首页 -> 2007年第1期
基于科研成果转化的机电一体化综合实验系统
作者：楼佩煌
关键词：科技成果；实践教学；成果转化；创新能力
21世纪是一个以创造、创新、创业为特征的时代，高等学校肩负着创新型人才培养和科技创新的重任。科研成果作为科技创新的产出和结果，既是师资队伍素质的标志，也是体现学校水平的指标。虽然我国高校科技成果的转化率还远远没有达到发达国家的水平，但是将科技成果转化为生产力已经为人们所高度重视。由于多种多样的原因，将科研成果转化为教学资源似乎也远没有受到重视和研究。在人才培养方面，如何提高学生的动手实践能力，培养学生的创新意识和创新能力是摆在教育工作者面前的崭新课题。科研是教学的底蕴，将科研成果转化为教学资源无疑是一种有效的途径。
我校机械制造及其自动化专业所在的学科是国家重点学科，也是江苏省重中之重学科，承担了国家自然基金、国家“863计划”、国家科技攻关、国防预研等一大批科研项目，因此，产生了众多的具有国际先进水平的科研成果，其中有相当数量的科研成果可以转化为教学实验内容，这为我们实验教学改革提供了良好的条件。例如，在现代集成制造与机械制造柔性自动化研究方向上，多年来承担了国家“863计划”CIMS主题、国家科技攻关、国防预研等研究项目，取得了一大批科研成果。通过近三年的努力，在教授的带领下，教师和实验技术人员紧密配合，以取得的科研成果为基础，成功实施了“机电一体化开放实验”、“信息化制造综合实验”、“机械装备控制综合实验”等项目的实施，取得了良好的效果。
要将科研成果转化为实践教学，首先遇到的一个难题是必须引入新的实验设备。而目前在科研中采用的仪器设备既先进又精密，价格也相当昂贵，少则数万元，多则几十万元，甚至上百万元。为了保证一定的受益面，如此高的投入，目前对于教学实验往往是难以达到的。因此，在将科研成果引入实验教学过程中，必须寻求另外的途径来解决这一难题。例如，我们在建设“机电一体化综合实验”中，充分利用科研成果，发挥智力优势，争取以最小的投入达到最佳的效果。首先，我们利用自身的优势和科研过程中设备创新的经验，以投入少量的经费起步，通过自行开发实验设备和软件，完成实验设备的初步建设。然后，将实验成果和实验设备在其他的高校推广和应用，将所得的效益作为进一步的投入，完成高水平教学实验室的建设。例如，我们基于现代集成与柔性制造技术相关科研成果基础上自行开发的“机电一体化综合实验系统”，以10万元为启动费用，到目前已经建成了国内一流的拥有20台套设备的机电一体化开放实验室。开发的实验设备的功能已经超过了国际同类实验设备，其价格仅为它的30％，并已经推广到华南理工大学、南京工业大学、中国计量学院等6家单位应用。同时，由于设备自行开发，为今后实验内容的进一步拓展和改进提供了方便。
一、构建新型的实验教学模式，为科研成果转化为实践教学奠定基础
将科研成果转化为实验教学的关键是实验教学模式的创新设计，只有在创新的模式下才能使实验效果有基本的保证。我国现有的实验教学模式中，验证型多于创新型，模拟型多于实战型，限制型多于自由型，单一型多于综合型。科研成果转化为实践教学过程中必须围绕动手实践能力和创新意识培养这一主题，同时要促进目前实验教学模式的转变。我们在将科研成果转化为实践教学的过程中，开展了一些努力和有益的尝试。这里简要介绍实验教学新模式的设计。
要创建一个全新的实验教学模式是一件很困难的事情。在将科研成果转化为实践教学的过程中，我们充分利用研究成果其技术和研究方法先进的特点，在实验模式上以综合型取代单一型，以自由型取代限制型，创新型取代验证型，实战型取代模拟型。在内容的安排上，注重次序性和连续性，突出先进技术、科研思维和研究方法的引入，为学生掌握先进的技术和方法创造了条件，不但调动了学生参与实验的主观能动性，又达到了科研思维和创新意识培养的目标。下面以“机电一体化综合实验”开发为例来说明具体的实施过程。
