案例教学法在“机电一体化系统设计” 课程教学中的应用研究

第一篇：案例教学法在“机电一体化系统设计” 课程教学中的应用研究

案例教学法在“机电一体化系统设计”课程教学中的应用研

究

摘要针对传教学模式中培养学生创新意识、创新能力方面有所欠缺的问题，将案例教学法引入“机电一体化系统设计”课程教学中，提高学生在机电一体化系统设计方面的创新意识和创新能力。以插管焊接系统设计开发为案例的教学实践结果表明引入案例教学法在激发学生学习本课程兴趣、提高学生在机电一体化系统设计方面的创新意识和创新能力方面是有效的。

关键词案例教学法机电一体化系统设计创新意识

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.04.056

Abstract The students' innovation consciousness and innovation ability in mechatronics system design were improved by introducing the case teaching method into the course of “mechatronics system design” for solving the question in cultivating students' innovation consciousness and innovation ability in the traditional teaching mode.It is proved that case teaching method was introduced into the curriculum was effective to stimulate students' learning interest and improve students' in the design of mechatronic system innovation consciousness and innovation ability by the result of teaching practice case of the development of branch pipe welding system.Key words Case teaching method； mechatronics； system design； innovation consciousness

0 前言

“?C电一体化系统设计”是机械制造专业的一门主要专业课程，其任务是通过机械本体结构、控制原理、伺服系统和检测系统等诸方面基本知识的学习，使学生掌握机电一体化系统设计的主要步骤、过程和方法，它是机械专业中总结性较强的课程，对提高机电专业类毕业生的综合专业素养及专业创新能力十分重要。在教学过程中，传统教学存在难以对学生机电系统设计创新能力进行有针对性的培养的问题。

将案例式教学法引入“机电一体化系统设计”课程教学的可行性

高等学校应面向国家经济发展要求，培养具有创新意识、创新能力的工程技术人才。在机电一体化设备地位愈来愈重要的今天，培养具有设计创新意识和创新能力高校毕业生是高等学校教育任务的必然要求。

案例教学，是一种开放性、互动性较强的教学方式。在课堂教学前要进行周密的策划和准备，选择特定的案例并指导学生提前阅读；课堂上要组织学生开展讨论或争论，形成反复的互动、交流、辩论，通过各种信息、知识、经验、观点的碰撞来达到启示理论和启迪思维的目的。案例教学法的主要优势在于给予学生较大程度的自主发挥、自由创造的空间，能够有效实现学生由注重知识向注重能力方向的转变，适用于有一定的专业基础背景知识学生。案例教学的不足主要是相关课程知识不易有效地、系统地进行传授，如何保证学生学习效果考核的客观性存在一定程度的困难等。

而传统教学模式中注重知识系统传授、考核明确客观是其突出的优点，但在培养学生的当前所必备的创新能力方面有一定程度的欠缺。两种教学模式存在一定程度的互补性。如何在有限的课时内既实现知识的系统传授，又实现案例教学的各个过程，有着相当的困难。但在机电一体系统设计课程中，将此两种方式进行有机融合有一定的有利条件：机电一体化系统设计课程通常是安排在机械、机电专业类学生在大学生四年级上半期进行，学生的基础课、专业基础课均已修完，具有一定的专业基础知识。当然，有些学生课程欠帐较多，基础知识较弱，需要教师运用相当的方法去鼓励、激励他们补上欠账并完成新任务，在大四学生心思相对较散的情况下，这是有较大难度的。案例式教学法在“机电一体化系统设计”课程教学的具体实施

2.1 教学案例的选取

机电一体化系统设计强调的是机电专业知识在系统设计中的综合运用，强调设计者站在机电一体化的全局角度去设计和优化机电一体化的系统。同时，也要考虑教学主体学生的理解和接受能力。因而所选择的案例要兼顾知识的综合性、实用性、创新性与系统的复杂程度适中相结合。经考虑，选用便携式插管焊接设备开发作为案例教学的基本案例。

