基于CDIO的“PLC技術(shù)與工程應(yīng)用”課程教學(xué)改革

白敬彩，吳君曉

（河南工學(xué)院 自動(dòng)控制系，河南 新鄉(xiāng) 453003）

基于CDIO的“PLC技術(shù)與工程應(yīng)用”課程教學(xué)改革

白敬彩，吳君曉

（河南工學(xué)院 自動(dòng)控制系，河南 新鄉(xiāng) 453003）

針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，將CDIO教學(xué)模式引入到PLC課程教學(xué)中，從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)到運(yùn)行，開發(fā)與工程實(shí)際緊密結(jié)合，實(shí)行“教-學(xué)-做”一體化教學(xué)。根據(jù)學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和項(xiàng)目的難易程度，對(duì)學(xué)生進(jìn)行分層次教學(xué)，并把學(xué)習(xí)過程分三個(gè)階段，全面改革考核和評(píng)價(jià)機(jī)制。教學(xué)實(shí)踐表明此改革有助于教學(xué)質(zhì)量的提高。

PLC；CDIO教學(xué)模式；教學(xué)改革

0　引言

PLC技術(shù)與工程應(yīng)用是自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，通過該課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握PLC的基礎(chǔ)理論，并具備按具體工業(yè)控制要求，完成PLC及相關(guān)模塊選型、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與編程和現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試的綜合工程實(shí)踐應(yīng)用能力［1］。隨著“中國(guó)制造2025”的提出，自動(dòng)化專業(yè)的重要性日益凸顯，而PLC作為自動(dòng)化專業(yè)的三大支柱之一，其重要性不言而喻。市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前和今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)裝備制造企業(yè)對(duì)掌握 PLC技術(shù)的人才需求巨大，在很多企業(yè)對(duì)自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的入職招聘條件中，掌握PLC技術(shù)是必備素質(zhì)之一［2］。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)模式不以學(xué)生為教學(xué)的主體，不注重PLC在實(shí)際工程中的應(yīng)用，而過分強(qiáng)調(diào)PLC指令的學(xué)習(xí)，理論與實(shí)際嚴(yán)重脫節(jié)，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是在被動(dòng)地接受知識(shí)而無(wú)法真正培養(yǎng)工程應(yīng)用能力［3］；在硬件接線和程序設(shè)計(jì)時(shí)，缺少實(shí)際工程對(duì)象，不能建立起工程的概念，更不能對(duì)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行需求分析、方案論證、程序設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試，編制的程序也只是為了驗(yàn)證已知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，沒有形成基本的工程素養(yǎng)；課程考核采用單一的理論考試形式，大部分同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣沒有被激發(fā)，學(xué)習(xí)只是為了應(yīng)付考試；課程結(jié)束后，很多同學(xué)的卷面成績(jī)很“光鮮”，但卻不懂 PLC在工程實(shí)際中的應(yīng)用，更不會(huì)利用PLC進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，與PLC課程的教學(xué)目標(biāo)相去甚遠(yuǎn)。

CDIO教學(xué)模式是美國(guó)麻省理工學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院、瑞典林雪平大學(xué)和瑞典查爾摩斯工業(yè)大學(xué)共同創(chuàng)立的工程教育改革模式［4-5］。CDIO是英文單詞構(gòu)思（conceive）、設(shè)計(jì)（design）、實(shí)施（implement）、運(yùn)行（operate）的縮寫，是“教-學(xué)-做”一體化項(xiàng)目化教學(xué)的抽象表達(dá)。將CDIO教育模式引入到PLC的教學(xué)過程中，以實(shí)踐項(xiàng)目為載體，使學(xué)生成為知識(shí)的探究者，成為學(xué)習(xí)活動(dòng)的主體；使教師成為學(xué)生知識(shí)建構(gòu)的組織者、指導(dǎo)者，以指導(dǎo)、輔導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)為主，成為教學(xué)活動(dòng)的主導(dǎo)；著重強(qiáng)化學(xué)生的工程實(shí)踐訓(xùn)練，從而使其職業(yè)素養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)不斷提高。

