机电专业实验教学体系研究
作者：admin 来源：未知 日期：2020-08-06 08:23人气：
摘要:针对机电专业知识面宽、应用广、综合性强的特点，结合学校轨道交通特色，提出了机电专业实验平台体系建设的规划方案及建设目标，建设具有轨道交通特色的实验教学平台。对实验课程体系进行优化，提出实验课程建设的系统化新方案。依托实验教学平台对实验课程进行统筹规划，注重基础型实验课程的典型性、趣味性，综合型实验的创新性，研究型实验的前沿性，实验内容的设置由浅入深、前后衔接，促进学生综合实践能力、创新能力、科研能力的培养。
关键词:机电工程;课程体系;实验教学;实验室建设
机械电子专业旨在培养学生运用机械电子工程及相关学科理论和专业知识，在机械工程及其相关领域从事开发设计、生产制造、自动化、科学研究等工作的能力［1］，是一门综合性很强的学科，涉及的知识广泛，融合了机械、电子、检测、控制、计算机等多领域知识，不但知识基础宽厚，而且应用范围宽广［2-3］。该专业要求学生通过系统的学习，掌握合理的知识结构，能够综合应用多学科知识解决实际问题或进行科学研究［4-5］。机电专业的培养过程中对实验教学有较高的要求。良好的实验教学除了提高学生的动手实践能力外，还能巩固理论知识，理论联系实际，促进学生将多学科知识融会贯通以解决实际问题。激发学生的学习兴趣，调动学习的主动性，促进学生自主学习和深入探索，启发学生的思维，培养学生的创造精神［6-7］。收获好的教学效果需要好的实验教学体系支撑，本文结合我校多年的实验教学经验，对机电专业实验教学体系进行研究和实践。
1实验平台建设
机械电子工程是我校的传统学科，结合我校的轨道交通特色，在实验平台建设上，突出机电一体化系统和先进设备的检测等特色，打造具有轨道交通特色的实验教学中心，建立层次化和个性化的机电实验教学体系［8-9］。侧重机与电的结合，要求学生在具有一定机械设计基础的前提下进行学习。具体建设规划如图1所示，将平台建设分为专业基础实验平台、综合型实验平台、高水平实验平台3个层次，以满足不同层次的实验要求，为开展不同类型的实验教学提供支持［10-12］。图1实验平台建设
1．1专业基础实验平台
该平台为专业基础知识的实践提供平台支撑，主要针对控制、检测、液压、通信等内容进行全面的训练。通过该平台的实验训练，使学生掌握现代测试技术的理论和方法，如传感器的原理及其应用，信号检测及处理，现代测试方法等;掌握基本控制工程理论，学习典型控制器的应用，能够独立进行程序控制，如PLC、单片机、嵌入式系统等的应用;掌握液压技术的原理及应用，能够进行简单的液压系统的设计和操作;掌握基本的工业通信理论，了解典型的数据采集和通信方式，如现场总线、工业以太网等。通过该平台的训练，学生可掌握机电一体化系统的相关知识，包括液压驱动、数据监测、数据通信、信号处理、自动化控制等领域的基础知识，为今后的进一步深入学习打下宽厚的知识基础。
1．2综合型实验平台
该平台是对专业基础实验平台的综合和提高，为知识的综合应用训练提供平台支撑。重在培养学生综合创新能力，能够运用多学科知识，解决问题。在平台建设中，既要考虑到机电产品的典型性，又要兼顾实验教学的创新型，具体分为6个类型的实验子平台。①机电液一体化实验平台包括一些典型的机电系统，如立体仓库实训装置、物料分拣实训装置、FMS柔性生产制造实验系统等。②机器人实验室包括机械手、工业机器人、可自由创意组装的机器人开发套件等。③机器视觉实验平台包括图像采集、处理、控制运动等实验开发平台。④过程控制实验平台包括流水过程控制、总线过程控制等实验内容。⑤数控及运动控制实验平台包括二维数控、三维数控、雕刻机、精密数控等。⑥故障诊断试验平台包括汽车故障诊断、过程控制故障诊断、机床故障诊断、轴承故障诊断等。通过该平台的训练，学生可深入掌握机电一体化技术。
1．3高水平实验平台
该平台主要体现学科的前沿性，并与我校轨道交通特色相结合。在服务于科学研究的同时，将科研与实践教学相结合，使科研反哺教学，促进教学内容的不断更新。该平台主要分为3大模块。①高速列车测试与安全监控平台通过环境感知模块来辨识自身和周围的环境信息，实现位姿感知和周围环境感知，为其行为决策提供信息支持。通过计算机完成数据采集、数据分析和智能处理、数据融合处理、数据远程传输、状态的监测和故障识别。学生可根据需要搭建微机测试与处理系统。②虚拟仿真实验平台通过仿真技术结合MＲ/AＲ/VＲ、人工智能、深度学习等开发仿真平台，主要研究数字孪生技术，如高速列车数字孪生技术、智能工厂数字孪生技术等。学生可参与到实际仿真案例的开发过程，深度了解数字技术在现代工业中的作用。③先进控制理论实验平台主要研究先进控制理论和方法，尤其是多体系统和离散系统的最优控制理论。学生可深入研究先进控制理论，进行算法学习和验证。高水平实验平台以科研项目为主导，激发学生的科研兴趣，提高科研能力，培养拔尖型、创新型人才。
