CDIO模式在“可編程控制器”技能實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用＊

譚 娟

（武漢交通職業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430065）

0 引言

以技能培訓(xùn)和技術(shù)應(yīng)用為代表的高等職業(yè)教育是一種技能型教育，著力于培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)技能型人才[1]。“可編程控制器”課程是機(jī)電類相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性?！翱删幊炭刂破鳌奔寄軐?shí)訓(xùn)是提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)的重要平臺(tái)。旨在培養(yǎng)學(xué)生具備以可編程控制器為核心的實(shí)際控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)、安裝、編程、調(diào)試及運(yùn)行維護(hù)的職業(yè)技能；培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題的能力；培養(yǎng)學(xué)生具有良好的職業(yè)素養(yǎng)以及溝通交流、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。

項(xiàng)目載體的教學(xué)法是指師生通過共同實(shí)施一個(gè)完整的“項(xiàng)目”（將教學(xué)對象視同為一個(gè)項(xiàng)目）而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)[2]，它注重項(xiàng)目完成的過程。學(xué)生在項(xiàng)目完成的過程中，理解和把握課程要求的知識(shí)和技能，形成分析問題和解決問題的思想和方法。本文以項(xiàng)目為載體，將CDIO教育模式應(yīng)用于“可編程控制器”技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，為相關(guān)或者相類似實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)提供參考。

1 CDIO模式的內(nèi)涵

CDIO是一種基于構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）和運(yùn)行（Operate）的工程教育模式，它是“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”的集中概括和抽象表達(dá)[3]。第一階段構(gòu)思，要明確客戶需求，考慮所需技術(shù)、企業(yè)規(guī)章制度和戰(zhàn)略要點(diǎn)等，盡可能優(yōu)化概念、技術(shù)與商務(wù)案例；第二階段設(shè)計(jì)，制定計(jì)劃、草案、圖紙等；第三階段實(shí)施，將制定的計(jì)劃、草案、圖紙等轉(zhuǎn)化為成果；第四階段運(yùn)行，達(dá)到預(yù)想價(jià)值。CDIO模式主要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)、終身學(xué)習(xí)能力、溝通交流和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，以及在社會(huì)和企業(yè)環(huán)境下建造產(chǎn)品和系統(tǒng)的能力[4]。

2 “可編程控制器”技能實(shí)訓(xùn)現(xiàn)狀分析

目前，“可編程控制器”技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)主要是圍繞實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書和實(shí)訓(xùn)任務(wù)書開展。實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書主要包含項(xiàng)目名稱、學(xué)習(xí)目標(biāo)、實(shí)訓(xùn)準(zhǔn)備、知識(shí)背景以及考核評價(jià)方法。實(shí)訓(xùn)任務(wù)書主要用來下達(dá)實(shí)訓(xùn)任務(wù)與要求、進(jìn)度安排以及學(xué)生實(shí)訓(xùn)成績的評定。實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)老師一般在課前安排班委分發(fā)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)資料，但很少有學(xué)生在課前認(rèn)真研讀這些紙質(zhì)的實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)資料。實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程需要花費(fèi)大量時(shí)間對實(shí)訓(xùn)所需理論知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，以及進(jìn)行硬件接線和軟件編程的示范操作，因此，大大縮短了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的時(shí)間。再者，“可編程控制器”課程指令多，晦澀難懂，高職院校學(xué)生基礎(chǔ)差，學(xué)生對技能實(shí)訓(xùn)的自信心不夠，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)積極性不高。在實(shí)際教學(xué)過程中，實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)老師缺乏對學(xué)生個(gè)性化、創(chuàng)造力的培養(yǎng)。實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)老師習(xí)慣于提供統(tǒng)一的I/O地址分配，導(dǎo)致每個(gè)學(xué)生的硬件接線、程序編制基本雷同。

3 CDIO模式在“可編程控制器”技能實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

“可編程控制器”技能實(shí)訓(xùn)的指導(dǎo)思想是：選用真實(shí)項(xiàng)目作為載體，應(yīng)用CDIO模式進(jìn)行教學(xué)過程設(shè)計(jì)。在選用具體的教學(xué)項(xiàng)目時(shí)，要依據(jù)教學(xué)大綱設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)，聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題。以“可編程控制器”技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目“十字路口交通信號燈的控制”為例，介紹CDIO的應(yīng)用。實(shí)訓(xùn)所需設(shè)備及工具：電腦、STEP7編程軟件、S7-300 PLC、交通信號燈模塊、連接導(dǎo)線及其相關(guān)工具儀表等。教學(xué)過程設(shè)計(jì)按照CDIO模式劃分為構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施及運(yùn)行四個(gè)階段[5]。

3.1 構(gòu)思階段

在構(gòu)思階段，實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)老師需要明確教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)重難點(diǎn)，提出任務(wù)內(nèi)容與要求；而學(xué)生需要自主查閱資料，構(gòu)建知識(shí)體系。以“十字路口交通信號燈的控制”為例進(jìn)行說明，十字路口交通信號燈示意圖如圖1所示。

圖1 十字路口交通信號燈示意圖

交通信號燈系統(tǒng)控制要求：按下啟動(dòng)按鈕，交通信號燈系統(tǒng)開始工作，控制過程循環(huán)進(jìn)行；按下停止按鈕，所有信號燈都熄滅。交通信號燈控制時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 十字路口交通信號燈控制時(shí)序圖

