基于CDIO的自动化专业实践课程教学研究

马永力，曾 瑄，黄志开，赵志英，芦 莉

(南昌工程学院 机械与电气工程学院， 南昌 330099)

基于CDIO的自动化专业实践课程教学研究

马永力，曾 瑄，黄志开，赵志英，芦 莉

(南昌工程学院 机械与电气工程学院， 南昌 330099)

本文通过分析CDIO的教育理念，结合我校自动化专业实践类课程教学与社会需求之间的差距，提出了基于 CDIO的自动化专业实践课程教学改革的研究。并结合毕业设计等相关课程，在教学中融入工程应用的理念，通过比较市场上同类产品的实现方法及各自应用场合，确定自己的设计实施方案，并进一步给出了实施方案。通过参与工程项目，使学生理解、体验一个系统工程项目从设计到完成的过程，从而实现从理论到实践，再从实践到理论的升华，全面提高学生的工程素养，提高教学质量。

CDIO; 教学改革; 自动化；实践课程

CDIO倡导“基于项目教育和学习”的新型教学模式，是近年来国际工程教育改革的最新研究成果，包括构思(conceive)、设计(design)、实现(implement)和运作(operate)。作为一种新的工程教育理念，它主张以产品研发的构思、设计、实现和运作的全过程为载体，认为学生在工程实践教育中既要掌握专业知识，又要具备适应与调控的能力；还要具有终生学习和团队协作能力。成为既有专业技能和工程能力、又有社会意识和企业家敏锐性的工程师，将来能够在工作的工程团队中发挥作用[1，2]。其核心目标是工科毕业生在现代团队工作环境中应具有构思、设计、实施和运作的能力；在具有创新价值的复杂工程系统中拥有一定的把控能力[3]。这些正是应用型技术人才应该具备的能力。

1 传统实践教学的局限性和教学改革的目标

为了发现传统的实践教学与社会需求之间的差异，我们对东部某省300多家企业的用人需求进行了调查。结果表明: 企业最欢迎的是具有团队领导、组织、沟通、协调能力的创新型人才，其次为技术复合型、通用型和专业对口型人才( 见图1)[3]。传统的实践教学多数存在以下问题：

1.1 上课教学内容单一，老师指定学习内容，灵活性不强，学生自主性学习不够。

1.2 强调个人动手能力，却忽视团队协作精神。

1.3 更加重视验证性的知识学习，却轻视工程素养及创新能力的培养。传统的实践教学模式更适合于学生基础阶段的学习，需要在规定的时间内掌握大量的知识，属于知识积累的阶段；但是对于部分专业课程及创新实践环节的课程具有较大的局限性，不能满足培养创新性、应用型人才的需求。

图1 企业人才需求类型比例

实践教学改革的目标是：在专业实践教学环节重点培养学生的工程意识和工程素养，激发其学习兴趣；在毕业设计和创新环节提高其工程素养和创新能力，培养终身学习的能力。

2 基于CDIO的自动化专业实践类课程教学实施

自动化专业实践教学主要包括三级项目：

(1) 通识平台课程实践环节及专业基础课程实验为一级项目，主要利用基础实践平台；

(2)专业课程实践环节(主要包含课程实验、电子技术课程设计、计算机控制系统综合设计、自动化技术综合设计、专业方向课程实训等)为二级项目，主要利用专业实践平台；

(3)毕业设计及其他创新实践为三级项目，主要利用专业实践平台和创新实践基地。实现课堂理论教学和实践平台相结合；网络新技术与传统教学模式有机融合的混合式教学模式。自动化专业实践教学三级项目如图2 所示。

图2 自动化专业实践教学三级项目

基于CDIO模式的教学项目主要集中在专业课程实践环节(二级项目)、毕业设计及创新实践环节(三级项目)。在这个环节学生已经具有一定的理论基础，而且这个环节的实践教学时间相对充足，可以满足学生构思、设计、实现和运作的整个过程。适合的课程主要包括《电子技术课程设计》、《计算机控制系统综合设计》、《单片机课程设计》、《专业方向课程实训》、《毕业设计》等课程的教学内容，选取适当的教学项目，按照CDIO教学模型进行改革与建设，结合专业实践课程指导学生进行工具类课程(如matlab, autocad, protel等)的进一步学习。同时对楼宇自动化方向的实践课程的教学，把楼宇智能化各子系统的内容，尽可能按照CDIO的教学模式融进相关课程，使同学们按照实际项目的需要进行构思内容、设计方案、实现项目任务要求，并结合软硬件运行上下位机的程序，实现实际项目的设计效果。