1　與相關(guān)企業(yè)合作開發(fā)基于CDIO的契合工程實(shí)際的教學(xué)項(xiàng)目

為保證有效完成培養(yǎng)目標(biāo)，課程組教師與新鄉(xiāng)市相關(guān)企業(yè)的專家共同開發(fā)了與工程實(shí)際緊密結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，形成了理論實(shí)踐相結(jié)合的“教-學(xué)-做”一體化教學(xué)模式，并結(jié)合職業(yè)技能鑒定的標(biāo)準(zhǔn)、基于工作過程導(dǎo)向設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容和培養(yǎng)方案，學(xué)習(xí)情境的實(shí)施項(xiàng)目采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例，每一個(gè)項(xiàng)目都包括構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行（CDIO）四個(gè)環(huán)節(jié)。

收稿日期：2016-04-12

基金項(xiàng)目：河南工學(xué)院校級(jí)教改項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：白敬彩（1979―），女，河南清豐人，講師，碩士，主要從事電氣自動(dòng)化技術(shù)研究。

實(shí)踐項(xiàng)目是結(jié)合我系實(shí)驗(yàn)室的 S7-200 PLC和S7-300 PLC機(jī)型開發(fā)的。項(xiàng)目一是送料小車的往返控制，教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握PLC基礎(chǔ)知識(shí)及PLC的基本應(yīng)用，包括基本指令和定時(shí)器、計(jì)數(shù)器指令的應(yīng)用；項(xiàng)目二是十字路口交通的控制，教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握單流程順序控制；項(xiàng)目三是MCGS觸摸屏的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握上位機(jī)對(duì)控制過程的監(jiān)控，學(xué)會(huì)如何設(shè)計(jì)操作方便、友好的人機(jī)界面；項(xiàng)目四是四軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械手的控制，教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握氣動(dòng)控制和步進(jìn)控制的應(yīng)用；項(xiàng)目五是變頻器的控制，教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握常用變頻器（如西門子MM440、匯川MD280等）和PLC的配合使用；項(xiàng)目六是串行通信，教學(xué)目的是通過PLC之間的PPI通信以及PLC與變頻器之間的MODBUS通信，讓學(xué)生掌握基于RS485的串行通信方法；項(xiàng)目七是自動(dòng)化生產(chǎn)線裝配環(huán)節(jié)的控制，教學(xué)目的是通過自動(dòng)化生產(chǎn)線裝配環(huán)節(jié)的落料單元和裝配單元的協(xié)調(diào)控制，讓學(xué)生掌握工業(yè)中常用的復(fù)雜步進(jìn)控制的方法；項(xiàng)目八是自動(dòng)化生產(chǎn)線輸送環(huán)節(jié)的控制，教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握利用PLC的高速脈沖輸出（PTO）實(shí)現(xiàn)伺服平臺(tái)的精確定位、機(jī)械手的氣動(dòng)控制以及通過通信實(shí)現(xiàn)本環(huán)節(jié)和其他環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)控制。

依據(jù)實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目將教學(xué)過程分成三個(gè)逐階遞進(jìn)的階段：初級(jí)階段、中級(jí)階段和提高階段。項(xiàng)目一、二、三屬于初級(jí)階段，該階段是學(xué)習(xí)、應(yīng)用PLC入門的階段，此階段可采用“示范式”教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生的興趣，使其輕松入門，學(xué)生可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行學(xué)習(xí)并反復(fù)加以練習(xí)，初步建立實(shí)施和完成工作任務(wù)的方法步驟，為課程的后續(xù)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)；項(xiàng)目四、五、六屬于中級(jí)階段，在該階段學(xué)生已經(jīng)具備實(shí)施和完成工作任務(wù)的一般方法步驟與實(shí)踐技能，已能夠自學(xué)和咨詢各工作任務(wù)所必需的理論知識(shí)，此階段可采用“引導(dǎo)式”教學(xué)，學(xué)生依據(jù)教師制作的實(shí)施工作任務(wù)的“引導(dǎo)文”逐步完成任務(wù)，從而使獨(dú)立工作能力得到鍛煉；項(xiàng)目七、八屬于提高階段，在該階段學(xué)生已具備一定的專業(yè)能力、方法能力，此階段可采用“工程驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)，給學(xué)生提出旨在加強(qiáng)其綜合能力訓(xùn)練的綜合性工程項(xiàng)目，要求學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐來(lái)解決實(shí)際的工程問題，完成具體的控制任務(wù)。通過本階段的訓(xùn)練，學(xué)生已具備電氣控制系統(tǒng)檢修工、PLC 設(shè)計(jì)員等崗位工作任務(wù)所需的職業(yè)能力。

