基于載體、技術與分組三維交互的本科實驗教學

陳耿彪+黃浩銘

[摘 ? ?要] ? ?以柔性制造系統控制開放性實驗為例，介紹一種集載體、技術與分組三維交互的大學生科學實驗素養培養新模式，其實施過程不僅可以大大減少指導老師的工作量，而且能真正提高學生的創新意識、技術交流能力和團隊合作精神。

[關鍵詞] ? ?三維交互;科學素養;本科實驗

[中圖分類號] ? ?G642.0 ? ? ? ?[文獻標志碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號] ? ?1005-4634（2014）06-0101-03

開放性實驗培養學生的能力一直受到各高校的重視。通過實驗教學提高學生的科學素養，培養學生的創新精神、創新思維和創新能力在高校創新人才培養中起著基礎性的關鍵作用，有十分重要的地位[1]。為了適應大學生素質教育，很多高校增加了實驗課的學時，建設開放性實驗室，設計綜合性與創新性實驗，以提高學生的動手能力，但是由于實驗設備臺數和指導老師少，學生人數多，實驗的作用遠未發揮出來。針對這種弊端，本文在柔性制造系統FMS（Flexible Manufacturing System）開放性實驗實踐過程中，采用載體（Carrier）、技術（Technology）與分組（Grouping）三維交互的大學生科學實驗素養培養模式（下文簡稱CTG模式），以3～5位學生為一組劃分組數，構成X軸，實驗所使用的設備模塊數作為Y軸，將實驗內容涉及到的技術類型作為Z軸，采用三維交互模式（如圖1所示）進行技術交流，其中圖中坐標點表示第4小組在第5個模塊上的4號技術的應用，配合合適的技術交流策略，使學生在短時間內迅速掌握大量的技術知識和操作技能，起到事半功倍的效果。

下文以柔性制造系統FMS控制實驗為例，詳細介紹CTG模式的實施過程。

1 ? ?實驗載體、技術、分組選定

1.1 ? ?實驗載體選擇

本FMS控制實驗平臺由供料檢測單元、搬運單元、加工單元、操作手單元、圖像檢測單元、提取單元、機器人單元、安裝單元、自動倉儲單元、分裝提取單元、分裝輸送單元、環形輸送線等12個單元模塊組成，能完成工件供料、搬運機械手夾取、加工檢測、搬運、圖像檢測、提取分揀、裝配、倉儲、物流、分裝提取、分裝輸送以及環形輸送等功能。

由于上述12個單元存在部分功能重疊現象，篩選出加工單元、圖像檢測單元、機器人單元、安裝單元、自動倉儲單元、分裝輸送單元等6個單元模塊作為實驗研究載體。

1.2 ? ?技術類型提取

分析上述選定6個實驗載體的工作原理及控制方式，提煉出氣動技術、PLC控制技術、傳感器技術、變頻技術、工業網絡通信技術、機電傳動技術、機器人技術、圖像處理技術、繼電器應用技術等9大應用技術作為學習目標。

1.3 ? ?實驗分組

一般來說，參加開放性實驗的學生人數為30人左右，為了敘述方便，本文以27人為例，每3人一組，劃分為9個小組，劃分原則為：

1）與技術類型數匹配原則（組間）：9個小組對應9種技術，使每個小組都能分配到一種技術去實踐、掌握，形成自身的專門技術用于交流與傳授。

2）興趣相同原則（組內）：興趣相同能使組員易于形成共識，鉆研相同的目標。

3）能力互補原則（組內）：能力互補使小組技術結構合理，能順利完成綜合性技術任務。

4）能力均衡原則（組間）：使各小組水平相近交流，有利于組間交流、學習。

小組成員確定后，必須選舉出一位小組長，實行“組長負責制”，這樣有三大好處：首先，主導小組學習方向，調整目標完成進度;其次，組織組內成員學習;再次，引導組內交流;最后，帶領小組進行組間交流與專門技術傳授。

小組的主要任務如下。

1）制定實驗方案：根據設計性實驗方案的科學嚴謹性、可操作性、準確度與可靠性等特點[2]，學習吸收好實驗的設計思想、條件控制方法和減少誤差的操作注意點，設計優化一個好的實驗方案[3]。

