機(jī)械工程測試技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)方法

邱榮華 肖淵 周阿維 劉冰

摘 要：為適應(yīng)新工科專業(yè)建設(shè)和改革，需加強(qiáng)課程教學(xué)改革，提高學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐動手能力，達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)認(rèn)證要求；課程實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)新工科學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)是課程教學(xué)改革的基礎(chǔ)。文章針對機(jī)械工程測試技術(shù)課程，探索實(shí)踐教學(xué)方法和教學(xué)模式，作為加強(qiáng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的專業(yè)課程改革突破點(diǎn)，結(jié)果表明改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)方法可提高學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，是新工科專業(yè)課程建設(shè)的著重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新設(shè)計(jì)；實(shí)踐教學(xué)模式；測試技術(shù)課程；教學(xué)改革

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）02-0035-03

Abstract： The reform of teaching is deepened on adapting to new engineering professional construction and reform. The innovative design and practical abilities are enhanced for college students and the demands of professional certification is attained in international standard. The key aspects of innovative design and practical abilities are practical teaching on course for college students of the new engineering. Strengthening the practical teaching is the basics of course innovative. To the course of mechanical engineering testing technology， the method and pattern of practical teaching are explored in this paper. That is the breakthrough point of course innovative on strengthening innovative design abilities. The results indicate that the emphasis of professional construction is the improvement on practical teaching and the innovative design abilities of college students can also be strengthened.

Keywords： innovative design； the pattern of practical teaching； the course of testing technology； teaching reform

一、概述

目前，機(jī)械工程測試技術(shù)課程教學(xué)仍側(cè)重測試基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，在實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的教育和動手能力訓(xùn)練方面有待提高[1]。隨著本科教育教學(xué)改革持續(xù)、深入推進(jìn)，加強(qiáng)新工科學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)已成為高等教育改革發(fā)展的新方向。根據(jù)機(jī)械電子工程專業(yè)培養(yǎng)方案修訂和專業(yè)認(rèn)證需求[2]，機(jī)械工程測試技術(shù)課程教研組完成了機(jī)電綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目，并獲得該課程教改立項(xiàng)資助，課題著重教學(xué)內(nèi)容、課程體系、實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面的綜合改革，現(xiàn)已完成課程創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)方法研究。通過已完成并實(shí)施的課程實(shí)踐教學(xué)新方法，明顯激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識和創(chuàng)新能力，實(shí)際動手能力有顯著提高。

二、基于創(chuàng)新設(shè)計(jì)的課程實(shí)踐教學(xué)基礎(chǔ)

（一）機(jī)電創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)平臺

創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)是基于創(chuàng)新設(shè)計(jì)的測試技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)室需提供良好的開放實(shí)驗(yàn)條件。通過增加課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)，滿足綜合型、設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)要求，學(xué)生有充分的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析[3，4]。

機(jī)械工程測試技術(shù)教研組充分利用機(jī)電綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室資源，提高師資隊(duì)伍教學(xué)、科研能力，培養(yǎng)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，交流教學(xué)方法，做到經(jīng)驗(yàn)分享，發(fā)掘新方法。機(jī)電綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)臺有：單片機(jī)和可編程綜合實(shí)驗(yàn)臺、三維數(shù)控平臺、電機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)臺、三聯(lián)電梯群控實(shí)驗(yàn)臺、光學(xué)測試平臺、超聲測試實(shí)驗(yàn)臺，如圖1所示。能開設(shè)機(jī)電控制、驅(qū)動、測試等多門課程綜合實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。課程教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生整合現(xiàn)有設(shè)備，設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)；在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

各實(shí)驗(yàn)臺主要開設(shè)的綜合性、創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如下：

