案例教学在机械专业硕士学位研究生教学中的应用

张红梅　朱晨辉　杨自尚

摘 要：案例教学能够调动专业学位研究生的学习主动性，也是增强学生创新思维能力和实践能力的有效途径。目前，案例教学已成为专业学位研究生的主要教学方法之一。本研究介绍了机械专业硕士学位研究生教育引入案例教学的必要性，并在校企协作背景下以六轴机械手烟筐清扫系统为案例，介绍了该教学案例产生的背景、涉及的课程知识点、实施的过程，为机械专业硕士学位研究生案例教学的开展提供一些参考。

关键词：案例教学；机械专业硕士；机械手

20世纪初，哈佛大学创造了案例教学法。案例教学是围绕一定的培训目的，把实际生产或生活中真实的事件加以整理，形成供学生思考分析和决断的案例，授课时通过独立研究和相互讨论的方式提高学生分析和解决实际问题能力的一种教学方法。案例教学能够调动学生的学习主动性，使学生摄取的信息量大大增加。同时，学生的分析、表达、团队合作等能力也都能得到有效锻炼和提高。案例教学的核心不是让学生认同和理解已经形成的观点，而是让学生学会用批判思维来看待问题，以此拓宽研究思路，创造性地寻找解决问题的方法。

一、机械专业硕士学位研究生教育引入案例教学的必要性

机械专业硕士学位研究生的培养是理论和实践结合的系统工程。随着社会和科技的发展，培养高素质、较高创新实践能力的专业学位研究生成为一种必然要求。课题组所在的河南农业大学机械专业硕士学位研究生，主要培养农业工程领域科技创新与技术开发、工程设计与实施、技术攻关与技术改造、工程规划与管理、新技术推广与应用等方面的高层次复合型、应用型工程技术人才及管理人才。随着专业学位研究生的招生人数增加，专业学位研究生的培养模式已经成为政府、企业和高校共同关注的问题。当前，我国研究生教育向着学术和专业学位研究生培养并行、理论知识学习和创新能力培养并重的方向发展。专业学位研究生教育是应用能力和职业能力并行的教育。体现职业要求和创新能力是当前专业学位研究生课程教学的重点。案例教学涉及工程应用理论分析、结构设计、解决方案等应用能力的培养，也承载着课程体系和基本知識框架构建的任务。案例教学对于专业学位研究生的综合应用实践能力的培养，具有重要的作用。案例教学的教育理念与机械工程专业硕士学位研究生的培养目标是一致的。案例教学是以学生为中心、开放的教学方式，主要特征是发挥学生的主体地位，本质是采用理论与实践结合的互动教学方式，通过教学过程的实施进一步增强学生分析和解决实际问题的能力，培养研究生理论与实际结合的能力和科学预测的能力。

课题组在机械专业硕士学位研究生培养过程中合理地引入案例教学，科学设计与机械专业硕士学位研究生教育目标契合的课程体系，在机械专业硕士学位研究生的培养过程中有机融入案例教学理念，使机械专业硕士学位研究生能牢固掌握基础理论知识，提高创新能力和实践能力，最终培养出高素质的工程人才，对推进专业学位研究生教育教学改革具有重要意义。

二、机械专业硕士学位研究生教学案例的选择

机械专业硕士学位研究生课程案例教学，在校企协作下以六轴机械手为基础，以企业要求采用六轴机械手替代人工对烟筐内残留的烟片进行清扫为目标。本教学案例的实施使学生能够近距离接触社会、熟悉企业需求。校企协同案例教学的开发，促进了专业学位研究生培养体制改革，建设联合培养基地，促进校企协同，提高机械专业硕士学位研究生运用理论知识解决实际问题的综合能力。实际进入工作后，机械专业硕士学位研究生不仅要应对农业工程类问题，而且要做到多学科交叉、多知识体系的融会贯通，案例教学改革恰好充分保证了专业学位研究生创新实践能力的培养。

分析机械专业硕士学位研究生课程体系，“现代设计理论与方法”是一门多学科交叉而成的专业课程，其重点是培养研究生的设计方法，使其掌握设计优化、智能设计、创新设计等。通过工程实例应用，增强研究生对理论设计的理解和对设计方法的掌握与运用。学生通过“嵌入式系统设计及控制技术”课程，对各种微处理器系统的基本框架结构、工作原理进行学习，掌握不同的微处理器系统的设计方法，为机械领域内信息的检测、处理和控制等技术的实现提供硬件和软件平台。“试验设计与分析”涉及农业机械性能测试试验设计与数据处理。“智能农业装备技术”主要学习国内农业机械发展特点及新型农业机械的类型、结构、工作原理和适应性，现代化农业新农艺和对现代农业机械的要求，以及新型农业机械与电子技术、信息技术、生物技术融合的基本要求和切入点。“现代传感器技术”主要学习先进的传感器，以及运用这些传感器解决工业领域参数测量的方法。

