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关键词:导盲 障碍物检测 射频识别
中图分类号:TP249 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2014)04(c)-0065-03
在生活中,我们往往会忽视一样我们的“心灵之窗”――眼睛,我们每人都会忽视它而不会保护它,但当你体会了盲人的生活,你就会知道眼睛是多么的重要。当我们蒙着眼睛去体会失去眼睛该怎么走路、日常工作时,才能真正体会盲人不能感知外界事物的痛苦。
作品的研究目标是为了方便盲人行走,使其感觉障碍物方位和感应路面情况的导盲装置,辨别障碍方向的杠杆传动机构以及辨别路面凹凸情况的摆动导杆机构可以使盲人学生在校园行动方便,不再因自己感觉不到障碍物而困扰。盲人朋友手持手柄即可以感触到障碍物及路面凹凸情况。作品含有射频识别装置可以完成对路面导航标签的识别,达到导航的目的。
1 设计方案
1.1 作品底部行动机构
行动机构是由辨别障碍方向的杠杆传动部分以及辨别路面凹凸情况的摆动导杆机构构成。其中零部件为感触杆、万向轮、铰链、软铁丝、弹簧。6个万向轮与地面接触,其中铰链上的5个感触杆用来接触障碍物,连接件上的万向轮通过导杆机构反馈地面凹凸情况。每两个轮子之间的角度是45°,整体范围为180°,铰链与中间固定杆连接。
1.2 行动机构中辨别障碍方向的杠杆传动部分
行动机构中辨别障碍物方向的杠杆传动中,其中铰链上的5个感触杆用来接触障碍物,这样就构成了一个力偶机构。首先我们的铰链和感触杆L11,L21,L31,L41,L51的底端通过弹簧相连接,L11,L21,L31,L41,L51的顶端和软铁丝相连接,而软铁丝和球型铰链相连接,这样,就构成了一个简单的力偶矩结构,形成一对方向相反的力偶。当带有杠杆传动部分的感触杆碰到某个方位的障碍物,这个障碍物时会相应的给感触杆一个力,然后杆L11的底端就会受到反作用力,方向指向靠近中间固定杆,由于两个力偶的方向相反,L11杆的顶端就会受到一个远离中间固定杆的力,这个力带动软铁丝L12,继而拉动手柄上的球型铰链,手柄向障碍物相反的方向摆动,握着手柄的盲人同学就会感受到LII所在的方向碰到了障碍物。
当这个感触杆L21碰到障碍物时会受到一个外力,然后杆L21的底端就会受到一个远离中间固定杆的力,这个力带动软铁丝L22,继而向相应方向摆动,握着手柄的盲人同学就会感受到L2I所在的方向碰到了障碍物。同理L31,L41,L51等所在方向的应用也是如此如图1所示。
这里的弹簧起到支持、回复原状的作用,当路面无障碍物的时候,弹簧可以保持机构稳定,而遇到障碍物后,避开后则会恢复原状。
1.3 作品底部辨别路面凹凸情况的摆动导杆部分
凹凸部分是利用摆动导杆机构,实现路面凹凸感知功能的。如说明图,图2所示,5个圆形万向轮与铰链相连,铰链与万向轮连接部分可以上下转动,因此当发生路面的颠簸或者障碍物的阻挡情况时,万向轮出现上下摆动,带动导杆上下移动,继而传递到手柄部分,盲人便可以通过手部的触觉,感知路面的情况。在压过凸起障碍物或者上坡时,万向轮上翘,使导杆下移;在遇到坑陷或者下坡时,万向轮下垂,使导杆上移。所以,使用者可以根据导杆的上下移动以及整体的受力情况,可以较为准确地推测出即将通过的相应路面的实际情况(图3)。
1.4 上部手柄方向转动
上部手柄部分包括球型铰链,手柄。当杠杆传动部分的感触杆受到障碍物的作用力,带动软铁丝,将力传递到手柄部分。具体流程是杆体通过球型铰链与手柄相连,当受到某个方向的力的作用时,铁丝拉动球型铰链上端带孔装置,而孔的方向与下部5个万向轮方向一一对应,位置上完全相反,这样会使手柄转动方向与障碍物的位置方向完全相反,方便身体感知。并且与导杆连接时,感受路面凹凸情况。例如左上方障碍物,手柄会向右下转动。符合人体感受事物的方向特征,更直观的感受障碍物方向,加之感受此处路段路面情况。
1.5 固定支架
如图4,固定支架是由一个中间固定杆和连接件组成,其中万向轮固定在连接件圆柱体部分中心。盲人校园通的支架起固定作品行动机构的作用,支架地面的万向轮与行动机构的另外5个万向轮组成一个平衡系统,使作品能够在这个平衡力的作用下保持平衡并且灵活的使用。
1.6 射频识别技术
射频技术(RFID)可以完成对含有路面导航标签建筑物的识别,从而达到导航的目的。我们通过射频识别技术使无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,在作品行动机构部分里的万向轮的连接件底部接入一个读卡器(Reader),各个建筑、路标等地安置路面导航标签即应答器(Transponder)。读卡器识别导向信息接收解读数据,做相应的处理后通过语音提示盲人目前位置,达到导航的目的。射频识别的优势是无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触,FID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。
1.7 超声波避障技术
超声波避障技术可以完成对路面悬空障碍物的识别,已达到避障目的。超声波避障技术通过超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后,遇到障碍物被反射回来,再被超声波传感器接收从而识别悬空处障碍物,并通过单片机系统做相应的处理后,语音提示盲人朋友,以帮助盲人躲避悬空处障碍物。
超声波避障的优点是实现方法简单技术成熟,受外界环境因素影响小、灵敏性强,相对于其他传感器,探测距离更长,精度更高等优点。
1.8 语音技术
语音技术通过单片机系统、超声波传感器,射频识别及语音模块组成。射频识别装置接收信号后传递到单片机系统,单片机系统通过控制语音模块进行语音导航提示,以帮助盲人朋友确定所在位置。其次是当超声波传感器发出超声波,遇到障碍物被反射回来后,信号传到单片机系统并通过单片机系统控制的语音模块进行语音提示,以帮助盲人朋友辨别障碍物所在位置,达到帮助盲人导航及避障的目的。从而为盲人朋友的行走提供便利。
