電梯案例教學在《機電一體化系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)設(shè)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(nèi)容設(shè)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(tǒng)設(shè)計》課程中的應用是成功的。

關(guān)鍵詞：案例教學法；《機電一體化系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)設(shè)計》這門課程既涉及理論知識的學習，又強調(diào)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(shè)計能力培養(yǎng)、動手技能訓練等教學環(huán)節(jié)和內(nèi)容都蘊含在典型案例當中，通過設(shè)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(guān)技術(shù)。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(shè)計、裝配、電控系統(tǒng)搭建、程序框圖及程序代碼編寫的全部過程，培養(yǎng)學生設(shè)計、調(diào)試及研發(fā)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(nèi)容設(shè)置

1.理論教學內(nèi)容。電梯是與日常生活聯(lián)系緊密的典型機電一體化自動設(shè)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(nèi)容。此系統(tǒng)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(yǎng)可從事特種設(shè)備電梯相關(guān)技術(shù)開發(fā)和應用的人才。我校每年都有畢業(yè)生進入到電梯行業(yè)中就業(yè)。電梯案例內(nèi)容設(shè)置上要吸引學生的注意力，主要內(nèi)容包括：介紹起重設(shè)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(jié)構(gòu)組成；控制系統(tǒng)組成；檢測元件原理及應用；控制系統(tǒng)設(shè)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(jié)構(gòu)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(tǒng)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(tǒng)用到的傳感器。將已經(jīng)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(lián)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(nèi)容和設(shè)計方法，實現(xiàn)系統(tǒng)的運用所學知識指導實際工程的目的。

2.工程實訓內(nèi)容。電梯案例實踐操作環(huán)節(jié)為4周，將完成機械本體測繪設(shè)計；電梯控制系統(tǒng)設(shè)計和搭建實物；控制系統(tǒng)軟件程序開發(fā)；整個電梯設(shè)備的調(diào)試運行等主要環(huán)節(jié)。（1）電梯模型機械本體測繪改進設(shè)計，包括轎廂結(jié)構(gòu)、曳引系統(tǒng)、開關(guān)機構(gòu)和井道框架。要求：電梯模型載重50kg。（2）電梯控制系統(tǒng)設(shè)計，包括PLC、變頻器、交流伺服電機、繼電器、開關(guān)電源、空氣開關(guān)、行程開關(guān)、位置檢測傳感器、電梯調(diào)速等。要求實現(xiàn)轎廂平層自動開關(guān)門，具有手動調(diào)試和自動運行功能；設(shè)計合理的人機界面和操作按鈕；開門后延時10秒后關(guān)門或者按關(guān)門按鈕后關(guān)門。具有開關(guān)門到位檢測功能，并能實現(xiàn)故障報警。（3）控制系統(tǒng)軟件程序開發(fā)，包括人機界面環(huán)境設(shè)計開發(fā)，組態(tài)軟件開發(fā)運行設(shè)計。要求以西門子系列PLC s7-200系統(tǒng)完成；實現(xiàn)電梯按照要求運行功能。（4）電梯系統(tǒng)調(diào)試。在三層電梯教學模型上調(diào)試運行程序。上述四部分內(nèi)容基本控制在每周完成一項內(nèi)容，各項任務(wù)完成之后，總結(jié)整理相關(guān)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(xiàn)，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(diào)動學生的積極性。根據(jù)作者調(diào)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(jīng)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(nèi)容學生都不了解。教師要敏銳的意識到這種思想。從設(shè)計開始，內(nèi)容設(shè)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(diào)動學生的積極性，讓他們從思想上重視起來。

2.充分發(fā)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(huán)節(jié)，把主動權(quán)交給學生。

3.嚴格把關(guān)考核環(huán)節(jié)。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(nèi)容和實驗資源有限，學生分組進行，一組學生共用實訓設(shè)備，共同完成整個設(shè)計任務(wù)。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(huán)節(jié)，在案例實施過程中，通過平時考勤、觀察，最后根據(jù)學生承擔的任務(wù)內(nèi)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(xiàn)象的出現(xiàn)。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(nèi)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(nèi)容：（1）案例設(shè)計說明書1份；（2）機械結(jié)構(gòu)三維模型圖1張（電子版），二維設(shè)計裝配圖1張及主要零件圖；（3）電氣系統(tǒng)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(shù)為100分，每項內(nèi)容占20分。最后以小組為單位進行答辯，以設(shè)備能夠調(diào)試運行通過為主要指標，同時對每個人對設(shè)備的總體方案和主要內(nèi)容進行陳述，對其負責的部分內(nèi)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(yǎng)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(tǒng)設(shè)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(nèi)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(shè)計和工程實訓過程，每一組的設(shè)計方案要求不一樣，設(shè)計參數(shù)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(jié)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(shè)計任務(wù)，首先對已有三層電梯模型進行拆卸測繪，然后進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)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(guān)鍵部件以及機械制圖能力。由于進行過機械設(shè)計課程設(shè)計，學生對于機械圖具有較好的基礎(chǔ)，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(chǔ)上學習運用不同的三維軟件進行制圖。（2）對于電控系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)，學生們在控制系統(tǒng)原理圖和電氣元件選型這一環(huán)節(jié)有一些困難。針對這一現(xiàn)象，教師對照電梯模型實物向?qū)W生們講解控制系統(tǒng)的構(gòu)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(shè)計。該環(huán)節(jié)訓練學生實際工程中電路原理圖設(shè)計、實物連線及檢測能力。從效果來看，學生們根據(jù)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(yǎng)了他們理論聯(lián)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(fā)和調(diào)試這兩項任務(wù)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(tǒng)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(fā)編程、調(diào)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(jié)果的不正確。此過程中培養(yǎng)學生們自我學習能力和認真嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)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(tǒng)設(shè)計的思路作為主線，闡釋有關(guān)的基本概念、原理和方法，將各個知識點用此案例有機結(jié)合起來。教學過程先了解該案例，然后了解和熟悉對系統(tǒng)總體的性能要求是如何轉(zhuǎn)化為對各組成部分的選型和設(shè)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(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)動手能力，優(yōu)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(chǔ)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(tǒng)設(shè)計》這門課程是十分成功的。

參考文獻：

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