“机电一体化系统设计”课程实验分级教学内容设计及考核模式改革

许　焰，朱宗铭，梁　亮，庞小兵

(长沙大学机电工程系,湖南 长沙 410022)



“机电一体化系统设计”课程实验分级教学内容设计及考核模式改革

许焰，朱宗铭，梁亮，庞小兵

(长沙大学机电工程系,湖南 长沙 410022)

摘要：分析了当前国内工科学生工程能力培养模式的不足，阐述了机械专业实验分级教学的意义.以“机电一体化系统设计”课程实验教学为例，对基础级、拓展级和创新能力培养级各层级实验教学内容进行了设计，改革了分级实验教学考核模式，提高了实验教学在课程考核中的比重，对不同层级的实验成绩及效果进行了量化.实践证明机械专业实验分级教学方式可有效地激发学生的学习兴趣和主动性，专业知识实践能力以及创新意识都有了不同程度的提高.

关键词：机械专业；分级教学；实验；考核模式

实验教学是高等教育教学的一个重要环节，是培养学生实践能力的重要途径，是教学工作的重要组成[1].作为工科专业，机械专业的学生进入专业课学习后，课程实验教学应该慢慢过渡到以工程训练为目的的实验模式[2].对机械专业学生就业现状分析可知，社会对高质量的机电工程高素质应用型人才的需求量很大，企业难于招聘到合格人才；但是高校毕业生却感叹就业十分难，其中的问题在于高校培养人的才达不到企业的要求[3].通过与毕业学生座谈及中联重科和长泰机器人等用人单位交流，相关人士均反映机械专业学生的电类知识掌握都比较欠缺，工程应用能力相对较弱，造成上述现状的主要原因之一是机械专业培养工程实践能力的课程实验教学环节达不到相应的要求，培养不出真正动力能力和工程实践能力强的高素质应用型人才.

当前的专业实验教学内容固定且长年不变，对一些学有余力的同学感觉太简单，没完全发挥自己的专业特长；而一些学习有困难的同学又觉得教学内容太难，实验敷衍现象较普遍[4].这就使得当前的实验教学效果不能让大部分同学满意，所以任课教师应尽可能根据学生的专业基础，个性化地设置实验教学内容，使不同学生均能掌握一定程度的专业知识及实践能力，教学过程完全尊重学生个性，大力开展分级式实验教学，真正实现因材施教，从而可为企业提供各种层次的专业技术人才.当前的现状也突显了如何开展实验教学考核模式改革的重要性，实验教学考核是十分重要的环节，可影响教学质量和学生的积极性、主动性[5].本文以“机电一体化系统设计”课程所涉及的实验教学为改革对象，进行实验分级教学内容设计及考核模式改革，并总结其改革效果，计划在机械专业其他课程中推广，对其他课程的实验分级教学起到示范作用.

1“机电一体化系统设计”实验分级教学内容设计

“机电一体化系统设计”是面向机械设计制造及其自动化本科专业学生开设的专业课，主要目的是使学生掌握机电一体化系统中常用的执行元件，对典型机电一体化系统设计方法进行阐述，学习机电一体化产品的结构、伺服控制及相关接口设计等内容，要求同学们掌握传感技术在机电一体化系统设计中的应用、掌握控制电机及驱动技术、掌握工业控制微机及接口设计方法、掌握机电一体化系统的设计方法，提高学生分析问题、解决问题的实际能力，在培养机电复合型人才中具有重要的作用.

本课程共计40学时，其中实验8学时，第七学期开设，先修课程主要有电工学、电子技术，PLC、机电传动与控制和测试技术等.通过本项目的研究，“机电一体化系统设计”实验分级教学内容分以下几个层级进行设计：

1.1基础级的实验教学内容(4课时，必修)

要求了解步进电动机的驱动电源和电机的工作原理，使用示波器对步进电动机驱动电源的波形进行观测，画出步进电机处于三拍，六拍不同状态时，驱动波形的关系.对步进电动机的动态性能进行测量，使用MEL系列电机系统教学实验台主控屏、电机导轨及测功机,转速转矩测量MEL-13、步进电动机M10、步进电机驱动电源MEL-10、双踪示波器.

