機(jī)電一體化課程案例教學(xué)研究

戴敏 曾勵 周建華

摘 要 介紹機(jī)電一體化教學(xué)案例庫的構(gòu)建方法，提出集代表性、前沿性、實用性為一體的基于機(jī)電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)的課程教學(xué)案例庫建設(shè)和設(shè)計方法，并開展“案例設(shè)計—實踐應(yīng)用—實時反饋”的案例教學(xué)實踐。該案例庫教學(xué)為機(jī)電一體化課程建設(shè)提供了新思路。

關(guān)鍵詞 機(jī)電一體化課程；共性關(guān)鍵技術(shù)；教學(xué)案例庫；機(jī)械電子工程

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）14-0058-03

Research on Case Teaching of Mechanical and Electrical Inte-gration Course//DAI Min， ZENG Li， ZHOU Jianhua

Abstract The paper presents case teaching method for mechanical and electrical integration. First， a teaching case library based on the

common key technologies is established for the mechanical and elec-

trical integration course， which considers the integration of represen-

tative， cutting-edge ideal and practical. Then， the design method of the case teaching is addressed. Finally， a new idea， “case design—practical application—real-time feedback” is proposed to support the

curriculum construction of mechanical and electrical integration.

Key words mechanical and electrical integration； common key tech-

nologies； teaching case library； mechatronic engineering

1 引言

隨著課程建設(shè)發(fā)展的需要，新工科發(fā)展模式的提出給機(jī)械電子工程專業(yè)建設(shè)帶來發(fā)展機(jī)遇。同時，機(jī)械電子工程專業(yè)改革在新工科建設(shè)道路上面臨不少挑戰(zhàn)[1]。在新工科環(huán)境下如何從理念新穎、結(jié)構(gòu)新穎、模式新穎、質(zhì)量新穎和體系新穎五大方面建設(shè)機(jī)電一體化課程，是亟待考慮的問題。案例教學(xué)是以相關(guān)專業(yè)理論為基礎(chǔ)，通過改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，基于一個完整的典型案例進(jìn)行闡述，以引導(dǎo)學(xué)生對問題進(jìn)行思考、分析、解決和討論，最終具備分析和解決機(jī)械工程領(lǐng)域負(fù)責(zé)工程問題的能力。將案例教學(xué)融入機(jī)電一體化課程建設(shè)中是探索新工科建設(shè)的一種新途徑。

機(jī)電一體化是一門具有多學(xué)科交叉性和多種技術(shù)集成性的傳統(tǒng)技術(shù)課程，其隨著機(jī)械技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、（微）電子技術(shù)和信息技術(shù)等技術(shù)融合而獨立發(fā)展起來[2]。機(jī)電一體化課程是機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生必選課程，根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)大綱，一般多采用板書講授并結(jié)合多媒體的形式進(jìn)行教學(xué)。由于課程本身的復(fù)雜性、綜合性和集成性等特點，傳統(tǒng)的教學(xué)模式很難讓學(xué)生通俗易懂地去掌握必要的基本知識點，部分高校嘗試采用實習(xí)+實訓(xùn)驅(qū)動的教學(xué)模式，教學(xué)質(zhì)量得到持續(xù)改進(jìn)。

基于案例庫教學(xué)模式的設(shè)計及其應(yīng)用，在該課程的教學(xué)中探討較少[3-4]。本文在上述實踐基礎(chǔ)上，采用結(jié)合案例庫的形式開展教學(xué)，該教學(xué)模式的實施能更有效地激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，為培養(yǎng)在機(jī)電一體化領(lǐng)域從事設(shè)計、制造、研發(fā)、管理等工作的應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才打下良好基礎(chǔ)。

2 建設(shè)機(jī)電一體化教學(xué)案例庫的基本原則與方法

機(jī)電一體化課程案例庫的開發(fā)主要集中于機(jī)械和電氣兩部分，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，最終提高本科生課程教學(xué)質(zhì)量，并做到持續(xù)改進(jìn)和完善。在此培養(yǎng)目標(biāo)下，基于相關(guān)技術(shù)的集成開發(fā)和設(shè)計，建立一套機(jī)電一體化教學(xué)案例庫。在案例庫建設(shè)過程中，教師的教與學(xué)生的學(xué)均是圍繞案例開展，其基本原則設(shè)計如下。

1）案例規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)性。機(jī)電一體化課程案例的選材首先要確保結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、組織合理、內(nèi)容充實，同時應(yīng)具備一定的工程應(yīng)用背景，使理論與實踐結(jié)合更加緊密，使學(xué)生更容易運用和掌握機(jī)電一體化理論知識，以期達(dá)到實施機(jī)電一體化課程案例教學(xué)的預(yù)期目標(biāo)和效果。

