機械工程測試技術(shù)實踐教學(xué)方法論文
摘要：為適應(yīng)新工科專業(yè)建設(shè)和改革，需加強課程教學(xué)改革，提高學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計能力、實踐動手能力，達到國際標(biāo)準的專業(yè)認證要求；課程實踐教學(xué)是培養(yǎng)新工科學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計實踐能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，強化實踐教學(xué)是課程教學(xué)改革的基礎(chǔ)。文章針對機械工程測試技術(shù)課程，探索實踐教學(xué)方法和教學(xué)模式，作為加強創(chuàng)新設(shè)計能力的專業(yè)課程改革突破點，結(jié)果表明改進實踐教學(xué)方法可提高學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計能力，是新工科專業(yè)課程建設(shè)的著重點。
關(guān)鍵詞：創(chuàng)新設(shè)計；實踐教學(xué)模式；測試技術(shù)課程；教學(xué)改革
一、概述
目前，機械工程測試技術(shù)課程教學(xué)仍側(cè)重測試基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，在實踐能力、創(chuàng)新能力的教育和動手能力訓(xùn)練方面有待提高[1]。隨著本科教育教學(xué)改革持續(xù)、深入推進，加強新工科學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)已成為高等教育改革發(fā)展的新方向。根據(jù)機械電子工程專業(yè)培養(yǎng)方案修訂和專業(yè)認證需求[2]，機械工程測試技術(shù)課程教研組完成了機電綜合創(chuàng)新實驗室建設(shè)項目，并獲得該課程教改立項資助，課題著重教學(xué)內(nèi)容、課程體系、實踐環(huán)節(jié)等方面的綜合改革，現(xiàn)已完成課程創(chuàng)新設(shè)計實踐教學(xué)方法研究。通過已完成并實施的課程實踐教學(xué)新方法，明顯激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生團隊協(xié)作意識和創(chuàng)新能力，實際動手能力有顯著提高。
二、基于創(chuàng)新設(shè)計的課程實踐教學(xué)基礎(chǔ)
�。ㄒ唬C電創(chuàng)新綜合實驗平臺
創(chuàng)新設(shè)計綜合實驗是基于創(chuàng)新設(shè)計的測試技術(shù)課程實踐教學(xué)基礎(chǔ)，實驗室需提供良好的開放實驗條件。通過增加課程實驗學(xué)時數(shù)，滿足綜合型、設(shè)計型、創(chuàng)新型實驗學(xué)時要求，學(xué)生有充分的時間進行實驗設(shè)計和分析[3，4]。機械工程測試技術(shù)教研組充分利用機電綜合創(chuàng)新實驗室資源，提高師資隊伍教學(xué)、科研能力，培養(yǎng)教學(xué)團隊，交流教學(xué)方法，做到經(jīng)驗分享，發(fā)掘新方法。機電綜合創(chuàng)新實驗室實驗實訓(xùn)臺有：單片機和可編程綜合實驗臺、三維數(shù)控平臺、電機綜合實驗臺、三聯(lián)電梯群控實驗臺、光學(xué)測試平臺、超聲測試實驗臺，如圖1所示。能開設(shè)機電控制、驅(qū)動、測試等多門課程綜合實驗、實訓(xùn)項目。課程教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生整合現(xiàn)有設(shè)備，設(shè)計綜合實驗；在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生對實驗設(shè)備和實驗項目進行創(chuàng)新設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計能力。各實驗臺主要開設(shè)的綜合性、創(chuàng)新設(shè)計實驗項目如下：
1.單片機可編程控制綜合實驗裝置可完成測試系統(tǒng)控制器設(shè)計、開發(fā)實驗。該實驗裝置集單片機實驗板、專業(yè)仿真器、可編程控制器、通信編程器、模擬控制實驗板、實物于一體，可直觀地進行單片機原理及各個應(yīng)用領(lǐng)域的實驗、多個PLC實際應(yīng)用的模擬實驗及實物實驗，同時也為高層次的設(shè)計開發(fā)實驗提供良好的條件。本裝置結(jié)合教學(xué)要求，設(shè)計了單片機和可編程控制器課程中最具典型性的實驗項目，適合各高等院校開設(shè)的“單片機原理及接口技術(shù)”、“單片機數(shù)據(jù)通信技術(shù)”、“可編程控制器技術(shù)”、“可編程控制器及其應(yīng)用”等課程的實驗教學(xué)。
