目标式实验教学探索与综合实验平台研制

打开文本图片集

摘 要 为培养满足企业与社会实际生产需求的应用型人才，研制出层次分明、目的明确的工业自动化综合实验平台，该平台以典型工业自动化工程案例为背景，以功能实现型与功能拓展型实验为主体，形成立体化与循环促进式的实践教学模式，增强本科生的工程实践能力与创造、创新能力，在实践教学过程中取得良好效果。

关键词 自动化综合实验平台；机械电子工程课程；实践教学

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）10-0015-03

Exploration of Experimental Teaching with Clear Objectives and

Development of Experimental Platform//FU Shengjie， GAO Li-hua， REN Haoling， LIN Tianliang

Abstract A comprehensive experimental platform of industrial auto-mation，which has distinct levels and clear purpose， is developed in order to meet the actual needs of enterprises and social production. The platform，made of function realization type experiment and function expanding experiment，is based on typical industrial auto-mation engineering cases. The practical teaching mode has been formed， which has enhanced the engineering practice ability and creativity and innovation ability of undergraduates. Good results have been achieved in the practice teaching process.

Key words automatic comprehensive test platform； mechatronic engineering； practical teaching

1 前言

加强实践教学，积极推进实践教学改革，以切实有效的实践教学培养适应地方经济建设与社会发展需要，具有创新精神与实践能力的应用型人才，是大学教育的必然选择[1-4]。在高校，依托具有专业特色的实验平台，制定合理且与之匹配的实验内容，是促进实践教学、专业教育的重要途径之一[5-7]。传统实验平台往往以课程为中心，为特定课程服务，带来实践教学本身应用背景不明确、工程技术单一等弊端，导致实践过程的盲目性与机械性。

本文以典型工业自动化应用为背景，结合华侨大学机械电子工程课程特点，研制自动化综合实验平台，旨在促进学科交叉应用，体现“所学即所用”，增强实践教学的自主性与创造性，形成目标明确、强化工程实践和多学科融合、多層次循序渐进的立体化实践教学模式。

2 综合实验平台架构

综合实验平台主体分为三个部分，即典型工业自动化设备、功能实现实验及拓展性实验等，其架构如图1所示。在图1中，功能实现实验部分为验证性实验环节，其设置依据为典型工业自动化设备的功能实现；拓展性实验在功能实现实验的基础上设置，主要由学生自主完成所选典型工业自动化设备的性能改进或性能改变。

为增强实践教学的工程性，明确实践教学目的，选择既功能明确，又融合本专业多学科知识，且依托实际校企合作科研项目的典型工业自动化设备作为该实验平台的工程应用背景；依据各功能实现及所涉及学科知识，将该典型设备拆分为不同环节，以环节来设置实验内容，再通过环节实验逐步构建系统，形成“系统—环节—系统”的目标明确、层次分明、依次递进的验证性实验环节，其目的在于认知工业自动化设备，认知及训练使用工业自动化典型部件，认知理论知识与工程实践的关联性，以及建立由部件依照功能实现构建复杂自动化系统的机电一体化思想等。

在功能实现型实验的基础上，为提高实践教学的自主性与灵活性，提高学生的工程实践能力与解决工程问题的能力，规划功能拓展与功能改进型实验：

1）对功能改进型实验，依据工程实际，针对所选取的典型工业自动化设备某些性能指标提出改进要求，由学生自主思考、自己动手，通过环节、部件性能的改进或控制方法的优化等措施，满足所提性能指标；

2）对功能拓展性实验，通过执行环节的替换或重新设计，在原有系统的基础上实现新的自动化功能。

3 综合实验平台研制

根据上述，综合实验平台选择本专业校企合作项目中所设计的自动滴液机为典型工业自动化设备。自动滴液机，如图2所示，是一种按任意指定比例配置混合溶液的自动化设备，其主要功能为：由固定于Z轴的机械夹在母液区夹持指定母液注射器并汲取相应母液，汲取完毕后，到滴定区进行定量液体的滴定；X-Y二维直线运动平台负责Z轴的定位输送，Z轴的直线运动负责液体汲取与定量滴定；所有环节均由PLC集中管理与控制。

所研制的自动化综合实验平台以实现多种液体的定量滴定功能为最终目标，实现该目标所运用的主要技术如图3所示，包括PLC控制技术、机械传动、伺服驱动、单机械臂定位控制技术、多轴定位控制技术、流体控制等。

