基于CDIO的“可編程控制器應(yīng)用技術(shù)”教學(xué)改革

侯世英，馮彩絨，孫 韜

(1.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院重慶 400030;2.重慶電力高等?？茖W(xué)校重慶 400053)

CDIO是一種系統(tǒng)全面的工程教育模式，它是Conceive(構(gòu)思)、Dsign(設(shè)計)、Implement(實施)、Operate(操作)四個英文字母的縮寫，用這四個階段代表工程項目生命全周期，它是“做中學(xué)”和基于工程項目學(xué)習(xí)的集中概況和抽象表達(dá)［1］。它是以目標(biāo)為驅(qū)動的教育理論，最終達(dá)到學(xué)以求知、學(xué)以致用、學(xué)以共處和學(xué)以做人的教育目標(biāo)?！翱删幊炭刂破鲬?yīng)用技術(shù)”實踐性強，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，將CDIO教學(xué)理念運用于本課程教學(xué)中，有利于學(xué)生動手實踐能力的提高。

1 PLC應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

“可編程控制器應(yīng)用技術(shù)”是電氣專業(yè)的一門專業(yè)課程，是將軟件知識和硬件電路設(shè)計融合的課程。本課程涉及知識面較廣，不僅包括對PLC器件本身的認(rèn)知、PLC程序編寫技能、PLC控制系統(tǒng)硬件電路的搭建能力和系統(tǒng)的調(diào)試技巧，還需要掌握一定的計算機和通信方面的相關(guān)知識。課程的目標(biāo)意在培養(yǎng)學(xué)生的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試能力，讓學(xué)生初步具有工程項目的概念。近年來，通信技術(shù)、計算機技術(shù)及圖形技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了PLC技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。PLC控制技術(shù)在工廠自動化生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用程度不斷提高。這在客觀上增大了對PLC控制應(yīng)用人才的需求，同時對學(xué)生的產(chǎn)品設(shè)計能力、產(chǎn)品維修能力及和技術(shù)創(chuàng)新能力提出了更高要求。但現(xiàn)實中較多的畢業(yè)生這方面的能力比較欠缺，無法滿足用人單位的需求，形成了“一方面畢業(yè)生就業(yè)難，另一方面用人單位找不到滿意的人才”的怪象。

在既往的課程教學(xué)中，教師往往比較注重PLC編程語句和編程技巧的教學(xué)，而疏于對硬件電路設(shè)計和處理技巧的重視，導(dǎo)致學(xué)生一旦進(jìn)入職場便顯露了實踐能力不足的缺陷。CDIO教學(xué)模式是基于項目的學(xué)習(xí)，它引入工程教育的理念，將職場的環(huán)境引入到課程教學(xué)中，注重對學(xué)生獲取知識、運用知識、共享知識、傳播知識以及發(fā)現(xiàn)知識等五種能力的培養(yǎng)，極大地迎合了企業(yè)對學(xué)生能力的需求。基于此現(xiàn)狀，從“可編程器控制應(yīng)用技術(shù)”的課堂教學(xué)開始，以工程項目為載體，應(yīng)用CDIO教學(xué)模式對課程教學(xué)進(jìn)行改革，可以最大程度的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力。

2 基于CDIO模式的PLC技術(shù)教學(xué)

對于電氣類專業(yè)的學(xué)生，本課程的教學(xué)計劃大都安排在入學(xué)的第三年，一般有4～5個學(xué)分，并會安排一周的實訓(xùn)時間和一定的實驗項目。這個階段的學(xué)生已經(jīng)具備了學(xué)習(xí)本課程所需的相關(guān)基礎(chǔ)知識，具備一定的專業(yè)視野。基于CDIO模式的課程教學(xué)改革將從一下幾個方面進(jìn)行探討。

