張紅梅　朱晨輝　楊自尚

摘 要：案例教學(xué)能夠調(diào)動(dòng)專業(yè)學(xué)位研究生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，也是增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力和實(shí)踐能力的有效途徑。目前，案例教學(xué)已成為專業(yè)學(xué)位研究生的主要教學(xué)方法之一。本研究介紹了機(jī)械專業(yè)碩士學(xué)位研究生教育引入案例教學(xué)的必要性，并在校企協(xié)作背景下以六軸機(jī)械手煙筐清掃系統(tǒng)為案例，介紹了該教學(xué)案例產(chǎn)生的背景、涉及的課程知識(shí)點(diǎn)、實(shí)施的過程，為機(jī)械專業(yè)碩士學(xué)位研究生案例教學(xué)的開展提供一些參考。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué)；機(jī)械專業(yè)碩士；機(jī)械手

20世紀(jì)初，哈佛大學(xué)創(chuàng)造了案例教學(xué)法。案例教學(xué)是圍繞一定的培訓(xùn)目的，把實(shí)際生產(chǎn)或生活中真實(shí)的事件加以整理，形成供學(xué)生思考分析和決斷的案例，授課時(shí)通過獨(dú)立研究和相互討論的方式提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問題能力的一種教學(xué)方法。案例教學(xué)能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，使學(xué)生攝取的信息量大大增加。同時(shí)，學(xué)生的分析、表達(dá)、團(tuán)隊(duì)合作等能力也都能得到有效鍛煉和提高。案例教學(xué)的核心不是讓學(xué)生認(rèn)同和理解已經(jīng)形成的觀點(diǎn)，而是讓學(xué)生學(xué)會(huì)用批判思維來看待問題，以此拓寬研究思路，創(chuàng)造性地尋找解決問題的方法。

一、機(jī)械專業(yè)碩士學(xué)位研究生教育引入案例教學(xué)的必要性

機(jī)械專業(yè)碩士學(xué)位研究生的培養(yǎng)是理論和實(shí)踐結(jié)合的系統(tǒng)工程。隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，培養(yǎng)高素質(zhì)、較高創(chuàng)新實(shí)踐能力的專業(yè)學(xué)位研究生成為一種必然要求。課題組所在的河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械專業(yè)碩士學(xué)位研究生，主要培養(yǎng)農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域科技創(chuàng)新與技術(shù)開發(fā)、工程設(shè)計(jì)與實(shí)施、技術(shù)攻關(guān)與技術(shù)改造、工程規(guī)劃與管理、新技術(shù)推廣與應(yīng)用等方面的高層次復(fù)合型、應(yīng)用型工程技術(shù)人才及管理人才。隨著專業(yè)學(xué)位研究生的招生人數(shù)增加，專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)模式已經(jīng)成為政府、企業(yè)和高校共同關(guān)注的問題。當(dāng)前，我國(guó)研究生教育向著學(xué)術(shù)和專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)并行、理論知識(shí)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)并重的方向發(fā)展。專業(yè)學(xué)位研究生教育是應(yīng)用能力和職業(yè)能力并行的教育。體現(xiàn)職業(yè)要求和創(chuàng)新能力是當(dāng)前專業(yè)學(xué)位研究生課程教學(xué)的重點(diǎn)。案例教學(xué)涉及工程應(yīng)用理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、解決方案等應(yīng)用能力的培養(yǎng)，也承載著課程體系和基本知識(shí)框架構(gòu)建的任務(wù)。案例教學(xué)對(duì)于專業(yè)學(xué)位研究生的綜合應(yīng)用實(shí)踐能力的培養(yǎng)，具有重要的作用。案例教學(xué)的教育理念與機(jī)械工程專業(yè)碩士學(xué)位研究生的培養(yǎng)目標(biāo)是一致的。案例教學(xué)是以學(xué)生為中心、開放的教學(xué)方式，主要特征是發(fā)揮學(xué)生的主體地位，本質(zhì)是采用理論與實(shí)踐結(jié)合的互動(dòng)教學(xué)方式，通過教學(xué)過程的實(shí)施進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)研究生理論與實(shí)際結(jié)合的能力和科學(xué)預(yù)測(cè)的能力。