1. 單片機(jī)可編程控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置

可完成測試系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)、開發(fā)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置集單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板、專業(yè)仿真器、可編程控制器、通信編程器、模擬控制實(shí)驗(yàn)板、實(shí)物于一體，可直觀地進(jìn)行單片機(jī)原理及各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)、多個(gè)PLC實(shí)際應(yīng)用的模擬實(shí)驗(yàn)及實(shí)物實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也為高層次的設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)驗(yàn)提供良好的條件。本裝置結(jié)合教學(xué)要求，設(shè)計(jì)了單片機(jī)和可編程控制器課程中最具典型性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，適合各高等院校開設(shè)的“單片機(jī)原理及接口技術(shù)”、“單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)”、“可編程控制器技術(shù)”、“可編程控制器及其應(yīng)用”等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2. 三維數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺

該實(shí)驗(yàn)臺為主軸帶光柵的開放式可重組龍門三維機(jī)電綜合工作臺，可完成位置、速度等三坐標(biāo)運(yùn)動控制參數(shù)綜合測試、開發(fā)實(shí)驗(yàn)。采用工業(yè)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有開放式可重組龍門固定式三維平臺機(jī)械本體，實(shí)現(xiàn)可重組三維運(yùn)動平臺和通用四軸閉環(huán)控制系統(tǒng)的運(yùn)動控制；提供VC、Vb、C#、Delphi、Matlab及Labview等主流高級編程環(huán)境的接口庫，方便進(jìn)行機(jī)電和控制等方面的實(shí)驗(yàn)，可使用開放式高級語言采集位置和速度信號，實(shí)現(xiàn)位置和速度的全閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制和開環(huán)控制，顯示位置和速度曲線。

3. 電機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)臺

該實(shí)驗(yàn)臺為運(yùn)動控制與電機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)及故障診斷平臺（機(jī)電一體化技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)平臺）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可完成機(jī)械振動、軸端位移、主軸不對中及軸承磨損等故障參數(shù)的綜合測試，電機(jī)控制及故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析。可實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化技術(shù)與運(yùn)動控制和故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)平臺包含典型傳感器技術(shù)、交流電機(jī)控制、運(yùn)動控制器、計(jì)算機(jī)控制、數(shù)控系統(tǒng)等課程實(shí)驗(yàn)，故障診斷實(shí)驗(yàn)包含典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)故障診斷與分析實(shí)驗(yàn)。

4. 三聯(lián)電梯群控實(shí)驗(yàn)臺

六層三聯(lián)群控電梯模型為透明仿真教學(xué)電梯，具有自動平層、自動開門關(guān)門、順向響應(yīng)轎廂內(nèi)外呼梯信號、直駛、電梯安全運(yùn)行保護(hù)以及電梯急停、慢上、慢下、照明、風(fēng)扇等功能；模型軟硬件均采用開放式結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行測試、控制系統(tǒng)的二次開發(fā)研究，實(shí)現(xiàn)群控電梯（統(tǒng)一調(diào)度多臺集中并列的電梯）、并聯(lián)控制電梯（2-3臺電梯的控制線路并聯(lián)，進(jìn)行邏輯控制，共用層站外召喚按鈕）、集選控制電梯、信號控制電梯等。

5. 機(jī)電系統(tǒng)測控技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)平臺

雙噴頭噴墨打印沉積系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)及噴頭系統(tǒng)等組成。通過檢測微滴運(yùn)動參數(shù)，精確控制微滴穩(wěn)定噴射及基板精確運(yùn)動的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)功能材料在基板精確沉積制造，完成如：柔性導(dǎo)電線路、微傳感器、薄膜太陽能電池、半導(dǎo)體器件的快速成型制造。

變頻張力控制教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)具備傳感檢測技術(shù)、人機(jī)交互、電機(jī)拖動、PID 控制、自動傳輸、電氣調(diào)試等技術(shù)應(yīng)用，通過對卷繞系統(tǒng)中收放卷裝置的張力控制，線速度、膜厚和卷徑等變量算法研究，重點(diǎn)突出變頻器模擬量方式對三相電機(jī)的調(diào)速與控制、收放卷張力恒定等項(xiàng)目，包含PLC、HMI、變頻器配線、控制和通訊功能的綜合實(shí)訓(xùn)；整個(gè)動態(tài)過程能保證收卷、放卷過程的平穩(wěn)性，不論是大卷、小卷、加速、減速、激活、停車都能保證張力的恒定。