2.1 職場教學(xué)環(huán)境

依照CDIO教學(xué)模式的概念，學(xué)校的實驗室和實訓(xùn)室永遠(yuǎn)無法模擬真實的工廠生產(chǎn)過程。在課程教學(xué)中引入工程職場的概念，并不意味著要將工廠搬到學(xué)校，工廠職場環(huán)境不是指它的物理環(huán)境，而是強調(diào)它的特征，它的文化內(nèi)涵。在可編程控制器應(yīng)用技術(shù)課程項目教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生接受在項目實施過程中的職場文化，如:客戶至上、給市場提供完整的產(chǎn)品服務(wù)、持續(xù)創(chuàng)新和改進(jìn)、著重問題的解決、團(tuán)隊合作、有效溝通、利用現(xiàn)有的資源和條件把事情做成、保護(hù)治理環(huán)境、以人為本、終身學(xué)習(xí)，等等。通過改變課程教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生提前接受企業(yè)文化，縮短學(xué)校與企業(yè)的對接時間。

2.2 多樣化教材

關(guān)于PLC應(yīng)用的教材很多，其內(nèi)容結(jié)構(gòu)大多是介紹PLC的硬件與工作原理、編程語言與指令、程序設(shè)計方法、PLC通信與網(wǎng)絡(luò)。在CDIO的教學(xué)模式改革中對于教材的選取較為靈活，在課程學(xué)習(xí)早期可由教師推薦幾本相關(guān)的教材或利用網(wǎng)絡(luò)讓學(xué)生完成對課程的感性認(rèn)知。在隨后的課程學(xué)習(xí)中，一方面由教師按照CDIO模式中的C(產(chǎn)品的設(shè)計構(gòu)思階段)—CD(設(shè)計實踐階段)—CDI(產(chǎn)品制作階段)—CDIO(在不同背景下運作產(chǎn)品階段)—提升、總結(jié)5個階段，進(jìn)行教材組織和理論講授，同時邀請本行業(yè)有知名度的從業(yè)人員、經(jīng)驗豐富的一線操作人員，共同按照CDIO的層次遞進(jìn)模式，主編項目實施教材。

2.3 CDIO替進(jìn)式教學(xué)

“可編程控制器應(yīng)用技術(shù)”課程內(nèi)容，既有關(guān)于PLC控制系統(tǒng)設(shè)計過程中的硬件知識、又有軟件編程知識、系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用知識等。在學(xué)生能力培養(yǎng)方面與之對應(yīng)的既有要求學(xué)生掌握的基本技能，又有對學(xué)生創(chuàng)新技能和運用知識技能的更高層次的要求?；诖?，對本課程的教學(xué)改革主要從項目設(shè)計和課程教學(xué)方式與實踐環(huán)節(jié)改革兩個方面進(jìn)行。

項目設(shè)計。項目設(shè)計是否合理在很大程度上決定了CDIO課程改革能否成功。項目內(nèi)容設(shè)置要既能體現(xiàn)當(dāng)前PLC控制新知識，又能注重學(xué)生實際技能的培養(yǎng)。讓學(xué)生在完成項目的過程中啟發(fā)思維，開拓專業(yè)視野，掌握PLC控制涵蓋的新理論和新技術(shù)。項目的設(shè)置還要具有一定的趣味性、實用性和擴展性。要遵循由淺入深、由易到難、由基礎(chǔ)到綜合、由理論到創(chuàng)新并循序漸進(jìn)的原則，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和動手能力。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計從正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)引申的自動門、電梯控制項目，到PLC狀態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計引申的機械手、裝配線項目。引導(dǎo)學(xué)生掌握PLC控制系統(tǒng)設(shè)計中PLC型號選擇，PLC軟件程序設(shè)計技巧，硬件電路中交直流電源設(shè)計，控制系統(tǒng)輸入、輸出回路設(shè)計，程序下載調(diào)試，控制系統(tǒng)的調(diào)試和故障判斷知識。通過4～5個項目讓學(xué)生深入學(xué)習(xí)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)，積累PLC控制系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，達(dá)到能獨立開發(fā)系統(tǒng)的能力，做到一通百通，具有靈活運用知識的能力。

