新工科背景下的機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群設(shè)置與實(shí)施

王亞良， 潘柏松， 董晨晨， 屠立群， 金壽松

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 杭州 310023)

0 引 言

“新工科”概念自2016 年提出以來，短期內(nèi)形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”[1]。新工科內(nèi)涵與特征表示為：新理念—應(yīng)對(duì)變化，塑造未來；新要求—培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才；新途徑—繼承與創(chuàng)新，交叉與融合，協(xié)調(diào)與共享。“新工科”的目的是為了培養(yǎng)能夠適應(yīng)、甚至引領(lǐng)未來工程需求的人才[2]。

目前，高等學(xué)校工程教育培養(yǎng)目標(biāo)和企業(yè)實(shí)際需求存在差距，企業(yè)對(duì)工程教學(xué)產(chǎn)品即學(xué)生的要求不斷增加，企業(yè)希望學(xué)生能快速適應(yīng)企業(yè)實(shí)際需求，使得學(xué)生企業(yè)適應(yīng)期變短[3]。如何做好機(jī)械類專業(yè)的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)具備扎實(shí)專業(yè)技能和較好綜合素養(yǎng)的畢業(yè)生，且具有大工程思維和良好團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，是目前工科高校迫切需要解決的問題。“新工科”的提出為上述困境提供了一種可行解[4]：通過新工科項(xiàng)目的組織和實(shí)施能夠促進(jìn)高校教師在教書育人的同時(shí)重視和投入教育教學(xué)研究，能夠深入扎實(shí)地推動(dòng)新工科建設(shè)并取得實(shí)質(zhì)性成效，能夠擴(kuò)大我國(guó)工程教育的國(guó)際影響力，能夠推動(dòng)高校將人才培養(yǎng)作為高校發(fā)展的第一要?jiǎng)?wù)，能夠引領(lǐng)我國(guó)高等教育的改革，能夠促進(jìn)我國(guó)高等教育質(zhì)量的根本性提升[5]。

機(jī)械類專業(yè)具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，如何培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新素養(yǎng)和具備解決工程復(fù)雜問題的能力是工科院校尤其是機(jī)械類專業(yè)面對(duì)的突出問題[3-4]。高校承擔(dān)著培養(yǎng)各類高素質(zhì)創(chuàng)新人才的職責(zé)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高學(xué)生動(dòng)手能力和培養(yǎng)創(chuàng)新素養(yǎng)的關(guān)鍵?？茖W(xué)合理的實(shí)驗(yàn)(實(shí)踐)教學(xué)體系能有效促進(jìn)理論知識(shí)的鞏固和提高，進(jìn)而提升分析和解決工程實(shí)踐問題的能力[6-7]。適應(yīng)新工科教學(xué)理念，建立新工科背景下的機(jī)械類創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置并實(shí)施，為學(xué)生適應(yīng)企業(yè)需求及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)奠定良好基礎(chǔ)[8]。

1 機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群依托平臺(tái)

任何教育實(shí)踐都必須對(duì)教育的對(duì)象負(fù)責(zé)，機(jī)械類專業(yè)的教學(xué)同樣必須對(duì)專業(yè)學(xué)生負(fù)責(zé)，提升其理想抱負(fù)、專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐創(chuàng)新能力，以滿足新時(shí)代國(guó)家和社會(huì)發(fā)展的需要。新工科不僅僅服務(wù)于現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)，更要引領(lǐng)未來產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和創(chuàng)新發(fā)展，為引領(lǐng)新的產(chǎn)業(yè)甚至行業(yè)的誕生提供支撐。新工科的人才培養(yǎng)需要立足于奠定相關(guān)領(lǐng)域多職業(yè)的共同基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生能夠適應(yīng)未來的可遷移性能力、快速學(xué)習(xí)的能力以及適應(yīng)變化的能力[9]。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及實(shí)施有賴于實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)的支持，我校機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目依托的主要硬件平臺(tái)由機(jī)械類國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和2個(gè)省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、機(jī)械工程CDIO實(shí)踐平臺(tái)、科研平臺(tái)等組成，如圖1所示。

