基于CBE+CDIO理念的电气与PLC控制技术教学改革与创新

张 雷，宋 艳，闫胜男，张景杰

（郑州信息科技职业学院 机电工程学院，河南 郑州 450000）

面对工业4.0和中国制造2025发展战略带来的机遇与挑战，加快培养适应新兴产业发展、实践能力与创新能力强的高素质高技能复合应用型人才是对我国高职机电类专业提出的更高要求。［1］

PLC控制技术是智能制造核心技术之一，相关课程具有涉及领域广、知识内容多、技术发展更新快等特点。传统教学存在的如理论与实践联系不紧密，实训项目与新技术、岗位需求脱节等，已无法适应目前工业机器人、视觉技术、工业物联网等行业领域对技能型人才培养的要求。

针对以上，本文研究基于CBE（Competency Based Education）+CDIO模式的电气与PLC控制技术课程改革，探索新形势下PLC控制技术课程的创新项目化教学模式。

一、教学设计的改革与创新

CBE 是以能力为本位的教学模式，包含职业目标分析、模块大纲的制定、个性化的学习和科学的管理。［2］CDIO是基于工程思维的教育模式，由“构思（Conceive）—设计（Design）—实施（Implement）—运作（Operate）”四个阶段构成。［3］

CBE和 CDIO 教育模式都强调以学生为中心［4］，教学项目设计以企业需求为导向，教学过程以岗位角色为主体，教学的过程性评价要对接岗位标准。该模式强调理实一体化，注重通过实践能力的提升促进学生对理论和知识的学习；能使学生快速掌握相关技能，从宏观上把握、理解各个技能间的逻辑关系，有效提高知识迁移和综合多个技能解决问题的工程能力。

（一）基于CBE-DACUM完成岗位分析，掌握基本学情

采用DACUM（Develop A Curriculum）方法对企业岗位需求进行调研和分析［5］，掌握行业紧缺工作岗位，包括：机电设备控制系统 PLC 程序设计、编程和调试等。以工作岗位分析企业需求，将其归纳为培养学生的知识、能力、素质目标。同时，对本课程授课（机电一体化技术、工业机器人技术、电气自动化技术、电子信息工程技术专业）对象进行多渠道调研，掌握学生学情，具体如表1所示。

表1 企业调研与学情分析表

（二）CBE+CDIO模式重构课程内容

在岗位调研分析基础上，结合“1+X”证书（工业机器人应用编程）、职业技能等级标准（电工）及专业教学标准，以工程实践项目为载体，探索课程结构模块化，如图1所示。

图1 课程结构模块化

针对课程教学中出现的“工作原理难理解、仿真程序难编写、硬件调试难操作”的问题［6］，依托校企共建自动化生产线实训室和 PLC 基础实训室，将电气与PLC控制技术、自动化生产线实训等课程进行整合。

以自动化生产线 PLC 控制为主线，分解为四个项目，对每个项目，以CBE-DACUM职业分析为基础，分析各个工作岗位的能力领域，针对每个能力领域设置相应的专项技能任务（见表2）。在完成所有专项技能后，以CDIO模式进行综合任务教学。

表2 电气与PLC控制技术课程内容重构

（三）以学生为中心，创新教学策略

为应对学生反映疫情期间线上授课注意力难集中、实训难操作、互动难进行的问题，教学采用“15425”模式，实现五步进阶理实深度融合（见图2）。

图2 “15425”教学策略

1.以“供料单元PLC控制”为任务主线，任务设置贴近实际生产，教学内容与生产项目相融合。

2.采用理实一体化课程组织形式（包含情景导入、知识学习、虚拟仿真、实训操作、评价展示五个环节），教学过程与生产过程相融合，调动学生积极性、提高学生注意力。

3.采用智慧课堂、腾讯会议、虚拟仿真和云实验四平台联动，线上编程与线下实操相融合，攻克线上学生难实操问题。

4.采用重组职业分组法，使学生更了解真实工作过程及岗位要求，素质教育与职业技能培养相融合，二次分组增加生生互动机会，破解互动难进行问题。

5.依托四平台智能数据分析进行五维教学评价，能力考核与技能鉴定相融合。

二、教学模式的改革与创新

本文以“项目二自动化生产线供料单元PLC控制”为例，详细介绍采用CBE+CDIO相结合的模式进行实践类课程教学改革的具体实施和效果。

（一）任务为主线，理实一体化教学

以供料单元PLC控制为任务主线，教学过程实施分为课前初识、课中探究、课后拓展。每个任务的课堂教学组织按照理实一体化课堂组织形式进行——分为情境导入、知识学习、虚拟仿真、实训操作、评价展示五个环节。

课前教师在智慧课堂发布任务、分组情况和预习资料，学生预习后完成知识检测，教师根据成绩反馈，调整教学实施，确定教学策略。

课中探索，以任务为主线，将理实一体化教学组织形式贯穿整个课堂：（1）通过情景导入，设置本节课实训情景。（2）以任务为驱动，教师分配任务，讲解知识要点。（3）学生以小组为单位开展仿真，教师分别指导线上和线下小组。（4）学生进行总体实操，使学生真实体验工作环节中对应岗位工作内容。（5）评价展示。

课后任务拓展，学生总结要点、完成作业，检验学习情况，教师在智慧课堂平台发布拓展训练题，并建立答疑讨论区，推进理解应用。

整个教学过程，以学生为主体，任务设置贴合实际企业生产过程，让学生体验真实工业生产线，仿真和实操环节让学生觉得能够学以致用，激发学生学习兴趣，让线上、线下学生更主动地参与到课堂教学中。

