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摘要:实验室建设是高校工科专业建设的重要内容,单一的从专业教育设备厂家购买或者自主研制都不能很好地满足实践教学的需要。根据高校验证性实验、创新设计性实验和研究性实验对设备的不同要求,可以分别采用从专业教学设备厂家购买、和国内外高新技术企业联合共建以及自主研制开发等多模式的建设方式。各种方式在投资成本、设备的安全性、可靠性、技术先进性、科研价值、开设创新实验和验证性实验效果等方面各有特点,将多种方式结合和合理采用才能更好地建设好高校工科实验室,满足工程型人才的教学培养需要。
关键词:实验室建设;多模式;校企共建;自主建设;实验教学装备
高等学校工科专业的人才培养目标是培养工程技术型人才,而工程型人才的培养离不开实践教学和实验设备。随着高等教育的快速发展和科学技术的不断进步,要求实验设备不断更新、完善,不断进行实验室建设是高等院校工科专业建设的一项重要内容。
随着高等教育的发展,高校的工科专业实验室建设经历了自主设计建设、委托生产企业加工生产到专业教育装备厂家生产建设的发展过程。高校工科专业的实验内容也经历了从验证性实验到综合性、设计性和创新性实验,再到研究性实验的过程。而且随着高等教育规模的扩大,对实验室建设都提出了新的要求。
教学始终是高等学校的主要工作内容,工科实验室的主要目的也是满足实践教学的需要。所以在实验室建设中,首先要求实验设备在进行验证性实验时效果好、可靠性高、对学生安全。同时要求成本效益好,在同样的投资规模下,尽可能增加实验室的数量规模、增加可开设的实验数量。高等教育对人才的培养在开展知识教育的同时,还需要培养学生的创新精神和创新设计能力,所以综合性、设计性和创新性实验也是工科实验中的重要内容。这就要求实验设备具有开放性、可再设计、可创新、有科研实验价值。实验室的设备和技术还要反映最新的科学技术发展,不能停留在已淘汰的产品或技术上。高等院校同时兼有科研的职能,科研工作也能促进提高教学水平。所以工科实验室也应具有可进行研究性实验的能力。
根据高校对工科实验室的多种要求,下面对各种实验室建设模式进行分析。
一、从专业教学设备厂家购买
从专业教学设备生产企业购买实验设备一直是实验室建设的主要途径。经过长期的教学设备研究和生产经验的积累,伴随教育事业的发展,我国涌现出一大批高水平的专业教学设备生产企业。如成立于1992年的浙江天煌科技实业有限公司是国家高新技术企业,生产的系列教学设备有108大系列2300多种产品,其“天煌”商标为中国驰名商标;成立于1993年的中控集团旗下的浙江中控科教仪器设备有限公司是生产控制类教学设备的领先企业;启东计算机总厂有限公司是江苏省高新技术企业,生产的单片机实验设备很有特色。
这些专业教育装备厂家产品上规模、定型生产,相对成本低,而且进行验证性实验效果好,产品安全、可靠性高。同时,一套设备可开设的实验数目多。我校通过购买浙江天煌科技实业有限公司的“天煌”DDSZ-1型电机及电气技术实验装置建立起了电机及自动控制实验室,共有12套设备,采用模块式结构,通过组合可进行62个不同的电机及拖动实验。该设备安全、可靠,由于采取了多级电流保护,错误的操作、大电流、短路都不会烧坏电机或损坏电路。而且接线插头都是采用安全插头、插座,无触电危险。总采购价格65万元,相对自主研发和定制的成本都要低。该实验室2007年2月建立,运行近3年来,无安全事故,设备无故障,师生对实验效果比较满意。
但是从专业教学装备厂家购买的实验设备也有开放性不够的问题。出于安全性、可靠性和针对验证性实验的设计,这些设备很难做创新性、设计性实验,更无法做研究性实验。同时设备所代表的技术先进性也很有限,主要是反映理论原因的常规设备,而不是最新技术和设备,设备更新成本也很高。
二、自主研制实验设备
弥补直接购买设备不足的最好办法就是自主研制实验装置。西安交通大学的自动化科学与技术系,在“985项目”建设支持下,自主研制建设了机器人实验室。包括UP-Voyager II“旅行家”自主移动机器人教学科研系统(如图1所示)和UP-Solid Snake蛇形机器人教学实验系统(如图2所示),还建立了机器视觉智能测控教学实验平台(如图3所示)。这些设备在学生的综合性、设计性和创新性实验方面都有很好的实验效果。
图1 UP-Voyager II“旅行家”自主移动机器人教学科研系统
图2 UP-Solid Snake蛇形机器人教学实验系统
