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电梯案例教学在《机电一体化系统设计》课程中的应用
作者：赵月静 李红彦 任有志 杨光 来源：《教育教学论坛》2017年第35期
摘要：对《机电一体化系统设计》课程特点进行了分析，将电梯案例应用在该课程中。阐述了电梯案例的教学内容设置，实施步骤、案例实施中的注意事项及教学实践效果分析。通过实践表明电梯案例教学法在《机电一体化系统设计》课程中的应用是成功的。 关键词：案例教学法；《机电一体化系统设计》；电梯
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）35-0175-02 一、引言
《机电一体化系统设计》这门课程既涉及理论知识的学习，又强调实际动手能力，非常适合运用案例教学法。案例教学法是以典型案例为教学载体，把理论知识教学、分析设计能力培养、动手技能训练等教学环节和内容都蕴含在典型案例当中，通过设计合适的教学案例及实训教学装置来引导学生自主探索、分析、理解案例中所包含的多学科问题和相关技术。采取即学即用、理论与实践无缝对接的教学方法，掌握案例中的科学知识和分析解决问题的工程实践能力，为解决问题而学习，最终达到教学目标。学生通过完成电梯案例的机械本体设计、装配、电控系统搭建、程序框图及程序代码编写的全部过程，培养学生设计、调试及研发的能力，提高学生解决工程实践问题的能力。 二、电梯案例教学内容设置
1.理论教学内容。电梯是与日常生活联系紧密的典型机电一体化自动设备，是学生最感兴趣的案例之一，其所涉及的知识涵盖了机电控制教学的主要内容。此系统可以从硬件及软件两方面锻炼学生的实际应用能力，为社会培养可从事特种设备电梯相关技术开发和应用的人才。我校每年都有毕业生进入到电梯行业中就业。电梯案例内容设置上要吸引学生的注意力，主要内容包括：介绍起重设备工作原理；电梯简介及应用场合；电梯的工作原理；电梯分类；曳引式电梯的曳引机工作原理及控制方法；结构组成；控制系统组成；检测元件原理及应用；控制系统设计与编程。在该案例的教学中能够把电梯涉及到的各组成部分的各种不同结构形式都讲到，重点详细讲解在此案例中用到的元器件形式，包括其分析、计算、选型过程等。在介绍控制系统的传感器时，对电梯中用到的传感器的不同类型进行介绍，并着重讲授电梯的安全检测系统用到的传感器。将已经学过的分散的知识融会到该案例中，让学生体会到所学知识之间存在的联系。如讲完整电梯案例，学生对机电一体化的五大组成部分有了更加明确的认识，了解
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掌握该实际工程应用中所涉及的内容和设计方法，实现系统的运用所学知识指导实际工程的目的。
2.工程实训内容。电梯案例实践操作环节为4周，将完成机械本体测绘设计；电梯控制系统设计和搭建实物；控制系统软件程序开发；整个电梯设备的调试运行等主要环节。（1）电梯模型机械本体测绘改进设计，包括轿厢结构、曳引系统、开关机构和井道框架。要求：电梯模型载重50kg。（2）电梯控制系统设计，包括PLC、变频器、交流伺服电机、继电器、开关电源、空气开关、行程开关、位置检测传感器、电梯调速等。要求实现轿厢平层自动开关门，具有手动调试和自动运行功能；设计合理的人机界面和操作按钮；开门后延时10秒后关门或者按关门按钮后关门。具有开关门到位检测功能，并能实现故障报警。（3）控制系统软件程序开发，包括人机界面环境设计开发，组态软件开发运行设计。要求以西门子系列PLC s7-200系统完成；实现电梯按照要求运行功能。（4）电梯系统调试。在三层电梯教学模型上调试运行程序。上述四部分内容基本控制在每周完成一项内容，各项任务完成之后，总结整理相关资料。
三、案例实施过程中应注意事项
案例教学的目标是否实现，主要依赖教师的指导作用和学生自身重视程度。作者认为在进行电梯案例教学过程中，需要注意以下方面。
1.充分调动学生的积极性。根据作者调查，选择这一案例的学生当中，有一部分同学是基于这一案例较熟悉的原因，因电梯在日常生活中经常乘坐，学生不陌生，容易感兴趣。但同时又会觉得没有什么可讲可学的，而实际上很多内容学生都不了解。教师要敏锐的意识到这种思想。从设计开始，内容设置上要吸引学生的注意力，充分介绍这一案例的目的和特点，调动学生的积极性，让他们从思想上重视起来。