语音模块优点是语音模块能帮助盲人朋友在行走中摆托障碍物所带来的困扰及黑暗世界给他们带来的不便。
其次它是通过清楚明了的提示性语言为盲人朋友提供帮助,让盲人朋友更加精确地辨别障碍物所处位置,以便能让盲人朋友更好的避开障碍物。达到提示避障目的。
2 工作原理及性能分析
2.1 辨别障碍方向的杠杆传动部分
障碍物时会受到一个外力,然后感触杆L21的底端就会受到一个向里的力,而L21杆的顶端就会受到一个向外的力,这个外力就会拉动软铁丝L22,感触杆拉动手柄,手柄就会向与障碍物相反的方向摆动动。
2.2 辨别路面凹凸情况的部分
利用摆动导杆机构,实现路面凹凸感知功能,每个万向轮带动导杆上下移动,在压过凸起障碍物或者上坡时,万向轮上翘,使导杆下移;在遇到坑陷或者下坡时,万向轮下垂,使导杆上移。
2.3 上部手柄感知部分
上部手柄部分包括球型铰链,手柄。当杠杆传动部分受到障碍物的作用力,拉动软铁丝,将力传递到手柄部分。
2.4 射频识别技术
利用射频识别技术,在作品行动机构部分里的万向轮的铰链底部接入一个阅读器(Reader),各个建筑、路标等地安置导向电子标签即应答器(Transponder),利用射频识别装置,当路过贴有导向电子标签时,读卡器读取导向信息,通过语音提示盲人所在位置,以及周边道路和建筑物的信息,达到导航的目的。
2.5 超声波避障技术
利用超声波避障技术,在作品中安装了超声波传感器,通过超声波的回声定位的特性确定悬空处是否有障碍物及障碍物所在位置,从而通过语音提示盲人朋友避开障碍物,达到避障目的。
3 创新点及应用
3.1 辨别障碍物方向
杠杆受到前进阻力,上下两端形成一个方向相反的力偶,带动软铁丝,使手柄向与障碍物方向相反方向摆动。
3.2 辨别路况信息
利用摆动导杆机构,实现路面凹凸感知功能,每个万向轮带动导杆上下移动,在压过凸起障碍物或者上坡时,万向轮上翘,使导杆下移;在遇到坑陷或者下坡时,万向轮下垂,使导杆上移。
3.3 语音导航功能
射频读卡器,读取路面导航标签,进行语音提示导航。
4 结语
在国内外,没有很好的仪器来帮助盲人,而且盲道周围的状况并不好,平时总能看到自行车停在盲道上,或者是树枝垂落在盲道上空,可想而知,这样的状况是不能方便盲人行走的。而且对于没有自理能力的盲人来说,导盲犬的价格也不是每一个盲人能够承受的起的,在这样的情况下,我们这样一个新颖的设计必能给盲人带来新的曙光,低廉的价格和实用性都是此设计的巧妙点。本作品为原创方案,我们设计的初衷是帮助盲人用最小的成本、最方便地行走在盲道上,减少他们的不便。在设计中,我们也人性化地考虑到了盲人行走的速度,这样提示的时效性就更为明显了本作品的价格对于盲人朋友可以接受,并且操作简单,可以得到大量的推广使用。并且我们认为经过我们进一步完善我们作品,此作品可以在社会上得到大量推广占有一定的市场。
参考文献
[1] 刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2004.
[2] 徐锦康.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2004.
[3] 孙恒,陈作模,葛文杰.机械原理[M].北京:高等教育出版社,2006.
关键词:卓越教育;机械原理;机械设计;精品课程;课程改革
作者简介:张洪双(1976-),男,吉林梅河口人,河海大学机电工程学院,讲师;楼力律(1973-),男,浙江湖州人,河海大学机电工程学院,副教授。(江苏 常州 213022)
基金项目:本文系2013年江苏省高等教育教改研究立项课题(课题编号:2013JSJG121)、面向“卓越计划“的机械设计课程教学改革研究和实践(项目编号:XZX/13A001-25)的研究成果。
中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2014)05-0067-03
我国提出的“卓越工程师教育培养计划”(简称“卓越计划”)旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才。河海大学是首批卓越计划的试点高校,同批的高校包括清华、北航、浙大、南大等重点高校,目前国内各高校在机械原理和设计课程上主要从课程的教学体系、课程内容、教学方法、课程的配套教材、课程的师资队伍建设、教学管理等方面进行努力和尝试,提高学生的创新意识和能力,提高学生的工程实践能力。[1]国外和国内“卓越计划”相近的工程教育模式为CDIO:[2]构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)、运作(Operate)。该工程教育模式由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学自2000年起,经过四年的探索研究后提出的,是近年来国际工程教育改革的最新成果。
机械原理及机械设计是以高等数学、机械制图、理论力学、普通物理、材料力学和工程材料等先修课程为基础的,并为学习有关机械类专业课程奠定必要基础的一门课程。通过课程的学习,学生需要掌握机构学和机械动力学的基本理论、基本知识和基本技能;初步具有拟定机械系统方案、分析和设计机构的能力;掌握通用机械零、部件的设计原理、方法和机械设计的一般规律,具有设计通用机械零件和简单的机械装置的能力;具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力等。因此本课程具有从理论性课程过渡到结合工程实际的设计性课程,从基础课程过渡到专业课程的承先启后的桥梁作用。机械原理及设计课程理论性较强和实践结合紧密,且各章节相对较独立,内容多,因此在其教学过程中应注重贯彻少而精原则,不强调面面俱到,知识点要突出,适当增加宽广度,注重机械发展的新概念和新方向。