图3 VS1200机器视觉智能测控教学实验平台
向企业定制生产也可以认为是属于自主研发,但主要是对企业原有型号产品的改进。自主研发还包括对旧设备的维修改造。自主研制实验设备来建设实验室的主要困难是建设经费。由于很难从实验室建设计划中得到经费支持,所以需要靠科研、教研项目支持,而且需要有一定的科研实力。研制的实验设备的安全性、可靠性也有一定的不足。
三、校企联合共建实验室
近年来,随着全球化的快速发展和国外高新技术企业和产品进入中国,很多高新技术企业主动提出和国内高校联合建立实验室。最有代表性的是美国罗克韦尔自动化有限公司,从1997年起,先后和中国大陆及香港的43所高校联合建立了实验室。2007年五邑大学与罗克韦尔联合建立了罗克韦尔自动化实验室,学校投入65万元,建立了市场价格超过100万元的自动化网络控制实验室,有8套控制终端和PLC、变频器和控制电机等设备。
浙江大学的罗克韦尔实验室配置了价值65万美元的自动化技术设备(如图4所示),包括新一代的Logix系列处理器、Powerflex系列变频器、人机界面PanelView等先进的工业控制设备,以及可组成以太网(EtherNet)、控制网(ControlNet)和设备网(DeviceNet)三层网络结构的通信网络模块,组成了完整的工业控制网络系统。该实验室承担了相关应用技术和工程化产品的开发、市场培训和面向中国市场的技术咨询,并设立了罗克韦尔自动化奖学金和奖教金。笔者在广东工业大学攻读博士学位期间有幸得到了5000元罗克韦尔奖学金,在此也对罗克韦尔公司再次表示感谢。
图4 浙江大学罗克韦尔自动化实验室
浙江大学利用罗克韦尔自动化实验室的设备,为本科生在自动化等领域的课程实验、SRTP(浙大的大学生科研训练计划)、毕业设计以及研究生在上述领域的科学研究创造了实验条件。
校企联合共建为高校快速、低成本地建立了技术先进、应用性强的实验设备,对综合性、创新性实验和研究性实验也非常适用。联合共建对企业来说也培养了潜在客户、培育了未来市场、提高了知名度。世界500强的瑞士ABB公司和集美大学联合建立了PLC联合实验室,目前正在和五邑大学联系联合建立PLC实验室。
但联合共建实验室的不足是高校缺乏自主选择性,实验室对基础的验证性实验覆盖面很窄。
四、多模式实验室建设
将上述多种实验室建设方式和所建立的实验室性能进行比较,它们在验证性实验效果、设备的安全性和可靠性、创新设计性实验的可开设性、设备的技术先进性、研究性实验价值和建设成本等方面有各自的特点。我们将其分析比较列表(见表1),评价按5分制量化,5分最优,1分最差。加权平均是考虑验证性实验和设备安全性可靠性的要求重要性,将此2项加倍计分后的平均。
表1各种实验室建设模式效果比较
建设方式 购买 定制 共建 自制
验证性实验效果 5 5 3 4
设备安全可靠性 5 3 4 2
开设创新性实验 2 4 4 5
设备技术先进性 2 4 5 4
研究性实验价值 2 3 4 5
建设成本 4 2 5 1
简单平均 3.3 3.5 4.2 3.5
加权平均 3.8 3.6 4 3.4
从表1的分析比较可以看出,校企联合共建实验室具有相对最好的综合性能,但在高校作为主要实践教学内容的验证性实验方面存在不足。其他建设方式各有特点。
五、结束语
在高校工科实验室建设中,根据各实验室所承担任务的不同,可以采用不同的建设模式。承担主要实践教学任务的验证性实验仍然适合以向专业教育装备厂家购买或者定制为主,设计性、创新性实验室宜以和高新技术企业联合共建效益最佳,研究性实验室以自主研制和联合共建比较适合。由于高校人才培养的基础知识和技术培养要求、创新要求和科研要求的多元性,应将多模式实验室建设方式结合和合理采用。单一的建设方式无法较好地满足高等教育的发展对实验室建设的要求。多模式的合理采用才能使工科实验室建设取得更好的建设效果,满足工程型人才的教学培养需要。
参考文献
[1]郑毅敏,王春秀.工科实验室建设的思考[J].实验技术与管理,2008,25(1):147～148
[2]张雨.实验室建设是高校工科院系教学与科研的结合点[J].中国现代教育装备,2009,1:111～113
[3]天煌教仪DDSZ-1型电机及电气技术实验装置详细资料[EB/OL].http://www.tianhuang.cn/.
[4]五邑大学实验室与设备管理[EB/OL].http://dept.wyu.edu.cn/sbc/index.asp/.
