一种综合创新型实验平台的研发及在教学实践中的应用

    廖楚璠　邱诗敏　张娟

    

    

    

    摘? 要 一个国家的自主创新能力是其所有竞争力的核心，是建设创新型国家的重中之重，而具有工程实践能力和创新精神高级人才的培养，对创新型国家的建设更起到举足轻重的作用[1]。通过教学实践检验，设计的综合创新型实验平台重点凸显了实验项目的个性化，体现了跨学科专业融合特点，在大学生实践教学中发挥了积极的作用。

    关键词 工程实践能力;实践教学;综合创新型实验平台;实验设备;STM32单片机

    中图分类号：G642? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）04-0028-05

    Design and Development of New Comprehensive Experimental Platform on Practical Teaching//LIAO Chufan， QIU Shimin， ZHANG Juan

    Abstract A countrys independent innovation capability is the core?of all its competitiveness， and it is the top priority of building an inno-vative country. Moreover， the cultivation of high-level specialized talents with engineering practice ability and innovation spirit plays an important role in the construction of an innovative country. Through the test of teaching practice， the comprehensive innovation experiment platform designed in this paper highlights the individua-tion of experimental items， embodies the characteristics of interdis-ciplinary integration， and plays a positive role in the practical tea-ching of college students.

    Key words engineering practice ability; practical teaching; compre-hensive innovation experiment platform; experimental equipment; STM32 single chip microcomputer

    1 引言

    创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家持续发展的不竭动力。当今，无论是经济发展还是教育强国，都离不开科技创新，离不开与社会发展息息相关的机械制造业。党的十八大明确提出：“科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑，必须摆在国家发展全局的核心位置。”《国家创新驱动发展战略纲要》一文中明确提到，要引导大学加强基础研究和追求学术卓越，组建跨学科、综合交叉的科研团队，形成一批优势学科集群和高水平科技创新基地，建立创新能力评估基础上的绩效拨款制度，系统提升人才培养、学科建设、科技研发三位一体创新水平[2]。实践教学作为支持人才培养目标达成的教学环节之一，其教学设计、教学方法、教学模式及最终的教学效果等直接支撑专业认证产出导向理念的贯彻和落实[3]。

    高等学校是建设创新型国家的人力资源库和创新成果积聚地[4]。随着高等教育的快速发展，社会对大学生实践动手能力的要求越来越高，而现今高校理工类专业的学习与实操结合紧密。同时，实验教学在理工科专业特别是机械类专业的教育过程中具有其他教学环节不可替代的功能和作用[5]。实验和理论结合，既能够加深学生对基本原理的认识，又能培养理论联系实际的能力[6]。但只有部分基础课程设立了实验环节，学生只能通过科研项目和学科竞赛来满足综合实践性较强的实验需求。总体来说，实践教学存在以下不足。

    1）实践教学资源不足。

    2）实践项目挑战性不强，在实践教学过程中按部就班地撰写实验报告、记录实验数据、总结实验现象，限制了学生的创造力和个性化发展，也限制了创新能力的培养。

    3）实践教学改革中所需费用不足，因此，学校实验设备更新换代的速度达不到国家对产品质量和精度的要求，实验仪器的管理和维护也不够及时。如齿轮传动实验，频繁地使用实验仪器会导致其老化破损，不及时修复则会影响实验的精度和结果，甚至无法进行实验。

    4）实验教学仪器老旧单一，大型实验设备台数少、占地面积大、所需费用多，同时可搭载实验系统数目少、实验步骤烦琐。

    5）实践教学中综合性、创新性的实践项目较少等。

    在无法满足实验需求的情况下，学生无法将理论知识和实践动手能力融会贯通，对实验教学的热情消退，团队合作能力较差，工程实践能力减弱，无法自主动手创新。

    本文针对以上问题，设计一款综合创新型实验平台，不仅可以弥补高校实验设备资源的不足，节省增添和维护设备的费用，同时增加综合性、创新性实验项目数量，更新单一老旧的实验平台，提高学生对实验的兴趣，激发学生的实验热情，改善实验教学条件，提高实验实践教学效率，培养学生综合创新设计思维。此外，该实验平台可以给学生提供自主设计实验项目的机会，加强实验的挑战性，凸显实验项目的个性化，體现实验项目跨学科专业融合特点。

    2 综合创新型实验平台的设计方案

    综合创新型实验平台设计要求? 该综合创新型实验平台与其他实验平台的结构、功能、操作性、数据获取等的对比如表1所示。综合创新型实验平台设计要求如下：

    1）通过设计集机械、液压、气动实验等多种类型实验为一体的综合创新型实验平台，减少多台仪器的重复使用，为学生提供进行拓展实验的平台，引导学生进行开放性动手实验;

    2）实验元器件能够在实验平台坐标系内任意位置搭载，配合装配定位实现安装位置的多角度固定，同时可自主设计元器件的搭载模式，提升安装元器件的可操作性;