課程教學(xué)方式與實踐環(huán)節(jié)改革。將課程內(nèi)容與實驗、實訓(xùn)項目進(jìn)行整合，就是把工程實踐和理論學(xué)習(xí)集成在一個空間完成［2］。如何讓學(xué)生掌握PLC控制特性、控制系統(tǒng)、控制對象的特點以及硬件電路調(diào)試方法、系統(tǒng)后期維護(hù)等知識是本環(huán)節(jié)的關(guān)鍵。項目的實施分四個階段進(jìn)行:第一階段利用現(xiàn)有的實驗或?qū)嵱?xùn)設(shè)備對項目進(jìn)行感性認(rèn)知，以自動門控制系統(tǒng)設(shè)計項目為例，應(yīng)首先明確PLC控制對象的特點、控制動作執(zhí)行的要求，自動門的安裝環(huán)境，現(xiàn)有的設(shè)備條件以及每個學(xué)生團(tuán)隊的人員結(jié)構(gòu);工程策劃和實施是項目實施的第二階段，教師引導(dǎo)學(xué)生按照CDIO模式完成，在這個階段，學(xué)生作為項目執(zhí)行主體，老師作為場外指導(dǎo);第三階段進(jìn)入評價環(huán)節(jié)，由教師根據(jù)項目完成情況，實施對學(xué)生CDIO能力的評價和項目完成情況的專業(yè)評估;第四個階段由教師與學(xué)生共同完成項目的總結(jié)工作，每個小組將在項目實施過程中獲取的經(jīng)驗與大家分享，相互交流，達(dá)到學(xué)以共享的最終目標(biāo)。

2.4 多課程融合教學(xué)

可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計過程涉及到PLC與計算機、PLC與觸摸屏、PLC與PLC之間的通信連接，涉及到與氣動技術(shù)相結(jié)合的控制技術(shù)，涉及到控制過程中檢測傳感技術(shù)。下面簡單介紹PLC教學(xué)與通信、傳感和氣動課程的結(jié)合應(yīng)用。

與通信課程結(jié)合應(yīng)用。PLC具有很強的通信功能，能完成與其他PLC、智能設(shè)備或計算機之間的通信，形成工業(yè)自動化通信網(wǎng)絡(luò)［3］。在PLC的數(shù)據(jù)和無協(xié)議通信中，通信標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)模型得建立，都涉及到通信基礎(chǔ)課程。本課程鼓勵學(xué)生在完成項目過程中，具備工業(yè)自動化通信網(wǎng)絡(luò)知識學(xué)習(xí)能力，獲取通信的相關(guān)知識。

與氣動技術(shù)相結(jié)合。在機械手項目實施過程中，需要將氣動技術(shù)與PLC控制相結(jié)合，完成機械手的動作過程。在硬件電路裝配中要學(xué)生完成氣缸的裝配，電磁閥的連接。這些都是搭建硬件電路的必要環(huán)節(jié)，借此培養(yǎng)學(xué)生對于氣動技術(shù)的相關(guān)知識的學(xué)習(xí)和了解，使兩門課程達(dá)到相互促進(jìn)、相互融合的目的。

與傳感器技術(shù)結(jié)合。在自動門控制項目、電梯控制項目、機械手項目都涉及到傳感器的應(yīng)用，傳感器在控制系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，構(gòu)成了控制系統(tǒng)的神經(jīng)系統(tǒng)。在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計中，需要完成傳感器選取、傳感器與PLC之間的連接，因此可以將傳感器學(xué)習(xí)融入到PLC控制項目完成過程之中。

2.5 頂崗實習(xí)教學(xué)

