機械工程測試技術的創新設計實踐教學方法

邱榮華 肖淵 周阿維 劉冰

摘 要：為適應新工科專業建設和改革，需加強課程教學改革，提高學生創新設計能力、實踐動手能力，達到國際標準的專業認證要求；課程實踐教學是培養新工科學生創新設計實踐能力的關鍵環節，強化實踐教學是課程教學改革的基礎。文章針對機械工程測試技術課程，探索實踐教學方法和教學模式，作為加強創新設計能力的專業課程改革突破點，結果表明改進實踐教學方法可提高學生創新設計能力，是新工科專業課程建設的著重點。

關鍵詞：創新設計；實踐教學模式；測試技術課程；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：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，機械工程測試技術課程教學仍側重測試基礎知識學習，在實踐能力、創新能力的教育和動手能力訓練方面有待提高[1]。隨著本科教育教學改革持續、深入推進，加強新工科學生創新能力培養已成為高等教育改革發展的新方向。根據機械電子工程專業培養方案修訂和專業認證需求[2]，機械工程測試技術課程教研組完成了機電綜合創新實驗室建設項目，并獲得該課程教改立項資助，課題著重教學內容、課程體系、實踐環節等方面的綜合改革，現已完成課程創新設計實踐教學方法研究。通過已完成并實施的課程實踐教學新方法，明顯激發學生學習興趣，培養了學生團隊協作意識和創新能力，實際動手能力有顯著提高。

二、基于創新設計的課程實踐教學基礎

（一）機電創新綜合實驗平臺

創新設計綜合實驗是基于創新設計的測試技術課程實踐教學基礎，實驗室需提供良好的開放實驗條件。通過增加課程實驗學時數，滿足綜合型、設計型、創新型實驗學時要求，學生有充分的時間進行實驗設計和分析[3，4]。

機械工程測試技術教研組充分利用機電綜合創新實驗室資源，提高師資隊伍教學、科研能力，培養教學團隊，交流教學方法，做到經驗分享，發掘新方法。機電綜合創新實驗室實驗實訓臺有：單片機和可編程綜合實驗臺、三維數控平臺、電機綜合實驗臺、三聯電梯群控實驗臺、光學測試平臺、超聲測試實驗臺，如圖1所示。能開設機電控制、驅動、測試等多門課程綜合實驗、實訓項目。課程教學中，引導學生整合現有設備，設計綜合實驗；在此基礎上，引導學生對實驗設備和實驗項目進行創新設計，培養學生創新設計能力。

各實驗臺主要開設的綜合性、創新設計實驗項目如下：

1. 單片機可編程控制綜合實驗裝置

可完成測試系統控制器設計、開發實驗。該實驗裝置集單片機實驗板、專業仿真器、可編程控制器、通信編程器、模擬控制實驗板、實物于一體，可直觀地進行單片機原理及各個應用領域的實驗、多個PLC實際應用的模擬實驗及實物實驗，同時也為高層次的設計開發實驗提供良好的條件。本裝置結合教學要求，設計了單片機和可編程控制器課程中最具典型性的實驗項目，適合各高等院校開設的“單片機原理及接口技術”、“單片機數據通信技術”、“可編程控制器技術”、“可編程控制器及其應用”等課程的實驗教學。

2. 三維數控實驗臺

該實驗臺為主軸帶光柵的開放式可重組龍門三維機電綜合工作臺，可完成位置、速度等三坐標運動控制參數綜合測試、開發實驗。采用工業模塊化結構設計，具有開放式可重組龍門固定式三維平臺機械本體，實現可重組三維運動平臺和通用四軸閉環控制系統的運動控制；提供VC、Vb、C#、Delphi、Matlab及Labview等主流高級編程環境的接口庫，方便進行機電和控制等方面的實驗，可使用開放式高級語言采集位置和速度信號，實現位置和速度的全閉環控制、半閉環控制和開環控制，顯示位置和速度曲線。

3. 電機綜合實驗臺

該實驗臺為運動控制與電機綜合實驗及故障診斷平臺（機電一體化技術綜合實訓平臺）實驗系統，可完成機械振動、軸端位移、主軸不對中及軸承磨損等故障參數的綜合測試，電機控制及故障診斷系統的設計和分析。可實現機電一體化技術與運動控制和故障診斷綜合實驗；實驗平臺包含典型傳感器技術、交流電機控制、運動控制器、計算機控制、數控系統等課程實驗，故障診斷實驗包含典型的機電一體化系統故障診斷與分析實驗。

4. 三聯電梯群控實驗臺

六層三聯群控電梯模型為透明仿真教學電梯，具有自動平層、自動開門關門、順向響應轎廂內外呼梯信號、直駛、電梯安全運行保護以及電梯急停、慢上、慢下、照明、風扇等功能；模型軟硬件均采用開放式結構，可進行測試、控制系統的二次開發研究，實現群控電梯（統一調度多臺集中并列的電梯）、并聯控制電梯（2-3臺電梯的控制線路并聯，進行邏輯控制，共用層站外召喚按鈕）、集選控制電梯、信號控制電梯等。

