依托科研项目开发综合性实验的实践与探索

2014-03-25沈剑英黄风立

实验技术与管理 2014年3期

沈剑英，黄风立

(嘉兴学院机电工程学院，浙江嘉兴 314001)

传统实验主要以验证性实验为主，实验仅仅验证所学课程知识。实验指导书很详细地介绍实验的原理、方法以及设备、操作步骤等，做实验时，学生只要按部就班，不必费多大脑筋，教师主导的多，学生参与的少，处于被动的地位。这样的实验抑制了学生的自主思考，不利于培养学生的独立思维能力和工程应用能力[1-2]。综合性实验指实验内容涉及一门课程多方面知识或多门课程知识的实验,能够培养实验者的综合思维方法和创新能力[3-4]。本文结合教师的科研项目开发综合性实验，在实验教学中进行了积极的实践和探索，取得了较好的效果。

1 开设综合性实验的背景和意义

我校是一所综合性普通应用型本科地方院校，主要为浙江省、嘉兴市地方经济建设和发展服务。浙江省是先进制造业的强省和大省，迫切需要大批知识面广、基础扎实且能掌握各种技能、具有较强动手实践能力的工程应用型高级人才。培养学生动手实践能力的一个重要环节是实验，实验教学是保证和提高教学质量的重要基础，但传统实验的缺陷已不能适应社会对高素质人才的需求。

目前国内各高校都开展了专业实验教学改革，推出一批设计性、综合性实验项目，以培养学生的工程实践能力和创新能力[5-8]。其中一个重要途径是结合教师的科研项目开发综合性实验[9-12]，学生在综合性实验阶段能够运用某一门课程或多门课程的知识进行综合训练，有利于培养学生的动手实践能力和工程创新能力，对提高教学质量和教学水平有着重要的意义。

2 综合性实验的实例

实验教学内容的确立直接关系着学生的知识结构是否合理,尤其关系着学生能力和素质能否科学培养的问题[13]。为了培养学生的工程实践能力，根据教师的科研项目，开发出基于CAD/CAM的机械零件数控加工、精密微位移技术实验等综合性实验项目, 并在我校重点建设专业——机械设计制造及其自动化专业的学生中进行实施。

2.1 精密微位移技术实验

近几年来，在精密微位移技术方面的科研项目中，积累了较多的设备，如精密隔振台、电感测微仪、测量头、数据采集卡、驱动电源、LVDT测微仪、CCD激光位移传感器、压电陶瓷、压电陶瓷驱动电源等，另外还有有限元分析软件ANSYS 、科学计算软件Matlab等。根据以上设备和软件，我们开发出一个名称为“高精度微位移技术实验”的综合性实验，该综合性实验涉及到工程力学、机械设计、工程软件应用、测试技术等几门课程的知识。在实验时，由学生根据实验需要选择和使用这些设备和软件。

2.1.1 实验内容

本实验的主要内容有：

(1) 测量压电陶瓷驱动器输入电压与输出变形量之间的关系；

(2) 柔性铰链机构的设计及有限元软件ANSYS的仿真验证；

(3) 柔性铰链机构的加工工艺；

(4) 位移传感器的选择和测量方法；

(5) 数据处理方法及图形表达。

2.1.2 实验目的

通过该实验使学生主要了解压电陶瓷压电效应和逆压电效应的基本概念，掌握柔性铰链的工作原理，掌握柔性铰链机构的分析、设计方法和制造工艺，掌握实现精密微位移的原理和方法。

2.2 基于CAD/CAM的机械零件数控加工

先进制造技术实验室拥有1台台中精机的V70立式加工中心和2台广州鑫泰科技实业有限公司生产的GSVM6540型加工中心，均能实现三轴联动加工，可加工具有复杂曲面的零件。该综合性实验涉及到机械制造工程学、数控加工与编程、机械CAD/CAM、金工实习等几门课程的知识。

