一種綜合創新型實驗平臺的研發及在教學實踐中的應用

廖楚璠　邱詩敏　張娟

摘? 要 一個國家的自主創新能力是其所有競爭力的核心，是建設創新型國家的重中之重，而具有工程實踐能力和創新精神高級人才的培養，對創新型國家的建設更起到舉足輕重的作用[1]。通過教學實踐檢驗，設計的綜合創新型實驗平臺重點凸顯了實驗項目的個性化，體現了跨學科專業融合特點，在大學生實踐教學中發揮了積極的作用。

關鍵詞 工程實踐能力;實踐教學;綜合創新型實驗平臺;實驗設備;STM32單片機

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）04-0028-05

Design and Development of New Comprehensive Experimental Platform on Practical Teaching//LIAO Chufan， QIU Shimin， ZHANG Juan

Abstract A countrys independent innovation capability is the core?of all its competitiveness， and it is the top priority of building an inno-vative country. Moreover， the cultivation of high-level specialized talents with engineering practice ability and innovation spirit plays an important role in the construction of an innovative country. Through the test of teaching practice， the comprehensive innovation experiment platform designed in this paper highlights the individua-tion of experimental items， embodies the characteristics of interdis-ciplinary integration， and plays a positive role in the practical tea-ching of college students.

Key words engineering practice ability; practical teaching; compre-hensive innovation experiment platform; experimental equipment; STM32 single chip microcomputer

1 引言

創新是一個民族進步的靈魂，是一個國家持續發展的不竭動力。當今，無論是經濟發展還是教育強國，都離不開科技創新，離不開與社會發展息息相關的機械制造業。黨的十八大明確提出：“科技創新是提高社會生產力和綜合國力的戰略支撐，必須擺在國家發展全局的核心位置。”《國家創新驅動發展戰略綱要》一文中明確提到，要引導大學加強基礎研究和追求學術卓越，組建跨學科、綜合交叉的科研團隊，形成一批優勢學科集群和高水平科技創新基地，建立創新能力評估基礎上的績效撥款制度，系統提升人才培養、學科建設、科技研發三位一體創新水平[2]。實踐教學作為支持人才培養目標達成的教學環節之一，其教學設計、教學方法、教學模式及最終的教學效果等直接支撐專業認證產出導向理念的貫徹和落實[3]。

高等學校是建設創新型國家的人力資源庫和創新成果積聚地[4]。隨著高等教育的快速發展，社會對大學生實踐動手能力的要求越來越高，而現今高校理工類專業的學習與實操結合緊密。同時，實驗教學在理工科專業特別是機械類專業的教育過程中具有其他教學環節不可替代的功能和作用[5]。實驗和理論結合，既能夠加深學生對基本原理的認識，又能培養理論聯系實際的能力[6]。但只有部分基礎課程設立了實驗環節，學生只能通過科研項目和學科競賽來滿足綜合實踐性較強的實驗需求。總體來說，實踐教學存在以下不足。

1）實踐教學資源不足。

2）實踐項目挑戰性不強，在實踐教學過程中按部就班地撰寫實驗報告、記錄實驗數據、總結實驗現象，限制了學生的創造力和個性化發展，也限制了創新能力的培養。

3）實踐教學改革中所需費用不足，因此，學校實驗設備更新換代的速度達不到國家對產品質量和精度的要求，實驗儀器的管理和維護也不夠及時。如齒輪傳動實驗，頻繁地使用實驗儀器會導致其老化破損，不及時修復則會影響實驗的精度和結果，甚至無法進行實驗。

4）實驗教學儀器老舊單一，大型實驗設備臺數少、占地面積大、所需費用多，同時可搭載實驗系統數目少、實驗步驟煩瑣。

5）實踐教學中綜合性、創新性的實踐項目較少等。

在無法滿足實驗需求的情況下，學生無法將理論知識和實踐動手能力融會貫通，對實驗教學的熱情消退，團隊合作能力較差，工程實踐能力減弱，無法自主動手創新。

本文針對以上問題，設計一款綜合創新型實驗平臺，不僅可以彌補高校實驗設備資源的不足，節省增添和維護設備的費用，同時增加綜合性、創新性實驗項目數量，更新單一老舊的實驗平臺，提高學生對實驗的興趣，激發學生的實驗熱情，改善實驗教學條件，提高實驗實踐教學效率，培養學生綜合創新設計思維。此外，該實驗平臺可以給學生提供自主設計實驗項目的機會，加強實驗的挑戰性，凸顯實驗項目的個性化，體現實驗項目跨學科專業融合特點。

2 綜合創新型實驗平臺的設計方案

綜合創新型實驗平臺設計要求? 該綜合創新型實驗平臺與其他實驗平臺的結構、功能、操作性、數據獲取等的對比如表1所示。綜合創新型實驗平臺設計要求如下：

1）通過設計集機械、液壓、氣動實驗等多種類型實驗為一體的綜合創新型實驗平臺，減少多臺儀器的重復使用，為學生提供進行拓展實驗的平臺，引導學生進行開放性動手實驗;