确定此案例作为机电一体化系统设计课程的主讲案例是基于以下几点考虑：插接管道焊接系统的便携化、工作现场化、价格低廉化、操作便利化是插管焊接相关各行业的迫切要求，因而此案例为较强的工程实践背景；此案例在机械结构设计方面，包括控制电机选择、传动机构选择与设计等内容；在电气方面包括基本电路设计、电气元器件选择与搭配，传感器的选择等；在系统设计方面，包括硬件平台的搭建，也包括软件系统的设计，其内容涵盖了机电一体化系统设计的绝大部分内容；难度适中且有一定的基础，先期已通过大学生创业项目“便携式插接管道焊接系统开发”对此案例内容进行研究，从项目完成过程看，学生通过努力可以较好地完成此案例的全部工作。

2.2 教学案例与传统教学具体内容融合步骤

在课堂教学前，要进行如下准备工作：由于机电产品设计方案的提出有其自身的特点，它总是在一定的基础上提出然后不断改进形成的，所以针对每个子案例，教师都要准备一至两套简要技术方案路线来为学生作为参考，使得学生能够按时提出较为合理的技术方案；根据五个子案例内容做好学生的分组工作，共十组，每两组负责一个子案例，对每个子案例给出几种技术可能实现方案，由各组学生在课下完成相关方案选择与细化，并完成相应的辩论预案。

在课堂进行中，一次课堂教学完成一个子案例的教学任务。教师只是负责情景导入及必要的启发工作，由负责此子案例的两组学生自主完成案例完成方案设计、讨论与辩论任务。经试验，课堂上比较合适的安排如下：

（1）设计方案讲述：每次由负责同一个子案例两个小组根据各自预先完成的PPT阐述各自的设计方案，每个小组讲5-10分钟，共需要10-20分钟。

（2）两小组成员相互辩论环节，先就A组方案进行讨论，由B组同学主要指出其方案的不足，A组同学就本组方案进行辩论，此过程安排15～20分钟。然后按同样方法就B组方案进行讨论，两种方案的讨论共需30～40分钟。

（3）班内其他同学对两种方案评论环节：由班内同学自由发言对两种方案进行评论，最后选择出最优方案或提出其他设计思路，对于各小组方案的不足可提出补救或改进意见。此过程安排20分钟左右。

（4）教师评论启发环节：教师应从以下几个方面对本节案例课程进行总结，首先对两组学生准备方案的态度、由所设计方案和答辩过程中所体现的专业素质进行评价；然后对学生所提出方案的本身优、缺点进行评价，并根据情况对已经提出设计方案改进或补救意见进行?结；最后根据具体情况对学生设计思路进行启发，如可以提出其他设计思路等。

两种教学模式下学生的教学效果对比

在两届学生中进行实验，通过学生问卷和试卷成绩测评来比较不同教学模式下的教学效果。分别对两届学生进行调查，统计结果对比如见表1，其中2015届是按传统教学法讲授课程，2016届学生引入案例教学法讲授本课程，同时将课程成绩统计结果也列入表1中。

在表1中：

F1：机械结构优化理论掌握程度（%）

F2：机械结构选择掌握程度（%）

F3：电气元件选择掌握程度（%）

F4：硬件平台选择掌握程度（%）

F5：对软件编程的掌握程度（%）

F6：对于案例与传统教学相结合的满意度（%）

注：对于F1至F5，0%为完全不能掌握，100%为完全掌握。对于F6，0%为完全不能满意，100%为完全满意。

从表1可以看出，学生在对于新的教学模式是比较认可的，且从客观上看，其成绩也有较大的提高，因而此种方式对于专业综合类课程是比较适合的。从学生进行案例各部分的内容制作来看，学生热情很高，同时确实涌现了许多较新想法，其中有些想法已经成功申请了国家专利。通过两届学生的对比教学，可以看出，在“机电一体化系统设计”课程中引入案例教学法能够提高学生对于本课程的学习兴趣，引发学生对机电一体系统设计进行较深入的思考，提高了其对机电一体化系统的创新设计能力。

