基于CD IO的可編程控制器課程教學(xué)改革與實踐

劉志輝，賴育青

（1.邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽 422000；2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

基于CD IO的可編程控制器課程教學(xué)改革與實踐

劉志輝1，2，賴育青1

（1.邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽 422000；2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

文章首先介紹了CDIO模式的由來，并基于CDIO模式分別從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、考核方式上對可編程控制器課程教學(xué)進(jìn)行了改革介紹。通過教學(xué)改革前、后的對比分析表明，引入CDIO新模式后，學(xué)生靈活運(yùn)用本門課程解決實際工程問題的能力大幅提升，更能適用工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求。

CDIO；可編程控制器；教學(xué)改革

可編程控制器（PLC）是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)機(jī)電一體化方向及其相關(guān)專業(yè)的必修課程，該課程要求學(xué)生了解可編程控制器的結(jié)構(gòu)組成，工作原理，掌握一些常用指令的使用方法，能根據(jù)一些簡單的控制需求使用梯形圖及順序功能圖等語言編制程序，能夠完成可編程控制器與輸入、輸出設(shè)備的接線。學(xué)完本課程后，學(xué)生應(yīng)該具備在一些自動化控制應(yīng)用場合，特別是一些簡單的非標(biāo)自動化設(shè)備控制場合獨擋一面的能力。然而可編程控制器課時少，傳統(tǒng)的教學(xué)著重講原理，理論聯(lián)系實踐較少。雖然本課程也開設(shè)了實驗課，但大多數(shù)都是驗證性的，造成學(xué)生工程意識相當(dāng)薄弱，往往達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，另外，學(xué)生雖然能編制一些簡單程序，但在實際工程應(yīng)用時，例如，三相交流異步電機(jī)變頻調(diào)速PLC控制；步進(jìn)電機(jī)調(diào)速PLC控制；伺服電機(jī)速度、位移、力矩PLC控制；氣缸的方向PLC控制等，學(xué)生基本不具備解決這些問題的能力。因此，鑒于傳統(tǒng)的PLC教學(xué)方式，學(xué)生達(dá)不到應(yīng)有的能力，為改善現(xiàn)有狀況，文章基于CDIO模式，針對PLC從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、考核方式上進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革。

1 CDIO模式概述

CDIO是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實施（Implement）和運(yùn)行（Operate）四個英文單詞取首字母的縮寫。所謂“構(gòu)思”是指明確客戶實際需求，制定商業(yè)計劃和項目計劃；“設(shè)計”是指對具體項目進(jìn)行系統(tǒng)分析，設(shè)計開發(fā)產(chǎn)品所需的各種圖紙、程序等；“實施”是指把設(shè)計圖紙、程序變成具體產(chǎn)品的過程，包括零件制造、組裝、調(diào)試等；“運(yùn)行”是指對設(shè)備的維護(hù)、改進(jìn)和淘汰等。CDIO理念最初由MIT于20世紀(jì)90年代小范圍內(nèi)改革試點，后面聯(lián)合瑞典3所高校組成跨國研究組，到現(xiàn)在已經(jīng)有包括中國、法國、新加坡、丹麥、南非、芬蘭等國在內(nèi)的20多所大學(xué)共同發(fā)展和完善CDIO教學(xué)模式。

2 基于CDIO的可編程控制器教學(xué)改革

（1）教學(xué)方法改革。由于CDIO強(qiáng)調(diào)的是培養(yǎng)學(xué)生不僅具有扎實的工程技術(shù)基礎(chǔ)知識，且具備良好的團(tuán)隊協(xié)作能力、主動分析問題、思考問題及解決問題的能力。傳統(tǒng)的理論教學(xué)為主，驗證實驗為輔的教學(xué)模式顯然達(dá)不到理想的教學(xué)效果。為使學(xué)生具備扎實的工程技術(shù)基礎(chǔ)知識，采取基于項目制的教學(xué)方法，使理論密切聯(lián)系實際。傳統(tǒng)的教學(xué)方式，先在課堂上講授理論知識，然后在實驗室進(jìn)行驗證，比如三相交流異步電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，學(xué)生基本上都是按部就班在教學(xué)實驗臺上的控制面板上完成接線操作，對于實際工程應(yīng)用時的PLC真實面貌，接觸器、按鈕等器件與PLC的真實接線情況沒有一個本質(zhì)的認(rèn)識。基于CDIO的教學(xué)方法，以實踐教學(xué)為主，以實際工程項目為載體，理論教學(xué)和實踐教學(xué)同步進(jìn)行，在進(jìn)行具體項目的同時完成理論教學(xué)，且實際項目都是實打?qū)嵔拥貧獾钠髽I(yè)工程項目，且實驗項目可由學(xué)生自主設(shè)置，讓學(xué)生完成本課程學(xué)習(xí)后就能為企業(yè)解決一些實際問題。

