基于CDIO的自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)研究

馬永力，曾 瑄，黃志開(kāi)，趙志英，蘆 莉

(南昌工程學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院， 南昌 330099)

基于CDIO的自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)研究

馬永力，曾 瑄，黃志開(kāi)，趙志英，蘆 莉

(南昌工程學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院， 南昌 330099)

本文通過(guò)分析CDIO的教育理念，結(jié)合我校自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐類課程教學(xué)與社會(huì)需求之間的差距，提出了基于 CDIO的自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)改革的研究。并結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)等相關(guān)課程，在教學(xué)中融入工程應(yīng)用的理念，通過(guò)比較市場(chǎng)上同類產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)方法及各自應(yīng)用場(chǎng)合，確定自己的設(shè)計(jì)實(shí)施方案，并進(jìn)一步給出了實(shí)施方案。通過(guò)參與工程項(xiàng)目，使學(xué)生理解、體驗(yàn)一個(gè)系統(tǒng)工程項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到完成的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐，再?gòu)膶?shí)踐到理論的升華，全面提高學(xué)生的工程素養(yǎng)，提高教學(xué)質(zhì)量。

CDIO; 教學(xué)改革; 自動(dòng)化；實(shí)踐課程

CDIO倡導(dǎo)“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”的新型教學(xué)模式，是近年來(lái)國(guó)際工程教育改革的最新研究成果，包括構(gòu)思(conceive)、設(shè)計(jì)(design)、實(shí)現(xiàn)(implement)和運(yùn)作(operate)。作為一種新的工程教育理念，它主張以產(chǎn)品研發(fā)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作的全過(guò)程為載體，認(rèn)為學(xué)生在工程實(shí)踐教育中既要掌握專業(yè)知識(shí)，又要具備適應(yīng)與調(diào)控的能力；還要具有終生學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。成為既有專業(yè)技能和工程能力、又有社會(huì)意識(shí)和企業(yè)家敏銳性的工程師，將來(lái)能夠在工作的工程團(tuán)隊(duì)中發(fā)揮作用[1，2]。其核心目標(biāo)是工科畢業(yè)生在現(xiàn)代團(tuán)隊(duì)工作環(huán)境中應(yīng)具有構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作的能力；在具有創(chuàng)新價(jià)值的復(fù)雜工程系統(tǒng)中擁有一定的把控能力[3]。這些正是應(yīng)用型技術(shù)人才應(yīng)該具備的能力。

1 傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的局限性和教學(xué)改革的目標(biāo)

為了發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)與社會(huì)需求之間的差異，我們對(duì)東部某省300多家企業(yè)的用人需求進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果表明: 企業(yè)最歡迎的是具有團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)、組織、溝通、協(xié)調(diào)能力的創(chuàng)新型人才，其次為技術(shù)復(fù)合型、通用型和專業(yè)對(duì)口型人才( 見(jiàn)圖1)[3]。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)多數(shù)存在以下問(wèn)題：

1.1 上課教學(xué)內(nèi)容單一，老師指定學(xué)習(xí)內(nèi)容，靈活性不強(qiáng)，學(xué)生自主性學(xué)習(xí)不夠。

1.2 強(qiáng)調(diào)個(gè)人動(dòng)手能力，卻忽視團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

1.3 更加重視驗(yàn)證性的知識(shí)學(xué)習(xí)，卻輕視工程素養(yǎng)及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式更適合于學(xué)生基礎(chǔ)階段的學(xué)習(xí)，需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)掌握大量的知識(shí)，屬于知識(shí)積累的階段；但是對(duì)于部分專業(yè)課程及創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)的課程具有較大的局限性，不能滿足培養(yǎng)創(chuàng)新性、應(yīng)用型人才的需求。

圖1 企業(yè)人才需求類型比例

實(shí)踐教學(xué)改革的目標(biāo)是：在專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和工程素養(yǎng)，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣；在畢業(yè)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新環(huán)節(jié)提高其工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)終身學(xué)習(xí)的能力。

2 基于CDIO的自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐類課程教學(xué)實(shí)施

自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)主要包括三級(jí)項(xiàng)目：

(1) 通識(shí)平臺(tái)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)及專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)為一級(jí)項(xiàng)目，主要利用基礎(chǔ)實(shí)踐平臺(tái)；