2）方案實施與修正：在實施方案的過程中發現問題，再做出相應的調整。

3）解決技術問題：提出技術問題加以解決，并形成本組的專門技術。

4）交流傳授：傳授專門技術，并處理交流中的反饋信息。

2 ? ?三維交互方法與成果

實驗載體、技術、分組等三個維度選定后，采用如圖2所示的專門技術交互策略，及表1所示的實驗內容，即可實現三維度的有效耦合。表1中Z下面的數字1～9分別表示氣動技術、PLC控制技術、傳感器技術、變頻技術、工業網絡通信技術、機電傳動技術、機器人技術、圖像處理技術、繼電器應用技術等9大應用技術，Y列的數字1～6分別表示加工單元、圖像檢測單元、機器人單元、安裝單元、自動倉儲單元、分裝輸送單元等6個單元模塊，表中的兩位數字項表示行欄技術在列欄實驗載體中的應用研究，表中的“＼”表示行欄技術在列欄實驗載體中沒有得到應用，比如，11表示為氣動技術在加工單元中的應用研究，53表示傳感器技術在自動倉儲單元中的應用研究。

表1 ? ?FMS控制實驗內容

Z

Y ? ? ? ? ? ? ? 1 ? ? ? 2 ? ? ? 3 ? ? ? 4 ? ? ? 5 ? ? ? 6 ? ? ? 7 ? ? ? 8 ? ? ? 9

1 ? ? ? ? ? ? ? 11 ? ? 12 ? ? 13 ? ? 14 ? ? 15 ? ? 16 ? ? ? ＼ ? ? ? ?＼ ? ? ?19

2 ? ? ? ? ? ? ? 21 ? ? 22 ? ? 23 ? ? ?＼ ? ? ? 25 ? ? ?＼ ? ? ? ?＼ ? ? ? 28 ? ? 29

3 ? ? ? ? ? ? ? 31 ? ? 32 ? ? 33 ? ? 34 ? ? 35 ? ? 36 ? ? 37 ? ? ? ＼ ? ? ?39

4 ? ? ? ? ? ? ? 41 ? ? 42 ? ? 43 ? ? ?＼ ? ? ? 45 ? ? ?＼ ? ? ? ?＼ ? ? ? ? ＼ ? ? ?49

5 ? ? ? ? ? ? ? 51 ? ? 52 ? ? 53 ? ? 54 ? ? 55 ? ? 56 ? ? 57 ? ? ? ＼ ? ? ?59

6 ? ? ? ? ? ? ? 61 ? ? 62 ? ? 63 ? ? 64 ? ? 65 ? ? 66 ? ? ?＼ ? ? ? ? ＼ ? ? ?69

指導老師先整套示范操作一次FMS系統，讓學生學會基本的操作。在此基礎上實施如下的GCT交互實施方案如下。

第一步，學生根據興趣自愿選擇加入上述的9個技術小組，指導老師依據分組的四大原則調整好各小組的團隊結構及水平層次。

第二步，各小組集中力量解決各自組所承擔的技術專項攻克任務，形成自己的專長技術。

第三步，各小組向其他所有小組同學分享、教授自己的專長技術。

第四步，利用學到的9大技術綜合應用到相應的實驗載體中，獲得全面的技術解決方案。

傳統教學中，9個小組學習9種技術在6個不同的單元模塊得到完全應用，需要9€？€？=486個實驗歷程，而采用GCT交互模式，只需要進行6個實驗歷程。即要做486次實驗才能完成的實驗，只需6次即可完成，并能最大程度得到所有技術的解決方案，大大節省了實驗的人力、物力、時間等資源，而且學習效果良好，全面培養了學生的自主探究能力、技術分享技巧、團隊合作意識，以及技術綜合應用技能。

3 ? ?總結

載體、技術與分組三維交互的本科實驗教學方法以實驗載體為依托，歸納其涉及的技術作為分組的依據之一，結合興趣相同、能力互補、能力均衡等其它三原則劃分合理的小組，采用小組長負責制專攻某門技術，形成本組的專門技術，再以“一對多”的技術分享方式實現各小組專門技術的相互傳授與信息反饋，至此，各小組都獲得了實驗載體所包含的全部技術。最后，選用某一載體去實踐應用，即可得到全面的技術解決方案。本模式以學生為主體，可用于各種實踐教學環節中，經課程實習、創新性實驗、科技創新活動等實踐環節應用證明，它不僅有效解決了指導老師不足的問題，而且對知識與技能的傳播效率高、教學效果好。FMS控制開放性實驗的研究主題“柔性自動化生產線PLC軟件控制與通信系統開發”獲得了長沙理工大學“大學生創新實驗計劃項目”即是明證之一，更重要的隱性成果是培養了大批具有創新意識、溝通交流能力和團體合作精神的大學生。

參考文獻

[1]許家瑞，周勤，陳步云等.構建創新實驗教學體系的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2009，26（5）：2-4.

[2]藍軍.設計性實驗方案的設計初探[J].樂山師范學院學報，2006，21（12）：39-41.

[3]梁旭.教師實驗方案設計能力的差異及提升方法[J].物理教學，2010，32（11）：37-39.