以实用创新为目标的大学生实践教学方法探索

高强，张闯，禹瑞雪

（1.沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁沈阳，110168；2.沈阳工程学院机械学院，辽宁沈阳，110136;3.沈阳工程学院自动化学院，辽宁沈阳，110136；4.浙江大唐乌沙山发电有限责任公司，浙江宁波，315722）

0 引言

2015年国务院办公厅发布的《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》中，明确指出我国高等学校创新创业教育的基本原则是“坚持育人为本，提高培养质量；坚持问题导向，补齐培养短板”[1]。创新发展是居于国家发展全局的核心位置，近年来，我国发明专利授权数、国际论文被引数均位列世界前列，我国创新能力大幅提升。创新成为高新人才所应具备的基本素质，培养创新型青年人才，是国家创新活力之所在，也是科技发展希望之所在[2]。

应用型人才培养是国家创新驱动发展的重要一环，为探索应用型人才培养教育方法，提升学生实践能力、创新精神最终达到学以致用。在“大学生创新创业训练计划”其“训练实践”的教育模式下，学生通过指导教师的指导，自主完成创新性研究项目。以社会需求为出发点，应用学生所学知识，完成项目研发。以培养应用型人才为目标，培养学生发现并解决问题的能力。

1 项目成员

由表1项目成员构成表可以看出，学生成员构成充分考虑了学科交叉，并以高年级带领低年级，在关键问题上教师指导，设计思路上学生主导。指导教师分析整个项目的技术难点，分派任务后，放手由学生自主讨论、设计、制作、调试，以便锻炼学生团队协作及分析解决问题的能力[3-4]。

表1 项目成员构成表

2 电磁弹射装置原理分析

2.1 基本原理分析

电磁发射是采用电磁作用原理产生的电磁推力使物体加速的。因电磁驱动力与电流平方成正比，所以只要保证足够的电流输入，便能在发射装冒内产生足够大的推力，使物体达到更快的速度，常用于舰载机弹射起飞使用[5]。

电源装置：电磁弹射器用的是直流电源，而且在电磁弹射器工作时负荷冲击性非常大。虽然有了储能装置，但由于弹射器要求在很短时间内起飞更多架次的飞机，所以对电磁弹射器的电源容量要求也比较大，一般容量在5～8KVA左右（但输出电压却不高）。对于交流发电机而言，但如果是直流发电机，则必须是无刷稳流直流发电机，否则滑环的强大电流会灼伤换向器。

强迫储能装置：强迫储能装置是电磁弹射器的核心部件，它不仅缓解了发电机的压力，同时在弹射器不工作时吸收发电机的能量，使发电机几乎不受冲击性负荷的影响。

导轨：电磁弹射器的导轨与电磁轨道炮的差异很大，也比其复杂的多。电磁弹射器的导轨共有4个，分别为上部2个，下部2个。但每根导轨都非常长，安装在起飞甲板的下面。不仅如此，导轨与飞机牵引杆的接触面至导轨中心还有很多特细的小孔，所以其冷却油不仅仅是为超导体降温，还有润滑的作用，而且会使飞机牵引杆在运行时降温。

脉冲发生器：蒸汽弹射器为使发动机与弹射器同步运行（缩短起飞距离），用一根钢棍先挡住飞机运行，由于飞机发动机推力无法推断钢棍，但与弹射器合力却可推断钢棍，从而使飞机在弹射器与发动机合力下起飞。但电磁弹射器却无需钢棍挡住，在飞机起飞时电磁弹射器同步通电，但电流是逐渐增加，并且在起飞末段将电流截止。

辅助装置：即冷却系统、预加动力装置、减速缓冲与刹车装置等[6-7]。

2.2 作品外观设计

本设计作品为中小学生电磁弹射实验所做，为使其生动形象，更具吸引力，故依然使其安装在航母模型上。使用NX UG12.0进行设计，由于该作品应用于实验教具，对于尺寸设计需求并非过于严格，故在装配方法中采用混合装配，先根据电气元件创建主要零件体合成子装配后，再根据子装配体设计其他零件，可以对作品的三维模型进行快速设计，对主体机构布局与尺寸进行设计，并对电气元件进行布局。本部分任务由机械设计专业的2名学生承担。

2.3 电气控制部分设计

电磁炮的主要由电源、逆变电路、升压整流、限压充电、发生装置组成。将12V电池组提供的直流电升压到220V左右交流电，再经桥式电路整流给储能电容充电，即给电磁炮充电。