2　鼓勵(lì)和引導(dǎo)有能力的學(xué)生深入學(xué)習(xí)

在以往的教學(xué)中，教學(xué)計(jì)劃只考慮了大部分學(xué)生的情況，針對(duì)某一個(gè)班所有學(xué)生的教學(xué)內(nèi)容、難易程度和教學(xué)進(jìn)度都是一樣的，而隨著教學(xué)過程的深入，當(dāng)學(xué)生的能力差異逐步凸顯出來(lái)時(shí)，難免出現(xiàn)如下的情況：少數(shù)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)差的同學(xué)“消化不良”，逐漸喪失學(xué)習(xí)的興趣；而又有少數(shù)基礎(chǔ)好的同學(xué)卻總是“饑腸轆轆”，大部分時(shí)間沒有任務(wù)可做，白白地浪費(fèi)時(shí)間和精力。針對(duì)上述情況，我們采取了因材施教的分層次教學(xué)法：在開發(fā)教學(xué)項(xiàng)目之初就考慮到學(xué)生的差異性，將每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目都分為基礎(chǔ)任務(wù)和提高任務(wù)兩部分，基礎(chǔ)任務(wù)要求所有的同學(xué)都完成，給基礎(chǔ)薄弱、學(xué)習(xí)能力差的學(xué)生多一點(diǎn)耐心，多一點(diǎn)指導(dǎo)，讓其多一點(diǎn)自信；對(duì)于提高任務(wù)，每個(gè)學(xué)生可以根據(jù)自己的“能力”盡力去完成，給基礎(chǔ)扎實(shí)、學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的同學(xué)較大的施展空間；我系建有多個(gè)不同類型的PLC實(shí)驗(yàn)室（如西門子實(shí)驗(yàn)室、羅克韋爾實(shí)驗(yàn)室、匯川實(shí)驗(yàn)室等），實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)條件優(yōu)越，因此我們經(jīng)常引導(dǎo)、鼓勵(lì)部分能力強(qiáng)的學(xué)生學(xué)習(xí)其他類型的PLC（如羅克韋爾PLC、匯川PLC等）的硬件結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計(jì)，比較不同PLC之間的區(qū)別，加深對(duì)PLC 的編程機(jī)制的理解，使學(xué)生在將來(lái)的就業(yè)崗位上有更廣泛的適應(yīng)性；鼓勵(lì)、帶領(lǐng)少數(shù)能力出類拔萃的同學(xué)嘗試更高層次的任務(wù)，比如參加“現(xiàn)代電氣控制”和“自動(dòng)化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試”等與PLC有關(guān)的職業(yè)院校技能大賽，為他們提供更多的教學(xué)資源，更好的實(shí)訓(xùn)條件，給他們多一點(diǎn)壓力，高一點(diǎn)難度，讓其多一點(diǎn)創(chuàng)新，使其能力得到充分的發(fā)揮，未來(lái)他們將是我系的“自動(dòng)化專業(yè)形象大使”，為本專業(yè)的發(fā)展起到示范和引領(lǐng)作用。

3　變“一考定優(yōu)劣”為綜合全面考核及評(píng)價(jià)機(jī)制

改革后的 PLC課程教學(xué)模式的核心評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，不只看教師“教得好不好”，更重要的是要看學(xué)生“學(xué)得精不精”，主要看學(xué)生實(shí)踐操作水平、職業(yè)素養(yǎng)達(dá)到的程度和為了將來(lái)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展所必需的理論知識(shí)儲(chǔ)備，為此我們采取了“平時(shí)成績(jī)+實(shí)訓(xùn)操作考試+理論考試”的綜合考核及評(píng)價(jià)體系，以準(zhǔn)確地反映學(xué)生的工程素養(yǎng)和綜合素質(zhì)，具體可以用公式表示為：