2.三維數(shù)控實驗臺該實驗臺為主軸帶光柵的開放式可重組龍門三維機電綜合工作臺，可完成位置、速度等三坐標(biāo)運動控制參數(shù)綜合測試、開發(fā)實驗。采用工業(yè)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有開放式可重組龍門固定式三維平臺機械本體，實現(xiàn)可重組三維運動平臺和通用四軸閉環(huán)控制系統(tǒng)的運動控制；提供VC、Vb、C#、Delphi、Matlab及Labview等主流高級編程環(huán)境的接口庫，方便進行機電和控制等方面的實驗，可使用開放式高級語言采集位置和速度信號，實現(xiàn)位置和速度的全閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制和開環(huán)控制，顯示位置和速度曲線。
3.電機綜合實驗臺該實驗臺為運動控制與電機綜合實驗及故障診斷平臺（機電一體化技術(shù)綜合實訓(xùn)平臺）實驗系統(tǒng)，可完成機械振動、軸端位移、主軸不對中及軸承磨損等故障參數(shù)的綜合測試，電機控制及故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計和分析。可實現(xiàn)機電一體化技術(shù)與運動控制和故障診斷綜合實驗；實驗平臺包含典型傳感器技術(shù)、交流電機控制、運動控制器、計算機控制、數(shù)控系統(tǒng)等課程實驗，故障診斷實驗包含典型的機電一體化系統(tǒng)故障診斷與分析實驗。
4.三聯(lián)電梯群控實驗臺六層三聯(lián)群控電梯模型為透明仿真教學(xué)電梯，具有自動平層、自動開門關(guān)門、順向響應(yīng)轎廂內(nèi)外呼梯信號、直駛、電梯安全運行保護以及電梯急停、慢上、慢下、照明、風(fēng)扇等功能；模型軟硬件均采用開放式結(jié)構(gòu)，可進行測試、控制系統(tǒng)的二次開發(fā)研究，實現(xiàn)群控電梯（統(tǒng)一調(diào)度多臺集中并列的電梯）、并聯(lián)控制電梯（2-3臺電梯的控制線路并聯(lián)，進行邏輯控制，共用層站外召喚按鈕）、集選控制電梯、信號控制電梯等。
5.機電系統(tǒng)測控技術(shù)綜合實訓(xùn)平臺雙噴頭噴墨打印沉積系統(tǒng)由機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)及噴頭系統(tǒng)等組成。通過檢測微滴運動參數(shù)，精確控制微滴穩(wěn)定噴射及基板精確運動的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)功能材料在基板精確沉積制造，完成如：柔性導(dǎo)電線路、微傳感器、薄膜太陽能電池、半導(dǎo)體器件的快速成型制造。變頻張力控制教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)具備傳感檢測技術(shù)、人機交互、電機拖動、PID控制、自動傳輸、電氣調(diào)試等技術(shù)應(yīng)用，通過對卷繞系統(tǒng)中收放卷裝置的張力控制，線速度、膜厚和卷徑等變量算法研究，重點突出變頻器模擬量方式對三相電機的調(diào)速與控制、收放卷張力恒定等項目，包含PLC、HMI、變頻器配線、控制和通訊功能的綜合實訓(xùn)；整個動態(tài)過程能保證收卷、放卷過程的平穩(wěn)性，不論是大卷、小卷、加速、減速、激活、停車都能保證張力的恒定。數(shù)字微鏡器件（DMD）為數(shù)字微鏡空間光調(diào)制器套件，結(jié)合DMD高性能芯片組，能為學(xué)生提供FPGA可編程應(yīng)用開發(fā)平臺，學(xué)生可開發(fā)定制應(yīng)用，該投影套件系統(tǒng)也為高層次綜合設(shè)計開發(fā)實驗提供良好條件。便攜式超聲波探傷儀具有B掃描（成像）以及全程連續(xù)動態(tài)實時記錄檢測回波數(shù)據(jù)便攜式超聲波探傷儀，能夠快速便捷、無損傷、精確地進行工件內(nèi)部多種缺陷如裂紋、焊縫、氣孔、砂眼、夾雜、折疊等的檢測、定位、評估及診斷。
（二）結(jié)合研究課題，開設(shè)綜合設(shè)計實驗
