電梯案例教學在《機電一體化系統設計》課程中的應用

趙月靜+李紅彥+任有志+楊光

摘要：對《機電一體化系統設計》課程特點進行了分析，將電梯案例應用在該課程中。闡述了電梯案例的教學內容設置，實施步驟、案例實施中的注意事項及教學實踐效果分析。通過實踐表明電梯案例教學法在《機電一體化系統設計》課程中的應用是成功的。

關鍵詞：案例教學法；《機電一體化系統設計》；電梯

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）35-0175-02

一、引言

《機電一體化系統設計》這門課程既涉及理論知識的學習，又強調實際動手能力，非常適合運用案例教學法。案例教學法是以典型案例為教學載體，把理論知識教學、分析設計能力培養、動手技能訓練等教學環節和內容都蘊含在典型案例當中，通過設計合適的教學案例及實訓教學裝置來引導學生自主探索、分析、理解案例中所包含的多學科問題和相關技術。采取即學即用、理論與實踐無縫對接的教學方法，掌握案例中的科學知識和分析解決問題的工程實踐能力，為解決問題而學習，最終達到教學目標。學生通過完成電梯案例的機械本體設計、裝配、電控系統搭建、程序框圖及程序代碼編寫的全部過程，培養學生設計、調試及研發的能力，提高學生解決工程實踐問題的能力。

二、電梯案例教學內容設置

1.理論教學內容。電梯是與日常生活聯系緊密的典型機電一體化自動設備，是學生最感興趣的案例之一，其所涉及的知識涵蓋了機電控制教學的主要內容。此系統可以從硬件及軟件兩方面鍛煉學生的實際應用能力，為社會培養可從事特種設備電梯相關技術開發和應用的人才。我校每年都有畢業生進入到電梯行業中就業。電梯案例內容設置上要吸引學生的注意力，主要內容包括：介紹起重設備工作原理；電梯簡介及應用場合；電梯的工作原理；電梯分類；曳引式電梯的曳引機工作原理及控制方法；結構組成；控制系統組成；檢測元件原理及應用；控制系統設計與編程。在該案例的教學中能夠把電梯涉及到的各組成部分的各種不同結構形式都講到，重點詳細講解在此案例中用到的元器件形式，包括其分析、計算、選型過程等。在介紹控制系統的傳感器時，對電梯中用到的傳感器的不同類型進行介紹，并著重講授電梯的安全檢測系統用到的傳感器。將已經學過的分散的知識融會到該案例中，讓學生體會到所學知識之間存在的聯系。如講完整電梯案例，學生對機電一體化的五大組成部分有了更加明確的認識，了解掌握該實際工程應用中所涉及的內容和設計方法，實現系統的運用所學知識指導實際工程的目的。

2.工程實訓內容。電梯案例實踐操作環節為4周，將完成機械本體測繪設計；電梯控制系統設計和搭建實物；控制系統軟件程序開發；整個電梯設備的調試運行等主要環節。（1）電梯模型機械本體測繪改進設計，包括轎廂結構、曳引系統、開關機構和井道框架。要求：電梯模型載重50kg。（2）電梯控制系統設計，包括PLC、變頻器、交流伺服電機、繼電器、開關電源、空氣開關、行程開關、位置檢測傳感器、電梯調速等。要求實現轎廂平層自動開關門，具有手動調試和自動運行功能；設計合理的人機界面和操作按鈕；開門后延時10秒后關門或者按關門按鈕后關門。具有開關門到位檢測功能，并能實現故障報警。（3）控制系統軟件程序開發，包括人機界面環境設計開發，組態軟件開發運行設計。要求以西門子系列PLC s7-200系統完成；實現電梯按照要求運行功能。（4）電梯系統調試。在三層電梯教學模型上調試運行程序。上述四部分內容基本控制在每周完成一項內容，各項任務完成之后，總結整理相關資料。

三、案例實施過程中應注意事項

案例教學的目標是否實現，主要依賴教師的指導作用和學生自身重視程度。作者認為在進行電梯案例教學過程中，需要注意以下方面。

1.充分調動學生的積極性。根據作者調查，選擇這一案例的學生當中，有一部分同學是基于這一案例較熟悉的原因，因電梯在日常生活中經常乘坐，學生不陌生，容易感興趣。但同時又會覺得沒有什么可講可學的，而實際上很多內容學生都不了解。教師要敏銳的意識到這種思想。從設計開始，內容設置上要吸引學生的注意力，充分介紹這一案例的目的和特點，調動學生的積極性，讓他們從思想上重視起來。

2.充分發揮學生的能動性。在案例實施過程中，教師每天會到場進行指導。學生會遇到各種各樣的問題，教師需要做的是鼓勵學生自己查找答案，在必要的時候，進行指導。在整個案例實施過程中，教師要盡可能少的參與其中的環節，把主動權交給學生。