2.2.1 实验内容

本实验的主要内容有：

(1) 熟练掌握UG的CAD/CAM模块的基本操作；

(2) 针对教师给定的零件编制加工工艺及利用UG/CAM编程生成刀路轨迹，并进行仿真；

(3) 熟悉加工中心操作，主要包括：①熟悉机床操作界面，学会装刀及卸刀，掌握机床操作模式及程序输入等内容；②掌握对刀相关的操作，包括利用对刀仪、Z轴设定器对多把刀具进行对刀及刀具补偿输入的方法；③掌握程序传送、NC仿真及简单零件加工。

2.2.2 实验目的

综合运用所学的数控编程知识、加工工艺知识及三维应用软件，完成某一中等复杂零件或某一模具型腔型芯的建模、路径规划及加工，培养学生实际操作数控机床的能力。

3 综合性实验的实施

综合性实验一般利用学生的课外时间开展，所以实验室面向学生全天候开放。综合性实验采取开放式的教学模式，采用以学生主动自主学习为主、以指导教师启发式为辅的教学方法和手段。

3.1 实施方法

4～5人组成一个实验项目组，实验前由指导教师下达任务书。学生根据任务书的要求,查阅资料、构思方案、进行实验操作或加工、分析和处理数据、对结果进行评定,最后完成实验报告。在综合性实验中，学生是实验的主体，根据课余时间灵活安排实验，自主完成实验；指导教师仅起到指导和服务作用，每隔一段时间针对出现的疑难问题和学生一起讨论。这样的教学模式能够提高学生参与意识，激励学生主动思考，从而给学生创造性能力的发挥提供广阔的空间。

3.2 实验成绩评定

传统的实验成绩考核方法不能反映开放式教学模式下学生的水平，根据综合性实验教学的特点，对传统的成绩评定方法进行改革，采用多种方式进行考核, 如实验操作考核、口试、撰写的论文或作品、实验报告等，鼓励学生在实验中大胆探索和创新。例如，在基于CAD/CAM的机械零件数控加工中，根据加工出的零件加工质量和实验报告给定成绩。

4 效果

上述的综合性实验通过几年来在机械专业的实施和完善，取得了较好的效果：

(1) 培养学生的工程意识和动手实践能力。综合性实验的实验过程是学生自主思考和决策的过程，特别强调学生主体的作用，这种模式更利于学生学习各门课程的理论知识并加以综合运用，能够营造一种学生独立完成实验的学习氛围，有利于提高学生学习的积极性和主动性,培养学生的工程意识和动手实践能力。例如，在做“基于CAD/CAM的机械零件数控加工”实验过程中，学生表现出非常浓厚的兴趣，实验后，大多数学生均具备了中等复杂零件数控编程及动手加工操作的能力，达到了较熟练的水平，基本具备去企业进行实际加工与编程的能力。图1是学生在实验中完成的实物。

图1 学生加工出的实物

(2) 提高学生查阅资料的能力、扩大了学生的知识面。教师在科研中必然要掌握本学科的发展动向，不断丰富和更新自己的知识结构，所以，结合教师科研项目的综合性实验能够反映出相关学科的最新技术，使学生学到更多的知识。在“高精度微位移技术实验”中的柔性铰链机构是一种新型的传动方式，通过弹性变形而实现微小移动，它和传统的齿轮-齿条、螺母-螺杆机构传动方式相比，具有结构紧凑、体积小、无机械摩擦、无间隙的优点。柔性铰链机构在机械专业的教材中很少介绍，为了完成该实验，学生必须上图书馆或通过上网进入数据库查阅资料，从而获得大量相关内容的资料。通过实验既提高了学生查阅资料的能力，又扩大了他们的知识面。

(3) 挖掘科研设备的教学价值，提高了科研设备的利用率。将科研内容进行提炼，转化为适合教学的综合性实验，能够充分挖掘科研设备的教学价值，也是科研促进教学的一条有效途径，可使实验教学内容更具有先进性。另外，可以避免科研项目结题后科研设备利用率非常低、设备闲置的浪费现象，是提高科研设备利用率的有效途径。