數(shù)字微鏡器件（DMD）為數(shù)字微鏡空間光調(diào)制器套件，結(jié)合DMD高性能芯片組，能為學(xué)生提供FPGA可編程應(yīng)用開發(fā)平臺，學(xué)生可開發(fā)定制應(yīng)用，該投影套件系統(tǒng)也為高層次綜合設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)驗(yàn)提供良好條件。

便攜式超聲波探傷儀具有B掃描（成像）以及全程連續(xù)動態(tài)實(shí)時(shí)記錄檢測回波數(shù)據(jù)便攜式超聲波探傷儀，能夠快速便捷、無損傷、精確地進(jìn)行工件內(nèi)部多種缺陷如裂紋、焊縫、氣孔、砂眼、夾雜、折疊等的檢測、定位、評估及診斷。

（二）結(jié)合研究課題，開設(shè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

利用機(jī)電創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備，結(jié)合科研課題，在光學(xué)檢測、微滴噴射成型技術(shù)、機(jī)器視覺、高速主軸可靠性分析等領(lǐng)域的測試方法，引導(dǎo)學(xué)生開發(fā)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。

與工程訓(xùn)練中心合作，探討開放實(shí)驗(yàn)室管理方案，實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主管理實(shí)驗(yàn)，全天開放實(shí)驗(yàn)室，提高學(xué)生動手實(shí)踐、培養(yǎng)創(chuàng)新思維，參與課題研究，培養(yǎng)科研分析、寫作論文、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析能力，真正掌握、領(lǐng)會測試技術(shù)課程學(xué)習(xí)內(nèi)容。

加強(qiáng)競賽競爭力，通過課程探討競賽培訓(xùn)方法，課程學(xué)習(xí)使學(xué)生具備參加國家級大賽能力，機(jī)械類專業(yè)可參加全國機(jī)器人大賽、機(jī)械創(chuàng)新大賽、工程訓(xùn)練能力競賽和電子大賽等國家級競賽；通過競賽，總結(jié)參賽經(jīng)驗(yàn)，分析與課程教學(xué)的結(jié)合點(diǎn)，教學(xué)方法改革切入點(diǎn)，改進(jìn)教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容及學(xué)生應(yīng)掌握知識點(diǎn)，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)。

結(jié)合研究課題，提出問題、設(shè)計(jì)教學(xué)案例，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和學(xué)生自主完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)自主訓(xùn)練教學(xué)目標(biāo)。目前，在電機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)、電梯群控實(shí)驗(yàn)及柔性制造等實(shí)驗(yàn)平臺上已開設(shè)了若干個(gè)設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

三、項(xiàng)目驅(qū)動實(shí)踐教學(xué)方法

針對機(jī)械電子工程、機(jī)械設(shè)計(jì)、制造及自動化等專業(yè)的培養(yǎng)要求[5，6]，結(jié)合課題研究，設(shè)計(jì)、開發(fā)了圖1所示的機(jī)電綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可為機(jī)械電子工程、機(jī)械設(shè)計(jì)等多個(gè)專業(yè)測試、控制及仿真課程提供綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，很好地改進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)方法。

（一）工程測試項(xiàng)目在實(shí)踐教學(xué)中的綜合應(yīng)用

課題組完成的工程測試項(xiàng)目有機(jī)械零件超聲波無損檢測與探傷技術(shù)、軸承故障檢測與故障診斷技術(shù)、高速主軸振動檢測、機(jī)器視覺和光學(xué)檢測、可穿戴織物導(dǎo)線的微滴噴射成型技術(shù)和高速電主軸可靠性試驗(yàn)技術(shù)等課題，涉及位置、振動、位移、超聲波、光學(xué)等多種測試方法。項(xiàng)目研究擴(kuò)充了機(jī)電綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生通過課程實(shí)踐教學(xué)參與項(xiàng)目研究，將學(xué)習(xí)的測試方法用于實(shí)際工程項(xiàng)目，提高學(xué)生課程學(xué)習(xí)積極性，加強(qiáng)了動手能力和解決實(shí)際問題能力，大大提高了課程實(shí)踐教學(xué)效果。