参考文献

[1] 方华，童新海，陆溪平等.例式教学方法初探[J].科教导刊，2015.12：117-118.[2] 齐睿，徐燕英.案例教学在金融学教学中的应用研究[J].中国地质大学学报（社会科学版），2014.5：49-51.[3] 张婧，赵坚，张玲莉，汪文津.培养创新型人才的机械原理课程教学模式改革[J].科教导刊，2016.4：134-136.[4] 任福深.基于PC+DSP模式的管道插接专用焊接机器人系统研究[D].北京工业大学，2009.

第二篇：《机电一体化系统设计》课程教学大纲

《机电一体化系统设计》课程教学大纲 适用专业 机械设计制造及其自动化

课程类型 专业课程

学 时 数 44 学 分 数 2.5 一,编写说明

(一)本课程的性质,地位和作用

本课程是面向机械制造及自动化专业开设的一门专业课.机电一体化系统技术是微电子技术和计算机技术像机械工业渗透的过程中逐渐形成并发展起来的一门新型综合性学科,机电一体化技术的应用不尽提高和拓展了机电产品的性能和功能,而且使机械工业的技术结构,生产方式及管理体系发生了巨大的变化,极大提高生产系统的工作质量.通过本课程的学习,对于学生掌握机电一体化系统开发的基础知识,拓宽学生的知识面是很有意义的.本课程是学生在学完技术基础课,专业基础课之后的专业技术课程内容的综合应用,对于培养学生综合应用基础和专业知识,掌握以系统论,信息论和控制论为核心的机电一体化系统的设计基本原理和方法,掌握机电一体化技术的关键技术有着重要意义.(二)本大纲制定的依据

本大纲根据机械设计制造及其自动化专业的人才培养目标的基本理论和基本技能要求,本课程性质,跟踪现代机电一体化系统技术的发展编写.(三)大纲内容编写原则

根据人才培养目标的要求,使学生了解,掌握机电一体化的系统设计的基本知识,特点和方法;结合机电一体化共性的关键技术,对其各子系统的设计原理及设计方法进行系统的分析和介绍;强调对学生综合能力和工程能力的训练和培养;通过本课程的学习,使学生了解,掌握机电一体化系统的内涵及机电一体化系统设计的理论和方法.(四)实践环节

1.课程设计

(1)名称:机械手控制系统编程与操作

(2)主要内容与要求:利用PLC实现机械手控制功能的要求编写程序,安装调试实验台.按照本课程实验说明书要求完成,并通过实验验证程序的正确性.(3)学时分配:4(五)教学时数分配表

章节 序号

教 学 学 时 环 节 教学内容 讲 授 讨 论 见习实 验 其 它 小计 一 绪论 4 4 二

机械系统设计 6 6 三 传感器检测及其接口电路 8 8 四

控制电机及其选择计算 8 8 五

工业控制计算机及其接口技术 10 10 六

机电一体化系统设计及应用举例 4 4 8 总 计 40 44(六)考核方法与要求

1.平时成绩与期终成绩:平时成绩占30%,包括出勤,课堂提问,讨论等;期终成绩占60%.2.试卷成绩与实践成绩:试卷成绩占60%,实践成绩占10%(实验报告5%,实验过程考核5%).3.综合考核成绩的计算:平时成绩20% 实践成绩占10% 试卷成绩占70%=100%.(七)教材与主要参考书

1.教材:

姜培刚等.《机电一体化系统设计》.机械工业出版社,2006年1月.2.主要参考书:

李建勇.《机电一体化技术》.科学出版社,2004年4月.王孙安.《机械电子工程》.科学出版社,2003年8月.郑堤.《机电一体化设计基础》.机械工业出版社.2001年10月.二,教学内容纲要

第一章 绪论

一,教学目标:

1,了解机电一体化系统发展历史,内涵,应用和发展前景.2,掌握机电一体化系统的基本功能和要素.二,教学内容:

