基于CDIO的“PLC技术与工程应用”课程教学改革

白敬彩，吴君晓

（河南工学院 自动控制系，河南 新乡 453003）

基于CDIO的“PLC技术与工程应用”课程教学改革

白敬彩，吴君晓

（河南工学院 自动控制系，河南 新乡 453003）

针对传统教学模式的不足，将CDIO教学模式引入到PLC课程教学中，从构思、设计、实现到运行，开发与工程实际紧密结合，实行“教-学-做”一体化教学。根据学生的知识基础和项目的难易程度，对学生进行分层次教学，并把学习过程分三个阶段，全面改革考核和评价机制。教学实践表明此改革有助于教学质量的提高。

PLC；CDIO教学模式；教学改革

0　引言

PLC技术与工程应用是自动化等相关专业重要的专业基础课，通过该课程的学习，要求学生掌握PLC的基础理论，并具备按具体工业控制要求，完成PLC及相关模块选型、控制系统设计与编程和现场安装调试的综合工程实践应用能力［1］。随着“中国制造2025”的提出，自动化专业的重要性日益凸显，而PLC作为自动化专业的三大支柱之一，其重要性不言而喻。市场调研发现，当前和今后相当长的时期内装备制造企业对掌握 PLC技术的人才需求巨大，在很多企业对自动化专业毕业生的入职招聘条件中，掌握PLC技术是必备素质之一［2］。然而，传统的教学模式不以学生为教学的主体，不注重PLC在实际工程中的应用，而过分强调PLC指令的学习，理论与实际严重脱节，学生的学习过程是在被动地接受知识而无法真正培养工程应用能力［3］；在硬件接线和程序设计时，缺少实际工程对象，不能建立起工程的概念，更不能对实际项目进行需求分析、方案论证、程序设计、安装调试，编制的程序也只是为了验证已知的实验结果，没有形成基本的工程素养；课程考核采用单一的理论考试形式，大部分同学的学习兴趣没有被激发，学习只是为了应付考试；课程结束后，很多同学的卷面成绩很“光鲜”，但却不懂 PLC在工程实际中的应用，更不会利用PLC进行控制系统设计，与PLC课程的教学目标相去甚远。

CDIO教学模式是美国麻省理工学院、瑞典皇家工学院、瑞典林雪平大学和瑞典查尔摩斯工业大学共同创立的工程教育改革模式［4-5］。CDIO是英文单词构思（conceive）、设计（design）、实施（implement）、运行（operate）的缩写，是“教-学-做”一体化项目化教学的抽象表达。将CDIO教育模式引入到PLC的教学过程中，以实践项目为载体，使学生成为知识的探究者，成为学习活动的主体；使教师成为学生知识建构的组织者、指导者，以指导、辅导学生的学习为主，成为教学活动的主导；着重强化学生的工程实践训练，从而使其职业素养和团队协作意识不断提高。

1　与相关企业合作开发基于CDIO的契合工程实际的教学项目

为保证有效完成培养目标，课程组教师与新乡市相关企业的专家共同开发了与工程实际紧密结合的实践教学项目，形成了理论实践相结合的“教-学-做”一体化教学模式，并结合职业技能鉴定的标准、基于工作过程导向设计课程教学内容和培养方案，学习情境的实施项目采用现场实例，每一个项目都包括构思、设计、实现、运行（CDIO）四个环节。

