新工科背景下的机械类创新设计性实验项目群设置与实施

王亚良， 潘柏松， 董晨晨， 屠立群， 金寿松

(浙江工业大学 机械工程学院， 杭州 310023)

0 引 言

“新工科”概念自2016 年提出以来，短期内形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”[1]。新工科内涵与特征表示为：新理念—应对变化，塑造未来；新要求—培养多元化、创新型卓越工程人才；新途径—继承与创新，交叉与融合，协调与共享。“新工科”的目的是为了培养能够适应、甚至引领未来工程需求的人才[2]。

目前，高等学校工程教育培养目标和企业实际需求存在差距，企业对工程教学产品即学生的要求不断增加，企业希望学生能快速适应企业实际需求，使得学生企业适应期变短[3]。如何做好机械类专业的实践实验教学，培养具备扎实专业技能和较好综合素养的毕业生，且具有大工程思维和良好团队协作精神，是目前工科高校迫切需要解决的问题。“新工科”的提出为上述困境提供了一种可行解[4]：通过新工科项目的组织和实施能够促进高校教师在教书育人的同时重视和投入教育教学研究，能够深入扎实地推动新工科建设并取得实质性成效，能够扩大我国工程教育的国际影响力，能够推动高校将人才培养作为高校发展的第一要务，能够引领我国高等教育的改革，能够促进我国高等教育质量的根本性提升[5]。

机械类专业具有很强的工程应用背景，如何培养学生实践创新素养和具备解决工程复杂问题的能力是工科院校尤其是机械类专业面对的突出问题[3-4]。高校承担着培养各类高素质创新人才的职责，实验教学是提高学生动手能力和培养创新素养的关键。科学合理的实验(实践)教学体系能有效促进理论知识的巩固和提高，进而提升分析和解决工程实践问题的能力[6-7]。适应新工科教学理念，建立新工科背景下的机械类创新性实验项目设置并实施，为学生适应企业需求及创新创业奠定良好基础[8]。

1 机械类创新设计性实验项目群依托平台

任何教育实践都必须对教育的对象负责，机械类专业的教学同样必须对专业学生负责，提升其理想抱负、专业理论知识和实践创新能力，以满足新时代国家和社会发展的需要。新工科不仅仅服务于现有产业，更要引领未来产业转型升级和创新发展，为引领新的产业甚至行业的诞生提供支撑。新工科的人才培养需要立足于奠定相关领域多职业的共同基础，培养学生能够适应未来的可迁移性能力、快速学习的能力以及适应变化的能力[9]。

实验项目的设计及实施有赖于实验硬件平台的支持，我校机械类创新设计性实验项目依托的主要硬件平台由机械类国家级虚拟仿真实验教学中心和2个省级实验教学示范中心、机械工程CDIO实践平台、科研平台等组成，如图1所示。

通过机械工程训练中心实践，培养学生了解和掌握车、铣、刨、磨、数控加工及增材制造等基本原理、具备基本传统和现代操作技能；通过机械工程实验中心的机械类核心课程实验项目实施，达到在实验和实践中检验所学理论知识，培养分析和解决工程实践问题的能力和素养；机械工程CDIO实践平台由产品概念设计实践平台、基于CDIO的实验项目(群)及主题设计与制造实践平台等组成，使学生掌握机械产品全生命全周期，促进团队协作和大工程思维的培养；机械类虚拟仿真实验教学中心主要针对“难实易虚”的实验项目展开。

图1 实验项目依托平台

在面向新工科的机械类创新人才培养过程中，实践教学不能仅仅局限于对知识点的训练，更要注重知识线、面的训练，即实验项目群在日常教学中的必要性。实验项目群就是融合了数个相关联的实验项目，把孤立的实验项目整合成有一定知识体系的、能解决较复杂的生产实际问题的项目群。在实施过程中，要牢牢抓住项目群的本质，严格按照项目管理的基本理论和思想来开展实验项目群的实施[9]。开设创新设计性实验项目群对于培养学生的主动思考与探索能力，提高了学生利用知识(包括所学和自学得到的)解决实际问题的能力[10-11]。

