案例教學法在《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程中的應用

李玥華+任有志+崔洪彬

摘要：文章以基于DMC5480控制的XY工作臺為例，著重對課程分析、案例設(shè)置、案例實施中需注意事項及教學實踐與效果分析等四個環(huán)節(jié)進行闡述，以說明案例教學法在《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程中的成功應用。

關(guān)鍵詞：案例教學法；《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》；DMC5480；XY工作臺

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）20-0192-02

一、案例教學法簡介

案例教學法源于哈佛大學，是指通過一個具體教育情景的描述，從而引導學生對這些特殊情景進行討論的一種教學方法?！秶抑虚L期教育改革與發(fā)展綱要（2010—2020）》中明確指出，鼓勵實行工學結(jié)合、校企合作、頂崗實習的人才培養(yǎng)模式。將案例教學運用到《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程中，正是最大限度地模擬實際現(xiàn)場，將課堂交給學生，以培養(yǎng)他們運用所學理論知識解決實際問題的能力，避免了理論知識與實踐環(huán)節(jié)之間的相互脫節(jié)，有助于實現(xiàn)高級實用型人才的培養(yǎng)目標。

二、《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程分析

1.課程性質(zhì)?！稒C電一體化系統(tǒng)設(shè)計》是機械電子工程專業(yè)的主干專業(yè)課。該課程是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，利用機械技術(shù)和電子技術(shù)，通過機電的有機結(jié)合，從而構(gòu)造出最佳的機電系統(tǒng)的一門課程。本課程主要學習的是機械系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等的設(shè)計和選擇方法，同時也有一些討論機電一體化系統(tǒng)的接口、精度設(shè)計和可靠性等系統(tǒng)的總體技術(shù)。

2.課程目標。通過本課程的學習，使學生建立起機電產(chǎn)品一體化的設(shè)計思想，把電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)和機械技術(shù)等有機地結(jié)合起來，同時了解各項技術(shù)之間的接口關(guān)系，能運用所學知識對機電一體化產(chǎn)品進行一定的分析或設(shè)計，使學生具備解決生產(chǎn)過程中機電設(shè)備的運行、管理、維護和改造等實際問題的初步能力。學生通過具體的案例（以基于DMC5480控制的XY工作臺為例），完成從機械本體設(shè)計、裝配、電控系統(tǒng)搭建、數(shù)控程序開發(fā)、加工程序編寫等的全部過程，培養(yǎng)起學生設(shè)計、調(diào)試及研發(fā)的能力。

三、基于DMC5480控制的XY工作臺的案例設(shè)置

1.案例分析。XY工作臺是許多機電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱—橫向進刀機構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的XY工作臺、激光加工設(shè)備的工作臺、電子元件表面貼裝設(shè)備等。目前，對于XY工作臺的控制，可以采用單片機、可編程邏輯控制器、運動控制卡等。本案例以XY工作臺為機械本體，結(jié)合DMC5480運動控制卡及PC機，搭建出一個基于Windows操作平臺的、開放式的數(shù)控系統(tǒng)，可以為社會培養(yǎng)出從事數(shù)控機床相關(guān)技術(shù)開發(fā)和應用的人才。

2.案例分解。本案例將PC機、DMC5480運動控制卡與XY工作臺相結(jié)合，再通過設(shè)計XY工作臺結(jié)構(gòu)、搭建電氣控制系統(tǒng)、編寫基于VC++的運動控制程序，讓學生系統(tǒng)地學習數(shù)控系統(tǒng)硬件及軟件開發(fā)的全過程，以便學生將來可在此基礎(chǔ)上開發(fā)一些更為復雜的數(shù)控系統(tǒng)。根據(jù)任務要求，教師可以將案例分解為以下四部分：（1）XY工作臺機械本體設(shè)計。XY工作臺機械本體設(shè)計的具體要求為：X軸行程200mm，Y軸行程200mm，控制精度0.05mm，最高進給速度3m/min，工作臺載重5kg。（2）電控系統(tǒng)設(shè)計。電控系統(tǒng)主要電氣元件包括：DMC5480運動控制卡、PC機、步進電機驅(qū)動器、步進電機、開關(guān)電源、急停、空開等。（3）運動控制程序開發(fā)。運動控制程序開發(fā)要求以VC6.0為開發(fā)平臺，設(shè)計編程控制界面與運動控制程序，實現(xiàn)對XY工作臺的單軸控制和兩軸聯(lián)動控制。（4）系統(tǒng)調(diào)試。上述四部分內(nèi)容基本控制在每周完成一項內(nèi)容，各項任務完成之后，總結(jié)并整理相關(guān)資料。

3.案例考核。由于該次教學分為理論教學與實踐教學兩個部分，因此考核方式就可以分為筆試和案例作業(yè)兩個部分。其中，筆試考核部分，本案例中理論知識考核占機電一體化系統(tǒng)設(shè)計試卷總分數(shù)的20%；案例作業(yè)則需要完成以下內(nèi)容：（1）案例設(shè)計說明書1份；（2）機械結(jié)構(gòu)三維模型圖1張（電子版），二維設(shè)計裝配圖1張及主要零件圖；（3）電氣系統(tǒng)原理圖1張；（4）程序框圖及程序清單；（5）演示視頻。其中，每項內(nèi)容占20分，案例作業(yè)總分數(shù)為100分。

