机电一体化课程案例教学研究

戴敏 曾励 周建华

摘 要 介绍机电一体化教学案例库的构建方法，提出集代表性、前沿性、实用性为一体的基于机电一体化共性关键技术的课程教学案例库建设和设计方法，并开展“案例设计—实践应用—实时反馈”的案例教学实践。该案例库教学为机电一体化课程建设提供了新思路。

关键词 机电一体化课程；共性关键技术；教学案例库；机械电子工程

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：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

随着课程建设发展的需要，新工科发展模式的提出给机械电子工程专业建设带来发展机遇。同时，机械电子工程专业改革在新工科建设道路上面临不少挑战[1]。在新工科环境下如何从理念新颖、结构新颖、模式新颖、质量新颖和体系新颖五大方面建设机电一体化课程，是亟待考虑的问题。案例教学是以相关专业理论为基础，通过改变传统教学模式，基于一个完整的典型案例进行阐述，以引导学生对问题进行思考、分析、解决和讨论，最终具备分析和解决机械工程领域负责工程问题的能力。将案例教学融入机电一体化课程建设中是探索新工科建设的一种新途径。

机电一体化是一门具有多学科交叉性和多种技术集成性的传统技术课程，其随着机械技术、计算机技术、（微）电子技术和信息技术等技术融合而独立发展起来[2]。机电一体化课程是机械电子工程专业学生必选课程，根据培养目标和教学大纲，一般多采用板书讲授并结合多媒体的形式进行教学。由于课程本身的复杂性、综合性和集成性等特点，传统的教学模式很难让学生通俗易懂地去掌握必要的基本知识点，部分高校尝试采用实习+实训驱动的教学模式，教学质量得到持续改进。

基于案例库教学模式的设计及其应用，在该课程的教学中探讨较少[3-4]。本文在上述实践基础上，采用结合案例库的形式开展教学，该教学模式的实施能更有效地激起学生的学习兴趣和求知欲望，为培养在机电一体化领域从事设计、制造、研发、管理等工作的应用型高级工程技术人才打下良好基础。

2 建设机电一体化教学案例库的基本原则与方法

机电一体化课程案例库的开发主要集中于机械和电气两部分，强调以学生为中心，学习成果为导向，最终提高本科生课程教学质量，并做到持续改进和完善。在此培养目标下，基于相关技术的集成开发和设计，建立一套机电一体化教学案例库。在案例库建设过程中，教师的教与学生的学均是围绕案例开展，其基本原则设计如下。

1）案例规范严谨性。机电一体化课程案例的选材首先要确保结构严谨、组织合理、内容充实，同时应具备一定的工程应用背景，使理论与实践结合更加紧密，使学生更容易运用和掌握机电一体化理论知识，以期达到实施机电一体化课程案例教学的预期目标和效果。

2）问题启发性。机电一体化课程教学案例的设计不能片面地关注问题的求解结果，而是更加强调案例所反映问题的深度与广度，强调学生如何去分析和研究复杂问题，以培养学生独立思考求解复杂问题的能力。

3）内容关联性。机电一体化课程教学案例内容应围绕该课程的培养大纲，根据该课程的教学内容（尤其是重点和难点内容）和教学要求，并紧密结合机械设计制造领域、电力电子领域教材以及教学辅助资料的相关理论和方法进行设计。同时，鼓励教师结合自己的科研项目尤其是企业的相关项目，使设计的案例更具有实用关联性。此外，鼓励让学生参与案例过程设计，通过思考、分析和讨论来加强对理论知识的认识和掌握。

4）案例实用性。机电一体化课程教学案例的设计过程中应多考虑现实问题，从实际出发（如相关企业在生产制造中遇到的问题），结合各章节的具体内容，给出问题设计的落脚点，针对设计的问题，查找对应的教学内容，最后找到解决该问题的突破点。

机电一体化课程案例库的开发以培养专业人才为目标。笔者结合所在学院的情况，从工程专业认证的角度出發，通过对教学内容和教学模式的分析与研究，构建机电一体化课程案例库，形成以2～3个案例为主案例，其余案例为辅案例的案例库模式。以“基于模糊神经网络控制的旋转机械磁悬浮支承驱动系统设计”案例为例，既有机械部分设计，又有控制部分设计，最后还有机电一体化产品开发。当课程涉及相关章节时，可要求学生对这一案例进行分步式分析和设计。

在进行机电一体化课程教学案例设计时，根据所确定的教学内容，依据国内外相关网站和相关科研项目，尤其是校企合作项目，收集、整理案例素材，撰写各知识要点的教学案例。在具体设计机电一体化课程案例库时应包括案例名称、案例内容、案例分析过程、案例教学手段、思考/讨论环节等详细内容。案例库一般可分为单一案例、一题多解案例和综合应用案例等三种。根据课程特点，机电一体化课程案例库采用综合应用案例，其能更有效地启发学生全方位地思考、探索和解决问题。