收稿日期：2016-04-12

基金项目：河南工学院校级教改项目

作者简介：白敬彩（1979―），女，河南清丰人，讲师，硕士，主要从事电气自动化技术研究。

实践项目是结合我系实验室的 S7-200 PLC和S7-300 PLC机型开发的。项目一是送料小车的往返控制，教学目的是让学生掌握PLC基础知识及PLC的基本应用，包括基本指令和定时器、计数器指令的应用；项目二是十字路口交通的控制，教学目的是让学生掌握单流程顺序控制；项目三是MCGS触摸屏的监控系统设计，教学目的是让学生掌握上位机对控制过程的监控，学会如何设计操作方便、友好的人机界面；项目四是四轴联动机械手的控制，教学目的是让学生掌握气动控制和步进控制的应用；项目五是变频器的控制，教学目的是让学生掌握常用变频器（如西门子MM440、汇川MD280等）和PLC的配合使用；项目六是串行通信，教学目的是通过PLC之间的PPI通信以及PLC与变频器之间的MODBUS通信，让学生掌握基于RS485的串行通信方法；项目七是自动化生产线装配环节的控制，教学目的是通过自动化生产线装配环节的落料单元和装配单元的协调控制，让学生掌握工业中常用的复杂步进控制的方法；项目八是自动化生产线输送环节的控制，教学目的是让学生掌握利用PLC的高速脉冲输出（PTO）实现伺服平台的精确定位、机械手的气动控制以及通过通信实现本环节和其他环节的协调控制。

依据实践教学项目将教学过程分成三个逐阶递进的阶段：初级阶段、中级阶段和提高阶段。项目一、二、三属于初级阶段，该阶段是学习、应用PLC入门的阶段，此阶段可采用“示范式”教学，以培养学生的兴趣，使其轻松入门，学生可在此基础上进行学习并反复加以练习，初步建立实施和完成工作任务的方法步骤，为课程的后续学习奠定基础；项目四、五、六属于中级阶段，在该阶段学生已经具备实施和完成工作任务的一般方法步骤与实践技能，已能够自学和咨询各工作任务所必需的理论知识，此阶段可采用“引导式”教学，学生依据教师制作的实施工作任务的“引导文”逐步完成任务，从而使独立工作能力得到锻炼；项目七、八属于提高阶段，在该阶段学生已具备一定的专业能力、方法能力，此阶段可采用“工程驱动式”教学，给学生提出旨在加强其综合能力训练的综合性工程项目，要求学生通过自主学习和实践来解决实际的工程问题，完成具体的控制任务。通过本阶段的训练，学生已具备电气控制系统检修工、PLC 设计员等岗位工作任务所需的职业能力。

2　鼓励和引导有能力的学生深入学习

在以往的教学中，教学计划只考虑了大部分学生的情况，针对某一个班所有学生的教学内容、难易程度和教学进度都是一样的，而随着教学过程的深入，当学生的能力差异逐步凸显出来时，难免出现如下的情况：少数学习基础差的同学“消化不良”，逐渐丧失学习的兴趣；而又有少数基础好的同学却总是“饥肠辘辘”，大部分时间没有任务可做，白白地浪费时间和精力。针对上述情况，我们采取了因材施教的分层次教学法：在开发教学项目之初就考虑到学生的差异性，将每个教学项目都分为基础任务和提高任务两部分，基础任务要求所有的同学都完成，给基础薄弱、学习能力差的学生多一点耐心，多一点指导，让其多一点自信；对于提高任务，每个学生可以根据自己的“能力”尽力去完成，给基础扎实、学习能力强的同学较大的施展空间；我系建有多个不同类型的PLC实验室（如西门子实验室、罗克韦尔实验室、汇川实验室等），实验、实训条件优越，因此我们经常引导、鼓励部分能力强的学生学习其他类型的PLC（如罗克韦尔PLC、汇川PLC等）的硬件结构和程序设计，比较不同PLC之间的区别，加深对PLC 的编程机制的理解，使学生在将来的就业岗位上有更广泛的适应性；鼓励、带领少数能力出类拔萃的同学尝试更高层次的任务，比如参加“现代电气控制”和“自动化生产线安装与调试”等与PLC有关的职业院校技能大赛，为他们提供更多的教学资源，更好的实训条件，给他们多一点压力，高一点难度，让其多一点创新，使其能力得到充分的发挥，未来他们将是我系的“自动化专业形象大使”，为本专业的发展起到示范和引领作用。

