機械工程測試技術(shù)實(shí)踐教學(xué)方法論文
摘要：為適應新工科專(zhuān)業(yè)建設和改革，需加強課程教學(xué)改革，提高學(xué)生創(chuàng )新設計能力、實(shí)踐動(dòng)手能力，達到國際標準的專(zhuān)業(yè)認證要求；課程實(shí)踐教學(xué)是培養新工科學(xué)生創(chuàng )新設計實(shí)踐能力的關(guān)鍵環(huán)節，強化實(shí)踐教學(xué)是課程教學(xué)改革的基礎。文章針對機械工程測試技術(shù)課程，探索實(shí)踐教學(xué)方法和教學(xué)模式，作為加強創(chuàng )新設計能力的專(zhuān)業(yè)課程改革突破點(diǎn)，結果表明改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)方法可提高學(xué)生創(chuàng )新設計能力，是新工科專(zhuān)業(yè)課程建設的著(zhù)重點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：創(chuàng )新設計；實(shí)踐教學(xué)模式；測試技術(shù)課程；教學(xué)改革
一、概述
目前，機械工程測試技術(shù)課程教學(xué)仍側重測試基礎知識學(xué)習，在實(shí)踐能力、創(chuàng )新能力的教育和動(dòng)手能力訓練方面有待提高[1]。隨著(zhù)本科教育教學(xué)改革持續、深入推進(jìn)，加強新工科學(xué)生創(chuàng )新能力培養已成為高等教育改革發(fā)展的新方向。根據機械電子工程專(zhuān)業(yè)培養方案修訂和專(zhuān)業(yè)認證需求[2]，機械工程測試技術(shù)課程教研組完成了機電綜合創(chuàng )新實(shí)驗室建設項目，并獲得該課程教改立項資助，課題著(zhù)重教學(xué)內容、課程體系、實(shí)踐環(huán)節等方面的綜合改革，現已完成課程創(chuàng )新設計實(shí)踐教學(xué)方法研究。通過(guò)已完成并實(shí)施的課程實(shí)踐教學(xué)新方法，明顯激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣，培養了學(xué)生團隊協(xié)作意識和創(chuàng )新能力，實(shí)際動(dòng)手能力有顯著(zhù)提高。
二、基于創(chuàng )新設計的課程實(shí)踐教學(xué)基礎
�。ㄒ唬C電創(chuàng )新綜合實(shí)驗平臺
創(chuàng )新設計綜合實(shí)驗是基于創(chuàng )新設計的測試技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)基礎，實(shí)驗室需提供良好的開(kāi)放實(shí)驗條件。通過(guò)增加課程實(shí)驗學(xué)時(shí)數，滿(mǎn)足綜合型、設計型、創(chuàng )新型實(shí)驗學(xué)時(shí)要求，學(xué)生有充分的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗設計和分析[3，4]。機械工程測試技術(shù)教研組充分利用機電綜合創(chuàng )新實(shí)驗室資源，提高師資隊伍教學(xué)、科研能力，培養教學(xué)團隊，交流教學(xué)方法，做到經(jīng)驗分享，發(fā)掘新方法。機電綜合創(chuàng )新實(shí)驗室實(shí)驗實(shí)訓臺有：?jiǎn)纹瑱C和可編程綜合實(shí)驗臺、三維數控平臺、電機綜合實(shí)驗臺、三聯(lián)電梯群控實(shí)驗臺、光學(xué)測試平臺、超聲測試實(shí)驗臺，如圖1所示。能開(kāi)設機電控制、驅動(dòng)、測試等多門(mén)課程綜合實(shí)驗、實(shí)訓項目。課程教學(xué)中，引導學(xué)生整合現有設備，設計綜合實(shí)驗；在此基礎上，引導學(xué)生對實(shí)驗設備和實(shí)驗項目進(jìn)行創(chuàng )新設計，培養學(xué)生創(chuàng )新設計能力。各實(shí)驗臺主要開(kāi)設的綜合性、創(chuàng )新設計實(shí)驗項目如下：
1.單片機可編程控制綜合實(shí)驗裝置可完成測試系統控制器設計、開(kāi)發(fā)實(shí)驗。該實(shí)驗裝置集單片機實(shí)驗板、專(zhuān)業(yè)仿真器、可編程控制器、通信編程器、模擬控制實(shí)驗板、實(shí)物于一體，可直觀(guān)地進(jìn)行單片機原理及各個(gè)應用領(lǐng)域的實(shí)驗、多個(gè)PLC實(shí)際應用的模擬實(shí)驗及實(shí)物實(shí)驗，同時(shí)也為高層次的設計開(kāi)發(fā)實(shí)驗提供良好的條件。本裝置結合教學(xué)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(shí)驗項目，適合各高等院校開(kāi)設的“單片機原理及接口技術(shù)”、“單片機數據通信技術(shù)”、“可編程控制器技術(shù)”、“可編程控制器及其應用”等課程的實(shí)驗教學(xué)。
