机械工程专业科研拓展实验教学探索与实践

朱新杰, 顾大强, 王庆九

(浙江大学 机械工程学院, 浙江 杭州　310027)



机械工程专业科研拓展实验教学探索与实践

朱新杰, 顾大强, 王庆九

(浙江大学 机械工程学院, 浙江 杭州310027)

以浙江大学机械工程学院机械工程专业实验教学为例,介绍了如何将机械学科的科研优势转化为优质教学资源,进而更新、丰富实验教学的内容和形式。通过把科研项目延伸、拓展到本科实验教学中,使科研项目中所具有的多学科交叉、多行业综合的特点融合进实验教学资源,并在此基础上建立了开放自主的个性化实验平台,取得了较好的实验教学效果。

科研延伸； 实验教学； 教学改革

在目前的机械工程实验教学体系中,综合性、设计性、探索性实验占了很大的比例,并且在持续增长[1-7]。但是该类实验面临着实验内容与设备陈旧、实验课时数不足、实验开放平台缺乏等问题,对此,不少实验教学教师和研究人员从多方面、各角度进行了相关研究,并给出了一些解决方案[8-12]。根据我校机械工程专业的具体情况,我们提出了“科研延伸、交叉综合、开放自主——机械工程实验教学新模式”,即：延伸教师科研项目的价值,将教师在科研过程中的一些心得体会与钻研过程以一定的文档形式记录下来提供给学生,帮助他们全面快速了解科研流程及方法；将已完成科研项目中的原型样机加以改造,成为教学实验设备,既丰富了实验教学内容,也避免了设备资源的浪费。教师的科研项目往往是多学科交叉综合,用于实验项目教学能极大地扩展学生的知识面。这种开放自主式且具有个性化的实验教学模式能很好地开阔学生的视野,激励学生的学习热情,激发学生的创新思维,具有广阔的应用前景。

1　科研拓展实验教学的基础和意义

我校机械学科具有很强的科研优势,机械学院教职人员承担了众多的纵向与横向科研项目。一般情况下,许多科研项目在结题后即完成了其使命,理论研究在国内外刊物上发表,与企业合作的研究项目进入生产应用,与学校基本脱离了关系。教师在研究过程中付出的精力与学校的配套投入就此终止。

延伸、拓展科研项目的价值,搭建起一条科研与实验教学的新桥梁,让更多优秀的科研项目能发挥余热,持续服务于学校,走进实验室、走近学生,鼓励有能力的教师将一些最新科研前沿内容通过实验室传授给学生,尤其是本科学生。将不同教师各自熟悉领域的最新研究成果引入实验室，不仅避免了科研资源的浪费,而且可以节省实验室费用、丰富实验器材的种类,更能促进学科发展方向的交叉与综合。实验室可起到一个交流平台的作用,展示各学科各领域教师的科研方向与动态,同时也能为学科的综合发展提供参考。

2　科研拓展实验教学的方法与步骤

2.1科研项目评估

机械工程实验教学中心组织专家对相关学科的教师完成的科研项目进行评估,选择一些具备一定条件的项目进行立项。项目要求具有可操作性、典型性、综合性,有利于提高学生工程实践能力,培养学生的创新意识,扩充学生的多学科知识面等特征。

2.2实验教案的编写

实验指导教师与项目组教师以科研项目资料为蓝本,共同编写实验指导教案,内容不仅包括该实验项目的背景、目的、原理与步骤,还包括给学生展示实验原型,即项目的研究过程与教师的研究心得。

2.3实验台架的搭建

实验指导教师在项目组教师的配合下整理项目器材,利用项目组多余的材料,或根据需要补充购置相关零部件搭建若干样机或模型机。其间应依据学校对实验器材的要求(如安全性、可靠性、防尘降噪等)对样机加以改进,使之符合机械工程实验中心要求与规范。

2.4实验教学的实施

实验指导教师在相关实验课上进行小范围试用,根据实验效果进一步改进与完善新设备,并考虑增加台套数,将该实验项目纳入中心实验教学项目,并根据具体情况为其建立开放自主的个性化实验平台。学生根据自身兴趣、特长与专业基础,组队来实验室自主选做实验。鼓励学生进行学科交叉,综合运用知识点,以团队协作的形式共同完成实验。学生的实验考核与成绩评定方式可以是递交实验报告、组织答辩与展示作品等多种形式。

3　科研拓展实验实例：卷绕成形系统的设计

3.1实验设计背景

(1) 纺织工业是浙江省的传统支柱工业之一，在各种纺织机械中既可以看到传统的机械零部件如齿轮、链条、轴承、轴系,也可以看到一些新型的工业控制单元,如PLC、变频器、触摸屏等。在诸如络筒机、织机、整经机、验布机、起毛机等各种纺织设备中,或多或少会涉及到卷绕机构。合理地规划卷绕机械系统、设计卷绕控制程序、分析卷绕效能,对提高整机性能具有重要的意义。

(2) 我校机械系专业的学生接触比较多的是纯机械方面的知识,只在本科低年级的时候有粗略的电子基础知识的学习。只有机械零部件构筑的一个系统是动不起来的,必须加入电气控制单元,因此有必要让高年级即将走向工作岗位或更高学习层次的学生熟悉一些常用的机电控制单元,了解基本控制系统的组成结构,通过学习增强学生独立思考和操作的能力,培养创新意识和创新能力,激发学生的创新潜能,为今后从事的科研生产工作打下良好基础。

