基于科研項(xiàng)目搭建機(jī)械專業(yè)電類課程綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

莫 莉， 喻洪平， 趙 悅， 倪妍婷

(1.成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 成都 610106；2. 電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院， 成都 611731)

0 引 言

教書育人和科學(xué)研究是高校兩大基本職能。教學(xué)是基礎(chǔ)，傳授學(xué)生基本知識(shí)，科研是提高，需要學(xué)生拓展和延伸知識(shí)。本文以我校機(jī)械工程學(xué)院為例，基于科研項(xiàng)目搭建機(jī)械專業(yè)電類課程綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將教學(xué)與科研有機(jī)結(jié)合，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，良好培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，顯著提高學(xué)生科研探索及創(chuàng)新創(chuàng)造能力，從而提高課堂教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生學(xué)有所長(zhǎng)，學(xué)有所用，學(xué)有所成。

1 搭建綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)意義

1995年，清華大學(xué)借鑒美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)提出的把提升本科生的科研能力納入培養(yǎng)計(jì)劃，針對(duì)在校本科生進(jìn)行科研訓(xùn)練(Student Research Training,即SRT)[1]。賴舜男等[2]將科研項(xiàng)目引入本科生創(chuàng)新實(shí)踐，提出指導(dǎo)教師將科研項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)化，可大大激發(fā)本科學(xué)生實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新實(shí)踐興趣。王果[3]將科研項(xiàng)目應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提出“本科生導(dǎo)師制”個(gè)性化培養(yǎng)方案，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)自主性。電子科技大學(xué)張培培等[4]基于國(guó)家自然科學(xué)基金“難加工材料數(shù)控切削用量時(shí)變可靠性優(yōu)化控制研究”搭建研究型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以很直觀地了解數(shù)控加工過(guò)程和一些表征的采集方法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)研究思維的鍛煉和培訓(xùn)。姚列明等[5]將科研項(xiàng)目引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，把實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研內(nèi)容、方法和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，大大提高學(xué)生創(chuàng)新精神和科研實(shí)踐能力。李旭等[6]針對(duì)卓越工程師培養(yǎng)要求，將國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大課題引入數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，堅(jiān)持實(shí)踐環(huán)節(jié)，“學(xué)生為主，教師為輔”的原則，有效培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。張嫻等[7]對(duì)本科生的培養(yǎng)過(guò)程中，將科研項(xiàng)目與科研思路與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，顯著提高大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新創(chuàng)造能力。楊秀平等[8]從本科生科研訓(xùn)練計(jì)劃的內(nèi)涵、對(duì)師生要求、流程、措施等幾方面重點(diǎn)闡述了通過(guò)科研項(xiàng)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。吳漢福等[9]將科研項(xiàng)目結(jié)合地方特色，開發(fā)儀器分析綜合性實(shí)驗(yàn)，并在化學(xué)和化工兩專業(yè)付諸實(shí)施，很好地培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛢x器使用能力。哈爾濱工程大學(xué)劉宏達(dá)等[10]將科研項(xiàng)目與電氣專業(yè)電機(jī)類實(shí)驗(yàn)結(jié)合，設(shè)計(jì)電機(jī)相關(guān)參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，提出適時(shí)將科研成果引入本科教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，是高校培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的一種重要形式。沈劍英等[11]將科研項(xiàng)目與教學(xué)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，提高科研設(shè)備利用效率，有利于培養(yǎng)學(xué)生工程創(chuàng)新能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。張華衛(wèi)等[12]結(jié)合卓越工程師計(jì)劃，提出以項(xiàng)目為中心的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系，吸引廣大學(xué)生積極參與基于科研項(xiàng)目的開放性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生創(chuàng)新與綜合能力。

綜上所述，基于科研項(xiàng)目搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是有理論意義與實(shí)際意義的，將科研與教學(xué)有機(jī)結(jié)合，教育教學(xué)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(shì)。

2 機(jī)械專業(yè)電類課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)狀

我院機(jī)械專業(yè)電類課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要存在如下幾大問(wèn)題：①實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化；②實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目陳舊；③驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多，創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)少；④實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)少，實(shí)驗(yàn)過(guò)程單調(diào)乏味，學(xué)生既不能良好掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和前沿理論，也不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決理想工況與實(shí)際工況矛盾。因此，就目前已開展實(shí)驗(yàn)而言，并未起到積極調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力及發(fā)揮其科研創(chuàng)造能力的關(guān)鍵作用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量不能適應(yīng)新時(shí)代對(duì)人才培養(yǎng)的要求。

3 綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建基本思路

基于科研項(xiàng)目搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，高校教師將科研項(xiàng)目與教育教學(xué)有機(jī)結(jié)合，其目的就是要培養(yǎng)具有獨(dú)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在信息融合的探索與實(shí)踐中，在教育教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織過(guò)程中，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系細(xì)分為4大板塊，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系4大板塊

其中，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)由學(xué)生單人完成，主要是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，考查學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)掌握情況；技能性實(shí)驗(yàn)由學(xué)生單人完成，初步訓(xùn)練學(xué)生動(dòng)手能力，考查學(xué)生單個(gè)專業(yè)知識(shí)點(diǎn)認(rèn)知情況以及對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用能力；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)由學(xué)生組隊(duì)完成，訓(xùn)練學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力和動(dòng)手能力，考查學(xué)生多個(gè)專業(yè)知識(shí)點(diǎn)連貫情況；創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)由學(xué)生組隊(duì)完成，課題來(lái)源于省級(jí)、國(guó)家級(jí)競(jìng)賽項(xiàng)目或教師科研項(xiàng)目，學(xué)生可盡情發(fā)揮其主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新創(chuàng)造性，提出各種扣題思路并付諸實(shí)踐。