[5]罗克韦尔自动化中国大学合作项目[EB/OL].http://cn.rockwellautomation.com/aboutus/university.html/.
[6]罗兵,严圣华,周贤善.计算机辅助实验教学研究[J].中国远程教育,2006,3:67～69
Research on multi-mode high school engineering laboratory construction
Luo Bing, Zhang Liyun
Wuyi university, Jiangmen, 529020, China
Abstract: Laboratory construction is an important work for engineering specialties in university. Traditional construction mode can not satisfy the developing education needs. Based on different experiments as validating experiments, designing experiments and researching experiments, multi-mode construction methods can be adopted, such as purchasing from professional educational equipment manufacturers, university and enterprise cooperation and producing self. Different method has its advantages in various ways as investments, reliability technical advances and experimental effects. Only combining multi modes can construct better engineering laboratories that satisfy the education needs.
Key words: laboratory construction; multi-mode; university and enterprise cooperation; self development; laboratory educational equipment
关键词:实验室建设;多模式;校企共建;自主建设;实验教学装备
高等学校工科专业的人才培养目标是培养工程技术型人才,而工程型人才的培养离不开实践教学和实验设备。随着高等教育的快速发展和科学技术的不断进步,要求实验设备不断更新、完善,不断进行实验室建设是高等院校工科专业建设的一项重要内容。
随着高等教育的发展,高校的工科专业实验室建设经历了自主设计建设、委托生产企业加工生产到专业教育装备厂家生产建设的发展过程。高校工科专业的实验内容也经历了从验证性实验到综合性、设计性和创新性实验,再到研究性实验的过程。而且随着高等教育规模的扩大,对实验室建设都提出了新的要求。
教学始终是高等学校的主要工作内容,工科实验室的主要目的也是满足实践教学的需要。所以在实验室建设中,首先要求实验设备在进行验证性实验时效果好、可靠性高、对学生安全。同时要求成本效益好,在同样的投资规模下,尽可能增加实验室的数量规模、增加可开设的实验数量。高等教育对人才的培养在开展知识教育的同时,还需要培养学生的创新精神和创新设计能力,所以综合性、设计性和创新性实验也是工科实验中的重要内容。这就要求实验设备具有开放性、可再设计、可创新、有科研实验价值。实验室的设备和技术还要反映最新的科学技术发展,不能停留在已淘汰的产品或技术上。高等院校同时兼有科研的职能,科研工作也能促进提高教学水平。所以工科实验室也应具有可进行研究性实验的能力。
根据高校对工科实验室的多种要求,下面对各种实验室建设模式进行分析。
一、从专业教学设备厂家购买
从专业教学设备生产企业购买实验设备一直是实验室建设的主要途径。经过长期的教学设备研究和生产经验的积累,伴随教育事业的发展,我国涌现出一大批高水平的专业教学设备生产企业。如成立于1992年的浙江天煌科技实业有限公司是国家高新技术企业,生产的系列教学设备有108大系列2300多种产品,其“天煌”商标为中国驰名商标;成立于1993年的中控集团旗下的浙江中控科教仪器设备有限公司是生产控制类教学设备的领先企业;启东计算机总厂有限公司是江苏省高新技术企业,生产的单片机实验设备很有特色。
