以實用創新為目標的大學生實踐教學方法探索

高強，張闖，禹瑞雪

（1.沈陽建筑大學機械工程學院，遼寧沈陽，110168；2.沈陽工程學院機械學院，遼寧沈陽，110136;3.沈陽工程學院自動化學院，遼寧沈陽，110136；4.浙江大唐烏沙山發電有限責任公司，浙江寧波，315722）

0 引言

2015年國務院辦公廳發布的《關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》中，明確指出我國高等學校創新創業教育的基本原則是“堅持育人為本，提高培養質量；堅持問題導向，補齊培養短板”[1]。創新發展是居于國家發展全局的核心位置，近年來，我國發明專利授權數、國際論文被引數均位列世界前列，我國創新能力大幅提升。創新成為高新人才所應具備的基本素質，培養創新型青年人才，是國家創新活力之所在，也是科技發展希望之所在[2]。

應用型人才培養是國家創新驅動發展的重要一環，為探索應用型人才培養教育方法，提升學生實踐能力、創新精神最終達到學以致用。在“大學生創新創業訓練計劃”其“訓練實踐”的教育模式下，學生通過指導教師的指導，自主完成創新性研究項目。以社會需求為出發點，應用學生所學知識，完成項目研發。以培養應用型人才為目標，培養學生發現并解決問題的能力。

1 項目成員

由表1項目成員構成表可以看出，學生成員構成充分考慮了學科交叉，并以高年級帶領低年級，在關鍵問題上教師指導，設計思路上學生主導。指導教師分析整個項目的技術難點，分派任務后，放手由學生自主討論、設計、制作、調試，以便鍛煉學生團隊協作及分析解決問題的能力[3-4]。

表1 項目成員構成表

2 電磁彈射裝置原理分析

2.1 基本原理分析

電磁發射是采用電磁作用原理產生的電磁推力使物體加速的。因電磁驅動力與電流平方成正比，所以只要保證足夠的電流輸入，便能在發射裝冒內產生足夠大的推力，使物體達到更快的速度，常用于艦載機彈射起飛使用[5]。

電源裝置：電磁彈射器用的是直流電源，而且在電磁彈射器工作時負荷沖擊性非常大。雖然有了儲能裝置，但由于彈射器要求在很短時間內起飛更多架次的飛機，所以對電磁彈射器的電源容量要求也比較大，一般容量在5～8KVA左右（但輸出電壓卻不高）。對于交流發電機而言，但如果是直流發電機，則必須是無刷穩流直流發電機，否則滑環的強大電流會灼傷換向器。

強迫儲能裝置：強迫儲能裝置是電磁彈射器的核心部件，它不僅緩解了發電機的壓力，同時在彈射器不工作時吸收發電機的能量，使發電機幾乎不受沖擊性負荷的影響。

導軌：電磁彈射器的導軌與電磁軌道炮的差異很大，也比其復雜的多。電磁彈射器的導軌共有4個，分別為上部2個，下部2個。但每根導軌都非常長，安裝在起飛甲板的下面。不僅如此，導軌與飛機牽引桿的接觸面至導軌中心還有很多特細的小孔，所以其冷卻油不僅僅是為超導體降溫，還有潤滑的作用，而且會使飛機牽引桿在運行時降溫。

脈沖發生器：蒸汽彈射器為使發動機與彈射器同步運行（縮短起飛距離），用一根鋼棍先擋住飛機運行，由于飛機發動機推力無法推斷鋼棍，但與彈射器合力卻可推斷鋼棍，從而使飛機在彈射器與發動機合力下起飛。但電磁彈射器卻無需鋼棍擋住，在飛機起飛時電磁彈射器同步通電，但電流是逐漸增加，并且在起飛末段將電流截止。

輔助裝置：即冷卻系統、預加動力裝置、減速緩沖與剎車裝置等[6-7]。

2.2 作品外觀設計

本設計作品為中小學生電磁彈射實驗所做，為使其生動形象，更具吸引力，故依然使其安裝在航母模型上。使用NX UG12.0進行設計，由于該作品應用于實驗教具，對于尺寸設計需求并非過于嚴格，故在裝配方法中采用混合裝配，先根據電氣元件創建主要零件體合成子裝配后，再根據子裝配體設計其他零件，可以對作品的三維模型進行快速設計，對主體機構布局與尺寸進行設計，并對電氣元件進行布局。本部分任務由機械設計專業的2名學生承擔。

2.3 電氣控制部分設計

電磁炮的主要由電源、逆變電路、升壓整流、限壓充電、發生裝置組成。將12V電池組提供的直流電升壓到220V左右交流電，再經橋式電路整流給儲能電容充電，即給電磁炮充電。

