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工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的探討實踐教學(xué)平臺建設(shè)論文
【摘要】現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展需要大量既掌握專業(yè)理論知識、又具有工程應(yīng)用背景的的人才，這樣的人才還必須具備有再學(xué)習(xí)和自我知識更新的能力以適應(yīng)應(yīng)用技術(shù)的更新速度。傳統(tǒng)的傳授某方面專門知識的培養(yǎng)模式，已經(jīng)不能適應(yīng)企業(yè)對人才的知識結(jié)構(gòu)要求。本文從機械設(shè)計制造及其自動化(現(xiàn)代裝備與控制工程)專業(yè)的實驗教學(xué)為嵌入口，著重研究實驗教學(xué)平臺對理論教學(xué)的支撐作用，探討工程應(yīng)用類高校培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)變途徑和方法。
【關(guān)鍵詞】綜合性 開放性 機械電子 教學(xué)改革 培養(yǎng)模式
1 傳統(tǒng)的實踐教學(xué)模式不能適應(yīng)現(xiàn)代教育的發(fā)展要求
我校機械設(shè)計制造及其自動化(現(xiàn)代裝備與控制工程)專業(yè)是根據(jù)上海地區(qū)產(chǎn)業(yè)格局調(diào)整，為適應(yīng)未來10年制造業(yè)發(fā)展需求大量應(yīng)用工程師規(guī)格人才的背景下設(shè)置，上海市教委將其列入2007年緊缺人才專業(yè)并以教育高地的形式予以資助。
辦好機械設(shè)計制造及其自動化(現(xiàn)代裝備與控制工程)專業(yè)，除師資隊伍建設(shè)、課程設(shè)置、教材建設(shè)以外，實踐教學(xué)(實驗室)平臺的建設(shè)非常重要，為了實現(xiàn)向制造業(yè)輸送未來優(yōu)秀工程師人才這一教學(xué)目標(biāo)，就必須使學(xué)生在校期間就能夠接受高質(zhì)量的工程訓(xùn)練，解決的途徑有二條。
1.為教學(xué)提供盡可能真實的實驗、實習(xí)和實訓(xùn)環(huán)境，實現(xiàn)的方法是必須建設(shè)高規(guī)格的實踐教學(xué)平臺;
2.開展和堅持產(chǎn)、學(xué)、研合作教育培養(yǎng)模式，方法是實行每年三學(xué)期教學(xué)制度(暑期的四周實踐教學(xué)期)。
1.1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)平臺存在的問題
機械設(shè)計制造及其自動化(現(xiàn)代裝備與控制工程)專業(yè)研究的最終方向是機械部件的運動及其控制技術(shù)。經(jīng)過歸納，制造裝備的機械運動控制，主要指機電傳動控制系統(tǒng)，典型的有:調(diào)速系統(tǒng);伺服(隨動)系統(tǒng);張力控制系統(tǒng);多分部速度協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和穩(wěn)速系統(tǒng)。
實現(xiàn)上述眾多控制技術(shù)的實驗教學(xué)系統(tǒng)，目前還是空白。不同的高校，通常是由不同的實驗教學(xué)設(shè)備分別完成不同的實驗教學(xué)目的，造成控制對象——機械設(shè)備重復(fù)投資建設(shè)，占地多，管理困難。同時各單臺設(shè)備教學(xué)目的單一性，也不符合現(xiàn)代制造設(shè)備對控制技術(shù)的交叉運用要求，重點高校由于科研經(jīng)費充裕，通常是把教師的科研設(shè)備兼顧用于學(xué)生的實驗教學(xué)，一般普通高校很難將科研與教學(xué)設(shè)備統(tǒng)一調(diào)配，因此，基本不具備能夠模擬真實生產(chǎn)現(xiàn)場的實驗教學(xué)設(shè)備，大多數(shù)的機械運動控制類實驗，僅僅做到電動機級，無法實現(xiàn)真正意義上的機械運動控制，影響學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和學(xué)習(xí)效果。