以提升大学生创新能力为目标的设备自制

张 军 张晨旭 刘 林

1.山东农业大学机械与电子工程学院 山东泰安 271018 2.伊利诺伊理工大学 芝加哥 60616

我校农业工程类专业实验教学条件近年来虽然得到较大改善，但是，目前实验教学中心的设备与软硬件条件都不能满足创新型人才培养的需求。随着计算机、电子和电工技术的应用与发展，现代农业工程领域发生了根本性的改变，国内外现代农业装备以智能化、信息化为特色及发展方向，为了适应这一革命性转变，通过教师指导学生根据课程内容进行实验仪器设备的自制与创新，对于提高教师与学生的创新能力具有重要意义。

1 研究背景

当前我校农业工程类本科生实验室存在的问题如下。

1.1 实验设备陈旧 无法满足当今实验教学任务要求

到目前为止，学院部分实验室存有一批接近淘汰或已经淘汰的实验设备，对实验室淘汰下来的实验设备的处理一直是比较棘手的问题，这些设备一旦离开了实验室，它们的使用价值基本就没有了[1,2]。尽管没有了原有功能，通过改装可延长使用寿命。一部分设备可以进行拆卸，取其中可利用的部件或零件，用于实践教学，还可以添加零件，增强设备应用价值。如果能找到某种方式将这些零件和设备加以利用，就能够节约资源，提高学生的实践动手能力。

1.2 外购实验设备价格昂贵 部分设备集成度高 闲置功能过多

由于长期以来实验教学经费投入不足，实验设备配置未能达到国家对实验课程装备的要求，一人(或两人)一台实验设备的目标并未达到，有时为运用某一功能而不得不购买整体仪器设备，闲置功能过多造成资源浪费。

1.3 实验开设的项目种类不足 实验教材不统一、不规范

实验教学经费长期投入不足，导致实验项目种类贫乏。多年来，实验室开设实验内容单一、技术落后，严重影响教学效果[3]。传统的实验教学学生只需要按指定的过程操作，具有很强的依赖性，不会在实验中观察问题、分析问题、解决问题，学生毕业后，面对实际工程项目无从下手。大多数实验没有统一的实验教材，基本都是按照传统的实验教学方法和传统的实验设备编写的实验指导书，不能紧跟时代的发展。

2 研究内容

为解决上述问题，自制以提升农业工程类本科生创新能力为目标的实验设备，满足学院实验教学任务的同时，激发学生兴趣，提高本科生动手实践能力，进一步提升本科生创新能力。

(1)基于农业工程类专业人才培养的实验设备自制：教师根据培养方案及课堂教学与实践环节要求，指导学生自制一台电机控制综合平台，并编写高质量应用指导书。

(2)利用自制的实验设备，进行课程实践与创新训练，形成以提升农业工程类本科生创新能力为目标的实验设备自制与创新机制，并进行效果评价；自制的实验设备参加各类教学仪器设备展出、比赛。

(3)将研究成果整理集结，在其他专业进行推广应用并进行效果评价，为提高人才培养质量提供可资借鉴的成功案例。

3 实施路径

电机控制是农业工程类专业人才培养极为重要的实践内容，在人才培养体系内具有极为重要的作用，其特点是要求学生动手能力强，需掌握多种理论基础知识，是理论联系实践、知识综合运用、创新能力提升最为典型的实验，因此，将以自制电机控制综合平台为例进行介绍。首先，整合教师、实验人员及在读农业工程类专业学生，形成研究团队；其次，根据教学大纲与培养方案，结合实际需要与创新要求，研究电机控制接线方式及控制保护技术，制备一台电机控制实验平台；再次，编写出结构清晰、重点突出、图文并茂的应用指导书；第四，切实承担农业工程类专业基础课及专业课程的课程实验与大学生创新训练；第五，形成一种“教师—实验员—学生自制仪器设备”的机制并进行效果评价；最后，集结研究成果、申报教研成果及参加各类竞赛(如图1所示)。