2）問題啟發(fā)性。機(jī)電一體化課程教學(xué)案例的設(shè)計不能片面地關(guān)注問題的求解結(jié)果，而是更加強(qiáng)調(diào)案例所反映問題的深度與廣度，強(qiáng)調(diào)學(xué)生如何去分析和研究復(fù)雜問題，以培養(yǎng)學(xué)生獨立思考求解復(fù)雜問題的能力。

3）內(nèi)容關(guān)聯(lián)性。機(jī)電一體化課程教學(xué)案例內(nèi)容應(yīng)圍繞該課程的培養(yǎng)大綱，根據(jù)該課程的教學(xué)內(nèi)容（尤其是重點和難點內(nèi)容）和教學(xué)要求，并緊密結(jié)合機(jī)械設(shè)計制造領(lǐng)域、電力電子領(lǐng)域教材以及教學(xué)輔助資料的相關(guān)理論和方法進(jìn)行設(shè)計。同時，鼓勵教師結(jié)合自己的科研項目尤其是企業(yè)的相關(guān)項目，使設(shè)計的案例更具有實用關(guān)聯(lián)性。此外，鼓勵讓學(xué)生參與案例過程設(shè)計，通過思考、分析和討論來加強(qiáng)對理論知識的認(rèn)識和掌握。

4）案例實用性。機(jī)電一體化課程教學(xué)案例的設(shè)計過程中應(yīng)多考慮現(xiàn)實問題，從實際出發(fā)（如相關(guān)企業(yè)在生產(chǎn)制造中遇到的問題），結(jié)合各章節(jié)的具體內(nèi)容，給出問題設(shè)計的落腳點，針對設(shè)計的問題，查找對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，最后找到解決該問題的突破點。

機(jī)電一體化課程案例庫的開發(fā)以培養(yǎng)專業(yè)人才為目標(biāo)。筆者結(jié)合所在學(xué)院的情況，從工程專業(yè)認(rèn)證的角度出發(fā)，通過對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的分析與研究，構(gòu)建機(jī)電一體化課程案例庫，形成以2～3個案例為主案例，其余案例為輔案例的案例庫模式。以“基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的旋轉(zhuǎn)機(jī)械磁懸浮支承驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計”案例為例，既有機(jī)械部分設(shè)計，又有控制部分設(shè)計，最后還有機(jī)電一體化產(chǎn)品開發(fā)。當(dāng)課程涉及相關(guān)章節(jié)時，可要求學(xué)生對這一案例進(jìn)行分步式分析和設(shè)計。

在進(jìn)行機(jī)電一體化課程教學(xué)案例設(shè)計時，根據(jù)所確定的教學(xué)內(nèi)容，依據(jù)國內(nèi)外相關(guān)網(wǎng)站和相關(guān)科研項目，尤其是校企合作項目，收集、整理案例素材，撰寫各知識要點的教學(xué)案例。在具體設(shè)計機(jī)電一體化課程案例庫時應(yīng)包括案例名稱、案例內(nèi)容、案例分析過程、案例教學(xué)手段、思考/討論環(huán)節(jié)等詳細(xì)內(nèi)容。案例庫一般可分為單一案例、一題多解案例和綜合應(yīng)用案例等三種。根據(jù)課程特點，機(jī)電一體化課程案例庫采用綜合應(yīng)用案例，其能更有效地啟發(fā)學(xué)生全方位地思考、探索和解決問題。

機(jī)電一體化課程教學(xué)案例在應(yīng)用過程中，注重以學(xué)生為主、教師為輔的策略。案例內(nèi)容設(shè)計不能太復(fù)雜，盡量確保內(nèi)容生動翔實，以激發(fā)學(xué)生探索知識的欲望，否則影響學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。通過案例教學(xué)使學(xué)生感興趣，積極參與其中，主動去探索和思考問題，同時培養(yǎng)學(xué)生之間團(tuán)隊協(xié)作的精神。最后，在案例教學(xué)結(jié)束環(huán)節(jié)要求教師對本案例進(jìn)行適當(dāng)分析和點評，并針對學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行小結(jié)，為機(jī)電一體化課程案例庫的完善提供建議。

3基于機(jī)電一體化技術(shù)體系的教學(xué)案例庫

面向機(jī)械工程本科生的課程學(xué)習(xí)與應(yīng)用的機(jī)電一體化課程案例庫，基于機(jī)電一體化的共性關(guān)鍵技術(shù)設(shè)置教學(xué)內(nèi)容及其教學(xué)案例，具體案例如下。

1）機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計案例。以齒輪傳動及絲杠傳動組成的運動、動力變換機(jī)構(gòu)為例，基于機(jī)電一體化原理與技術(shù)設(shè)計計算其結(jié)構(gòu)以及動力學(xué)參數(shù)，分析其伺服性能。

2）傳感器與檢測系統(tǒng)設(shè)計案例。以磁懸浮開關(guān)磁阻球型電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向位移為例，基于差動變壓器工作原理和電磁懸浮軸承原理設(shè)計互感式軸向位移傳感器及其信號控制處理電路。

