案例教學在機械專業碩士學位研究生教學中的應用

張紅梅　朱晨輝　楊自尚

摘 要：案例教學能夠調動專業學位研究生的學習主動性，也是增強學生創新思維能力和實踐能力的有效途徑。目前，案例教學已成為專業學位研究生的主要教學方法之一。本研究介紹了機械專業碩士學位研究生教育引入案例教學的必要性，并在校企協作背景下以六軸機械手煙筐清掃系統為案例，介紹了該教學案例產生的背景、涉及的課程知識點、實施的過程，為機械專業碩士學位研究生案例教學的開展提供一些參考。

關鍵詞：案例教學；機械專業碩士；機械手

20世紀初，哈佛大學創造了案例教學法。案例教學是圍繞一定的培訓目的，把實際生產或生活中真實的事件加以整理，形成供學生思考分析和決斷的案例，授課時通過獨立研究和相互討論的方式提高學生分析和解決實際問題能力的一種教學方法。案例教學能夠調動學生的學習主動性，使學生攝取的信息量大大增加。同時，學生的分析、表達、團隊合作等能力也都能得到有效鍛煉和提高。案例教學的核心不是讓學生認同和理解已經形成的觀點，而是讓學生學會用批判思維來看待問題，以此拓寬研究思路，創造性地尋找解決問題的方法。

一、機械專業碩士學位研究生教育引入案例教學的必要性

機械專業碩士學位研究生的培養是理論和實踐結合的系統工程。隨著社會和科技的發展，培養高素質、較高創新實踐能力的專業學位研究生成為一種必然要求。課題組所在的河南農業大學機械專業碩士學位研究生，主要培養農業工程領域科技創新與技術開發、工程設計與實施、技術攻關與技術改造、工程規劃與管理、新技術推廣與應用等方面的高層次復合型、應用型工程技術人才及管理人才。隨著專業學位研究生的招生人數增加，專業學位研究生的培養模式已經成為政府、企業和高校共同關注的問題。當前，我國研究生教育向著學術和專業學位研究生培養并行、理論知識學習和創新能力培養并重的方向發展。專業學位研究生教育是應用能力和職業能力并行的教育。體現職業要求和創新能力是當前專業學位研究生課程教學的重點。案例教學涉及工程應用理論分析、結構設計、解決方案等應用能力的培養，也承載著課程體系和基本知識框架構建的任務。案例教學對于專業學位研究生的綜合應用實踐能力的培養，具有重要的作用。案例教學的教育理念與機械工程專業碩士學位研究生的培養目標是一致的。案例教學是以學生為中心、開放的教學方式，主要特征是發揮學生的主體地位，本質是采用理論與實踐結合的互動教學方式，通過教學過程的實施進一步增強學生分析和解決實際問題的能力，培養研究生理論與實際結合的能力和科學預測的能力。

課題組在機械專業碩士學位研究生培養過程中合理地引入案例教學，科學設計與機械專業碩士學位研究生教育目標契合的課程體系，在機械專業碩士學位研究生的培養過程中有機融入案例教學理念，使機械專業碩士學位研究生能牢固掌握基礎理論知識，提高創新能力和實踐能力，最終培養出高素質的工程人才，對推進專業學位研究生教育教學改革具有重要意義。

二、機械專業碩士學位研究生教學案例的選擇

機械專業碩士學位研究生課程案例教學，在校企協作下以六軸機械手為基礎，以企業要求采用六軸機械手替代人工對煙筐內殘留的煙片進行清掃為目標。本教學案例的實施使學生能夠近距離接觸社會、熟悉企業需求。校企協同案例教學的開發，促進了專業學位研究生培養體制改革，建設聯合培養基地，促進校企協同，提高機械專業碩士學位研究生運用理論知識解決實際問題的綜合能力。實際進入工作后，機械專業碩士學位研究生不僅要應對農業工程類問題，而且要做到多學科交叉、多知識體系的融會貫通，案例教學改革恰好充分保證了專業學位研究生創新實踐能力的培養。

