1、基于项目的机电测控综合训练课程何岭松华中科技大学机械学院摘要：针对机械类实学创新实验班新开设的机电测控综合训练课程，介绍了该课程的设立背景、课程内容、课程实践平台构建，以及课程教学活动的开展方法。另外，介绍了首轮课程开出后的教学效果和学生反映。最后，结合课程开出情况，谈了课程向机械学院普通班推广存在的问题。关键词：机械电子，测控技术，课程设计，创新，实践一、课程设立背景为了突出对学生动手能力和实践创新能力的培养，华中科技大学机械学院设立了机械类实学创新实验班，并在其培养方案中对普通班依附于单一课程的课程设计环节进行了改革，用三个跨多们课程的大型集中 Project 取代。分别是：Project
2、形体与机构设计训练，Project机构设计与制作训练，Project机电测控综合训练。机电测控综合训练课程是三个大型集中 Project 的最后一个，放在最后一个学期。 课程训练重点放在培养学生利用大学四年所学知识“做事”和“做成事”的综合能力与素质上，其教学目的主要包括：1) 使学生了解和掌握机电测控产品设计、开发的过程和主要环节；2) 培养学生综合应用光、机、电、计算机等综合知识解决工程实际问题的能力；3) 培养学生理论联系实际的设计思想和能力；4) 培养学生团队合作、沟通、交流的能力。课程采用基于CDIO的工程教育模式，以尽可能接近工程实际的机电测控领域的小项目为载体，从项目构思(Con
3、ceive)、设计(Design)、实现(Implement)、运作(Operate)几个方面，让学生全程参与一个小型机电产品从构思、研发，到运行、改良，乃至定型生产的全过程。学生将大学四年来所学的光、机、电和计算机等孤立的知识点“串”起来，并在项目实施的CDIO过程中对一名现代工程师所应具备的综合素质和能力进行全面训练。使学生在大学学习结束后，具有继续学习、自我提高的能力。二、课程实践平台建设按照课程教学目的与要求，Project机电测控综合训练课程定位于一门以学生独立学习为主的设计性、综合性、实践性课程。课程以学生团队方式组织教学工作，每个学生小组由 3 名学生组成，要求他们自选一个机电测
4、控方面的题目，在 3 周时间内独立完成一个小型机电测控系统的设计与制作工作，如水箱恒温控制系统、汽车倒车雷达、基于颜色识别的产品分拣系统等。课程训练内容涉及传感器元件选择、电路设计与制作，下位机板卡单片机编程，上位机 LabView 编程等知识。课程结束时每组学生需提交一份详细的设计文档和一份 PPT 回报文档，并准备一个 15 分钟的答辩，向大家展示所开发的测控系统。了便于学生小项目研究和实践工作的开展，避免学生在实验器材选择、准备方面耗费太多时间，必须构建一个基本的机电测控创新实验平台，为学生的项目研究和实践提供常用实验器材支持。为此，我们与深圳德普施科技公司合作，开发了一个机电测控项目实
5、践套件。套件主要内容包括：1、带面包版的单片机测控卡：用于实现传感器信号获取和电机驱动。该卡主芯片为 C51 单片机或 ARM 单片机，有 8 路 A/D 输入、2 路 D/A 输出、32 路数字 I/O，另外带分离的步进电机、舵机、直流电机驱动模块和液晶板显示模块，学生可以在测控卡中烧录自编的控制程序。该卡能够基本满足学生机电测控小项目的开发需要。2、传感器套件用于实现声、光、温度、力、距离等常见物理量的测量。该套件中的传感器包括元件级的应变片、光电阻、热电阻、霍尔元件等基础敏感元件，还包括应变梁、红外测距传感器模组、超声波传感器模组、电子指南针模组等传感器集成件，使用比较方便。3、电机套件
6、用于提供动力和驱动设备运行。包括步进电机驱动模块和步进电机、舵机驱动模块和舵机、直流电机驱动模块和直流电机. 4、机械传动套件用于传递电机运动到最终的执行器。主要部件包括，微型滚珠丝杆，微型蜗轮蜗杆、微型一维工作台，以及齿轮齿条等传动付。目前该部分还在设计、制作和完善中。5、通讯套件用于以有线、无线的方式将传感器、单片机测控卡、PC 机连接在一起，形成一个计算机化的测控系统。包括测控卡到 PC 机的 USB 连接线、蓝牙通讯模块、ZigBee 通讯模块等。三、首轮课程开课情况机电测控综合训练课程是新开课，今年初在 08 级的机械类实学创新实验班进行了首轮教学实践。由于是第一次开课，课程教学模式
