機(jī)電專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)

李 丹，李印川，李 偉

（1.西南交通大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院；b.資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室管理處，成都610031；2.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程管理系，鄭州450000）

0 引 言

機(jī)械電子專業(yè)旨在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用機(jī)械電子工程及相關(guān)學(xué)科理論和專業(yè)知識，在機(jī)械工程及其相關(guān)領(lǐng)域從事開發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、自動化、科學(xué)研究等工作的能力［1］，是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，涉及的知識廣泛，融合了機(jī)械、電子、檢測、控制、計算機(jī)等多領(lǐng)域知識，不但知識基礎(chǔ)寬厚，而且應(yīng)用范圍寬廣［2-3］。該專業(yè)要求學(xué)生通過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，掌握合理的知識結(jié)構(gòu)，能夠綜合應(yīng)用多學(xué)科知識解決實(shí)際問題或進(jìn)行科學(xué)研究［4-5］。機(jī)電專業(yè)的培養(yǎng)過程中對實(shí)驗(yàn)教學(xué)有較高的要求。良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)除了提高學(xué)生的動手實(shí)踐能力外，還能鞏固理論知識，理論聯(lián)系實(shí)際，促進(jìn)學(xué)生將多學(xué)科知識融會貫通以解決實(shí)際問題。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)習(xí)的主動性，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和深入探索，啟發(fā)學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造精神［6-7］。收獲好的教學(xué)效果需要好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系支撐，本文結(jié)合我校多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對機(jī)電專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行研究和實(shí)踐。

1 實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

機(jī)械電子工程是我校的傳統(tǒng)學(xué)科，結(jié)合我校的軌道交通特色，在實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)上，突出機(jī)電一體化系統(tǒng)和先進(jìn)設(shè)備的檢測等特色，打造具有軌道交通特色的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，建立層次化和個性化的機(jī)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系［8-9］。側(cè)重機(jī)與電的結(jié)合，要求學(xué)生在具有一定機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)的前提下進(jìn)行學(xué)習(xí)。具體建設(shè)規(guī)劃如圖1 所示，將平臺建設(shè)分為專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺、綜合型實(shí)驗(yàn)平臺、高水平實(shí)驗(yàn)平臺3 個層次，以滿足不同層次的實(shí)驗(yàn)要求，為開展不同類型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供支持［10-12］。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

1.1 專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺

該平臺為專業(yè)基礎(chǔ)知識的實(shí)踐提供平臺支撐，主要針對控制、檢測、液壓、通信等內(nèi)容進(jìn)行全面的訓(xùn)練。通過該平臺的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，使學(xué)生掌握現(xiàn)代測試技術(shù)的理論和方法，如傳感器的原理及其應(yīng)用，信號檢測及處理，現(xiàn)代測試方法等；掌握基本控制工程理論，學(xué)習(xí)典型控制器的應(yīng)用，能夠獨(dú)立進(jìn)行程序控制，如PLC、單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)等的應(yīng)用；掌握液壓技術(shù)的原理及應(yīng)用，能夠進(jìn)行簡單的液壓系統(tǒng)的設(shè)計和操作；掌握基本的工業(yè)通信理論，了解典型的數(shù)據(jù)采集和通信方式，如現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等。通過該平臺的訓(xùn)練，學(xué)生可掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)的相關(guān)知識，包括液壓驅(qū)動、數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)通信、信號處理、自動化控制等領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識，為今后的進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)打下寬厚的知識基礎(chǔ)。

1.2 綜合型實(shí)驗(yàn)平臺

該平臺是對專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺的綜合和提高，為知識的綜合應(yīng)用訓(xùn)練提供平臺支撐。重在培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新能力，能夠運(yùn)用多學(xué)科知識，解決問題。在平臺建設(shè)中，既要考慮到機(jī)電產(chǎn)品的典型性，又要兼顧實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新型，具體分為6 個類型的實(shí)驗(yàn)子平臺。①機(jī)電液一體化實(shí)驗(yàn)平臺包括一些典型的機(jī)電系統(tǒng)，如立體倉庫實(shí)訓(xùn)裝置、物料分揀實(shí)訓(xùn)裝置、FMS 柔性生產(chǎn)制造實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等。②機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室包括機(jī)械手、工業(yè)機(jī)器人、可自由創(chuàng)意組裝的機(jī)器人開發(fā)套件等。③機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)平臺包括圖像采集、處理、控制運(yùn)動等實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺。④過程控制實(shí)驗(yàn)平臺包括流水過程控制、總線過程控制等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。⑤數(shù)控及運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)平臺包括二維數(shù)控、三維數(shù)控、雕刻機(jī)、精密數(shù)控等。⑥故障診斷試驗(yàn)平臺包括汽車故障診斷、過程控制故障診斷、機(jī)床故障診斷、軸承故障診斷等。通過該平臺的訓(xùn)練，學(xué)生可深入掌握機(jī)電一體化技術(shù)。