3 CDIO应用实例——智能照明控制系统设计

项目要求：对一照明系统进行智能化改造。智能照明控制系统不仅能充分满足现代人们对灯光效果的设计要求，而且通过对能源的综合智能管理及自然光照的充分利用，可以节电20%-70%以上，满足便捷、舒适、节能的建筑照明需要。要求完成从项目立意及经济可行性分析到系统设计、市场调研、方案实施及软硬件调试等内容。6人一组，每个人要采用不同的软硬件进行设计，同学之间既有合作，又有分工，还要给出自己设计的特点、使用场合及成本分析，上位机可以采用各种组态软件控制，下位机可以采用各种PLC控制，亦可采用Lonworks总线。

以上位机采用MCGS软件，下位机采用S7-226PLC控制的小型系统为例，控制区域分为室内办公场合照明、走廊照明、庭院景观照明及街道路灯照明，室内办公照明实现工作日与非工作日(包括双休和节假日)的时间控制；走廊、庭院和街道的照明，提供基本照明，主要用于夜间照明，采用光控开关及时间控制照明，只有在规定时间内且自然光照度不够的情况下才会开启照明，尽可能节约能源。四种照明均可以实现自动和手动的控制。

在项目实施前，市场调研如下：根据淘宝调查，HW5210(海湾系列楼控DDC控制器)售价1980元，HW5208(海湾系列楼控DDC控制器)售价2850元，近5000元实现5输入5输出的定时控制。S7-226 PLC 24DI/16DO，(5-30V DC或5-250V AC)，2个RS485通讯口，最多扩展7个扩展模块，1640元，加上一个S7-200CN EM235，4AI/1AO，5个模拟量I/O口700元，共2340元，在I/O点数增加到4.5倍的情况下，价格只是原来DDC控制器的一半不到，而且PLC的控制功能更为强大，使用可靠性很高。采用S7-224，16 DI/10DO，905元，S7-2228DI/6DO，590元；价格更是大幅下降。对于智能照明以开关量为主的系统，性价比大幅提高。再结合学校实验室条件，上位机采用MCGS软件，下位机采用S7-226PLC控制，而没有采用DDC控制。在创新实验平台完整实现构思、设计、实现和正确运行。

本项目上位机为一台计算机，采用MCGS组态软件控制，下位机采用西门子S7226PLC，通过PPI/USB电缆连接(要安装驱动)，四路不同场合的照明灯具(实际项目可以根据需要增加，实现不同模式的控制功能)。PLC的I/O接口分配如表1，各组态软件与PLC连接通道设计如表2；MCGS组态软件操作运行界面如图3所示。

表1 PLC的I/O接口分配

表2 各组态软件与PLC连接通道设计

图3 MCGS组态软件操作运行界面

本项目及相关项目不仅实现智能楼宇专业的实践教学需要，还能用于PLC课程设计及现场总线与组态软件实践教学。

基于 CDIO项目设计以培养学生的基本工程能力为目标[4]，将多门课程的知识点渗透进若干个项目中，教师全程化指导、跟踪、落实学生的执行情况。在此过程中，学生可以讨论、上网、查资料，教学过程以学生为中心。学生是知识意义的主动构建者，教师是组织者，主要起指导、帮助和促进的作用[5]。传统的理论课程学习后同学们的知识相对零散、应用能力较弱，初学者往往不知怎么应用相关知识模块。在CDIO项目实践过程中，教师引导学生采取“自上而下”的工程设计导向，用日常工程设计作背景，先给出宏观、整体的工程设计要求，然后由宏观到微观，由整体到局部，工程所用到的专业知识可能设计多门理论课程，在项目设计过程中进一步深入学习相关知识、深化理解、活学活用，做到在“做中学，在学中做”。基于 CDIO项目设计尤其适用于各类课程设计和毕业设计。学生在做毕业设计的过程中，可以把4年中所学的相关理论知识应用于设计项目，对知识进行系统的总结和提升。在提高他们分析研究问题的能力的同时，还增强了他们的工作责任感[6]。

