基于科研项目搭建机械专业电类课程综合实验平台

莫 莉， 喻洪平， 赵 悦， 倪妍婷

(1.成都大学 机械工程学院， 成都 610106；2. 电子科技大学 机械电子工程学院， 成都 611731)

0 引 言

教书育人和科学研究是高校两大基本职能。教学是基础，传授学生基本知识，科研是提高，需要学生拓展和延伸知识。本文以我校机械工程学院为例，基于科研项目搭建机械专业电类课程综合实验平台，将教学与科研有机结合，有效激发学生学习兴趣和学习积极性，良好培养学生动手能力和团队协作能力，显著提高学生科研探索及创新创造能力，从而提高课堂教学质量，学生学有所长，学有所用，学有所成。

1 搭建综合实验平台意义

1995年，清华大学借鉴美国麻省理工学院(MIT)提出的把提升本科生的科研能力纳入培养计划，针对在校本科生进行科研训练(Student Research Training,即SRT)[1]。赖舜男等[2]将科研项目引入本科生创新实践，提出指导教师将科研项目实验化，可大大激发本科学生实验及创新实践兴趣。王果[3]将科研项目应用于实验教学，提出“本科生导师制”个性化培养方案，充分发挥学生学习自主性。电子科技大学张培培等[4]基于国家自然科学基金“难加工材料数控切削用量时变可靠性优化控制研究”搭建研究型实验平台，学生可以很直观地了解数控加工过程和一些表征的采集方法，同时实现研究思维的锻炼和培训。姚列明等[5]将科研项目引入大学物理实验，把实验教学与科研内容、方法和实际应用结合，大大提高学生创新精神和科研实践能力。李旭等[6]针对卓越工程师培养要求，将国家自然科学基金和国家科技支撑计划重大课题引入数字电路实验教学环节，坚持实践环节，“学生为主，教师为辅”的原则，有效培养学生动手能力和创新实践能力。张娴等[7]对本科生的培养过程中，将科研项目与科研思路与创新实验进行有机结合，显著提高大学生实践创新创造能力。杨秀平等[8]从本科生科研训练计划的内涵、对师生要求、流程、措施等几方面重点阐述了通过科研项目的介入，可更好地培养高素质创新型人才，为其创新创业打下坚实基础。吴汉福等[9]将科研项目结合地方特色，开发仪器分析综合性实验，并在化学和化工两专业付诸实施，很好地培养学生独立实验能力和仪器使用能力。哈尔滨工程大学刘宏达等[10]将科研项目与电气专业电机类实验结合，设计电机相关参数测试实验，提出适时将科研成果引入本科教学实践环节，是高校培养学生创新能力的一种重要形式。沈剑英等[11]将科研项目与教学实验有机结合，提高科研设备利用效率，有利于培养学生工程创新能力和动手实践能力。张华卫等[12]结合卓越工程师计划，提出以项目为中心的实验实践教学体系，吸引广大学生积极参与基于科研项目的开放性实验，提高学生创新与综合能力。

综上所述，基于科研项目搭建实验平台是有理论意义与实际意义的，将科研与教学有机结合，教育教学与人才培养建立良性循环，必将是今后高校取得良好发展的有效途径和必然趋势。

2 机械专业电类课程实验平台现状

我院机械专业电类课程实验平台主要存在如下几大问题：①实验设备老化；②实验项目陈旧；③验证性实验多，创新性实验少；④实验学时数少，实验过程单调乏味，学生既不能良好掌握专业基础知识和前沿理论，也不能及时发现并解决理想工况与实际工况矛盾。因此，就目前已开展实验而言，并未起到积极调动学生学习兴趣，培养学生动手能力及发挥其科研创造能力的关键作用。实验教学质量不能适应新时代对人才培养的要求。

3 综合实验平台构建基本思路

基于科研项目搭建实验平台，高校教师将科研项目与教育教学有机结合，其目的就是要培养具有独立创新精神，较高综合素质的新一代高校毕业生，为其创新创业打下坚实基础。

在信息融合的探索与实践中，在教育教学与实验教学的组织过程中，将实验教学体系细分为4大板块，如图1所示。

图1 实验教学体系4大板块

其中，验证性实验由学生单人完成，主要是基础性实验，考查学生基础知识掌握情况；技能性实验由学生单人完成，初步训练学生动手能力，考查学生单个专业知识点认知情况以及对基础知识的应用能力；设计性实验由学生组队完成，训练学生团队合作能力和动手能力，考查学生多个专业知识点连贯情况；创新性实验由学生组队完成，课题来源于省级、国家级竞赛项目或教师科研项目，学生可尽情发挥其主观能动性和创新创造性，提出各种扣题思路并付诸实践。

4 综合实验平台框架

经笔者调研电子科技大学、长安大学、西安电子科技大学等高校，结合我院机械专业实际情况和相关教师国家自然科学基金以及四川省科技厅支撑项目研究方向，搭建机械系电类课程研究型综合实验平台。平台硬件组成如图2所示。