四、案例實施過程中應注意的問題

筆者認為在進行基于DMC5480控制的XY工作臺案例教學過程中，需要注意以下幾方面的內(nèi)容。

1.充分調(diào)動學生的積極性。根據(jù)筆者調(diào)查，選擇這一案例的學生當中，有一部分同學是基于這一案例較為簡單的原因，這主要是因為學生們對XY工作臺并不陌生，而且在《數(shù)控技術(shù)》這門課中也進行過相關(guān)的課程設(shè)計。因此，教師要敏銳地意識到部分學生的這種思想，在設(shè)計開始之前，要充分地介紹這一案例的目的和特點，調(diào)動起學生的積極性和主動性，讓他們從思想上重視這次案例教學。

2.在案例實施過程中，充分發(fā)揮學生的能動性。在案例實施過程中，會遇到各種各樣的問題。在遇到問題時，教師需要做的就是鼓勵學生自己查找答案，只在必要的時候，進行一定的指導。在整個案例實施的全過程，教師要盡可能少地參與到其中的環(huán)節(jié)中去，把主動權(quán)交還給學生。

3.嚴格把關(guān)考核環(huán)節(jié)。在案例實施過程中，教師可以通過觀察、提問、讓學生演示等手段，了解到學生每個人的情況，并針對學生的個體情況，對其進行一定的教育，杜絕不勞而獲現(xiàn)象的出現(xiàn)。教師嚴格把關(guān)考核環(huán)節(jié)的最終目的是要讓每個選擇這一案例的學生都能有所收獲。

4.課后反思。教師在本次案例教學結(jié)束之后，要進行一定的教學反思，主要表現(xiàn)為：教師在每天的指導工作結(jié)束之后，要根據(jù)這一天的具體情況，針對當天出現(xiàn)的各種各樣的問題進行深入地思考，并找到行之有效的解決方法，以便在以后的教學指導過程中，更好地解決此類問題。

五、教學實踐與效果分析

本次案例教學是在2012級機械電機方向本科生中進行的，共有20名學生選擇基于DMC5480控制的XY工作臺案例。筆者對本次的教學實踐與效果分析如下。

1.對于XY工作臺機械本體設(shè)計這一任務。這20名學生分成4組，首先對已有XY工作臺進行拆卸測繪。在拆卸測繪的基礎(chǔ)上進行設(shè)計計算及三維圖、二維圖、零件圖的繪制。在這一環(huán)節(jié)，主要培養(yǎng)學生測繪機械本體、計算校核關(guān)鍵部件以及機械制圖能力。從效果來看，學生們對拆卸測繪這一環(huán)節(jié)反應積極。由于有了這一良好的開端，在接下來進行的計算校核及制圖過程中，學生們思路清晰，完成情況整體良好。在教師有意地引導之下，學生們根據(jù)未來各自希望從事的專業(yè)，選取了不同的三維軟件進行制圖。

2.對于電控系統(tǒng)設(shè)計這一任務。鑒于學生們對實際電氣元件了解的知識有限及安全性考慮，在電氣元件選型這一環(huán)節(jié)，主要是由教師來完成的。教師通過最終完成的實物向?qū)W生們講解電氣元件選型及使用過程中需要注意的事項。但是，元件之間的線路設(shè)計與連接，則是由學生自己動手完成的。在這一環(huán)節(jié)，教師想要培養(yǎng)的主要是學生進行電路設(shè)計、連接及檢測的能力。從效果來看，學生們根據(jù)查閱到的電氣元件使用說明，可以較好地完成這一環(huán)節(jié)的工作。同時，學生們也可以根據(jù)具體情況，靈活地運用萬用表這一工具，來檢測元件及線路。以步進電機為例，在不知道線序及標號的基礎(chǔ)上，學生們利用萬用表可以分辨出A+、A-、B+、B-、C+、C-中每項繞組，這就是理論與實際的結(jié)合，并且也培養(yǎng)了學生運用已學知識解決實際問題的能力。

3.對于程序開發(fā)和調(diào)試這兩項任務是本案例的重點，也是難點。這兩項任務主要考察了學生的自學能力。由于VC這一軟件并沒有開設(shè)相關(guān)的課程，因此，學生們需要在短期內(nèi)快速學習及應用VC這一軟件，因而對學生的自學能力也提出了更高的要求。這一環(huán)節(jié)，一方面培養(yǎng)的是學生自我學習的能力，因為當他們走出校園，進入工作崗位之后，這種自我學習的能力是非常重要的。另一方面培養(yǎng)的是學生認真嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，因為軟件在開發(fā)和調(diào)試的過程中，任何一點小的問題，都會導致結(jié)果的不正確。從效果來看，學生們的自我學習能力和意識都有所提高，也充分意識到了“實際工程中無小事”這句話的含義。

六、結(jié)語

高等院校是為社會培養(yǎng)高級實用型人才的重要場所。通過上述基于DMC5480控制的XY工作臺案例可以說明，將案例教學法引入《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》這門課程是十分成功的。

參考文獻：

[1]王萬新.案例教學在《機床數(shù)控技術(shù)》課程中的應用[J].新西部，2014，（2）：120-121.

[2]DMC5480用戶手冊[Z].深圳市雷賽科技有限公司.