(2)專業(yè)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)(主要包含課程實(shí)驗(yàn)、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)、自動(dòng)化技術(shù)綜合設(shè)計(jì)、專業(yè)方向課程實(shí)訓(xùn)等)為二級(jí)項(xiàng)目，主要利用專業(yè)實(shí)踐平臺(tái)；

(3)畢業(yè)設(shè)計(jì)及其他創(chuàng)新實(shí)踐為三級(jí)項(xiàng)目，主要利用專業(yè)實(shí)踐平臺(tái)和創(chuàng)新實(shí)踐基地。實(shí)現(xiàn)課堂理論教學(xué)和實(shí)踐平臺(tái)相結(jié)合；網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)模式有機(jī)融合的混合式教學(xué)模式。自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)三級(jí)項(xiàng)目如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)三級(jí)項(xiàng)目

基于CDIO模式的教學(xué)項(xiàng)目主要集中在專業(yè)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)(二級(jí)項(xiàng)目)、畢業(yè)設(shè)計(jì)及創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)(三級(jí)項(xiàng)目)。在這個(gè)環(huán)節(jié)學(xué)生已經(jīng)具有一定的理論基礎(chǔ)，而且這個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)踐教學(xué)時(shí)間相對(duì)充足，可以滿足學(xué)生構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作的整個(gè)過(guò)程。適合的課程主要包括《電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)》、《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)》、《單片機(jī)課程設(shè)計(jì)》、《專業(yè)方向課程實(shí)訓(xùn)》、《畢業(yè)設(shè)計(jì)》等課程的教學(xué)內(nèi)容，選取適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)項(xiàng)目，按照CDIO教學(xué)模型進(jìn)行改革與建設(shè)，結(jié)合專業(yè)實(shí)踐課程指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行工具類課程(如matlab, autocad, protel等)的進(jìn)一步學(xué)習(xí)。同時(shí)對(duì)樓宇自動(dòng)化方向的實(shí)踐課程的教學(xué)，把樓宇智能化各子系統(tǒng)的內(nèi)容，盡可能按照CDIO的教學(xué)模式融進(jìn)相關(guān)課程，使同學(xué)們按照實(shí)際項(xiàng)目的需要進(jìn)行構(gòu)思內(nèi)容、設(shè)計(jì)方案、實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目任務(wù)要求，并結(jié)合軟硬件運(yùn)行上下位機(jī)的程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)際項(xiàng)目的設(shè)計(jì)效果。

3 CDIO應(yīng)用實(shí)例——智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目要求：對(duì)一照明系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造。智能照明控制系統(tǒng)不僅能充分滿足現(xiàn)代人們對(duì)燈光效果的設(shè)計(jì)要求，而且通過(guò)對(duì)能源的綜合智能管理及自然光照的充分利用，可以節(jié)電20%-70%以上，滿足便捷、舒適、節(jié)能的建筑照明需要。要求完成從項(xiàng)目立意及經(jīng)濟(jì)可行性分析到系統(tǒng)設(shè)計(jì)、市場(chǎng)調(diào)研、方案實(shí)施及軟硬件調(diào)試等內(nèi)容。6人一組，每個(gè)人要采用不同的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，同學(xué)之間既有合作，又有分工，還要給出自己設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、使用場(chǎng)合及成本分析，上位機(jī)可以采用各種組態(tài)軟件控制，下位機(jī)可以采用各種PLC控制，亦可采用Lonworks總線。

以上位機(jī)采用MCGS軟件，下位機(jī)采用S7-226PLC控制的小型系統(tǒng)為例，控制區(qū)域分為室內(nèi)辦公場(chǎng)合照明、走廊照明、庭院景觀照明及街道路燈照明，室內(nèi)辦公照明實(shí)現(xiàn)工作日與非工作日(包括雙休和節(jié)假日)的時(shí)間控制；走廊、庭院和街道的照明，提供基本照明，主要用于夜間照明，采用光控開(kāi)關(guān)及時(shí)間控制照明，只有在規(guī)定時(shí)間內(nèi)且自然光照度不夠的情況下才會(huì)開(kāi)啟照明，盡可能節(jié)約能源。四種照明均可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)的控制。