總評(píng)成績(jī)=平時(shí)成績(jī)（30%）+實(shí)訓(xùn)考核成績(jī)（40%）+理論考試成績(jī)（30%）。

其中，平時(shí)成績(jī)包括考勤、平時(shí)實(shí)訓(xùn)操作表現(xiàn)和創(chuàng)新能力等，平時(shí)每個(gè)項(xiàng)目提高任務(wù)完成較好和參加職業(yè)技能大賽者酌情加分；實(shí)訓(xùn)考核包括方案設(shè)計(jì)、硬件接線、程序設(shè)計(jì)和綜合調(diào)試等，安排在PLC實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行，事先準(zhǔn)備若干個(gè)難度相當(dāng)?shù)目刂迫蝿?wù)，由學(xué)生抽簽選題，在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)獨(dú)立完成；理論考試以閉卷筆試的形式進(jìn)行，主要檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)PLC基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，安排在實(shí)訓(xùn)考核結(jié)束后統(tǒng)一進(jìn)行。

近幾年來(lái)的實(shí)踐證明，這種考核方式克服了以前單純理論考試的片面性，比較全面地衡量了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，在這種“真槍實(shí)彈”的考核中，同學(xué)們都調(diào)整了“南郭先生”的心態(tài)，職業(yè)素質(zhì)和綜合能力得到了很大提升。

4　結(jié)語(yǔ)

“PLC技術(shù)與工程應(yīng)用”教學(xué)改革，開發(fā)了基于 CDIO的、契合工程實(shí)際的教學(xué)項(xiàng)目，將學(xué)習(xí)過程分成逐階遞進(jìn)的三個(gè)階段，鼓勵(lì)創(chuàng)新，引導(dǎo)有能力的學(xué)生深入學(xué)習(xí)，改革考核及評(píng)價(jià)機(jī)制，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性被充分調(diào)動(dòng)，從而大大提高了教學(xué)效果。最近幾年，項(xiàng)目組教師指導(dǎo)的職業(yè)院校技能大賽獲得了河南省一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)，二等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)各一項(xiàng)；在對(duì)我校自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)比較集中的相關(guān)企業(yè)的調(diào)研中，企業(yè)負(fù)責(zé)人普遍反映我們的畢業(yè)生實(shí)踐動(dòng)手能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高，這些都表明教學(xué)改革是行之有效的。

當(dāng)然，在改革過程中，我們也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處需要改進(jìn)：（1）目前市場(chǎng)上PLC 的種類、型號(hào)眾多，不同種類的PLC差異較大，如何在PLC的教學(xué)中最大限度地兼顧多種PLC的學(xué)習(xí)；（2）專業(yè)青年教師較多，如何與相關(guān)企業(yè)進(jìn)行深度的“校企合作”，加強(qiáng)“工學(xué)結(jié)合”，加強(qiáng)教師的業(yè)務(wù)培訓(xùn)，提高教師的實(shí)踐動(dòng)手能力和科研能力。這些都是我們下一步改革的方向。

（責(zé)任編輯 呂春紅）

［1］ 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［2］ 嚴(yán)明霞.PLC課程教學(xué)中存在的問題及改革思路［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2011（3）：195-196.

［3］ 袁琦，劉曉梅，易細(xì)龍.《PLC應(yīng)用技術(shù)》課程教學(xué)改革的研究與實(shí)踐［J］.教育教學(xué)論壇，2015（4）：122-124.

［4］ 馮巧玲，楊存祥，張文忠.基于CDIO模式的“電氣工程基礎(chǔ)”課程的教與學(xué)［J］.中國(guó)電力教育，2010（1）：118-119.

［5］ 殷旭，胡景繁，張紅.基于CDIO教育模式學(xué)生學(xué)習(xí)評(píng)估方法的探索［J］.高教論壇，2010（2）：24-25.

Teaching Innovation of ‘PLC Technology and Engineering Application’Based on CDIO Teaching Mode

BAI Jing-cai，et al
（Department of Automatic Control， Henan Institute of Technology， Xinxiang 453003， China）

In view of deficiencies of the traditional teaching mode, the CDIO teaching mode is introduced to the teaching of PLC. From conceivability, design, implement to operation, practical projects combined closely with engineering practice is developed to execute ‘Integration of Teaching-Learning-Practice’. The hierarchical teaching is carried out and the learning process is divided into three stages according to the students’ knowledge base and the difficulty level of the project. The innovation has contributed to improve the teaching quality in teaching practice.

PLC; CDIO teaching mode; teaching innovation

G642.0

A

1008–2093(2016)03–0070–03