利用機電創(chuàng)新綜合實驗室儀器設(shè)備，結(jié)合科研課題，在光學(xué)檢測、微滴噴射成型技術(shù)、機器視覺、高速主軸可靠性分析等領(lǐng)域的.測試方法，引導(dǎo)學(xué)生開發(fā)、設(shè)計實驗實訓(xùn)內(nèi)容。與工程訓(xùn)練中心合作，探討開放實驗室管理方案，實現(xiàn)學(xué)生自主管理實驗，全天開放實驗室，提高學(xué)生動手實踐、培養(yǎng)創(chuàng)新思維，參與課題研究，培養(yǎng)科研分析、寫作論文、實驗數(shù)據(jù)分析能力，真正掌握、領(lǐng)會測試技術(shù)課程學(xué)習(xí)內(nèi)容。加強競賽競爭力，通過課程探討競賽培訓(xùn)方法，課程學(xué)習(xí)使學(xué)生具備參加國家級大賽能力，機械類專業(yè)可參加全國機器人大賽、機械創(chuàng)新大賽、工程訓(xùn)練能力競賽和電子大賽等國家級競賽；通過競賽，總結(jié)參賽經(jīng)驗，分析與課程教學(xué)的結(jié)合點，教學(xué)方法改革切入點，改進教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容及學(xué)生應(yīng)掌握知識點，強化學(xué)生實踐能力培養(yǎng)。結(jié)合研究課題，提出問題、設(shè)計教學(xué)案例，結(jié)合實際應(yīng)用，設(shè)計實驗教學(xué)方法和學(xué)生自主完成的實驗內(nèi)容，實現(xiàn)自主訓(xùn)練教學(xué)目標(biāo)。目前，在電機綜合實驗、電梯群控實驗及柔性制造等實驗平臺上已開設(shè)了若干個設(shè)計型、創(chuàng)新型實驗項目。
三、項目驅(qū)動實踐教學(xué)方法
針對機械電子工程、機械設(shè)計、制造及自動化等專業(yè)的培養(yǎng)要求[5，6]，結(jié)合課題研究，設(shè)計、開發(fā)了圖1所示的機電綜合創(chuàng)新實驗項目，可為機械電子工程、機械設(shè)計等多個專業(yè)測試、控制及仿真課程提供綜合設(shè)計實驗，很好地改進了實踐教學(xué)方法。
�。ㄒ唬┕こ虦y試項目在實踐教學(xué)中的綜合應(yīng)用
課題組完成的工程測試項目有機械零件超聲波無損檢測與探傷技術(shù)、軸承故障檢測與故障診斷技術(shù)、高速主軸振動檢測、機器視覺和光學(xué)檢測、可穿戴織物導(dǎo)線的微滴噴射成型技術(shù)和高速電主軸可靠性試驗技術(shù)等課題，涉及位置、振動、位移、超聲波、光學(xué)等多種測試方法。項目研究擴充了機電綜合創(chuàng)新實驗內(nèi)容，學(xué)生通過課程實踐教學(xué)參與項目研究，將學(xué)習(xí)的測試方法用于實際工程項目，提高學(xué)生課程學(xué)習(xí)積極性，加強了動手能力和解決實際問題能力，大大提高了課程實踐教學(xué)效果。
�。ǘ┛蒲谐晒谌雽嵺`教學(xué)環(huán)節(jié)
課題組利用科研項目，結(jié)合應(yīng)用的工程測量方法，整理了科研項目中的測試系統(tǒng)，提煉出具有實際工程應(yīng)用的實踐教學(xué)案例，作為項目驅(qū)動教學(xué)，課程結(jié)合科研項目的實踐教學(xué)內(nèi)容。以力和扭矩非接觸檢測方法為例，實踐教學(xué)中，針對高速電主軸接觸式檢測存在的問題，引導(dǎo)學(xué)生提出新的檢測方法，設(shè)計、開發(fā)非接觸檢測裝置。這種裝置是通過創(chuàng)新設(shè)計得到的研究成果，一種學(xué)生自己開發(fā)的測試新技術(shù)。經(jīng)過創(chuàng)新設(shè)計實踐訓(xùn)練，很好地開拓了學(xué)生思維方法，提高了知識探索能力。該應(yīng)用是在高速電主軸可靠性實驗課題研究中，需檢測作用在高速電主軸軸端加載盤上的電磁加載量，包括徑向電磁力和扭矩的檢測。根據(jù)高速主軸接觸式檢測存在的問題[7]，實驗教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計非接觸電磁加載量檢測方法，提出電磁加載力和扭矩的非接觸檢測方法，對電磁加載量檢測裝置進行了創(chuàng)新設(shè)計，如圖2所示。應(yīng)用圖2所示測試裝置完成加載力和扭矩測試實驗，學(xué)生分析了徑向力和扭矩同步檢測方法及實驗裝置工作原理，通過實驗數(shù)據(jù)的處理，得到力和扭矩檢測值，解決了高速主軸作用力和扭矩檢測的工程應(yīng)用問題。與教材講授的力和扭矩檢測方法相比，創(chuàng)新設(shè)計實驗教法很好地培養(yǎng)了學(xué)生動手實踐和分析解決實際問題的能力。
四、結(jié)束語
本文針對機械工程專業(yè)新工科培養(yǎng)目標(biāo)，分析和探討了機械工程測試技術(shù)實踐教學(xué)新方法。為加強學(xué)生實踐動手能力，建立以學(xué)生為中心的多層次、應(yīng)用型機電綜合創(chuàng)新實踐教學(xué)模式，構(gòu)建了機械系統(tǒng)檢測技術(shù)綜合創(chuàng)新設(shè)計的課程實驗實訓(xùn)平臺。本文研究促進了專業(yè)實踐教學(xué)資源的整合、優(yōu)化和共享。有利于通過課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生動手能力和解決實際問題的能力。
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