課題組在機(jī)械專業(yè)碩士學(xué)位研究生培養(yǎng)過程中合理地引入案例教學(xué)，科學(xué)設(shè)計(jì)與機(jī)械專業(yè)碩士學(xué)位研究生教育目標(biāo)契合的課程體系，在機(jī)械專業(yè)碩士學(xué)位研究生的培養(yǎng)過程中有機(jī)融入案例教學(xué)理念，使機(jī)械專業(yè)碩士學(xué)位研究生能牢固掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)，提高創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，最終培養(yǎng)出高素質(zhì)的工程人才，對(duì)推進(jìn)專業(yè)學(xué)位研究生教育教學(xué)改革具有重要意義。

二、機(jī)械專業(yè)碩士學(xué)位研究生教學(xué)案例的選擇

機(jī)械專業(yè)碩士學(xué)位研究生課程案例教學(xué)，在校企協(xié)作下以六軸機(jī)械手為基礎(chǔ)，以企業(yè)要求采用六軸機(jī)械手替代人工對(duì)煙筐內(nèi)殘留的煙片進(jìn)行清掃為目標(biāo)。本教學(xué)案例的實(shí)施使學(xué)生能夠近距離接觸社會(huì)、熟悉企業(yè)需求。校企協(xié)同案例教學(xué)的開發(fā)，促進(jìn)了專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)體制改革，建設(shè)聯(lián)合培養(yǎng)基地，促進(jìn)校企協(xié)同，提高機(jī)械專業(yè)碩士學(xué)位研究生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的綜合能力。實(shí)際進(jìn)入工作后，機(jī)械專業(yè)碩士學(xué)位研究生不僅要應(yīng)對(duì)農(nóng)業(yè)工程類問題，而且要做到多學(xué)科交叉、多知識(shí)體系的融會(huì)貫通，案例教學(xué)改革恰好充分保證了專業(yè)學(xué)位研究生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

分析機(jī)械專業(yè)碩士學(xué)位研究生課程體系，“現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法”是一門多學(xué)科交叉而成的專業(yè)課程，其重點(diǎn)是培養(yǎng)研究生的設(shè)計(jì)方法，使其掌握設(shè)計(jì)優(yōu)化、智能設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等。通過工程實(shí)例應(yīng)用，增強(qiáng)研究生對(duì)理論設(shè)計(jì)的理解和對(duì)設(shè)計(jì)方法的掌握與運(yùn)用。學(xué)生通過“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制技術(shù)”課程，對(duì)各種微處理器系統(tǒng)的基本框架結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行學(xué)習(xí)，掌握不同的微處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，為機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)信息的檢測(cè)、處理和控制等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供硬件和軟件平臺(tái)?！霸囼?yàn)設(shè)計(jì)與分析”涉及農(nóng)業(yè)機(jī)械性能測(cè)試試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理?！爸悄苻r(nóng)業(yè)裝備技術(shù)”主要學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展特點(diǎn)及新型農(nóng)業(yè)機(jī)械的類型、結(jié)構(gòu)、工作原理和適應(yīng)性，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)新農(nóng)藝和對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械的要求，以及新型農(nóng)業(yè)機(jī)械與電子技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)融合的基本要求和切入點(diǎn)?！艾F(xiàn)代傳感器技術(shù)”主要學(xué)習(xí)先進(jìn)的傳感器，以及運(yùn)用這些傳感器解決工業(yè)領(lǐng)域參數(shù)測(cè)量的方法。

通過分析這些課程的教學(xué)內(nèi)容和特點(diǎn)，課題組選擇校企協(xié)同下六軸機(jī)械手煙筐清掃系統(tǒng)作為案例應(yīng)用到教學(xué)中，是基于目前合作企業(yè)在煙葉生產(chǎn)過程中遇到的難題而提出的“校企協(xié)同下六軸機(jī)械手煙筐清掃系統(tǒng)設(shè)計(jì)”?；趫D像處理的“六軸清掃機(jī)械手”涉及控制系統(tǒng)、機(jī)械原理、系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)，以及智能設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)知識(shí)。同時(shí)，六軸機(jī)械手煙筐清掃案例涉及農(nóng)業(yè)機(jī)器人控制原理及系統(tǒng)組成、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和控制等基礎(chǔ)知識(shí)，涵蓋嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制技術(shù)課程的知識(shí)體系。所選擇的案例知識(shí)也涉及清掃機(jī)械手角度與位移的控制，以傳感器的機(jī)理為基礎(chǔ)，可使研究生熟練掌握傳感器的選擇和使用。該案例同樣對(duì)生物物料與加工技術(shù)專題、試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析等課程教學(xué)具有促進(jìn)作用。