通過機(jī)械工程訓(xùn)練中心實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生了解和掌握車、銑、刨、磨、數(shù)控加工及增材制造等基本原理、具備基本傳統(tǒng)和現(xiàn)代操作技能；通過機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中心的機(jī)械類核心課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施，達(dá)到在實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐中檢驗(yàn)所學(xué)理論知識(shí)，培養(yǎng)分析和解決工程實(shí)踐問題的能力和素養(yǎng)；機(jī)械工程CDIO實(shí)踐平臺(tái)由產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)實(shí)踐平臺(tái)、基于CDIO的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(群)及主題設(shè)計(jì)與制造實(shí)踐平臺(tái)等組成，使學(xué)生掌握機(jī)械產(chǎn)品全生命全周期，促進(jìn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作和大工程思維的培養(yǎng)；機(jī)械類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主要針對(duì)“難實(shí)易虛”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目展開。

圖1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目依托平臺(tái)

在面向新工科的機(jī)械類創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中，實(shí)踐教學(xué)不能僅僅局限于對(duì)知識(shí)點(diǎn)的訓(xùn)練，更要注重知識(shí)線、面的訓(xùn)練，即實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群在日常教學(xué)中的必要性。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群就是融合了數(shù)個(gè)相關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，把孤立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目整合成有一定知識(shí)體系的、能解決較復(fù)雜的生產(chǎn)實(shí)際問題的項(xiàng)目群。在實(shí)施過程中，要牢牢抓住項(xiàng)目群的本質(zhì)，嚴(yán)格按照項(xiàng)目管理的基本理論和思想來開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群的實(shí)施[9]。開設(shè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)思考與探索能力，提高了學(xué)生利用知識(shí)(包括所學(xué)和自學(xué)得到的)解決實(shí)際問題的能力[10-11]。

2 新工科背景下的機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群理念及目標(biāo)

學(xué)生頭腦不是用來承載知識(shí)的容器，是一把需要被點(diǎn)燃的火把；而創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群以期成為火把的重要火種；學(xué)生在學(xué)習(xí)中創(chuàng)新，在創(chuàng)新中發(fā)展。上述思維是新工科背景下的機(jī)械類專業(yè)學(xué)習(xí)特別是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)及實(shí)施中考慮的重要因素。機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)性典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群主要面向機(jī)械類專業(yè)學(xué)生，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群的實(shí)踐和訓(xùn)練，使學(xué)生掌握的碎片化知識(shí)，通過節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來，達(dá)到解決復(fù)雜工程問題的能力。主要通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的縱橫向兩個(gè)維度予以解決；即縱向采用產(chǎn)品流程方式(CDIO模式)，橫向依托專業(yè)核心課程的創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群銜接[12-13]。機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)性典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群設(shè)計(jì)理念突出OBE(Outcomes-based Education)導(dǎo)向、CDIO工程教育模式、虛擬仿真、專業(yè)知識(shí)融合與關(guān)聯(lián)、項(xiàng)目管理、知識(shí)獲取多元化等理念思路，如圖2所示[14-15]。

圖2 機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群理念及目標(biāo)

2.1 新工科創(chuàng)新理念下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

“新工科”人才的特點(diǎn)就是學(xué)科交叉與綜合，要主動(dòng)服務(wù)國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，高校要構(gòu)建新工科人才的“創(chuàng)意—?jiǎng)?chuàng)新—?jiǎng)?chuàng)業(yè)”教育體系，把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入人才培養(yǎng)全過程，著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)素養(yǎng)[16]；真正體現(xiàn)新理念、新要求、新途徑、新結(jié)構(gòu)和新素養(yǎng)的要求。

新工科建設(shè)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用特別是創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群的實(shí)施過程中，要處理好如下問題：改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想觀念，更新現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、內(nèi)涵和形式，構(gòu)建符合新工科需求、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系；培養(yǎng)學(xué)生自主性學(xué)習(xí)的興趣，做中學(xué)、學(xué)中做，邊學(xué)邊做，真題真做；真正把教學(xué)放在首位，從制度和激勵(lì)兩方面入手，提高教師投入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意愿；做到對(duì)學(xué)生、教師、學(xué)校和社會(huì)四維度負(fù)責(zé)。真正做到立德樹人，堅(jiān)持以教師為主體、以學(xué)生為中心，把學(xué)生培養(yǎng)作為立校之本。