4 綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架

經(jīng)筆者調(diào)研電子科技大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等高校，結(jié)合我院機(jī)械專業(yè)實(shí)際情況和相關(guān)教師國(guó)家自然科學(xué)基金以及四川省科技廳支撐項(xiàng)目研究方向，搭建機(jī)械系電類課程研究型綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)硬件組成如圖2所示。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含傳感信號(hào)輸入模塊、中央信息處理模塊、信號(hào)輸出控制機(jī)構(gòu)模塊，緊貼當(dāng)前人工智能發(fā)展新方向，較好地將機(jī)電一體化結(jié)合起來(lái)。該平臺(tái)可完成簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)知識(shí)驗(yàn)證性或?qū)I(yè)知識(shí)技能性實(shí)驗(yàn)，如控制某LED亮滅、控制某電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)等；也可完成綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，如霧霾監(jiān)測(cè)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(jìn)行顯示或其他控制；最后，也可完成科研創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，發(fā)揮學(xué)生想象空間和創(chuàng)新創(chuàng)造能力，實(shí)現(xiàn)更多機(jī)電一體化實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目。

圖2 綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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?、繼電器傳感器、霍爾傳感器、超聲波測(cè)距傳感器、人體紅外熱輻射傳感器、可燃?xì)怏w/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(duì)當(dāng)前需要檢測(cè)的各種物理量進(jìn)行測(cè)量備用。

(2) 信號(hào)調(diào)理模塊。包含信號(hào)放大和濾波兩大部分，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)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(hào)。

(3) 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。包含各種常用模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)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(shí)下非常流行的Arduino系列。

(5) 機(jī)械手模塊?？蓪?shí)現(xiàn)前方感知信息控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)按固定程序抓取、搬運(yùn)物件。

(6) 電動(dòng)機(jī)模塊?？蓪?shí)現(xiàn)中央處理器輸出信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，從而控制后續(xù)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

(7) 智能機(jī)器人模塊?？赏瓿珊?jiǎn)單的軌跡規(guī)劃、避障、語(yǔ)音傳輸?shù)裙δ堋?/p>

(8) 智能小車模塊?？蓪?shí)現(xiàn)小車正常的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、避障、循跡等功能，還可外加吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成智能掃地機(jī)器人。

(9) 智能農(nóng)業(yè)模塊?？蓪?shí)現(xiàn)當(dāng)前環(huán)境下溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、土壤水分，土壤酸堿度等多種因素的實(shí)時(shí)全方位監(jiān)測(cè)、控制與數(shù)據(jù)管理。

(10) 智能家居模塊?？蓪?shí)現(xiàn)日常家庭生活中照明控制、窗簾控制、防盜報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能，學(xué)生可提前體驗(yàn)未來(lái)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€(gè)地面的交通管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(chǎng)等功能。

(12) 智能停車模塊?？蓪?shí)現(xiàn)車牌號(hào)自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)判別車位上是否有車?？?、自動(dòng)停車計(jì)時(shí)、自動(dòng)收費(fèi)、無(wú)人值守、車位空余信息自動(dòng)顯示等功能。

(13) 霧霾監(jiān)測(cè)模塊。可定時(shí)、定點(diǎn)對(duì)當(dāng)前環(huán)境中空氣污染物的分布和濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確定環(huán)境質(zhì)量狀況并進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，也可拓展到酒后駕駛監(jiān)測(cè)方面。

后續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各具體功能模塊還可根據(jù)當(dāng)前需要實(shí)時(shí)更新，滿足教學(xué)與科研不同需求。

5 實(shí)驗(yàn)考核與評(píng)價(jià)

4大實(shí)驗(yàn)板塊可采用不同的考核與評(píng)價(jià)方式。驗(yàn)證性、技術(shù)性實(shí)驗(yàn)屬基本實(shí)驗(yàn)，必修環(huán)節(jié)，檢查學(xué)生對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、原理等掌握情況，考核與評(píng)價(jià)主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等環(huán)節(jié)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)得分計(jì)入課程總成績(jī)，占比20%～30%不等。設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)屬能力提高實(shí)驗(yàn)，選修環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣及拓展其創(chuàng)新性思維、開闊眼界，考核與評(píng)價(jià)主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)思路設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集、處理方式，控制后續(xù)機(jī)構(gòu)動(dòng)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(shí)用性進(jìn)行。完成情況良好及優(yōu)秀的學(xué)生團(tuán)隊(duì)可參與省級(jí)或國(guó)家級(jí)相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽，同時(shí)通過(guò)選拔及培訓(xùn)進(jìn)入教師科研團(tuán)隊(duì)，為其繼續(xù)深造或創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

6 實(shí)驗(yàn)效果分析

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)屬搭建初期，還有更多功能模塊及機(jī)構(gòu)創(chuàng)意還在陸續(xù)加載過(guò)程中，就目前應(yīng)用情況來(lái)看，實(shí)驗(yàn)效果顯著，良好激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性、動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)合作能力及創(chuàng)新創(chuàng)造性。圖3～6展示學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(dòng)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(cè)儀

圖6 智能窗簾控制系統(tǒng)

7 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)今高校，科研與教學(xué)是兩大基本職能，照本宣科的填鴨式教學(xué)早已不能滿足當(dāng)前社會(huì)快速發(fā)展的需求，教師需要及時(shí)將科研與教學(xué)有機(jī)結(jié)合，更多的將科研項(xiàng)目?jī)?nèi)容、技術(shù)、實(shí)施方案等應(yīng)用于教學(xué)及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，才能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，提高學(xué)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。