国家提倡的精品课程建设是以一流教师队伍、一流教学内容、一流教学方法、一流教材、一流教学管理等为特点的示范性课程。面向卓越工程师的机械原理及设计精品课程建设的目的是针对卓越教育的特点,从教学队伍建设、教学内容和课程体系改革、先进的教学方法和手段、教材建设、理论与实践结合、课程建设全面规划等方面进行努力和发展,使卓越教育的机械原理课程教育教学在各方面符合国家示范性课程的要求。[3]
一、课程建设方法
根据精品课程建设的要求,并结合河海大学(以下简称“我校”)自身的发展和基础条件,从以下几个角度进行了相关工作:
1.面向工程应用的课程设置
机械原理及设计是机械类专业的一门重要的专业基础课,在整个专业培养和课程体系中具有十分突出的地位,是从基础课过渡到专业课、从理论性分析为主过渡到工程实践为主的一门课程。该课程是学生接触工程化的第一个实践环节,因此如何深化工程化的概念对于机械原理的教学十分重要。
随着各高校的扩招,年轻教师的数量越来越多,而且具有博、硕士学位的比例越来越高。目前各校新引入的年轻教师主要是从学校到学校,缺少工程经验;企业导师具有丰富的工程实践经验,但在理论高度和课程教育上又有所欠缺,所以工程化教育的师资队伍建设成为时展的需求。结合国家级“河海大学—宝菱重工卓越工程实践中心”的建设,为增加年轻教师的工程实践经历,在学生进驻企业的同时,各专业指导教师需要全程陪同,参与到企业的实践项目建设中。建立企业内实践的各学习模块,为各模块配备校内教师和企业导师,采用双导师制,企业导师负责实践教育,校内教师负责理论教育,相互学习,既提高了校内教师的实践能力,也为企业带来了较新的理论分析方法。而为了提高课堂教学时课程中工程应用的比例,进一步借鉴了蚌埠学院的相关做法:[4]优先引进同时具有高学历和工程实践背景的师资人才,聘请企业内高级技术人员做校外兼职导师;集合学院乃至校区的力量,积极参与常州市及周边地区的建设,增强校企联合;鼓励专利、产学研结合和技术服务,而不仅仅是理论研究和科技论文。
2.课程实施条件
在课程建设的具体实施过程中,主要从教师队伍建设、教材规划、教学条件保障等方面入手。
(1)主讲教师:从机械原理及设计的教学人员构成来看,任课教师中有1名教授、1名副教授、3名讲师,学历均在硕士以上,年龄从35岁到50岁,结构合理、年富力强,形成了一个教师梯队。课程的主讲教师在本科教育教学、教改研究等方面具有十分丰富的经验。为了提高教育教学效果,全体任课教师定期召开教学例会、集中备课、针对教学过程中出现的问题及时处理和分析,不断总结经验。
(2)教材规划:理论课教学选用了由东南大学出版、吴克坚编著的《机械设计》教材。该书是教育部“高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划”的研究成果,是面向21世纪课程和普通高等教育“十五”国家级规划教材。该教材以机械系统设计为主线,将机械原理和机械设计内容进行有效的整合。精品课程建设中,教材规划参考天水师范学院的立体化教材建设方法。[5]立体化教材包括主教材、教师参考书、学习指导书、电子教案、CAI课件、网络课程、试题库等。该教材的建设与机械原理和机械设计的课程内容、改革体系相结合,电子教案和课件能够及时反映教学改革的要求,网络课程建设促进教学改革的尝试,逐步提高机械原理及机械设计的教学水平。
(3)教学保障:卓越机械原理及机械设计的教育依托于本科教学平台,能够充分保障课程教学的教学要求。20多年来,学校不断加大投资力度,完善建设,学院的教学设备先进、设施齐全。学院设有本科教学的机械基础省级实验教学示范中心、河海大学常州校区工程训练中心、机械基础省级实验教学示范中心,其中省级实验教学中心在2007年立项建设,2010年顺利通过江苏省验收;专用与通用仪器和设备价值达2000余万元;学院实验室占地4000余平方米,拥有实验设备仪器1200余台套。目前实验室开设的实验课程主要包括:机构运动简图测绘、齿轮参数测量和范成、机构运动参数、螺栓连接、轴系零件组合、减速器拆装和自行车拆装等基础实验,以及机构运动拼接和机构组合实验等多个创新型实验环节。通过基础实验环节,学生能够加深对课程内容的理解和把握;通过创新型实验环节可以进一步提供学生的创新实践能力。除了校内的实验环节,还依托“河海大学—宝菱重工卓越工程实践中心”,对企业内部的设备、设计、工艺和检验等环节进行跟踪学习,让学生深入到车间生产一线,切身体会和了解企业内生产流程,为更好地适应企业环境打下良好的基础。
(4)网络化教学:为了提供一个自主的学习平台,提高教师对学生的教学管理能力,增强学生全方位的素质,完善了网络化教学模式。[6]我校机械原理及机械设计的精品课程网站内容(图1)主要包括课程简介、教学管理、教师队伍介绍、教学资源等。其中教学资源主要包括助学式课件、思考题、练习题、习题答案、课程重点及难点解析等。网站中设有留言信箱,方便同学对于课程的疑问和问题能够及时与老师沟通、联系。
3.课程评价体系
课程评价围绕课程培养目标,不仅要评价学生掌握的知识与技能,而且还要评价学生课堂的表现、出勤率和学习过程。评价时以课程考试为主要的评价方式,并辅助以课堂表现和出勤率等,力求评价方式的多样化。[6]单纯的期末考试不能完全反映学生对课程的掌握程度,目前各高校大多都采用多种方式,如课后作业、报告、实验、小测验、考试等进行考核,表1所示为根据我校卓越教育的特点采用的评分标准和比例。多样化的考核方式使学生必须注重平时的学习积累,不能通过突击的方式完成课程考试,学生有了积极学习的压力和动力,更能均衡地反映学生学习的实际水平和学习效果,符合正态分布。
表1 多样化的考核方法
考核项目
作业 实验 随堂测验 企业实践 期末测试
20% 15% 20% 15% 30%
4.课程改革与创新