(3) 本实验以专用于纱线卷绕成形的纺织设备——络筒机为原型,抽取关键机构并经改进后设计了部分实验项目。实验的设计充分考虑学生的基础,提供多种交互方式,让学生自己动手进行操作,极大地发挥其主观能动性。我们也对一些强电环节(380V交流)做出警示,并采取了一些保护措施。

(4) 实验项目的部分内容已进行过试教学,有相当数量的学生表示出了很大的兴趣,表示能学到实用的东西。

该实验的设备实物如图1所示。

图1　络筒机控制系统实验箱

3.2实验目的

(1) 了解络筒机的机械结构。

(2) 了解络筒机的导纱方式,并能通过分析计算提出控制思路。

(3) 掌握人机界面与可编程控制器的编程与调试技术。

(4) 熟悉机电系统的一般性结构并掌握典型机电产品设计要点。

3.3实验原理

在络筒过程中,通过卷绕机构把纱线以螺旋线形式有规律地卷绕在筒子表面。卷绕机构要完成的第一项任务是带动筒子作旋转运动,使筒子产生圆周速度v1,把纱线卷绕到筒子表面；第二项任务是要带动纱线沿着筒管轴线方向作往复运动,使纱线产生导纱速度v2,把纱线均匀分布到整个筒子表面[13]。筒子的旋转运动和纱线的往复运动相合成,共同实现了卷绕的过程,如图2所示。

图2　筒子的卷绕成形运动

图3　筒子的卷绕结构

图4　筒子的逐层卷绕过程

3.4实验任务

(1) 画出络筒机控制系统的机构简图。

(2) 根据机构图分析各模块运动关系,并列出计算公式。

(3) 根据控制要求,设计络筒机控制系统,以PLC为控制中心,以F920文本显示器为人机界面。

(4) 编制触摸屏画面,能实时地控制络筒机的运转,并可根据生产要求修改工艺参数。

(5) 设计PLC程序完成控制功能。

3.5实验设备介绍

实验台提供了一套以三菱F系列工控产品为核心的控制系统和一套精简版的络筒机机构,组成结构如图5所示。其中,FX1S可编程控制器为控制中心,触摸屏通过编程口与其连接以设置运行参数并实时显示状态信息,PLC的输入口连接了用于两侧限位的行程开关、用于记录横向移动量的光栅、用于检测原点的接近开关以及启动按钮、复位按钮与停止按钮等开关量,输出口连接了状态指示灯、风机开关以及用于控制两只变频器正转或反转的开关信号。可编程控制器通过RS-485通讯网络实时调整卷绕电机与导纱电机的转速,确保纱线能均匀地缠绕到纱筒上。控制箱面板及模块布局如图6所示。

图5　络筒机控制系统的组成

3.6讨论题

(1) 分析卷绕成形控制系统的设计要点。

(2) 总结纺织机械卷绕机构的特点。

4　结语

科研拓展实验教学能解决实验教学设备技术陈旧、与工业实际应用脱轨等问题。科研项目代表了当

图6　络筒机实验箱模块布局

今机械学科的发展方向和当前工业生产的实际需求,具有较多地应用新知识、新技术、新方法的特征。在本科实验教学中引入科研成果,无疑是提高实验教学质量、紧跟学科发展步伐,更新、丰富实验教学内容的一条捷径。通过二次开发,把科研成果转化为教学资源,利用科研项目的“剩余价值”为教学服务,无论从经济、社会和教学方面估量,都是很有必要的。依托于国家级机械工程实验教学示范中心,近些年,我们在新型实验教学发展模式方面进行了诸多有益的探索,开发出了一系列特色实验项目,并在我校机械工程学院本科生探究性实验教学中应用,取得了良好的效果。

References)

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[13] 朱保林.织造原理[M].北京:中国纺织出版社,2002.

Explorationandpracticeofexperimentalteachingbasedonresearchextensioninmechanicalengineeringmajors

ZhuXinjie,GuDaqiang,WangQingjiu

(CollegeofMechanicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Thispaperintroduceshowtoconvertresearchadvantagesofmechanicalengineeringintohigh-qualityteachingresources,andthenupdateandenrichthecontentandmodeofexperimentalteachingbytakingtheexperimentalteachinginthemajorofmechanicaldesignintheDepartmentofMechanicalEngineeringofZhejiangUniversityasaninstance.Researchprojectswereextendedtoexperimentalteaching,whichintegratedthemultidisciplinaryandmulti-industryfeaturesofresearchprojectsintoteachingresources.Basedonthis,anopen,independentandindividualexperimentplatformwasestablishedandgoodteachingresultswereachieved.

researchextension;experimentalteaching;teachingreform

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.050

2015- 11- 11修改日期：2015- 11- 30

朱新杰(1978-),男,浙江乐清,硕士,工程师,主要研究方向为生产管理自动化、PLC应用等.

E-mail：memdi@zju.edu.cn

G642.0

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1002-4956(2016)5- 0191- 03