廖楚璠　邱詩敏　張娟

摘? 要 一個國家的自主創(chuàng)新能力是其所有競爭力的核心，是建設(shè)創(chuàng)新型國家的重中之重，而具有工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神高級人才的培養(yǎng)，對創(chuàng)新型國家的建設(shè)更起到舉足輕重的作用[1]。通過教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)，設(shè)計(jì)的綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺重點(diǎn)凸顯了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的個性化，體現(xiàn)了跨學(xué)科專業(yè)融合特點(diǎn)，在大學(xué)生實(shí)踐教學(xué)中發(fā)揮了積極的作用。

關(guān)鍵詞 工程實(shí)踐能力;實(shí)踐教學(xué);綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺;實(shí)驗(yàn)設(shè)備;STM32單片機(jī)

中圖分類號：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：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

創(chuàng)新是一個民族進(jìn)步的靈魂，是一個國家持續(xù)發(fā)展的不竭動力。當(dāng)今，無論是經(jīng)濟(jì)發(fā)展還是教育強(qiáng)國，都離不開科技創(chuàng)新，離不開與社會發(fā)展息息相關(guān)的機(jī)械制造業(yè)。黨的十八大明確提出：“科技創(chuàng)新是提高社會生產(chǎn)力和綜合國力的戰(zhàn)略支撐，必須擺在國家發(fā)展全局的核心位置?！薄秶覄?chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》一文中明確提到，要引導(dǎo)大學(xué)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和追求學(xué)術(shù)卓越，組建跨學(xué)科、綜合交叉的科研團(tuán)隊(duì)，形成一批優(yōu)勢學(xué)科集群和高水平科技創(chuàng)新基地，建立創(chuàng)新能力評估基礎(chǔ)上的績效撥款制度，系統(tǒng)提升人才培養(yǎng)、學(xué)科建設(shè)、科技研發(fā)三位一體創(chuàng)新水平[2]。實(shí)踐教學(xué)作為支持人才培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成的教學(xué)環(huán)節(jié)之一，其教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)方法、教學(xué)模式及最終的教學(xué)效果等直接支撐專業(yè)認(rèn)證產(chǎn)出導(dǎo)向理念的貫徹和落實(shí)[3]。

高等學(xué)校是建設(shè)創(chuàng)新型國家的人力資源庫和創(chuàng)新成果積聚地[4]。隨著高等教育的快速發(fā)展，社會對大學(xué)生實(shí)踐動手能力的要求越來越高，而現(xiàn)今高校理工類專業(yè)的學(xué)習(xí)與實(shí)操結(jié)合緊密。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在理工科專業(yè)特別是機(jī)械類專業(yè)的教育過程中具有其他教學(xué)環(huán)節(jié)不可替代的功能和作用[5]。實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合，既能夠加深學(xué)生對基本原理的認(rèn)識，又能培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力[6]。但只有部分基礎(chǔ)課程設(shè)立了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生只能通過科研項(xiàng)目和學(xué)科競賽來滿足綜合實(shí)踐性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)需求。總體來說，實(shí)踐教學(xué)存在以下不足。

1）實(shí)踐教學(xué)資源不足。

2）實(shí)踐項(xiàng)目挑戰(zhàn)性不強(qiáng)，在實(shí)踐教學(xué)過程中按部就班地撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，限制了學(xué)生的創(chuàng)造力和個性化發(fā)展，也限制了創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3）實(shí)踐教學(xué)改革中所需費(fèi)用不足，因此，學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新?lián)Q代的速度達(dá)不到國家對產(chǎn)品質(zhì)量和精度的要求，實(shí)驗(yàn)儀器的管理和維護(hù)也不夠及時(shí)。如齒輪傳動實(shí)驗(yàn)，頻繁地使用實(shí)驗(yàn)儀器會導(dǎo)致其老化破損，不及時(shí)修復(fù)則會影響實(shí)驗(yàn)的精度和結(jié)果，甚至無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4）實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器老舊單一，大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺數(shù)少、占地面積大、所需費(fèi)用多，同時(shí)可搭載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)目少、實(shí)驗(yàn)步驟煩瑣。

5）實(shí)踐教學(xué)中綜合性、創(chuàng)新性的實(shí)踐項(xiàng)目較少等。

在無法滿足實(shí)驗(yàn)需求的情況下，學(xué)生無法將理論知識和實(shí)踐動手能力融會貫通，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的熱情消退，團(tuán)隊(duì)合作能力較差，工程實(shí)踐能力減弱，無法自主動手創(chuàng)新。

