案例教学法在《机电一体化系统设计》课程中的应用

李玥华+任有志+崔洪彬

摘要：文章以基于DMC5480控制的XY工作台为例，着重对课程分析、案例设置、案例实施中需注意事项及教学实践与效果分析等四个环节进行阐述，以说明案例教学法在《机电一体化系统设计》课程中的成功应用。

关键词：案例教学法；《机电一体化系统设计》；DMC5480；XY工作台

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）20-0192-02

一、案例教学法简介

案例教学法源于哈佛大学，是指通过一个具体教育情景的描述，从而引导学生对这些特殊情景进行讨论的一种教学方法。《国家中长期教育改革与发展纲要（2010—2020）》中明确指出，鼓励实行工学结合、校企合作、顶岗实习的人才培养模式。将案例教学运用到《机电一体化系统设计》课程中，正是最大限度地模拟实际现场，将课堂交给学生，以培养他们运用所学理论知识解决实际问题的能力，避免了理论知识与实践环节之间的相互脱节，有助于实现高级实用型人才的培养目标。

二、《机电一体化系统设计》课程分析

1.课程性质。《机电一体化系统设计》是机械电子工程专业的主干专业课。该课程是从系统的观点出发，利用机械技术和电子技术，通过机电的有机结合，从而构造出最佳的机电系统的一门课程。本课程主要学习的是机械系统、传感检测系统、伺服系统、控制系统等的设计和选择方法，同时也有一些讨论机电一体化系统的接口、精度设计和可靠性等系统的总体技术。

2.课程目标。通过本课程的学习，使学生建立起机电产品一体化的设计思想，把电子技术、传感器技术、自动控制技术、计算机技术和机械技术等有机地结合起来，同时了解各项技术之间的接口关系，能运用所学知识对机电一体化产品进行一定的分析或设计，使学生具备解决生产过程中机电设备的运行、管理、维护和改造等实际问题的初步能力。学生通过具体的案例（以基于DMC5480控制的XY工作台为例），完成从机械本体设计、装配、电控系统搭建、数控程序开发、加工程序编写等的全部过程，培养起学生设计、调试及研发的能力。

三、基于DMC5480控制的XY工作台的案例设置

1.案例分析。XY工作臺是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵—横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的XY工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。目前，对于XY工作台的控制，可以采用单片机、可编程逻辑控制器、运动控制卡等。本案例以XY工作台为机械本体，结合DMC5480运动控制卡及PC机，搭建出一个基于Windows操作平台的、开放式的数控系统，可以为社会培养出从事数控机床相关技术开发和应用的人才。

2.案例分解。本案例将PC机、DMC5480运动控制卡与XY工作台相结合，再通过设计XY工作台结构、搭建电气控制系统、编写基于VC++的运动控制程序，让学生系统地学习数控系统硬件及软件开发的全过程，以便学生将来可在此基础上开发一些更为复杂的数控系统。根据任务要求，教师可以将案例分解为以下四部分：（1）XY工作台机械本体设计。XY工作台机械本体设计的具体要求为：X轴行程200mm，Y轴行程200mm，控制精度0.05mm，最高进给速度3m/min，工作台载重5kg。（2）电控系统设计。电控系统主要电气元件包括：DMC5480运动控制卡、PC机、步进电机驱动器、步进电机、开关电源、急停、空开等。（3）运动控制程序开发。运动控制程序开发要求以VC6.0为开发平台，设计编程控制界面与运动控制程序，实现对XY工作台的单轴控制和两轴联动控制。（4）系统调试。上述四部分内容基本控制在每周完成一项内容，各项任务完成之后，总结并整理相关资料。

3.案例考核。由于该次教学分为理论教学与实践教学两个部分，因此考核方式就可以分为笔试和案例作业两个部分。其中，笔试考核部分，本案例中理论知识考核占机电一体化系统设计试卷总分数的20%；案例作业则需要完成以下内容：（1）案例设计说明书1份；（2）机械结构三维模型图1张（电子版），二维设计装配图1张及主要零件图；（3）电气系统原理图1张；（4）程序框图及程序清单；（5）演示视频。其中，每项内容占20分，案例作业总分数为100分。

