基于CDIO-OBE模式的PLC课程教学改革探索

张 敬 卢 雁 谢光彩 李 圣 周洪波

（湖南理工学院机械工程学院 湖南·岳阳 414000）

随着国家创新驱动发展战略的推进，以中国制造2025、互联网+、人工智能等为代表的国家战略需求，带动了新一轮的技术革命和产业变革，同时也推动了新时期中国高校各类人才的培养模式变革。可编程序控制器(PLC)是一种先进的自动化控制装置，已经成为工农业自动化生产中的重要支柱之一。教育部在2014年3月明确提出，在全国的普通本科院校中将有600多所高校逐步向应用技术型大学转变，培养应用型人才是高等教育大众化的发展方向。在当今自动化工程控制领域，企业对PLC控制方面的应用型人才需求越来越大。但是由于传统教学模式培养出来的学生理论知识陈旧，动手能力差，无法独立开展项目工程。为改变这一现状，应用型本科院校应以培养复合型应用人才为主要任务改变传统的教学模式，以培养学生的实际工程能力为导向，重点培养学生的自主学习能力和实践应用能力，以服务现代化经济体系和实现更高质量的就业。因此，我们需要引入新型CDIO-OBE教学模式。

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）教学模式，是围绕构思、设计、实现、运作思路展开，以工程项目从研发到完成的全过程为载体，使学生在实践项目中学习工程基础知识，有效地提升实践应用能力。OBE（Outcomes-Based Education）是以学习效果为导向对教学过程组织、实施和评价的教学模式，更加注重学生学习效果及培养学生能力。

1 课程目标的修订

PLC课程是机电以及自动化专业的核心课程，具有很强的应用性和实践性。它作为一门工程性和应用性的控制技术课程，应该要与工程实践紧密联系，要求学生在实际工程项目中去理解、接收并应用理论知识。但在传统的PLC课程教学中对课程教学目标大多数停留在只要求学生掌握PLC的基本理论，学会一些简单的实验控制。学生往往只能通过编程和仿真来消化知识，但是并没有真正理解每个知识点在实际工程中的运用。因此，这样的教学目标和模式往往会引起学生对PLC课程理论学习的厌烦，学习效果与实际工程项目脱节，从而导致学生的工程意识和实践能力不强，学完该课程后仍然无法完成实际的工程项目。

针对以上存在的问题，我们将通过CDIO-OBE的教育理念指导 PLC课程教学改革。新课程的目标是从企业对 PLC技术人才的需求出发，并结合学生个人内在需求，注重培养学生的工程实践能力和自主学习能力，保证教育目的与结果的一致性。并要求学生学完“PLC控制技术”课程后，能具有以下能力：（1）具有独立完成控制系统设计的能力；（2）具有良好的PLC编程能力；（3）具有独立分析问题和解决问题的能力；（4）具有较强的动手能力和沟通能力。

2 基于CDIO模式的PLC课程教学改革

2.1 PLC课程教学大纲和教材改革

传统的PLC课程教学大纲包括了课程目的，教学基本内容，实践环节、课外习题及课程讨论等环节，内容比较繁杂而且主次不清晰。新型CDIO模式下的PLC课程教学大纲中主要是根据以工程项目为主线贯穿教学，以学习结果为考核导向，进行传统课程教学内容与所设计教学项目的有机融合。新大纲的课程目的就是要考察学生的综合应用能力，而不是简单的掌握PLC基本原理。实践环节应占整个课程的70%，而不是原来仅有的20%。考核方式主要体现在实际工程项目任务的完成情况上，而不是简单的闭卷考试和课后作业。传统的PLC课程教材大多强调理论知识，介绍如何使用一些较为简单的实验模型进行理论验证。而在新大纲中选用的教材应该是应用型的工程案例教材，通过实际的工程案例，详细介绍完成工程项目的每一个步骤，以及工程中常用的技术知识，去除那些过时的和不经常使用的内容。比如可以使用由向晓汉编写的《西门子PLC、触摸屏及变频器综合应用从入门到精通》一书作为教材，该书通过实际工程案例与理论知识的结合，详细介绍了编程指令在实际中的运用效果。同时还包含了实际工程中经常用到的通讯技术，变频技术，人机界面应用技术等，这也是传统教材很少涉及或者简化的内容。因此PLC课程教学大纲，应该根据工程需要重新修订。

2.2 教学内容改革

PLC课程改革的核心是教学内容的改革。与传统“重理论”的教学内容相比，CDIO模式的教学内容以工程项目案例为主，包含了实际工程中经常使用到的PLC技术知识，并且用于教学的工程项目结合了学生的学习能力，由易到难，由浅入深，循序渐进的安排。为了确保教学项目的工程应用性，教师可以与当地企业合作，让企业提供一些合适的成功工程案例或者把成功的科研项目作为教学案例。这里以湖南理工学院PLC课程教学内容改革为例，介绍一套适合本校学生学习的实用型课程。如图1所示为该课程的模块框图。课程所用的教学案例大部分是来自于本校科研项目和地方企业实际工程项目，内容真实新颖。