各實驗裝備生產(chǎn)企業(yè)，由于無法兼顧各高校的課程需要，且受自身技術(shù)力量的局限，無法提供能滿足各高校教學(xué)需要的多功能、準(zhǔn)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的實驗裝備。往往是交流調(diào)速與直流調(diào)速不能在同一實驗平臺完成，速度同步(協(xié)調(diào))控制、張力控制、收/放卷控制、隨動控制和高精度的穩(wěn)速與位置控制需要各自的實驗平臺，設(shè)備占地大、投資高、實驗輔助人員多，設(shè)備利用率低，同時實驗內(nèi)容和實驗環(huán)境與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況相差甚遠(yuǎn)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)容易造成認(rèn)識上的誤導(dǎo)，不能達(dá)到最初的教學(xué)目的。
1.2 產(chǎn)、學(xué)、研合作教育平臺存在的問題
實踐證明，產(chǎn)、學(xué)、研合作教育平臺可以為在校學(xué)生提供社會教育的實踐舞臺，學(xué)生在該平臺上可以學(xué)到課堂教學(xué)無法學(xué)到的教學(xué)內(nèi)容。隨著對產(chǎn)、學(xué)、研合作教育認(rèn)識的深入，要求企業(yè)積極科學(xué)地規(guī)劃產(chǎn)、學(xué)、研合作教育，配合學(xué)校制定行之有效的培養(yǎng)計劃，是提高產(chǎn)、學(xué)、研合作教育成效的關(guān)鍵。沒有企業(yè)的積極參與，忽視企業(yè)在產(chǎn)、學(xué)、研合作教育階段的主導(dǎo)地位，產(chǎn)、學(xué)、研合作教育也不可避免地會流于形式。
2 實踐教學(xué)模式的設(shè)想
2.1 實驗教學(xué)平臺的構(gòu)架
為了提高實驗教學(xué)的質(zhì)量，在原有的實驗設(shè)備上進(jìn)行改革，將驗證性實驗改造成綜合性實驗，是大多數(shù)學(xué)校采取的簡單方法。這在一定程度上緩解了理論教學(xué)與應(yīng)用實踐嚴(yán)重脫節(jié)的矛盾。但是，傳統(tǒng)的實驗裝備在設(shè)計階段存在認(rèn)識上的局限和技術(shù)陳舊等原因，使得這種改造無法徹底，改造后的綜合性實驗與驗證性實驗沒有根本區(qū)別。這是從事實驗教學(xué)的教師共同認(rèn)識的難題。
要對學(xué)生實現(xiàn)真正意義上的工程訓(xùn)練，應(yīng)該盡可能模擬真實的生產(chǎn)環(huán)境，使實驗和生產(chǎn)設(shè)備在技術(shù)上盡可能保持一致。同時，考慮到經(jīng)濟(jì)性，實驗平臺應(yīng)該可以為不同年級、不同課程服務(wù)。為此，我們擬將軋鋼、印染、印刷、線帶和包裝等制造業(yè)的典型機械運動控制技術(shù)著手，提煉出多單元速度協(xié)調(diào)、收、放卷恒張力卷繞與齊邊(對中)位置控制的仿真實驗平臺構(gòu)架如圖1。
該仿真實驗平臺將實際工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備微型化，設(shè)計的6分部驅(qū)動準(zhǔn)生產(chǎn)(實驗)單元，模擬真實的生產(chǎn)環(huán)境，提供仿真的實驗平臺。其中:第1、第6單元分別為收/放卷單元，實現(xiàn)恒張力收放卷;第2-4單元分別為速度同步(協(xié)調(diào))控制單元;以模擬鋼卷、印染、造紙和線帶等生產(chǎn)工藝的控制環(huán)境;全部6單元可以獨立工作，可以組成聯(lián)合機形式工作;采用觸摸屏人機界面和現(xiàn)場總線技術(shù)。
(1)實驗教學(xué)平臺擬采取的研究方法
