基于CDIO的電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)改革探索

王勛

摘要：本文將CDIO工程教育理念引入到電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)教學(xué)改革中，針對課程中的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考評方式等主要方面提出了具體的改革措施，并取得了良好的效果.

關(guān)鍵詞：CDIO;應(yīng)用型;PLC;教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）04-0146-02

CDIO即Conceive、Design、Implement、operate四個單詞的縮寫，是麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)經(jīng)過四年的研究和探索共同創(chuàng)立的教育改革成果[1-4].CDIO教育模式不同于傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，是“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”的概括和表達(dá)，學(xué)習(xí)過程以實(shí)踐項(xiàng)目為中心，學(xué)生通過項(xiàng)目實(shí)踐的學(xué)習(xí)過程，逐漸掌握項(xiàng)目構(gòu)思、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施到項(xiàng)目運(yùn)行的全過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合應(yīng)用能力[5，6].在PLC的教學(xué)過程中引入CDIO教育理念，旨在教學(xué)的各個過程中進(jìn)行研究和改革，有效的提高教學(xué)質(zhì)量.

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的不足

PLC控制技術(shù)是一門在繼電器-接觸器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)具有可靠性高、編程與調(diào)試相對簡單、應(yīng)用性強(qiáng)的控制技術(shù).而PLC教學(xué)教材內(nèi)容一般是從PLC的概述與原理開始，逐一介紹PLC的硬件系統(tǒng)配置與I/O接口、PLC的軟件編程語言指令、PLC的功能指令和PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，造成其理論內(nèi)容較多，與之配合的實(shí)踐部分較少或?qū)嵺`教學(xué)時間不足的情況;另外，在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生需要花費(fèi)大量的時間來記憶PLC的各種基本指令和功能指令，而不重視這些指令在任務(wù)和項(xiàng)目中的各種使用方法，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是通過被動的機(jī)械化的記憶過程來接受知識，無法真正的培養(yǎng)學(xué)生的主觀意識與應(yīng)用能力，達(dá)到以“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)模式.在實(shí)驗(yàn)課程方面，傳統(tǒng)的PLC課程實(shí)驗(yàn)一般都是基于實(shí)驗(yàn)箱基礎(chǔ)上的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只需根據(jù)指導(dǎo)書的內(nèi)容進(jìn)行簡單連線、程序編譯，學(xué)生很難對PLC的硬件部分和軟件部分形成系統(tǒng)的認(rèn)識，也無法把握實(shí)驗(yàn)任務(wù)的整體設(shè)計(jì)與開發(fā)思路.在課程考核方面，課程采用期末考試形式，學(xué)生學(xué)習(xí)只是為了應(yīng)付考試，對學(xué)習(xí)沒有興趣，缺少主動參與的熱情;課程結(jié)束后不會使用PLC進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，難以達(dá)到PLC課程教學(xué)要求.在課程設(shè)計(jì)方面，PLC控制技術(shù)是一門綜合應(yīng)用性技術(shù)，其內(nèi)容涵蓋了電機(jī)學(xué)、傳感器、變頻器和組態(tài)軟件綜合技術(shù)等學(xué)科，但是大多數(shù)院校只是專門設(shè)置了每一門課程的教學(xué)內(nèi)容和獨(dú)立的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，并沒有綜合性的任務(wù)與項(xiàng)目培訓(xùn)課程，學(xué)生在設(shè)計(jì)任務(wù)或項(xiàng)目時，無法形成一個獨(dú)立完整的設(shè)計(jì)思路，也就無法體現(xiàn)CDIO工程教育模式中“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作”的教學(xué)思想.

2 基于CDIO模式下的教學(xué)改革

2.1 改革教學(xué)模式

CDIO模式下的教學(xué)改革理念是改變?nèi)握n教師以課堂理論教學(xué)為主，學(xué)生只是被動的接受理論內(nèi)容和程序設(shè)計(jì)，將CDIO教學(xué)模式引入課堂，從課程開始就把課堂教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)踐相結(jié)合，課程以項(xiàng)目實(shí)踐為主線，通過簡單的實(shí)踐項(xiàng)目讓學(xué)生學(xué)習(xí)基本知識，再通過所學(xué)的知識，不斷改進(jìn)提高來完成新的實(shí)踐項(xiàng)目，達(dá)到轉(zhuǎn)被動為主動學(xué)習(xí)的目的.