图1 实施路径

3.1 电机控制综合实验平台

平台主要由实验桌、平台动态演示板、隔离变压器、三相电源、按钮、交流接触器、继电器、电机、导线和工具等组成(如图2所示)，平台动态演示板正面用于电路动态演示、平台背面用于实验电路接线。本平台通过理论讲解、动态演示、动手操作，学生可以了解电机控制的基本理论，掌握工作原理和工作流程，激发学生兴趣，提升学生创新能力。

图2 平台整体结构示意图

其中平台动态演示板采用模块化设计，方便开设多种实验，可演示如下功能。

(1)继电—接触器基本控制：主控部分和控制部分(自锁控制、互锁控制、点动与连锁控制、电机正反转控制)。

(2)三相异步电动机启动控制：星形/三角形降电压启动控制、串电阻降压启动控制和自耦减压启动控制。

(3)三相异步电动机制动控制：反接制动控制和能耗制动控制。

三相异步电动机调速控制：串电阻调速控制和变频器调速控制。

3.2 平台动态演示板设计

平台动态演示板主要用于动态模拟电气开关动作状态、电路控制过程、电机运行状态等动作，采用单片机控制LED实现，平台动态演示板正面用于电路动态模拟演示，反面用于学生实验接线。

(1)动态模拟电气开关动作状态。按钮开关模拟：采用带灯按钮实现，上电时，绿灯按钮亮，断电时，红色按钮灯亮；交流接触器和热继电器线圈、触点的模拟：线圈带电LED灯亮、线圈掉电LED灯灭。

(2)电路控制过程。电源线路、带电或者不带电的器件采用不同颜色的LED显示，当电路接通时，LED循环显示；当学生接错线时，平台动态演示错误的接线电路，学生根据演示过程检查错误接线、寻找原因，变被动为主动，不仅提高了实验效率，而且锻炼了分析问题和解决问题的能力，有利于进一步提升学生创新能力。

(3)电机运行状态。电机运行状态(正反转LED旋转灯光方向)、电机运行速度(LED旋转灯光速度)。

(4)电路图接线。平台动态演示板背面留有接线孔，学生根据电路图，选取合适的电气元件，接入相应的位置，就可以完成线路接线，简单、直观而且形象；通过接线孔，便于平台功能拓展，方便学生进行创新性实验。

3.3 平台安全性设计

平台带有电压/电流漏电保护系统，当装置出现漏电或者短路时切断电源，装置中还带有隔离变压器，当学生在接线的过程中不小心接触火线时不触电，使用安全、可靠。

4 应用效果

(1)学生综合运用所学的知识作综合性、设计性和创新性实验，使枯燥的实验教学变得生动形象，激发了学生的学习兴趣，培养了学生分析和解决问题能力，进一步提高学生的创新精神，打下坚实的就业基础。

(2)满足现代实验教学和实验内容的要求，丰富、活跃学生的科学思维，加深对理论知识的理解，培养学生良好的科学素养，树立严谨的科学态度和工作作风。

(3)以自制实验设备平台为依托，进一步提升农业工程类本科生的创新能力，促进我校农业工程类专业实验教学的发展，为其他工科专业人才培养实验教学工作提供成熟经验，为我校长足发展打下坚实基础，为我省今后农业现代化建设提供农业工程技术人才储备，为我国今后农业现代化建设提供人才保障。

(4)促进了实验室建设和人才培养，实验设备的研制过程，对教师而言是专业水平和科研能力提升的过程，对学生而言是创造性的学习过程。学生在参与研制过程中，了解了产品研发的全过程，真正体会到了知识运用于实践的乐趣，激发了创造兴趣，提高了创新思维能力和科研能力以及实际动手能力。

[1]侍红岩.机械设计实验室陈旧设备的再利用探讨[J].课程教育研究,2013(4):238-239

[2]雷宏军,刘鑫,徐建新.农业水土工程专业实验室存在的问题及对策[J].华北水利水电大学学报:社会科学版,2012,28(4):186-187.

[3]李如琦,贺秋丽,王辑祥.自制实验教学仪器设备,促进实验教学改革[J].高等理科教育,2009(1):71-74.