根據(jù)優(yōu)秀工程師的培養(yǎng)目標(biāo)，研究“機械設(shè)計制造及其自動化(現(xiàn)代裝備與控制工程)”專業(yè)課程設(shè)置，分析課程之間的銜接關(guān)系，明確各課程對自動控制技術(shù)的掌握要求，并針對高校現(xiàn)有同類型實驗教學(xué)設(shè)備的特點，結(jié)合軋鋼、印染、印刷、線帶和包裝等機械等生產(chǎn)設(shè)備工藝流程對自動控制技術(shù)的要求，對“機械運動自動控制系統(tǒng)實驗裝置”實現(xiàn)的各實驗教學(xué)目的，進(jìn)行先期的實物控制和實驗研究，并據(jù)此制定機械設(shè)計方案，機械部件的設(shè)計，可以參照工業(yè)生產(chǎn)實際使用的設(shè)備進(jìn)行微型化設(shè)計，設(shè)計過程中，排除因為復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境而保留的設(shè)計參數(shù)余量，盡可能以電氣控制技術(shù)，代替復(fù)雜的機械部件，從而簡化機械結(jié)構(gòu)，降低工作嘈聲和能源消耗。
2.2 實驗教學(xué)平臺的特點
上述實驗系統(tǒng)分別將“氣動控制技術(shù)”、“液壓傳動控制技術(shù)”、“機電傳動控制”、“PLC應(yīng)用技術(shù)”、“機械系統(tǒng)自動控制技術(shù)“、“計算機控制”和“測試與傳感技術(shù)”等課程的知識進(jìn)行了交叉應(yīng)用，綜合性很強。實驗裝置對學(xué)生全方位開放后，可以大大提升實驗教學(xué)效果。其特色是:
(1)開放性
機械運動控制系統(tǒng)實驗裝置是以適應(yīng):多學(xué)科、多專業(yè)、不同年級和不同層次的學(xué)生進(jìn)行專業(yè)基礎(chǔ)、專業(yè)課程的實驗教學(xué)與創(chuàng)新設(shè)計的需要進(jìn)行規(guī)劃，開放性體現(xiàn)在:
1)實驗平臺可以滿足:機械設(shè)計制造及其自動化、機械工程及自動化、能源與環(huán)境系統(tǒng)工程、電氣工程及自動化、電氣自動化、機車車輛工程等專業(yè)的實驗需要。
2)實驗平臺可以開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課程有:傳感器技術(shù)與應(yīng)用、測試與傳感技術(shù)、機電傳動與控制、PLC應(yīng)用技術(shù)、氣動控制技術(shù)、液壓控制技術(shù)、流體傳動控制技術(shù)、機械系統(tǒng)自動控制技術(shù)等課程。
3)實驗平臺可以開設(shè)的專業(yè)拓展課程有:流體傳動控制技術(shù)、液壓伺服控制、自動控制系統(tǒng)和計算機控制等課程。
4)實驗平臺可以進(jìn)行:專業(yè)課程設(shè)計、專業(yè)認(rèn)識實習(xí)、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等。
5)實驗平臺可重構(gòu)，硬件和軟件全部對學(xué)生開放，學(xué)生可以根據(jù)實驗指導(dǎo)書進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，也可以自構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新學(xué)習(xí)。
(2)綜合性
本實驗平臺集氣、液、機械、電子、傳感器、PLC等技術(shù)于一體，開設(shè)的實驗集多門學(xué)科、多門知識，綜合性強，需要學(xué)生動手的實驗環(huán)節(jié)多，便于學(xué)生發(fā)散性思維，注重培養(yǎng)的動手和創(chuàng)新能力。
(3)研究性
