基于高級別學生項目的創(chuàng)新實驗室建設

趙明巖

(中國計量大學 機電工程學院,浙江 杭州 310018)

2012年,教育部、團中央推出了“全國大學生創(chuàng)新項目”；2006年,浙江省教育廳、浙江省科技廳、共青團浙江省委、浙江省財政廳推出了“浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃(新苗人才計劃)項目”,旨在培養(yǎng)在校大學生的創(chuàng)新能力、動手實踐能力。由于這2類項目級別較高(國家級、省部級),在創(chuàng)新性、技術性方面非常適合拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng),有利于提升學生的綜合實踐能力。然而,由于這2類學生創(chuàng)新項目科技體量大、難度及強度高、周期長(2年左右),為此需要對項目的特點進行研究,并建立相關的實驗室,開展針對性的創(chuàng)新實驗,使此類項目能夠順利實施,切實提高學生的綜合創(chuàng)新能力。

1 創(chuàng)新實驗室建設目標

(1) 創(chuàng)新實驗的難點。隨著高校實驗教學改革的深入,創(chuàng)新開放實驗正全面展開[1-6]，但基于學生創(chuàng)新項目的實驗室建設方面的研究較少[7-9]。對本課題而言,每個學生項目不同,研究的方向、領域、對象不同,因此實驗難以開設。對理工科專業(yè)的學生而言,“全國大學生創(chuàng)新項目”及“省新苗人才項目”一般為光機電一體化的綜合項目,其中包括機械本體設計、三維仿真、硬件電路、嵌入式系統(tǒng)、單片機、PLC、軟件編程、智能控制、傳感技術、通信、顯示技術、機器視覺等。對這類項目來說,由于每個項目參與的學生較多、周期長、專業(yè)分布廣,因此創(chuàng)新實驗室的建設要有自身的特色與針對性。例如國家大學生創(chuàng)新項目“魚皮分離機”,要求完成對黑魚的裝夾、定位、攝像頭拍攝三維建模、執(zhí)行末端路徑規(guī)劃、實時調(diào)整路徑、智能剝皮等動作,涉及到機械本體的設計、三維仿真、氣動、PLC與單片機及伺服控制、各種傳感器、觸摸屏技術等。

(2) 合理規(guī)劃實驗室布局。根據(jù)學生項目的上述特點,創(chuàng)新實驗室主要包括設計區(qū)與制作區(qū)。設計區(qū)包括機械本體的計算機設計、三維仿真、動態(tài)模擬等，電控方面如硬件電路測試設計等。制作區(qū)包括機械本體加工、裝配、調(diào)試方面的設備及場地,提供小型車床、小型鉆銑床、臺虎鉗、鉗工工具、手槍鉆、砂輪、鋸鋁機、3D打印機、工具箱等，氣動方面包括氣泵、各種氣缸、電磁閥等。

(3) 更新實驗項目內(nèi)容。實驗項目貴在精,開設一批具有“實用性、針對性、發(fā)展性”特點的開放實驗項目,與傳統(tǒng)固定模式的實驗不同,本實驗內(nèi)容靈活且具有選擇性,可根據(jù)不同項目實時調(diào)整。

(4) 改進實驗教學模式。改變以往死記硬背、填鴨式教學方法,采用啟發(fā)式、研究式的指導方法,以學生為主體,建立完善的創(chuàng)新實驗教學模式[10-12],通過提出問題、分析問題、解決問題的思路提高學生的動手能力、科研分析能力。

2 典型實驗項目

參加創(chuàng)新項目的學生以大二、大三的為主,學生經(jīng)過了校內(nèi)金工實習,初步掌握了鉗工、車銑刨磨、線切割、數(shù)控及加工中心的基本操作,完成了電控方面的相關實驗項目。為此,實驗要依托學生創(chuàng)新項目,與工業(yè)實際相結(jié)合、適應就業(yè)需求。經(jīng)過幾年的摸索,主要構(gòu)建了以下幾個重點實驗。

(1) 三維建模及仿真實驗。設計機械本體之前,要求學生應用SolidWorks軟件設計三維圖,并進行三維動態(tài)仿真,要求學生有一定的繪圖基礎,針對不同學生參與不同項目的特點,設計機械本體,指導教師給予指導,包括模塊化設計技巧、非標零部件的設計、裝配、關鍵零件的校核,如應力分析、可靠性分析、有限元分析等。

(2) 裝配實驗。針對學生初次參加此類項目，動手能力較弱的情況,開設了裝配實驗,主要包括傳動(齒輪、同步帶、鏈、螺旋)的裝配與調(diào)試、軸承的選擇與裝配、聯(lián)軸器的選擇、軸系的裝配等。

(3) 氣動實驗。該實驗包括氣泵的使用、氣缸(主要是直線氣缸、擺動氣缸等)的選擇與使用、執(zhí)行末端(如吸盤)的設計、電磁閥的控制等。

(4) 電機控制實驗。除了普通交直流電機以外,還要掌握步進電機、伺服電機、舵機等的控制；實驗包括電機的安裝、布線、編程,尤其是步進電機、伺服電機、舵機的編程；電機控制實驗可以與PLC實驗或者單片機實驗結(jié)合。

(5) PLC實驗。可編程控制器(PLC)在工業(yè)現(xiàn)場、自動化生產(chǎn)線中使用非常廣泛,要求學生掌握PLC與其他硬件的連接、上位機編程、與觸摸屏通信、控制各種傳感器、各種模塊的使用等。