在項(xiàng)目實(shí)施前，市場(chǎng)調(diào)研如下：根據(jù)淘寶調(diào)查，HW5210(海灣系列樓控DDC控制器)售價(jià)1980元，HW5208(海灣系列樓控DDC控制器)售價(jià)2850元，近5000元實(shí)現(xiàn)5輸入5輸出的定時(shí)控制。S7-226 PLC 24DI/16DO，(5-30V DC或5-250V AC)，2個(gè)RS485通訊口，最多擴(kuò)展7個(gè)擴(kuò)展模塊，1640元，加上一個(gè)S7-200CN EM235，4AI/1AO，5個(gè)模擬量I/O口700元，共2340元，在I/O點(diǎn)數(shù)增加到4.5倍的情況下，價(jià)格只是原來(lái)DDC控制器的一半不到，而且PLC的控制功能更為強(qiáng)大，使用可靠性很高。采用S7-224，16 DI/10DO，905元，S7-2228DI/6DO，590元；價(jià)格更是大幅下降。對(duì)于智能照明以開(kāi)關(guān)量為主的系統(tǒng)，性價(jià)比大幅提高。再結(jié)合學(xué)校實(shí)驗(yàn)室條件，上位機(jī)采用MCGS軟件，下位機(jī)采用S7-226PLC控制，而沒(méi)有采用DDC控制。在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完整實(shí)現(xiàn)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和正確運(yùn)行。

本項(xiàng)目上位機(jī)為一臺(tái)計(jì)算機(jī)，采用MCGS組態(tài)軟件控制，下位機(jī)采用西門(mén)子S7226PLC，通過(guò)PPI/USB電纜連接(要安裝驅(qū)動(dòng))，四路不同場(chǎng)合的照明燈具(實(shí)際項(xiàng)目可以根據(jù)需要增加，實(shí)現(xiàn)不同模式的控制功能)。PLC的I/O接口分配如表1，各組態(tài)軟件與PLC連接通道設(shè)計(jì)如表2；MCGS組態(tài)軟件操作運(yùn)行界面如圖3所示。

表1 PLC的I/O接口分配

表2 各組態(tài)軟件與PLC連接通道設(shè)計(jì)

圖3 MCGS組態(tài)軟件操作運(yùn)行界面

本項(xiàng)目及相關(guān)項(xiàng)目不僅實(shí)現(xiàn)智能樓宇專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)需要，還能用于PLC課程設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)總線與組態(tài)軟件實(shí)踐教學(xué)。

基于 CDIO項(xiàng)目設(shè)計(jì)以培養(yǎng)學(xué)生的基本工程能力為目標(biāo)[4]，將多門(mén)課程的知識(shí)點(diǎn)滲透進(jìn)若干個(gè)項(xiàng)目中，教師全程化指導(dǎo)、跟蹤、落實(shí)學(xué)生的執(zhí)行情況。在此過(guò)程中，學(xué)生可以討論、上網(wǎng)、查資料，教學(xué)過(guò)程以學(xué)生為中心。學(xué)生是知識(shí)意義的主動(dòng)構(gòu)建者，教師是組織者，主要起指導(dǎo)、幫助和促進(jìn)的作用[5]。傳統(tǒng)的理論課程學(xué)習(xí)后同學(xué)們的知識(shí)相對(duì)零散、應(yīng)用能力較弱，初學(xué)者往往不知怎么應(yīng)用相關(guān)知識(shí)模塊。在CDIO項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生采取“自上而下”的工程設(shè)計(jì)導(dǎo)向，用日常工程設(shè)計(jì)作背景，先給出宏觀、整體的工程設(shè)計(jì)要求，然后由宏觀到微觀，由整體到局部，工程所用到的專業(yè)知識(shí)可能設(shè)計(jì)多門(mén)理論課程，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)、深化理解、活學(xué)活用，做到在“做中學(xué)，在學(xué)中做”?；?CDIO項(xiàng)目設(shè)計(jì)尤其適用于各類課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)。學(xué)生在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以把4年中所學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)應(yīng)用于設(shè)計(jì)項(xiàng)目，對(duì)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)和提升。在提高他們分析研究問(wèn)題的能力的同時(shí)，還增強(qiáng)了他們的工作責(zé)任感[6]。