2实验课程建设
实验课程的设置以人才培养为核心，依托实验平台，进行全面系统的设计，内容由浅入深前后衔接，改变以往各实验课程孤立缺少相关性和深入性的问题［13-15］。图2所示为所构建的实验课程体系。
2．1实验课程系统化
在对机电系统的知识结构进行归类分析的基础上，设计详细的课程建设体系，解决以往实验项目各自孤立不成体系，知识无法融会贯通的问题。经过系统的实践训练，使学生掌握合理的知识结构，具有良好的实践技能，能够系统地应用多学科知识。通常机电系统包括传感检测部分、控制及信息处理部分、驱动及执行部分。实验课程根据机电系统的组成，分为现代监测技术模块，机电控制技术模块，驱动及故障监测模块，机电系统现代设计方法模块，前沿性学术研究模块，几个模块相辅相成，构成完整的教学体系。使学生将课程内容融会贯通，形成系统设计的概念。
2．2课程难度阶梯化
实验课程划分为基础型、综合型、创新型、研究型4个层次。实验内容由浅入深体现阶梯式的深入，随着学习的深入，逐级完成各实验内容，实验项目的设置既要包涵典型的基础实验，也要有启发性的创新性的实验。基础型实验作为课内实验结合理论教学的内容同步进行，巩固和验证课堂教学内容，锻炼动手能力。在此基础上搭配少量稍有难度的实验项目，学生需自行查找资料、制定方案才可完成。综合型实验以独立授课的形式开展，以问题为引导，实验内容具有一定的代表性和趣味性，学生通过自主学习、小组合作的方式，独立设计、制作、调试，完成实验项目、撰写项目报告并提交项目作品。培养学生多向思维，启发设计思路。创新型实验为学生提供自由发挥创造的平台，学生可参加各种实验竞赛，可自拟题目或完成指定题目，如个性化实验、实验竞赛月、节能减排大赛、创新设计大赛等。通过小组参赛的方式，创造性地进行机电系统设计，探索解决问题的方法。研究型实验通过毕业设计和课题项目的方式开展，通过参与到科研项目中，完成课题相关内容，接触前沿知识开拓视野，培养科研能力。
2．3实验内容的延续性设计
改变当前各个专业课课内实验相互孤立前后不衔接的现象，采用项目式的设计方式，针对如图2所示的课程体系，设计几个大型综合性的实验项目，每个项目包含课程体系的多项内容。将一个大的实验项目逐级拆分为不同的子项目，每个子项目对应一个或几个子实验项目，每个子实验项目对应不同的专业课程的课内实验内容，每完成一门课，学生便完成大项目中的一块内容，上学期的实验内容可作为下学期实验项目的子项目，学生可在之前的基础上，结合新学的知识，继续深入学习，使各个实验内容不再孤立，而是随着课程的不断学习，知识逐渐形成体系，当学生不断进行专业课的学习时，项目的进度也随之不断进行，直到完成所有专业课，进而完成整个实验项目。通过这种方法，使实验内容前后关联，逐级深入，既能够达到实验训练的效果，也能将知识体系融会贯通。
2．4科研教学互助
将科研和实践教学相结合，促进教学内容不断更新，满足教学内容的应用性、新颖性和前沿性的要求。由于信息技术的快速发展，技术日新月异，检测及控制等设备更新换代非常快，教学设备的购置会相对滞后，无法实现及时更新教学设备，且成本高昂。如能够将科研与教学结合，学生便能接触到新型的设备和新技术的应用。学生也可在参与的过程中找到感兴趣的研究方向，为今后的硕士阶段学习甚至博士阶段学习奠定基础。同时，鼓励师生自主研发实验设备，将一些科研成果转化为实验教学项目，设计完整的实验流程，让学生参与其中，从文献查阅、方案制定、可行性分析、设计、仿真、实验开发、调试、总结全面参与。
3结语
在原有实验室的基础上进行了系统的实验平台建设，为实验教学的顺利开展提供了有利的支撑条件。实验课程体系的改革，使课程设置更加合理，更新了实验内容，实验项目更加丰富、新颖、前沿，同时前后关联，实现系统化的训练，综合项目和创新项目明显增多，大大地提高了学生的创新能力。机电技术发展日新月异，实验教学也需要不断地完善和改革，才能适应人才培养的要求，这是个与日俱进的过程，仍需要不断探索和改进。
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