《CAD╱CAM》课程建设报告.doc

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2007年5月15日机械控制与测试技术课程建设报告1课程开设目的本课程以机械工程及自动化专业的本科生和专科生为主要教育对象，在学生已掌握了工程数学、电工学、机床设计和液压传动的基础上，通过系统学习控制与检测技术的基本原理、基本方法，可以使学生建立起机械制造过程中的关于系统的完整概念，提高学生关于控制和测试环节在机械系统中重要性的认识，加强学生解决机电综合系统问题的能力的培养，为今后走向工作岗位打下控制和测试方面的良好基础。2课程性质与校内背景在现代机械制造和加工系统中，控制与测试技术占有重要地位。机械控制与测试技术基础是由“机械控制工程基础”和“机械工程中测试技术基础”合并而成。随着市场竞争加剧、科学技术迅速发展而出现的先进制造技术、先进制造系统（诸如柔性制造系统FMS、计算机集成制造系统CIMS、精良生产系统LPS、独立制造岛、智能制造系统IMS、敏捷制造系统AMS、全能制造系统HMS、虚拟制造系统VMS）无不是控制理论、测试技术与计算机技术、网络技术、人工智能技术、多媒体技术、机械工程技术等内容的互相结合、互相渗透的产物。先进制造技术、先进制造系统的出现和发展，预示了制造业今后的发展趋势，也使人们进一步认识到掌握控制理论、测试技术及其他新技术的重要性。因此，“机械控制工程基础”和“机械工程中测试技术基础”两门课一直是机械制造专业培养计划中的重要课程。由于专业计划的调整，学时数缩减，将上述两门课单独讲授有一定困难；且两门课所涉及的理论、技术有共同的数学基础，二者密切相关、互相渗透，合并为一门课有利于避免内容重复。本课程在控制部分传授自动控制的基本概念，控制系统的描述方法，系统特性的时频域分析方法，线性系统的特性设计等内容；在测试部分传授信号及其特性分析，测量系统的基本特性，测量误差与数据处理，传感器原理与测量电路等内容。本课程属于机械工程门类的专业基础课程，是机械制造专业本科生的必修课程。北京理工大学机械与车辆工程学院机械制造及自动化系从上个世纪80年代以来，以部级重点学科机械制造及其自动化为龙头，以军工制造及其自动化技术为应用背景，全面开展了数控技术、测试技术、柔性自动化制造技术、机电一体化技术的科研和教学研究，多年来取得了丰硕的科研和教学成果。在自动控制理论和测试技术的教学方面，从80年正式作为本科生必修课到现在，已经有近30年的教学实践，对促进学科和科研发展、全面提升专业本科生科学素养和能力、使学生适应现代制造技术的发展起到了极为重要的作用。多年来，我们在机械控制工程基础和测试技术的科学究研、教材编写等方面具有明显特色。出版的专著相关教材和专著有机械控制工程基础、测试技术、先进制造技术、生产系统中的监控检测技术、传感器与检测技术等。2000年，经过专业课程的调整，为了减轻学生负担，制造专业原来2700多总学时调整为2200多学时，专业课和专业基础课单门课不超过40学时，所以将原来的机械控制工程基础（64学时）、工程测试技术（40学时）合并为机械控制与测试技术，作为本科生必修的专业基础课程。合并后的课程分为控制篇和测试篇，原来课程中一些相近内容作了适当合并，并注意了两门课的衔接。经过七年来的不断补充和融合，内容日益丰富，成为今天本科生机械工程及自动化的核心的专业基础课之一。3课程建设内容（1）构建合理的课程知识体系1）既要体现控制与测试的各自特色，又要兼顾二者的兼容性与系统性根据课程的性质和教学目标，机械控制与测试技术课程重点介绍机械控制工程基础、控制与测试技术中的基本知识、基本理论和基本方法，使学生建立起控制与测试系统的概念，培养分析和解决机械制造中控制与测试相关问题的综合能力。主要内容包括：控制与测试系统的基本概念、控制与测试系统的基本知识、分析和建立实际系统传递函数的基本思路和方法、测试技术中的主要检测手段和基本原理、判断系统稳定性的原理和基本方法、计算稳态误差的基本原理和方法、根据具体要求构建实际测试系统、控制和测试技术领域的前沿发展动态等。