4 基于CDIO模式的教学结果

4.1 激发学习兴趣、培养创新能力

教师在实施课堂教学的过程中，参照 CDIO工程教育模式，结合先进的教育手段，激发了学生的学习兴趣，在遇到疑难问题时，指导教师及时启发指导，或者与之讨论，可以激发他们的创新意识。

4.2 改革了教学方法与考核模式

教学方法采用学生自主为主，教师答疑指导为辅的教学模式。在学习评价方面，完善了过程考核的模式，增加了自评和互评环节。小组成员自评主要考核学生的诚实性，同时也能增强同学的责任感；团队成员互评主要考核学生的公正性和团结互助精神，同时也有助于培养领导能力。

4.3 形成了具有 CDIO教育模式的实践教学体系

本研究课题的主要特色在于：参照国际先进的教育理念，以项目设计为主导，结合现有实验室的条件，重点培养学生的创新精神和工程素养，形成了具有 CDIO特点的自动化专业实践课程教学模式[7]。

5 结束语

通过基于CDIO的自动化专业实践课程教学改革，可以建立以往传统实践教学中普遍缺乏的工程价值观念。通过市场调研、团队合作，可以激发同学的学习兴趣，加深同学友谊，转变后进生的学习态度，培养优秀同学的领导能力及创新能力，增强同学的团队协作意识。总之，以CDIO为基础的实践教学，更加强调了学生创新和工程素养的培养，有效改善了理论与实践相脱离的问题。锻炼和提高了所有同学的CDIO能力，教学效果得到明显改善。

[1]刘志雄. 基于CDIO的实践类课程教学改革研究[J].长沙大学学报,2014,(4).

[2]康亮，毛炼成，洪晓鸥.CDIO教育模式在电子技术实验课程中的应用与探讨[J].上海第二工业大学学报,2012,(3).

[3]黄亦申，董晨晨，翁晓红，潘柏松.面向卓越工程师培养的CDIO实践平台建设探索[J]. 浙 江 工 业 大 学 学 报( 社会科学版),2013,(4).

[4]李峥，陈得宝，苗曙光，张勇.CDIO工程教育模式下综合课程设计的教学改革[J].淮北师范大学学报(自然科学版),2013,(2).

[5]朱向庆，胡均万，曾辉，等.CDIO工程教育模式的微型项目驱动教学法研究[J].实验技术与管理，2012,(11).

[6]贾光政 王金东.基于CDIO 的机电类卓越工程师培养模式探索[J].大学教育,2014,(4).

[7]张国平,付贵阳,马永力.基于CDIO 教育模式的电路课程教学研究与实践[J].中国电力教育,2010,(22).

Research of Automation Practice Teaching Based on CDIO

MA Yong-li, ZENG Xuan, HUANG Zhi-kai, ZHAO Zhi-ying, LU Li

(School of Mechanical & Electrical engineering, Nanchang Instituted of Technology, Nanchang 330099, China)

Through the analysis of the education philosophy of CDIO, this paper puts forward the research of automation practice course teaching reform based on CDIO, combining with the gap between practice courses teaching of automation professional in our school and social demand. Graduation design and other related courses are combined so as to integrate engineering application into the teaching philosophy. The realization methods and their applications are compared to similar products on the market to ensure their program design and to further provide the implementation plan. By participating in project, the students understand, experience the process of system’s engineering project from design to completion and realizes the sublimation of theory to practice, practice to theory so that the students’ engineering quality and the quality of teaching is comprehensively improved.

CDIO; teaching reform; automation; practice course

2017-01-12

江西省教育厅2015年省级教改课题(JXJG-15-18-5)

马永力(1976-)，女，副教授，硕士，研究方向为楼宇智能化技术。

G640

A

1674-344X(2017)2-0107-03