由基本原理分析可知，本项目的设计难点在于电气控制的设计，其需直流升压，将电池提供的较低的直流电压，提升到需要的电压值，其基本的工作过程都是:高频振荡产生低压脉冲——脉冲变压器升压到预定电压值——脉冲整流获得高压直流电，因此直流升压电路属于DC/DC电路的一种类型。本装置使用12V低电压输入，310V高电压输出，升压后的220V交流电，通过桥式整流电路转换成直流电，输出的电压为310V为电容充电。通过空气开关控制电容对线圈的放电，从而实现电生磁。电路使用NI Multisim 14.1进行绘制，可以通通过图形化界面拖拽搭建电路原理图，并对电路进行仿真。本部分内容由分配给机电、计算机专业两名学生完成，两名同学均为大三学生，专业知识已基本掌握由其绘制电气原理图1。

图1 电气原理图

该电路由2个NPN功率三极管、2个电阻与1个带中心对称抽头的变压器组成。其原理就是一个震荡电路，将直流转为交流，再通过变压器升压。通过2个相同12V直流电压回路频繁交替，行成不断变化的反向电流，再通过变压器耦合升压为220V高压交流电压。

当直流电压接通瞬间，三极管Q1和Q2的基极都有较高的电压，理论上两个三极管应该同时导通，但是由于两个三极管和回路之间存在差异，正因为这微小，令两个三极管无法同时导通，而且其中一个三极管导通会把另一管子的基极电压拉低，使其截止。例如，当Q1导通时，Q2被拉低而截止，同时随着管子的导通电流增大，变压器线圈对电流有阻碍作用，使Q1基极电压缓慢被拉低，当电压低于0.4V时截止，Q2导通，反之原理也一样。

实物制作时，将电容两端连接到缠好的线圈上，通过空气开关控制电容的瞬间放电，产生很大的电流，从而产生较大的磁场，将放在管中的磁铁弹射出去带动飞机，在航母上实现飞机的起飞动作。为保护电容，并联稳压二极管与泄压电阻，当电压过大将二极管击穿时，泄压电阻对电路进行稳压，防止电容损坏发生危险，电气控制系统选用零件及安装实物如图2。

图2 电气控制系统图

3 实物加工及制作

本项目所使用的材料主要为亚克力板、复合板、绝缘铜线、PLA等，涉及的工艺主要为激光切割、3D打印、电路板刻制等。

在现代制造工艺中，激光切割、3D打印技术受到众多行业追捧，常用于航天航空、汽车制造等领域。随着这两种技术的发展和普及，激光切割、3D打印也逐渐进入本科学生创新创业教育中。

激光切割是一种减材制造方法，常用于对半成品进行精加工，利用聚焦的高功率密度激光束照射到待切割的材料上，产生上万度的高温，令材料达到汽化温度，以达到去除材料的目的。通过移动激光束，即可形成连续切缝。通过调节功率可以对各种不同的材料进行雕刻或切割等需求。具有速度快、操作简单、损耗低等优点。

激光切割的操作非常简单快捷，流程如下：

（1）在CAD或CAXA等二维制图软件上绘制出所需切割的路径，并另存为兼容文件格式。

（2）在LaserCAD中打开绘制完成的二维图，调好功率与速度，发送到激光切割机。

（3）调节激光切割机的初始位置，开始加工。

3D打印是一种增材制造的快速成型技术，以数字模型为基础，通过逐层打印的方式构造物体。熔融沉积式是一种常用的累积技术，将丝状材料通过加热喷嘴挤出，按轨迹进行一定速率的熔体沉积。

用于进行3D建模的软件很多,如SimpleWare、Geomagic Sculpt、Art of Illusion等软件，但对于机械专业学生而言，此类软件难度较高，故采用常用机械三维建模软件建模，导成中间格式stl导入cura切片软件，设置相关参数后进行3D打印加工。

此部分任务由工艺和机制专业学生完成加工，并装配成如图3实物图。

图3 实物实际效果图

4 作品调试

本设计针对中学电磁实验设计，亦可与力学及平抛运动实验结合[8-9]，所以设计可改变线圈匝数n及电流I等参数，并做初始调试实验如下。考虑到实验安全，限定最大电流为25mA、线圈匝数影响弹射的力度（距离），实验数据如表2所示。

表2 线圈匝数影响弹射距离实验数据表

5 结论与展望

中小学生动的实验教学的设备，可以降低自学释疑环节中学生遇到问题的难度，发挥学生在训练操作中的主体作用，“查缺补漏”使学生在延伸迁移环节中举一反三。本项目正是如此为出发点，让在校大学生以此需求出发，运用专业知识，进行设计、绘制机械结构，电气线路、加工装配、调试试验等一系列环节，在培养自我实践能力的同时探索创新，研制小型中小学实验器材。可谓是一种新颖教学方法得一举多得。