机械原理及设计课程具有较强的实践性和可动性的特点。即课程研究的所有问题都来源于生产和生活中实际的机构与机器。因此学习方法要注意课程的特点,在学习过程中尤其应注意理论知识与实践应用的相结合、机构运动简图与具体实物的结合、机构的静态分析与动态分析相结合、形象思维与逻辑思维相结合,将理论分析内容和工程软件的应用相结合。
机械原理及设计的课堂教学、教学方法与手段等方面力求创新改革,探索适合卓越计划学生学习的课程体系和教学方式,培养学生的学习兴趣、创新思维和独立分析问题、解决问题的能力。
(1)教学内容的创新:针对卓越计划教育中学生的理论学习时间压缩而需要提高实际应用能力的学习特点和需求,在机械原理及机械设计课堂教学中的主要内容为:机械运动方案选型设计、机构运动分析与尺寸综合、机械动力学分析和设计、常用零部件的选择、常用机构选择及设计、机械系统设计等。此外还要重视介绍学科发展的新动态、新方向、新内容,注重激励学生的学习欲望,调动学生的积极性,让学生了解更多更新的理论、技术与方法。实践教学方面主要包括小项目和专题、实验教学、课程设计、课外创新等。[7]近年来国家以及江苏省组织了大学生创新训练计划、机械创新大赛等,在创新竞赛的过程中提高了学生的创新意识,使学生得到了实践锻炼的机会,开阔了眼界。
(2)教学方法的创新:机械原理及设计教学方法配合教学内容的改革,加强与学生的互动,将以教师为主的‘灌输式’教学向以启发式、问题式、讨论式教学为主的新的教学方法转变,让学生从被动学习转变为主动学习,真正成为教学活动的主体。
鼓励学生应用成熟的工程软件进行相关课程内容的学习中。例如在原理部分章节中涉及到的图形法采用AutoCAD软件来分析和设计,既可以得到比手工绘图精确得多的解,又可以锻炼利用AutoCAD软件绘图的能力。在解析法中可以结合matlab软件教学,既可以直接利用matlab编程的方法,具有丰富的库函数、编程简单、可视化功能强,又可以采用simulink和simMechanics进行机构的运动学和动力学分析。[8]如图2所示,某曲柄摇杆机构中,各杆件长度分别为l1=120mm,l2=40mm,l3=70mm,l4=100mm,在曲柄运动角速度250rad/s,利用simulink分析得到杆件BC和CD的角速度曲线。零件的强度分析是机械设计中的一个重要内容,应用有限元软件可以得到非常直观的应力及位移图形。[9]如图3所示为应用ANSYS 13.0对某齿轮进行强度分析的应力和位移图,其中齿轮模数mn为2mm,齿数z为24,螺旋角β为10°,材料45钢,在轮齿上受到20Mpa的力。对于这类专业软件有时学习起来比较困难,耗时间,可以采用一些其他三维造型软件自带的一些插件进行近似的分析,如Solidworks Simulation等,虽然结果上有一定的差异,但对于受力的整体变形趋势的分析仍然有很大的参考价值。
(3)教学手段的创新:在教学手段上,着重培养学生对机械系统的整体认识,突出课程重点,有效分析课程难点,课堂教学过程能够吸引学生的注意力,注重学生的参与,启发学生的思考和联想,加深学生对课程基础理论的理解。培养学生主动应用课程所学内容,锻炼其独立解决工程实际问题的能力。教学方法得当,充分利用多媒体教学,激发学生学习兴趣,提高教学效果。[10]多媒体课件中除了课程的文字性内容外,还要包括自制的动画课件和机械相关的视频信息,如企业内各种设备、工具和零部件及加工录像等。此外,在机械原理及设计课程中有关结构分析、运动分析、常用零部件选型、强度分析和计算等方面的教学还应该注意多媒体和板书的综合利用。
二、总结归纳
机械原理及设计课程在“卓越计划”教育的课程体系中处于承上启下的地位,因此加强卓越班级机械原理及设计的精品课程建设具有非常重要的意义和作用。在课程建设过程中,从面向工程化、保证课程实施、课程评价体系以及课程改革和创新等方面采取不同的措施和方法,可进一步提高卓越计划的教育教学质量,提高学生的学习兴趣和自主性,提高学生的实践能力和创新能力,使学生能够牢固掌握机械原理及设计中的相关基础知识和内容,为机械类后续课程的学习打下良好基础。
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[关键词]特色专业 机械原理 双语课程 教学改革
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437(2013)10-0077-03
近年来,随着我国高等教育由精英教育向大众化教育的发展,人才培养质量与经济社会发展不相适应的矛盾引起全社会的高度关注。以提高教学质量为核心的教学改革工程正全面展开,高等教育已逐步从数量满足型向质量提高型转变,专业人才培养也由原来的“趋同”向“特色”转变。高等学校特色专业建设是优化专业结构,提高人才培养质量,办出专业水平和特色的重要措施。[1]国内许多高校都在把特色专业建设作为求生存、求发展、提升竞争力的一项重要教学改革内容。[2]作为机械类专业的重要技术基础课程之一,机械原理课程对本专业人才的培养具有重要的意义,国内部分高校已逐步开展机械原理双语教学,并就教材建设、教学方法等做了有益的探讨。[3-6]由于我国相当一部分高等院校的机械类专业具有特定的行业背景,所建设的机械类特色专业也具有鲜明的行业特色,在此背景下开设的机械原理双语课程如何适应特色专业建设的要求是值得探讨的课题。
长江大学机械设计制造及其自动化专业2010年获批教育部高等学校特色专业建设点,并于2012年入选卓越工程师教育培养计划。该专业的前身是江汉石油学院石油矿场机械专业,具有浓厚的石油行业背景。近年来,石油工业国际化合作越来越深入,为了促进学科发展, 办出专业特色,本专业就机械原理双语课程的教学进行了积极有效的改革。
一、教材及教学内容选取