在实验设置及实施方面，第一阶段是认知实验环节。在该阶段让学生了解自动滴液机的工作流程及本实验平台需要实现的功能，同时分析要实现该功能需要什么知识、设备及部件。比如：要实现液体定量滴定，需要精确的直线位移控制，而实现直线位移控制，需要伺服电机、旋转变直线的机械传动机构及PLC控制单元等。通过该环节，完成PLC、丝杠—螺母副传动、带传动、伺服电机及驱动器、单轴机械臂、二维机械臂、气动机械夹等主要的工业自动化元件，以及初步形成分解复杂自动化系统的能力。

在认知环节后设置第二阶段的功能实现型基础实验。该阶段同样以实现滴液机主体功能为最终目标，分别设置PLC输入/输出实验、PLC伺服控制接口、单轴机械臂定位控制、双轴定位控制等环节实验项目，在环节实验项目的基础上，构建三维机械臂系统，并由PLC进行协调控制。此阶段的直接目的在于掌握所涉及的工业自动化元件的使用方法、环节功能调试以及设备选型方法等技能，初步形成分析、解决工程问题的能力。

第三阶段为科技创新实验，主要包括两个方面的内容。

1）自动滴液机功能完善或改进型实验，比如：如何提高滴定精度？以开环式位置控制方式进行Z轴的滴定操作，与以电子天平对滴定质量进行反馈的控制方法的实现与滴定结果进行对比等。以此类实验，提高学生思考与解决工程问题的能力。

2）功能实现型实验。该类型实验是在三维机械臂系统中设计新的满足科创需求的执行环节，取代Z轴定量液体滴定单元，从而实现其他工业应用中的自动化系统，如点胶机、物料自动插装系统、物料分拣系统等。

4 实验内容规划

如上所述，综合实验平台在实验内容的设置方面避免传统的以课程为中心的实验内容，即实验不为某一单独的理论课程服务，而是一种理论知识的综合应用与工程能力的培养，把传统教学中的盲目性、机械性及追随性实践转换为自主性、探索性实践。工业自动化综合实验平台以功能实现为出发点，合理设置实践教学内容，构建如表1所示目标明确、层次分明的实践教学内容。按照“基礎→综合→创新”的步骤，由浅入深、由简入繁，形成以系统认知带动环节认知，以简单环节构建复杂系统，环环相扣、目标明确、层次丰富的新型实践教学。

5 综合实验平台

根据实验要求建立图4、图5所示综合实验平台，主体由环节实验平台和自动化系统实验平台两部分构成，其中环节实验平台主要包括PLC、接触器、伺服驱动器、伺服电机、单轴机械臂（联轴器直连、螺杆螺距5 mm）等设备，主要对应于表1中认知实验与基础实验中前三部分内容；自动化系统实验平台主要为三维机械臂组合平台和自动滴液机，三维平台主要侧重于X-Y-Z三维坐标系内定位控制或三轴协调控制，服务于表1中基础实验的后两部分以及为拓展实验提供物理平台；自动滴液机为专业校企合作项目中的实体开发与应用对象，也是本系列实验开设所依托的工程背景。

6 结束语

工业自动化实验室的建设始终以培养高素质、应用型人才为目标，其特色在于从实际工业应用出发，以鲜明的工程应用为背景，以系统促进认知环节，以环节实验提升系统构建能力；注重专业知识的学习与应用的同时，强化多学科知识的融合以及教学与科研的结合，是提高学生实践能力和工程技能的有效途径之一。■

参考文献

[1]李传伟，孙明旗.PLC实验实训实习立体化实践教学模式的设计与研制：基于SIMATIC实验室项目教学模式的设计[J].实验室研究与探索，2008（8）：174-177，234.

[2]雷瑞庭，宋跃，李仪，等.电工实训实践教学改革探索[J].实验技术与管理，2010（10）：151-152，170.

[3]卓建华，叶焕锋，徐浙明.机电专业省级实训基地建设的探索与实践[J].职业，2015（20）：122-123.

[4]高娟娟， 杨娟霞，刘福才.自动化专业工程化模式实训基地建设与实践[J].教学研究，2015（4）：102-105.

[5]牛红军，张丙乾，董继刚.以创新能力培养为导向的经管类专业实验实践教学改革探索[J].实验室科学，2012（1）：

28-31.

[6]苟建华，陆卫平.校企合作模式下经管类专业实践教学师资队伍建设的探讨[J].武汉职业技术学院学报，2010（4）：

38-41.

[7]曾小彬.深化实验实践教学改革 提升应用型人才培养质量[J].实验室研究与探索，2010（2）：1-3.