2.三維數控實(shí)驗臺該實(shí)驗臺為主軸帶光柵的開(kāi)放式可重組龍門(mén)三維機電綜合工作臺，可完成位置、速度等三坐標運動(dòng)控制參數綜合測試、開(kāi)發(fā)實(shí)驗。采用工業(yè)模塊化結構設計，具有開(kāi)放式可重組龍門(mén)固定式三維平臺機械本體，實(shí)現可重組三維運動(dòng)平臺和通用四軸閉環(huán)控制系統的運動(dòng)控制；提供VC、Vb、C#、Delphi、Matlab及Labview等主流高級編程環(huán)境的接口庫，方便進(jìn)行機電和控制等方面的實(shí)驗，可使用開(kāi)放式高級語(yǔ)言采集位置和速度信號，實(shí)現位置和速度的全閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制，顯示位置和速度曲線(xiàn)。
3.電機綜合實(shí)驗臺該實(shí)驗臺為運動(dòng)控制與電機綜合實(shí)驗及故障診斷平臺（機電一體化技術(shù)綜合實(shí)訓平臺）實(shí)驗系統，可完成機械振動(dòng)、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�？蓪�(shí)現機電一體化技術(shù)與運動(dòng)控制和故障診斷綜合實(shí)驗；實(shí)驗平臺包含典型傳感器技術(shù)、交流電機控制、運動(dòng)控制器、計算機控制、數控系統等課程實(shí)驗，故障診斷實(shí)驗包含典型的機電一體化系統故障診斷與分析實(shí)驗。
4.三聯(lián)電梯群控實(shí)驗臺六層三聯(lián)群控電梯模型為透明仿真教學(xué)電梯，具有自動(dòng)平層、自動(dòng)開(kāi)門(mén)關(guān)門(mén)、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(fēng)扇等功能；模型軟硬件均采用開(kāi)放式結構，可進(jìn)行測試、控制系統的二次開(kāi)發(fā)研究，實(shí)現群控電梯（統一調度多臺集中并列的電梯）、并聯(lián)控制電梯（2-3臺電梯的控制線(xiàn)路并聯(lián)，進(jìn)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(shù)綜合實(shí)訓平臺雙噴頭噴墨打印沉積系統由機械系統、驅動(dòng)系統、運動(dòng)控制系統、視覺(jué)系統及噴頭系統等組成。通過(guò)檢測微滴運動(dòng)參數，精確控制微滴穩定噴射及基板精確運動(dòng)的協(xié)調控制，實(shí)現功能材料在基板精確沉積制造，完成如：柔性導電線(xiàn)路、微傳感器、薄膜太陽(yáng)能電池、半導體器件的快速成型制造。變頻張力控制教學(xué)培訓系統具備傳感檢測技術(shù)、人機交互、電機拖動(dòng)、PID控制、自動(dòng)傳輸、電氣調試等技術(shù)應用，通過(guò)對卷繞系統中收放卷裝置的張力控制，線(xiàn)速度、膜厚和卷徑等變量算法研究，重點(diǎn)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(xiàn)、控制和通訊功能的綜合實(shí)訓；整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程能保證收卷、放卷過(guò)程的平穩性，不論是大卷、小卷、加速、減速、激活、停車(chē)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(xué)生提供FPGA可編程應用開(kāi)發(fā)平臺，學(xué)生可開(kāi)發(fā)定制應用，該投影套件系統也為高層次綜合設計開(kāi)發(fā)實(shí)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(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)記錄檢測回波數據便攜式超聲波探傷儀，能夠快速便捷、無(wú)損傷、精確地進(jìn)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。
�。ǘ┙Y合研究課題，開(kāi)設綜合設計實(shí)驗
利用機電創(chuàng )新綜合實(shí)驗室儀器設備，結合科研課題，在光學(xué)檢測、微滴噴射成型技術(shù)、機器視覺(jué)、高速主軸可靠性分析等領(lǐng)域的.測試方法，引導學(xué)生開(kāi)發(fā)、設計實(shí)驗實(shí)訓內容。與工程訓練中心合作，探討開(kāi)放實(shí)驗室管理方案，實(shí)現學(xué)生自主管理實(shí)驗，全天開(kāi)放實(shí)驗室，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐、培養創(chuàng )新思維，參與課題研究，培養科研分析、寫(xiě)作論文、實(shí)驗數據分析能力，真正掌握、領(lǐng)會(huì )測試技術(shù)課程學(xué)習內容。加強競賽競爭力，通過(guò)課程探討競賽培訓方法，課程學(xué)習使學(xué)生具備參加國家級大賽能力，機械類(lèi)專(zhuān)業(yè)可參加全國機器人大賽、機械創(chuàng )新大賽、工程訓練能力競賽和電子大賽等國家級競賽；通過(guò)競賽，總結參賽經(jīng)驗，分析與課程教學(xué)的結合點(diǎn)，教學(xué)方法改革切入點(diǎn)，改進(jìn)教學(xué)方法、教學(xué)內容及學(xué)生應掌握知識點(diǎn)，強化學(xué)生實(shí)踐能力培養。結合研究課題，提出問(wèn)題、設計教學(xué)案例，結合實(shí)際應用，設計實(shí)驗教學(xué)方法和學(xué)生自主完成的實(shí)驗內容，實(shí)現自主訓練教學(xué)目標。目前，在電機綜合實(shí)驗、電梯群控實(shí)驗及柔性制造等實(shí)驗平臺上已開(kāi)設了若干個(gè)設計型、創(chuàng )新型實(shí)驗項目。