从学习英文专业术语和表达方法的角度出发,机械原理双语课程最好选用国外原版教材,目前较好的原版教材有《Design of Machinery》(Fifth Edition)、《Mechanism and Machine Theory》、《Mechanical Engineering Design》等。但上述教材的覆盖面太宽,知识体系庞杂,不但囊括了国内机械原理教材的所有知识点,而且包含人机工程学、引擎动力学等内容,大大超过了国内普通高校对机械原理的教学要求,不符合国内机械原理的教学实际。因此在本专业开设机械原理双语课程时,根据专业定位和人才培养目标,选用了福州大学叶仲和等编写的《Mechanism and Machine Theory》作为教材,该教材主要教学内容与国内普遍使用的《机械原理》(西北工业大学)相近,部分章节顺序作了适当调整。该教材难易适中,学生在预习、复习时困难不大,同时其结构体系与西工大的机械原理接近,便于教师从汉语教学向双语教学过渡。
在教学过程中,我们发现该教材在机构的组成原理、运动分析及机构综合方面的内容基本满足教学需要,但对机器动力学及机构现代分析和综合方法讲解不够深入,难以有效指导学生利用计算机技术解决工程问题;同时由于该教材面向通用机械专业,书中实例偏少且缺乏针对性,对学生创新能力的培养和将来面向石油行业就业的作用不大。为解决上述矛盾,我们在教学内容上做了适当调整,增加了国外原版教材《Design of Machinery》中第11章“Dynamic Force Analysis”的部分内容,并将该书中“Oil field pump”等与石油机械相关的实例引入课堂教学。此外我们还将教学与科研实际相结合,如以新研制的钻机用多级行星变速器为例说明行星传动的组成及设计要点,既做到理论联系实际,又丰富了教学内容,还突出了本课程的石油机械特色。
二、教学方法改革
教学方法是教师和学生为了实现共同的教学目标,完成共同的教学任务,在教学过程中运用的方式与手段的总称。我校机械原理双语课程的教学目的是,使学生掌握机构学和机器动力学的基本理论,学会常用机构的分析和综合方法,具有进行机构系统运动方案设计的初步能力,同时通过读、听、写、说等方式,培养利用英语学习新知识和进行学术交流的基本能力。
为达到上述教学目的,在教学方法上应做到以下几点:首先,应注重培养学生的主观能动性。在教学中将以“教”为主转变成“教”与“学”并重,在发挥教师主导作用的同时又充分体现学生的认知主体作用。在课堂上,我们注重给学生安排适当时间,让学生提问题、进行小组讨论、完成课堂作业等,使每个学生都参与到听说读写环节,巩固课堂教学成果。其次,注重将传统的板书教学与现代化多媒体教学手段相结合。我们充分利用本特色专业的校外实习基地资源,通过拍摄照片、视频和制作动画等方式,积累了大量机构原理和应用方面的多媒体素材,并适当配以英文说明,将静态的、抽象的机构模型转变为形象的、动态的机构实例,不但能够充分发扬多媒体教学形象直观的优点,而且为将来到上述企业就业的同学预先提供了熟悉相关产品和设备的机会。同时,在授课过程中,将重要知识点和结论书写在黑板上,可弥补多媒体教学呈现较快、不利于学生思考、记笔记和听课不能同步的缺点。最后,在双语教学中遵循循序渐进的原则。我校开设双语课程的要求之一是课堂上英文比例不少于50%,但执行过程中我们发现,如果从第一节课起就严格执行此标准,不少学生会因不适应双语教学环境、英语听力不足等原因产生抵触情绪。因此,我们采用由双语交叉渗透教学到完全渗透教学的方式,前15-20个学时课程中,英语比例逐步由30%上升到50%,易于理解的部分用英文讲解,重难点部分用汉语讲解,允许学生提问和回答问题时兼用英语和汉语,逐步培养学生主动适应英语授课的意识。在后50-55个学时的课程中,则进一步增大英语的比重,力争达到授课、讨论、练习和考试的全英语化,只对少数难以理解的内容适当用汉语引导。
三、考核手段改进
在机械原理课程双语教学中,科学合理的考核方式对检验教学质量起着重要作用。传统考核方式主要依据考试成绩和平时成绩进行,其中考试成绩占80%,平时成绩(包括作业、考勤、课堂提问等)占20%,这种考核方式在一定程度上反映了学生对重要知识点的理解和掌握,但存在以下缺点:(1)考试题目以基本概念和公式为主,题型呆板,不能体现特色专业建设中对学生解决实际问题能力的培养要求。(2)考试成绩所占比重太大,存在严重的“一卷定乾坤”现象。(3)考试内容单一,短时间内死记硬背也可应付,助长了部分学生的投机心理。因此,传统的以考试为主的考核手段,难以全面反映机械原理双语课程的教学效果,不利于双语教学的发展。
鉴于此,对机械原理双语课程的考核方法作了如下改进:(1)增加平时成绩在考核结果中的比重,相应降低考试成绩的比重,有效激发了学生的学习热情,强化了持续学习的动力,提高了课堂互动效果,消除了期末突击复习的种种弊端。(2)实行半开卷考试,增加应用型题目的比重。在半开卷考试中,学生可携带一页书写有与本课程相关内容的A4纸张进入考场。这样可减少大量机械背诵的负担,但一页纸所记载的信息量是有限的。学生要想取得好成绩,就必须认真理解课本内容,用心领会教师在课堂上加入的新知识,将重要知识点进行筛选、综合和整理,浓缩于一张A4纸上。整个过程有利于提高学生的独立思考能力和对知识进行分析、归纳、综合的能力。增加应用型题目的比重则进一步侧重于考核学生运用机构分析和综合的理论知识解决实际工程问题的能力,有利于学生在平时的学习中认真观察、思考,做到学以致用。(3)将机械原理实验成绩列入考核范围。在以往机械原理教学中,实验作为教学环节的一部分,但未纳入考核范围,致使少数学生敷衍应对。为此,我们将实验成绩以10%的权重纳入考核范畴,使学生产生一定的压力和动力,有利于培养学生的动手能力和创新能力。
四、课程设计改革