    3）实验平台提供多种类型的器械连接件，保证实验中元器件的定位与安装;

    4）实验平台提供多种实验传感器，与STM32单片机相配合来完成实验数据的采集、传输和显示;

    5）实验平台具有独立供电系统。

    綜合创新型实验平台介绍

    1）机械模块功能介绍。本文综合创新型实验平台如图1所示，其基本结构由支撑台和多种型材组成。四个支撑杆相互平行地设置在支撑台的支撑平面上，支撑杆的长度方向垂直于支撑平面。支撑杆上设置有凸起，支撑台上设置有两个长度方向相互平行的燕尾型移动槽，沿移动槽的长度方向的凸起可在移动槽内滑动;用L型角件将支撑台与支撑杆螺纹连接，即可实现支撑杆与支撑台的可拆卸连接功能。每两个相邻的支撑杆之间可以设置多个移动杆，移动杆与支撑杆可拆卸连接，移动杆的滑动方向平行于支撑杆的长度方向，移动杆的长度方向垂直于支撑杆的长度方向，多个移动杆在支撑平面上的投影构成框形结构。平行的两个移动杆之间可按实验需求设置数量不一的安装杆，安装杆的滑动方向平行移动杆的长度方向，移动杆与安装杆可拆卸连接。通过沿支撑杆和移动杆的长度方向上设置刻度，实现移动杆、安装杆的精准定位功能。

    为满足不同系统的实验需求，特别设计六面体异形导轨杆作为安装杆（截面为六边形，如图2所示），杆面上设置有多个相互平行的滑槽，滑槽的长度方向平行于安装杆的长度方向，每个滑槽内至少可设置一个连接滑块，连接滑块与安装杆可拆卸连接，连接滑块上设置有器械连接件。连接滑块包括连接主体与连接主体上设置的滚轮（图3），滚轮滚动设置在滑槽内，器械连接件设置在连接主体上。灵活安装支撑杆、移动杆、安装杆与连接滑块，可实现实验元器件在三维坐标系内任意位置的搭载，有效节省实验所需空间。

    支撑平面上设置有多个相互平行的器械连接槽，用于安装体积大、质量大的元器件。此外，该综合创新型实验平台还包括控制台、配电箱等组成部件。控制台设置在支撑台上，由控制屏、控制器与控制按钮组成;配电箱设置在支撑台内，用于给实验平台供电。

    2）电控模块功能介绍。采用STM32单片机和霍尔、压力、气压、流量等传感器的连接来实现数据的采集，使实验数据及时显示，便于采集。采集方案如表2所示。在搭载完实验所需硬件框架后，通过在合适部位上安装数据采集传感器如霍尔传感器、压力传感器、气压传感器、流量传感器等进行数据的采集。外部电源经过电源适配器转化为5 V，再经LM1117-3V3转换成3.3 V为STM32单片机供电，而5 V

    则用于给传感器供电。将传感器与STM32单片机相应的引脚进行连接，从而将实验数据传输给单片机，同时在STM32单片机的核心芯片中挂载ADC外设，在单片机内部嵌入三个相互独立的12位ADC，从而实现模拟量和数字量的转化[8-9]。

    该功能主要通过与主控制器相连接的STM32单片机开发板以及测量相应数据量的传感器模块实现，从而达到实验平台的数据采集、传输、显示功能，原理如图4所示。

    3 综合创新型实验平台的使用方法

    现以二级减速器实验的使用方法为例，介绍实验平台的使用方法。

    实验要求? 根据实验原理图及实验平台所提供的实验元器件，搭建实验系统，完成二级减速器实验，并使用霍尔传感器检测其输出轴的转速。

    实验原理图? 实验原理图如图5所示。

    二级减速器系统的安装步骤

    第一步：准备实验器材。

    1）高速级齿轮：Z1=32，Z2=116，m=2.5，i1=3.6。

    2）低速级齿轮：Z1=32，Z2=86，m=4，i2=2.67。

    3）大带轮、小带轮。

    4）输入轴、中速轴、输出轴。

    5）电动机、霍尔传感器。

    第二步：实验器材的定位和安装。

    1）固定支撑杆及确定安装杆、移动杆的位置。如图6所示，将螺钉反向滑入实验平台的固定滑槽内，用角件将四个支撑杆相互平行地固定在支撑台的支撑平面上，按实验需求搭建不同高度、不同数量的移动杆及安装杆。沿杆的长度方向上设置有刻度，安装时可由刻度读出元器件的相对位置，进一步实现移动杆、安装杆的定位功能。

    2）安装电动机。顺着实验平台底座凹槽滑入数个螺钉，将电动机底座螺纹孔与导轨上螺钉对齐，扭紧螺母固定其位置。当电动机螺纹孔对应不上时，可采用压块将其压住，再用螺钉将压块固定于平台底座凹槽，从而固定电机。

