多功能生物實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)物盒的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張建林

摘? 要 根據(jù)南通大學(xué)工程訓(xùn)練中心工程訓(xùn)練教學(xué)現(xiàn)狀，進(jìn)行機(jī)床實(shí)踐教學(xué)手段探索，設(shè)計(jì)適用于傳統(tǒng)機(jī)床和數(shù)控機(jī)床的聯(lián)機(jī)模式和單機(jī)模式兩種實(shí)踐教學(xué)方案，并進(jìn)行一種機(jī)床主機(jī)教學(xué)儀的研發(fā)和樣機(jī)制作。應(yīng)用試驗(yàn)表明，兩種方案可用于機(jī)床實(shí)踐教學(xué)，研制的教學(xué)儀有助于實(shí)踐教學(xué)效率的提高。

關(guān)鍵詞 工程訓(xùn)練;機(jī)床實(shí)踐教學(xué);機(jī)床主機(jī)教學(xué)儀;多媒體

中圖分類號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）05-0024-03

1 引言

工程技術(shù)人才的培養(yǎng)機(jī)制必須要具備有效的理論培養(yǎng)和實(shí)踐鍛煉[1]。因此，大學(xué)本科開(kāi)展機(jī)械加工生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)，是工科學(xué)生切實(shí)參與機(jī)械生產(chǎn)實(shí)踐、檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果的重要途徑[2]，是高校全面貫徹落實(shí)素質(zhì)教育、質(zhì)量工程的重要舉措。為此，國(guó)家實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，達(dá)到為國(guó)家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略服務(wù)的基本要求。

南通大學(xué)工程訓(xùn)練中心承擔(dān)學(xué)校工程實(shí)踐教學(xué)任務(wù)，其中機(jī)床教學(xué)模塊每學(xué)年承擔(dān)全校七個(gè)學(xué)院超過(guò)2500名學(xué)生的實(shí)習(xí)任務(wù)。工程訓(xùn)練過(guò)程中，學(xué)生要參加車、銑等傳統(tǒng)機(jī)械加工和數(shù)控車、數(shù)控銑、加工中心、柔性制造系統(tǒng)等的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作。由于機(jī)床結(jié)構(gòu)布局、廠房環(huán)境條件、生產(chǎn)操作要求和師生比例特點(diǎn)，要求師生雙邊教學(xué)更高效、更便捷。但是，目前常規(guī)的機(jī)床教學(xué)采取“教師機(jī)床旁講，學(xué)生機(jī)床邊學(xué)”的模式，學(xué)生圍在教師周圍聽(tīng)機(jī)床結(jié)構(gòu)和操作的講解，因?yàn)榭赡芸床坏浇處熃榻B的機(jī)床結(jié)構(gòu)而不能全面認(rèn)識(shí)機(jī)床的各個(gè)組成部分，也可能看不清晰教師具體操作的按鍵而不能準(zhǔn)確知曉機(jī)床的基本操作。所以學(xué)生學(xué)的效率不高，教師授課就不能有效拓展和深入。為了保證實(shí)習(xí)效果，勢(shì)必要求安排更多實(shí)習(xí)時(shí)間，增多中心工作量和加大教師工作壓力。因此，努力探索工程訓(xùn)練教學(xué)的方式手段和進(jìn)行必要的教學(xué)條件建設(shè)，是目前開(kāi)展機(jī)床實(shí)踐教學(xué)工作的迫切需求。

2 機(jī)床實(shí)踐教學(xué)方案設(shè)計(jì)

主要設(shè)計(jì)內(nèi)容? 為促進(jìn)機(jī)床實(shí)踐教學(xué)工作和有利于學(xué)生機(jī)床學(xué)習(xí)的實(shí)效，以中心的現(xiàn)有各種普通機(jī)床和數(shù)控機(jī)床為應(yīng)用對(duì)象，基于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)，音像動(dòng)態(tài)擷取、處理及實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作出適合機(jī)床教學(xué)的機(jī)床群主機(jī)教學(xué)儀。首先通過(guò)音像擷取機(jī)構(gòu)，對(duì)指導(dǎo)教師在機(jī)床教學(xué)過(guò)程中的相關(guān)影像和音頻進(jìn)行動(dòng)態(tài)擷取;然后運(yùn)用局域互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將該影像和音頻傳送到計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行音像處理，并及時(shí)配送到學(xué)生能直接觀看到的顯像裝置和能收聽(tīng)到的音響設(shè)備，以供學(xué)生學(xué)習(xí)。學(xué)生有疑問(wèn)時(shí)也可以及時(shí)咨詢，指導(dǎo)教師根據(jù)反饋信息，傳業(yè)、授道、解惑。該項(xiàng)目能夠接納更多學(xué)生有效收聽(tīng)、觀看教學(xué)演示，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床教學(xué)過(guò)程中的師生雙邊活動(dòng)更加高效進(jìn)行。