机械原理双语理论课结束以后,学生将接受为期两周的机械原理课程设计训练。机械原理课程设计是使学生较全面系统地掌握和深化本课程的基本理论的方法,是培养学生初步具有机械运动方案设计和分析能力的重要教学环节,也是培养学生工程设计,特别是机构创新设计能力的重要实践环节。在我校机械设计制造及其自动化特色专业建设中,提高学生的综合设计与创新能力是基本建设任务之一。为此提出如下改革方法:(1)课程设计题目围绕石油机械主线,彰显石油特色。我们拟定了“游梁式抽油机连杆机构的分析与综合”及“往复泵动力端传动机构设计和分析”这两大类题目,并根据实际设备给定不同的已知参数,做到了同班学生之间不重题,既有利于学生之间互相讨论学习,又有效避免了抄袭现象。(2)鼓励学生自报题目,培养创新氛围。对于平时学习表现良好、有明确意愿参加机械创新设计大赛且已确定题目的学生,鼓励其以创新设计大赛题目进行课程设计。(3)鼓励学生采用英文撰写课程设计报告,巩固双语教学效果。由于机械原理课程设计报告中大篇幅的文字论述较少,以公式推导和结论性叙述较多,所以对学生而言,难度并不大,在2周的时间内能够完成。对于采用英文撰写报告的学生,适当拔高其报告成绩。这样可有效激发学生进一步学习和巩固机械原理课程中相关英文专业术语和表达方法的热情。
五、教学效果
近年来我校机械原理双语课程的教学改革收到了良好的效果。从历年对学生发放的调查问卷来看,77.8%的学生表示完全接受全英文课件,92.6%的学生认可机械原理双语课程的教学安排,93.5%的学生认为本课程紧密联系实际,体现了石油特色。本课程的主讲教师在学生的评教中得分均在90分(优秀)以上,说明绝大部分学生对机械原理双语课程的改革持肯定态度。从近5年来我校学生课外科技活动成果来看,“后置三角摆架式长冲程抽油机”获得“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖,“基于反馈原理的高楼缓降器”获全国大学生机械创新设计大赛二等奖,“含油污水分离器”等20余项作品在省级竞赛中获奖,在此基础上产生了“一种双驴头前置式异相曲柄长冲程节能抽油机”等11项国家专利,30余篇,不但其中大部分成果涉及石油装备及设备,而且是学生在学习机械原理双语课程之后创作产生的,充分体现了机械原理双语课程在我校机械设计制造及其自动化特色专业中所起的重要作用。
六、结束语
通过机械原理双语课程的教学改革,我校总体上摸索出了一套适应机械设计制造及其自动化特色专业建设要求、培养既懂专业又通英语、在石油机械方面具有明显优势的机械类高级工程技术人才的教改方案。由于目前双语课程本身在国内存在的时间并不长,在理论和实践方面尚存在一定争议,所以给特色专业建设环境下的机械原理双语课程提出三点建议:(1)大力培养具有良好专业素质和外语素质的教师,尤其要加强青年骨干教师的培养力度。(2)在教学中应始终将传授专业知识放在第一位,外语知识放在第二位,不可本末倒置。(3)无论何时都不应忽视对学生创新能力的培养。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 张婕.高校特色专业建设:现实与前瞻[J].教育研究,2011,(5).
[2] 杨治立,朱光俊,吕俊杰.冶金工程特色专业的建设与实践[J].教育与职业,2009,(18).
[3] 李琳,张铁,李杞仪.机械原理双语教学方法的探讨[J].北京大学学报(哲学社会科学版),2007,(5).
[4] 韩建友.机械原理双语教学教材建设[J].北京大学学报(哲学社会科学版),2007,(5).
关键词:OBE;工程教育;《机械原理》课程设计
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2016)21-0057-02
为了推进工程教育改革,促进中国工程教育的国际互认,培养与国际接轨的中国工程师,由专门的职业或行业协会(联合会)、专业学会针对高等教育机构开设了工程类专业实施专门性认证,工程教育认证强调工科专业人才培养质量达到行业提出的基本质量标准要求,是一种合格性评价[1,2]。工程教育专业认证强调的三个核心理念:产出导向(Outcome based education,简称OBE)、学生为中心、持续改进,这些理念代表了工程教育改革的方向,是一种先进的教育理念[3]。我国若要成为《华盛顿协议》正式签约组织,就必须基于OBE理念,深化我国的工程教育改革和工程教育认证体制。
《机械原理》是机械类专业必修的一门重要的技术基础课,它是研究机械的工作原理、构成原理、设计原理与方法的一门学科,而《机械原理》课程设计是紧随《机械原理》课程之后的实践性教学环节,是《机械原理》课程的延伸[4]。基于OBE工程教育认证的12条毕业能力要求及课程规划,《机械原理》课程设计需培养的主要能力包括:1)掌握工程基础理论知识并能将其应用于工程问题(毕业要求1);2)具有分析和解释数据,得到合理、有效结论的能力(毕业要求2);3)具有综合运用机械设计理论和技术手段设计复杂机械系统、部件和过程的能力(毕业要求3)。
本文基于OBE工程教育理念对《机械原理》课程设计课程能力的上述四条要求,结合近年实践经验,阐述我校《机械原理》课程设计改革模式,并为其《机械原理》课程设计改革提供参考。
一、机械传动系统设计能力
《机械原理》内容包括两部分,其一是对现有机构的学习,包括构型分析、运动学和动力学的学习;其二是针对具体任务,利用所学机构学知识,设计传动方案。前者称为分析,后者称为型综合,《机械原理》学习的最终目的,就是要达到型综合的高度,《机械原理》课程设计正是锻炼综合能力的实践教学。
遗憾的是,传统的《机械原理》课程设计,体现不出OBE所要求的设计系统的能力,复杂机械系统更无从谈起,因此,改革势在必行。
基于OBE教学理念的课程设计改革使设计题目多样化,调动学生设计的积极性而不限制其思维,并且课程设计只提出最终要求而不限制方法,为了让学生在规定的时间内独立完成设计任务,题目不宜太深太复杂,其原则为:题目具有综合性,以运动方案设计为主;题目要覆盖《机械原理》课程的主要内容;题目应结合生产实际,是学生在日常生活、生产实践中所熟悉的;题目的设计结果应包括两到三种基本机构,也允许选用其他常用机构或组合机构;题目要有一定的灵活性和创新性,有利于发挥学生的创造力。