2）既要体现前沿性和时代性，又要注重基础性控制与测试技术是不断发展中的高新技术，尤其关于建模、仿真、新型测试方法、人工智能技术和理论等方面的研究异常活跃，新技术和新观念不断涌现。作为这样一门课程的内容会经常受到先进性、前沿性的挑战。因此，在内容的安排上，既要体现前沿性和时代性，又要注重基础性。将那些以机械制造行业为背景，与机械制造技术中与控制与检测技术相关的共性问题、相对成熟的问题抽取出来作为教材阐述的内容，着力使学生系统地掌握基本原理、基本方法等基础性知识。而将不断变化的学科发展、科研动态和先进技术等内容由授课教师在教学中不断补充，把最新的科研成果介绍给学生，体现课程内容的前沿性和时代性，不断开拓学生的视野和思路。3）既要满足教学基本要求，又要与科研相结合，推动教学质量的提高控制与测试技术是机械制造与自动化领域的核心技术。根据机械制造自动化的需要，将教学和科研结合起来，以自动化生产和制造中关键性问题和技术的原理介绍与应用实例相结合，以科研背景为需求牵引，引起学生的兴趣，激发他们解决问题的热情，调动学生的学习积极性，并结合毕业设计，选择适宜的科研真题目让学生参与工作，学生有种责任感，创新的意识很强，主动开动脑筋，并且不怕吃苦，既进一步掌握了控制与测试技术的基本知识，锻炼了科研和分析解决问题的能力，又促进了科研任务的完成，收到了很好的效果。同时，科学研究对教学内容和质量的提高起到了极大的推动作用。（2）及时进行教材建设1）及时组织编著文本教材本课程基本上每3-4年更新一次教材，不断补充新的内容，采取以本校教师为主组织编著的教材和国内公认的最高水平的教材相结合的原则，及时将近几年的新概念、新发展和新技术融入教材。在原有的编著教材的基础上补充内容后先出内部教材，积累1-2年使用经验，收集意见之后再行修改，正式出版。2）在CAI基础上开发制作网络课程该课程在建设和发展过程中，始终重视计算机辅助教学的作用。编制了用于本科教学目的的控制与检测技术CAI课件，该课件经过逐年积累、修改日趋成熟。该课件在教学中发挥了很大的作用。学生通过教师的课堂授课学习主要内容；课后可通过控制与测试CAI课件进行进一步的自学；对其中关键性问题重点地进行学习和复习；通过思考题、课后练习和自测练习检验所学的知识。（3）不断改进教学方式1）采用先进的授课手段从开课初期的电子幻灯、投影胶片到演示程序、CAI课件、视频素材、电子教案、网络课程，教师自主制作，以及与教学内容有关的AVI文件的演示等尽量采用先进的多媒体手段，使学生感到生动、直观、可视性强，易于理解，也有助于激发想象力和对新知识和新技术的渴求，提高了教学质量和课堂内容的密度。2）注意课程的理论性和实践性的结合该课程即具有很强的理论性又具有很强的实践性，无论从应用能力培养还是对基本原理和知识的掌握，都离不开实际的锻炼。课程设置相应的控制与测试实验环节，为学生创造实践的机会培养分析和解决问题的能力。3）采取灵活的授课和考核方式以课堂教师面授与学生回答问题、讨论相结合；思考题、作业和实验相结合；期末考试和平时作业成绩相结合；强调教师与学生的互动。课程组教师积极性很高，认真探讨教学法，探讨因材施教、启发学生学习兴趣的做法，很有成效。（4）创造条件开设实验1）已开实验实验名称典型线性环节的模拟实验性质课程实验实验目的（1）学习典型线性环节的模拟方法；（2）研究阻、容参数对典型环节阶跃响应的影响实验内容描述在自控原理学习机XMN-2上正确连接比例环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节、比例微分积分环节、一阶惯性环节的电路，并进行调试，对得到的结果进行分析，并和理论计算值进行比较。实验设备和工具软件：采样与数据分析系统硬件：XMN-2自动控制原理学习机实验名称二阶系统的阶跃响应实验性质课程实验实验目的（1）学习二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法；（2）研究二阶系统的两个重要参数、对阶跃瞬态响应指标的影响。