三、項目驅動(dòng)實(shí)踐教學(xué)方法
針對機械電子工程、機械設計、制造及自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)的培養要求[5，6]，結合課題研究，設計、開(kāi)發(fā)了圖1所示的機電綜合創(chuàng )新實(shí)驗項目，可為機械電子工程、機械設計等多個(gè)專(zhuān)業(yè)測試、控制及仿真課程提供綜合設計實(shí)驗，很好地改進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)方法。
�。ㄒ唬┕こ虦y試項目在實(shí)踐教學(xué)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(wú)損檢測與探傷技術(shù)、軸承故障檢測與故障診斷技術(shù)、高速主軸振動(dòng)檢測、機器視覺(jué)和光學(xué)檢測、可穿戴織物導線(xiàn)的微滴噴射成型技術(shù)和高速電主軸可靠性試驗技術(shù)等課題，涉及位置、振動(dòng)、位移、超聲波、光學(xué)等多種測試方法。項目研究擴充了機電綜合創(chuàng )新實(shí)驗內容，學(xué)生通過(guò)課程實(shí)踐教學(xué)參與項目研究，將學(xué)習的測試方法用于實(shí)際工程項目，提高學(xué)生課程學(xué)習積極性，加強了動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題能力，大大提高了課程實(shí)踐教學(xué)效果。
�。ǘ┛蒲谐晒谌雽�(shí)踐教學(xué)環(huán)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(shí)際工程應用的實(shí)踐教學(xué)案例，作為項目驅動(dòng)教學(xué)，課程結合科研項目的實(shí)踐教學(xué)內容。以力和扭矩非接觸檢測方法為例，實(shí)踐教學(xué)中，針對高速電主軸接觸式檢測存在的問(wèn)題，引導學(xué)生提出新的檢測方法，設計、開(kāi)發(fā)非接觸檢測裝置。這種裝置是通過(guò)創(chuàng )新設計得到的研究成果，一種學(xué)生自己開(kāi)發(fā)的測試新技術(shù)。經(jīng)過(guò)創(chuàng )新設計實(shí)踐訓練，很好地開(kāi)拓了學(xué)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(shí)驗課題研究中，需檢測作用在高速電主軸軸端加載盤(pán)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(wèn)題[7]，實(shí)驗教學(xué)中引導學(xué)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(jìn)行了創(chuàng )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(shí)驗，學(xué)生分析了徑向力和扭矩同步檢測方法及實(shí)驗裝置工作原理，通過(guò)實(shí)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(wèn)題。與教材講授的力和扭矩檢測方法相比，創(chuàng )新設計實(shí)驗教法很好地培養了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐和分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
四、結束語(yǔ)
本文針對機械工程專(zhuān)業(yè)新工科培養目標，分析和探討了機械工程測試技術(shù)實(shí)踐教學(xué)新方法。為加強學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，建立以學(xué)生為中心的多層次、應用型機電綜合創(chuàng )新實(shí)踐教學(xué)模式，構建了機械系統檢測技術(shù)綜合創(chuàng )新設計的課程實(shí)驗實(shí)訓平臺。本文研究促進(jìn)了專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)資源的整合、優(yōu)化和共享。有利于通過(guò)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節，提高學(xué)生動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
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