2）實驗元器件能夠在實驗平臺坐標系內任意位置搭載，配合裝配定位實現安裝位置的多角度固定，同時可自主設計元器件的搭載模式，提升安裝元器件的可操作性;

3）實驗平臺提供多種類型的器械連接件，保證實驗中元器件的定位與安裝;

4）實驗平臺提供多種實驗傳感器，與STM32單片機相配合來完成實驗數據的采集、傳輸和顯示;

5）實驗平臺具有獨立供電系統。

綜合創新型實驗平臺介紹

1）機械模塊功能介紹。本文綜合創新型實驗平臺如圖1所示，其基本結構由支撐臺和多種型材組成。四個支撐桿相互平行地設置在支撐臺的支撐平面上，支撐桿的長度方向垂直于支撐平面。支撐桿上設置有凸起，支撐臺上設置有兩個長度方向相互平行的燕尾型移動槽，沿移動槽的長度方向的凸起可在移動槽內滑動;用L型角件將支撐臺與支撐桿螺紋連接，即可實現支撐桿與支撐臺的可拆卸連接功能。每兩個相鄰的支撐桿之間可以設置多個移動桿，移動桿與支撐桿可拆卸連接，移動桿的滑動方向平行于支撐桿的長度方向，移動桿的長度方向垂直于支撐桿的長度方向，多個移動桿在支撐平面上的投影構成框形結構。平行的兩個移動桿之間可按實驗需求設置數量不一的安裝桿，安裝桿的滑動方向平行移動桿的長度方向，移動桿與安裝桿可拆卸連接。通過沿支撐桿和移動桿的長度方向上設置刻度，實現移動桿、安裝桿的精準定位功能。

為滿足不同系統的實驗需求，特別設計六面體異形導軌桿作為安裝桿（截面為六邊形，如圖2所示），桿面上設置有多個相互平行的滑槽，滑槽的長度方向平行于安裝桿的長度方向，每個滑槽內至少可設置一個連接滑塊，連接滑塊與安裝桿可拆卸連接，連接滑塊上設置有器械連接件。連接滑塊包括連接主體與連接主體上設置的滾輪（圖3），滾輪滾動設置在滑槽內，器械連接件設置在連接主體上。靈活安裝支撐桿、移動桿、安裝桿與連接滑塊，可實現實驗元器件在三維坐標系內任意位置的搭載，有效節省實驗所需空間。

支撐平面上設置有多個相互平行的器械連接槽，用于安裝體積大、質量大的元器件。此外，該綜合創新型實驗平臺還包括控制臺、配電箱等組成部件。控制臺設置在支撐臺上，由控制屏、控制器與控制按鈕組成;配電箱設置在支撐臺內，用于給實驗平臺供電。

2）電控模塊功能介紹。采用STM32單片機和霍爾、壓力、氣壓、流量等傳感器的連接來實現數據的采集，使實驗數據及時顯示，便于采集。采集方案如表2所示。在搭載完實驗所需硬件框架后，通過在合適部位上安裝數據采集傳感器如霍爾傳感器、壓力傳感器、氣壓傳感器、流量傳感器等進行數據的采集。外部電源經過電源適配器轉化為5 V，再經LM1117-3V3轉換成3.3 V為STM32單片機供電，而5 V

則用于給傳感器供電。將傳感器與STM32單片機相應的引腳進行連接，從而將實驗數據傳輸給單片機，同時在STM32單片機的核心芯片中掛載ADC外設，在單片機內部嵌入三個相互獨立的12位ADC，從而實現模擬量和數字量的轉化[8-9]。

該功能主要通過與主控制器相連接的STM32單片機開發板以及測量相應數據量的傳感器模塊實現，從而達到實驗平臺的數據采集、傳輸、顯示功能，原理如圖4所示。

3 綜合創新型實驗平臺的使用方法

現以二級減速器實驗的使用方法為例，介紹實驗平臺的使用方法。

實驗要求? 根據實驗原理圖及實驗平臺所提供的實驗元器件，搭建實驗系統，完成二級減速器實驗，并使用霍爾傳感器檢測其輸出軸的轉速。

實驗原理圖? 實驗原理圖如圖5所示。

二級減速器系統的安裝步驟

第一步：準備實驗器材。

1）高速級齒輪：Z₁=32，Z₂=116，m=2.5，i₁=3.6。

2）低速級齒輪：Z₁=32，Z₂=86，m=4，i₂=2.67。

3）大帶輪、小帶輪。

4）輸入軸、中速軸、輸出軸。

5）電動機、霍爾傳感器。

第二步：實驗器材的定位和安裝。

1）固定支撐桿及確定安裝桿、移動桿的位置。如圖6所示，將螺釘反向滑入實驗平臺的固定滑槽內，用角件將四個支撐桿相互平行地固定在支撐臺的支撐平面上，按實驗需求搭建不同高度、不同數量的移動桿及安裝桿。沿桿的長度方向上設置有刻度，安裝時可由刻度讀出元器件的相對位置，進一步實現移動桿、安裝桿的定位功能。