2.2 OBE導(dǎo)向的機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

OBE是以預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出為中心來組織、實(shí)施和評(píng)價(jià)教育的結(jié)構(gòu)模式。在OBE教育系統(tǒng)中，教師應(yīng)對(duì)學(xué)生畢業(yè)時(shí)要達(dá)到的能力和水平有很清楚的描述，通過尋求設(shè)計(jì)合適的教育結(jié)構(gòu)(教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)大綱)來保障學(xué)生實(shí)現(xiàn)這些預(yù)期目標(biāo)。學(xué)生產(chǎn)出而非其他成為驅(qū)動(dòng)教育系統(tǒng)運(yùn)作的動(dòng)力[17]。以解決工程復(fù)雜問題為牽引，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目標(biāo)。緊緊圍繞專業(yè)核心課程，結(jié)合浙江省產(chǎn)業(yè)特征、開設(shè)與某個(gè)課程或課程群相銜接的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；強(qiáng)化新工科教學(xué)理念，以O(shè)BE教育模式為導(dǎo)向，以提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量為重點(diǎn)，以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法為基礎(chǔ)，以有效整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為依托，探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群，提升實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵，進(jìn)而提升機(jī)械類專業(yè)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作素養(yǎng)。以工程素質(zhì)、創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)為核心，堅(jiān)持個(gè)性化、自主性和開放性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。

2.3 機(jī)械類專業(yè)的CDIO工程教育模式

CDIO工程教育模式從產(chǎn)品生產(chǎn)流程出發(fā)，有利于機(jī)械類學(xué)生掌握機(jī)械產(chǎn)品和系統(tǒng)生命周期4個(gè)階段的工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力。提升學(xué)生的大工程觀思維和意識(shí)，提升學(xué)生的人文素養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和探求工程問題本質(zhì)的能力和方法，為學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)創(chuàng)造良好的條件。對(duì)于有效解決目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的困境即缺乏基于真實(shí)工程環(huán)境下的以項(xiàng)目式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法未能有效開展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

有效推進(jìn)CDIO工程教學(xué)模式關(guān)鍵要做到：① 以構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施及運(yùn)作全過程為載體來培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，即CDIO理念在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用；② 突出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的系統(tǒng)性和專業(yè)性，不僅僅局限于對(duì)知識(shí)點(diǎn)的訓(xùn)練，更要注重知識(shí)線、面的訓(xùn)練。

2.4 虛擬仿真技術(shù)助工程項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)

真實(shí)實(shí)驗(yàn)室無法為學(xué)生完整地展示復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品、機(jī)械集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行，也無法在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室讓學(xué)生全面地參與機(jī)械產(chǎn)品與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)組織等全過程，所以須開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的不足，以實(shí)為主、虛實(shí)結(jié)合，共同構(gòu)建虛實(shí)協(xié)同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)逐漸成為理論研究、工程研究和實(shí)驗(yàn)研究的重要手段。在機(jī)械行業(yè)中，工程師通過虛擬仿真可大幅度提高產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化的效率和水平，減少物理樣機(jī)試驗(yàn)次數(shù)，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，準(zhǔn)確驗(yàn)證加工制造流程的正確性，并提供驗(yàn)證理論模型的可行手段。具有科學(xué)計(jì)算可視化的特征，使理論與實(shí)際密切結(jié)合、由經(jīng)驗(yàn)向科學(xué)建模轉(zhuǎn)化，參數(shù)優(yōu)化效率提高，實(shí)際消耗大幅度減小。