“机电一体化综合实验”是在现代集成和柔性制造技术相关科研成果的基础上开发出来的综合实验。该实验系统首先强调的是机、电、信息技术一体化，不但将机构学、传感器、驱动器、控制器四个机电一体化的核心技术整合在一起，而且还可以同CAD、CAE、虚拟现实、信息化技术现代高新技术有机结合起来。
实验系统包括机电一体化创意实验设备，设备包括驱动单元、变速机构、滑块机构、丝杠传动机构、传送带、行星减速机构、龙门式机械手、笛卡尔教学机械手、物料自动识别与自动化装配系统一套、自动化立体库实验系统、通用控制单元、网络视频系统、集成控制平台、专门的实验系统网站等。依据该实验系统开设了24小时的“机电一体化综合实验”课程。在实验开始安排4小时的课堂教学，其内容的重点并不是相关知识的传授，而是注重实验技术路线的设计引导和学生学习热情的激发：突出的是实验采用的先进技术和实验方法。学生在课堂教学的基础上，学生首先进行实验技术路线的设计，可根据自己的设计完成机械机构的创意组合，传感器元件、PLC、交直流伺服控制、变频器等控制元件的综合应用。根据不同学生的学习能力，还可以开展人机控制界面、计算机网络通讯、远程控制等提高实验。整个实验系统设计，在知识的融合性、调动学生的学习积极性、培养和提高学生动手实践、创新意识方面具有自身的特色和优势。
1．在系统组织上可以将基本的零部件组成不同的模块，模块之间还可以方便组合，灵活方便。同时也可以进行分布式控制，由一台中央控制计算机控制多个单元，形成递阶式控制模式。克服了实验的单一性和验证性，有利于培养学生的创新意识。
2．强调动手能力培养，学生在实验中可充分体验机械设计、装配，电气设计与接线，控制系统设计与程序编写等实际操作过程。这无疑对提高学生独立从事科学研究和工程设计的能力是非常有益的。
3．系统按照实验教学平台设计，在实验项目组织上可按照实验目的和时间的不同灵活组织，可伸缩性强，适应面广，不但可以应用于实验教学、课程设计、毕业设计和业余科研等实践性教学环节，还为学生提供了施展才能的空间。
4．突出了先进技术和研究方法的引入，采用了基于Internet的远程控制和视频监控、无线网络、掌上电脑和基于OPC技术的集成控制等技术。
二、实践的效果
我们基于科研成果转化的“机电一体化综合实验系统”，三年来为“机电一体化技术”、“计算机集成与柔性制造”、“机电一体化综合实验”三门本科生课开设实验项目，满足了课程实践教学的需求。有的同学在谈到上“机电一体化综合实验”课程的感想和建议时说：“本实验课程确实给我们一个认识和了解机电一体化的良机，与以往的课程相比本实验课程给我感受最深的是：首先，它强调软、硬结合，注重综合能力的培养。其次，是它鼓励我们去创新，通过创新来深入地掌握知识，并最终达到运用知识的能力。”
还有同学利用该实验平台开展毕业设计工作，由于从中得到了较好的锻炼，2005年在申请香港蒋氏基金提供的赴美研究生选拔中脱颖而出。另一同学利用该项目的研究成果的实验平台完成了大学生科技创新项目《机电一体化远程实验技术研究》，验收等级优秀。另外，2004届和2005届15名本科生利用该实验平台完成毕业设计，研制了多个富有创意的实验系统，如“基于Internet的咖啡调制机”和“柔性自动化装配实验系统”等，不但丰富了实验系统本身，而且有些同学在毕业设计中完成开发的“柔性自动化装配实验系统”已经成功推广应用到本校自动化学院的实验室中。基于科研成果开发的本实验系统也得到了国内外其他高校的认同，许多同行在观看了相关成果的演示后，认为该实验平台很有创意，既体现了现代高新技术在制造领域的应用，又可以较好地应用到实验教学中，打通了实际系统与实验系统之间的应用瓶颈，学生可从中得到很大的锻炼。它采用的控制设备完全和工业应用一致，模拟的底层实际设备采用标准的工业型材快速构建，和工程实际产品非常接近，系统的扩展空间也非常大。该系统经济实用，和国内外相似的实验系统比较功能强、技术新、可扩展性好，非常具有竞争力。
[责任编辑：文和平]