2.2 基于CDIO的電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)課程體系

本文基于CDIO的電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)課程體系共有四個項(xiàng)目構(gòu)成.其中項(xiàng)目一是由電機(jī)控制和信號燈控制兩個部分組成，這兩個部分所用到的控制器件是PLC控制系統(tǒng)中最常用到的兩個控制器件.其中電機(jī)控制部分主要是讓學(xué)生了解PLC的基礎(chǔ)知識和基本應(yīng)用，它主要是從PLC的基本邏輯指令，簡單的功能指令，硬件外圍設(shè)計(jì)來讓學(xué)生對PLC有個整體的理解;而信號燈控制部分主要是讓學(xué)生掌握PLC的基本應(yīng)用和基本設(shè)計(jì)方法，它主要是從邏輯電路設(shè)計(jì)方法角度，讓學(xué)生能夠用簡單的PLC梯形圖語言實(shí)現(xiàn)任務(wù)設(shè)計(jì).項(xiàng)目二是由觸摸屏控制和變頻器控制兩個部分組成.其中觸摸屏部分主要是讓學(xué)生學(xué)會通過建立人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的實(shí)時監(jiān)控;變頻器部分主要是讓學(xué)生學(xué)會使用變頻器對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制.項(xiàng)目三是由經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法和順序控制設(shè)計(jì)法兩個部分組成，它主要是從設(shè)計(jì)方法角度讓學(xué)生學(xué)會分析和設(shè)計(jì)控制程序.項(xiàng)目四是由串行通信控制和網(wǎng)絡(luò)組建兩個部分組成.西門子S7型PLC支持多種形式的通信設(shè)備，其中串行通信控制部分主要讓學(xué)生學(xué)會使用USB/PPI通信電纜實(shí)現(xiàn)PLC、觸摸屏及變頻器的通信控制;網(wǎng)絡(luò)組建部分主要是讓學(xué)生了解西門子PPI網(wǎng)絡(luò)的組建方法，掌握網(wǎng)絡(luò)讀寫指令的編程應(yīng)用.這四個項(xiàng)目基本涵蓋了PLC教學(xué)大綱的所有知識點(diǎn)，學(xué)生可以通過完成由易到難的實(shí)踐項(xiàng)目，來主動學(xué)習(xí)課本中的基礎(chǔ)知識，以獲得完成項(xiàng)目的成就感.

2.3 課程實(shí)踐手段

在教學(xué)過程中，還需根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況和進(jìn)度，適當(dāng)調(diào)整這四個項(xiàng)目的任務(wù)數(shù)量，難易程度，以達(dá)到更好的教學(xué)質(zhì)量.根據(jù)CDIO工程模式教育，把項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程分為四個階段，每個階段都是以項(xiàng)目貫穿始終，教師在講解每個項(xiàng)目前先將所需的基礎(chǔ)知識和任務(wù)要求進(jìn)行講解，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成良好的設(shè)計(jì)思路和方法，學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)步驟，完成項(xiàng)目構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)到運(yùn)行.