3）控制系統(tǒng)設(shè)計案例。本案例以旋轉(zhuǎn)機(jī)械磁懸浮軸承為例，設(shè)計支承旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的電磁懸浮軸承、驅(qū)動電路及其控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性進(jìn)行分析與綜合校正。

4）計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計案例。以計算機(jī)控制磁懸浮開關(guān)磁阻球型電機(jī)轉(zhuǎn)子信號為例，對系統(tǒng)輸入通道和輸出通道分別進(jìn)行硬件、軟件設(shè)計，并對系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真分析。

5）伺服驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計案例。本案例包括三個子案例，分別以步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)以及交流伺服電機(jī)為對象，建立三個伺服驅(qū)動系統(tǒng)，設(shè)計其驅(qū)動控制電路。

6）電液控制系統(tǒng)設(shè)計案例。本案例包括兩個子案例，分別建立基于電液伺服和電液比例的位置、速度及力控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)性能進(jìn)行分析，并對系統(tǒng)的硬件進(jìn)行選型設(shè)計。

7）綜合應(yīng)用案例。綜合應(yīng)用案例有兩個子案例，分別

為：①基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的旋轉(zhuǎn)機(jī)械磁懸浮支承驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計；②機(jī)翼襟翼多作動器電液伺服同步控制系統(tǒng)設(shè)計。

4 機(jī)電一體化課程案例教學(xué)的實施

機(jī)電一體化課程案例教學(xué)的實施面向筆者所在學(xué)院機(jī)械工程本科生展開，具體實施細(xì)節(jié)設(shè)計如下。

提出集代表性、前沿性、實用性于一體的機(jī)電一體化課程教學(xué)內(nèi)容 首先，引進(jìn)一些優(yōu)秀的機(jī)電一體化課程教材內(nèi)容，確保課程內(nèi)容具有代表性；其次，將機(jī)電一體化的前沿研究成果與技術(shù)有機(jī)融入課程案例教學(xué)之中；最后，對這些新內(nèi)容、新成果進(jìn)行消化吸收再利用，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。

運用基于機(jī)電一體化課程案例的教學(xué)模式 教師將案例中涉及的機(jī)電一體化內(nèi)容延伸到對機(jī)電一體化原理及技術(shù)的一般性認(rèn)識，引導(dǎo)學(xué)生對機(jī)電一體化技術(shù)有個全面認(rèn)識。機(jī)電一體化案例教學(xué)過程中，通過深入分析相關(guān)原理及技術(shù)，初步運用機(jī)電一體化技術(shù)的理論與方法分析和解決實際應(yīng)用問題的過程，使學(xué)生具備運用機(jī)電一體化知識解決實際問題的意識和初步能力。采用多種多媒體教學(xué)手段，以及集中講授與專題討論相結(jié)合的教學(xué)方式，將理論、方法與實現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，感性認(rèn)識與理性認(rèn)識相結(jié)合，理論與實際相結(jié)合，極大地激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情。

采用基于“案例設(shè)計—實踐應(yīng)用—實時反饋”相融合的教學(xué)產(chǎn)出導(dǎo)向模式 在案例教學(xué)過程中，更加關(guān)注教育產(chǎn)出，即學(xué)生學(xué)得了什么，而不是關(guān)注教師教了什么，并通過學(xué)生的實時反饋，及時做出調(diào)整，從而不斷完善教學(xué)。從機(jī)電一體化課程培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容具體構(gòu)造問題場景和設(shè)計教學(xué)案例。通過案例學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，同時提高學(xué)生的思考能力和實際綜合應(yīng)用能力。

5 結(jié)語

隨著機(jī)械電子工程專業(yè)建設(shè)發(fā)展朝著新工科方向前行，機(jī)電一體化課程教學(xué)的建設(shè)也需要在新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量和新體系五個大的方面有所突破。本文從教學(xué)案例庫的角度，介紹了機(jī)電一體化課程建設(shè)，具體提出基于機(jī)電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建機(jī)電一體化課程教學(xué)案例庫的基本案例，采用集代表性、前沿性、實用性為一體的機(jī)電一體化教學(xué)案例庫的建設(shè)思路，使用基于“案例設(shè)計—實踐應(yīng)用—實時反饋”的案例教學(xué)實踐方法，最終使學(xué)生不僅能夠掌握機(jī)電一體化的基本理論與方法，而且具有應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)獨立分析、解決實際問題的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊合作精神。從實踐效果來看，這些教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式的改革對促進(jìn)教學(xué)工作、提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)國際創(chuàng)新型人才具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]曾勵.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]李華，胡娜，游振聲.新工科：形態(tài)、內(nèi)涵與方向[J].高等工程教育研究，2017（4）：16-19，57.

[3]劉芳，鐘純.基于校企合作模式的案例庫建設(shè)和案例教學(xué)研究[J].高等工程教育研究，2011（3）：152-156.

[4]梁君.教學(xué)案例庫建設(shè)的問題與對策[J].科教文匯，

2012（9）：35-36.