自導引小車案例教學在《機電一體化系統(tǒng)設計》中的應用

趙月靜+李紅彥+李玥華+任有志+崔洪斌

摘要：首先，本文對《機電一體化系統(tǒng)設計》課程特點進行了分析。其次，對自導引小車案例教學內容設置、實施步驟、教學實踐效果分析等方面進行闡述。最后結果表明，自導引小車案例教學法在《機電一體化系統(tǒng)設計》課程中應用是成功的。

關鍵詞：自導引小車；案例教學法；《機電一體化系統(tǒng)設計》

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）30-0167-02

一、引言

《機電一體化系統(tǒng)設計》課程可以使學生建立機電產(chǎn)品的一體化設計思想，把電子技術、傳感器技術，自動控制技術、計算機技術和機械技術有機地結合起來，并且能運用所學知識對機電一體化產(chǎn)品進行分析或設計，使學生具備解決生產(chǎn)過程中機電設備的運行、管理、維護和改造等實際問題的初步能力。這門課程既涉及理論知識的學習，又強調學生的實際動手能力，因此非常適合運用案例教學法。通過設計合適的教學案例及實訓教學裝置來引導學生自主探索、分析、理解案例中所包含的多學科問題和相關技術，采取即學即用、理論與實踐無縫對接的教學方法，掌握案例中的科學知識和分析解決問題的工程實踐能力，形成一個為解決問題學習，帶著任務探索實踐的學習氛圍，最終達到教學目標。學生通過自導引小車案例，完成從機械本體設計、裝配、電控系統(tǒng)搭建、程序框圖及程序代碼編寫的全部過程，培養(yǎng)學生設計、調試及研發(fā)的能力，提高學生解決工程實踐問題的能力。

二、自導引小車案例教學內容設置

1.理論教學內容。自導引小車是工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用的典型車間自動設備，此系統(tǒng)從單片機控制系統(tǒng)硬件及運動軌跡算法、軟件編程等方面鍛煉學生的實際應用能力。自導引小車理論教學內容包括：介紹自導引小車簡介及應用場合；自導引小車的工作原理；導引方式分類；路徑規(guī)劃；單片機控制系統(tǒng)；直流電機脈寬調速知識及實現(xiàn)方法；軌跡識別傳感器原理及應用；雙電機驅動行駛系統(tǒng)策略分析；Keil C單片機軟件編程及調試。講授時與案例相關的內容重點講解，將已經(jīng)學過的分散知識融合到一個案例，讓學生體會到所學知識之間聯(lián)系，對機電一體化的五大組成部分有更加明確的認識，掌握該實際工程應用中所涉及的內容和設計方法，實現(xiàn)系統(tǒng)地運用所學知識指導實際工程的目的。

2.工程實訓內容。自導引小車案例實際操作環(huán)節(jié)為4周時間。在這4周中，首先完成機械結構設計；利用Proteus進行自導引小車控制系統(tǒng)硬件原理圖設計和軟件仿真；進行自導引小車運動軌跡設計；在采購來的電子元件和自制的一些零部件的基礎上，組裝自制自導引小車模型和搭建電路板實物；利用Keil C編程軟件進行控制系統(tǒng)軟件程序開發(fā)；自導引小車設備循跡、調試、運行等主要環(huán)節(jié)。（1）自導引小車機械系統(tǒng)設計，包括傳動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)。要求：自導引小車模型載重50kg。（2）自導引小車控制系統(tǒng)設計。主要電氣元件包括：AT89C系列單片機、直流電機、直流電機驅動器、循跡元件、避障元件等外圍芯片。（3）控制系統(tǒng)軟件程序開發(fā)。要求實現(xiàn)按照預設軌跡運動并能實現(xiàn)調速。（4）自導引小車系統(tǒng)調試。上述四部分內容基本控制在每周完成一項內容，各項任務完成之后，總結并整理相關資料。

三、案例實施過程中注意事項

案例教學的目標是否實現(xiàn)，主要依賴兩方面：（1）教師指導作用的實現(xiàn)；（2）學生自身重視程度。鑒于上述兩點，筆者認為在進行自導引小車案例教學過程中，需要注意以下幾方面的內容。

1.充分了解學生的動向。這個案例學生積極性比較高，但是忽略控制知識要求較高，機械結構也要兼顧的特點。教師要了解并根據(jù)這情況，從內容設置上要強調機械部分的重要性，在控制電路原理上要多提高，不能只滿足小車能跑起來的外在現(xiàn)象，對于深層次的理論知識也要掌握，這樣才算真正學懂單片機控制的機電一體化系統(tǒng)。

2.充分發(fā)揮學生之間的帶動作用。在案例實施過程中，教師每天到場進行指導。但是大部分時間學生之間的交流更方便，學生在遇到各種各樣的問題，學生之間互相切磋問詢更能提高學習的效率和興趣。出現(xiàn)共性問題時，教師要進行指導。學生還自發(fā)建立了QQ群，有問題都可以在群里商量討論，教師也可以參與到其中。學生在整個案例實施過程中，教師和學生、學生和學生的互動交流，把主動權交給學生。

