基于CDIO 项目教学法的课程教学改革探讨——以“PLC可编程控制技术”课程为例

刘庆华

(西安理工大学 高等技术学院,西安 710082)

0 引言

随着以新技术、新业态、新产业、新模式为特点的社会经济的发展，“中国制造2025”“互联网+”“网络强国”“一带一路”等重大国家战略相继提出，对高校人才培养工作提出了更高的要求[1]。为适应新形势下高技术人才的培养要求，西安理工大学高等技术学院先后对一批课程进行了教学改革，“PLC可编程控制技术”作为电气工程及其自动化专业的主要专业课，是改革的课程之一。通过本轮改革，使得该课程的授课内容和知识结构更加优化，学生具备了专业知识素养和创新意识，为毕业生未来的就业或创业打下了良好的基础。

1 “PLC可编程技术技术”CDIO项目拟解决的问题

“PLC可编程控制技术”在自动化生产线和智能制造领域扮演着非常重要的角色。在该课程传统的教学模式中，理论课时所占比重较大，实践课时所占比重相对较小，而且教学手段和方法相对单一，这些缺陷使得该课程所授知识和实际工程应用联系不够紧密，学生没有真正了解或掌握该技术在工业现场的实际应用，导致学用脱节[2]。为解决这一问题，本课程教学改革引入了以项目为驱动、以任务为载体的CDIO 项目式教学模式。

2 教改项目的实施

2.1 “PLC可编程控制技术” CDIO项目教学实践的层次结构

根据CDIO以项目为导向的人才培养模式，将电气自动化专业CDIO项目划分为三级[3]：第一级是专业及人才培养目标的实现项目，是最高级，能够结合专业自身特点，面向社会和实际应用，创新性的开展应用研究和技术开发。其实现的基本过程体现在毕业设计、企业阶段培养、学生创新创业和高质量就业；第二级是包含本专业主要核心课程和能力要求的项目，为中间级，能够实现学生对相关专业知识的深入了解和融会贯通。其实现的基本过程体现在能够完成复杂的项目并在重大赛事上获得佳绩；第三级是专业能力要求的项目，包含一组相关的核心课程，位于最底层，实现课程学习和应用。其实现的基本过程体现在通过多个基本项目的实施，掌握核心课程的精髓，学以致用。三级项目的设立由各门课程大纲根据教学需要确定。

“PLC可编程控制技术”为三级项目“自动化生产线的安装与调试”的重要课程单元，对二级项目“柔性自动化生产线的安装与调试”项目组提供强有力的技能支撑，最终服务于一级项目“电气自动化专业毕业设计”，同时为学生的个性化发展和毕业生创新创业提供强有力地支撑。其专业项目式教学体系层级如图1所示。

图1 CDIO项目式教学体系(电气自动化专业)

三级项目“自动化生产线的安装与调试”是电气自动化专业特色鲜明的一个项目，涉及的知识面非常宽泛，包括“PLC可编程控制技术”“机械控制技术”“电机驱动技术”“网络通信技术”“传感检测技术”“液压气动控制技术”“人机界面”等，每项技术在自动化生产线应用中担负着不可或缺的作用，同时要根据生产工艺的不同，实现协调有序的工作和应用，形成完整的机电控制系统。在项目实施过程中，可以根据组成生产线的各个单元，由简到难，由一般到复杂，逐级开展。每一个单元可以单独成为一个子项目，最终进行组网，形成一个大项目。二级项目可以在三级项目的基础上，结合现代控制流程和生产要求，加入智能控制的相关知识，构成柔性自动化生产线项目，形成二级项目。二、三级项目，共同为学生毕业设计、创新创业和一级项目服务[4-5]。