(1)步进电动机驱动电源的波形进行观测包括以下教学内容：

1)合上控制电源船形开关，分别按下“连续”和“正转/反转”，“三拍/六拍”，“启动/停止”开关，使电机处于三拍正转连续运行状态.

2)用示波器观察电脉冲信号输出波形(CP波形)，改变“调频”电位器旋钮，频率变化范围应不小于5Hz～1KHz(800 KHz)，从频率计上读出此频率.

3)用示波器观察环形分配器输出的三相A，B，C波形之间的相序及其CP脉冲波形之间的关系.

4)改变电机运行方式，使电机处于正转，六拍运行状态，重复3).

5)再次改变电机运行方式，使电机处于反转状态，重复3).

(2)步进电动机的动态性能进行测量包括以下教学内容：

1)单步运行状态测量步距角.

2)通过置数模式，测量角位移和脉冲数的关系.

3)对空载突跳频率的测定.

4)空载最高连续工作频率的测定.

5)转子振荡状态的观察.

6)平均转速和脉冲频率的关系.

7)矩频特性的测定.

1.2拓展级的实验教学内容(4课时，必修)

在基础级完成后，同学们对步进电动机有了基本了解，须继续完成拓展级的实验内容，该部分包括以下教学内容：

使用THWJX-1五自由度机械手实验装置，要求同学们熟悉步进电机驱动器M415B的设置及驱动两相步进电动机的方法，熟悉编程软件的使用，熟悉脉冲输出指令应用(PLSR).

浮标是一种对水文气象环境进行长期、定点、实时、立体监测的重要设备。富春江浮标站主体为船型结构,可测量江面温湿度、雨量、风向风速、气压、富春江水温、流速8个气象要素数据。浮标锚泊系统是浮标采集系统的载体。它是由浮标体、锚系等组成。浮标体为船型钢制框架结构,长4 m,宽2 m,吃水1 m。

根据I/O分配地址，通过程序编制，完成横轴步进电动机完成以下功能：

(1)按下黄色“复位”按钮，机械手横轴先向左运动；到左边原点(碰触到右侧限位X5)后，以相同的速度向右运动至零点(5000个脉冲)后停止.

(2)机械手横轴复位完成后，可按绿色“启动”按钮启动机械手，向右运动较长路程(30000个脉冲)靠近目标→0.2s后继续向右运动到达目标(6000个脉冲)→0.6s返回零点(36000个脉冲)→完成后重复上述(1)的复位动作，完成后停止.

(3)再次按绿色“启动”按钮，机械手可重复上述(2)的动作过程.

(4)在“横轴机械手”动作过程中，按下急停按钮，系统立即停止，必须先按“复位”，完成“横轴机械手”复位，可再次启动运行.

难点：需要掌握M415B步进驱动器的使用方法，尤其是对其PUL和DIR两个引脚信号的施加方法，从而确定了要装置横轴步进电动机的速度和方向.

1.3创新能力培养级的实验教学内容(4课时，选修，开放实验)

使用THWJX-1五自由度机械手实验装置，要求同学们在了解横轴步进电动机驱动方法的基础上，熟悉纵轴三相步进电动机的驱动，使用3ND583驱动器.

(1)按下黄色“复位”按钮：机械手横轴先向左运动，到左边原点(碰触到右侧限位X5)后，以相同的速度向右运动至零点(5000个脉冲)后停止；在此同时，纵轴向上运动，到上边原点后，以相同的速度向下动动到零点(5000个脉冲)后停止.从而完成各自的复位.

(2)机械手横轴复位完成后，可按绿色“启动”按钮启动机械手，向右运动较长路程(30000个脉冲)靠近目标→0.2s后继续向右运动到达目标(6000个脉冲)→0.6s返回零点(36000个脉冲)→完成后重复上述(1)的横轴复位动作，完成后停止.与此同时，纵轴步进电动机向下运动较长路程(35000个脉冲)靠近目标→0.2s后继续向右运动到达目标(7000个脉冲)→0.6s返回零点(42000个脉冲)→完成后重复上述(1)的纵轴复位动作，完成后停止.通过纵横轴的运动组全，实现两轴的运动.