实验内容描述l 在自控原理学习机XMN-2上正确连接二阶系统，记录阶跃信号下的响应曲线，记录最大超调量、调节时间等参数，计算模型参数、，确定这两个参数和电路中电阻、电容的关系，将实际输出结果和理论值进行对比和分析。实验设备和工具软件：采样与数据分析系统硬件：XMN-2自动控制原理学习机实验名称应变片特性及测量电路实验性质课程实验实验目的（1）了解金属应变片、半导体应变片的工作原理和性能并比较它们的灵敏度和线性度。（2）掌握电阻传感器常用的直流不平衡桥初始调平衡措施及桥的单臂、半桥、全桥的输出特性。（3）了解金属对应变测试系统的影响，以及利用电桥实施补偿的方法。实验内容描述利用贴有仪器应变梁上的四片金属应变片，当梁发生形变时，构成直流不平衡桥，分别检测一片、两片、四片应变片的工作特性；用同样方法对半导体应变片进行检测，并将结果与金属应变片进行比较；研究温度对桥输出的影响和温度补偿措施。实验设备和工具软件：信号采样与分析软件硬件：多传感器原理综合分析测试仪实验名称位移和振幅测量实验性质课程实验实验目的了解电容式传感器、电感式传感器的构成；了解并掌握其基本工作原理；了解传感器产生非线性的根源和减小非线性的措施。实验内容描述l 将电容传感器和电感传感器分别接成单片式和差动式，将输出结果进行比较，并分析原因。用低频振荡器加入一频率为F的交变力使振动台上下振动，观察并记录各环节的输出波形。实验设备和工具软件：信号采样与分析软件硬件：多传感器原理综合分析测试仪实验名称差动变压器特性及研究实验性质课程实验实验目的了解差动变压器的工作特性、频率特性、负载特性；观察和测量差动变压器零点残余电压和研究残余电压的补偿措施；了解差动变压器的典型应用、位移和振动测量。实验内容描述了解差动变压器的工作原理，了解差动变压器的频率特性；观察和测量零点残余电压以及研究补偿措施；利用差动变压器进行振动测量及振动系统的固有频率测定；研究差动变压器的负载特性。实验设备和工具软件：信号采样与分析软件；硬件：多传感器原理综合分析测试仪。实验名称温度检测实验性质课程实验实验目的了解半导体热敏电阻值随温度变化的特性；以热电偶为例，了解热电偶测温和冷端补偿措施。实验内容描述对被测物体进行加热，用热电偶和热电阻分别测温，对热电偶进行冷端补偿，将二者的输出结果进行对比和分析，并参照理论分析结果得出结论。实验设备和工具软件：信号采样与分析软件；硬件：多传感器原理综合分析测试仪。实验名称压电式加速度传感器实验实验性质课程实验实验目的了解压电式传感器的构成和工作原理，掌握压电式传感器测振的基本方法。实验内容描述接通低频传感器并保持一定幅度，记录测试结果，改变振荡频率，并记录输出结果，对照传感器原理，分析不失真测试的方法和措施。实验设备和工具软件：信号采样与分析软件；硬件：多传感器原理综合分析测试仪。（5）教师队伍建设本课程组主要由机械与车辆工程学院机械制造及自动化系数字化设计制造研究室的部分教师组成，年龄职称结构合理、年富力强、学历较高，其中3人具有国外留学经历。1）教师科研能力锻炼课程组每位教师均负责或参加相关科研项目，都曾获科技奖，熟悉典型的CAD/CAM软件，具有较强的科研能力。在“八五”、“九五”、“十五”期间完成了十余项科学研究，发表论文近百篇。2）教师教学能力锻炼学院要求每位教师都应具有讲2门以上课程的能力，而每门课程都应该有多人可以讲授。因此，课程组教师除承担该课程之外，还承担本科生的C语言程序设计、软件工程双语教学、管理信息技术、仿真技术、生产系统规划、人因工程、专业英语以及研究生的CAD/CAM技术、计算机软件技术基础、知识处理与专家系统等课程；每年指导毕业设计、机械制造工程学和机电一体化系统课程设计；轮流参予指导生产实习；1人为博士生导师，1人为博士生辅导师，4人为硕士生导师，1人协助指导硕士生。这些具体的教学任务、丰富的教学环节锻炼了实际教学能力，积累了教学经验。在梯队建设上，对新教师采取导师制，新教师参加听课、辅导包括课程实验和实验室管理工作，课程组共同对该课程所有教学环节负责，共同探讨教学大纲、教学实验、考核方法、考核内容、作业题目，一起设计和制作CAI课件和网络课程，经常进行教学法活动。