5. 機電系統測控技術綜合實訓平臺

雙噴頭噴墨打印沉積系統由機械系統、驅動系統、運動控制系統、視覺系統及噴頭系統等組成。通過檢測微滴運動參數，精確控制微滴穩定噴射及基板精確運動的協調控制，實現功能材料在基板精確沉積制造，完成如：柔性導電線路、微傳感器、薄膜太陽能電池、半導體器件的快速成型制造。

變頻張力控制教學培訓系統具備傳感檢測技術、人機交互、電機拖動、PID 控制、自動傳輸、電氣調試等技術應用，通過對卷繞系統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，重點突出變頻器模擬量方式對三相電機的調速與控制、收放卷張力恒定等項目，包含PLC、HMI、變頻器配線、控制和通訊功能的綜合實訓；整個動態過程能保證收卷、放卷過程的平穩性，不論是大卷、小卷、加速、減速、激活、停車都能保證張力的恒定。

數字微鏡器件（DMD）為數字微鏡空間光調制器套件，結合DMD高性能芯片組，能為學生提供FPGA可編程應用開發平臺，學生可開發定制應用，該投影套件系統也為高層次綜合設計開發實驗提供良好條件。

便攜式超聲波探傷儀具有B掃描（成像）以及全程連續動態實時記錄檢測回波數據便攜式超聲波探傷儀，能夠快速便捷、無損傷、精確地進行工件內部多種缺陷如裂紋、焊縫、氣孔、砂眼、夾雜、折疊等的檢測、定位、評估及診斷。

（二）結合研究課題，開設綜合設計實驗

利用機電創新綜合實驗室儀器設備，結合科研課題，在光學檢測、微滴噴射成型技術、機器視覺、高速主軸可靠性分析等領域的測試方法，引導學生開發、設計實驗實訓內容。

與工程訓練中心合作，探討開放實驗室管理方案，實現學生自主管理實驗，全天開放實驗室，提高學生動手實踐、培養創新思維，參與課題研究，培養科研分析、寫作論文、實驗數據分析能力，真正掌握、領會測試技術課程學習內容。

加強競賽競爭力，通過課程探討競賽培訓方法，課程學習使學生具備參加國家級大賽能力，機械類專業可參加全國機器人大賽、機械創新大賽、工程訓練能力競賽和電子大賽等國家級競賽；通過競賽，總結參賽經驗，分析與課程教學的結合點，教學方法改革切入點，改進教學方法、教學內容及學生應掌握知識點，強化學生實踐能力培養。

結合研究課題，提出問題、設計教學案例，結合實際應用，設計實驗教學方法和學生自主完成的實驗內容，實現自主訓練教學目標。目前，在電機綜合實驗、電梯群控實驗及柔性制造等實驗平臺上已開設了若干個設計型、創新型實驗項目。

三、項目驅動實踐教學方法

針對機械電子工程、機械設計、制造及自動化等專業的培養要求[5，6]，結合課題研究，設計、開發了圖1所示的機電綜合創新實驗項目，可為機械電子工程、機械設計等多個專業測試、控制及仿真課程提供綜合設計實驗，很好地改進了實踐教學方法。

（一）工程測試項目在實踐教學中的綜合應用

課題組完成的工程測試項目有機械零件超聲波無損檢測與探傷技術、軸承故障檢測與故障診斷技術、高速主軸振動檢測、機器視覺和光學檢測、可穿戴織物導線的微滴噴射成型技術和高速電主軸可靠性試驗技術等課題，涉及位置、振動、位移、超聲波、光學等多種測試方法。項目研究擴充了機電綜合創新實驗內容，學生通過課程實踐教學參與項目研究，將學習的測試方法用于實際工程項目，提高學生課程學習積極性，加強了動手能力和解決實際問題能力，大大提高了課程實踐教學效果。

（二）科研成果融入實踐教學環節

課題組利用科研項目，結合應用的工程測量方法，整理了科研項目中的測試系統，提煉出具有實際工程應用的實踐教學案例，作為項目驅動教學，課程結合科研項目的實踐教學內容。以力和扭矩非接觸檢測方法為例，實踐教學中，針對高速電主軸接觸式檢測存在的問題，引導學生提出新的檢測方法，設計、開發非接觸檢測裝置。這種裝置是通過創新設計得到的研究成果，一種學生自己開發的測試新技術。經過創新設計實踐訓練，很好地開拓了學生思維方法，提高了知識探索能力。

該應用是在高速電主軸可靠性實驗課題研究中，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。根據高速主軸接觸式檢測存在的問題[7]，實驗教學中引導學生設計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行了創新設計，如圖2所示。

應用圖2所示測試裝置完成加載力和扭矩測試實驗，學生分析了徑向力和扭矩同步檢測方法及實驗裝置工作原理，通過實驗數據的處理，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用問題。與教材講授的力和扭矩檢測方法相比，創新設計實驗教法很好地培養了學生動手實踐和分析解決實際問題的能力。

四、結束語

本文針對機械工程專業新工科培養目標，分析和探討了機械工程測試技術實踐教學新方法。為加強學生實踐動手能力，建立以學生為中心的多層次、應用型機電綜合創新實踐教學模式，構建了機械系統檢測技術綜合創新設計的課程實驗實訓平臺。本文研究促進了專業實踐教學資源的整合、優化和共享。有利于通過課程實踐教學環節，提高學生動手能力和解決實際問題的能力。

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[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].西安理工大學學報，2012，28（3）：253-257.