7、、教学实践平台都尚在建设和探索过程中，但课程开出效果和学生反映还不错。下面就将我们在首轮课程教学中的一些做法向大家作个简要介绍，供参考。1、学生分组和选题情况08 级机械类实学创新实验班共有 56 名同学，除了赴美国参加 HUSTWPI 工程实践教育项目的同学和参加 CCTV 机器人比赛的同学，其余学生让他们 3 人一组进行自由组合，最终形成了 16 个课程学习小组。分组完成后，每个小组结合测控实践教学平台提供的物质条件，自由选择一个机电测控领域的小应用项目；然后制订目标、任务分解、安排进度，在 3 周时间内，完成选题、设计、制作和答辩等所有工作。下面是部分学生小组的选题情况：1) 马增帅、宋
8、璐、张华组：智能测速定位系统2) 张志宁、薛云鹏、侯文洁组：数字温湿度计3) 朱逸颖 杨文恺 刘志刚组：超声波倒车雷达4) 洪家政 谭先华 段杰 组：恒温控制的淋浴系统 5) 雷敏、郭磊、朱钦淼组：电子指南车6) 李建 聂媛 谢仰组：红外距离和速度监测系统7) 秦博、黄尧、陈宇辰组：物体颜色识别和分拣系统8) 方无迪 王垒垒 王炎组：安检口人流计数器2、课程教学管理为了保证课程按计划和进度顺利开展，我们将整个 3 周的课程划分为 6 个时间结点，每周对学生项目进展情况进行 2 次查，督促学生按时完成任务。下面是各时间结点的任务分配和应完成的内容。表 1：进度考核表时间 任务第 1 周上半周 接
9、受学习任务，完成分组和初步选题。第 1 周下半周 确定设计题目，完成总体方案设计，借相关实验器材。第 2 周上半周 传感器测控电路设计、制作、调试。第 2 周下半周 单片机测控程序设计、调试。第 3 周上半周 LabView 测控程序设计，并完成由测控电路+单片机+PC 机构成的测控系统的集成、调试。第 3 周下半周 撰写项目设计报告、准备 PPT 汇报材料、进行项目答辩3、课程评分办法本课程成绩由组织纪律分、设计报告成绩和项目答辩成绩 3 部分组成，比例分别是 20%、40%和 40%。其中项目答辩成绩由每个学生小组派 1 名代表作为评分员评出，组织纪律分和设计报告成绩则由教师评定。从首轮课
10、程执行情况来看，将部分成绩交由学生打分效果不错，因为学生之间更了解彼此各组的设计水平和制作效果。 四、课程完成情况和学生感受通过3周的努力，全班16个学生小组均完成了自选测控小项目的设计、制作和调试工作，并提交了各自开发的测控系统。课程总体完成情况良好，达到了课程的预定目标。图1是聂媛、谢仰、李建小组完成的红外传感器测距和测速监测系统，它可以监测移动物体距传感器的距离和速度，当距离值小于门限值时声、光信号报警。图2是雷敏、郭磊、朱钦淼小组完成的电子指南车，它可以记录车辆移动时的方向变化轨迹，并通过指南针定方向，使小车自动朝南方移动。图 1、红外传感器距离和速度监测系统图2、电子指南车下面就引用
11、其中3个学生小组项目设计报告中的课程学习感受，让我们从学生的角度来看该课程的教学效果。洪家政、谭先华、段杰小组：“终于做完了这个课程设计，我们的选题不是太难，但是做起来却很不容易。自己花了很多的时间，在这个过程中也学到了不少东西，明白了不少道理。这次测控课程设计要做出一个实际系统，与前面的每一次课程设计都不一样，工作量很大。为了保证任务完成，我们三人采取了明确的分工，将整个系统分成电路、单片机程序、上位机程序三个方面。每人重点负责自己的那一个方面，但同时也要学习另外两个方面，每人对系统的各个方面的具体实现都有比较清楚的了解。同时我们积极讨论，把自己遇到的问题提出来，大家一起解决，而且对其他人所