2 新工科背景下的机械类创新设计性实验项目群理念及目标

学生头脑不是用来承载知识的容器，是一把需要被点燃的火把；而创新设计性实验项目群以期成为火把的重要火种；学生在学习中创新，在创新中发展。上述思维是新工科背景下的机械类专业学习特别是实验项目设计及实施中考虑的重要因素。机械类创新设计性典型实验项目群主要面向机械类专业学生，通过创新设计性实验项目群的实践和训练，使学生掌握的碎片化知识，通过节点关联起来，达到解决复杂工程问题的能力。主要通过学生实验过程的纵横向两个维度予以解决；即纵向采用产品流程方式(CDIO模式)，横向依托专业核心课程的创新设计性实验项目群衔接[12-13]。机械类创新设计性典型实验项目群设计理念突出OBE(Outcomes-based Education)导向、CDIO工程教育模式、虚拟仿真、专业知识融合与关联、项目管理、知识获取多元化等理念思路，如图2所示[14-15]。

图2 机械类创新设计性实验项目群理念及目标

2.1 新工科创新理念下的实验教学改革

“新工科”人才的特点就是学科交叉与综合，要主动服务国家创新驱动发展战略，高校要构建新工科人才的“创意—创新—创业”教育体系，把创新创业教育融入人才培养全过程，着力培养学生的创新创业素养[16]；真正体现新理念、新要求、新途径、新结构和新素养的要求。

新工科建设在实验教学中的应用特别是创新设计性实验项目群的实施过程中，要处理好如下问题：改变传统的实验教学思想观念，更新现有实验教学体系、内涵和形式，构建符合新工科需求、培养学生创新能力的实验教学体系；培养学生自主性学习的兴趣，做中学、学中做，边学边做，真题真做；真正把教学放在首位，从制度和激励两方面入手，提高教师投入实验教学的意愿；做到对学生、教师、学校和社会四维度负责。真正做到立德树人，坚持以教师为主体、以学生为中心，把学生培养作为立校之本。

2.2 OBE导向的机械类创新设计性实验项目

OBE是以预期学习产出为中心来组织、实施和评价教育的结构模式。在OBE教育系统中，教师应对学生毕业时要达到的能力和水平有很清楚的描述，通过寻求设计合适的教育结构(教学计划和教学大纲)来保障学生实现这些预期目标。学生产出而非其他成为驱动教育系统运作的动力[17]。以解决工程复杂问题为牵引，以培养创新能力为目标。紧紧围绕专业核心课程，结合浙江省产业特征、开设与某个课程或课程群相衔接的实验项目；强化新工科教学理念，以OBE教育模式为导向，以提升实验教学质量为重点，以创新实验教学方法为基础，以有效整合实验教学资源为依托，探索创新人才培养需要的实验教学体系和实验项目群，提升实验内涵，进而提升机械类专业学生实践创新能力和团队协作素养。以工程素质、创新意识和实践能力的培养为核心，坚持个性化、自主性和开放性的实验教学理念。

2.3 机械类专业的CDIO工程教育模式

CDIO工程教育模式从产品生产流程出发，有利于机械类学生掌握机械产品和系统生命周期4个阶段的工程实践与创新能力。提升学生的大工程观思维和意识，提升学生的人文素养和团队协作能力，进一步培养学生发现问题、解决问题和探求工程问题本质的能力和方法，为学生实践能力培养和创新创业创造良好的条件。对于有效解决目前实验教学中存在的困境即缺乏基于真实工程环境下的以项目式的实验教学方法未能有效开展具有重要现实意义。

有效推进CDIO工程教学模式关键要做到：① 以构思、设计、实施及运作全过程为载体来培养学生的工程能力，即CDIO理念在实验教学中的应用；② 突出实验内容的系统性和专业性，不仅仅局限于对知识点的训练，更要注重知识线、面的训练。

2.4 虚拟仿真技术助工程项目创新设计

真实实验室无法为学生完整地展示复杂机械产品、机械集成系统的结构和运行，也无法在真实实验室让学生全面地参与机械产品与系统设计、制造、生产组织等全过程，所以须开展虚拟仿真实验来弥补真实实验环境的不足，以实为主、虚实结合，共同构建虚实协同的实验教学体系。

随着计算机和网络技术的发展，虚拟仿真技术逐渐成为理论研究、工程研究和实验研究的重要手段。在机械行业中，工程师通过虚拟仿真可大幅度提高产品创新设计和结构及参数优化的效率和水平，减少物理样机试验次数，降低产品开发成本，缩短产品开发周期，准确验证加工制造流程的正确性，并提供验证理论模型的可行手段。具有科学计算可视化的特征，使理论与实际密切结合、由经验向科学建模转化，参数优化效率提高，实际消耗大幅度减小。

将“虚拟仿真”平台引入学生创新活动，推进了学生创新活动由“发散思维+简易制作”简单模式向“发散思维+数学建模+科学计算+工程设计+参数优化”的高级模式转化，以“虚拟仿真”验证创新思路的正确，通过工程设计和参数优化，提升了学生创新活动的学术性、理论性以及利用仿真软件开展工程设计的专业能力。