2.2 “PLC可编程控制技术”CDIO 项目教学内容

2.2.1 PLC的认知子项目

通过典型电气控制电路电动机正反转控制电路、电动机延时启动控制电路等，引入PLC的基本知识和控制方式。该项目重点要求学生自主掌握PLC的类型及应用特点、编程环境、CPU类型和选型、变量和数据类型、符号和地址、软件编辑、调试、PC端与PLC联机联调，并熟练掌握I/O口分配，控制流程图编制，硬件连线、调试、运行和故障排除等。

该项目实施步骤如下：以异步电动机为对象，每个项目组在专任教师指导下自行组织商议制定项目方案，实现电动机不同状态的控制。项目难度适中可行，过程中尽可能用到PLC编程的多个方面，尤其是定时器、计数器等通用模块的使用。项目构思好后，就可进入项目的分工实施，即根据行业规范和被控电动机的参数，选择相应的硬件，如PLC控制器、接触器、热继电器、空气开关、导线等，使用相应工具进行配线组装。从流程图到软件编程乃至软件的编辑调试、仿真运行、软硬件配合使用，逐步展开。项目的调试效果最终通过学生自评、项目组互评和教师点评，给出综合评定成绩和项目后期改进意见。

2.2.2 搬运单元的安装与调试子项目

该项目实施时，项目组成员自行了解搬运单元的控制过程和运行流程，对项目按步进行模块化拆分，如第一个模块为检测模块，项目组成员将测试不同传感器的性能、适用范围，参数调整等，根据项目需求选择合适的传感器，并将传感器调试至最佳工作状态。再如运动过程模块，项目组成员对运动过程进行分解，测试不同作用气缸的工作特性、运行速度、运行行程、行程调整方式等。本子项目每个模块的调试都配合相应的软件编程、调试和运行。当每个模块性能调试到最佳状态，就可以实现最后的联调。

该项目的实施，使学生进一步熟练掌握了PLC的编程调试流程，并在实际工作环境中熟悉运用PLC，比如PLC如何对接磁感应式接近开关，如何驱动气动执行元件等，同时熟练应用PLC内部计数器，理解并掌握步进法编写控制程序的技巧。项目在考核时，应注重结果考核和过程考核并重，使学生打下扎实的工程专业基础。

2.2.3 其他项目的实施要点

(1)操作手单元的安装与调试子项目：使学生熟练掌握PLC如何对接电感式接近开关；熟悉磁感应式接近开关的应用；如何驱动气动执行元件如摆动气缸、防转动直线气缸、双活塞杆气缸等，同时要求学生对PLC内部定时器熟练使用。理解并掌握置位/复位指令(以转换为中心的编程方法)的顺序控制梯形图编写控制程序的技巧，在使用该技巧时，强调并要求学生掌握实现转换须满足的条件——该转换的前级步(位元件)为活动步。

(2)供料单元的安装与调试子项目：使学生掌握PLC如何对接光电式接近开关、气压检测开关，进一步熟悉之前练习过的接近开关，如何驱动气动执行元件如真空吸盘等，熟练使用PLC内部位M、字MW、系统位SM、系统字SMW、移位指令功能块等，理解并掌握移位指令编写控制程序的技巧。

(3)提取安装单元的安装与调试子项目：该项目的实施，使学生熟练掌握PLC如何对接镜反射式光电式接近开关、漫反射式光电式接近开关，进一步熟悉之前练习过的接近开关，如何驱动电动机继电器等，同时对PLC内部子程序间的相互调用予以熟练应用。理解并掌握模块化的编写控制程序的技巧，该技巧使用要领是将一个复杂的控制程序分解成较小且便于管理的多个子程序，根据功能需求进行适时调用。模块化编程技巧，有利于实现复杂控制过程的实现，开发周期短，成本低，便与调试和维护，广泛应用于工业现场，后续子项目都围绕该方法实施。

(4)检测单元的安装与调试子项目：使学生熟练掌握PLC如何利用开关量传感器对元件进行识别；如何利用PLC模拟量输入端口实现模拟量的检测、数据的采集、运算和管理；如何利用PLC内部比较模块实现数据采集量的比较。进一步理解并掌握模块化的编写控制程序的技巧。