(3)再次按绿色“启动”按钮，机械手可重复上述(2)的动作过程.

(4)在“两轴机械手”动作过程中，按下急停按钮，系统立即停止，必须先按“复位”，完成“两轴机械手”复位后，可再次启动运行.

难点：需要掌握M415B和3ND583步进驱动器的使用方法，注意纵轴和横轴步进电动机各自运动的协调与组合.

2“机电一体化系统设计”实验分级教学考核模式改革

目前同学们对实验教学的积极性差、重视程度不够，多数学生的注意力大多集中在如何按照老师的详细指导，照抄照搬地完成整个实验.一旦出现错误，便直接请教老师，很少自己去分析、思考失败的原因.整个实验过程中学生处在一种被动盲目的状态，使得学生的主动性和积极性难以得到充分的发挥.常常出现学生不重视预习，实验时不愿意动手，课后不认真总结思考，实验报告抄袭严重，没有实验体会等现象.另外，由于学生之间的能力差异，有些同学知识掌握程度高，上手很快，觉得实验课程很轻松，实验课程内容过于简单；而有的同学由于前期课程掌握不够熟练，眼见别人快完成了，自己却进度很慢，从而产生烦躁和焦虑的不良情绪，甚至觉得自己天生就不是学机械的料，干脆抄别人的，积极性受到的打击，结果对于知识掌握程度高或者低的同学而言，机械类专业课程实验教学都达不到目标[6].实验教学考核模式在实验教学过程中十分重要，可体现学生的学习效果，那么在对“机电一体化系统设计”实验分级教学内容进行设计后，如何改革相应的考核模式，这也是值得研究的问题.

2.1基础级实验考核模式

基础级实验所需要的知识比较简单，涉及到步进电动机特性方面的知识，实验条件与实验结果是可预知的，实验方法是根据实验指导书来进行，所以，该层级的考核模式应当是确定的，重点考核学生对实验操作的熟练程度、操作过程的规范性以及实验数据分析的深入程度和准确性.考核项分值占比如下：实验前预习占10%，实验操作占50%，依据实验过程回答问题占10%，实验报告(结果分析及数据处理)占30%.详见表1.

表1　基础级实验考核分值占比

2.2拓展级实验考核模式

拓展级实验所需要的知识是综合型的，需学生在掌握步进电动机特性和PLC控制应用等方面的知识基础上进行实验，该层级实验规则不固定，学生可以适当改变实验条件，综合运用上述两种知识完成这一层级的实验内容，主要考核实验内容是否按要求达到，实验方法是否多元，实验报告是否体现了各知识点的联系.考核项分值占比如下：实验前预习及准备占15%，实验操作占50%，依据实验过程回答问题占10%，实验报告(结果分析及数据处理、如何体现各知识点的综合运用)占25%.详见表2.

表2　拓展级实验考核分值占比

2.3创新能力培养级实验考核模式

创新能力培养级所需要的知识同样是综合型的，学生可参考拓展级的实验条件，也可根据创新思维定义新的实验规则，方法同样是多元的，学生可在老师指导下创造性地提出完成实验的思路及方法，该层级考核的重点应放在学生对实验内容的理解是否正确、实验条件能否自行改进、实验报告是否体现创新能力及工程能力的提高、众多知识点是否联系融合.考核项分值占比如下：实验前预习及准备占20%，实验操作占55%，依据实验过程回答问题占10%，实验报告(结果分析及数据处理、如何体现实验方法、手段等方面的创新)占15%.详见表3.

表3　创新能力培养级实验考核分值占比

考核细节说明：“机电一体化系统设计”课程总评成绩(A)由平时成绩(X)、实验成绩(Y)和期末考试成绩(Z)组成，分别占20%、40%和40%，其中平时成绩由出勤率、课堂提问、作业等组成，实验成绩(Y)占总评成绩(A)的比重与期末考试成绩(Z)一样，均达到40%，更突出地强调了实验教学在本课程教学中的地位.实验成绩(Y)主要根据每位同学在分级教学体系中所完成的实际情况而定，其中基础级(Y1)占实验成绩的60%，拓展级(Y2)占实验成绩的20%，创新能力培养级(Y3)占实验成绩的20%，只有在完成基础级实验内容后，才能进行拓展级的实验，最后才能选择进行创新能力培养级实验.即：

A=X*20%+Y*40%+Z*40%；

其中，Y=Y1*60%+Y2*20%+Y3*20%.