课程组中先后有2人参加学校组织的青年教师基本功比赛，均获一等奖，1人获北京市一等奖。在教务处、研究生院组织的专家教学质量评估中多人受到好评，教学效果好。年终考核成绩优良。4课程的教学特色和效果（1）教学条件在学校重视教学条件建设的大环境下，课程组将课程建设纳入到学校和学院发展的大盘子中，得以不断改善教学硬件条件，并积极行动，努力创造教学软件条件，完善教学手段。1）采用多媒体授课 近年来本课程申请并获批准安排在多功能教室授课，保障了先进的教学手段得以采用。使教学效果得到了较大程度的改善。2）建设综合实验平台 在学校的支持下，学院的工程训练中心已初具规模，其中检测与控制技术模块就是由该课程组负责建设的，包括一个检测与数控技术实验室，购置了多台国内比较先进的多传感器原理实验仪、光电传感器综合实验仪、自动控制原理学习机、电机闭环控制系统实验台等多种实验设备实验指导书已经在校内出版，改善了教学条件，提高了该课程的整体水平。3）注意更新教材 本课程基本上每3-4年更新一次教材，不断补充新的内容。采用校内自编教材和采用国家精品教材相结合的方式。目前采用的是国家精品级教材，清华大学的教材。目前正在原有学校教材基础上，编写修订自编教材，争取尽快与学生见面。4）不断更新教学软件手段 课程组多年来致力于教学演示系统、CAI课件的开发和制作，从最初的幻灯片、投影胶片、相关展览的展品及资料介绍、计算机模拟演示、CAI课件，直到目前自主制作的控制与检测技术课程软件等，始终保持着主动性与积极性，不断向前走，创造条件，力争提高水平。所有这一切都为课程的建设和教学改革提供了有力的条件保证。（2）课程特色和效果1）教学内容新、系统性强 教学与科研相结合，体现先进性、前沿性和时代性。内容体系合理，包含了控制与检测相关的知识点，系统性好。学生能尽早了解和接触新思想、新技术，思路开阔，知识面广。这在学生考研、应聘过程中受到了面试单位的肯定。2）教学资源丰富、发展空间大 自编出版教材，开发电子教案、科研素材、网络课程，设计实验等多种教学媒体。授课效果好，易于激发学生的学习兴趣，易于学生理解和掌握相关知识。同时，工程训练中心的建成给课程提供更大的发展空间，可提供综合性、集成性、一体化的实验训练条件, 将更有利于学生综合素质、创新能力的培养。因而课程具有发展潜力和前景。3）教师队伍结构好、能力强 热爱教师职业的中、青年充满朝气，年龄、职称、学历、知识结构合理，教学、科研互为依托，相辅相成，相互促进。学生除从课程中获取知识外，还能通过多种方式获得实践机会，锻炼科研意识和分析解决问题的综合能力。尤其是学生参与教师的科研实践，得到了极大的锻炼，表现出了学生身上的巨大潜力和可塑性，也为科研注入了新生力量。特别是以相关科研真题目为毕业设计内容的同学无论是继续深造还是就业都感到这些实践环节的锻炼受益非浅。4) 讲授效果好、学生的学习能动性高在讲课过程中，主讲教师常常从哲学的高度总结事物发展的规律，讲道理时善于与同学商讨和交流，在纪律上和学习要求上对同学既严格又循循善诱，充分调动了同学们的学习积极性，讲课的水平多次得到听课老师和同学的很高的评价。针对主讲教师张之敬教授的教师授课调查表中有的同学写到：“非常好，能激发学生积极性，上张老师的课从不打瞌睡”、“很想再听您的课”。不少听过课的同学，通过学习，极大地提高了对本专业的兴趣，在上课期间，就主动要求业余到张老师的研究室相关课题组参与研究，推荐研究生的前几名同学不少成了他指导的学生。讲授测试篇的张卫民教授也得到同学们的高度评价，认为他备课认真、条理清楚、幽默风趣。对两位老师评价打分大部分是A。5) 与硕士生、博士生相关课程形成了一个较为完整的课程体系，为研究生教育打下了良好基础本门课程的内容与机械制造及其自动化及机械电子工程二级学科硕士点的硕士生学位课现代控制理论和现代测试技术、博士点的博士生学位课智能控制技术形成了一个较为完整的课程体系，为学科发展和研究生教育打下了良好基础。 12碱血睛献垄替集灿奎畏从寒