2）安裝電動機。順著實驗平臺底座凹槽滑入數個螺釘，將電動機底座螺紋孔與導軌上螺釘對齊，扭緊螺母固定其位置。當電動機螺紋孔對應不上時，可采用壓塊將其壓住，再用螺釘將壓塊固定于平臺底座凹槽，從而固定電機。

3）安裝小帶輪。電機固定后，將小帶輪安裝至電機的輸出軸上，通過軸上的鍵槽將小帶輪固定。

4）安裝輸入軸及高速級小齒輪。往安裝桿上搭載連接滑塊，移動滑塊至合適位置后扭緊其側面的螺紋桿，將其鎖緊固定。再向連接滑塊上安裝器械連接件，通過將連接件上的螺紋孔與連接滑塊上的螺紋孔對齊，扭緊螺釘，從而將其固定。最后將高速級小齒輪安裝在軸上，通過鍵槽固定;再將軸安裝在器械連接件上，旋緊器械連接件側面的螺絲，加固軸與其的配合，如圖7所示。

5）安裝大帶輪。將大帶輪安裝至輸入軸上，通過鍵槽固定。調整大帶輪及小帶輪之間的距離，用皮帶將其連接。

6）安裝其他軸及齒輪。根據齒輪傳動中兩對齒輪的嚙合關系，調整安裝桿的位置，用壓緊螺釘將其預固定，與步驟四安裝軸和齒輪的方式相同，保證齒輪間的嚙合關系，如圖8、圖9所示。如若不需調整，則擰緊安裝的壓緊螺釘;若需要調整，則根據移動桿上的刻度，微調安裝桿的位置，從而保證傳動的穩定性。

第三步：檢測原件的安裝。在輸出軸上運用聯軸器將霍爾傳感器與輸出軸連接，隨后將霍爾傳感器相應引腳與STM32單片機對應的引腳連接，單片機與顯示屏相連，則輸出軸的轉速可在顯示屏上獲取。

4 綜合創新型實驗平臺的優點

與現有的實驗平臺相比，該綜合新型實驗平臺有下面一些優點。

1）該實驗平臺可全方位搭載多種類型的實驗元器件，從而組成不同的實驗系統，集機械、氣壓、液壓實驗于一體，不僅減少不同實驗儀器的使用，減輕高校對實驗儀器管理和維修的負擔，而且三種實驗系統的結合提高了實踐教學中的綜合性和創新性。

2）合理運用本實驗平臺最大的創新點——安裝桿，不僅滿足了對實驗元器件安裝的基本要求，而且大大縮減了實驗所需的安裝空間。安裝桿的多面安裝與移動桿z軸自由移動的功能相結合，滿足了實驗元器件在該實驗平臺內x、y、z軸三向的自由搭載，實現實驗元件安裝的多維化、實驗系統的多級化。

3）該實驗平臺提供不同類型的器械連接件，既可固定不易安裝的元器件，又可安裝在連接滑塊上。電動機、泵、缸等較重元器件均配有器械連接件固定，而器械連接件與連接滑塊的結合，使該實驗平臺元器件的安裝更具有靈活性，是本實驗平臺的創新點之一。

4）移動桿、安裝桿均可快速定位夾緊，依靠桿件上的刻度，快速確定實驗元器件的位置。

5）可操作性強。采用單片機及多種傳感器的連接，通過編寫單片機程序可以實現實驗數據讀取、電機控制等功能，體現該實驗平臺機電融合、專業融合的特點。

6）學生可根據自己對實驗的理解，在實驗指導教師的允許下進行開放性實驗。學生自主組隊，自主預約實驗時間，團隊自主設計實驗內容，審查合格后，結合實驗平臺所提供的實驗裝置擬定實驗方案，驗證實驗思路，利用現有的資源和所學過的專業知識進行獨立思考，培養潛在的實驗開拓創新能力，凸顯實踐項目的個性化，從而改進和完善實驗功能，為推進機械實踐教學作出貢獻。

5 結語

創新人才的培養是一個系統工程[10]，但實際上，我國高校現行本科人才培養模式所欠缺的正是具有系統性、創新性的實踐活動[11]。通過這次項目創新，從設計實驗平臺的結構功能到進行實驗臺的搭建，始終體現的是嚴謹、致用、兼容、創新的精神。該綜合創新型實驗平臺已被授權國家實用新型專利，獲得大學生科研立項國家級科研立項項目資助。

通過設計該綜合創新型實驗平臺，成功開發了機械原理課程的齒輪傳動機構實驗項目、機械設計課程的二級減速器實驗項目、液壓與傳動控制課程的液壓缸差動連接實驗等項目，鍛煉了學生理論聯系實際的能力和創造性思維。同時，以創新型開放實驗的教學方式，在實踐教學和人才培養過程中發揮了積極作用，提升了學生的實驗興趣、動手能力和就業競爭能力，達到培養具有創新創業精神和綜合能力強的復合型人才的目標[12]。

參考文獻

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項目來源：本文為國家級大學生創新訓練項目“一體化綜合創新實驗平臺”的研究（項目編號：201911072204）。

作者：廖楚璠、邱詩敏、張娟，江漢大學機電與建筑工程學院（430056）。