分析機械專業碩士學位研究生課程體系，“現代設計理論與方法”是一門多學科交叉而成的專業課程，其重點是培養研究生的設計方法，使其掌握設計優化、智能設計、創新設計等。通過工程實例應用，增強研究生對理論設計的理解和對設計方法的掌握與運用。學生通過“嵌入式系統設計及控制技術”課程，對各種微處理器系統的基本框架結構、工作原理進行學習，掌握不同的微處理器系統的設計方法，為機械領域內信息的檢測、處理和控制等技術的實現提供硬件和軟件平臺。“試驗設計與分析”涉及農業機械性能測試試驗設計與數據處理。“智能農業裝備技術”主要學習國內農業機械發展特點及新型農業機械的類型、結構、工作原理和適應性，現代化農業新農藝和對現代農業機械的要求，以及新型農業機械與電子技術、信息技術、生物技術融合的基本要求和切入點。“現代傳感器技術”主要學習先進的傳感器，以及運用這些傳感器解決工業領域參數測量的方法。

通過分析這些課程的教學內容和特點，課題組選擇校企協同下六軸機械手煙筐清掃系統作為案例應用到教學中，是基于目前合作企業在煙葉生產過程中遇到的難題而提出的“校企協同下六軸機械手煙筐清掃系統設計”。基于圖像處理的“六軸清掃機械手”涉及控制系統、機械原理、系統分析設計，以及智能設計、協同設計等基礎知識。同時，六軸機械手煙筐清掃案例涉及農業機器人控制原理及系統組成、機器人運動特點、機器人運動狀態和控制等基礎知識，涵蓋嵌入式系統設計及控制技術課程的知識體系。所選擇的案例知識也涉及清掃機械手角度與位移的控制，以傳感器的機理為基礎，可使研究生熟練掌握傳感器的選擇和使用。該案例同樣對生物物料與加工技術專題、試驗設計與分析等課程教學具有促進作用。

三、教學案例內容

（一）教學案例背景

煙草在經濟農作物中占據重要地位，對促進地方經濟發展、農民獲得持續性收入發揮著重要作用。真空回潮是生產煙絲過程中的重要工序，通過真空回潮可以提升煙葉的溫度及水分比例，使煙葉的物理性質發生改變，以滿足后續煙葉切絲加工工藝要求。真空回潮過程中靠近煙筐周轉箱內壁的煙片具有較高的濕度，在高溫高濕環境下，油分較大的煙葉易粘在周轉箱底部并緊貼煙箱，翻箱機進行下一工序時，煙片無法完全倒出。若生產過程中粘附在周轉箱內壁的煙葉在每次翻箱倒料后未得到及時清理，粘附在周轉箱底部的煙片隨下一批煙葉再次進入真空回潮機內，其含水量嚴重超標，對煙片處理工序質量把控的穩定性造成干擾。此外，經過數次回潮處理的煙片具有過多的水分，產生各種水漬，煙葉組織結構遭到一定破壞，只能降級使用，從而造成煙葉原料損耗，對煙片的實際用料量產生影響。針對這些問題，為減少周轉箱粘料情況，目前卷煙廠在生產中安排專業崗位、專業職員，每班次安排兩人輪流站在翻箱倒料高臺處，在翻箱機提升煙箱的時候，人工開啟壓縮空氣進行吹掃，勞動強度大，不能保證清理到位，且是在設備運行狀態下進行周轉箱清掃，安全性差。人工清掃不僅影響生產的連續性，而且員工在清掃過程中需要全程關注作業平臺，一旦有所忽視，就很可能掉進后續松垛機內，引發嚴重的人身傷害。所以，卷煙廠生產線中急需開發周轉箱在線清理裝置，以有效降低人工清掃成本，提高企業生產效益，提升生產效率。

煙筐的清理需要一種更加智能、準確、可靠的清掃系統來取代原有的人工清掃方式。針對真空回潮煙筐周轉箱內殘余的煙葉清掃問題，課題組提出六軸機械手煙筐清掃系統設計案例，圍繞案例設計所涵蓋的結構設計、圖像識別、清掃運動軌跡優化、清掃效果等方面，結合研究生開設課程進行案例教學。

（二）教學案例所涉及的課程知識點

六軸機械手煙筐清掃系統設計主要涉及的知識有機械手自由度、運動軌跡、坐標定位、圖像采集、伺服控制技術等，需要儲備機械、材料、制圖等基礎知識，通過建模方式得到機械手運動軌跡，確定機械手運動軌跡范圍、清掃角度范圍等參數。首先，需要分析攝像機提供的圖像，并進行目標檢測和動態定位，對圖像進行不同的預處理，進行機器視覺的標定。其次，需要圖像數據處理、特征提取、物料特性等方面的知識，研究速度控制器、伺服電機以及清掃毛刷等裝置組成，研究煙筐中點或一系列點形成路徑曲線是否經濟，并從經濟性和適用性等多角度綜合考慮，對清掃頭進行選型。最后，通過理論研究以及仿真實驗，對整個系統的性能進行實驗驗證。綜合六軸機器人各項參數，進行實際試驗，完成對清掃效果影響的研究，需要試驗設計、單因素、多因素、極差方差分析等方面的知識。