教師在指導(dǎo)學(xué)生的過程中，必須掌握氣、液、機、電系統(tǒng)集成的相關(guān)知識，對教師拓寬知識結(jié)構(gòu)，提高專業(yè)知識和理論水平具有促進(jìn)作用。隨著教育的發(fā)展和競爭，綜合性的人才越來越受到社會的歡迎。從學(xué)校教師隊伍的現(xiàn)狀來看:具有理論、實踐綜合能力的教師較少，大部分教師從事教學(xué)的時間較長，缺乏生產(chǎn)實踐的機會，不能適應(yīng)現(xiàn)代教育發(fā)展創(chuàng)新的需要，有綜合能力強的教師，才能培養(yǎng)出綜合能力強的學(xué)生。該實驗裝備為教師提供了技術(shù)研究的平臺，可以增強教師的實踐動手能力，提高教師的綜合素質(zhì)。
2.3 實驗教學(xué)平臺的創(chuàng)新
本系統(tǒng)包含:機械運動部件、氣動/液壓部件、速度、位置和張力檢測部件、交/直流電動機及其驅(qū)動器、步進(jìn)電動機及其驅(qū)動器、PLC、單片機(或工業(yè)控制器)、遠(yuǎn)程I/O部件、工業(yè)現(xiàn)場總線、人機界面等等。其中:
①第2-4單元的準(zhǔn)入由隨動控制系統(tǒng)完成，亦可以氣動完成;
�、隍�(qū)動電動機交/直流兼用，裝拆方便;
�、勰M/數(shù)字兼用角位移檢測，同步控制;
�、塥毩⑹�/放卷控制;
⑤收/放卷張力閉環(huán)控制，卷徑計算的張力開環(huán)控制;
⑥A/D、D/A轉(zhuǎn)換模擬控制與數(shù)字控制兼用;
�、逷LC、工控機與單片機控制兼用;
�、郟ROFIBUS總線控制;
⑨生產(chǎn)管理系統(tǒng)。
2.4 實驗教學(xué)平臺支撐科學(xué)研究
1)研究目標(biāo)和研究內(nèi)容
�、賹嶋H工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的微型化方法;
②同一生產(chǎn)單元實現(xiàn)交/直流電動機驅(qū)動的裝拆方法;
�、弁簧a(chǎn)單元實現(xiàn)PLC、工控機與單片機控制器的系統(tǒng)布線方法;
�、芡粚嶒炂脚_上實現(xiàn)多控制技術(shù)的系統(tǒng)布局和協(xié)調(diào)方法;
2)擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題
①隨動控制與氣動控制的切換技術(shù);
�、诮�/直流驅(qū)動電動機的裝拆技術(shù);
�、鄱喾N數(shù)字角位移傳感器與控制器的接口技術(shù);
④收/放卷張力開環(huán)(無張力傳感器)控制技術(shù);
�、葑冾l器、直流調(diào)速器與上位機(PLC)的通信技術(shù);
�、轕ROFIBUS總線控制技術(shù);
⑦PC104工控機總線技術(shù);
�、鄦纹瑱C主從控制總線技術(shù);
�、嵘a(chǎn)管理技術(shù)。
3 產(chǎn)、學(xué)、研合作教育培養(yǎng)模式的創(chuàng)新
3.1 優(yōu)化先進(jìn)制造技術(shù)產(chǎn)學(xué)研合作基地
為了適應(yīng)學(xué)校創(chuàng)辦現(xiàn)代化特色大學(xué)的要求，學(xué)院以產(chǎn)學(xué)研戰(zhàn)略聯(lián)盟為目標(biāo)，緊緊依托工業(yè)辦學(xué)，走產(chǎn)、學(xué)、研三結(jié)合的道路。并以此作為學(xué)院的辦學(xué)“特色”，通過學(xué)科鏈、專業(yè)鏈對接產(chǎn)業(yè)鏈，建立面向現(xiàn)代裝備制造業(yè)為目標(biāo)的先進(jìn)制造技術(shù)產(chǎn)學(xué)研合作基地，先后與新日奔工機(南京)有限公司、北京北航海爾軟件有限公司、深圳盛博科技嵌入式計算機有限公司、上海日立家用電器有限公司、上海人民電器股份有限公司、上海鍋爐研究所等26家單位建立長期穩(wěn)定的“產(chǎn)、學(xué)、研”戰(zhàn)略聯(lián)盟，并賦予企業(yè)應(yīng)有的教學(xué)主導(dǎo)地位，企業(yè)根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，指定出科學(xué)的學(xué)工計劃，落實合理的學(xué)工崗位，并指派認(rèn)真負(fù)責(zé)的工程技術(shù)人員擔(dān)任指導(dǎo)教師，上海人民電器股份有限公司每年向?qū)W院提供“上聯(lián)”獎教、獎學(xué)金，極大地支持了產(chǎn)、學(xué)、研辦學(xué)模式。