机电一体化课程教学案例在应用过程中，注重以学生为主、教师为辅的策略。案例内容设计不能太复杂，尽量确保内容生动翔实，以激发学生探索知识的欲望，否则影响学生学习积极性。通过案例教学使学生感兴趣，积极参与其中，主动去探索和思考问题，同时培养学生之间团队协作的精神。最后，在案例教学结束环节要求教师对本案例进行适当分析和点评，并针对学生学习情况进行小结，为机电一体化课程案例库的完善提供建议。

3基于机电一体化技术体系的教学案例库

面向机械工程本科生的课程学习与应用的机电一体化课程案例库，基于机电一体化的共性关键技术设置教学内容及其教学案例，具体案例如下。

1）机械系统设计案例。以齿轮传动及丝杠传动组成的运动、动力变换机构为例，基于机电一体化原理与技术设计计算其结构以及动力学参数，分析其伺服性能。

2）传感器与检测系统设计案例。以磁悬浮开关磁阻球型电机转子轴向位移为例，基于差动变压器工作原理和电磁悬浮轴承原理设计互感式轴向位移传感器及其信号控制处理电路。

3）控制系统设计案例。本案例以旋转机械磁悬浮轴承为例，设计支承旋转转子的电磁悬浮轴承、驱动电路及其控制系统，并对系统的稳定性、准确性和快速性进行分析与综合校正。

4）计算机控制系统设计案例。以计算机控制磁悬浮开关磁阻球型电机转子信号为例，对系统输入通道和输出通道分别进行硬件、软件设计，并对系统性能进行仿真分析。

5）伺服驱动系统设计案例。本案例包括三个子案例，分别以步进电机、直流伺服电机以及交流伺服电机为对象，建立三个伺服驱动系统，设计其驱动控制电路。

6）电液控制系统设计案例。本案例包括两个子案例，分别建立基于电液伺服和电液比例的位置、速度及力控制系统的数学模型，对系统性能进行分析，并对系统的硬件进行选型设计。

7）综合应用案例。综合应用案例有两个子案例，分别

为：①基于模糊神经网络控制的旋转机械磁悬浮支承驱动系统设计；②机翼襟翼多作动器电液伺服同步控制系统设计。

4 机电一体化课程案例教学的实施

机电一体化课程案例教学的实施面向笔者所在学院机械工程本科生展开，具体实施细节设计如下。

提出集代表性、前沿性、实用性于一体的机电一体化课程教学内容 首先，引进一些优秀的机电一体化课程教材内容，确保课程内容具有代表性；其次，将机电一体化的前沿研究成果与技术有机融入课程案例教学之中；最后，对这些新内容、新成果进行消化吸收再利用，培养学生解决实际问题的能力。

运用基于机电一体化课程案例的教学模式 教师将案例中涉及的机电一体化内容延伸到对机电一体化原理及技术的一般性认识，引导学生对机电一体化技术有个全面认识。机电一体化案例教学过程中，通过深入分析相关原理及技术，初步运用机电一体化技术的理论与方法分析和解决实际应用问题的过程，使学生具备运用机电一体化知识解决实际问题的意识和初步能力。采用多种多媒体教学手段，以及集中讲授与专题讨论相结合的教学方式，将理论、方法与实现有机结合，感性认识与理性认识相结合，理论与实际相结合，极大地激发学生自主学习的热情。

采用基于“案例设计—实践应用—实时反馈”相融合的教学产出导向模式 在案例教学过程中，更加关注教育产出，即学生学得了什么，而不是关注教师教了什么，并通过学生的实时反馈，及时做出调整，从而不断完善教学。从机电一体化课程培养目标出发，根据教学内容具体构造问题场景和设计教学案例。通过案例学习，加深学生对教学内容的理解，同时提高学生的思考能力和实际综合应用能力。

5 结语

随着机械电子工程专业建设发展朝着新工科方向前行，机电一体化课程教学的建设也需要在新理念、新结构、新模式、新质量和新体系五个大的方面有所突破。本文从教学案例库的角度，介绍了机电一体化课程建设，具体提出基于机电一体化共性关键技术构建机电一体化课程教学案例库的基本案例，采用集代表性、前沿性、实用性为一体的机电一体化教学案例库的建设思路，使用基于“案例设计—实践应用—实时反馈”的案例教学实践方法，最终使学生不仅能够掌握机电一体化的基本理论与方法，而且具有应用机电一体化技术独立分析、解决实际问题的创新能力和团队合作精神。从实践效果来看，这些教学内容与教学模式的改革对促进教学工作、提高教学质量、培养国际创新型人才具有重要意义。

参考文献

[1]曾励.机电一体化系统设计[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]李华，胡娜，游振声.新工科：形态、内涵与方向[J].高等工程教育研究，2017（4）：16-19，57.

[3]劉芳，钟纯.基于校企合作模式的案例库建设和案例教学研究[J].高等工程教育研究，2011（3）：152-156.

[4]梁君.教学案例库建设的问题与对策[J].科教文汇，

2012（9）：35-36.