本文針對以上問題，設(shè)計(jì)一款綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺，不僅可以彌補(bǔ)高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源的不足，節(jié)省增添和維護(hù)設(shè)備的費(fèi)用，同時(shí)增加綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量，更新單一老舊的實(shí)驗(yàn)平臺，提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，提高實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)效率，培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維。此外，該實(shí)驗(yàn)平臺可以給學(xué)生提供自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的機(jī)會，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)性，凸顯實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的個性化，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目跨學(xué)科專業(yè)融合特點(diǎn)。

2 綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)方案

綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)要求? 該綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺與其他實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)、功能、操作性、數(shù)據(jù)獲取等的對比如表1所示。綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)要求如下：

1）通過設(shè)計(jì)集機(jī)械、液壓、氣動實(shí)驗(yàn)等多種類型實(shí)驗(yàn)為一體的綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺，減少多臺儀器的重復(fù)使用，為學(xué)生提供進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)的平臺，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行開放性動手實(shí)驗(yàn);

2）實(shí)驗(yàn)元器件能夠在實(shí)驗(yàn)平臺坐標(biāo)系內(nèi)任意位置搭載，配合裝配定位實(shí)現(xiàn)安裝位置的多角度固定，同時(shí)可自主設(shè)計(jì)元器件的搭載模式，提升安裝元器件的可操作性;

3）實(shí)驗(yàn)平臺提供多種類型的器械連接件，保證實(shí)驗(yàn)中元器件的定位與安裝;

4）實(shí)驗(yàn)平臺提供多種實(shí)驗(yàn)傳感器，與STM32單片機(jī)相配合來完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和顯示;

5）實(shí)驗(yàn)平臺具有獨(dú)立供電系統(tǒng)。

綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺介紹

1）機(jī)械模塊功能介紹。本文綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺如圖1所示，其基本結(jié)構(gòu)由支撐臺和多種型材組成。四個支撐桿相互平行地設(shè)置在支撐臺的支撐平面上，支撐桿的長度方向垂直于支撐平面。支撐桿上設(shè)置有凸起，支撐臺上設(shè)置有兩個長度方向相互平行的燕尾型移動槽，沿移動槽的長度方向的凸起可在移動槽內(nèi)滑動;用L型角件將支撐臺與支撐桿螺紋連接，即可實(shí)現(xiàn)支撐桿與支撐臺的可拆卸連接功能。每兩個相鄰的支撐桿之間可以設(shè)置多個移動桿，移動桿與支撐桿可拆卸連接，移動桿的滑動方向平行于支撐桿的長度方向，移動桿的長度方向垂直于支撐桿的長度方向，多個移動桿在支撐平面上的投影構(gòu)成框形結(jié)構(gòu)。平行的兩個移動桿之間可按實(shí)驗(yàn)需求設(shè)置數(shù)量不一的安裝桿，安裝桿的滑動方向平行移動桿的長度方向，移動桿與安裝桿可拆卸連接。通過沿支撐桿和移動桿的長度方向上設(shè)置刻度，實(shí)現(xiàn)移動桿、安裝桿的精準(zhǔn)定位功能。

為滿足不同系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)需求，特別設(shè)計(jì)六面體異形導(dǎo)軌桿作為安裝桿（截面為六邊形，如圖2所示），桿面上設(shè)置有多個相互平行的滑槽，滑槽的長度方向平行于安裝桿的長度方向，每個滑槽內(nèi)至少可設(shè)置一個連接滑塊，連接滑塊與安裝桿可拆卸連接，連接滑塊上設(shè)置有器械連接件。連接滑塊包括連接主體與連接主體上設(shè)置的滾輪（圖3），滾輪滾動設(shè)置在滑槽內(nèi)，器械連接件設(shè)置在連接主體上。靈活安裝支撐桿、移動桿、安裝桿與連接滑塊，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)元器件在三維坐標(biāo)系內(nèi)任意位置的搭載，有效節(jié)省實(shí)驗(yàn)所需空間。

支撐平面上設(shè)置有多個相互平行的器械連接槽，用于安裝體積大、質(zhì)量大的元器件。此外，該綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺還包括控制臺、配電箱等組成部件。控制臺設(shè)置在支撐臺上，由控制屏、控制器與控制按鈕組成;配電箱設(shè)置在支撐臺內(nèi)，用于給實(shí)驗(yàn)平臺供電。

