基于载体、技术与分组三维交互的本科实验教学

陈耿彪+黄浩铭

[摘    要]    以柔性制造系统控制开放性实验为例，介绍一种集载体、技术与分组三维交互的大学生科学实验素养培养新模式，其实施过程不仅可以大大减少指导老师的工作量，而且能真正提高学生的创新意识、技术交流能力和团队合作精神。

[关键词]    三维交互;科学素养;本科实验

[中图分类号]    G642.0        [文献标志码]    A        [文章编号]    1005-4634（2014）06-0101-03

开放性实验培养学生的能力一直受到各高校的重视。通过实验教学提高学生的科学素养，培养学生的创新精神、创新思维和创新能力在高校创新人才培养中起着基础性的关键作用，有十分重要的地位[1]。为了适应大学生素质教育，很多高校增加了实验课的学时，建设开放性实验室，设计综合性与创新性实验，以提高学生的动手能力，但是由于实验设备台数和指导老师少，学生人数多，实验的作用远未发挥出来。针对这种弊端，本文在柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing System）开放性实验实践过程中，采用载体（Carrier）、技术（Technology）与分组（Grouping）三维交互的大学生科学实验素养培养模式（下文简称CTG模式），以3～5位学生为一组划分组数，构成X轴，实验所使用的设备模块数作为Y轴，将实验内容涉及到的技术类型作为Z轴，采用三维交互模式（如图1所示）进行技术交流，其中图中坐标点表示第4小组在第5个模块上的4号技术的应用，配合合适的技术交流策略，使学生在短时间内迅速掌握大量的技术知识和操作技能，起到事半功倍的效果。

下文以柔性制造系统FMS控制实验为例，详细介绍CTG模式的实施过程。

1    实验载体、技术、分组选定

1.1    实验载体选择

本FMS控制实验平台由供料检测单元、搬运单元、加工单元、操作手单元、图像检测单元、提取单元、机器人单元、安装单元、自动仓储单元、分装提取单元、分装输送单元、环形输送线等12个单元模块组成，能完成工件供料、搬运机械手夹取、加工检测、搬运、图像检测、提取分拣、装配、仓储、物流、分装提取、分装输送以及环形输送等功能。

由于上述12个单元存在部分功能重叠现象，筛选出加工单元、图像检测单元、机器人单元、安装单元、自动仓储单元、分装输送单元等6个单元模块作为实验研究载体。

1.2    技术类型提取

分析上述选定6个实验载体的工作原理及控制方式，提炼出气动技术、PLC控制技术、传感器技术、变频技术、工业网络通信技术、机电传动技术、机器人技术、图像处理技术、继电器应用技术等9大应用技术作为学习目标。

1.3    实验分组

一般来说，参加开放性实验的学生人数为30人左右，为了叙述方便，本文以27人为例，每3人一组，划分为9个小组，划分原则为：

1）与技术类型数匹配原则（组间）：9个小组对应9种技术，使每个小组都能分配到一种技术去实践、掌握，形成自身的专门技术用于交流与传授。

2）兴趣相同原则（组内）：兴趣相同能使组员易于形成共识，钻研相同的目标。

3）能力互补原则（组内）：能力互补使小组技术结构合理，能顺利完成综合性技术任务。

4）能力均衡原则（组间）：使各小组水平相近交流，有利于组间交流、学习。

小组成员确定后，必须选举出一位小组长，实行“组长负责制”，这样有三大好处：首先，主导小组学习方向，调整目标完成进度;其次，组织组内成员学习;再次，引导组内交流;最后，带领小组进行组间交流与专门技术传授。

小组的主要任务如下。

1）制定实验方案：根据设计性实验方案的科学严谨性、可操作性、准确度与可靠性等特点[2]，学习吸收好实验的设计思想、条件控制方法和减少误差的操作注意点，设计优化一个好的实验方案[3]。