3实践效果

(1)本文对机械专业的“机电一体化系统设计”课程实验教学内容进行了设计，对考核模式进行了分层次改革，充分调动了学生参与本课程实验的积极性和主动性，没有缺课的学生出现，与教师交流次数明显增加.顺利完成基础级的学生达到100%，完全完成拓展级的学生达到95%，另有近20%的学生可达到创新能力培养级要求的实验目标.

(2)通过三个层级的实验教学改革，不仅巩固了理论基础知识，还提高了实践能力.所有同学在实验报告中均表达了学有所获的心得体会，每个人的专业知识实践能力以及创新意识都有了不同程度的提高，并在后续的各类竞赛中得到了体现.比如：2014年和2015年机械专业受益学生参加湖南省大学生工程训练综合能力竞赛(无碳小车)和“挑战杯”湖南省大学生课外学术科技作品竞赛获奖情况如下：

1)“挑战杯”获二等奖1项：便携式远程智能水质采样器.

2)“挑战杯”获三等奖4项：主动螺旋旋风除尘器、花炮卷筒自动捆扎机构、具有自适应的防瞌睡矫正坐姿多功能课桌等.

3)湖南省大学生工程训练综合能力竞赛(无碳小车)共获二等奖1项，三等奖5项.

(3)部分地改变了实验教学从属于理论教学的状态，完善了实验考核评价体系，提高了实验教学在课程考核中的比重，对不同层级的实验成绩及效果进行了量化；实验教学同时促进了理论教学质量的提高，增加了学生理论联系实际的方法，达到学以致用的目的，使得长沙学院的机械专业高素质应用型人才的培养有了落脚点.

参考文献：

[1]林伟君. 多元化实验考核的实施研究[J].实验室科学,2011,(2):201-204.

[2]马臣,孟延红.机械实验课程教学体系构建的探索[J].实验室科学,2010,(1):44-46.

[3]栗英杰,李伟,李香.《机械设计基础实验》教学改革的探讨[J].现代交际,2013,(5):240.

[4]罗亚辉,康江,刘旭红.机械电子工程专业实验教学改革探讨[J].中国电力教育,2013,(28):145-146.

[5]邱菡,朱俊虎,李玉峰,等.高校实验教学考核模式改革探索与实践[J].武汉大学学报：理学版,2012,(S2):207-210.

[6]高冬梅,洪波,张民生. 实验教学考核体系的改革探索[J].实验室科学,2015,(3):100-102.

(作者本人校对)

Classification Teaching Content Design and Assessment Mode Reform of Mechatronics System Design

XU Yan, ZHU Zongming, LIANG Liang, PANG Xiaobing

(Department of Mechanical Engineering, Changsha University, Changsha Hunan 410022, China)

Abstract：The problems of the training mode of engineering students’engineering ability in China are analyzed. The significance of the experiment classification teaching of mechanical major is explained. Taking the experiment teaching of Mechatronics System Design as an example, the classification teaching content of base level, development level and innovation ability training level is designed and the assessment mode is reformed. The proportion of experimental teaching in the course assessment is improved and the experimental result and effect of different levels are quantified. The practice proves that the experiment classification teaching method of mechanical major can intrigue students’learning interest and initiative effectively. The practical ability of professional knowledge and innovation consciousness of students are improved on different degree.

Key Words：mechanical major; classification teaching; experiment; assessment mode

中图分类号:G642

文献标识码：A

文章编号：1008-4681(2016)02-0149-04

作者简介：许焰(1976— )，男，湖南邵阳人，长沙大学机电工程系教授，博士.研究方向：机电控制理论与技术.

基金项目：湖南省普通高等学校教学改革研究项目(批准号：2014-524，2013-473，2015-519).

收稿日期：2015-11-25