第一节 机电一体化系统的定义

一,△机电一体化的内涵;

第二节 机电一体化系统的基本功能要素

一,△ ○机电一体化系统功能分析方法

△机电一体化系统的构成要素 第三节 机电一体化的相关技术

一,机电一体化技术的相关关键技术

第四节 机电一体化系统设计的目标与方法

一,机电一体化系统设计方法

第二章 机械系统设计

一,教学目标:

1,掌握机械系统数学建模方法.2,掌握机械传动系统的特征及设计方法.3,了解常用的传动系统

二,教学内容:

第一节 机械系统设计

一,△○ 机械系统建模方法 第二节 机械传动系统的特征

一,△机械传动装置的特征参数及相应的调整方法

第三节 机械传动装置

一, △ ○传动比的设计方法

第三章 传感器检测及及接口电路

一,教学目标:

1.了解常用参量检测的传感器原理;2.掌握检测传感器的接口电路原理以及相应的信号处理方法.二,教学内容:

第一节 传感器

一,△○传感器性能指标的内涵 二,△传感器选择的原则

第二节 位移测量传感器 一,△大位移测量传感器的原理.第三节 速度,加速度传感器 一,△速度,加速度传感器测量原理

第四节 位置传感器 一,△位置测量原理.第五节 传感器前期信号处理 一,△○信号调理线路常用模块的原理

第六节 传感器接口技术 一,△○采样保持器原理及应用.第七节 传感器非线性补偿原理 一,△○软件补偿方法

第八节 数字滤波

一,△○随机误差的处理方法

第四章 控制电机及其选择计算 一,教学目标: 1.了解常用伺服电机的工作原理;2.掌握常用伺服电机的控制调节方法;3.掌握伺服电机的主要性能参数内涵及电机的选择方法.二,教学内容:

第一节 步进电动机及其控制 一,步进电机的工作原理 二,△步进电机的性能参数 三,△○步进电机的控制方法

第二节 直流伺服电动机及其控制 一,直流电机的工作原理 二,△○直流电机的控制方法

第三节 交流伺服电动机 一,交流电机的工作原理 二,△○交流电机的控制方法

第四节 直线电动机 一,直线电机的工作原理

第五节 控制电机的选择和计算 一,△控制电机的选择.第五章 工业控制计算机及其接口技术

一,教学目标: 1.了解常用的工业控制计算机种类 2.掌握各种工业计算机的区别;3.掌握各种信号接口原理.二,教学内容: 第一节 工业控制计算机 一,常用控制计算机的种类 二,△○各种控制计算机的区别

第二节 计算机的接口技术

一,△○开关量及数字两的输入/输出接口电路;二,△○功率放大电路的原理

第三节 可编程控制器

一,PLC的原理及选择方法,外围电路设计的原则

第四节 数字控制器设计 一,△○数字控制器的设计方法.第五章 机电一体化系统设计及应用举例

一,教学目标: 1.掌握机电一体化系统设计的要点

2.了解数控机床的设计过程及主要构成的设计方法.二,教学内容: 第一节 机电一体化产品的设计要点 一,△机电一体化产品的设计过程

第二节 机电一体化系统设计应用举例

一,数控机床的设计过程及主要构成的设计方法 注:用“△”明确重点内容,用“○”明确难点;

编写人:凌 杰 审核人:封士彩

第三篇：案例教学法在机械制造基础课程教学中的应用研究论文

案例教学法适合机械制造基础课程的教学特点及教学要求,在机械制造基础课程教学中运用了案例教学法,解决了该课程传统教学方法的不足。通过案例教学在该课程中的实施,将书本的理论知识与工程实际密切联系起来,调动了学生的学习兴趣和积极性,改善了教学效果。