將“虛擬仿真”平臺(tái)引入學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)，推進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)由“發(fā)散思維+簡(jiǎn)易制作”簡(jiǎn)單模式向“發(fā)散思維+數(shù)學(xué)建模+科學(xué)計(jì)算+工程設(shè)計(jì)+參數(shù)優(yōu)化”的高級(jí)模式轉(zhuǎn)化，以“虛擬仿真”驗(yàn)證創(chuàng)新思路的正確，通過工程設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，提升了學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)的學(xué)術(shù)性、理論性以及利用仿真軟件開展工程設(shè)計(jì)的專業(yè)能力。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的必要補(bǔ)充和完善。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，盡可能地讓學(xué)生接觸實(shí)際，“能實(shí)不虛”。學(xué)生可以利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和校內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)隨地完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；可利用大學(xué)生科技競(jìng)賽等創(chuàng)新活動(dòng)，擴(kuò)大和國(guó)內(nèi)外學(xué)生的交流；可自主開展多學(xué)科交叉、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的實(shí)踐活動(dòng)，使虛擬仿真教學(xué)貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)環(huán)節(jié)。

2.5 機(jī)械類專業(yè)知識(shí)的融合與關(guān)聯(lián)

目前存在只重視知識(shí)點(diǎn)訓(xùn)練和傳授，缺乏知識(shí)點(diǎn)系統(tǒng)融合與關(guān)聯(lián)，是導(dǎo)致學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力不足的重要原因之一。解決工程復(fù)雜問題需要學(xué)生掌握較為扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，能綜合應(yīng)用并關(guān)聯(lián)各知識(shí)點(diǎn)。應(yīng)該說，知識(shí)點(diǎn)的融合與關(guān)聯(lián)是解決工程實(shí)際問題的必經(jīng)之路。在教學(xué)特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，積極引導(dǎo)學(xué)生善于關(guān)聯(lián)知識(shí)節(jié)點(diǎn)，突破學(xué)科與專業(yè)的限制，不要片面強(qiáng)調(diào)知識(shí)點(diǎn)的重要性和復(fù)雜性。培養(yǎng)具有現(xiàn)代視野的機(jī)械工程師需要具備大工程觀和復(fù)雜問題視野，注重工程問題的關(guān)聯(lián)。建立和掌握知識(shí)點(diǎn)的融合與關(guān)聯(lián)比孤立的無限學(xué)習(xí)更重要，即別讓知識(shí)淹沒智慧。

2.6 融合項(xiàng)目管理知識(shí)體系

根據(jù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(群)的要求，建立學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施團(tuán)隊(duì)，并建立責(zé)任分配矩陣[13]。將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(群)的任務(wù)進(jìn)行合理分解，分解后的工作任務(wù)落實(shí)到人。參與該項(xiàng)目(群)的團(tuán)隊(duì)之一的責(zé)任分配矩陣如表1所示。P(President)表示主要負(fù)責(zé)人，S(Service)表示次要負(fù)責(zé)人。

表1 責(zé)任分配矩陣示例

除上述明確實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的職責(zé)外，按照項(xiàng)目進(jìn)度管理技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(群)進(jìn)行管理和控制；每個(gè)項(xiàng)目要嚴(yán)格按照項(xiàng)目管理的知識(shí)體系來實(shí)施，做好每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(群)的進(jìn)度、成本、人力資源等安排。提交的報(bào)告要求包括：① 嚴(yán)格按照項(xiàng)目管理知識(shí)體系來闡述實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(群)的進(jìn)度、成本、人力資源等安排；② 提供最后的結(jié)果，并對(duì)其進(jìn)行分析。

2.7 多元化獲取知識(shí)，培養(yǎng)自主式學(xué)習(xí)模式

網(wǎng)絡(luò)時(shí)代促進(jìn)了教學(xué)方式方法的改變，同時(shí)也使得學(xué)生獲取知識(shí)變得更加多元。以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托的高等教育方式必將導(dǎo)致教學(xué)環(huán)境的遷移和教學(xué)模式的變革?！巴瑫r(shí)同地”的傳統(tǒng)課堂模式無法兼顧各層次能力水平的學(xué)生，個(gè)性化培養(yǎng)難以實(shí)現(xiàn)；大規(guī)模在線開放課程(MOOC)以其豐富的共享教學(xué)資源、學(xué)習(xí)進(jìn)度和深度選擇的自主性，解決了學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)需求難題，使其具有較強(qiáng)的生命力和較大的發(fā)展空間[18]，必將推動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的提升。當(dāng)前，知識(shí)的不斷增長(zhǎng)進(jìn)化，獲得所需知識(shí)的途徑比學(xué)習(xí)者當(dāng)前掌握的知識(shí)更重要。由于知識(shí)獲取的多樣化，導(dǎo)致師生信息不對(duì)稱性削弱，對(duì)教師的知識(shí)結(jié)構(gòu)和教學(xué)方法提出了更高的要求。