兩種設(shè)計(jì)方案? 在機(jī)床端（即教師端）配置主機(jī)教學(xué)儀，在學(xué)生端配備多媒體教學(xué)設(shè)備。設(shè)計(jì)兩種模式：一是主機(jī)教學(xué)儀聯(lián)合多媒體設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)的聯(lián)機(jī)模式;二是主機(jī)教學(xué)儀獨(dú)立使用的在機(jī)床近場(chǎng)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)機(jī)床內(nèi)加工過(guò)程再現(xiàn)的單機(jī)模式。兩種模式中視頻、音頻的擷取和傳輸采用不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作，然后集成為一體。

1）聯(lián)機(jī)模式設(shè)計(jì)方案。聯(lián)機(jī)模式設(shè)計(jì)的視頻部分，分別在機(jī)床端和學(xué)生端進(jìn)行擷取，大致過(guò)程如圖1所示。機(jī)床端設(shè)置三個(gè)攝像頭，多角度布局與擷取，有助于更清晰表現(xiàn)機(jī)床加工過(guò)程。學(xué)生端設(shè)置一個(gè)攝像頭，用于遠(yuǎn)離學(xué)生端正在進(jìn)行機(jī)床教學(xué)的教師對(duì)課堂情況的掌握。圖像擷取借助于攝像頭和安裝于電腦主機(jī)的視頻采集卡，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或使用分頻器，將擷取的圖像發(fā)送到機(jī)床端顯示窗口和學(xué)生端顯示窗口。

聯(lián)機(jī)模式下，音頻的擷取與傳輸過(guò)程如圖2所示。學(xué)生端采用內(nèi)頂軌道傳送裝置，攜帶音頻采集器運(yùn)送至需要說(shuō)話的學(xué)生位置，音頻采集器擷取音頻，無(wú)線發(fā)射至連接于學(xué)生端電腦主機(jī)的無(wú)線接收器，借助音響設(shè)備，廣播至整個(gè)教室空間，亦傳輸?shù)浇處煻穗娔X主機(jī)及音響設(shè)備。教師端直接采用便攜式無(wú)線話筒，擷取的音頻傳輸?shù)綄W(xué)生端電腦主機(jī)，借助其音響設(shè)備廣播至整個(gè)教室空間。

2）單機(jī)模式設(shè)計(jì)方案。單機(jī)模式設(shè)計(jì)的視頻擷取和傳輸過(guò)程大致如圖3所示。主機(jī)教學(xué)儀的三個(gè)攝像頭分別從三個(gè)角度，實(shí)時(shí)觀測(cè)機(jī)床內(nèi)部加工特征，所采集的圖像通過(guò)主機(jī)教學(xué)儀主機(jī)上安裝的視頻采集卡，有線發(fā)送到與主機(jī)教學(xué)儀連接的安放于學(xué)生端的顯示窗口，以幫助所有學(xué)生坐在課桌旁而無(wú)須圍繞在機(jī)床周圍也能清晰地觀看到正在進(jìn)行的機(jī)加工的各個(gè)細(xì)節(jié)。因?yàn)檎n桌布置在機(jī)床近場(chǎng)位置，所以授課教師可以方便觀察學(xué)生情況，即學(xué)生端無(wú)須設(shè)置攝像頭。而且整個(gè)教學(xué)場(chǎng)所可以共用主機(jī)教學(xué)儀上的音響設(shè)備，學(xué)生端的音頻采集器也借助內(nèi)頂軌道傳送裝置傳送。單機(jī)模式下音頻的擷取和傳輸如圖4所示。

3 實(shí)物樣機(jī)制作

樣機(jī)制作? 根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)機(jī)床主機(jī)教學(xué)儀樣機(jī)及其內(nèi)頂軌道傳送裝置。圖5所示為機(jī)床主機(jī)教學(xué)儀及其單一軌道內(nèi)頂軌道傳送裝置的實(shí)物樣機(jī)概念圖，其中內(nèi)頂軌道傳送裝置的軌道布局需要切實(shí)結(jié)合實(shí)際實(shí)踐教學(xué)區(qū)域環(huán)境來(lái)設(shè)計(jì)，圖中的框架模擬的是教室基本構(gòu)架。