在设计题目确定后,需对已选题目提出三种运动方案,并经反复论证,确定一种最佳运动方案进行设计和分析。这种自由选题的模式可大大提高同学的兴趣。设计方案由学生独立提出,经独立地分析、比较后确定最佳方案,以发挥其主观性、创造力,使学生受到一次真实的设计训练,进而提升其机械传动系统设计能力。
此外,改革后的课程设计,学生们可以自由组合,每个小组自由选择设计题目,小组成员分工协作,共同完成设计任务。从选题、论证、设计到最后提交设计成果,共同讨论、研究,各自发挥自己的长处,不仅培养了创新意识和创新能力,也使他们体会到团队合作的作用。这也符合OBE培养大纲中工程毕业生个人能力和人际团队能力培养的要求。
二、工程基础理论知识应用能力
传统的《机械原理》课程设计中,方案确定之后,其相关运动参数也随之给定,每个学生需要做的就是绘制机构运动简图,利用图解法和解析法对所选机构的位移、速度、加速度及力进行分析,并绘制机构运动线图和作误差分析,最后编写课程设计说明书。从本质上来说,这样的设计仅能算一次作业,效果并不理想。尽管学生都能按部就班地完成设计任务,但却调动不了学生的设计兴趣,对工程基础理论知识的应用缺乏深刻理解,谈不上对学生的毕业能力的培养。
基于OBE教学理念的课程设计改革使设计题目多样化,只提出最终要求而不限制方法,学生可以充分地利用所学的理论知识去解决实际的问题。考虑到《机械原理》课程设计时间较短,教师在《机械原理》课程教学中,需提前做出安排,如现代工具的使用、软件的学习、各种方法的比较、综合性作业安排等。
任务的不确定性导致解决方法的多样性。学生需要根据所选择任务,基于所学的机构学知识,甚至查阅相关文献去设计解决方案,当多个设计方案确定后,需要比较各方案的优缺点,必然会深入了解每个所设计的传动方案,最终方案确定后,需对其进行结构、运动学和动力学分析,因有了方案设计的深刻理解,设计的目的已非常清楚,在相应分析时,对方法的选择和掌握自然水到渠成,加深了对所学理论知识的认识,明确了理论知识的实际应用,从而不至感觉学无所用。
三、分析和解释数据能力
在我国的工程教育认证中,第二条毕业要求学生能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理,识别、表达并通过文献研究分析复杂工程问题,以获得有效结论[5]。传统课程设计整个传动方案为教师所指定,分析方法固定,无需学生深入了解,只需按部就班完成画图和分析即可,可见,传统课程设计在第二条毕业能力要求上基本没起到培养作用。
改革后的课程设计,从设计任务到设计方案的确定,均需要学生根据具体情况进行分析,然后根据所学知识,自己设计传动方案,并需要通过多方案的比较而得出可行方案。在方案确定后,详细设计传动系统时,需要根据实际任务确定各参数,最后对机构进行分析,并对数据进行误差分析。为了更真实地让学生理解数据的意义和正确性,要求学生对所设计的传动方案进行全部或者部分的搭接实验,通过搭接实物并测量参数,再与理论分析数据进行对比,找出误差存在原因,从而得出相应结论。
四、考核方式的改进
评估学习产出是OBE教育模式中十分重要的环节,如何合理地对各项能力进行客观评价,对课程的改革及持续改进有非常重要的作用,与课程设计所培养能力相对应,《机械原理》课程设计成绩分为四部分:选题成绩、平时成绩、设计成绩及答辩成绩。各部分成绩分值及考核依据如下。
选题成绩占总成绩的30%。主要考查设计机械传动系统方案能力。每个团队均需通过PPT形式,结合参考文献查阅或调研情况,对自己团队的设计任务进行说明,根据所定任务设计两到三种机械传动方案,每个方案中必须包含两至三种典型传动机构,并且必须包含四杆以上连杆机构。根据传动方案是否合理、考虑是否周全、有无创新点、是否实用进行综合考核。
平时成绩占总成绩的10%,主要依据设计阶段的出勤情况和态度评定,这是设计正常进行的基本保证,也是初步对毕业要求9中个人与团队能力的培养。
设计成绩占总成绩的40%,主要评估工程基础理论知识应用能力与分析和解释数据能力,根据所选择分析方法、数据分析的正确性、模型建立、运动仿真、简图绘制等进行评价。
答辩成绩占总成绩的20%,各组将集中设计阶段的工作及成果以PPT形式作汇报,主要介绍组员分工及完成情况,组员自评分,搭接视频等,并回答提问,据此评判答辩成绩。
通过此类考核方式,对毕业生的能力9(个人与团队)和10(沟通,包括撰写报告和陈述发言、清晰表达或回应指令)也起到初步培养的效果。
此外,上述基于OBE工程教育理念的考核方式对教师的教学投入提出很高要求。例如:教师需要投入较多的精力和心血研究繁琐的教学目标分解和教学方法选择,要求其自身具有扎实的专业理论知识、较广博的基础知识面、较强的动手能力及计算机应用能力。对设计中可能出现的各种方案及其特点要有充分认识,能够正确引导学生,使他们经过认真思考和分析比较后,可以选择一个适当的方案。这样才能适应当前实践教学改革和发展的需要,从而有效引导学生积极思考,培养他们的创新能力。
五、结束语
经过近两年的实践,发现根据OBE教学理念改革后的《机械原理》课程设计,为学生机械传动系统设计能力、工程基础理论知识应用能力、分析问题和解决问题的能力以及团队合作和工程实践能力的锻炼和提高提供了很好的平台,并确实取得了较好的效果。然而,OBE工程教学模式是一个系统的工程,无论是在设计内容,还是在设计方法和评估方式上,还有很多需要完善之处,需要进一步的改革和探索,持续改进,以更好地培养学生相应的毕业能力,实现培养与国际接轨的中国工程师的目标。
参考文献:
[1]中国工程教育专业认证委员会.工程教育认证一点通[M].北京:教育科学出版社,2015.
[2]余天佐,刘少雪.从外部评估转向自我改进―美国工程教育专业认证标准EC2000的变革及启示[J].高等工程教育研究,2014,(6):28-34.
[3]顾佩华,胡文龙,林鹏,等.基于“学习产出”(OBE)的工程教育模式――汕头大学的实践与探索[J].高等工程教育研究,2014,(1):27-37.