这些专业教育装备厂家产品上规模、定型生产,相对成本低,而且进行验证性实验效果好,产品安全、可靠性高。同时,一套设备可开设的实验数目多。我校通过购买浙江天煌科技实业有限公司的“天煌”DDSZ-1型电机及电气技术实验装置建立起了电机及自动控制实验室,共有12套设备,采用模块式结构,通过组合可进行62个不同的电机及拖动实验。该设备安全、可靠,由于采取了多级电流保护,错误的操作、大电流、短路都不会烧坏电机或损坏电路。而且接线插头都是采用安全插头、插座,无触电危险。总采购价格65万元,相对自主研发和定制的成本都要低。该实验室2007年2月建立,运行近3年来,无安全事故,设备无故障,师生对实验效果比较满意。
但是从专业教学装备厂家购买的实验设备也有开放性不够的问题。出于安全性、可靠性和针对验证性实验的设计,这些设备很难做创新性、设计性实验,更无法做研究性实验。同时设备所代表的技术先进性也很有限,主要是反映理论原因的常规设备,而不是最新技术和设备,设备更新成本也很高。
二、自主研制实验设备
弥补直接购买设备不足的最好办法就是自主研制实验装置。西安交通大学的自动化科学与技术系,在“985项目”建设支持下,自主研制建设了机器人实验室。包括UP-Voyager II“旅行家”自主移动机器人教学科研系统(如图1所示)和UP-Solid Snake蛇形机器人教学实验系统(如图2所示),还建立了机器视觉智能测控教学实验平台(如图3所示)。这些设备在学生的综合性、设计性和创新性实验方面都有很好的实验效果。
图1 UP-Voyager II“旅行家”自主移动机器人教学科研系统
图2 UP-Solid Snake蛇形机器人教学实验系统
图3 VS1200机器视觉智能测控教学实验平台
向企业定制生产也可以认为是属于自主研发,但主要是对企业原有型号产品的改进。自主研发还包括对旧设备的维修改造。自主研制实验设备来建设实验室的主要困难是建设经费。由于很难从实验室建设计划中得到经费支持,所以需要靠科研、教研项目支持,而且需要有一定的科研实力。研制的实验设备的安全性、可靠性也有一定的不足。
三、校企联合共建实验室
近年来,随着全球化的快速发展和国外高新技术企业和产品进入中国,很多高新技术企业主动提出和国内高校联合建立实验室。最有代表性的是美国罗克韦尔自动化有限公司,从1997年起,先后和中国大陆及香港的43所高校联合建立了实验室。2007年五邑大学与罗克韦尔联合建立了罗克韦尔自动化实验室,学校投入65万元,建立了市场价格超过100万元的自动化网络控制实验室,有8套控制终端和PLC、变频器和控制电机等设备。
浙江大学的罗克韦尔实验室配置了价值65万美元的自动化技术设备(如图4所示),包括新一代的Logix系列处理器、Powerflex系列变频器、人机界面PanelView等先进的工业控制设备,以及可组成以太网(EtherNet)、控制网(ControlNet)和设备网(DeviceNet)三层网络结构的通信网络模块,组成了完整的工业控制网络系统。该实验室承担了相关应用技术和工程化产品的开发、市场培训和面向中国市场的技术咨询,并设立了罗克韦尔自动化奖学金和奖教金。笔者在广东工业大学攻读博士学位期间有幸得到了5000元罗克韦尔奖学金,在此也对罗克韦尔公司再次表示感谢。
图4 浙江大学罗克韦尔自动化实验室
浙江大学利用罗克韦尔自动化实验室的设备,为本科生在自动化等领域的课程实验、SRTP(浙大的大学生科研训练计划)、毕业设计以及研究生在上述领域的科学研究创造了实验条件。
校企联合共建为高校快速、低成本地建立了技术先进、应用性强的实验设备,对综合性、创新性实验和研究性实验也非常适用。联合共建对企业来说也培养了潜在客户、培育了未来市场、提高了知名度。世界500强的瑞士ABB公司和集美大学联合建立了PLC联合实验室,目前正在和五邑大学联系联合建立PLC实验室。
但联合共建实验室的不足是高校缺乏自主选择性,实验室对基础的验证性实验覆盖面很窄。
四、多模式实验室建设
将上述多种实验室建设方式和所建立的实验室性能进行比较,它们在验证性实验效果、设备的安全性和可靠性、创新设计性实验的可开设性、设备的技术先进性、研究性实验价值和建设成本等方面有各自的特点。我们将其分析比较列表(见表1),评价按5分制量化,5分最优,1分最差。加权平均是考虑验证性实验和设备安全性可靠性的要求重要性,将此2项加倍计分后的平均。