1.3 高水平實(shí)驗(yàn)平臺

該平臺主要體現(xiàn)學(xué)科的前沿性，并與我校軌道交通特色相結(jié)合。在服務(wù)于科學(xué)研究的同時，將科研與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，使科研反哺教學(xué)，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的不斷更新。該平臺主要分為3 大模塊。① 高速列車測試與安全監(jiān)控平臺通過環(huán)境感知模塊來辨識自身和周圍的環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)位姿感知和周圍環(huán)境感知，為其行為決策提供信息支持。通過計算機(jī)完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和智能處理、數(shù)據(jù)融合處理、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、狀態(tài)的監(jiān)測和故障識別。學(xué)生可根據(jù)需要搭建微機(jī)測試與處理系統(tǒng)。②虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺通過仿真技術(shù)結(jié)合MR/AR/VR、人工智能、深度學(xué)習(xí)等開發(fā)仿真平臺，主要研究數(shù)字孿生技術(shù)，如高速列車數(shù)字孿生技術(shù)、智能工廠數(shù)字孿生技術(shù)等。學(xué)生可參與到實(shí)際仿真案例的開發(fā)過程，深度了解數(shù)字技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的作用。③先進(jìn)控制理論實(shí)驗(yàn)平臺主要研究先進(jìn)控制理論和方法，尤其是多體系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的最優(yōu)控制理論。學(xué)生可深入研究先進(jìn)控制理論，進(jìn)行算法學(xué)習(xí)和驗(yàn)證。高水平實(shí)驗(yàn)平臺以科研項(xiàng)目為主導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，提高科研能力，培養(yǎng)拔尖型、創(chuàng)新型人才。

2 實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)

實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置以人才培養(yǎng)為核心，依托實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行全面系統(tǒng)的設(shè)計，內(nèi)容由淺入深前后銜接，改變以往各實(shí)驗(yàn)課程孤立缺少相關(guān)性和深入性的問題［13-15］。圖2 所示為所構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)課程體系。

圖2 實(shí)驗(yàn)課程體系

2.1 實(shí)驗(yàn)課程系統(tǒng)化

在對機(jī)電系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸類分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計詳細(xì)的課程建設(shè)體系，解決以往實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目各自孤立不成體系，知識無法融會貫通的問題。經(jīng)過系統(tǒng)的實(shí)踐訓(xùn)練，使學(xué)生掌握合理的知識結(jié)構(gòu)，具有良好的實(shí)踐技能，能夠系統(tǒng)地應(yīng)用多學(xué)科知識。通常機(jī)電系統(tǒng)包括傳感檢測部分、控制及信息處理部分、驅(qū)動及執(zhí)行部分。實(shí)驗(yàn)課程根據(jù)機(jī)電系統(tǒng)的組成，分為現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)模塊，機(jī)電控制技術(shù)模塊，驅(qū)動及故障監(jiān)測模塊，機(jī)電系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計方法模塊，前沿性學(xué)術(shù)研究模塊，幾個模塊相輔相成，構(gòu)成完整的教學(xué)體系。使學(xué)生將課程內(nèi)容融會貫通，形成系統(tǒng)設(shè)計的概念。