（2）教學(xué)內(nèi)容改革。PLC主要為實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制服務(wù)，系統(tǒng)自動控制簡單講就是液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)的方向控制，主要控制電磁換向閥；三相交流異步電機(jī)的方向和速度控制，主要是控制變頻器；步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)的方向控制和速度控制，主要是控制驅(qū)動器。而一個控制系統(tǒng)，基本上就是由這些動力元件的組合控制。CDIO的核心就是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力、動手能力。因此將PLC教學(xué)內(nèi)容分成兩大模塊。第一大模塊就是單元式項目教學(xué)，具體包含簡單液動、氣動回路控制設(shè)計，此回路為單個的液壓缸、氣缸方向控制，理論知識介紹按鈕等輸入設(shè)備、電磁閥等外部輸出設(shè)備接線，基本指令，編程軟件使用方法，程序調(diào)試、上傳和下載等內(nèi)容；三相交流異步電機(jī)的速度控制，正反轉(zhuǎn)控制，主要介紹按鈕等輸入設(shè)備的接線，變頻器、接觸器等外部設(shè)備與PLC的接線，基本指令的使用方法，PLC的輸入、輸出接口原理以及掃描工作方式原理等內(nèi)容；單個交流伺服電機(jī)的速度、位置、力矩控制等，主要介紹交流伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、PLC之間的外部接線，特殊功能指令使用方法。第二大模塊就是系統(tǒng)式項目教學(xué)，將單元式項目進(jìn)行組合可以組裝成系統(tǒng)，且系統(tǒng)可由學(xué)生自行設(shè)計，比如機(jī)械手的控制，機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、裝配，到動力元件的選取，可由學(xué)生自行決定，老師全方位配合與支持，保證項目能順利實施。

（3）考核方式改革。傳統(tǒng)可編程控制器課程定性為考試課程，考核主要采取閉卷考試方式，卷面成績占總成績的70%，平時成績分三塊，分別為考勤、作業(yè)和實驗，各占10%，而這三項成績通常與卷面考試成績掛鉤，一般卷面成績高的話，平時成績一般也高。通過閉卷考試，雖然一定程度上能反映學(xué)生基礎(chǔ)知識掌握情況，但很難評判學(xué)生實際動手能力和靈活運(yùn)用知識的能力。基于CDIO模式的教學(xué)，主要培養(yǎng)學(xué)生思考問題、分析問題以及解決問題的能力，具體體現(xiàn)在學(xué)生的實際動手方面。因此，傳統(tǒng)的考核方式已不能適應(yīng)新型的教學(xué)模式，而新型教學(xué)模式對學(xué)生的考核面臨公平和公正問題，因為基于CDIO模式的PLC課程教學(xué)模式取消了傳統(tǒng)的試卷考試形式，因而沒有一套標(biāo)準(zhǔn)的參考答案及評分標(biāo)準(zhǔn)。為了合理評判學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，筆者在可編程控制器的考核方式上進(jìn)行了大膽改革，并得到了學(xué)校大力支持。課程考核采取項目制考核方式，每八位同學(xué)成立一個小組，每小組分配一個項目，各組成員對項目進(jìn)行分工，分別承擔(dān)項目方案確定、零件設(shè)計、零件制造、標(biāo)準(zhǔn)件選型、產(chǎn)品裝配、電氣元器件接線、程序編制與調(diào)試等任務(wù)，每位同學(xué)重點完成自己分工的任務(wù)同時全程參與整個項目的完成，整個過程都在指定的實驗室和實訓(xùn)中心完成，老師不定期指導(dǎo)并考勤。項目完成后，成立答辯小組，在規(guī)定時間內(nèi)由每個小組代表完成項目答辯。考核成績也分三大塊，平時上課和最后考核項目考勤共占25%，項目完成效果評判占50%，答辯占25%。