12、做的有不妥之处时，也积极的指出，大家一起讨论。可以说在这个系统的设计实现过程中，正是由于它是一个实际的系统，每个细节都需要比较完美的配合，我们才真正体会到了团队合作的重要性，而我们也是这么做的。总的来说，在这个课程设计上面我们花了不少的时间，最终也比较好的完成了自己当时的构想。将我们以前学的知识很好的整合到了一起，同时也学到了不少的新知识，最重要的是我们知道了团队合作的重要性！”。刘波、欧龙文、谢祥南组：“这次的课程设计让我们认识到理论和实践的差距，也体会到了学以致用的乐趣。虽然上课时对于老师所讲的内容比较清楚，但在实际调试的过程中才发现总是会有各种各样的问题出现。如果没有自己亲自动手操作，有
13、些知识永远学习不到。所以实验课对于工科学生的重要性由此可见。我们感觉现在一些课程的实验课时不够，内容也不够深入，作用十分有限。例如在单片机的实验课中，我们只是改写了几个程序，这样对于学生学习的作用实在有限。如果能像这次的课程设计这样每个组都自己设计一个产品，我相信对于我们的学习将会有更大的好处。这次课程设计是一次综合性的大作业，结合了单片机，C语言，工程测试，传感器等多学科知识，既帮助我们巩固从前所学，让我们学以致用，同时这些传感器中有相当一部分在实际工业过程中也有所应用，为我们今后走向工程实际打下了一个良好的基础。我感觉这样的课程设计的效果很不错，希望今后能增加一些实验课的课时和深度，相信这
14、样更有利于我们学习到新的知识。”聂媛、谢仰、李建组：“这次课程设计的总体难度并不大，工作量也不大。传感器的电路资料以及调试程序可以参考其他同学已经做好的，相当于下位机的问题已经帮我们解决了，唯一的难题便是与上位机进行串口通讯。虽然以前学过 LabVIEW，但毕竟学得不深，串口通讯自己也没做过，加上时间较长，LabVIEW 的使用也忘得差不多了。虽然整个程序结构也算简单，但在陌生的情况下完全靠自己摸索也花了不少功夫。借书、上网查资料，一个小小的数据转换问题就会花掉一两天时间。但在这自主探索学习的过程中也有不少的收获，不仅是知识方面，更在学习心态和学习方法上面有了很多新的认识和进步。面对未知的领域
15、不再无所适从，而是从各方面找寻实际解决问题的方法，一步一步逐渐将问题解决，我们也变得更加沉着冷静，更加有信心、有毅力，也许这才是课程设计中我们收获最大的地方。 ”。五、几点思考三周的机电测控综合训练课程很快就结束了，学生总体反映不错，作为一门新开课有此效果还是很欣慰。本课程是一门探索性课程，时机成熟时需要推广到机械学院普通班的教学计划中，从课程推广和普及的角度，课程还存在一些问题。第一是实验设备、场地和实验管理问题。由于本课程每个学生小组均需搭建自己的机电测控系统，每个小组需要一套实验设备和一个带电脑的实验桌。按一个小班 30人，10 个小组算，机械学院每年 15 个班就需要 150 套实验设
16、备，虽然每套实验设备价格并不贵，约 2000 元/套，但总价也不少。同时由于是散件形式，实验器材的管理很麻烦，今年借出的 16 套器材，返还时 3 套器材就分别存在少元件、盒子破损等小问题。第二是学生基础问题，机械类实学创新实验班是一个特殊的班级，学生是从机械、动力、船海等机械类专业学生中优选出来的。他们基础好、学习积极性高、主动性强，这是开展以学生为主的实践性课程的前提和保障。但在普通班，如何调动学生的学习积极性，让学生主动参与是一个问题。第三是教师、实验教师的教学工作量评定问题。由于每组学生均是自选项目，需要一对一的指导，工作量翻了很多倍。但目前该课程的工作量计算方法与其他课程设计并没区别，显得偏低。 参考文献1 王刚，工科教育模式的改革和实践，高等工程教育研究，2011 年 1 期2 陶勇芳，商存慧，CDIO 大纲对高等工科教育创新的启示，中国高教研究，2006 年 11 期3 张志亮，刚家林，基于 CDIO 的一体化实验实践教学环境的建设，实验室科学，2010 年 6 期4展涛，我国研究型大学创新型人才培养的思考，高等教育研究，2011 年 1 期
