浅析高校实验室设备自制与管理

　　实验教学环节在高校教学活动中具有极为重要的作用，通过实验提升学生实践动手能力，加强学生对理论知识的理解，而实验设备是开展实验的基础装置，实验设备运行状况直接关系到实验效果的优劣[1-2]。近年来随着高校扩大招生规模，学生人数逐年增加，实验设备负荷增加，对设备更新管理应用方面提出了新的要求。本文首先分析了目前高校实验设备的使用现状，结合现状分析了自制设备在实验教学中的重要作用，然后以自制直流电源为例介绍了自制设备管理策略，最后针对如何提升自制设备研制及使用效果，提出了作者的一些想法。

　　1 高校实验设备使用现状

　　1.1 实验设备负荷重、易老化

　　目前随着高校扩大招生规模，学生人数逐年增加，使得实验设备使用的频率增加，同时随着教学计划的修订，一些新的实验开出在没有相应投入设备的情况下，已有设备必须做一些调整增开实验项目，从而导致设备负荷重。以我校电机及自动控制实验装置为例，该装置主要服务于电机拖动与控制、电力电子技术、控制电机等实验课程，主要开始实验有直流发电机实验、直流他励电动机在各种运行状态下的机械特性测定实验、三相异步电动机的参数测定实验、三相异步电动机的起动与调速实验、异步电机同步化实验、锯齿波触发电路实验、三相桥式整流实验、直流斩波实验、直流伺服电动机实验。其中电机拖动与控制实验和电力电子技术相关实验学时数均超过2000人时/年，每年使用时间长、装置负荷重，同时设备投入年限较久，导致许多模块出现不同程度的老化、损坏，严重影响正常的实验教学。

　　1.2 实验设备维护、保养困难

　　实验设备的有效维护是实验设备高校运行的基本保障，但是现实使用过程中设备往往得不到良好的维护、保养、设备的使用效果大打折扣[2]。导致这一现象的主要原因有以下几个方面：（1）设备更新换代快，原有设备的配件购买比较困难：国内许多教学设备生产厂商为了适应市场，推出新产品速度很快，而高校已有设备更新速度相对要慢很多，从而导致设备模块损坏后无法从原厂商处快速买到原配件，同时高校实验设备具有一定的特殊性，从市场购买也比较困难，如果定做成本很高。（2）设备生产厂商售后服务跟不上：实验室设备使用过程中比较容易出现故障，一旦出现比较大的故障需要厂商提供技术支持，厂商响应时间比较长，一般至少是一周左右才能来现场维修，影响了实验课程正常开展。（3）维护、保养知识缺乏，国内设备厂商一般只注重实验设备功能满足客户需求，很少注重对设备使用者进行系统化的使用培训，导致设备使用者对设备维护、保养知识不足，设备缺乏必要的维护，精度、寿命受到很大的影响。（4）维护、保养经费不足：高校对于实验室建设往往只关注前期的一次性投入缺乏后续维护费用投入，设备使用损坏后更换经费紧张。

　　2 高校实验设备自制的重要作用

　　2.1 提升实验教师专业能力

　　高校实验设备具有较强的专业特殊性，实验教师参与实验设备自制能够增加教师的能力，提高高校实验教师队伍的整体素质[3]。首先，实验教师开展设备自制之前必须对设备的工作原理及作用进行充分的学习，从而提高实验教师的理论知识水平；其次，设备自制过程中实验教师通过设计硬件电路和软件程序提升实践动手能力；第三，提高实验教师对设备的维护能力，通过自制实验设备，实验教师能够充分掌握设备的工作特性，针对设备故障能够快速解决问题；第四，提升教师业务能力，实验教师通过自制设备能够熟悉自制设备申报流程，经费使用规范以及量化考核指标等方面的知识。

　　2.2 提高设备综合利用效率

　　实验教师作为实践环节一线工作者，对实验室设备应用需求具有清楚认识，研制出的设备更具有综合性，从而提高实验设备利用效率。市场上购置实验产品一般只能满足基础实验要求，不能开展综合实验。自制设备能够根据教学计划安排在研制阶段充分考虑设备的综合利用性，设备不仅能开展基础实验，也能满足学生做综合课程设计的需求。同时，学校购置设备产品往往不止一家，购置产品之间的兼容性很差，当有的需要多种产品配合实验时就会造成相关设备功能上满足要求但无法接口的难题。自制设备在研发的阶段根据现有设备特性，预留多种接口方式，从而能够满足与多种产品兼容使用，使用率得到提高。

　　2.3 降低实验室投入成本

　　实验设备购置时需要投入大量的资金，许多厂商后期维护需要收费，造成实验室维护费用高[3]。购置实验设备产品在使用的过程中，设备都会出现一些故障需要维修，厂商一般不会提供元器件级别的维修，往往是一个小问题，厂商便更换一个模块造成投入增加。而且，有的年限较旧设备，厂商不提供维修，要求你成套更新设备，造成不必要的投入。自制设备从设备设计之初的需求分析、方案设计、研制成功全程由实验室教师把控，对设备特性非常清楚，设备出现故障时能及时查找问题，更换故障元器件即可解决问题，成本大大降低，同时可以对设备进行终身维护。