图1：课程模块

本课程主要以8个工程案例为主，分为基础篇，设计篇，综合篇三个部分。每一个篇章都要求学生掌握对应的PLC课程知识和技能，具体如表1所示。学生通过8个工程案例的学习之后，不仅能够掌握PLC的理论知识，同时还具备了工程应用的能力。

表1：教学工程项目一览表

2.3 教学方法改革

传统的教学方法主要是以教师在教室上的课堂讲授为主，学生缺乏动手能力。而本课改主要以PLC实验室、科研实验室、企业现场为教学场所，根据教学内容中的实际工程案例对学生进行讲解并现场要求学生完成一定的工程任务，对现场出现较多的问题进行指导。对于基础篇的学习，主要是以PLC实验室为教学场所，讲授相关专业知识和安全注意事项后要求学生利用实验器材完成工程项目。设计篇和综合篇主要以科研实验室和企业现场为主，教师通过实际的科研项目和企业工程项目指导学生进行实践。例如教师可以把一个成功的控制系统拆开分解后让学生亲自摸索复原，实现原来的功能。这不仅让学生掌握了整个控制系统的设计流程，而且还使学生的动手能力得到了提升，工程应用能力得到了培养。如图2，为我校学生在教师指导下进行的燃料电池风冷堆控制系统复原搭建。对于涉及企业中的工程项目案例，可以与当地的企业的项目负责人和工程师进行交流，邀请企业工程师来学校进行项目指导，或者由工程师和教师带领学生亲临现场开展设计工作。

图2：现场搭建燃料电池风冷堆控制系统

此外，在教学中应该要求学生学会使用PLC参考手册，遇到需要使用的功能指令应该通过查阅相应的英文手册去理解指令的使用方法或者通过电话咨询PLC公司。实验室或者科研项目使用的PLC应该选择当前主流的、功能比较强大的机型，如西门子S7-1500等，不使用那些老旧过时的PLC控制器。此外，还应要求学生使用工程常用的编程软件和电路绘图工具，比如博图软件和EPLAN电路绘图工具。通过对这些真实的工程应用软件的学习与使用，学生在毕业后更容易接手企业项目。

3 基于OBE的考核方式的改革

传统的 PLC课程改革方式主要是采用闭卷笔试方式考核。成绩评定的办法为，期末成绩占总成绩的70%，其中考试、作业、考勤和提问等作为平时成绩占总成绩的10%，实验实践环节占20%。这样的考核方式无异于重理论而轻实践，不利于培养学生的工程应用能力。基于 OBE教育理念的课程考核方式是以项目实施结果为主要依据来评价学生的学习效果。这种考核方式能够全面、客观、科学地评价学生，有利于培养学生的动手实践能力，加强学生工程应用能力和在复杂的设计过程中的综合职业能力。本课改针对教学内容设计专门的教学评价考核指标，根据项目的难易程度设置不同的分值比重，重点考察学生的动手能力，程序编写能力，工程问题的分析和解决能力。其中基础部分占20%，设计部分占40%，综合部分占40%，实行100分制。具体的每一个部分又设置了若干个考核分值，详细可以参见表2。可以看到我们更加注重考核学生的编程能力和解决问题的能力，因为这是实际工程项目中最为重要的能力。此外，本课改的考核方式取消了以往的课后作业考核，取而代之的是一些实际的项目比赛作为课外考查，以赛促学，更能激发学生的学习热情。

表2：PLC课程考核表

通过OBE的考核方式，可以了解到学生对设计操作技能的掌握情况，判断他们的能力是否达到了预期的效果，取得了预计的成果。由于这种考核方式有很强的目的性，这使得学生的学习目标更加明确。通过对学习成果的检查，更能检测出学生的真实水平，这不仅改变了以往对学生实际能力的错误评价和考核不全面的现象，还为培养应用型人才的教学改革注入新的活力。

4 结论

本文介绍了一种基于CDIO-OBE模式的PLC课程教学改革。通过对传统PLC课程的目标，教学内容，教学方法等方面的不足，提出了新的改革方案。重点介绍了教学内容和教学方法的改革。根据教学内容设计了对应的考核方案，改变了传统PLC课程的考核方式。同时以我校为例，介绍了该方案的施行。事实上，通过工程项目案例教学法更能让学生体验到工程项目开发的真实情景，更能培养学生的动手能力、分析能力和解决问题的能力。而采用 OBE的考核方式能够更加科学地对学生学习情况进行评价。因此，这种教学改革方式不仅激发了学生的学习热情，调动了学生学习的积极性和主动性，更培养了学生的工程应用能力。符合当前社会对应用型人才的需要。