(6) 單片機實驗。為了方便控制各種電機、傳感器等,我們設計開發(fā)了一種適用于學生的控制平臺,該平臺能夠很方便地控制普通直流電機、舵機、步進電機、伺服電機等；同時,通過I/O接口處理一些輸入輸出信號,在該控制平臺上還可以增加輸入輸出模塊,并能夠?qū)崿F(xiàn)無線遙控。

(7) 機器視覺實驗。隨著人工智能的發(fā)展,機器視覺應用越來越廣泛,本實驗包括光源與攝像頭的選擇、濾光片的選擇與使用,軟件編程,智能執(zhí)行末端的設計等。

3 創(chuàng)新實驗特色

上述7個創(chuàng)新實驗與現(xiàn)有其他普通實驗不同,沒有特定的時間限制,真正達到了開放性的要求。目前,以項目為單位進行預約,針對不同的學生項目,配備不同的實驗。這些實驗以提高學生綜合能力為核心,對學生專業(yè)背景沒有要求,更看重學生的興趣,根據(jù)學生在項目中的分工,針對不同學生,進行針對性實驗。 此外,根據(jù)學生實際水平與興趣,調(diào)整實驗時間、實驗內(nèi)容,內(nèi)容可以根據(jù)項目的側(cè)重點調(diào)整、刪減或增加。

實驗(1)—(3)為機械類實驗,實驗(4)—(6)為電控類實驗,實驗(7)為機器視覺實驗。鼓勵學生跨學科參加實驗,在創(chuàng)新實驗的實施過程中,對學生沒有專業(yè)限制,任何專業(yè)的學生都可以選擇自己喜歡的方向(專業(yè))進行科學研究,而這樣做的優(yōu)勢如下:

(1) 由于項目大多是光機電一體化項目,涵蓋多學科知識,學生可以接觸到不同領域的知識,通過與團隊中不同專業(yè)的同學交流學習,開闊了眼界和思路；

(2) 由于不限制學生的專業(yè),沒有了專業(yè)的束縛,學生可以從事非本專業(yè)方向的研究,給了學生自由選擇的機會,極大地激發(fā)了學生的潛能；

(3) 學生在校期間,借助高級別項目與創(chuàng)新實驗這一平臺,找到了自己的興趣和潛能所在,并提升了學生的科研能力,考研、一次就業(yè)、二次就業(yè)更有針對性。

4 結(jié)語

2006年至今,本人連續(xù)指導了20項高級別的學生創(chuàng)新項目,培養(yǎng)了不少于200名優(yōu)秀學生。參加全國挑戰(zhàn)杯課外學術科技競賽,榮獲全國一、二等獎5項,省特等、一等獎8項,授權專利近50項。

以“魚皮分離機”項目為例,該項目為全國大學生創(chuàng)新項目,培養(yǎng)了10余名優(yōu)秀學生。項目后期,8名

核心隊員參加了挑戰(zhàn)杯競賽,榮獲全國一等獎1項、省一等獎1項,授權實用新型專利6項,2項發(fā)明專利進入實質(zhì)性審查階段,8名學生中有5名參加全國碩士研究生考試并被“985工程”“211工程”高校錄取,2名自主創(chuàng)業(yè)。

總之,為了更好地實施高級別的學生項目,有針對性地設立了開放性創(chuàng)新實驗,并使這些實驗能夠圍繞學生的創(chuàng)新項目,同時不斷有新的學生項目立項,使實驗不斷推陳出新、不斷完善；實驗須圍繞學生的實際項目,學生的專業(yè)背景不同、年級不同、能力不同、個體差異大,實驗項目須不斷地優(yōu)化和改進；實驗要以學生為本、以項目為依托,推陳出新、不斷完善,為項目提供技術服務,項目反過來又豐富了實驗內(nèi)容,形成了良好的互動。

References)

[1] 洪濤,錢曉耀,楊其華.創(chuàng)新開放實驗項目管理方法研究[J].高等工程教育研究,2009(3):141-144.

[2] 孫文彬.開放性創(chuàng)新實驗教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2006,25(2):148-151.

[3] 李虹,陳申華.高校開放式創(chuàng)新型實驗教學模式探索與實踐[J].高教探索,2013(5):102-105.

[4] 王春潮.創(chuàng)新型實驗項目建設的思考與實踐[J].科技信息,2008(29):498-499.

[5] 張昂,楊小玲.大學生競賽與自主創(chuàng)新開放實驗平臺建設[J].實驗科學與技術,2016,14(2):205-206.

[6] 潘清,王磊,張偉,等.創(chuàng)新實驗教學探索[J].實驗技術與管理,2010,27(8):24-27.

[7] 祝曉.基于大學生實踐創(chuàng)新項目的園林虛擬實驗室建設研究[J].創(chuàng)新探索,2017(2):22-23.

[8] 秦潔瓊.大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃與實驗室開放項目一體化探索[J].福建電腦,2012(4):22-24.

[9] 聶海,吳風松,楊宗帥,等.CDIO模式下學生創(chuàng)新項目與實驗室開放管理的探索[J].實驗科學與技術,2012,10(6):170-173.

[10] 安永磊,高淑貞,劉娜.開放性創(chuàng)新實驗教學模式優(yōu)化與實踐[J].實驗技術與管理,2016,33(8):21-23.

[11] 丁愛俠,鄭春龍.大學生創(chuàng)新性開放實驗項目管理的探索與實踐[J].實驗技術與管理,2009,26(4):79-82.

[12] 劉吉軒,陳雪峰,訾艷陽.開放式機械創(chuàng)新實驗教學模式體系研究與實踐[J].實驗室研究與探索,2015,34(7):184-187.