三、教學(xué)案例內(nèi)容

（一）教學(xué)案例背景

煙草在經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物中占據(jù)重要地位，對(duì)促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)民獲得持續(xù)性收入發(fā)揮著重要作用。真空回潮是生產(chǎn)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(zhì)發(fā)生改變，以滿足后續(xù)煙葉切絲加工工藝要求。真空回潮過程中靠近煙筐周轉(zhuǎn)箱內(nèi)壁的煙片具有較高的濕度，在高溫高濕環(huán)境下，油分較大的煙葉易粘在周轉(zhuǎn)箱底部并緊貼煙箱，翻箱機(jī)進(jìn)行下一工序時(shí)，煙片無法完全倒出。若生產(chǎn)過程中粘附在周轉(zhuǎn)箱內(nèi)壁的煙葉在每次翻箱倒料后未得到及時(shí)清理，粘附在周轉(zhuǎn)箱底部的煙片隨下一批煙葉再次進(jìn)入真空回潮機(jī)內(nèi)，其含水量嚴(yán)重超標(biāo)，對(duì)煙片處理工序質(zhì)量把控的穩(wěn)定性造成干擾。此外，經(jīng)過數(shù)次回潮處理的煙片具有過多的水分，產(chǎn)生各種水漬，煙葉組織結(jié)構(gòu)遭到一定破壞，只能降級(jí)使用，從而造成煙葉原料損耗，對(duì)煙片的實(shí)際用料量產(chǎn)生影響。針對(duì)這些問題，為減少周轉(zhuǎn)箱粘料情況，目前卷煙廠在生產(chǎn)中安排專業(yè)崗位、專業(yè)職員，每班次安排兩人輪流站在翻箱倒料高臺(tái)處，在翻箱機(jī)提升煙箱的時(shí)候，人工開啟壓縮空氣進(jìn)行吹掃，勞動(dòng)強(qiáng)度大，不能保證清理到位，且是在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行周轉(zhuǎn)箱清掃，安全性差。人工清掃不僅影響生產(chǎn)的連續(xù)性，而且員工在清掃過程中需要全程關(guān)注作業(yè)平臺(tái)，一旦有所忽視，就很可能掉進(jìn)后續(xù)松垛機(jī)內(nèi)，引發(fā)嚴(yán)重的人身傷害。所以，卷煙廠生產(chǎn)線中急需開發(fā)周轉(zhuǎn)箱在線清理裝置，以有效降低人工清掃成本，提高企業(yè)生產(chǎn)效益，提升生產(chǎn)效率。

煙筐的清理需要一種更加智能、準(zhǔn)確、可靠的清掃系統(tǒng)來取代原有的人工清掃方式。針對(duì)真空回潮煙筐周轉(zhuǎn)箱內(nèi)殘余的煙葉清掃問題，課題組提出六軸機(jī)械手煙筐清掃系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例，圍繞案例設(shè)計(jì)所涵蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、圖像識(shí)別、清掃運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化、清掃效果等方面，結(jié)合研究生開設(shè)課程進(jìn)行案例教學(xué)。

（二）教學(xué)案例所涉及的課程知識(shí)點(diǎn)

六軸機(jī)械手煙筐清掃系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要涉及的知識(shí)有機(jī)械手自由度、運(yùn)動(dòng)軌跡、坐標(biāo)定位、圖像采集、伺服控制技術(shù)等，需要儲(chǔ)備機(jī)械、材料、制圖等基礎(chǔ)知識(shí)，通過建模方式得到機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡，確定機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡范圍、清掃角度范圍等參數(shù)。首先，需要分析攝像機(jī)提供的圖像，并進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)定位，對(duì)圖像進(jìn)行不同的預(yù)處理，進(jìn)行機(jī)器視覺的標(biāo)定。其次，需要圖像數(shù)據(jù)處理、特征提取、物料特性等方面的知識(shí)，研究速度控制器、伺服電機(jī)以及清掃毛刷等裝置組成，研究煙筐中點(diǎn)或一系列點(diǎn)形成路徑曲線是否經(jīng)濟(jì)，并從經(jīng)濟(jì)性和適用性等多角度綜合考慮，對(duì)清掃頭進(jìn)行選型。最后，通過理論研究以及仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。綜合六軸機(jī)器人各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)，完成對(duì)清掃效果影響的研究，需要試驗(yàn)設(shè)計(jì)、單因素、多因素、極差方差分析等方面的知識(shí)。

