以實(shí)用創(chuàng)新為目標(biāo)的大學(xué)生實(shí)踐教學(xué)方法探索

高強(qiáng)，張闖，禹瑞雪

（1.沈陽建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽，110168；2.沈陽工程學(xué)院機(jī)械學(xué)院，遼寧沈陽，110136;3.沈陽工程學(xué)院自動化學(xué)院，遼寧沈陽，110136；4.浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江寧波，315722）

0 引言

2015年國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見》中，明確指出我國高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的基本原則是“堅持育人為本，提高培養(yǎng)質(zhì)量；堅持問題導(dǎo)向，補(bǔ)齊培養(yǎng)短板”[1]。創(chuàng)新發(fā)展是居于國家發(fā)展全局的核心位置，近年來，我國發(fā)明專利授權(quán)數(shù)、國際論文被引數(shù)均位列世界前列，我國創(chuàng)新能力大幅提升。創(chuàng)新成為高新人才所應(yīng)具備的基本素質(zhì)，培養(yǎng)創(chuàng)新型青年人才，是國家創(chuàng)新活力之所在，也是科技發(fā)展希望之所在[2]。

應(yīng)用型人才培養(yǎng)是國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的重要一環(huán)，為探索應(yīng)用型人才培養(yǎng)教育方法，提升學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神最終達(dá)到學(xué)以致用。在“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”其“訓(xùn)練實(shí)踐”的教育模式下，學(xué)生通過指導(dǎo)教師的指導(dǎo)，自主完成創(chuàng)新性研究項(xiàng)目。以社會需求為出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)用學(xué)生所學(xué)知識，完成項(xiàng)目研發(fā)。以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力。

1 項(xiàng)目成員

由表1項(xiàng)目成員構(gòu)成表可以看出，學(xué)生成員構(gòu)成充分考慮了學(xué)科交叉，并以高年級帶領(lǐng)低年級，在關(guān)鍵問題上教師指導(dǎo)，設(shè)計思路上學(xué)生主導(dǎo)。指導(dǎo)教師分析整個項(xiàng)目的技術(shù)難點(diǎn)，分派任務(wù)后，放手由學(xué)生自主討論、設(shè)計、制作、調(diào)試，以便鍛煉學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作及分析解決問題的能力[3-4]。

表1 項(xiàng)目成員構(gòu)成表

2 電磁彈射裝置原理分析

2.1 基本原理分析

電磁發(fā)射是采用電磁作用原理產(chǎn)生的電磁推力使物體加速的。因電磁驅(qū)動力與電流平方成正比，所以只要保證足夠的電流輸入，便能在發(fā)射裝冒內(nèi)產(chǎn)生足夠大的推力，使物體達(dá)到更快的速度，常用于艦載機(jī)彈射起飛使用[5]。

電源裝置：電磁彈射器用的是直流電源，而且在電磁彈射器工作時負(fù)荷沖擊性非常大。雖然有了儲能裝置，但由于彈射器要求在很短時間內(nèi)起飛更多架次的飛機(jī)，所以對電磁彈射器的電源容量要求也比較大，一般容量在5～8KVA左右（但輸出電壓卻不高）。對于交流發(fā)電機(jī)而言，但如果是直流發(fā)電機(jī)，則必須是無刷穩(wěn)流直流發(fā)電機(jī)，否則滑環(huán)的強(qiáng)大電流會灼傷換向器。

強(qiáng)迫儲能裝置：強(qiáng)迫儲能裝置是電磁彈射器的核心部件，它不僅緩解了發(fā)電機(jī)的壓力，同時在彈射器不工作時吸收發(fā)電機(jī)的能量，使發(fā)電機(jī)幾乎不受沖擊性負(fù)荷的影響。

導(dǎo)軌：電磁彈射器的導(dǎo)軌與電磁軌道炮的差異很大，也比其復(fù)雜的多。電磁彈射器的導(dǎo)軌共有4個，分別為上部2個，下部2個。但每根導(dǎo)軌都非常長，安裝在起飛甲板的下面。不僅如此，導(dǎo)軌與飛機(jī)牽引桿的接觸面至導(dǎo)軌中心還有很多特細(xì)的小孔，所以其冷卻油不僅僅是為超導(dǎo)體降溫，還有潤滑的作用，而且會使飛機(jī)牽引桿在運(yùn)行時降溫。