3.2 引進(jìn)國外優(yōu)質(zhì)資源，建設(shè)先進(jìn)實驗實訓(xùn)基地
作為先進(jìn)的工業(yè)大國，德國企業(yè)在對從業(yè)人員的崗位訓(xùn)練方面有獨到的訓(xùn)練模式，其提供的實訓(xùn)裝備與真實的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境比較吻合，具有技術(shù)先進(jìn)性。2005年初上海工程技術(shù)大學(xué)與德國博世力士樂集團(tuán)達(dá)成協(xié)議，共建《現(xiàn)代裝備及其控制技術(shù)》聯(lián)合實驗中心。2007年，液壓傳動與控制技術(shù)實驗室、氣動控制技術(shù)實驗室、機電一體化模塊實驗室、機電一體化標(biāo)準(zhǔn)實驗室和博世-力士樂制造裝備新產(chǎn)品教學(xué)演示廳已經(jīng)投入應(yīng)用。中德聯(lián)合實驗中心的建設(shè)和使用過程，體現(xiàn)了具有現(xiàn)代意義的“工業(yè)知識”的培訓(xùn)模式，走出了一條產(chǎn)、學(xué)、研合作辦學(xué)的新途徑。
3.3 建立了重點突出、層次分明的實踐體系
先進(jìn)制造技術(shù)產(chǎn)學(xué)研合作基地的建立，尤其是中德聯(lián)合實驗中心的建立使學(xué)院的整個教學(xué)硬件環(huán)境適應(yīng)了系統(tǒng)化、模塊化和網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)的發(fā)展，營造了一個良好的育人環(huán)境，并逐漸形成了校內(nèi)實踐為主，校外實踐和科研實踐為輔，層次分明的實踐體系，使學(xué)生得到綜合性的現(xiàn)代化工程素質(zhì)教育的訓(xùn)練。學(xué)生不僅接受教學(xué)計劃安排的課程實習(xí)、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等實踐教育，部分優(yōu)秀學(xué)生有機會在工學(xué)期內(nèi)，接受產(chǎn)、學(xué)、研合作單位組織的科研實踐，從而既保證了產(chǎn)、學(xué)、研合作教育的覆蓋面，又突出了重點。
4 體會
面向2l世紀(jì)的人才，不但要有較扎實的理論基礎(chǔ)，還要有較強的獨立工作和解決問題的能力。實踐教學(xué)是培養(yǎng)面向新世紀(jì)人才的根本保證，是對學(xué)生能力和素質(zhì)教育的重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生獲得工作能力的重要手段，對于知識的獲取和能力的培養(yǎng)有著其它教學(xué)形式不可替代的作用。實驗教學(xué)平臺的評判標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該是:
(1)盡可能綜合應(yīng)用多課程專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)知識，有助于提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力;
(2)盡可能將實驗系統(tǒng)模塊化，通過提供實驗組件的方法，實現(xiàn)實驗系統(tǒng)的可組裝和可重構(gòu)。以滿足不同年級、不同專業(yè)和不同課程的教學(xué)需要;
(3)容有助于提高學(xué)生獨立思考、發(fā)散思維和實際動手操作的能力;
(4)統(tǒng)具有開設(shè)創(chuàng)新型實驗和開展科學(xué)研究的的軟、硬件擴展條件;
(5)學(xué)平臺應(yīng)該滿足經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、節(jié)能、低消耗、低嘈聲和環(huán)保的技術(shù)要求。
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