì)等。制作區(qū)包括機(jī)械本體加工、裝配、調(diào)試方面的設(shè)備及場(chǎng)地,提供小型車床、小型鉆銑床、臺(tái)虎鉗、鉗工工具、手槍鉆、砂輪、鋸鋁機(jī)、3D打印機(jī)、工具箱等，氣動(dòng)方面包括氣泵、各種氣缸、電磁閥等。

(3) 更新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目貴在精,開(kāi)設(shè)一批具有“實(shí)用性、針對(duì)性、發(fā)展性”特點(diǎn)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,與傳統(tǒng)固定模式的實(shí)驗(yàn)不同,本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容靈活且具有選擇性,可根據(jù)不同項(xiàng)目實(shí)時(shí)調(diào)整。

(4) 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。改變以往死記硬背、填鴨式教學(xué)方法,采用啟發(fā)式、研究式的指導(dǎo)方法,以學(xué)生為主體,建立完善的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[10-12],通過(guò)提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的思路提高學(xué)生的動(dòng)手能力、科研分析能力。

2 典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

參加創(chuàng)新項(xiàng)目的學(xué)生以大二、大三的為主,學(xué)生經(jīng)過(guò)了校內(nèi)金工實(shí)習(xí),初步掌握了鉗工、車銑刨磨、線切割、數(shù)控及加工中心的基本操作,完成了電控方面的相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。為此,實(shí)驗(yàn)要依托學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目,與工業(yè)實(shí)際相結(jié)合、適應(yīng)就業(yè)需求。經(jīng)過(guò)幾年的摸索,主要構(gòu)建了以下幾個(gè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。

(1) 三維建模及仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)機(jī)械本體之前,要求學(xué)生應(yīng)用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)三維圖,并進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)仿真,要求學(xué)生有一定的繪圖基礎(chǔ),針對(duì)不同學(xué)生參與不同項(xiàng)目的特點(diǎn),設(shè)計(jì)機(jī)械本體,指導(dǎo)教師給予指導(dǎo),包括模塊化設(shè)計(jì)技巧、非標(biāo)零部件的設(shè)計(jì)、裝配、關(guān)鍵零件的校核,如應(yīng)力分析、可靠性分析、有限元分析等。

(2) 裝配實(shí)驗(yàn)。針對(duì)學(xué)生初次參加此類項(xiàng)目，動(dòng)手能力較弱的情況,開(kāi)設(shè)了裝配實(shí)驗(yàn),主要包括傳動(dòng)(齒輪、同步帶、鏈、螺旋)的裝配與調(diào)試、軸承的選擇與裝配、聯(lián)軸器的選擇、軸系的裝配等。

(3) 氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)包括氣泵的使用、氣缸(主要是直線氣缸、擺動(dòng)氣缸等)的選擇與使用、執(zhí)行末端(如吸盤(pán))的設(shè)計(jì)、電磁閥的控制等。

(4) 電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)。除了普通交直流電機(jī)以外,還要掌握步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、舵機(jī)等的控制；實(shí)驗(yàn)包括電機(jī)的安裝、布線、編程,尤其是步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、舵機(jī)的編程；電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)可以與PLC實(shí)驗(yàn)或者單片機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)合。

(5) PLC實(shí)驗(yàn)?？删幊炭刂破?PLC)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、自動(dòng)化生產(chǎn)線中使用非常廣泛,要求學(xué)生掌握PLC與其他硬件的連接、上位機(jī)編程、與觸摸屏通信、控制各種傳感器、各種模塊的使用等。

(6) 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)。為了方便控制各種電機(jī)、傳感器等,我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種適用于學(xué)生的控制平臺(tái),該平臺(tái)能夠很方便地控制普通直流電機(jī)、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等；同時(shí),通過(guò)I/O接口處理一些輸入輸出信號(hào),在該控制平臺(tái)上還可以增加輸入輸出模塊,并能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線遙控。

(7) 機(jī)器視覺(jué)實(shí)驗(yàn)。隨著人工智能的發(fā)展,機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用越來(lái)越廣泛,本實(shí)驗(yàn)包括光源與攝像頭的選擇、濾光片的選擇與使用,軟件編程,智能執(zhí)行末端的設(shè)計(jì)等。

