引导学生改造实验室设备和开发实验项目的实践

秦春节， 谢林君， 郑劲松

(浙江工业大学 a.之江学院，浙江杭州 310024;b.机械工程学院，浙江 杭州 310014)

0 引言

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》明确指出［1］:“支持学生参与科学研究，强化实践教学环节。”自制或改进实验设备是高校实验室建设和改革的重要内容之一［2-4］，也是机械工程省级实验教学示范中心建设内容之一。引导学生积极参与实验室改造和实验设备开发，从而达到培养学生综合实践与创新能力和丰富实验教学内容的目的。

1 学生参与实验室改造的任务

1.1 参与实验室改造项目的选定原则

学生参与实验室改造项目要具有综合性和可操作性，有利于培养和提升学生工程实践能力。

(1)实验室需要的设备和实验教学项目。在目前实验教学中发现仪器设备存在的缺陷和不足，并针对实验教学中急需的项目对仪器设备进行改进或研制，当学生和指导教师看到自己的研发成果明显改善实验教学效果时，必定会激起师生教与学的热情，形成实验教与学的良性循环［5-6］。

(2)注重学生能力的可行性。指导教师必须了解学生的理论知识基础与实践能力基础［7］，所选项目必须符合学生的实际情况，是学生经过努力可以完成的，既不会挫伤学生的积极性，又保证自制设备的研制顺利进行。

(3)具有一定的创新性。具有自制设备功能、设计方案创新等，以达到培养学生创新能力的目的［8-10］。

1.2 研发背景

“现代生产与物流实验室”始建于2003年。2007年进行扩建与改造。现拥有物流成套设备1套，包括自动货柜系统，自动物流作业系统及机器人搬运系统等，采用2套西门子控制器来完成整个系统的控制，1台PC机完成系统的操作及监控，1台POS机完成终端服务。“现代生产与物流实验室”为学院的工业工程专业和其他相关专业提供了较好的实验环境，作用明显。但随着市场对人才的要求变化，其功能的单一性就凸现出来，“现代生产与物流实验室”没能充分发挥其应有的作用，主要原因有:

(1)实验室侧重于工业工程专业，实验项目开出率低，设备利用率低，优势实验资源不能充分发挥其在人才培养中的作用;

(2)实验类型和方式较单一，实验类型多以验证性和演示型实验为主，缺乏综合性、创新性实验，不利于学生综合实践能力和创新能力的培养［11-12］;

(3)现代生产与物流系统上缺少自动分拣系统，功能不完整。

1.3 “现代生产与物流实验室”的改造目标

针对这些问题，结合机械工程实验教学示范中心建设要求，在原有系统基础上，对“现代生产与物流实验室”进行改造和开发:①增加自动分拣系统，充实与丰富物流系统，② 开发综合性、设计性实验项目，③把“现代生产与物流实验室”作为示范中心的一个开放性的综合实验平台，各类相关专业学生可以利用该平台进行实践和实训，从而强化学生分析问题和解决实际工程问题的能力。

1.4 改造步骤

①指导教师提出任务，提供要改造的设备及相关资料和实验场地;② 学生熟悉任务、熟练掌握现代生产与物流实验室设备运行情况及相关参数;③学生查阅文献资料、指导教师参与研讨，拟订初步实施方案和计划，指导教师审核，专家组对方案进行论证;④ 确定实施方案，制定具体实施计划并研制;⑤ 设备调试、成果验证、答辩;⑥ 设备验收并形成固定资产。在学生自制设备的整个实践过程中完全遵循以学生为主体、教师为主导的原则，使学生从构思、设计、制造、安装、调试、使用各个环节经历一个完整产品的开发过程，使学生对理论知识有了更深刻的理解，实践和理论知识紧密结合，掌握科学研究和解决实际工程问题的一般方法［13-14］。

1.5 实施方案

(1)总体设计方案。“现代生产与物流实验室改造与开发”主要研究的内容是如何在现有的现代生产与物流系统上增加自动分拣模块，来实现生产与物流的自动分拣，总体设计框架如图1。

图1 总体设计框架图

(2)详细设计方案。该项目所要解决的关键性技术包括两个部分:机械部分的设计和控制系统的设计。首先要对机械结构及其传动部件进行设计，通过对现有的流水线的结构尺寸进行测量来确定机械部分的总体结构，然后对机械传动方案及部件进行设计与选择，最后进行详细设计。控制系统设计包括电气原理图设计和各个模块之间的接线图设计以及控制程序的编写。最后，把条形码扫描模块、位置控制模块和机械部件系统地结合起来，形成一个完整的自动分拣装置，通过可编程逻辑控制器的控制，来实现生产与物流的自动分拣。机械部分实物见图2，控制系统实物见图3。

图2 机械部分实物图

图3 控制系统实物图

2 学生参与实验室改造的成果

2.1 学生开发的实验项目

学生自制设备项目“现代生产与物流实验室改造与开发”可以提供机械制造及其自动化、工业工程等相关专业一个具有真实生产环境的开放的综合实践平台，在本项目建设过程中，开发出了综合性、设计性实验项目5个，累计实践教学课时为34课时，见表1。充分发挥了该实验室的优势作用，改善了学生实验条件，运行情况良好。

表1 开发实验项目表

2.2 学生在项目中的实践情况

“现代生产与物流实验室改造与开发”项目以工程项目的要求开展各项工作，由4位四年级学生组成的一个小团队负责，各成员分工合作，定期研讨，历时3个月完成了项目的设计、制作和调试，并完成了后续实验项目的操作说明书和指导书的撰写。

项目期间，在指导教师的引导下，学生从查阅文献资料入手，向专家或专业技术人员咨询等，讨论和确定项目的方案，在此基础上，学生完成了设计工作。项目涉及的零部件都是由学生自行采购、加工、制作与安装。程序也是由学生编写和调试完成。在实践过程中，学生遇到过很多难题，如步进电机的控制，PLC与条形码的通讯，PLC与读码器的通讯等，都经过理论学习和提高、反复实践，最后顺利完成任务。完成本项目的学生深切体会:参与这样的项目要求他们具有较广的知识面、很强的实践动手能力和吃苦耐劳的精神。

3 结语

引导学生参与实验室改革和实验项目的开发，不仅改善了实验设备的性能，增添了实验项目，扩大了受益面，更重要的是通过鼓励学生自制设备建设模式的探索，充分调动了学生的学习积极性，增强了学生的自信心，培养了学生的科研方法、创新意识、团队合作精神，为学生将来走向社会打下了坚实的基础。

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