2.2 課程難度階梯化

實(shí)驗(yàn)課程劃分為基礎(chǔ)型、綜合型、創(chuàng)新型、研究型4 個層次。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由淺入深體現(xiàn)階梯式的深入，隨著學(xué)習(xí)的深入，逐級完成各實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置既要包涵典型的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，也要有啟發(fā)性的創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)作為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論教學(xué)的內(nèi)容同步進(jìn)行，鞏固和驗(yàn)證課堂教學(xué)內(nèi)容，鍛煉動手能力。在此基礎(chǔ)上搭配少量稍有難度的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生需自行查找資料、制定方案才可完成。綜合型實(shí)驗(yàn)以獨(dú)立授課的形式開展，以問題為引導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有一定的代表性和趣味性，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、小組合作的方式，獨(dú)立設(shè)計、制作、調(diào)試，完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、撰寫項(xiàng)目報告并提交項(xiàng)目作品。培養(yǎng)學(xué)生多向思維，啟發(fā)設(shè)計思路。創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供自由發(fā)揮創(chuàng)造的平臺，學(xué)生可參加各種實(shí)驗(yàn)競賽，可自擬題目或完成指定題目，如個性化實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)競賽月、節(jié)能減排大賽、創(chuàng)新設(shè)計大賽等。通過小組參賽的方式，創(chuàng)造性地進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計，探索解決問題的方法。研究型實(shí)驗(yàn)通過畢業(yè)設(shè)計和課題項(xiàng)目的方式開展，通過參與到科研項(xiàng)目中，完成課題相關(guān)內(nèi)容，接觸前沿知識開拓視野，培養(yǎng)科研能力。

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的延續(xù)性設(shè)計

改變當(dāng)前各個專業(yè)課課內(nèi)實(shí)驗(yàn)相互孤立前后不銜接的現(xiàn)象，采用項(xiàng)目式的設(shè)計方式，針對如圖2 所示的課程體系，設(shè)計幾個大型綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個項(xiàng)目包含課程體系的多項(xiàng)內(nèi)容。將一個大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目逐級拆分為不同的子項(xiàng)目，每個子項(xiàng)目對應(yīng)一個或幾個子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對應(yīng)不同的專業(yè)課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，每完成一門課，學(xué)生便完成大項(xiàng)目中的一塊內(nèi)容，上學(xué)期的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可作為下學(xué)期實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的子項(xiàng)目，學(xué)生可在之前的基礎(chǔ)上，結(jié)合新學(xué)的知識，繼續(xù)深入學(xué)習(xí)，使各個實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不再孤立，而是隨著課程的不斷學(xué)習(xí)，知識逐漸形成體系，當(dāng)學(xué)生不斷進(jìn)行專業(yè)課的學(xué)習(xí)時，項(xiàng)目的進(jìn)度也隨之不斷進(jìn)行，直到完成所有專業(yè)課，進(jìn)而完成整個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過這種方法，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容前后關(guān)聯(lián)，逐級深入，既能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的效果，也能將知識體系融會貫通。

2.4 科研教學(xué)互助

將科研和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容不斷更新，滿足教學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用性、新穎性和前沿性的要求。由于信息技術(shù)的快速發(fā)展，技術(shù)日新月異，檢測及控制等設(shè)備更新?lián)Q代非常快，教學(xué)設(shè)備的購置會相對滯后，無法實(shí)現(xiàn)及時更新教學(xué)設(shè)備，且成本高昂。如能夠?qū)⒖蒲信c教學(xué)結(jié)合，學(xué)生便能接觸到新型的設(shè)備和新技術(shù)的應(yīng)用。學(xué)生也可在參與的過程中找到感興趣的研究方向，為今后的碩士階段學(xué)習(xí)甚至博士階段學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。同時，鼓勵師生自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將一些科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，設(shè)計完整的實(shí)驗(yàn)流程，讓學(xué)生參與其中，從文獻(xiàn)查閱、方案制定、可行性分析、設(shè)計、仿真、實(shí)驗(yàn)開發(fā)、調(diào)試、總結(jié)全面參與。

3 結(jié) 語

在原有實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利開展提供了有利的支撐條件。實(shí)驗(yàn)課程體系的改革，使課程設(shè)置更加合理，更新了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更加豐富、新穎、前沿，同時前后關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的訓(xùn)練，綜合項(xiàng)目和創(chuàng)新項(xiàng)目明顯增多，大大地提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。機(jī)電技術(shù)發(fā)展日新月異，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也需要不斷地完善和改革，才能適應(yīng)人才培養(yǎng)的要求，這是個與日俱進(jìn)的過程，仍需要不斷探索和改進(jìn)。