    3）安装小带轮。电机固定后，将小带轮安装至电机的输出轴上，通过轴上的键槽将小带轮固定。

    4）安装输入轴及高速级小齿轮。往安装杆上搭载连接滑块，移动滑块至合适位置后扭紧其侧面的螺纹杆，将其锁紧固定。再向连接滑块上安装器械连接件，通过将连接件上的螺纹孔与连接滑块上的螺纹孔对齐，扭紧螺钉，从而将其固定。最后将高速级小齿轮安装在轴上，通过键槽固定;再将轴安装在器械连接件上，旋紧器械连接件侧面的螺丝，加固轴与其的配合，如图7所示。

    5）安装大带轮。将大带轮安装至输入轴上，通过键槽固定。调整大带轮及小带轮之间的距离，用皮带将其连接。

    6）安装其他轴及齿轮。根据齿轮传动中两对齿轮的啮合关系，调整安装杆的位置，用压紧螺钉将其预固定，与步骤四安装轴和齿轮的方式相同，保证齿轮间的啮合关系，如图8、图9所示。如若不需调整，则拧紧安装的压紧螺钉;若需要调整，则根据移动杆上的刻度，微调安装杆的位置，从而保证传动的稳定性。

    第三步：检测原件的安装。在输出轴上运用联轴器将霍尔传感器与输出轴连接，随后将霍尔传感器相应引脚与STM32单片机对应的引脚连接，单片机与显示屏相连，则输出轴的转速可在显示屏上获取。

    4 综合创新型实验平台的优点

    与现有的实验平台相比，该综合新型实验平台有下面一些优点。

    1）该实验平台可全方位搭载多种类型的实验元器件，从而组成不同的实验系统，集机械、气压、液压实验于一体，不仅减少不同实验仪器的使用，减轻高校对实验仪器管理和维修的负担，而且三种实验系统的结合提高了实践教學中的综合性和创新性。

    2）合理运用本实验平台最大的创新点——安装杆，不仅满足了对实验元器件安装的基本要求，而且大大缩减了实验所需的安装空间。安装杆的多面安装与移动杆z轴自由移动的功能相结合，满足了实验元器件在该实验平台内x、y、z轴三向的自由搭载，实现实验元件安装的多维化、实验系统的多级化。

    3）该实验平台提供不同类型的器械连接件，既可固定不易安装的元器件，又可安装在连接滑块上。电动机、泵、缸等较重元器件均配有器械连接件固定，而器械连接件与连接滑块的结合，使该实验平台元器件的安装更具有灵活性，是本实验平台的创新点之一。

    4）移动杆、安装杆均可快速定位夹紧，依靠杆件上的刻度，快速确定实验元器件的位置。

    5）可操作性强。采用单片机及多种传感器的连接，通过编写单片机程序可以实现实验数据读取、电机控制等功能，体现该实验平台机电融合、专业融合的特点。

    6）学生可根据自己对实验的理解，在实验指导教师的允许下进行开放性实验。学生自主组队，自主预约实验时间，团队自主设计实验内容，审查合格后，结合实验平台所提供的实验装置拟定实验方案，验证实验思路，利用现有的资源和所学过的专业知识进行独立思考，培养潜在的实验开拓创新能力，凸显实践项目的个性化，从而改进和完善实验功能，为推进机械实践教学作出贡献。

    5 结语

    创新人才的培养是一个系统工程[10]，但实际上，我国高校现行本科人才培养模式所欠缺的正是具有系统性、创新性的实践活动[11]。通过这次项目创新，从设计实验平台的结构功能到进行实验台的搭建，始终体现的是严谨、致用、兼容、创新的精神。该综合创新型实验平台已被授权国家实用新型专利，获得大学生科研立项国家级科研立项项目资助。

    通过设计该综合创新型实验平台，成功开发了机械原理课程的齿轮传动机构实验项目、机械设计课程的二级减速器实验项目、液压与传动控制课程的液压缸差动连接实验等项目，锻炼了学生理论联系实际的能力和创造性思维。同时，以创新型开放实验的教学方式，在实践教学和人才培养过程中发挥了积极作用，提升了学生的实验兴趣、动手能力和就业竞争能力，达到培养具有创新创业精神和综合能力强的复合型人才的目标[12]。

    参考文献

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    [10]臧春雨，贾志旭，刘振华，等.大学生创新性实验计划需要开放的实验平台[J].中国科教创新导刊，2010（31）：24.

    [11]任良玉，张吉维.本科创新人才培养的制度环境和文化环境：以“国家大学生创新性实验计划”实施为例[J].清华大学教育研究，2009（3）：108-113.

    [12]李志杰，李媛，史桂梅，等.大学理科综合实验平台建设[J].实验技术与管理，2018（12）：21-23，31.

    项目来源：本文为国家级大学生创新训练项目“一体化综合创新实验平台”的研究（项目编号：201911072204）。

    作者：廖楚璠、邱诗敏、张娟，江汉大学机电与建筑工程学院（430056）。