引導學生改造實驗室設備和開發實驗項目的實踐

秦春節， 謝林君， 鄭勁松

(浙江工業大學 a.之江學院，浙江杭州 310024;b.機械工程學院，浙江 杭州 310014)

0 引言

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》明確指出［1］:“支持學生參與科學研究，強化實踐教學環節。”自制或改進實驗設備是高校實驗室建設和改革的重要內容之一［2-4］，也是機械工程省級實驗教學示范中心建設內容之一。引導學生積極參與實驗室改造和實驗設備開發，從而達到培養學生綜合實踐與創新能力和豐富實驗教學內容的目的。

1 學生參與實驗室改造的任務

1.1 參與實驗室改造項目的選定原則

學生參與實驗室改造項目要具有綜合性和可操作性，有利于培養和提升學生工程實踐能力。

(1)實驗室需要的設備和實驗教學項目。在目前實驗教學中發現儀器設備存在的缺陷和不足，并針對實驗教學中急需的項目對儀器設備進行改進或研制，當學生和指導教師看到自己的研發成果明顯改善實驗教學效果時，必定會激起師生教與學的熱情，形成實驗教與學的良性循環［5-6］。

(2)注重學生能力的可行性。指導教師必須了解學生的理論知識基礎與實踐能力基礎［7］，所選項目必須符合學生的實際情況，是學生經過努力可以完成的，既不會挫傷學生的積極性，又保證自制設備的研制順利進行。

(3)具有一定的創新性。具有自制設備功能、設計方案創新等，以達到培養學生創新能力的目的［8-10］。

1.2 研發背景

“現代生產與物流實驗室”始建于2003年。2007年進行擴建與改造?，F擁有物流成套設備1套，包括自動貨柜系統，自動物流作業系統及機器人搬運系統等，采用2套西門子控制器來完成整個系統的控制，1臺PC機完成系統的操作及監控，1臺POS機完成終端服務?！艾F代生產與物流實驗室”為學院的工業工程專業和其他相關專業提供了較好的實驗環境，作用明顯。但隨著市場對人才的要求變化，其功能的單一性就凸現出來，“現代生產與物流實驗室”沒能充分發揮其應有的作用，主要原因有:

(1)實驗室側重于工業工程專業，實驗項目開出率低，設備利用率低，優勢實驗資源不能充分發揮其在人才培養中的作用;

(2)實驗類型和方式較單一，實驗類型多以驗證性和演示型實驗為主，缺乏綜合性、創新性實驗，不利于學生綜合實踐能力和創新能力的培養［11-12］;

(3)現代生產與物流系統上缺少自動分揀系統，功能不完整。

1.3 “現代生產與物流實驗室”的改造目標

針對這些問題，結合機械工程實驗教學示范中心建設要求，在原有系統基礎上，對“現代生產與物流實驗室”進行改造和開發:①增加自動分揀系統，充實與豐富物流系統，② 開發綜合性、設計性實驗項目，③把“現代生產與物流實驗室”作為示范中心的一個開放性的綜合實驗平臺，各類相關專業學生可以利用該平臺進行實踐和實訓，從而強化學生分析問題和解決實際工程問題的能力。

1.4 改造步驟

①指導教師提出任務，提供要改造的設備及相關資料和實驗場地;② 學生熟悉任務、熟練掌握現代生產與物流實驗室設備運行情況及相關參數;③學生查閱文獻資料、指導教師參與研討，擬訂初步實施方案和計劃，指導教師審核，專家組對方案進行論證;④ 確定實施方案，制定具體實施計劃并研制;⑤ 設備調試、成果驗證、答辯;⑥ 設備驗收并形成固定資產。在學生自制設備的整個實踐過程中完全遵循以學生為主體、教師為主導的原則，使學生從構思、設計、制造、安裝、調試、使用各個環節經歷一個完整產品的開發過程，使學生對理論知識有了更深刻的理解，實踐和理論知識緊密結合，掌握科學研究和解決實際工程問題的一般方法［13-14］。

1.5 實施方案

(1)總體設計方案?！艾F代生產與物流實驗室改造與開發”主要研究的內容是如何在現有的現代生產與物流系統上增加自動分揀模塊，來實現生產與物流的自動分揀，總體設計框架如圖1。

圖1 總體設計框架圖

(2)詳細設計方案。該項目所要解決的關鍵性技術包括兩個部分:機械部分的設計和控制系統的設計。首先要對機械結構及其傳動部件進行設計，通過對現有的流水線的結構尺寸進行測量來確定機械部分的總體結構，然后對機械傳動方案及部件進行設計與選擇，最后進行詳細設計。控制系統設計包括電氣原理圖設計和各個模塊之間的接線圖設計以及控制程序的編寫。最后，把條形碼掃描模塊、位置控制模塊和機械部件系統地結合起來，形成一個完整的自動分揀裝置，通過可編程邏輯控制器的控制，來實現生產與物流的自動分揀。機械部分實物見圖2，控制系統實物見圖3。

圖2 機械部分實物圖

圖3 控制系統實物圖

2 學生參與實驗室改造的成果

2.1 學生開發的實驗項目

學生自制設備項目“現代生產與物流實驗室改造與開發”可以提供機械制造及其自動化、工業工程等相關專業一個具有真實生產環境的開放的綜合實踐平臺，在本項目建設過程中，開發出了綜合性、設計性實驗項目5個，累計實踐教學課時為34課時，見表1。充分發揮了該實驗室的優勢作用，改善了學生實驗條件，運行情況良好。

表1 開發實驗項目表

2.2 學生在項目中的實踐情況

“現代生產與物流實驗室改造與開發”項目以工程項目的要求開展各項工作，由4位四年級學生組成的一個小團隊負責，各成員分工合作，定期研討，歷時3個月完成了項目的設計、制作和調試，并完成了后續實驗項目的操作說明書和指導書的撰寫。

項目期間，在指導教師的引導下，學生從查閱文獻資料入手，向專家或專業技術人員咨詢等，討論和確定項目的方案，在此基礎上，學生完成了設計工作。項目涉及的零部件都是由學生自行采購、加工、制作與安裝。程序也是由學生編寫和調試完成。在實踐過程中，學生遇到過很多難題，如步進電機的控制，PLC與條形碼的通訊，PLC與讀碼器的通訊等，都經過理論學習和提高、反復實踐，最后順利完成任務。完成本項目的學生深切體會:參與這樣的項目要求他們具有較廣的知識面、很強的實踐動手能力和吃苦耐勞的精神。

3 結語

引導學生參與實驗室改革和實驗項目的開發，不僅改善了實驗設備的性能，增添了實驗項目，擴大了受益面，更重要的是通過鼓勵學生自制設備建設模式的探索，充分調動了學生的學習積極性，增強了學生的自信心，培養了學生的科研方法、創新意識、團隊合作精神，為學生將來走向社會打下了堅實的基礎。

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