通過項目學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了PLC控制系統(tǒng)設(shè)計所需的基礎(chǔ)知識后，在課程學(xué)習(xí)的最后階段，讓學(xué)生真正的進(jìn)入到工程職場中去，即頂崗實習(xí)。通過頂崗學(xué)習(xí)，將在項目學(xué)習(xí)中獲取的知識運用于企業(yè)工程現(xiàn)場，培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)場處理問題的能力和靈活運用知識能力，并最終達(dá)到學(xué)以致用的目的。學(xué)生進(jìn)入企業(yè)實習(xí)期間的狀態(tài)評估，由企業(yè)人員按照企業(yè)的質(zhì)量體系評價。教師跟蹤學(xué)生在企業(yè)頂崗實習(xí)的過程，并結(jié)合評估結(jié)果，分析學(xué)生能力與職場需求的差距，再對課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式進(jìn)行一定的修改，形成一個閉環(huán)教學(xué)系統(tǒng)。需要強調(diào)的是，學(xué)生頂崗實習(xí)教學(xué)必須務(wù)實，讓學(xué)生成為一線工人，杜絕走馬觀花的參觀式實習(xí)。

2.6 教師的CDIO能力培養(yǎng)

具備較高CDIO能力的教師隊伍是CDIO教學(xué)改革成敗的關(guān)鍵所在。很多老師大多是從一個學(xué)校門到另一個學(xué)校門，他們有豐富的理論知識和較強的科研能力，但缺乏相關(guān)的企業(yè)工作經(jīng)歷或工程經(jīng)驗。因此將企業(yè)優(yōu)秀專家聘請到學(xué)校來，將老師送到一線企業(yè)中去對于提高教師的實踐能力和提升教學(xué)效果無疑是可行而且必須付諸實施的。

3 教學(xué)改革成果

在我校進(jìn)行國家示范高職院校和國家骨干高職院校建設(shè)的背景下，本課程的CDIO模式教學(xué)改革于2010年在我校供電專業(yè)進(jìn)行，取供電4個班級中的一個班級進(jìn)行教學(xué)改革試點。由教研室4位老師組成課程教學(xué)團(tuán)隊，共同制定CDIO課程教學(xué)大綱，完成課程項目制定工作。通過一個學(xué)期的教學(xué)改革，其成果主要體現(xiàn)在以下兩方面:

學(xué)生積極響應(yīng)—在教學(xué)改革學(xué)生動員會上，學(xué)生就對教學(xué)改革產(chǎn)生很大的興趣。在教學(xué)改革實施過程中，學(xué)生之間相互配合，與老師積極互動，共同完成了教學(xué)改革內(nèi)容。

實習(xí)單位評價更高—在頂崗實習(xí)階段，將教改班的學(xué)生和非教改班的學(xué)生交叉派往重慶市某企業(yè)中從事同樣的工作。根據(jù)企業(yè)反饋的評價信息和實習(xí)帶隊教師對頂崗情況的記錄，我們發(fā)現(xiàn)對教改班級學(xué)生在獲取知識、團(tuán)隊協(xié)作、產(chǎn)品設(shè)計與維護(hù)和有效溝通方面的綜合評價高于非教改班級學(xué)生。

4 結(jié)語

通過應(yīng)用CDIO模式對“可編程控制器應(yīng)用技術(shù)”課程教學(xué)進(jìn)行改革，模擬了適合CDIO教學(xué)的工程職場環(huán)境，讓學(xué)生在這個環(huán)境中完成遞進(jìn)式項目的學(xué)習(xí)，最終借助企業(yè)評價反推教學(xué)改革，形成一個閉環(huán)的持續(xù)改進(jìn)教學(xué)改革模型。實踐證明，本課程的教學(xué)改革取得了良好的效果。

［1］ 李堅強、王志強.基于CDIO模式的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)研究與探討［J］.計算機教育，2010(12):122-123

［2］ 查建中.工程教育改革整體戰(zhàn)略及“做中學(xué)”的CDIO模式.電子電氣課程報告論壇，2009:8-17

［3］ 廖常初.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)［M］.重慶大學(xué)出版社，2007:140-147