四、案例实施过程中应注意的问题

笔者认为在进行基于DMC5480控制的XY工作台案例教学过程中，需要注意以下几方面的内容。

1.充分调动学生的积极性。根据笔者调查，选择这一案例的学生当中，有一部分同学是基于这一案例较为简单的原因，这主要是因为学生们对XY工作台并不陌生，而且在《数控技术》这门课中也进行过相关的课程设计。因此，教师要敏锐地意识到部分学生的这种思想，在设计开始之前，要充分地介绍这一案例的目的和特点，调动起学生的积极性和主动性，让他们从思想上重视这次案例教学。

2.在案例实施过程中，充分发挥学生的能动性。在案例实施过程中，会遇到各种各样的问题。在遇到问题时，教师需要做的就是鼓励学生自己查找答案，只在必要的时候，进行一定的指导。在整个案例实施的全过程，教师要尽可能少地参与到其中的环节中去，把主动权交还给学生。

3.严格把关考核环节。在案例实施过程中，教师可以通过观察、提问、让学生演示等手段，了解到学生每个人的情况，并针对学生的个体情况，对其进行一定的教育，杜绝不劳而获现象的出现。教师严格把关考核环节的最终目的是要让每个选择这一案例的学生都能有所收获。

4.课后反思。教师在本次案例教学结束之后，要进行一定的教学反思，主要表现为：教师在每天的指导工作结束之后，要根据这一天的具体情况，针对当天出现的各种各样的问题进行深入地思考，并找到行之有效的解决方法，以便在以后的教学指导过程中，更好地解决此类问题。

五、教学实践与效果分析

本次案例教学是在2012级机械电机方向本科生中进行的，共有20名学生选择基于DMC5480控制的XY工作台案例。笔者对本次的教学实践与效果分析如下。

1.对于XY工作台机械本体设计这一任务。这20名学生分成4组，首先对已有XY工作台进行拆卸测绘。在拆卸测绘的基础上进行设计计算及三维图、二维图、零件图的绘制。在这一环节，主要培养学生测绘机械本体、计算校核关键部件以及机械制图能力。从效果来看，学生们对拆卸测绘这一环节反应积极。由于有了这一良好的开端，在接下来进行的计算校核及制图过程中，学生们思路清晰，完成情况整体良好。在教师有意地引导之下，学生们根据未来各自希望从事的专业，选取了不同的三维软件进行制图。

2.对于电控系统设计这一任务。鉴于学生们对实际电气元件了解的知识有限及安全性考虑，在电气元件选型这一环节，主要是由教师来完成的。教师通过最终完成的实物向学生们讲解电气元件选型及使用过程中需要注意的事项。但是，元件之间的线路设计与连接，则是由学生自己动手完成的。在这一环节，教师想要培养的主要是学生进行电路设计、連接及检测的能力。从效果来看，学生们根据查阅到的电气元件使用说明，可以较好地完成这一环节的工作。同时，学生们也可以根据具体情况，灵活地运用万用表这一工具，来检测元件及线路。以步进电机为例，在不知道线序及标号的基础上，学生们利用万用表可以分辨出A+、A-、B+、B-、C+、C-中每项绕组，这就是理论与实际的结合，并且也培养了学生运用已学知识解决实际问题的能力。

3.对于程序开发和调试这两项任务是本案例的重点，也是难点。这两项任务主要考察了学生的自学能力。由于VC这一软件并没有开设相关的课程，因此，学生们需要在短期内快速学习及应用VC这一软件，因而对学生的自学能力也提出了更高的要求。这一环节，一方面培养的是学生自我学习的能力，因为当他们走出校园，进入工作岗位之后，这种自我学习的能力是非常重要的。另一方面培养的是学生认真严谨的工作态度，因为软件在开发和调试的过程中，任何一点小的问题，都会导致结果的不正确。从效果来看，学生们的自我学习能力和意识都有所提高，也充分意识到了“实际工程中无小事”这句话的含义。

六、结语

高等院校是为社会培养高级实用型人才的重要场所。通过上述基于DMC5480控制的XY工作台案例可以说明，将案例教学法引入《机电一体化系统设计》这门课程是十分成功的。

参考文献：

[1]王万新.案例教学在《机床数控技术》课程中的应用[J].新西部，2014，（2）：120-121.

[2]DMC5480用户手册[Z].深圳市雷赛科技有限公司.