視頻的擷取和傳輸? 制作的聯(lián)機(jī)模式的樣機(jī)，機(jī)床端視頻采集分成靜擷取和動(dòng)擷取。對(duì)整個(gè)內(nèi)部加工場(chǎng)況的采集使用可調(diào)焦攝像頭，而對(duì)具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的刀架或旋轉(zhuǎn)軸等的擷取則使用自對(duì)焦攝像頭，既能清晰再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中的機(jī)床加工情況，也能降低設(shè)備成本。在教室前方安裝半球攝像頭，用于采集學(xué)生端學(xué)習(xí)狀況信息。機(jī)床端的攝像頭有線連接至主機(jī)教學(xué)儀主機(jī)上的視頻采集卡，學(xué)生端攝像頭有線連接至教室多媒體主機(jī)上的視頻采集卡，兩相視頻采集卡借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)相互監(jiān)視，最終使得機(jī)床端攝像頭所擷取的機(jī)加工圖像在學(xué)生端顯示窗口呈現(xiàn)，而學(xué)生端攝像頭所擷取的遠(yuǎn)程教室內(nèi)的情況也呈現(xiàn)在教師端顯示窗口。單機(jī)模式的樣機(jī)不使用學(xué)生端攝像頭，機(jī)床端使用的攝像頭與聯(lián)機(jī)模式的相同，其擷取的圖像直接有線發(fā)送到機(jī)床近場(chǎng)教室內(nèi)的顯示窗口。

音頻的擷取和傳輸? 兩種模式下機(jī)床端音頻的擷取使用無(wú)線話筒，學(xué)生端音頻的擷取則設(shè)計(jì)了教室內(nèi)頂軌道傳送裝置。如某學(xué)生有疑問(wèn)需要發(fā)言，進(jìn)行動(dòng)作示意，教師通過(guò)視頻獲知信息與位置，可通過(guò)控制柜控制內(nèi)頂軌道運(yùn)送裝置的機(jī)械手?jǐn)y帶無(wú)線話筒運(yùn)送至該學(xué)生處。為了準(zhǔn)確將音頻擷取的話筒運(yùn)送到該學(xué)生可抓取的位置，內(nèi)頂軌道傳送裝置設(shè)計(jì)了兩關(guān)節(jié)大角度可調(diào)機(jī)械手。通過(guò)對(duì)機(jī)械手兩關(guān)節(jié)處舵機(jī)的聯(lián)合角度控制，從而控制兩層支桿分別有效旋轉(zhuǎn)至各自設(shè)定角度，使得機(jī)器手末端攜帶的音頻采集器被定位到需要位置。

聯(lián)機(jī)模式下音頻的傳輸使用兩種方式：一種是兩端各自擷取的音頻交叉連接至對(duì)方端的視頻采集卡的音頻傳輸模塊，再通過(guò)對(duì)方端的音響設(shè)備廣播;另一種是借助通用網(wǎng)絡(luò)即時(shí)通信軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。單機(jī)模式下，因?yàn)榻鼒?chǎng)距離小，機(jī)床端和學(xué)生端使用同一套主機(jī)教學(xué)儀上的音響設(shè)備。

4 項(xiàng)目實(shí)施期效

主機(jī)教學(xué)儀效果呈現(xiàn)? 本項(xiàng)目的實(shí)施可以有效解決目前常規(guī)工程訓(xùn)練之機(jī)床教學(xué)中學(xué)生不能擺脫機(jī)床這種情況帶來(lái)的諸多不利。多視角視頻采集機(jī)床加工場(chǎng)和指導(dǎo)教師教學(xué)狀況并傳至于學(xué)生端以供學(xué)習(xí)，也能把學(xué)生端的學(xué)習(xí)狀況及時(shí)反饋給指導(dǎo)教師，實(shí)現(xiàn)學(xué)生遠(yuǎn)離機(jī)床也可以進(jìn)行機(jī)床學(xué)習(xí)。圖6所示為機(jī)床加工場(chǎng)兩角度視頻顯示視圖，圖7為學(xué)生端教室內(nèi)景擷取模擬視圖。