通过分析这些课程的教学内容和特点，课题组选择校企协同下六轴机械手烟筐清扫系统作为案例应用到教学中，是基于目前合作企业在烟叶生产过程中遇到的难题而提出的“校企协同下六轴机械手烟筐清扫系统设计”。基于图像处理的“六轴清扫机械手”涉及控制系统、机械原理、系统分析设计，以及智能设计、协同设计等基础知识。同时，六轴机械手烟筐清扫案例涉及农业机器人控制原理及系统组成、机器人运动特点、机器人运动状态和控制等基础知识，涵盖嵌入式系统设计及控制技术课程的知识体系。所选择的案例知识也涉及清扫机械手角度与位移的控制，以传感器的机理为基础，可使研究生熟练掌握传感器的选择和使用。该案例同样对生物物料与加工技术专题、试验设计与分析等课程教学具有促进作用。

三、教学案例内容

（一）教学案例背景

烟草在经济农作物中占据重要地位，对促进地方经济发展、农民获得持续性收入发挥着重要作用。真空回潮是生产烟丝过程中的重要工序，通过真空回潮可以提升烟叶的温度及水分比例，使烟叶的物理性质发生改变，以满足后续烟叶切丝加工工艺要求。真空回潮过程中靠近烟筐周转箱内壁的烟片具有较高的湿度，在高温高湿环境下，油分较大的烟叶易粘在周转箱底部并紧贴烟箱，翻箱机进行下一工序时，烟片无法完全倒出。若生产过程中粘附在周转箱内壁的烟叶在每次翻箱倒料后未得到及时清理，粘附在周转箱底部的烟片随下一批烟叶再次进入真空回潮机内，其含水量严重超标，对烟片处理工序质量把控的稳定性造成干扰。此外，经过数次回潮处理的烟片具有过多的水分，产生各种水渍，烟叶组织结构遭到一定破坏，只能降级使用，从而造成烟叶原料损耗，对烟片的实际用料量产生影响。针对这些问题，为减少周转箱粘料情况，目前卷烟厂在生产中安排专业岗位、专业职员，每班次安排两人轮流站在翻箱倒料高台处，在翻箱机提升烟箱的时候，人工开启压缩空气进行吹扫，劳动强度大，不能保证清理到位，且是在设备运行状态下进行周转箱清扫，安全性差。人工清扫不仅影响生产的连续性，而且员工在清扫过程中需要全程关注作业平台，一旦有所忽视，就很可能掉进后续松垛机内，引发严重的人身伤害。所以，卷烟厂生产线中急需开发周转箱在线清理装置，以有效降低人工清扫成本，提高企业生产效益，提升生产效率。

烟筐的清理需要一种更加智能、准确、可靠的清扫系统来取代原有的人工清扫方式。针对真空回潮烟筐周转箱内残余的烟叶清扫问题，课题组提出六轴机械手烟筐清扫系统设计案例，围绕案例设计所涵盖的结构设计、图像识别、清扫运动轨迹优化、清扫效果等方面，结合研究生开设课程进行案例教学。

（二）教学案例所涉及的课程知识点

六轴机械手烟筐清扫系统设计主要涉及的知识有机械手自由度、运动轨迹、坐标定位、图像采集、伺服控制技术等，需要储备机械、材料、制图等基础知识，通过建模方式得到机械手运动轨迹，确定机械手运动轨迹范围、清扫角度范围等参数。首先，需要分析摄像机提供的图像，并进行目标检测和动态定位，对图像进行不同的预处理，进行机器视觉的标定。其次，需要图像数据处理、特征提取、物料特性等方面的知识，研究速度控制器、伺服电机以及清扫毛刷等装置组成，研究烟筐中点或一系列点形成路径曲线是否经济，并从经济性和适用性等多角度综合考虑，对清扫头进行选型。最后，通过理论研究以及仿真实验，对整个系统的性能进行实验验证。综合六轴机器人各项参数，进行实际试验，完成对清扫效果影响的研究，需要试验设计、单因素、多因素、极差方差分析等方面的知识。