虚拟仿真实验项目是真实实验项目的必要补充和完善。在虚拟仿真实验的基础上，尽可能地让学生接触实际，“能实不虚”。学生可以利用虚拟仿真实验平台和校内互联网络，随时随地完成虚拟仿真实验；可利用大学生科技竞赛等创新活动，扩大和国内外学生的交流；可自主开展多学科交叉、产学研结合的实践活动，使虚拟仿真教学贯穿整个实验培养环节。

2.5 机械类专业知识的融合与关联

目前存在只重视知识点训练和传授，缺乏知识点系统融合与关联，是导致学生创新意识和创新能力不足的重要原因之一。解决工程复杂问题需要学生掌握较为扎实的基础理论知识，能综合应用并关联各知识点。应该说，知识点的融合与关联是解决工程实际问题的必经之路。在教学特别是实验教学中，积极引导学生善于关联知识节点，突破学科与专业的限制，不要片面强调知识点的重要性和复杂性。培养具有现代视野的机械工程师需要具备大工程观和复杂问题视野，注重工程问题的关联。建立和掌握知识点的融合与关联比孤立的无限学习更重要，即别让知识淹没智慧。

2.6 融合项目管理知识体系

根据创新实验项目(群)的要求，建立学生实验项目实施团队，并建立责任分配矩阵[13]。将实验项目(群)的任务进行合理分解，分解后的工作任务落实到人。参与该项目(群)的团队之一的责任分配矩阵如表1所示。P(President)表示主要负责人，S(Service)表示次要负责人。

表1 责任分配矩阵示例

除上述明确实验项目团队的职责外，按照项目进度管理技术对实验项目(群)进行管理和控制；每个项目要严格按照项目管理的知识体系来实施，做好每个实验项目(群)的进度、成本、人力资源等安排。提交的报告要求包括：① 严格按照项目管理知识体系来阐述实验项目(群)的进度、成本、人力资源等安排；② 提供最后的结果，并对其进行分析。

2.7 多元化获取知识，培养自主式学习模式

网络时代促进了教学方式方法的改变，同时也使得学生获取知识变得更加多元。以网络技术为依托的高等教育方式必将导致教学环境的迁移和教学模式的变革。“同时同地”的传统课堂模式无法兼顾各层次能力水平的学生，个性化培养难以实现；大规模在线开放课程(MOOC)以其丰富的共享教学资源、学习进度和深度选择的自主性，解决了学生个性化学习需求难题，使其具有较强的生命力和较大的发展空间[18]，必将推动学生自主学习能力的提升。当前，知识的不断增长进化，获得所需知识的途径比学习者当前掌握的知识更重要。由于知识获取的多样化，导致师生信息不对称性削弱，对教师的知识结构和教学方法提出了更高的要求。

3 机械类创新设计性实验项目群设置

3.1 机械类创新设计性典型实验项目群设置方案

拟开设的实验项目群突出产学研结合、学生主动实践两个特点，提供更多的独立思考和个性发展的空间，有利于培养学生具备良好的大工程观的工程基本素养、工程项目的构思、设计、制造和实施能力以及团队协作能力。通过典型实验项目群的建设，以期推动机械类实验教学体系及教学内容改革。

机械类创新设计性典型实验群面向机械工程学院全部专业，与工程图学、材料力学、机械原理、机械设计、微机原理及应用、先进制造技术、自动控制理论、数控技术、机电系统及生产过程自动化、产品形体建模与创新设计、快速成型技术及应用、机器人技术等机械类专业核心课程相衔接；开设机构创新方案设计、复杂产品创新设计、逆向设计及3D打印、机械手本体设计及多轴运动控制、面向产品的生产线设计与仿真、立体仓库及其出入库输送系统建模与仿真、超大型正铲液压挖掘机工作装置设计与虚拟仿真、电梯群综合控制虚拟仿真等创新设计性实验项目，如图3所示。

图3 机械类核心课程及创新设计性典型实验项目群

3.2 建立创新设计性实验项目群的运行机制

机械类创新设计实验项目群以学生为中心，具有较强的学生自主实践性，导致实验时间的不可控性和实验结果不唯一性。这就要求其相应的实验教学方式和实验运行机制予以变更，为学生提供更多的独立思考和个性发展的空间，须对该类实验项目教学指导的运行机制进行探索与实践。