由基本原理分析可知，本項目的設計難點在于電氣控制的設計，其需直流升壓，將電池提供的較低的直流電壓，提升到需要的電壓值，其基本的工作過程都是:高頻振蕩產生低壓脈沖——脈沖變壓器升壓到預定電壓值——脈沖整流獲得高壓直流電，因此直流升壓電路屬于DC/DC電路的一種類型。本裝置使用12V低電壓輸入，310V高電壓輸出，升壓后的220V交流電，通過橋式整流電路轉換成直流電，輸出的電壓為310V為電容充電。通過空氣開關控制電容對線圈的放電，從而實現電生磁。電路使用NI Multisim 14.1進行繪制，可以通通過圖形化界面拖拽搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。本部分內容由分配給機電、計算機專業兩名學生完成，兩名同學均為大三學生，專業知識已基本掌握由其繪制電氣原理圖1。

圖1 電氣原理圖

該電路由2個NPN功率三極管、2個電阻與1個帶中心對稱抽頭的變壓器組成。其原理就是一個震蕩電路，將直流轉為交流，再通過變壓器升壓。通過2個相同12V直流電壓回路頻繁交替，行成不斷變化的反向電流，再通過變壓器耦合升壓為220V高壓交流電壓。

當直流電壓接通瞬間，三極管Q1和Q2的基極都有較高的電壓，理論上兩個三極管應該同時導通，但是由于兩個三極管和回路之間存在差異，正因為這微小，令兩個三極管無法同時導通，而且其中一個三極管導通會把另一管子的基極電壓拉低，使其截止。例如，當Q1導通時，Q2被拉低而截止，同時隨著管子的導通電流增大，變壓器線圈對電流有阻礙作用，使Q1基極電壓緩慢被拉低，當電壓低于0.4V時截止，Q2導通，反之原理也一樣。

實物制作時，將電容兩端連接到纏好的線圈上，通過空氣開關控制電容的瞬間放電，產生很大的電流，從而產生較大的磁場，將放在管中的磁鐵彈射出去帶動飛機，在航母上實現飛機的起飛動作。為保護電容，并聯穩壓二極管與泄壓電阻，當電壓過大將二極管擊穿時，泄壓電阻對電路進行穩壓，防止電容損壞發生危險，電氣控制系統選用零件及安裝實物如圖2。

圖2 電氣控制系統圖

3 實物加工及制作

本項目所使用的材料主要為亞克力板、復合板、絕緣銅線、PLA等，涉及的工藝主要為激光切割、3D打印、電路板刻制等。

在現代制造工藝中，激光切割、3D打印技術受到眾多行業追捧，常用于航天航空、汽車制造等領域。隨著這兩種技術的發展和普及，激光切割、3D打印也逐漸進入本科學生創新創業教育中。

激光切割是一種減材制造方法，常用于對半成品進行精加工，利用聚焦的高功率密度激光束照射到待切割的材料上，產生上萬度的高溫，令材料達到汽化溫度，以達到去除材料的目的。通過移動激光束，即可形成連續切縫。通過調節功率可以對各種不同的材料進行雕刻或切割等需求。具有速度快、操作簡單、損耗低等優點。

激光切割的操作非常簡單快捷，流程如下：

（1）在CAD或CAXA等二維制圖軟件上繪制出所需切割的路徑，并另存為兼容文件格式。

（2）在LaserCAD中打開繪制完成的二維圖，調好功率與速度，發送到激光切割機。

（3）調節激光切割機的初始位置，開始加工。

3D打印是一種增材制造的快速成型技術，以數字模型為基礎，通過逐層打印的方式構造物體。熔融沉積式是一種常用的累積技術，將絲狀材料通過加熱噴嘴擠出，按軌跡進行一定速率的熔體沉積。

用于進行3D建模的軟件很多,如SimpleWare、Geomagic Sculpt、Art of Illusion等軟件，但對于機械專業學生而言，此類軟件難度較高，故采用常用機械三維建模軟件建模，導成中間格式stl導入cura切片軟件，設置相關參數后進行3D打印加工。

此部分任務由工藝和機制專業學生完成加工，并裝配成如圖3實物圖。

圖3 實物實際效果圖

4 作品調試

本設計針對中學電磁實驗設計，亦可與力學及平拋運動實驗結合[8-9]，所以設計可改變線圈匝數n及電流I等參數，并做初始調試實驗如下。考慮到實驗安全，限定最大電流為25mA、線圈匝數影響彈射的力度（距離），實驗數據如表2所示。

表2 線圈匝數影響彈射距離實驗數據表

5 結論與展望

中小學生動的實驗教學的設備，可以降低自學釋疑環節中學生遇到問題的難度，發揮學生在訓練操作中的主體作用，“查缺補漏”使學生在延伸遷移環節中舉一反三。本項目正是如此為出發點，讓在校大學生以此需求出發，運用專業知識，進行設計、繪制機械結構，電氣線路、加工裝配、調試試驗等一系列環節，在培養自我實踐能力的同時探索創新，研制小型中小學實驗器材。可謂是一種新穎教學方法得一舉多得。