2）方案实施与修正：在实施方案的过程中发现问题，再做出相应的调整。

3）解决技术问题：提出技术问题加以解决，并形成本组的专门技术。

4）交流传授：传授专门技术，并处理交流中的反馈信息。

2    三维交互方法与成果

实验载体、技术、分组等三个维度选定后，采用如图2所示的专门技术交互策略，及表1所示的实验内容，即可实现三维度的有效耦合。表1中Z下面的数字1～9分别表示气动技术、PLC控制技术、传感器技术、变频技术、工业网络通信技术、机电传动技术、机器人技术、图像处理技术、继电器应用技术等9大应用技术，Y列的数字1～6分别表示加工单元、图像检测单元、机器人单元、安装单元、自动仓储单元、分装输送单元等6个单元模块，表中的两位数字项表示行栏技术在列栏实验载体中的应用研究，表中的“＼”表示行栏技术在列栏实验载体中没有得到应用，比如，11表示为气动技术在加工单元中的应用研究，53表示传感器技术在自动仓储单元中的应用研究。

表1    FMS控制实验内容

Z

Y               1       2       3       4       5       6       7       8       9

1               11     12     13     14     15     16       ＼        ＼      19

2               21     22     23      ＼       25      ＼        ＼       28     29

3               31     32     33     34     35     36     37       ＼      39

4               41     42     43      ＼       45      ＼        ＼         ＼      49

5               51     52     53     54     55     56     57       ＼      59

6               61     62     63     64     65     66      ＼         ＼      69

指导老师先整套示范操作一次FMS系统，让学生学会基本的操作。在此基础上实施如下的GCT交互实施方案如下。

第一步，学生根据兴趣自愿选择加入上述的9个技术小组，指导老师依据分组的四大原则调整好各小组的团队结构及水平层次。

第二步，各小组集中力量解决各自组所承担的技术专项攻克任务，形成自己的专长技术。

第三步，各小组向其他所有小组同学分享、教授自己的专长技术。

第四步，利用学到的9大技术综合应用到相应的实验载体中，获得全面的技术解决方案。

传统教学中，9个小组学习9种技术在6个不同的单元模块得到完全应用，需要9€？€？=486个实验历程，而采用GCT交互模式，只需要进行6个实验历程。即要做486次实验才能完成的实验，只需6次即可完成，并能最大程度得到所有技术的解决方案，大大节省了实验的人力、物力、时间等资源，而且学习效果良好，全面培养了学生的自主探究能力、技术分享技巧、团队合作意识，以及技术综合应用技能。

3    总结

载体、技术与分组三维交互的本科实验教学方法以实验载体为依托，归纳其涉及的技术作为分组的依据之一，结合兴趣相同、能力互补、能力均衡等其它三原则划分合理的小组，采用小组长负责制专攻某门技术，形成本组的专门技术，再以“一对多”的技术分享方式实现各小组专门技术的相互传授与信息反馈，至此，各小组都获得了实验载体所包含的全部技术。最后，选用某一载体去实践应用，即可得到全面的技术解决方案。本模式以学生为主体，可用于各种实践教学环节中，经课程实习、创新性实验、科技创新活动等实践环节应用证明，它不仅有效解决了指导老师不足的问题，而且对知识与技能的传播效率高、教学效果好。FMS控制开放性实验的研究主题“柔性自动化生产线PLC软件控制与通信系统开发”获得了长沙理工大学“大学生创新实验计划项目”即是明证之一，更重要的隐性成果是培养了大批具有创新意识、沟通交流能力和团体合作精神的大学生。

参考文献

[1]许家瑞，周勤，陈步云等.构建创新实验教学体系的探索与实践[J].实验技术与管理，2009，26（5）：2-4.

[2]蓝军.设计性实验方案的设计初探[J].乐山师范学院学报，2006，21（12）：39-41.

[3]梁旭.教师实验方案设计能力的差异及提升方法[J].物理教学，2010，32（11）：37-39.