以提升实验室开放服务质量为中心，不断优化运行机制。以新工科背景下的学生工程创新能力培养为目标，面向机械工程领域问题，积极探索以创新设计性实验项目(群)为主线的实验教学模式，注重培养学生解决工程实际问题的能力和创新精神；激发学生在项目实施过程中的主体性、自主性和主观能动性，引入项目管理的基本知识对其进行管理和考核；不断探索和改进实验教学的形式与方法，建立实验室开放的柔性运行机制和模式，全方面构建学生创新能力培养体系和运行机制。

4 机械类创新设计性实验项目群的实践案例

以机器人本体设计及多轴控制实验项目为例，阐述机械类创新设计性实验项目群的内容设置及组织方式。

4.1 实验内容及要求

实验项目主要包括机器人概述、典型机器人的示教编程、运动学及动力学、运动控制系统总体方案分析与设计、多轴运动控制卡选型、运动控制，以及机器人样机制作与调试等内容(见图4)。根据给定设计参数，团队自主设计、制造、装配和调试完成机器人样机，并能完成一定的动作轨迹，初步实现机器换人的功能。

图4 实验内容

以期达到如下目的：学生对机器人有较深的认知和理解。对6自由度Motoman机器人熟练操作和示教编程。掌握机器人运动学及动力学的基本概念及理论，并能应用软件对机械本体结构进行受力分析和优化。多轴运动控制器(卡)的选型、编程和调试等，实现对机械本体的精确控制。结合工程实例，对一些简单重复动作实现机械自动化，用机器人予以替换，达到机器换人的效果。

4.2 相关知识点

机器人系统的基本构成、技术参数及结构类型概念如图5所示。

图5 机器人构成、类型及主要技术参数等

控制系统硬件一般由运动控制卡(器)、具有PCI(Peripheral Component Interconnect)接口的主机、伺服电动机或步进电动机、驱动器、驱动器电源、+24V直流电源、原点开关、限位开关等部件组成。控制系统硬件具体实现结构框图如图6所示。

图6 硬件实现结构框图

运动控制卡可以实现数个伺服/步进电动机的协同控制，包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能。比较常见的有科尔摩根、研华、固高、PMark和Border等品牌。

实验项目选用固高科技公司生产的GTS-400-PV(G)-PCI和GTS-800-PV(G)-PCI系列运动控制卡(见图7)，其核心由DSP(Digital Signal Processor)和FPGA(Field-Programmable Gate Array)组成，可以实现高性能的控制计算。

控制器与步进伺服系统典型接线。以固高GTS-800-PV(G)-PCI系列运动控制卡为例，阐述了与步进电动机(编码器)及伺服电动机(驱动器)系统的接线如图8、9所示。

图7 GTS-800-PV(G)-PCI系列运动控制卡

图8 运动控制卡与步进系统驱动器(欧姆龙编码器)连接图

4.3 实验任务和要求

设计多自由度机械手，具体参数要求：自由度5～6个(可采用伺服电动机和步进电动机混合搭配模式)；定位精度±2mm；重复定位精度±1mm；工作载荷0.5kg。其中机械手部分自主设计制造，控制部分采用现有硬件(基于PCI插槽的运动控制板卡和工控机，人机界面操作使用显示器、键盘、鼠标代替)和软件平台(基于高级语言开发，如VC、C#、VB、LabVIEW、DELPHI等语言)，实现机器人示教再现、运动控制、零位处理等功能。

5 结 语

机械类创新设计性实验项目群坚持新工科创新理念教学改革，以OBE为导向，以解决工程复杂问题为牵引，以培养创新能力为目标；结合浙江省产业特征，紧紧围绕专业核心课程开设与某个课程或课程群相衔接的实验项目(群)，突出学生实践能力培养，以项目式工程教育模式为手段，融合虚拟仿真技术，强化知识点的关联，辅以项目管理知识的有效利用和知识获取多元化环境下的学生自主式学习模式尝试。最终达到以整合实验教学资源为基础，以提升实验教学质量为核心，以创新实验教学模式为重点，探索创新人才培养需要的实验教学体系和典型实验项目群，虚实结合、提升实验内涵，进而提升机械类专业学生实践创新能力和团队协作素养。学生通过创新设计性典型实验项目群的实践和训练，能初步满足创新型人才培养的需要。

图9 运动控制卡与台达(ASDA系列)交流伺服系统连接图

面向新工科的机械类创新设计性典型实验项目群初步推行的成效较为显著，提升了学生学习兴趣、提高了解决复杂工程问题和创新思维能力，达到知识、能力、素养三者的有机结合和融合，适应了工科高校创新性人才培养的需求。