表1各种实验室建设模式效果比较
建设方式 购买 定制 共建 自制
验证性实验效果 5 5 3 4
设备安全可靠性 5 3 4 2
开设创新性实验 2 4 4 5
设备技术先进性 2 4 5 4
研究性实验价值 2 3 4 5
建设成本 4 2 5 1
简单平均 3.3 3.5 4.2 3.5
加权平均 3.8 3.6 4 3.4
从表1的分析比较可以看出,校企联合共建实验室具有相对最好的综合性能,但在高校作为主要实践教学内容的验证性实验方面存在不足。其他建设方式各有特点。
五、结束语
在高校工科实验室建设中,根据各实验室所承担任务的不同,可以采用不同的建设模式。承担主要实践教学任务的验证性实验仍然适合以向专业教育装备厂家购买或者定制为主,设计性、创新性实验室宜以和高新技术企业联合共建效益最佳,研究性实验室以自主研制和联合共建比较适合。由于高校人才培养的基础知识和技术培养要求、创新要求和科研要求的多元性,应将多模式实验室建设方式结合和合理采用。单一的建设方式无法较好地满足高等教育的发展对实验室建设的要求。多模式的合理采用才能使工科实验室建设取得更好的建设效果,满足工程型人才的教学培养需要。
参考文献
[1]郑毅敏,王春秀.工科实验室建设的思考[J].实验技术与管理,2008,25(1):147～148
[2]张雨.实验室建设是高校工科院系教学与科研的结合点[J].中国现代教育装备,2009,1:111～113
[3]天煌教仪DDSZ-1型电机及电气技术实验装置详细资料[EB/OL].http://www.tianhuang.cn/.
[4]五邑大学实验室与设备管理[EB/OL].http://dept.wyu.edu.cn/sbc/index.asp/.
[5]罗克韦尔自动化中国大学合作项目[EB/OL].http://cn.rockwellautomation.com/aboutus/university.html/.
[6]罗兵,严圣华,周贤善.计算机辅助实验教学研究[J].中国远程教育,2006,3:67～69
Research on multi-mode high school engineering laboratory construction
Luo Bing, Zhang Liyun
Wuyi university, Jiangmen, 529020, China
Abstract: Laboratory construction is an important work for engineering specialties in university. Traditional construction mode can not satisfy the developing education needs. Based on different experiments as validating experiments, designing experiments and researching experiments, multi-mode construction methods can be adopted, such as purchasing from professional educational equipment manufacturers, university and enterprise cooperation and producing self. Different method has its advantages in various ways as investments, reliability technical advances and experimental effects. Only combining multi modes can construct better engineering laboratories that satisfy the education needs.
Key words: laboratory construction; multi-mode; university and enterprise cooperation; self development; laboratory educational equipment