该实验平台包含传感信号输入模块、中央信息处理模块、信号输出控制机构模块，紧贴当前人工智能发展新方向，较好地将机电一体化结合起来。该平台可完成简单的基础知识验证性或专业知识技能性实验，如控制某LED亮灭、控制某电动机正反转等；也可完成综合设计性实验，如雾霾监测模块，需前端传感器通道感知相应物理量、中央处理单元记录并处理数据、后端显示或控制模块进行显示或其他控制；最后，也可完成科研创新性实验，发挥学生想象空间和创新创造能力，实现更多机电一体化实战项目。

图2 综合实验平台硬件框图

(1) 外部传感器模块。包含光敏传感器、温湿度传感器、雨滴/凝露传感器、火焰传感器、继电器传感器、霍尔传感器、超声波测距传感器、人体红外热辐射传感器、可燃气体/烟雾传感器、酒精传感器、空气质量传感器、三轴加速度传感器等常用传感单元，对当前需要检测的各种物理量进行测量备用。

(2) 信号调理模块。包含信号放大和滤波两大部分，根据实际情况适当选择电压放大倍数和滤波电路类型，从而得到合适的模拟信号。

(3) 模数转换模块。包含各种常用模数转换器件，实现输入信号从模拟量到数字量的转换。

(4) 中央处理器(CPU)。包含各种常用中央处理器，可选AT89S51系列、超低功耗MSP430系列、DSP系列、嵌入式STM32系列、以及时下非常流行的Arduino系列。

(5) 机械手模块。可实现前方感知信息控制机械手执行机构按固定程序抓取、搬运物件。

(6) 电动机模块。可实现中央处理器输出信号控制电动机正转、反转，从而控制后续机构动作。

(7) 智能机器人模块。可完成简单的轨迹规划、避障、语音传输等功能。

(8) 智能小车模块。可实现小车正常的前进、后退、转弯、避障、循迹等功能，还可外加吸尘机构设计成智能扫地机器人。

(9) 智能农业模块。可实现当前环境下温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤水分，土壤酸碱度等多种因素的实时全方位监测、控制与数据管理。

(10) 智能家居模块。可实现日常家庭生活中照明控制、窗帘控制、防盗报警、环境监测等功能，学生可提前体验未来家居在智能化、舒适性、安全性和绿色节能方面的跳跃式变化。

(11) 智能交通模块。可将各感知信息有效集成用于整个地面的交通管理，实现自动控制公交系统、智能红绿灯、ETC系统、智能路灯、智能停车场等功能。

(12) 智能停车模块。可实现车牌号自动识别、自动判别车位上是否有车停靠、自动停车计时、自动收费、无人值守、车位空余信息自动显示等功能。

(13) 雾霾监测模块。可定时、定点对当前环境中空气污染物的分布和浓度进行监测，以确定环境质量状况并进行数据管理，也可拓展到酒后驾驶监测方面。

后续实验过程中，各具体功能模块还可根据当前需要实时更新，满足教学与科研不同需求。

5 实验考核与评价

4大实验板块可采用不同的考核与评价方式。验证性、技术性实验属基本实验，必修环节，检查学生对专业基础知识、原理等掌握情况，考核与评价主要针对实验前预习、实验态度、实验过程、实验结果、撰写实验报告等环节进行，实验得分计入课程总成绩，占比20%～30%不等。设计性、创新性实验属能力提高实验，选修环节，激发学生实验兴趣及拓展其创新性思维、开阔眼界，考核与评价主要针对实验思路设计，数据采集、处理方式，控制后续机构动作等环节是否具有一定的创新性、创造性、可行性以及实用性进行。完成情况良好及优秀的学生团队可参与省级或国家级相关学科竞赛，同时通过选拔及培训进入教师科研团队，为其继续深造或创新创业打下坚实基础。

6 实验效果分析

该实验平台属搭建初期，还有更多功能模块及机构创意还在陆续加载过程中，就目前应用情况来看，实验效果显著，良好激发学生实验主观能动性，提高学生实验积极性、动手能力、团队合作能力及创新创造性。图3～6展示学生利用实验平台自主搭建的一些便携式小器件的成果案例。

图3 避障及自动寻迹小车

图4 温室大棚智能监控系统

图5 车载空气质量检测仪

图6 智能窗帘控制系统

7 结 语

当今高校，科研与教学是两大基本职能，照本宣科的填鸭式教学早已不能满足当前社会快速发展的需求，教师需要及时将科研与教学有机结合，更多的将科研项目内容、技术、实施方案等应用于教学及实验环节，才能有效激发学生学习兴趣和学习积极性，培养学生动手能力和团队协作能力，提高学生科研探索及创新创造能力，为其继续深造或创新创业打下坚实基础。