該案例所涉及的相關(guān)課程知識(shí)如圖1所示，機(jī)械手設(shè)計(jì)部分主要包含機(jī)械手建模、煙筐建模分析及機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路徑分析等內(nèi)容，這些內(nèi)容涉及的課程有嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制技術(shù)和機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作實(shí)踐。機(jī)器視覺部分主要包括視覺識(shí)別方案的確定、煙筐圖像處理等，所涉及的課程有現(xiàn)代傳感技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法。視覺識(shí)別處理結(jié)果轉(zhuǎn)化為機(jī)械手清掃參數(shù)坐標(biāo)及機(jī)械手最佳路徑規(guī)劃與清掃效果分析，涉及以上4門課程的知識(shí)內(nèi)容。清掃結(jié)果分析與優(yōu)化部分涉及試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析和生物物料與加工技術(shù)課程內(nèi)容。

四、案例教學(xué)的實(shí)施

（一）研究生自學(xué)階段

課題組仔細(xì)閱讀案例，查閱資料，到企業(yè)調(diào)研，結(jié)合案例和課程提出案例中與課程內(nèi)容有關(guān)的問題，分析出現(xiàn)問題的原因，提出解決問題的方案。讓學(xué)生結(jié)合煙廠生產(chǎn)實(shí)際的工藝需求進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃、圖像處理、試驗(yàn)分析等，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握。撰寫有關(guān)工程案例教學(xué)的課程講義，進(jìn)行關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的提示和講解，促使學(xué)生結(jié)合煙廠生產(chǎn)實(shí)際的需求進(jìn)行多課程知識(shí)點(diǎn)融合。通過電子技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)融合加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，提高其對(duì)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力。

（二）教師授課階段

在課堂上，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行案例內(nèi)容詳細(xì)剖析，采用講解式授課、反轉(zhuǎn)課堂授課，然后分組討論和辨析。講授時(shí)注意引導(dǎo)學(xué)生打開思維，多角度分析問題，以此來培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)密的思維方式，形成“知識(shí)講授—案例剖析—企業(yè)實(shí)踐—綜合應(yīng)用”的授課環(huán)節(jié)，讓學(xué)生成為教學(xué)的主體，積極進(jìn)行討論，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力；培養(yǎng)學(xué)生開放性思維能力，使學(xué)生在挑戰(zhàn)中學(xué)習(xí)；增強(qiáng)學(xué)生獲取文獻(xiàn)信息、協(xié)同工作、交流溝通管理等能力；培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力和多角度思考的能力。

課題組通過對(duì)校企協(xié)作下六軸機(jī)械手煙筐清掃系統(tǒng)案例設(shè)計(jì)，要求學(xué)生利用課余時(shí)間通過自學(xué)和組內(nèi)討論的方式找出不同清掃軌跡、攝像頭布置、清掃系統(tǒng)等設(shè)計(jì)解決方案。學(xué)生通過組內(nèi)和組間討論、辯論等方式增加其對(duì)有關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)理解的深度和廣度，提高應(yīng)用知識(shí)的綜合能力。

（三）解決方案評(píng)比階段

各組代表發(fā)表本組對(duì)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(gè)小組成員重點(diǎn)討論集中出現(xiàn)的問題，然后匯總各小組解決方案及進(jìn)一步改進(jìn)方案，積極整合可行方案，與校外合作企業(yè)開展產(chǎn)學(xué)研合作，通過案例實(shí)施極大豐富了工程碩士研究生實(shí)踐的技術(shù)領(lǐng)域及渠道。

校企協(xié)作下六軸機(jī)械手煙筐清掃系統(tǒng)教學(xué)案例在機(jī)械專業(yè)碩士學(xué)位研究生教學(xué)中的實(shí)施，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到激發(fā)，增強(qiáng)了專業(yè)學(xué)位研究生處理工程實(shí)踐問題的能力。在教學(xué)過程中，學(xué)生對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析軟件的操作、圖像處理軟件的操作、機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)等與實(shí)例相結(jié)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(shí)踐相結(jié)合的能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。同時(shí)為深化專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)模式改革和創(chuàng)新，明確案例教學(xué)在專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)中的地位和作用提供了具體的理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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責(zé)編：應(yīng) 圖

基金項(xiàng)目：河南省專業(yè)學(xué)位研究生精品教學(xué)案例項(xiàng)目；河南省基層教學(xué)組織建設(shè)項(xiàng)目農(nóng)業(yè)機(jī)械系基層教學(xué)組織（編號(hào)：教高〔2019〕728號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：張紅梅（1977— ），女，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授，研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)業(yè)裝備研究；朱晨輝（1989— ），男，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)業(yè)裝備技術(shù)應(yīng)用研究；楊自尚（1994— ），男，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺與農(nóng)業(yè)智能裝備設(shè)計(jì)。