4 基于CDIO模式的教學(xué)結(jié)果

4.1 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新能力

教師在實(shí)施課堂教學(xué)的過(guò)程中，參照 CDIO工程教育模式，結(jié)合先進(jìn)的教育手段，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在遇到疑難問(wèn)題時(shí)，指導(dǎo)教師及時(shí)啟發(fā)指導(dǎo)，或者與之討論，可以激發(fā)他們的創(chuàng)新意識(shí)。

4.2 改革了教學(xué)方法與考核模式

教學(xué)方法采用學(xué)生自主為主，教師答疑指導(dǎo)為輔的教學(xué)模式。在學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)方面，完善了過(guò)程考核的模式，增加了自評(píng)和互評(píng)環(huán)節(jié)。小組成員自評(píng)主要考核學(xué)生的誠(chéng)實(shí)性，同時(shí)也能增強(qiáng)同學(xué)的責(zé)任感；團(tuán)隊(duì)成員互評(píng)主要考核學(xué)生的公正性和團(tuán)結(jié)互助精神，同時(shí)也有助于培養(yǎng)領(lǐng)導(dǎo)能力。

4.3 形成了具有 CDIO教育模式的實(shí)踐教學(xué)體系

本研究課題的主要特色在于：參照國(guó)際先進(jìn)的教育理念，以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為主導(dǎo)，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的條件，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和工程素養(yǎng)，形成了具有 CDIO特點(diǎn)的自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)模式[7]。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)基于CDIO的自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)改革，可以建立以往傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中普遍缺乏的工程價(jià)值觀念。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研、團(tuán)隊(duì)合作，可以激發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，加深同學(xué)友誼，轉(zhuǎn)變后進(jìn)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，培養(yǎng)優(yōu)秀同學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)能力及創(chuàng)新能力，增強(qiáng)同學(xué)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)?？傊訡DIO為基礎(chǔ)的實(shí)踐教學(xué)，更加強(qiáng)調(diào)了學(xué)生創(chuàng)新和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，有效改善了理論與實(shí)踐相脫離的問(wèn)題。鍛煉和提高了所有同學(xué)的CDIO能力，教學(xué)效果得到明顯改善。

[1]劉志雄. 基于CDIO的實(shí)踐類課程教學(xué)改革研究[J].長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào),2014,(4).

[2]康亮，毛煉成，洪曉鷗.CDIO教育模式在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用與探討[J].上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,(3).

[3]黃亦申，董晨晨，翁曉紅，潘柏松.面向卓越工程師培養(yǎng)的CDIO實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)探索[J]. 浙 江 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)( 社會(huì)科學(xué)版),2013,(4).

[4]李崢，陳得寶，苗曙光，張勇.CDIO工程教育模式下綜合課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革[J].淮北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,(2).

[5]朱向慶，胡均萬(wàn)，曾輝，等.CDIO工程教育模式的微型項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012,(11).

[6]賈光政 王金東.基于CDIO 的機(jī)電類卓越工程師培養(yǎng)模式探索[J].大學(xué)教育,2014,(4).

[7]張國(guó)平,付貴陽(yáng),馬永力.基于CDIO 教育模式的電路課程教學(xué)研究與實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育,2010,(22).

Research of Automation Practice Teaching Based on CDIO

MA Yong-li, ZENG Xuan, HUANG Zhi-kai, ZHAO Zhi-ying, LU Li

(School of Mechanical & Electrical engineering, Nanchang Instituted of Technology, Nanchang 330099, China)

Through the analysis of the education philosophy of CDIO, this paper puts forward the research of automation practice course teaching reform based on CDIO, combining with the gap between practice courses teaching of automation professional in our school and social demand. Graduation design and other related courses are combined so as to integrate engineering application into the teaching philosophy. The realization methods and their applications are compared to similar products on the market to ensure their program design and to further provide the implementation plan. By participating in project, the students understand, experience the process of system’s engineering project from design to completion and realizes the sublimation of theory to practice, practice to theory so that the students’ engineering quality and the quality of teaching is comprehensively improved.

CDIO; teaching reform; automation; practice course

2017-01-12

江西省教育廳2015年省級(jí)教改課題(JXJG-15-18-5)

馬永力(1976-)，女，副教授，碩士，研究方向?yàn)闃怯钪悄芑夹g(shù)。

G640

A

1674-344X(2017)2-0107-03