案例教学法最早由哈佛大学法学院教授朗代尔提出，普遍应用于法学和医学的教学中，后来案例教学法衍生为工程案例教学法，普遍应用于工科教学范畴，上世纪八十年代传入我国。案例教学法是经过教员设计的场景，学生将本人置于场景内，经过讨论或研讨等方式学习教学内容，完成教学任务的一种教学办法。机械制造根底高等教育机械关专业的专业必修课，包含了工程资料、热加工工艺和机械加工工艺等方面的内容，教学内容涵盖面广，理论性比拟强，传统以教员为主体的教学方式效果不明显，学习积极性不高。为进一步进步机械类专业学生的工程素质和工程创新才能，将工程案例教学法应用到机械制造根底课堂教学十分有必要，同时也是新一轮应用型教学变革的需求，有利于培育学生成为应用型、理论型专业人才。机械制造根底传统教学存在的主要问题

1.1 不能与工程实践相分离

机械制造根底是机械类专业的专业根底课，涵盖了工程资料、热加工工艺和机械加工工艺等多方面的教学内容，是多门专业必修课的前置课程。因教学内容多，涵盖学问面广，大多数教员采用传统教学方式，传统黑板或投影等停止满堂灌的方式，教学质量不高，教学效果较差，学生只是控制了一些根底理论学问，不能与工程实践相分离，教学内容与工程实践脱节。学生在课堂教学过程中，教学内容过于理论化，单调无味，课程内容过于笼统，难以了解。大局部学生学习积极性不高，学习兴味不浓，不愿意学习这门课程，不利于后续课程的学习。

1.2 不利于进步学生的的工程素质

机械制造根底教学内容陈旧，依然以理论学问为主，理论学问比拟缺乏，不利于进步学生的工程素质。教学过程中教学办法和手腕单一，学生的工程理念得不到理论，工程创新思想不强，实践机械工程问题处理才能不强。只要锻炼学生的工程实践灵敏运用的才能，才干拓宽学生的工程视野，才干培育出高素质的机械人才。

1.3 不能正确评价学生处理工程问题的才能

机械制造根底课程考核仍采用笔试为主的考核方式，大局部学生只能融会贯通根底理论学问，不能正确评价学生处理工程问题的才能。机械制造根底理论性比拟强，涵盖了许多热加工工艺和机械加工工艺方面的内容，请求学生控制并理论操作这方面的工艺。纯理论笔试的方式不能客观公正的考核学生的课堂学习效果，不能评价学生处理实践问题的才能，不利于培育学生的创新才能。工程案例库的树立

机械制造根底施行工程案例教学，设计和树立工程案例库十分重要。教员在设计和树立工程案例库时，应选取那些学生感兴味的、紧扣教学内容的机械工程案例，经过多种方式表现，比方，能够树立金属切削机床案例库、刀具案例库和典型零件加工案例库等。另外，要留意不时改换和增加案例库，保证案例的时效性和适用性。案例教学法在机械制造根底教学中的施行

3.1 现场教学法

为使学生控制更多的理论经历，教员应组织学生到工厂，实习车间等展开现场教学。经过现场教学，让学生理解和现场学习机械根底理论学问。另一方面，经过现场教学，让学生真正理解理论应用学问，理解机械制造过程和制造工艺。机械制造根底的现场教学可分为两局部，一局部工实习，经过该局部让学生控制根本的机械加工办法，培育他们的理论入手才能，另一局部停止机械制造根本技术观摩，让学生理解某一类工艺的全消费过程，消化机械制造根底某一方面的理论学问。例如，能够开设机械加工工艺方面的技术观摩课，分离一个详细的零件，理解一个零件从毛坯至合格零件的全过程，控制工序、土步、工位、走刀等机械制造根本概念，剖析毛坯的选择、定位基准的选择、工艺规程的编制等等，真正进步学生学习机械制造工艺的兴味。