2）電控模塊功能介紹。采用STM32單片機(jī)和霍爾、壓力、氣壓、流量等傳感器的連接來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及時(shí)顯示，便于采集。采集方案如表2所示。在搭載完實(shí)驗(yàn)所需硬件框架后，通過在合適部位上安裝數(shù)據(jù)采集傳感器如霍爾傳感器、壓力傳感器、氣壓傳感器、流量傳感器等進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。外部電源經(jīng)過電源適配器轉(zhuǎn)化為5 V，再經(jīng)LM1117-3V3轉(zhuǎn)換成3.3 V為STM32單片機(jī)供電，而5 V

則用于給傳感器供電。將傳感器與STM32單片機(jī)相應(yīng)的引腳進(jìn)行連接，從而將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，同時(shí)在STM32單片機(jī)的核心芯片中掛載ADC外設(shè)，在單片機(jī)內(nèi)部嵌入三個相互獨(dú)立的12位ADC，從而實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)化[8-9]。

該功能主要通過與主控制器相連接的STM32單片機(jī)開發(fā)板以及測量相應(yīng)數(shù)據(jù)量的傳感器模塊實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)平臺的數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示功能，原理如圖4所示。

3 綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺的使用方法

現(xiàn)以二級減速器實(shí)驗(yàn)的使用方法為例，介紹實(shí)驗(yàn)平臺的使用方法。

實(shí)驗(yàn)要求? 根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖及實(shí)驗(yàn)平臺所提供的實(shí)驗(yàn)元器件，搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成二級減速器實(shí)驗(yàn)，并使用霍爾傳感器檢測其輸出軸的轉(zhuǎn)速。

實(shí)驗(yàn)原理圖? 實(shí)驗(yàn)原理圖如圖5所示。

二級減速器系統(tǒng)的安裝步驟

第一步：準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材。

1）高速級齒輪：Z₁=32，Z₂=116，m=2.5，i₁=3.6。

2）低速級齒輪：Z₁=32，Z₂=86，m=4，i₂=2.67。

3）大帶輪、小帶輪。

4）輸入軸、中速軸、輸出軸。

5）電動機(jī)、霍爾傳感器。

第二步：實(shí)驗(yàn)器材的定位和安裝。

1）固定支撐桿及確定安裝桿、移動桿的位置。如圖6所示，將螺釘反向滑入實(shí)驗(yàn)平臺的固定滑槽內(nèi)，用角件將四個支撐桿相互平行地固定在支撐臺的支撐平面上，按實(shí)驗(yàn)需求搭建不同高度、不同數(shù)量的移動桿及安裝桿。沿桿的長度方向上設(shè)置有刻度，安裝時(shí)可由刻度讀出元器件的相對位置，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)移動桿、安裝桿的定位功能。

2）安裝電動機(jī)。順著實(shí)驗(yàn)平臺底座凹槽滑入數(shù)個螺釘，將電動機(jī)底座螺紋孔與導(dǎo)軌上螺釘對齊，扭緊螺母固定其位置。當(dāng)電動機(jī)螺紋孔對應(yīng)不上時(shí)，可采用壓塊將其壓住，再用螺釘將壓塊固定于平臺底座凹槽，從而固定電機(jī)。

3）安裝小帶輪。電機(jī)固定后，將小帶輪安裝至電機(jī)的輸出軸上，通過軸上的鍵槽將小帶輪固定。

4）安裝輸入軸及高速級小齒輪。往安裝桿上搭載連接滑塊，移動滑塊至合適位置后扭緊其側(cè)面的螺紋桿，將其鎖緊固定。再向連接滑塊上安裝器械連接件，通過將連接件上的螺紋孔與連接滑塊上的螺紋孔對齊，扭緊螺釘，從而將其固定。最后將高速級小齒輪安裝在軸上，通過鍵槽固定;再將軸安裝在器械連接件上，旋緊器械連接件側(cè)面的螺絲，加固軸與其的配合，如圖7所示。

5）安裝大帶輪。將大帶輪安裝至輸入軸上，通過鍵槽固定。調(diào)整大帶輪及小帶輪之間的距離，用皮帶將其連接。

6）安裝其他軸及齒輪。根據(jù)齒輪傳動中兩對齒輪的嚙合關(guān)系，調(diào)整安裝桿的位置，用壓緊螺釘將其預(yù)固定，與步驟四安裝軸和齒輪的方式相同，保證齒輪間的嚙合關(guān)系，如圖8、圖9所示。如若不需調(diào)整，則擰緊安裝的壓緊螺釘;若需要調(diào)整，則根據(jù)移動桿上的刻度，微調(diào)安裝桿的位置，從而保證傳動的穩(wěn)定性。