该案例所涉及的相关课程知识如图1所示，机械手设计部分主要包含机械手建模、烟筐建模分析及机械手运动路径分析等内容，这些内容涉及的课程有嵌入式系统设计及控制技术和机器人设计与制作实践。机器视觉部分主要包括视觉识别方案的确定、烟筐图像处理等，所涉及的课程有现代传感技术和现代设计理论与方法。视觉识别处理结果转化为机械手清扫参数坐标及机械手最佳路径规划与清扫效果分析，涉及以上4門课程的知识内容。清扫结果分析与优化部分涉及试验设计与分析和生物物料与加工技术课程内容。

四、案例教学的实施

（一）研究生自学阶段

课题组仔细阅读案例，查阅资料，到企业调研，结合案例和课程提出案例中与课程内容有关的问题，分析出现问题的原因，提出解决问题的方案。让学生结合烟厂生产实际的工艺需求进行机构设计、路径规划、图像处理、试验分析等，加强学生对基础知识的掌握。撰写有关工程案例教学的课程讲义，进行关键知识点的提示和讲解，促使学生结合烟厂生产实际的需求进行多课程知识点融合。通过电子技术、信息技术、生物技术融合加强学生对知识的掌握，提高其对知识的实际应用能力。

（二）教师授课阶段

在课堂上，教师引导学生进行案例内容详细剖析，采用讲解式授课、反转课堂授课，然后分组讨论和辨析。讲授时注意引导学生打开思维，多角度分析问题，以此来培养学生严密的思维方式，形成“知识讲授—案例剖析—企业实践—综合应用”的授课环节，让学生成为教学的主体，积极进行讨论，增强学生自主学习的能力；培养学生开放性思维能力，使学生在挑战中学习；增强学生获取文献信息、协同工作、交流沟通管理等能力；培养学生解决工程实际问题的能力和多角度思考的能力。

课题组通过对校企协作下六轴机械手烟筐清扫系统案例设计，要求学生利用课余时间通过自学和组内讨论的方式找出不同清扫轨迹、摄像头布置、清扫系统等设计解决方案。学生通过组内和组间讨论、辩论等方式增加其对有关基础理论知识理解的深度和广度，提高应用知识的综合能力。

（三）解决方案评比阶段

各组代表发表本组对于案例的分析和解决方案，教师和其他小组成员可以就解决方案的不足之处提出完善意见。教师组织各个小组成员重点讨论集中出现的问题，然后汇总各小组解决方案及进一步改进方案，积极整合可行方案，与校外合作企业开展产学研合作，通过案例实施极大丰富了工程硕士研究生实践的技术领域及渠道。

校企协作下六轴机械手烟筐清扫系统教学案例在机械专业硕士学位研究生教学中的实施，使学生的学习兴趣得到激发，增强了专业学位研究生处理工程实践问题的能力。在教学过程中，学生对试验设计分析软件的操作、图像处理软件的操作、机械手的运动轨迹设计等与实例相结合的能力得到了锻炼，提升了理论分析问题的能力、与工程实践相结合的能力、创新设计能力。同时为深化专业学位研究生教学模式改革和创新，明确案例教学在专业学位研究生教学中的地位和作用提供了具体的理论依据和实践经验。

参考文献：

[1]郑林，李勇军，迟明艳，等.案例教学在药学专业学位硕士研究生培养中的探索与实践[J].高教学刊，2022（6）.

[2]徐洋，孙志宏，王庆霞，等.基于案例教学的机械工程专业学位研究生培养探索和实践[J].当代教育实践与教学研究，2017（12）.

[3]余永维，杜柳青，朱革.机械工程专业硕士学位研究生核心课程案例建设教学改革[J].课程教育研究，2019（17）.

[4]朱建新，赵淑华，韩慧丹，等.烟筐自动清扫机器人的设计及应用[J].烟草科技.2021（11）.

责编：应 图

基金项目：河南省专业学位研究生精品教学案例项目；河南省基层教学组织建设项目农业机械系基层教学组织（编号：教高〔2019〕728号）

作者简介：张红梅（1977— ），女，河南农业大学机电工程学院教授，研究方向为智能农业装备研究；朱晨辉（1989— ），男，河南农业大学机电工程学院讲师，研究方向为智能农业装备技术应用研究；杨自尚（1994— ），男，河南农业大学机电工程学院讲师，研究方向为机器视觉与农业智能装备设计。