工程认证背景下机械专业大类机电综合实训项目设计及开发

娄军强，陈特欢，崔玉国，马剑强

（宁波大学机械工程与力学学院 浙江 宁波 315211）

工程教育专业认证是针对高等教育本科工程类专业教育开展的专门性评价[1]，旨在提升工科专业学生的培养质量，实现工程教育质量的国际认可[2]。实训是机械专业教学中十分重要的一环，可以培养学生将知识和技能紧密结合的能力，切实解决生产中的实际问题[3]。然而，传统的实训项目往往按照给定的流程让学生进行实验测试，简单地分析实验结果，缺乏对实验结果的思考与讨论[4]，且实训内容通常注重于一门课程，导致学生不能通过实训将各课程联系起来[5]，学生处于被动学习的状态，限制了其探索精神以及创新能力，违背了教学的初衷[6]。因此，高校势必要对传统实训项目进行改进，提高学生兴趣，激发学生的创造力，以达到培养具备工程实践能力的机械人才的目的。

1 目前实践教学中存在的问题

机械专业实训作为机械设计制造及其自动化、机械电子工程等机械本科专业教学必不可少的一环，其中涉及的知识理论性强，具有一定难度，内容较抽象[7]。传统的实训项目通常是按照既定的流程测试实验数据，并对实验结果进行简单的分析验证，且往往只为某一门课程专项配置[8]，学生只能死记硬背，这种刻板的实训模式限制了学生的探索精神以及创造力，导致学生无法很好地将各理论课程联系起来，且学生在解决相关工程问题时无法完成基本的测试对象分析、测试方案的设计、测试系统的操作、测试数据的采集、处理与解释等任务[9]。综上所述，现教学内容和实践环境并不同步，因此有必要开展机械专业机电综合实训，解决学生对所学内容无法直接应用于未来任职岗位的问题[10]。

2 工程认证背景下机电综合实训教学改革的意义

工程教育认证倡导 “成果导向教育” ，注重培养学生的学习效果和核心能力，不断完善我国的工程教育质量监控体系[11]。工程认证背景下的机电综合实训，以培养学生的综合能力为目标，激发学生积极参与实践的学习意愿，保证学生的工程能力水平[12]。学生通过实训可以掌握机电一体化系统的基本组成、控制方式、控制对象的基本特征及工作机理，最终通过考核体系评估学生对知识的掌握程度，从而满足当前工程行业的需求。

3 工程认证背景下机电综合实训项目设计

3.1 实训项目总体框架

本实训项目要求学生设计搭建一个基于应变传感器的测量系统，完成对二阶系统动态特性的测试与数据分析。悬臂梁作为工程领域中典型的二阶系统结构，针对悬臂梁这一测试对象，设计合理的电桥电路并进行调试来对其应变传感器的输出信号进行放大、滤波与采集，并对采集信号进行特性分析（图1）。

图1 实训内容

3.2 实训项目具体内容

3.2.1 悬臂梁动力学建模

以y x，t表示悬臂梁的横向位移，它是截面位置x和时间t的二元函数，以f x，t表示作用于梁上的单位长度的横向力，有悬臂梁在铅垂y 方向的动力学方程为

式中：（x） 单位体积质量；A（x） 横截面积；EJ（x）——弯曲刚度；E——弹性模量；J（x）——横截面对垂直于x和y轴且通过横截面形心的轴的惯性矩。

利用悬臂梁的初始条件以及四个边界条件可以求解出梁的固有频率为

式中：l——梁的长度。实验梁材料为铝，其一、二、三阶特征频率分别为。其对应参数如表1 所示。

表1 悬臂梁参数

代入可以求得悬臂梁的理论一阶固有频率约为52.4Hz。

3.2.2 测量系统设计及搭建

实验整体示意图如图2 所示，通过粘贴于悬臂梁根部的电阻应变器对悬臂梁的位移进行测量，并通过弯曲放大模块以及NI 板卡将电阻应变片产生的模拟信号转变为数字信号传输至计算机，通过计算机内的信号采集分析软件对实验数据进行采集以及分析。

图2 实验示意图

实际电路是由贴在悬臂梁根部两侧的共四片电阻应变片搭建成的全桥电路，其四根导线分别与弯曲模块的IN+、IN-、基准电压的输入以及输出相连，再把弯曲模块上的GND、+5V 以及OUT 与NI 数据采集卡的GND、+5V 以及AI0 口相连，数据采集卡用USB 线连接电脑。

3.2.3 数据采集程序设计

采用Labview 对悬臂梁的振动数据进行采集，实验过程中的软件界面如图3（p78）所示，设置电压值为±5V，接线端配置设置为差分，采样数和采样频率设置为1000。点击Labview 上的运行按钮（Run）；给悬臂梁脉冲激励，观察由脉冲激励引起梁振动衰减的曲线的波形，然后按下 “结束按钮” ，完成采集。

图3 软件设计程序界面

3.2.4 信号分析处理

实验数据的时域响应如图4（a）（p78）所示，频域响应如图4（b）所示。

图4 实验结果

图5 幅频图局部

4 机电综合实训项目效果及学生评价

为了验证改革后实训教学环节的实际效果，对宁波大学机械学院140 余名机械制造及其自动化专业的大三学生进行了问卷调查，结果如图6（p79）所示。

图6 调查结果

经调查得知，82%的学生认为机电综合实训项目对他们的学习非常有帮助。在实验过程中，学生对应变传感器的灵敏度、测量范围和数据处理技术等方面存在一定的困惑和难度，需要进一步加强教学指导和实验操作培训。通过一系列的实验操作，如传感器安装、数据采集、数据处理等，训练了学生的动手能力和技能，同时也有助于提高他们的实践能力和解决问题的能力。

5 结语

机电综合实训是机械大类专业中一门重要的基础课程，实训课程能帮助学生更好地将理论知识与实际联系起来。本文在工程认证的背景下，对机电综合实训进行了教学改革。整个实训项目基于悬臂梁振动应变分析，从理论分析到实验设计操作，让学生在完成实训项目的过程中，自己学会去查找资料及分析问题，将理论知识应用于实践活动。通过弥补传统教学模式的乏味不足之处，让学生在学习过程中获得了更高的参与感，其自主学习能力和工程实践能力也得到了提升，成为能够满足国家需求的机械类合格毕业生。