3 機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群設(shè)置

3.1 機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)性典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群設(shè)置方案

擬開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群突出產(chǎn)學(xué)研結(jié)合、學(xué)生主動(dòng)實(shí)踐兩個(gè)特點(diǎn)，提供更多的獨(dú)立思考和個(gè)性發(fā)展的空間，有利于培養(yǎng)學(xué)生具備良好的大工程觀的工程基本素養(yǎng)、工程項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制造和實(shí)施能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。通過典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群的建設(shè)，以期推動(dòng)機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系及教學(xué)內(nèi)容改革。

機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)性典型實(shí)驗(yàn)群面向機(jī)械工程學(xué)院全部專業(yè)，與工程圖學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、微機(jī)原理及應(yīng)用、先進(jìn)制造技術(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)控技術(shù)、機(jī)電系統(tǒng)及生產(chǎn)過程自動(dòng)化、產(chǎn)品形體建模與創(chuàng)新設(shè)計(jì)、快速成型技術(shù)及應(yīng)用、機(jī)器人技術(shù)等機(jī)械類專業(yè)核心課程相銜接；開設(shè)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)、復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、逆向設(shè)計(jì)及3D打印、機(jī)械手本體設(shè)計(jì)及多軸運(yùn)動(dòng)控制、面向產(chǎn)品的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與仿真、立體倉(cāng)庫(kù)及其出入庫(kù)輸送系統(tǒng)建模與仿真、超大型正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)與虛擬仿真、電梯群綜合控制虛擬仿真等創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如圖3所示。

圖3 機(jī)械類核心課程及創(chuàng)新設(shè)計(jì)性典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群

3.2 建立創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群的運(yùn)行機(jī)制

機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群以學(xué)生為中心，具有較強(qiáng)的學(xué)生自主實(shí)踐性，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間的不可控性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果不唯一性。這就要求其相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行機(jī)制予以變更，為學(xué)生提供更多的獨(dú)立思考和個(gè)性發(fā)展的空間，須對(duì)該類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)指導(dǎo)的運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行探索與實(shí)踐。

以提升實(shí)驗(yàn)室開放服務(wù)質(zhì)量為中心，不斷優(yōu)化運(yùn)行機(jī)制。以新工科背景下的學(xué)生工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)，面向機(jī)械工程領(lǐng)域問題，積極探索以創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(群)為主線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，注重培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新精神；激發(fā)學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中的主體性、自主性和主觀能動(dòng)性，引入項(xiàng)目管理的基本知識(shí)對(duì)其進(jìn)行管理和考核；不斷探索和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式與方法，建立實(shí)驗(yàn)室開放的柔性運(yùn)行機(jī)制和模式，全方面構(gòu)建學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系和運(yùn)行機(jī)制。

4 機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群的實(shí)踐案例

以機(jī)器人本體設(shè)計(jì)及多軸控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，闡述機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群的內(nèi)容設(shè)置及組織方式。

4.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要包括機(jī)器人概述、典型機(jī)器人的示教編程、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體方案分析與設(shè)計(jì)、多軸運(yùn)動(dòng)控制卡選型、運(yùn)動(dòng)控制，以及機(jī)器人樣機(jī)制作與調(diào)試等內(nèi)容(見圖4)。根據(jù)給定設(shè)計(jì)參數(shù)，團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)、制造、裝配和調(diào)試完成機(jī)器人樣機(jī)，并能完成一定的動(dòng)作軌跡，初步實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人的功能。

圖4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

以期達(dá)到如下目的：學(xué)生對(duì)機(jī)器人有較深的認(rèn)知和理解。對(duì)6自由度Motoman機(jī)器人熟練操作和示教編程。掌握機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)的基本概念及理論，并能應(yīng)用軟件對(duì)機(jī)械本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析和優(yōu)化。多軸運(yùn)動(dòng)控制器(卡)的選型、編程和調(diào)試等，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械本體的精確控制。結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)一些簡(jiǎn)單重復(fù)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化，用機(jī)器人予以替換，達(dá)到機(jī)器換人的效果。