　　3 自制设备管理

　　作者于2014年申报了电机及自动控制实验装置中直流电源系统设备自制，本次研制的直流电源系统是电机及自动控制实验装置的核心设备，该设备主要用于电机拖动与控制实验、电力电子技术实验以及控制电机实验中直流电源的供给。该自制设备采用了先进的PWM调制技术，具有过压、过流保护、软起动控制等功能，具体达到的技术指标如下：

　　（1）输入电压：AC220V±10% 50/60Hz

　　（2）适配电机功率：50W～500W 　　（3）励磁输出：电压220V，电流最大值0.5A

　　（4）电枢输出：电压DC0～250V，电流最大值3A

　　（5）显示：LCD显示，显示分辨率1V

　　（6）散热：风扇散热

　　（7）接线方式：抽头端子式（方便快捷）

　　（8）保护：外置式过流保护，方便更换保险管

　　（9）外形尺寸：长320mm×宽2400mm×高110mm

　　本项目研制的直流电源系统设计初期要求设备能很好的服务于电机拖动基础、电力电子技术及控制电机等课程的实验项目。目前，研制的电源系统已经投入到相关课程实验当中，经过多次实际的运行测试，结果表明该设备能够稳定的提供两路直流电源的输出，且使用方便。该设备能为电机实验提供良好的励磁电压和电枢电压，能为电力电子变换控制提供精度较高、方便调节的直流电源，并且在实验过程中具有良好的稳定性和自我保护特性。结合本次研制的自制设备，对自制设备申报、项目审批、验收进行详细分析，并针对如何提高自制设备质量提出了一些建议。

　　3.1 自制设备申报

　　实验室设备自制的第一个环节为自制设备申报，这也是自制设备过程中一个最基础的部分。自制设备申报主要包括以下几个方面：（1）需求分析，自制设备教师首先要对目前已有设备的运行现状有一个清楚的了解，然后结合教学大纲要求开具的实验制定出一个具体的自制规划，包括具体的功能、参数指标。（2）自制设备利用效率评估，根据具体实验学时与学生人数评估设备使用的详细情况，确立研制目标、明确研制意义。（3）立项申报书，自制设备教师根据需求分析和相关评估撰写详细的申报文档，并与相关教学老师讨论反复修改。

　　3.2 项目审批

　　自制设备必须严格按照程序完成审批，采取逐级上报方式进行审核。首先，实验中心全体教师进行内部评审，针对研制设备的目标、意义进行综合评定，然后上报学院领导审批，学院综合考虑确定初步上报项目到学校实验室与设备管理处，设备处组织相关专家进行评审确定立项项目。项目审批是保障自制设备质量的关键环节，必须注意以下几点：（1）准确评估自制设备必要性，立项本着节约成本，提高利用率思想，综合考虑自制设备投入的价值；（2）公平、公开，项目审批必须本着设备本身研制的意义、可行性立项，并进行公示接受监督；（3）严格经费预算，结合自制设备情况，严格审核经费预算指标，坚决杜绝不合理支出；（4）加大力度，重点支持，自制设备对实验室建设具有重要的意义，高校应加大投入力度，同时考虑到有的自制设备属于十分紧缺投入价值相对更大，应该重点支持投入；（5）严格控制研制周期，自制设备必须在规定的时间内完成，并投入使用。

　　3.3 自制设备验收

　　设备研制完毕后，研制人员撰写结题报告，提交结题申请，学校设备管理处组织相关人员组织验收。验收过程中应注意以下几点：（1）验收申请，研制人员完成设备研制后撰写研制报告，提交验收申请；（2）功能验收，验收人员根据立项申请书所述研制目标对自制设备进行功能性测试；（3）财务验收，财务管理人员根据经费预算表对自制设备支出项目进行详细审核；（4）审核设备利用效率，验收人员结合教学大纲对设备利用情况进行评估。

　　3.4 加强管理提升质量

　　高校自制设备对于实验室建设具有重要作用，探索高效管理方法提升自制设备质量具有重要意义[4-5]。（1）加强过程管理，自制设备在研制过程中应加强过程监管，研制人员根据研制的进展定期进行阶段汇报；（2）注重反馈建议，自制设备在实际应用过程中应广泛收集教师、学生对设备使用的意见、建议，根据意见、建议不断完善自制设备；（3）全程监管，自制设备应进行全寿命周期监管，研制设备后续有效应用情况必须进行监控；（4）以科研促自制，自制设备应与科研结合，高校应积极利用科研优势将科研成果转化为产品应用于实验自制设备，提升实验教学水平；（5）绩效评估，高校应鼓励教师进行设备自制，纳入教师的绩效考核。

　　4 结束语

　　自制设备对于高校实验室建设具有重要意义，本文对高校实验设备的现状进行了分析，并结合使用现状分析了自制设备的重要作用，最后作者根据直流电源系统自制，对自制设备的管理进行了分析，并提出了一些建议。高校应加强对自制设备管理，增加资金投入鼓励教师参与设备自制，对于提升实验教学水平、促进教学改革具有重要意义。

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