3.嚴格把關考核環節。由于該案例教學是在本科生教育中應用的，鑒于案例實訓內容和實驗資源有限，學生分組進行，一組學生共用實訓設備，共同完成整個設計任務。在一定程度上，會存在個別學生不認真或抄襲他人勞動成果的可能性。因此，教師要嚴把考核環節，在案例實施過程中，通過平時考勤、觀察，最后根據學生承擔的任務內容提問，了解每個學生的情況，以杜絕個別學生沒有認真參與現象的出現。最終目的是讓每個選擇這一案例的學生都有所收獲。

四、電梯案例考核

由于教學分理論與實踐兩部分內容，因此，考核方式將分為筆試試卷和工程實訓兩個部分，各占50%。工程實訓部分分組完成，每組需要完成以下內容：（1）案例設計說明書1份；（2）機械結構三維模型圖1張（電子版），二維設計裝配圖1張及主要零件圖；（3）電氣系統原理圖1張；（4）程序框圖及程序清單；（5）演示視頻。工程實訓總分數為100分，每項內容占20分。最后以小組為單位進行答辯，以設備能夠調試運行通過為主要指標，同時對每個人對設備的總體方案和主要內容進行陳述，對其負責的部分內容進行答辯詢問，回答問題完整正確才算通過。這個可以督促每個人認真訓練，達到培養工程實踐能力的目的。

五、案例教學實施與效果分析

這次案例教學在機械2012級機電方向本科生中進行，《機電一體化系統設計》課程共40學時理論教學，共講述5個案例，該案例占8個學時。教師通過積極備課，完善電梯案例教學內容。理論教學以圖片和視頻形式展示給學生，讓學生有更直觀的感性認識，提高學生的興趣和注意力。從實踐效果看，效果比以往單純文字講述要好很多。電梯案例工程實訓共有60名學生選擇該案例。60名學生分成6組，每一組都動手參與電梯設計和工程實訓過程，每一組的設計方案要求不一樣，設計參數也不一樣，最后提交要求的全部資料。通過對本次工程實訓教學實施過程的觀察和思考，結合學生的實際實施情況和最后答辯考核情況，效果分析如下：（1）對于電梯機械本體設計任務，首先對已有三層電梯模型進行拆卸測繪，然后進行機械結構設計、計算；三維圖、二維圖、零件圖的繪制。主要訓練學生測繪機械本體、計算校核關鍵部件以及機械制圖能力。由于進行過機械設計課程設計，學生對于機械圖具有較好的基礎，對拆卸測繪積極動手。有了良好的開端，在接下來進行的計算校核及制圖過程中，學生們思路清晰，完成情況整體良好。同學們在二維繪圖軟件基礎上學習運用不同的三維軟件進行制圖。（2）對于電控系統設計任務，學生們在控制系統原理圖和電氣元件選型這一環節有一些困難。針對這一現象，教師對照電梯模型實物向學生們講解控制系統的構成、實際用到的電氣元件選型及使用過程中需要注意的事項。學生了解變頻器和各種元件實物接線方法，讓學生參照實物元件，自己動手完成進行控制原理圖設計。該環節訓練學生實際工程中電路原理圖設計、實物連線及檢測能力。從效果來看，學生們根據見到實際的電氣元件，了解了實際中的接線方法，加深了對電氣元件原理的認識，培養了他們理論聯系實際，運用已學知識解決實際工程問題的實踐能力。（3）程序開發和調試這兩項任務是本案例的重點，也是難點。PLC編程軟件以前作為選修課學習過，但沒有具體實際系統讓學生去編寫程序。編好的程序能不能通過，正確與否無從檢驗。這次實訓給學生提供了實際工程訓練的機會。軟件的開發編程、調試運行過程是個反復的過程，任何一點小的問題，都會導致結果的不正確。此過程中培養學生們自我學習能力和認真嚴謹的工作態度，使學生充分意識到了“實際工程中無小事”這句話的含義。

電梯案例作為案例教學法中一個典型案例，以系統設計的思路作為主線，闡釋有關的基本概念、原理和方法，將各個知識點用此案例有機結合起來。教學過程先了解該案例，然后了解和熟悉對系統總體的性能要求是如何轉化為對各組成部分的選型和設計要求的。是一個從總體到局部的逐步細化的過程。工程實訓部分激發學生的學習興趣，培養動手能力，優化教學效果。要鼓勵學生盡量參與這一過程，通過親身的體會加深對基礎知識的理解。通過上述電梯案例可以說明，將案例教學法引入《機電一體化系統設計》這門課程是十分成功的。

參考文獻：

[1]甄翠敏，楊潔.基于能力培養的案例教學方案[J].河北聯合大學學報（社會科學版），2013，（02）：89-92.

[2]陳福松.案例教學與創新型人才培養[J].揚州大學學報（高教研究版），2009，（05）：81-83.