脈沖發(fā)生器：蒸汽彈射器為使發(fā)動機(jī)與彈射器同步運(yùn)行（縮短起飛距離），用一根鋼棍先擋住飛機(jī)運(yùn)行，由于飛機(jī)發(fā)動機(jī)推力無法推斷鋼棍，但與彈射器合力卻可推斷鋼棍，從而使飛機(jī)在彈射器與發(fā)動機(jī)合力下起飛。但電磁彈射器卻無需鋼棍擋住，在飛機(jī)起飛時電磁彈射器同步通電，但電流是逐漸增加，并且在起飛末段將電流截止。

輔助裝置：即冷卻系統(tǒng)、預(yù)加動力裝置、減速緩沖與剎車裝置等[6-7]。

2.2 作品外觀設(shè)計

本設(shè)計作品為中小學(xué)生電磁彈射實(shí)驗(yàn)所做，為使其生動形象，更具吸引力，故依然使其安裝在航母模型上。使用NX UG12.0進(jìn)行設(shè)計，由于該作品應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教具，對于尺寸設(shè)計需求并非過于嚴(yán)格，故在裝配方法中采用混合裝配，先根據(jù)電氣元件創(chuàng)建主要零件體合成子裝配后，再根據(jù)子裝配體設(shè)計其他零件，可以對作品的三維模型進(jìn)行快速設(shè)計，對主體機(jī)構(gòu)布局與尺寸進(jìn)行設(shè)計，并對電氣元件進(jìn)行布局。本部分任務(wù)由機(jī)械設(shè)計專業(yè)的2名學(xué)生承擔(dān)。

2.3 電氣控制部分設(shè)計

電磁炮的主要由電源、逆變電路、升壓整流、限壓充電、發(fā)生裝置組成。將12V電池組提供的直流電升壓到220V左右交流電，再經(jīng)橋式電路整流給儲能電容充電，即給電磁炮充電。

由基本原理分析可知，本項(xiàng)目的設(shè)計難點(diǎn)在于電氣控制的設(shè)計，其需直流升壓，將電池提供的較低的直流電壓，提升到需要的電壓值，其基本的工作過程都是:高頻振蕩產(chǎn)生低壓脈沖——脈沖變壓器升壓到預(yù)定電壓值——脈沖整流獲得高壓直流電，因此直流升壓電路屬于DC/DC電路的一種類型。本裝置使用12V低電壓輸入，310V高電壓輸出，升壓后的220V交流電，通過橋式整流電路轉(zhuǎn)換成直流電，輸出的電壓為310V為電容充電。通過空氣開關(guān)控制電容對線圈的放電，從而實(shí)現(xiàn)電生磁。電路使用NI Multisim 14.1進(jìn)行繪制，可以通通過圖形化界面拖拽搭建電路原理圖，并對電路進(jìn)行仿真。本部分內(nèi)容由分配給機(jī)電、計算機(jī)專業(yè)兩名學(xué)生完成，兩名同學(xué)均為大三學(xué)生，專業(yè)知識已基本掌握由其繪制電氣原理圖1。

圖1 電氣原理圖

該電路由2個NPN功率三極管、2個電阻與1個帶中心對稱抽頭的變壓器組成。其原理就是一個震蕩電路，將直流轉(zhuǎn)為交流，再通過變壓器升壓。通過2個相同12V直流電壓回路頻繁交替，行成不斷變化的反向電流，再通過變壓器耦合升壓為220V高壓交流電壓。

當(dāng)直流電壓接通瞬間，三極管Q1和Q2的基極都有較高的電壓，理論上兩個三極管應(yīng)該同時導(dǎo)通，但是由于兩個三極管和回路之間存在差異，正因?yàn)檫@微小，令兩個三極管無法同時導(dǎo)通，而且其中一個三極管導(dǎo)通會把另一管子的基極電壓拉低，使其截止。例如，當(dāng)Q1導(dǎo)通時，Q2被拉低而截止，同時隨著管子的導(dǎo)通電流增大，變壓器線圈對電流有阻礙作用，使Q1基極電壓緩慢被拉低，當(dāng)電壓低于0.4V時截止，Q2導(dǎo)通，反之原理也一樣。