3 基于CDIO的可編程控制器教學(xué)效果及存在問題

（1）教學(xué)效果?；贑DIO模式開展的教學(xué)改革能有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生主觀能動性大幅增強(qiáng)。以前課堂教學(xué)只有少數(shù)學(xué)生認(rèn)真聽課，絕大多數(shù)人在心不在，考試時基本都是突擊應(yīng)付，對PLC的工作原理、基本指令、編程方法、接線方法等內(nèi)容認(rèn)識不透徹，更別說實際應(yīng)用了。通過對比發(fā)現(xiàn)，教學(xué)改革前的學(xué)生，在做相關(guān)畢業(yè)設(shè)計時，工程意識很薄弱，對于氣缸控制、電機(jī)控制等沒有概念，不能順利編制順序功能圖等程序，畢業(yè)后很少有學(xué)生從事電氣控制類的工作。而基于CDIO教學(xué)改革后，學(xué)生發(fā)生了明顯變化，學(xué)生團(tuán)隊意識增強(qiáng)了，激發(fā)了學(xué)生對PLC這門課程的興趣，甚至對機(jī)械設(shè)計這個專業(yè)都產(chǎn)生了濃厚興趣。感覺變化特別明顯的是，學(xué)生在做電控類畢業(yè)設(shè)計時，能獨立自主并很輕松的完成任務(wù)。而畢業(yè)后，學(xué)生進(jìn)入非標(biāo)自動化設(shè)備研發(fā)企業(yè)的人數(shù)占比很大，據(jù)相關(guān)企業(yè)反饋，學(xué)生進(jìn)入企業(yè)上手很快，設(shè)計能力和動手能力突出，深得企業(yè)好評。

（2）存在問題。盡管基于CDIO模式的PLC教學(xué)改革效果明顯，但還是存在不少問題。①基于項目形式的教學(xué)，要求學(xué)生根據(jù)項目要求制定方案，設(shè)計零件結(jié)構(gòu)，完成零件制造，到裝配樣機(jī)調(diào)試，整個過程使用的都是真材實料，而非以往的虛擬仿真，因此經(jīng)費(fèi)、加工設(shè)備、裝配場所等是主要問題，需要學(xué)校給予大力支持才行。②傳統(tǒng)的教學(xué)方式一般兩個班可由同一個老師分開上課，統(tǒng)一考試，但基于CDIO模式的PLC教學(xué)，學(xué)生是分組完成不同項目的，平時指導(dǎo)時，學(xué)生可能會碰到各種不同問題，一個老師指導(dǎo)不過來，且在學(xué)生最后答辯時需要成立答辯小組，因此在人力上也需要學(xué)校的大力支持。③基于CDIO模式的PLC教學(xué)，學(xué)生各方面的能力雖然能得到大幅提升，但要順利拿到本門課的學(xué)分學(xué)生需要花費(fèi)傳統(tǒng)教學(xué)時間幾倍以上，由于學(xué)生還有其他課程要上，因此在最后的項目考試階段，學(xué)生需要利用晚上時間或者假期時間完成，學(xué)生成績不能像傳統(tǒng)教學(xué)方式那樣結(jié)課就可以考試，幾天后就能出成績，通常需要延遲一學(xué)期才能給出成績，這方面也需要學(xué)校教務(wù)處批準(zhǔn)配合。

4 結(jié)語

任何教學(xué)改革主要目的是為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生團(tuán)隊精神，增強(qiáng)學(xué)生綜合素質(zhì)。筆者在長期的可編程控制器課程教學(xué)中，通過不斷提高自身修養(yǎng)，不斷總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗，且不斷引入新的教學(xué)理念和教學(xué)方法。通過嘗試和檢驗，發(fā)現(xiàn)基于CDIO模式的可編程控制器課程教學(xué)，能有效提高學(xué)生團(tuán)結(jié)合作精神、設(shè)計能力、動手能力，能適應(yīng)工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求。

［1］顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（上）［J］.高等工程教育研究，2012，（3）：24-40.

［2］顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（下）［J］.高等工程教育研究，2012，（3）：34-45.

［3］姜大志，孫浩軍.基于CDIO的主動式項目驅(qū)動學(xué)習(xí)方法研究——以Java類課程教學(xué)改革為例［J］.高等工程教育研究，2012，（4）：159-164.

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Teaching Reform and Practice for Programmable Logic Controller Course based on CDIO

LIU Zhi-Hui1，2，LAI Yu-qing1
（1.Department of Mechanical and Energy Engineering,Shaoyang University，Shaoyang，Hunan 422000，China；2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha，Hunan 410083，China）

This paper introduces the origin of CDIOmodel firstly，and then explains the teaching reform for programmable logic controller course from the teachingmethods，teaching content，assessmentmethods based on the CDIOmodel.It is shown that the ability ofstudents to use such course to solve practicalengineering problems have been enhanced significantly，after introducing the CDIOmodel into such course，which canmeet the demands of training the engineering technician for engineering application better.

CDIO；programmable logic controller；teaching reform

G642

A

2095-980X（2017）05-0152-02

2017-04-15

劉志輝（1984-），男，湖南邵陽人，講師，主要從事可編程控制器課程教學(xué)工作。