第三步：檢測原件的安裝。在輸出軸上運(yùn)用聯(lián)軸器將霍爾傳感器與輸出軸連接，隨后將霍爾傳感器相應(yīng)引腳與STM32單片機(jī)對應(yīng)的引腳連接，單片機(jī)與顯示屏相連，則輸出軸的轉(zhuǎn)速可在顯示屏上獲取。

4 綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺的優(yōu)點(diǎn)

與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺相比，該綜合新型實(shí)驗(yàn)平臺有下面一些優(yōu)點(diǎn)。

1）該實(shí)驗(yàn)平臺可全方位搭載多種類型的實(shí)驗(yàn)元器件，從而組成不同的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，集機(jī)械、氣壓、液壓實(shí)驗(yàn)于一體，不僅減少不同實(shí)驗(yàn)儀器的使用，減輕高校對實(shí)驗(yàn)儀器管理和維修的負(fù)擔(dān)，而且三種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)合提高了實(shí)踐教學(xué)中的綜合性和創(chuàng)新性。

2）合理運(yùn)用本實(shí)驗(yàn)平臺最大的創(chuàng)新點(diǎn)——安裝桿，不僅滿足了對實(shí)驗(yàn)元器件安裝的基本要求，而且大大縮減了實(shí)驗(yàn)所需的安裝空間。安裝桿的多面安裝與移動桿z軸自由移動的功能相結(jié)合，滿足了實(shí)驗(yàn)元器件在該實(shí)驗(yàn)平臺內(nèi)x、y、z軸三向的自由搭載，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)元件安裝的多維化、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的多級化。

3）該實(shí)驗(yàn)平臺提供不同類型的器械連接件，既可固定不易安裝的元器件，又可安裝在連接滑塊上。電動機(jī)、泵、缸等較重元器件均配有器械連接件固定，而器械連接件與連接滑塊的結(jié)合，使該實(shí)驗(yàn)平臺元器件的安裝更具有靈活性，是本實(shí)驗(yàn)平臺的創(chuàng)新點(diǎn)之一。

4）移動桿、安裝桿均可快速定位夾緊，依靠桿件上的刻度，快速確定實(shí)驗(yàn)元器件的位置。

5）可操作性強(qiáng)。采用單片機(jī)及多種傳感器的連接，通過編寫單片機(jī)程序可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)讀取、電機(jī)控制等功能，體現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)平臺機(jī)電融合、專業(yè)融合的特點(diǎn)。

6）學(xué)生可根據(jù)自己對實(shí)驗(yàn)的理解，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的允許下進(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生自主組隊(duì)，自主預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間，團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，審查合格后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺所提供的實(shí)驗(yàn)裝置擬定實(shí)驗(yàn)方案，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)思路，利用現(xiàn)有的資源和所學(xué)過的專業(yè)知識進(jìn)行獨(dú)立思考，培養(yǎng)潛在的實(shí)驗(yàn)開拓創(chuàng)新能力，凸顯實(shí)踐項(xiàng)目的個性化，從而改進(jìn)和完善實(shí)驗(yàn)功能，為推進(jìn)機(jī)械實(shí)踐教學(xué)作出貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語

創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是一個系統(tǒng)工程[10]，但實(shí)際上，我國高校現(xiàn)行本科人才培養(yǎng)模式所欠缺的正是具有系統(tǒng)性、創(chuàng)新性的實(shí)踐活動[11]。通過這次項(xiàng)目創(chuàng)新，從設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)功能到進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺的搭建，始終體現(xiàn)的是嚴(yán)謹(jǐn)、致用、兼容、創(chuàng)新的精神。該綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺已被授權(quán)國家實(shí)用新型專利，獲得大學(xué)生科研立項(xiàng)國家級科研立項(xiàng)項(xiàng)目資助。

通過設(shè)計(jì)該綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺，成功開發(fā)了機(jī)械原理課程的齒輪傳動機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、機(jī)械設(shè)計(jì)課程的二級減速器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、液壓與傳動控制課程的液壓缸差動連接實(shí)驗(yàn)等項(xiàng)目，鍛煉了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力和創(chuàng)造性思維。同時(shí)，以創(chuàng)新型開放實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式，在實(shí)踐教學(xué)和人才培養(yǎng)過程中發(fā)揮了積極作用，提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣、動手能力和就業(yè)競爭能力，達(dá)到培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神和綜合能力強(qiáng)的復(fù)合型人才的目標(biāo)[12]。

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項(xiàng)目來源：本文為國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目“一體化綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺”的研究（項(xiàng)目編號：201911072204）。

作者：廖楚璠、邱詩敏、張娟，江漢大學(xué)機(jī)電與建筑工程學(xué)院（430056）。