2.充分发挥学生的能动性。在案例实施过程中，教师每天会到场进行指导。学生会遇到各种各样的问题，教师需要做的是鼓励学生自己查找答案，在必要的时候，进行指导。在整个案例实施过程中，教师要尽可能少的参与其中的环节，把主动权交给学生。
3.严格把关考核环节。由于该案例教学是在本科生教育中应用的，鉴于案例实训内容和实验资源有限，学生分组进行，一组学生共用实训设备，共同完成整个设计任务。在一定程度上，会存在个别学生不认真或抄袭他人劳动成果的可能性。因此，教师要严把考核环节，在案例实施过程中，通过平时考勤、观察，最后根据学生承担的任务内容提问，了解每个学生的情况，以杜绝个别学生没有认真参与现象的出现。最终目的是让每个选择这一案例的学生都有所收获。
四、电梯案例考核
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由于教学分理论与实践两部分内容，因此，考核方式将分为笔试试卷和工程实训两个部分，各占50%。工程实训部分分组完成，每组需要完成以下内容：（1）案例设计说明书1份；（2）机械结构三维模型图1张（电子版），二维设计装配图1张及主要零件图；（3）电气系统原理图1张；（4）程序框图及程序清单；（5）演示视频。工程实训总分数为100分，每项内容占20分。最后以小组为单位进行答辩，以设备能够调试运行通过为主要指标，同时对每个人对设备的总体方案和主要内容进行陈述，对其负责的部分内容进行答辩询问，回答问题完整正确才算通过。这个可以督促每个人认真训练，达到培养工程实践能力的目的。 五、案例教学实施与效果分析
这次案例教学在机械2012级机电方向本科生中进行，《机电一体化系统设计》课程共40学时理论教学，共讲述5个案例，该案例占8个学时。教师通过积极备课，完善电梯案例教学内容。理论教学以图片和视频形式展示给学生，让学生有更直观的感性认识，提高学生的兴趣和注意力。从实践效果看，效果比以往单纯文字讲述要好很多。电梯案例工程实训共有60名学生选择该案例。60名学生分成6组，每一组都动手参与电梯设计和工程实训过程，每一组的设计方案要求不一样，设计参数也不一样，最后提交要求的全部资料。通过对本次工程实训教学实施过程的观察和思考，结合学生的实际实施情况和最后答辩考核情况，效果分析如下：（1）对于电梯机械本体设计任务，首先对已有三层电梯模型进行拆卸测绘，然后进行机械结构设计、计算；三维图、二维图、零件图的绘制。主要训练学生测绘机械本体、计算校核关键部件以及机械制图能力。由于进行过机械设计课程设计，学生对于机械图具有较好的基础，对拆卸测绘积极动手。有了良好的开端，在接下来进行的计算校核及制图过程中，学生们思路清晰，完成情况整体良好。同学们在二维绘图软件基础上学习运用不同的三维软件进行制图。（2）对于电控系统设计任务，学生们在控制系统原理图和电气元件选型这一环节有一些困难。针对这一现象，教师对照电梯模型实物向学生们讲解控制系统的构成、实际用到的电气元件选型及使用过程中需要注意的事项。学生了解变频器和各种元件实物接线方法，让学生参照实物元件，自己动手完成进行控制原理图设计。该环节训练学生实际工程中电路原理图设计、实物连线及检测能力。从效果来看，学生们根据见到实际的电气元件，了解了实际中的接线方法，加深了对电气元件原理的认识，培养了他们理论联系实际，运用已学知识解决实际工程问题的实践能力。（3）程序开发和调试这两项任务是本案例的重点，也是难点。PLC编程软件以前作为选修课学习过，但没有具体实际系统让学生去编写程序。编好的程序能不能通过，正确与否无从检验。这次实训给学生提供了实际工程训练的机会。软件的开发编程、调试运行过程是个反复的过程，任何一点小的问题，都会导致结果的不正确。此过程中培养学生们自我学习能力和认真严谨的工作态度，使学生充分意识到了“实际工程中无小事”这句话的含义。 电梯案例作为案例教学法中一个典型案例，以系统设计的思路作为主线，阐释有关的基本概念、原理和方法，将各个知识点用此案例有机结合起来。教学过程先了解该案例，然后了解和熟悉对系统总体的性能要求是如何转化为对各组成部分的选型和设计要求的。是一个从总体到局部的逐步细化的过程。工程实训部分激发学生的学习兴趣，培养动手能力，优化教学效果。要鼓励学生尽量参与这一过程，通过亲身的体会加深对基础知识的理解。通过上述电梯案例可以说明，将案例教学法引入《机电一体化系统设计》这门课程是十分成功的。