(5)立体存储单元的安装与调试子项目：使学生熟练掌握PLC如何利用步进电动机驱动模块驱动步进电动机；如何正确调试和使用步进电动机驱动模块，同时熟练掌握PLC内部PTO/PWM发生器的配置和使用。

(6)加工单元的安装与调试子项目：使学生团队熟练掌握PLC如何利用变频器驱动交流异步电动机；如何正确调试和使用变频器，同时进一步熟练PLC内部PTO/PWM发生器的配置和使用。本项目实施时，特别应注重运行过程的动作配合，以实现工件加工的精确与可靠。

(7)PLC组网子项目：本子项目由浅入深进行。首先进行上述子项目之间的两两配对组合，利用I/O接口通讯、PPI通讯、PROFIBUS通讯实现组网运行，最终实现整个组网，实现后期的二级项目和一级项目。

通过上述项目的实施，使得PLC的相关知识得到进一步拓展和加深，学生对各种传感器、气动执行元件、变频器、伺服电动机等执行装置的驱动有了全面的了解和掌握，极大地满足了实际工业现场对人才基本技能的需求。每个项目的组织实施，从结构上完全满足CDIO的框架要求，即构思-设计-实现-运作全过程。在项目的逐级实施过程中，学生的团队意识、创新意识、自我学习意识逐步形成。

3 CDIO项目考核和创新创业

各级项目实施完成后，对项目实施效果和个人学习情况进行科学合理评估，是教学活动的重要环节。学院采用的考核方法是组内自评、教师评定、比赛表演和汇报答辩四个环节，后两项成绩占比达60%以上。通过一系列项目的实施，使得毕业生能够通过自学或查阅相关资料，研究和分析复杂问题，获得有效结论；创新设计及开发解决方案；能够在团队中承担个体、团队成员及负责人等不同角色。在项目的实施过程中，学院支持和鼓励学生参加各种相关竞赛，以赛促学，以赛促教，以赛创新，协同发展；引导和鼓励学生参与学生科技创新基金立项，参加教师科研项目及实验室建设，参加大学生创新创业训练计划项目等。通过创新活动，使学生具备了一定的创业意识和创新精神，具有较强的综合实践能力和科学研究能力。

4 CDIO项目式教学体系的保障措施

学院根据教学的实际情况，以CDIO教学大纲为依据，整合院内各系现有的实验室、实践资源创建CDIO创新实践平台，支持学院人才培养、不同专业建设和学科知识结构优化。建设综合性、系统性、多层次的实验教学基地和院系两级的学生创新实践中心，形成以学生为主的多学科交叉团队自主设计创新平台。面向全院学生开放不同创新方向课题，学生可以跨专业、跨年级选择课题项目。选题方式和创新方向的灵活性，激发了学生参加各类工程实践的热情，从机制上保障了学生创新能力的培养，实现了理论教学和实践教学的无缝链接。

5 结语

西安理工大学高等技术学院电气自动化专业教学改革以CDIO教学理念为指导，全面革新了PLC可编程控制技术课程。结合工程案例、优化教学内容、改革教学方式，提高了学生自主学习和创新能力。

[1] 刘旭明，高峰. 基于CDIO的电气控制与PLC课程教学改革探索[J].大学教育,2016,12(1):148-149.

[2] 荣丽娜.“现代电气控制及PLC 应用技术”课程项目化教学改革研究[J].科技创新导报,2015,36(22):61-62.

[3] 冯佩云.CDIO在应用型大学PLC教学中的应用[J].科技视界,2017,36(15):51-52.

[4] 杨磊,郭奇青.CDIO在PLC教学中的应用方法[J].科教导刊(上旬刊),2016,36(3):79-80.

[5] 王石磊.CDIO模式在PLC课堂教学中的应用[J].产业与科技论坛,2015,24(11):170-171.