3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)特色

上述7個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)有其他普通實(shí)驗(yàn)不同,沒(méi)有特定的時(shí)間限制,真正達(dá)到了開(kāi)放性的要求。目前,以項(xiàng)目為單位進(jìn)行預(yù)約,針對(duì)不同的學(xué)生項(xiàng)目,配備不同的實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)以提高學(xué)生綜合能力為核心,對(duì)學(xué)生專業(yè)背景沒(méi)有要求,更看重學(xué)生的興趣,根據(jù)學(xué)生在項(xiàng)目中的分工,針對(duì)不同學(xué)生,進(jìn)行針對(duì)性實(shí)驗(yàn)。 此外,根據(jù)學(xué)生實(shí)際水平與興趣,調(diào)整實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,內(nèi)容可以根據(jù)項(xiàng)目的側(cè)重點(diǎn)調(diào)整、刪減或增加。

實(shí)驗(yàn)(1)—(3)為機(jī)械類實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)(4)—(6)為電控類實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)(7)為機(jī)器視覺(jué)實(shí)驗(yàn)。鼓勵(lì)學(xué)生跨學(xué)科參加實(shí)驗(yàn),在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過(guò)程中,對(duì)學(xué)生沒(méi)有專業(yè)限制,任何專業(yè)的學(xué)生都可以選擇自己喜歡的方向(專業(yè))進(jìn)行科學(xué)研究,而這樣做的優(yōu)勢(shì)如下:

(1) 由于項(xiàng)目大多是光機(jī)電一體化項(xiàng)目,涵蓋多學(xué)科知識(shí),學(xué)生可以接觸到不同領(lǐng)域的知識(shí),通過(guò)與團(tuán)隊(duì)中不同專業(yè)的同學(xué)交流學(xué)習(xí),開(kāi)闊了眼界和思路；

(2) 由于不限制學(xué)生的專業(yè),沒(méi)有了專業(yè)的束縛,學(xué)生可以從事非本專業(yè)方向的研究,給了學(xué)生自由選擇的機(jī)會(huì),極大地激發(fā)了學(xué)生的潛能；

(3) 學(xué)生在校期間,借助高級(jí)別項(xiàng)目與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)這一平臺(tái),找到了自己的興趣和潛能所在,并提升了學(xué)生的科研能力,考研、一次就業(yè)、二次就業(yè)更有針對(duì)性。

4 結(jié)語(yǔ)

2006年至今,本人連續(xù)指導(dǎo)了20項(xiàng)高級(jí)別的學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目,培養(yǎng)了不少于200名優(yōu)秀學(xué)生。參加全國(guó)挑戰(zhàn)杯課外學(xué)術(shù)科技競(jìng)賽,榮獲全國(guó)一、二等獎(jiǎng)5項(xiàng),省特等、一等獎(jiǎng)8項(xiàng),授權(quán)專利近50項(xiàng)。

以“魚(yú)皮分離機(jī)”項(xiàng)目為例,該項(xiàng)目為全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目,培養(yǎng)了10余名優(yōu)秀學(xué)生。項(xiàng)目后期,8名

核心隊(duì)員參加了挑戰(zhàn)杯競(jìng)賽,榮獲全國(guó)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省一等獎(jiǎng)1項(xiàng),授權(quán)實(shí)用新型專利6項(xiàng),2項(xiàng)發(fā)明專利進(jìn)入實(shí)質(zhì)性審查階段,8名學(xué)生中有5名參加全國(guó)碩士研究生考試并被“985工程”“211工程”高校錄取,2名自主創(chuàng)業(yè)。

總之,為了更好地實(shí)施高級(jí)別的學(xué)生項(xiàng)目,有針對(duì)性地設(shè)立了開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),并使這些實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驀@學(xué)生的創(chuàng)新項(xiàng)目,同時(shí)不斷有新的學(xué)生項(xiàng)目立項(xiàng),使實(shí)驗(yàn)不斷推陳出新、不斷完善；實(shí)驗(yàn)須圍繞學(xué)生的實(shí)際項(xiàng)目,學(xué)生的專業(yè)背景不同、年級(jí)不同、能力不同、個(gè)體差異大,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目須不斷地優(yōu)化和改進(jìn)；實(shí)驗(yàn)要以學(xué)生為本、以項(xiàng)目為依托,推陳出新、不斷完善,為項(xiàng)目提供技術(shù)服務(wù),項(xiàng)目反過(guò)來(lái)又豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,形成了良好的互動(dòng)。

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