實(shí)施項(xiàng)目對(duì)中心教學(xué)工作的影響? 本項(xiàng)目的成功實(shí)現(xiàn)，對(duì)南通大學(xué)工程訓(xùn)練中心的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)起到一定的促進(jìn)作用，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）增強(qiáng)教學(xué)效果。中心現(xiàn)有的機(jī)床教學(xué)過(guò)程中，指導(dǎo)教師帶領(lǐng)小組學(xué)生圍繞各機(jī)床進(jìn)行教學(xué)。由于教學(xué)條件制約和教學(xué)課程緊張等因素，學(xué)生有時(shí)候只能從一個(gè)角度聆聽(tīng)教師的講解，一部分學(xué)生甚至看不到教師講述的具體內(nèi)容和細(xì)節(jié)對(duì)象，造成系統(tǒng)知識(shí)學(xué)習(xí)中的若干間斷，勢(shì)必影響教學(xué)效果。本項(xiàng)目的實(shí)施，可以解放學(xué)生，使得學(xué)生只需坐在教室而不必圍繞在機(jī)床周圍，就能多角度觀察教師機(jī)床教學(xué)情況，增強(qiáng)教學(xué)效果。

2）擴(kuò)充小組容量。因?yàn)闄C(jī)床的本身構(gòu)造和車間的教學(xué)環(huán)境，限制了每批次各小組的學(xué)生人數(shù)。根據(jù)教學(xué)進(jìn)程和安排，現(xiàn)階段設(shè)置的各個(gè)模塊教學(xué)小組學(xué)生人數(shù)，機(jī)械類一般為10～15人，非機(jī)械類為15～20人。人數(shù)過(guò)多，學(xué)生圍繞在指導(dǎo)教師和機(jī)床外會(huì)影響學(xué)習(xí)效果;人數(shù)過(guò)少，在相同教學(xué)任務(wù)的情況下小組數(shù)多，需增加大量教學(xué)設(shè)備、師資等投入。本項(xiàng)目的實(shí)施，能在不影響教學(xué)效果的前提下擴(kuò)充小組人數(shù)。

3）緩解師資壓力。工程訓(xùn)練中心每年承擔(dān)著繁重的實(shí)踐教學(xué)任務(wù)，人數(shù)眾多，但每批次小組的學(xué)生人數(shù)受限，因此需要增加批次，中心師資壓力增大。本項(xiàng)目的實(shí)施，能擴(kuò)充小組人數(shù)，降低小組批次，緩解對(duì)師資的壓力。

4）拓展教學(xué)內(nèi)容。本項(xiàng)目實(shí)施后，方便了學(xué)生學(xué)習(xí)，從而增強(qiáng)了教學(xué)效果，單位時(shí)間內(nèi)的教學(xué)效率也得到提高。在此基礎(chǔ)上，指導(dǎo)教師各施所能，擴(kuò)展各模塊的教學(xué)內(nèi)容，可以開(kāi)拓學(xué)生知識(shí)的寬度，加大學(xué)習(xí)內(nèi)容的深度，甚至可以開(kāi)展教學(xué)項(xiàng)目的新探索。

5）促進(jìn)中心建設(shè)。本中心作為省級(jí)示范中心，因本項(xiàng)目的成功，可以讓中心的機(jī)床教學(xué)工作更加高效、便捷甚至智能化，一定程度上促進(jìn)中心的建設(shè)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合南通大學(xué)工程訓(xùn)練中心工程教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行機(jī)床實(shí)踐教學(xué)手段的探索，旨在實(shí)現(xiàn)機(jī)床教學(xué)過(guò)程中的師生雙邊活動(dòng)更加高效進(jìn)行。本文提出適用于遠(yuǎn)程教學(xué)的聯(lián)機(jī)模式和適用于機(jī)床近場(chǎng)教學(xué)的單機(jī)模式兩種實(shí)踐教學(xué)方案，并進(jìn)行了一種機(jī)床主機(jī)教學(xué)儀的研發(fā)和樣機(jī)制作。應(yīng)用試驗(yàn)表明，兩種方案均可用于傳統(tǒng)機(jī)床和數(shù)控機(jī)床的實(shí)踐教學(xué)工作中。研制的機(jī)床教學(xué)儀使用便捷、效果顯著，能讓實(shí)習(xí)小組人數(shù)得以擴(kuò)充，緩解師資壓力，降低指導(dǎo)教師教學(xué)過(guò)程緊張度，有助于機(jī)床教學(xué)內(nèi)容擴(kuò)展、形式多樣化開(kāi)展。項(xiàng)目的實(shí)施能在一定程度上促進(jìn)中心的建設(shè)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]傅水根.我國(guó)高等工程實(shí)踐教育的歷史回顧與展望[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（2）：1-4.

[2]王秀梅，孫萍茹.高等工程教育及工程技術(shù)人才培養(yǎng)研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2006（3）：128-132.