（二）四平台促联动，远程实操打破壁垒

疫情期间授课以智慧课堂、腾讯会议、仿真软件和云实验室四个平台为依托，架构起具有高效、实时交互的在线教学工具，将线上教学、课堂教学和工业化实训基地教学有机结合，详见图3。

图3 四平台联动打破空间壁垒

（三）重组职业分组，增加互动提升能力

课程采用重组职业分组法：（1）课前，老师在智慧课堂发布分组安排及对应岗位工作手册；（2）课中，在情景导入、知识学习和仿真环节采用岗位分组，同一组内为同一工种，共同讨论解决课中问题，使学生可以依据岗位特色，深度理解知识应用要点；（3）在实训操作和总结评价环节，来自不同岗位小组的同学重构为一个实训小组，每个实训小组包含不同工种各一人，同学编程思维方式略有不同，思想碰撞、交流融合的同时，学习不同的编程思维方式，使学生们不仅“学会”而且“会学”，锻炼沟通交流能力与解决问题能力。如图4所示。

图4 重组职业分组法

二次分组后，因需要学生再次探讨解决问题的方法，提高线上、线下生生互动机会，让线上教学不再是老师一个人的“直播带知识”，有效解决了远程教学互动性差的问题

（四）使用多种教法，有效攻克教学“三难”

积极采用任务驱动、小组合作探究等教学方法，强调工程应用与职业规范，使用工程师连线、模拟职业技能大赛等教学手段提升教学效果。通过多种教学方法有机结合，仿真和实操环节反复训练，有效解决了工作原理难理解、仿真程序难编写、硬件调试难操作的问题。如图5所示。

图5 教学重难点突破

（五）融入岗位规范，全程多元智能评价

教学评价贯穿整个任务过程，融入中级维修电工和自动化控制系统安装调试员岗位标准，引入职业技能大赛自动化生产线安装与调试赛项规范，在实操环节，针对学生实操习惯及设备特点创新研发自动化生产线供料单元自动评分系统。以四平台为依托，从评价环节、评价主体、评价依据三方面准确收集学生学习数据，形成阶段、项目、占比、主体、依据五个维度全方位全过程客观评价。评价体系见图6。

图6 评价体系

三、教学改革与创新的特点和效果

（一）教学改革与创新的特点

1.模式创新

以“CBE”为基，“15425”为策，全面融入，系统考量。基于CBE教学理念，创新提出针对线上、线下混合教学的“15425”教学策略：以“供料单元PLC控制”一个任务为主线，采用理实一体化教学（五个递进阶段）提高学生参与兴趣，使用四平台联动打破远程实操空间限制，重组职业分组（二次分组）提高学生岗位意识，增加线上、线下生生互动，五维评价实现全方位全过程客观智能评价。整个过程打破授课及实训空间限制，以职业活动为导向，将培养规范操作职业素养全方位融入教学，客观系统考量学习效果。

2.方法创新

（1）因情施教，工业物联，远程实操

应对突发疫情及面对未来疫情常态化局面，将互联网直播和工业物联网有机结合，通过工业物联实现远程实操，打破理工类实训课程空间限制。以学生为主体全面提升能力，突破空间限制，让每一位学生都能达成教学目标。

（2）针对岗位，分组重构，增强互动

远程实操在增加学生动手机会的基础上，基于CBE教学理念，提出重组职业分组法，可以加强职业岗位综合能力培养。重组后，可有效增加线上、线下生生互动机会，有效培养学生交流沟通解决问题的能力。

（3）引入新技术，自动评分，服务智造

自主研发自动化生产线供料单元自动评分系统，类比工业4.0数字化生产新技术，收集学生实训数据，经过数据分析，依据实操最终数据结果，自动为各组实操效果评分，使评价更客观智能。同时，使学生了解行业新技术，为今后进入工作岗位服务智能制造业引发兴趣奠定基础。

（二）教学改革与创新的效果

通过教学检验，本教学项目的设计及实施有效达成既定教学目标，学生对自动化生产线供料单元的编程、安装与调试更加熟练，应用场景更加明晰。

1.点燃兴趣，参与度高

引入真实工业场景，有效激发学生学习兴趣，提升学习动力，仿真与实操两个技能环节让学生觉得有用武之地，展示环节极大提升了学生的自信心与职业素养。如图7（a）（b）所示。

图7 学生课前课后成绩

2.学有所成，达成度高

理实课堂教学组织形式和职业分组重构法的实施，各环节设置层层递进，前后呼应，通过课前资源的学习、课中任务的完成，到课后拓展训练的提升，教学效果和设计质量达到预期目标，有效培养了学生岗位意识和职业规范，使所学知识技能充分提高。如图7（c）（d）所示。

3.线上实操，收获度高

通过线上、线下结合远程实操，各实训小组均已实现项目中实训任务，学生技能有效提升，项目完成度高，学生收获度高。

（三）仍需改进之处

1.依托实训软件，加大数据支撑力度

由于技术手段限制未能使评分细则更精确、更具象地体现在仿真和实操环节自评系统中，后续实训环节将尝试使用工业4.0新技术，将学生实训数据收集到数据库，使用大数据智能化分析学生实训效果，构建更为智能的仿真和实操自动评分系统。

2.针对性优化教学策略，促进教学成果推广

“15425”教学策略对高职扩招及成人远程教学具有可推广性，需要针对不同教学需求分别优化教学策略，促进本校高职扩招学生远程课程高质量进行。

四、小结

PLC控制技术的发展和应用，是智能制造强有力的技术支撑，本文以电气与PLC控制技术课程为例，积极探索基于CBE+CDIO理念的教学改革与创新，旨在加快培养出适应市场需求、满足企业需要，能够从事PLC控制技术相关技术岗位的高质量应用型人才。