3.嚴格把關考核環(huán)節(jié)。這一案例教學是在本科生教育中應用的，學生人數(shù)較多，鑒于案例實訓資源有限，學生分組進行，一組學生共用一套實訓設備，共同完成整個設計任務。因此，教師要嚴把考核環(huán)節(jié)，在案例實施過程中，通過平時考勤、觀察，最后，了解每個學生學習動手情況，根據(jù)學生承擔的任務內容進行答辯提問，以杜絕學生沒有認真參與現(xiàn)象的出現(xiàn)。最終目的是要讓選擇這一案例的每個學生都能有所收獲。

四、自導引小車案例考核方法

由于教學分理論與實踐兩個部分內容，因此考核方式將分為筆試試卷和工程實訓兩個部分。其中，筆試考核部分，本案例理論知識考核占《機電一體化系統(tǒng)設計》試卷總分數(shù)的20%；工程實訓部分分組完成，每組需要完成以下內容：（1）案例設計說明書1份；（2）機械結構三維模型圖1張（電子版），二維設計裝配圖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。每項內容占20分，工程實訓總分數(shù)為100分。最后以小組為單位進行答辯，以設備能夠調試運行為通過主要指標，同時對每個人對設備的總體方案和主要內容進行陳述，對其負責的部分內容進行答辯詢問，回答問題完整且正確才算通過。這個可以督促每個人認真訓練，達到培養(yǎng)其工程實踐能力的目的。

五、案例教學實施效果分析

案例教學在機械2012級、2013級機電方向本科生中進行，《機電一體化系統(tǒng)設計》課程共40學時理論教學，共講述5個案例，該案例占6個學時。教師通過積極備課，完善自導引小車案例教學內容。理論教學多以圖片和視頻形式展示給學生，讓學生有更直觀的感性認識，提高學生的興趣和注意力。從實踐效果看，效果比以往單純文字講述要好很多。自導引小車案例工程實訓共有20名學生選擇該案例。20名學生分成4組，每一組都動手裝配調試一套自導引小車設計和工程實訓過程，每一組的設計方案要求和參數(shù)不一樣，小車所行走的軌跡不一樣，最后提交要求的全部資料。通過對本次工程實訓教學實施過程的觀察和思考，結合學生的實際實施情況和最后答辯考核情況，效果分析如下。

1.對于自導引小車機械系統(tǒng)設計任務，實訓裝置是小車模型，機械結構較簡單，要求學生根據(jù)工廠使用的自導引小車，增加機械結構的強度進行結構設計計算，進行三維圖、二維圖、零件圖的繪制。該環(huán)節(jié)主要訓練學生機械結構設計、計算校核關鍵部件以及機械制圖能力。由于學生進行過機械設計課程設計，對于機械圖具有較好的基礎，比較容易完成。主要是要學習三維軟件的使用。同學們根據(jù)未來各自希望從事的專業(yè)，選取了不同的三維軟件來進行制圖。

2.對于電氣控制系統(tǒng)設計任務。學生們對實際電氣控制系統(tǒng)和電氣元件了解有限，前續(xù)課程缺乏電氣控制系統(tǒng)的課程設計，學生通過自學所用開發(fā)軟件Proteus和編程軟件Keil C，掌握了實際工程中電路原理圖設計，增強了學生自主學習的意識和能力。通過硬件電路圖的實物實現(xiàn)環(huán)節(jié)訓練了學生線路板的印刷、實物連線及硬件系統(tǒng)檢測能力。從效果來看，學生們在實訓過程中掌握了控制系統(tǒng)硬件原理圖及其電氣元件，了解了實際工程中的接線方法，加深了對機電一體化控制系統(tǒng)的認識，培養(yǎng)了他們運用已學知識理論與實際的結合解決工程實際問題的實踐能力。

3.對于程序開發(fā)和調試這兩項任務是本案例的重點，也是難點。Proteus和Keil C軟件以前只是簡單提到過，但沒有具體實際系統(tǒng)讓學生去編寫程序。這次實訓給學生提供了實際工程訓練的機會。編程、調試運行過程是個反復的過程。軟件的開發(fā)和調試過程中，任何一點小的問題，都會導致結果的不正確。該過程總培養(yǎng)學生認真嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。從效果來看，學生們的自我學習意識和能力都有所提高，也充分意識到了“實際工程中無小事”這句話的含義。

自導引小車案例作為案例教學法中一個典型案例，以系統(tǒng)設計的思路作為主線，闡釋有關的基本概念、原理和方法，將各個知識點用此案例有機統(tǒng)一結合起來。教學過程先了解該案例，然后了解和熟悉對系統(tǒng)總體的性能要求是如何轉化為對各組成部分的選型和設計要求的，是一個從總體到局部的逐步細化的過程。工程實訓部分能充分激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)其動手能力，并進一步優(yōu)化教學效果。鼓勵學生盡量參與到這一過程中來，通過親身的體會可以加深學生對基礎知識的理解程度。通過上述自導引小車案例可以說明，將案例教學法引入《機電一體化系統(tǒng)設計》這門課程是十分成功的。

參考文獻：

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