（二）科研成果融入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

課題組利用科研項(xiàng)目，結(jié)合應(yīng)用的工程測量方法，整理了科研項(xiàng)目中的測試系統(tǒng)，提煉出具有實(shí)際工程應(yīng)用的實(shí)踐教學(xué)案例，作為項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)，課程結(jié)合科研項(xiàng)目的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。以力和扭矩非接觸檢測方法為例，實(shí)踐教學(xué)中，針對高速電主軸接觸式檢測存在的問題，引導(dǎo)學(xué)生提出新的檢測方法，設(shè)計(jì)、開發(fā)非接觸檢測裝置。這種裝置是通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)得到的研究成果，一種學(xué)生自己開發(fā)的測試新技術(shù)。經(jīng)過創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐訓(xùn)練，很好地開拓了學(xué)生思維方法，提高了知識探索能力。

該應(yīng)用是在高速電主軸可靠性實(shí)驗(yàn)課題研究中，需檢測作用在高速電主軸軸端加載盤上的電磁加載量，包括徑向電磁力和扭矩的檢測。根據(jù)高速主軸接觸式檢測存在的問題[7]，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)非接觸電磁加載量檢測方法，提出電磁加載力和扭矩的非接觸檢測方法，對電磁加載量檢測裝置進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如圖2所示。

應(yīng)用圖2所示測試裝置完成加載力和扭矩測試實(shí)驗(yàn)，學(xué)生分析了徑向力和扭矩同步檢測方法及實(shí)驗(yàn)裝置工作原理，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，得到力和扭矩檢測值，解決了高速主軸作用力和扭矩檢測的工程應(yīng)用問題。與教材講授的力和扭矩檢測方法相比，創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教法很好地培養(yǎng)了學(xué)生動手實(shí)踐和分析解決實(shí)際問題的能力。

四、結(jié)束語

本文針對機(jī)械工程專業(yè)新工科培養(yǎng)目標(biāo)，分析和探討了機(jī)械工程測試技術(shù)實(shí)踐教學(xué)新方法。為加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動手能力，建立以學(xué)生為中心的多層次、應(yīng)用型機(jī)電綜合創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式，構(gòu)建了機(jī)械系統(tǒng)檢測技術(shù)綜合創(chuàng)新設(shè)計(jì)的課程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺。本文研究促進(jìn)了專業(yè)實(shí)踐教學(xué)資源的整合、優(yōu)化和共享。有利于通過課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生動手能力和解決實(shí)際問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]田和強(qiáng).加強(qiáng)創(chuàng)新和實(shí)踐能力培養(yǎng)的機(jī)械工程測試技術(shù)課程教學(xué)改革[J].高教學(xué)刊，2016（1）：71-72.

[2]王紅軍，常城，鐘建琳，等.基于工程教育認(rèn)證理念的機(jī)械類實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)方法與評價(jià)方式改革[J].高教學(xué)刊，2018（1）：13-14，17.

[3]胡開群，馮鑫.“機(jī)械工程測試技術(shù)”課程教學(xué)改革探討與研究[J].科技視界，2017（11）：102-103.

[4]周超倫.面向應(yīng)用型本科的《機(jī)械工程測試技術(shù)》課程教學(xué)改革的探討[J].科技風(fēng)，2017（16）：35.

[5]周岳斌，王中任，杜毓瑾，等.在《機(jī)械工程測試技術(shù)》課程教學(xué)中培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015（10）：154-155.

[6]楊帆，周濟(jì)人，朱紅耕.基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的水泵及水泵站課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].高教學(xué)刊，2018（1）：27-29.

[7]邱榮華，劉宏昭.一種高速電主軸非接觸電磁加載量的測試方法[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，28（3）：253-257.