3.2 分组讨论法

工程案例教学时分组讨论是必不可少的，教员可依据学生的学习兴味和差别性，6人一组分为不同组，每组选一个组长，设计不同的工程任务，让每个小组本人去设计处理计划，停止内部讨论最后构成处理计划。关于不同组的处理计划，由组长代表该组停止论述，由全部同窗来停止比拟、评价，让每个学生认真剖析每组计划的优缺陷，进一步优化计划，最后构成每组的最终计划。例如，解说零部件机械加工工艺时，教员能够事前布置一项设计典型零部件的任务，由各个小组讨论构成各自的计划，课上各小组停止集中讨论，任课教员对各小组计划停止点评，指出各自的优缺陷等。这种分组讨论的办法十分合适案例教学，经过该办法能够锻炼学生的剖析才能、团队才能和处理工程实践问题的才能。结 语

总之，机械制造根底是一门理论性较强的专业必修课，传统的为教员为中心的教学办法不利于学生的专业开展，学生的工程素质较差，工程理论才能较弱，不利于应用型人才的培育。高校机械类专业教员应该分离工程案例教学，探究一种新的教学办法，经过工程案例来展开教学，经过现场教学法和分组讨论法，让学生对十金属切削机床、刀具、机械加工等工艺有更深的理解，进一步控制机制制造的根本技艺，为成为合格的机械制造师做技术准备。

第四篇：机电一体化系统设计

机电一体化系统设计

1、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机）等五个子系统组成。

2、系统必须具有以下三大“目的功能”：①变换（加工、处理）功能；②传递（移动、输送）功能；③储存（保持、积蓄、记录）功能。

3的变换、调整功能，可将接口分成四种：1）零接口；2）无源接口；3）有源接口；4）智能接口。

4、机电一体化系统设计的考虑方法通常有：机电互补法、结合（融合）法和结合法。

5擦、低惯量、高强度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。

6、为达到上述要求，主要从以下几个方面采取措施：

1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向支承、动（静）压导向支承等。

2如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动和支承刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接以减少中间传动机构；丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。

3的等效动惯量，尽可能提高加速能力。

5如选用复合材料等来提高刚度和强度，减轻重量、缩小体积使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性化。

第五篇：机电一体化系统设计基础

（一）判断题

1．在机电一体化系统驱动装置中，反馈通道上环节的误差与输入通道上环节的误差对系统输出精度的影响是相同的。（＋）

2．通常，采用STD总线的工业控制机与外部设备的电气接口均为TTL电平接口。

（－）

（二）选择题

1．在机电一体化系统中，机械传动要满足伺服控制的三个主要要求是（A）。

A．传动精度、稳定性、快速响应性

B．传动精度、稳定性、低噪声C．传动精度、高可靠性、小型轻量化D．传动精度、高可靠性、低冲击振动

2．在机电一体化系统中，通过（B、C、E）可有效提高系统的稳定性。

A．提高驱动元件的驱动力

B．增大执行装置的固有频率 C．提高系统的阻尼能力

D．减小机构的传动误差 E．消除传动系统的回程误差

（三）简答题

例：试述机电一体化产品的定义和分类方法。

解答：机电一体化产品是新型机械与微电子器件，特别是与微处理器、微型计算机相接合而开发的新一代电子化机械产品。

按用途可分为信息机电一体化产品、产业机电一体化产品和家庭用机电一体化产品。

（四）分析题

例：已知数控机床控制系统如图所示，试说明图中的各个部分属于机电一体化系统中的哪个基本要素？

解：（1）依题意有两种测量方案 a.高速端测量方案：

传感器安装在电机的尾部，通过测量电机的转角实现工作台位移的间接测量。可选用光电编码器式传感器或者磁电式编码器。

b.低速端测量方案： 传感器安装在工作台上，直接测量工作台的位移。可选用光栅式位移传感器、感应同步器或者电位计式位移传感器。

(2)控制计算机和控制方案的选择

可以使用工业PC机及或者单片机完成系统的控制。具体可有以下三种方案： a．工业PC机集中控制方案：用一台工业PC机对三个自由度实现集中控制，包括任务管理和三个自由度的伺服控制系统原理图如下：

b．工业PC机、单片机分级控制方案：用一台工业PC机与三个单片机通信，对三个单片机实现管理，每个单片机负责一个自由度的伺服控制，控制系统原理图如下：