以項(xiàng)目一信號燈控制為例來說明四個階段的學(xué)習(xí)過程.在第一階段，學(xué)生尚不具備PLC的基本理論知識和實(shí)踐技能，而傳統(tǒng)的以實(shí)驗(yàn)箱為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)課程又起不到學(xué)習(xí)演示作用.為此可以在原有實(shí)驗(yàn)箱基礎(chǔ)上，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程的軟件和硬件部分，簡化實(shí)驗(yàn)程序，充分利用好實(shí)驗(yàn)箱的演示作用.例如在項(xiàng)目一中，實(shí)驗(yàn)箱節(jié)日彩燈的邏輯程序十分復(fù)雜，可以適當(dāng)簡化程序邏輯，設(shè)置三個按鈕控制三組燈演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)步驟有個充分的了解，對所學(xué)的基本邏輯指令使用也有了更深層次的理解.在第二階段，學(xué)生尚不具備獨(dú)立完成任務(wù)的能力，對設(shè)計(jì)步驟和方法也缺乏相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)，教師通過給定任務(wù)設(shè)計(jì)流程圖和設(shè)計(jì)步驟，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步掌握任務(wù)設(shè)計(jì)過程.例如在項(xiàng)目一中，通過設(shè)置一個按鈕控制三組燈任務(wù)，教師通過給定好的控制要求、初步方案、硬件電路和設(shè)計(jì)流程圖，學(xué)生根據(jù)要求獨(dú)立完成任務(wù)，進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)生對任務(wù)設(shè)計(jì)過程的學(xué)習(xí).在第三階段，學(xué)生已經(jīng)對任務(wù)的整個完成過程有了一定的了解，尤其是任務(wù)程序設(shè)計(jì)部分，但還是缺乏對外部I/O接口部分的硬件設(shè)計(jì)，教師通過講解一些常用的硬件設(shè)備的使用，讓學(xué)生學(xué)會正確的使用和配置外圍硬件部分，并進(jìn)一步加強(qiáng)整個任務(wù)設(shè)計(jì)過程.例如在項(xiàng)目一中，設(shè)置基于觸摸屏的電機(jī)信號燈控制任務(wù)，學(xué)生不僅需要掌握信號燈外圍電路設(shè)計(jì)與接線，還需要學(xué)會利用觸摸屏實(shí)現(xiàn)任務(wù)信號的控制，從硬件學(xué)習(xí)角度進(jìn)一步加強(qiáng)對整個任務(wù)實(shí)現(xiàn)過程的理解.在第四階段，學(xué)生已經(jīng)具備基本的專業(yè)知識和一定的實(shí)踐能力，教師通過設(shè)置綜合性、實(shí)際性強(qiáng)的項(xiàng)目，來提高學(xué)生的綜合能力;學(xué)生可以組建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，通過團(tuán)隊(duì)合作來共同完成整個項(xiàng)目.例如在項(xiàng)目一中，設(shè)置三層電梯數(shù)字信號燈顯示控制項(xiàng)目，學(xué)生通過組建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，研究控制要求，設(shè)計(jì)初步控制方案，根據(jù)控制要求確定和繪制接線圖和主電路圖，設(shè)計(jì)PLC邏輯程序，模擬仿真，完善控制要求，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目運(yùn)行的整個過程.

3 基于CDIO模式的教學(xué)考評方式

傳統(tǒng)的課程教學(xué)考評方式基本是平時表現(xiàn)占總成績的20%，卷面成績占總成績的80%，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，會更加注重結(jié)果化的考核形式.本文基于CDIO模式的教學(xué)方式是采取任務(wù)和項(xiàng)目貫穿整個教學(xué)過程，更加注重過程化的考核，重點(diǎn)放在每個項(xiàng)目的完成情況，其中包括學(xué)生獨(dú)立思考，完成項(xiàng)目軟件、硬件、調(diào)試及運(yùn)行情況;團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成項(xiàng)目構(gòu)思，設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行及項(xiàng)目答辯情況.課程分?jǐn)?shù)設(shè)置為100分制，過程化考核即項(xiàng)目完成情況占總成績的40%，其中主要考核學(xué)生獨(dú)立和團(tuán)隊(duì)合作完成項(xiàng)目情況;卷面成績占總成績的40%，其中主要考核學(xué)生的理論知識和簡單任務(wù)設(shè)計(jì)題目;平時表現(xiàn)占總成績的20%，其中包括出勤，作業(yè)和課堂表現(xiàn).

4 結(jié)語

本文基于CDIO模式的PLC教學(xué)體系，以項(xiàng)目教學(xué)為主線，學(xué)生為主體，把理論知識和實(shí)踐設(shè)計(jì)充分融入到教學(xué)過程中，學(xué)生在完成項(xiàng)目的同時，理解理論與實(shí)踐的重要性，明確學(xué)習(xí)理論知識的目標(biāo)，更好的促進(jìn)學(xué)生自我與團(tuán)隊(duì)的綜合實(shí)踐能力，達(dá)到畢業(yè)能上手的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo).

參考文獻(xiàn)：

〔1〕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].中國電力教育，2010（01）：118-119.

〔2〕熊鳳，陳樂庚，趙學(xué)軍.“可編程控制技術(shù)”教學(xué)改革與探索[J].中國電力教育，2012（07）：49-50.

〔3〕劉旭明，高峰.基于CDIO的電氣控制與PLC課程教學(xué)改革探索[J].大學(xué)教育，2016（01）：148-149.

〔4〕榮麗娜.“現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)”課程項(xiàng)目化教學(xué)改革研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015（22）：61-62.

〔5〕馮佩云.CDIO在應(yīng)用型大學(xué)PLC教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技視界，2017（15）：51-52.

〔6〕楊磊，郭奇青.CDIO在PLC教學(xué)中的應(yīng)用方法[J].科教導(dǎo)刊（上旬刊），2016（03）：79-80.