實(shí)物制作時，將電容兩端連接到纏好的線圈上，通過空氣開關(guān)控制電容的瞬間放電，產(chǎn)生很大的電流，從而產(chǎn)生較大的磁場，將放在管中的磁鐵彈射出去帶動飛機(jī)，在航母上實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的起飛動作。為保護(hù)電容，并聯(lián)穩(wěn)壓二極管與泄壓電阻，當(dāng)電壓過大將二極管擊穿時，泄壓電阻對電路進(jìn)行穩(wěn)壓，防止電容損壞發(fā)生危險，電氣控制系統(tǒng)選用零件及安裝實(shí)物如圖2。

圖2 電氣控制系統(tǒng)圖

3 實(shí)物加工及制作

本項(xiàng)目所使用的材料主要為亞克力板、復(fù)合板、絕緣銅線、PLA等，涉及的工藝主要為激光切割、3D打印、電路板刻制等。

在現(xiàn)代制造工藝中，激光切割、3D打印技術(shù)受到眾多行業(yè)追捧，常用于航天航空、汽車制造等領(lǐng)域。隨著這兩種技術(shù)的發(fā)展和普及，激光切割、3D打印也逐漸進(jìn)入本科學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中。

激光切割是一種減材制造方法，常用于對半成品進(jìn)行精加工，利用聚焦的高功率密度激光束照射到待切割的材料上，產(chǎn)生上萬度的高溫，令材料達(dá)到汽化溫度，以達(dá)到去除材料的目的。通過移動激光束，即可形成連續(xù)切縫。通過調(diào)節(jié)功率可以對各種不同的材料進(jìn)行雕刻或切割等需求。具有速度快、操作簡單、損耗低等優(yōu)點(diǎn)。

激光切割的操作非常簡單快捷，流程如下：

（1）在CAD或CAXA等二維制圖軟件上繪制出所需切割的路徑，并另存為兼容文件格式。

（2）在LaserCAD中打開繪制完成的二維圖，調(diào)好功率與速度，發(fā)送到激光切割機(jī)。

（3）調(diào)節(jié)激光切割機(jī)的初始位置，開始加工。

3D打印是一種增材制造的快速成型技術(shù)，以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體。熔融沉積式是一種常用的累積技術(shù)，將絲狀材料通過加熱噴嘴擠出，按軌跡進(jìn)行一定速率的熔體沉積。

用于進(jìn)行3D建模的軟件很多,如SimpleWare、Geomagic Sculpt、Art of Illusion等軟件，但對于機(jī)械專業(yè)學(xué)生而言，此類軟件難度較高，故采用常用機(jī)械三維建模軟件建模，導(dǎo)成中間格式stl導(dǎo)入cura切片軟件，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后進(jìn)行3D打印加工。

此部分任務(wù)由工藝和機(jī)制專業(yè)學(xué)生完成加工，并裝配成如圖3實(shí)物圖。

圖3 實(shí)物實(shí)際效果圖

4 作品調(diào)試

本設(shè)計針對中學(xué)電磁實(shí)驗(yàn)設(shè)計，亦可與力學(xué)及平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)結(jié)合[8-9]，所以設(shè)計可改變線圈匝數(shù)n及電流I等參數(shù)，并做初始調(diào)試實(shí)驗(yàn)如下?？紤]到實(shí)驗(yàn)安全，限定最大電流為25mA、線圈匝數(shù)影響彈射的力度（距離），實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 線圈匝數(shù)影響彈射距離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論與展望

中小學(xué)生動的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)備，可以降低自學(xué)釋疑環(huán)節(jié)中學(xué)生遇到問題的難度，發(fā)揮學(xué)生在訓(xùn)練操作中的主體作用，“查缺補(bǔ)漏”使學(xué)生在延伸遷移環(huán)節(jié)中舉一反三。本項(xiàng)目正是如此為出發(fā)點(diǎn)，讓在校大學(xué)生以此需求出發(fā)，運(yùn)用專業(yè)知識，進(jìn)行設(shè)計、繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)，電氣線路、加工裝配、調(diào)試試驗(yàn)等一系列環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)自我實(shí)踐能力的同時探索創(chuàng)新，研制小型中小學(xué)實(shí)驗(yàn)器材。可謂是一種新穎教學(xué)方法得一舉多得。