案例教學法在《機電一體化系統設計》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節進行闡述，以說明案例教學法在《機電一體化系統設計》課程中的成功應用。

關鍵詞：案例教學法；《機電一體化系統設計》；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。《國家中長期教育改革與發展綱要（2010—2020）》中明確指出，鼓勵實行工學結合、校企合作、頂崗實習的人才培養模式。將案例教學運用到《機電一體化系統設計》課程中，正是最大限度地模擬實際現場，將課堂交給學生，以培養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節之間的相互脫節，有助于實現高級實用型人才的培養目標。

二、《機電一體化系統設計》課程分析

1.課程性質。《機電一體化系統設計》是機械電子工程專業的主干專業課。該課程是從系統的觀點出發，利用機械技術和電子技術，通過機電的有機結合，從而構造出最佳的機電系統的一門課程。本課程主要學習的是機械系統、傳感檢測系統、伺服系統、控制系統等的設計和選擇方法，同時也有一些討論機電一體化系統的接口、精度設計和可靠性等系統的總體技術。

2.課程目標。通過本課程的學習，使學生建立起機電產品一體化的設計思想，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等有機地結合起來，同時了解各項技術之間的接口關系，能運用所學知識對機電一體化產品進行一定的分析或設計，使學生具備解決生產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。學生通過具體的案例（以基于DMC5480控制的XY工作臺為例），完成從機械本體設計、裝配、電控系統搭建、數控程序開發、加工程序編寫等的全部過程，培養起學生設計、調試及研發的能力。

三、基于DMC5480控制的XY工作臺的案例設置

1.案例分析。XY工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，如數控車床的縱—橫向進刀機構、數控銑床和數控鉆床的XY工作臺、激光加工設備的工作臺、電子元件表面貼裝設備等。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、開放式的數控系統，可以為社會培養出從事數控機床相關技術開發和應用的人才。

2.案例分解。本案例將PC機、DMC5480運動控制卡與XY工作臺相結合，再通過設計XY工作臺結構、搭建電氣控制系統、編寫基于VC++的運動控制程序，讓學生系統地學習數控系統硬件及軟件開發的全過程，以便學生將來可在此基礎上開發一些更為復雜的數控系統。根據任務要求，教師可以將案例分解為以下四部分：（1）XY工作臺機械本體設計。XY工作臺機械本體設計的具體要求為：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）電控系統設計。電控系統主要電氣元件包括：DMC5480運動控制卡、PC機、步進電機驅動器、步進電機、開關電源、急停、空開等。（3）運動控制程序開發。運動控制程序開發要求以VC6.0為開發平臺，設計編程控制界面與運動控制程序，實現對XY工作臺的單軸控制和兩軸聯動控制。（4）系統調試。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。

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設計試卷總分數的20%；案例作業則需要完成以下內容：（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，每項內容占20分，案例作業總分數為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容。

1.充分調動學生的積極性。根據筆者調查，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《數控技術》這門課中也進行過相關的課程設計。因此，教師要敏銳地意識到部分學生的這種思想，在設計開始之前，要充分地介紹這一案例的目的和特點，調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節中去，把主動權交還給學生。

3.嚴格把關考核環節。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，杜絕不勞而獲現象的出現。教師嚴格把關考核環節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束之后，要進行一定的教學反思，主要表現為：教師在每天的指導工作結束之后，要根據這一天的具體情況，針對當天出現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。在拆卸測繪的基礎上進行設計計算及三維圖、二維圖、零件圖的繪制。在這一環節，主要培養學生測繪機械本體、計算校核關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節反應積極。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，學生們根據未來各自希望從事的專業，選取了不同的三維軟件進行制圖。

2.對于電控系統設計這一任務。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節，主要是由教師來完成的。教師通過最終完成的實物向學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，元件之間的線路設計與連接，則是由學生自己動手完成的。在這一環節，教師想要培養的主要是學生進行電路設計、連接及檢測的能力。從效果來看，學生們根據查閱到的電氣元件使用說明，可以較好地完成這一環節的工作。同時，學生們也可以根據具體情況，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合，并且也培養了學生運用已學知識解決實際問題的能力。

3.對于程序開發和調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相關的課程，因此，學生們需要在短期內快速學習及應用VC這一軟件，因而對學生的自學能力也提出了更高的要求。這一環節，一方面培養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。另一方面培養的是學生認真嚴謹的工作態度，因為軟件在開發和調試的過程中，任何一點小的問題，都會導致結果的不正確。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、結語

高等院校是為社會培養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《機電一體化系統設計》這門課程是十分成功的。

參考文獻：

[1]王萬新.案例教學在《機床數控技術》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.