关键词:机械原理课程设计;机械系统运动方案设计;机构尺度综合;机构仿真
《机械原理》是高等工科院校机械专业必修的一门重要的专业技术基础课[1,2],《机械原理课程设计》则是使学生较全面系统地掌握及深化机械原理课程的基本原理和方法,培养学生综合运用所学知识,提高分析和解决工程实际问题的能力的重要实践环节。
一、问题的提出
我校《机械原理课程设计》所选用的设计题目以往多为针对不同类型的连杆机构进行运动分析及动态静力分析。机构的类型机构及尺寸由教师指定,一般为平面六杆机构。班级各学生所需分析的机构类型或机构的尺寸不同。
随着科技的进步与发展,对高等教育的要求也在不断提高。培养具有创新精神和实践能力的人才,提高工科学生的综合能力已成为机械工程教育工作者的共识。在此大环境下,对《机械原理课程设计》进行改革,将以分析为主的《机械原理课程设计》改变为“机械系统运动方案设计[3,4]——型综合——尺度综合——运动动力分析”的设计型《机械原理课程设计》,势在必行。
二、设计型《机械原理课程设计》
课题组首次在大三詹天佑班及车辆专业部分学生中试点,进行了设计型《机械原理课程设计》的探索与实践。
课题组在充分调研查阅的基础上,选用文献[5]作为主要参考教材,并自编了与之配套的任务书等教学资料。
1.设计的目的及任务。设计型《机械原理课程设计》的目的在于:使学生巩固理论知识,并使其对于机械的组成结构、运动学以及动力学的分析与设计建立较完整的概念;掌握机械运动方案设计的内容、方法和步骤,培养机构选型与组合和确定运动方案的能力;培养学生表达、归纳、总结和独立思考与分析的能力。其任务为:针对某种简单机器(它的工艺动作过程比较简单)进行机械运动简图设计,包括机械系统运动方案的设计与评定,机构尺度综合等。
2.设计题目。本次《机械原理课程设计》选择了“圆盘型自动包本机进本系统”、“水稻插秧机”等六种机械系统作为设计与分析的对象。各个机械系统由多个能够完成具体工作的机构组成,其各组成机构必须动作协调,方能实现预期要求的功能。教师根据各机械系统所包含的具体工作机构的数目,将学生分为2~4人一组,每位学生在完成所要求的整体机械系统运动方案设计的前提下,还须独立完成该机械系统中的指定工作机构的型综合、尺度综合及其运动分析(动力分析部分为选作)。因此,任意一名学生的工作均需各自完成,不可能“拷贝”他人成果。
3.设计内容及要求。设计型《机械原理课程设计》要求学生根据教师下达的任务书完成:①全组讨论及提出两个以上系统设计方案;②经比较、选优,确定系统最终方案;③每个学生设计分析总体系统中的一个机构;④每个学生对自己设计的机构运用解析法完成机构运动分析;运用解析法选作机构受力分析;⑤每个学生运用软件选作机构的仿真与验证;⑥完成设计说明书。
三、《机械原理课程设计》指导方法的改革
1.《机械原理课程设计》前期工作。《机械原理课程设计》为期两周,为使学生能够有充分的时间消化理解《机械原理课程设计》的内容,做好先期准备工作,我们提前一周半进行《机械原理课程设计》授课。许多学生听课后即开始查阅资料,重温课程设计中所用到的相关先修课程的知识,讨论方案,主动找老师答疑等,教师也插空到班级辅导,收到良好的效果。
2.集思广益,确定机械系统运动方案。各组学生拟定出两个以上机械系统运动设计方案。所有参加设计型《机械原理课程设计》的六十多名学生一起进行讨论,集思广益,优选机械系统运动方案。具体做法为:每组选派一名学生主讲,其他学生补充,借助PPT介绍本组初定的几种设计方案,指出各方案的优缺点及筛选原因,其他学生提出问题及建议。通过讨论,学生对许多概念、基本理论有了新的认识和理解,巩固了课堂教学中学到的知识,并且各组学生取长补短,相互学习,开阔了思路,对本组原有的设计方案又有了许多新的设想。
3.理论联系实际,完成机构设计。由于所承担的任务不同,每个学生必须独立完成总体系统中一个机构的设计,难度较大。指导教师与实验室老师一道,带领学生参观各类机构模型,演示各类机构动画,讲解各类机构的优缺点及适用场合,一一解答学生的各种问题。指导学生运用solidworks软件对自己设计的机构进行仿真与验证。
4.综合运用知识,对机构进行运动分析和力分析。教师对运用解析法对机构进行运动分析和动态静力分析进行了较为详细的讲解,对运用solidworks软件和ADAMS软件进行机构的运动分析和力分析的方法及常见问题的解决进行了辅导,使得学生在求解机构的运动过程中即“知其然”又“知其所以然”。
5.在课程设计的各环节中强化学生综合素质的培养。教师在课程设计整个过程中注重对学生查阅文献、基础理论知识的掌握、各科知识的融会贯通、理论联系实际、独立思考、综合运用所学知识解决实际问题、动手能力、克服困难、创新意识、团队协作精神等多方面的能力进行培养,并在对每位学生单独进行答辩的过程中加以考核。强化了对学生综合素质的培养,效果较为理想。许多学生感慨,这次课设虽经历了许多困难,但收获了知识,获得了成功的喜悦。
四、结束语
开展“设计型《机械原理课程设计》”,收效明显:
1.使学生进一步巩固和加深了对理论知识的理解,并逐步掌握了工科学生应具备的理论联系实际的学习方法。
2.调动了学生学习的主动性和积极性,使学生动手实践能力、创新设计能力、团结协作精神和综合素质得到了提高。
3.促进了师资的培养,教师自身的业务水平得到提高,队伍得到了锻炼。
参考文献:
[1]孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理[M].第七版.北京:高等教育出版社,2006.
[2]谢进,万朝燕,杜立杰.机械原理[M].第二版.北京:高等教育出版社,2010.
[3]孟宪源,姜琪.机构构型与应用[M].北京:机械工业出版社,2004.
[4]邹慧君.机械原理课程设计手册[M].北京:高等教育出版社,1998.