4.2 相關(guān)知識(shí)點(diǎn)

機(jī)器人系統(tǒng)的基本構(gòu)成、技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)類型概念如圖5所示。

圖5 機(jī)器人構(gòu)成、類型及主要技術(shù)參數(shù)等

控制系統(tǒng)硬件一般由運(yùn)動(dòng)控制卡(器)、具有PCI(Peripheral Component Interconnect)接口的主機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器電源、+24V直流電源、原點(diǎn)開關(guān)、限位開關(guān)等部件組成?？刂葡到y(tǒng)硬件具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖

運(yùn)動(dòng)控制卡可以實(shí)現(xiàn)數(shù)個(gè)伺服/步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的協(xié)同控制，包括脈沖輸出、脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能。比較常見的有科爾摩根、研華、固高、PMark和Border等品牌。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選用固高科技公司生產(chǎn)的GTS-400-PV(G)-PCI和GTS-800-PV(G)-PCI系列運(yùn)動(dòng)控制卡(見圖7)，其核心由DSP(Digital Signal Processor)和FPGA(Field-Programmable Gate Array)組成，可以實(shí)現(xiàn)高性能的控制計(jì)算。

控制器與步進(jìn)伺服系統(tǒng)典型接線。以固高GTS-800-PV(G)-PCI系列運(yùn)動(dòng)控制卡為例，闡述了與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(編碼器)及伺服電動(dòng)機(jī)(驅(qū)動(dòng)器)系統(tǒng)的接線如圖8、9所示。

圖7 GTS-800-PV(G)-PCI系列運(yùn)動(dòng)控制卡

圖8 運(yùn)動(dòng)控制卡與步進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器(歐姆龍編碼器)連接圖

4.3 實(shí)驗(yàn)任務(wù)和要求

設(shè)計(jì)多自由度機(jī)械手，具體參數(shù)要求：自由度5～6個(gè)(可采用伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)混合搭配模式)；定位精度±2mm；重復(fù)定位精度±1mm；工作載荷0.5kg。其中機(jī)械手部分自主設(shè)計(jì)制造，控制部分采用現(xiàn)有硬件(基于PCI插槽的運(yùn)動(dòng)控制板卡和工控機(jī)，人機(jī)界面操作使用顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)代替)和軟件平臺(tái)(基于高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)，如VC、C#、VB、LabVIEW、DELPHI等語(yǔ)言)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人示教再現(xiàn)、運(yùn)動(dòng)控制、零位處理等功能。

5 結(jié) 語(yǔ)

機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群堅(jiān)持新工科創(chuàng)新理念教學(xué)改革，以O(shè)BE為導(dǎo)向，以解決工程復(fù)雜問題為牽引，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目標(biāo)；結(jié)合浙江省產(chǎn)業(yè)特征，緊緊圍繞專業(yè)核心課程開設(shè)與某個(gè)課程或課程群相銜接的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(群)，突出學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)，以項(xiàng)目式工程教育模式為手段，融合虛擬仿真技術(shù)，強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)，輔以項(xiàng)目管理知識(shí)的有效利用和知識(shí)獲取多元化環(huán)境下的學(xué)生自主式學(xué)習(xí)模式嘗試。最終達(dá)到以整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為基礎(chǔ)，以提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量為核心，以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式為重點(diǎn)，探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群，虛實(shí)結(jié)合、提升實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵，進(jìn)而提升機(jī)械類專業(yè)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作素養(yǎng)。學(xué)生通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)性典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群的實(shí)踐和訓(xùn)練，能初步滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要。

圖9 運(yùn)動(dòng)控制卡與臺(tái)達(dá)(ASDA系列)交流伺服系統(tǒng)連接圖

面向新工科的機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)性典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群初步推行的成效較為顯著，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高了解決復(fù)雜工程問題和創(chuàng)新思維能力，達(dá)到知識(shí)、能力、素養(yǎng)三者的有機(jī)結(jié)合和融合，適應(yīng)了工科高校創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的需求。