該案例所涉及的相關課程知識如圖1所示，機械手設計部分主要包含機械手建模、煙筐建模分析及機械手運動路徑分析等內容，這些內容涉及的課程有嵌入式系統設計及控制技術和機器人設計與制作實踐。機器視覺部分主要包括視覺識別方案的確定、煙筐圖像處理等，所涉及的課程有現代傳感技術和現代設計理論與方法。視覺識別處理結果轉化為機械手清掃參數坐標及機械手最佳路徑規劃與清掃效果分析，涉及以上4門課程的知識內容。清掃結果分析與優化部分涉及試驗設計與分析和生物物料與加工技術課程內容。

四、案例教學的實施

（一）研究生自學階段

課題組仔細閱讀案例，查閱資料，到企業調研，結合案例和課程提出案例中與課程內容有關的問題，分析出現問題的原因，提出解決問題的方案。讓學生結合煙廠生產實際的工藝需求進行機構設計、路徑規劃、圖像處理、試驗分析等，加強學生對基礎知識的掌握。撰寫有關工程案例教學的課程講義，進行關鍵知識點的提示和講解，促使學生結合煙廠生產實際的需求進行多課程知識點融合。通過電子技術、信息技術、生物技術融合加強學生對知識的掌握，提高其對知識的實際應用能力。

（二）教師授課階段

在課堂上，教師引導學生進行案例內容詳細剖析，采用講解式授課、反轉課堂授課，然后分組討論和辨析。講授時注意引導學生打開思維，多角度分析問題，以此來培養學生嚴密的思維方式，形成“知識講授—案例剖析—企業實踐—綜合應用”的授課環節，讓學生成為教學的主體，積極進行討論，增強學生自主學習的能力；培養學生開放性思維能力，使學生在挑戰中學習；增強學生獲取文獻信息、協同工作、交流溝通管理等能力；培養學生解決工程實際問題的能力和多角度思考的能力。

課題組通過對校企協作下六軸機械手煙筐清掃系統案例設計，要求學生利用課余時間通過自學和組內討論的方式找出不同清掃軌跡、攝像頭布置、清掃系統等設計解決方案。學生通過組內和組間討論、辯論等方式增加其對有關基礎理論知識理解的深度和廣度，提高應用知識的綜合能力。

（三）解決方案評比階段

各組代表發表本組對于案例的分析和解決方案，教師和其他小組成員可以就解決方案的不足之處提出完善意見。教師組織各個小組成員重點討論集中出現的問題，然后匯總各小組解決方案及進一步改進方案，積極整合可行方案，與校外合作企業開展產學研合作，通過案例實施極大豐富了工程碩士研究生實踐的技術領域及渠道。

校企協作下六軸機械手煙筐清掃系統教學案例在機械專業碩士學位研究生教學中的實施，使學生的學習興趣得到激發，增強了專業學位研究生處理工程實踐問題的能力。在教學過程中，學生對試驗設計分析軟件的操作、圖像處理軟件的操作、機械手的運動軌跡設計等與實例相結合的能力得到了鍛煉，提升了理論分析問題的能力、與工程實踐相結合的能力、創新設計能力。同時為深化專業學位研究生教學模式改革和創新，明確案例教學在專業學位研究生教學中的地位和作用提供了具體的理論依據和實踐經驗。

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責編：應 圖

基金項目：河南省專業學位研究生精品教學案例項目；河南省基層教學組織建設項目農業機械系基層教學組織（編號：教高〔2019〕728號）

作者簡介：張紅梅（1977— ），女，河南農業大學機電工程學院教授，研究方向為智能農業裝備研究；朱晨輝（1989— ），男，河南農業大學機電工程學院講師，研究方向為智能農業裝備技術應用研究；楊自尚（1994— ），男，河南農業大學機電工程學院講師，研究方向為機器視覺與農業智能裝備設計。