3　变“一考定优劣”为综合全面考核及评价机制

改革后的 PLC课程教学模式的核心评价标准，不只看教师“教得好不好”，更重要的是要看学生“学得精不精”，主要看学生实践操作水平、职业素养达到的程度和为了将来的长远发展所必需的理论知识储备，为此我们采取了“平时成绩+实训操作考试+理论考试”的综合考核及评价体系，以准确地反映学生的工程素养和综合素质，具体可以用公式表示为：

总评成绩=平时成绩（30%）+实训考核成绩（40%）+理论考试成绩（30%）。

其中，平时成绩包括考勤、平时实训操作表现和创新能力等，平时每个项目提高任务完成较好和参加职业技能大赛者酌情加分；实训考核包括方案设计、硬件接线、程序设计和综合调试等，安排在PLC实训室进行，事先准备若干个难度相当的控制任务，由学生抽签选题，在两个小时内独立完成；理论考试以闭卷笔试的形式进行，主要检验学生对PLC基础知识点的掌握程度，安排在实训考核结束后统一进行。

近几年来的实践证明，这种考核方式克服了以前单纯理论考试的片面性，比较全面地衡量了学生的学习效果，在这种“真枪实弹”的考核中，同学们都调整了“南郭先生”的心态，职业素质和综合能力得到了很大提升。

4　结语

“PLC技术与工程应用”教学改革，开发了基于 CDIO的、契合工程实际的教学项目，将学习过程分成逐阶递进的三个阶段，鼓励创新，引导有能力的学生深入学习，改革考核及评价机制，学生的学习积极性被充分调动，从而大大提高了教学效果。最近几年，项目组教师指导的职业院校技能大赛获得了河南省一等奖两项，二等奖和三等奖各一项；在对我校自动化专业毕业生就业比较集中的相关企业的调研中，企业负责人普遍反映我们的毕业生实践动手能力强、综合素质高，这些都表明教学改革是行之有效的。

当然，在改革过程中，我们也发现了一些不足之处需要改进：（1）目前市场上PLC 的种类、型号众多，不同种类的PLC差异较大，如何在PLC的教学中最大限度地兼顾多种PLC的学习；（2）专业青年教师较多，如何与相关企业进行深度的“校企合作”，加强“工学结合”，加强教师的业务培训，提高教师的实践动手能力和科研能力。这些都是我们下一步改革的方向。

（责任编辑 吕春红）

［1］ 王永华.现代电气控制及PLC应用技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009.

［2］ 严明霞.PLC课程教学中存在的问题及改革思路［J］.机械管理开发，2011（3）：195-196.

［3］ 袁琦，刘晓梅，易细龙.《PLC应用技术》课程教学改革的研究与实践［J］.教育教学论坛，2015（4）：122-124.

［4］ 冯巧玲，杨存祥，张文忠.基于CDIO模式的“电气工程基础”课程的教与学［J］.中国电力教育，2010（1）：118-119.

［5］ 殷旭，胡景繁，张红.基于CDIO教育模式学生学习评估方法的探索［J］.高教论坛，2010（2）：24-25.

Teaching Innovation of ‘PLC Technology and Engineering Application’Based on CDIO Teaching Mode

BAI Jing-cai，et al
（Department of Automatic Control， Henan Institute of Technology， Xinxiang 453003， China）

In view of deficiencies of the traditional teaching mode, the CDIO teaching mode is introduced to the teaching of PLC. From conceivability, design, implement to operation, practical projects combined closely with engineering practice is developed to execute ‘Integration of Teaching-Learning-Practice’. The hierarchical teaching is carried out and the learning process is divided into three stages according to the students’ knowledge base and the difficulty level of the project. The innovation has contributed to improve the teaching quality in teaching practice.

PLC; CDIO teaching mode; teaching innovation

G642.0

A

1008–2093(2016)03–0070–03