教學(xué)目標(biāo)：1）知識(shí)目標(biāo)。根據(jù)系統(tǒng)的順序功能圖用順序控制法設(shè)計(jì)。2）能力目標(biāo)。交通信號燈系統(tǒng)的軟件安裝、硬件接線、系統(tǒng)調(diào)試；利用S7-GRAPH編寫順序功能圖程序，并寫出對應(yīng)的梯形圖程序。3）情感目標(biāo)。培養(yǎng)學(xué)生溝通交流、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；任務(wù)驅(qū)動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力；培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

教學(xué)任務(wù)：1）認(rèn)識(shí)順序功能圖。2）應(yīng)用S7-GRAPH編寫順序功能圖，并寫出對應(yīng)的梯形圖程序。3）運(yùn)行并調(diào)試程序直至滿足十字路口交通信號燈的控制要求。學(xué)生在明確任務(wù)內(nèi)容及要求后，自主查閱PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、順序功能圖、S7-GRAPH、STEP 7、基本邏輯指令及定時(shí)器等知識(shí)點(diǎn)。

3.2 設(shè)計(jì)階段

在設(shè)計(jì)階段，實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)老師主要任務(wù)是引導(dǎo)學(xué)生利用理論知識(shí)解答實(shí)際問題，鼓勵(lì)學(xué)生大膽試錯(cuò)，提出各種解決方案。實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)老師可以采用不斷提問的方式引導(dǎo)學(xué)生自主思考、交流討論，使學(xué)生完成交通信號燈控制系統(tǒng)硬件接線草圖及程序初稿。針對項(xiàng)目“十字路口交通信號燈的控制”可設(shè)置如下問題。

問題1：根據(jù)控制要求，確定I/O設(shè)備，即確定“啟動(dòng)按鈕”“停止按鈕”“東西南北紅黃綠12個(gè)信號燈”哪些是輸入設(shè)備，哪些是輸出設(shè)備，并分配I/O地址，繪制PLC的外部接線圖。

問題2：什么是順序控制，如何利用S7-GRAPH創(chuàng)建順序功能圖，并對其進(jìn)行設(shè)置和調(diào)試。

問題3：如何將順序功能圖轉(zhuǎn)換成梯形圖，并利用STEP 7軟件進(jìn)行編程、調(diào)試。

實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)老師通過不斷地提問，發(fā)散學(xué)生思維；學(xué)生就老師提出的問題進(jìn)行思考，在小組內(nèi)進(jìn)行交流討論，實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作；在討論交流中，通過不斷新增假設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神。

3.3 實(shí)施階段

在實(shí)施階段，實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)老師要加強(qiáng)對學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)以及工匠精神的培養(yǎng)；要引入企業(yè)、行業(yè)規(guī)范和職業(yè)技能標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化對學(xué)生職業(yè)技能的訓(xùn)練；要強(qiáng)化操作流程的熟練度。針對項(xiàng)目“十字路口交通信號燈的控制”，實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)老師要組織、引導(dǎo)學(xué)生將設(shè)計(jì)階段繪制的圖紙、編制的程序轉(zhuǎn)換為成果。引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)繪制的PLC外部接線圖，完成硬件接線；引導(dǎo)學(xué)生使用STEP 7軟件創(chuàng)建項(xiàng)目、組態(tài)硬件；引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用S7-GRAPH創(chuàng)建、設(shè)置并調(diào)試順序功能圖；引導(dǎo)學(xué)生將順序功能圖轉(zhuǎn)換為梯形圖，并利用STEP 7軟件進(jìn)行編程、調(diào)試。

3.4 運(yùn)行階段

不斷修改、調(diào)試程序，直至達(dá)到“十字路口交通信號燈的控制”要求為止，學(xué)生通過自我不斷實(shí)踐，體會(huì)成果帶來的成就感以及創(chuàng)新帶來的喜悅感。同時(shí)，為了進(jìn)一步鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)成果，小組內(nèi)成員在實(shí)訓(xùn)操作結(jié)束后，總結(jié)實(shí)訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)，編制PPT進(jìn)行展示匯報(bào)，就設(shè)計(jì)思路以及硬件接線、程序調(diào)試運(yùn)行中的問題進(jìn)行總結(jié)、分析，并就解決方案進(jìn)行成果分享。在匯報(bào)展示過程中，實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)老師鼓勵(lì)其他組同學(xué)就展示匯報(bào)內(nèi)容進(jìn)行提問，互相學(xué)習(xí)探討。

4 教學(xué)組織實(shí)施

在以項(xiàng)目為載體的實(shí)訓(xùn)教學(xué)組織實(shí)施過程中，為了提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，可采用以下途徑：

1）分組教學(xué)。實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)老師根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)劣生搭配分組，每組設(shè)定組長一名（實(shí)則為項(xiàng)目主管），牽頭負(fù)責(zé)項(xiàng)目實(shí)施全過程，包含設(shè)計(jì)方案討論、具體技術(shù)問題的解答、組內(nèi)事務(wù)分工協(xié)調(diào)等。整個(gè)教學(xué)過程，培養(yǎng)學(xué)生自我管理、獨(dú)立思考、相互幫帶、善于合作的能力。

2）翻轉(zhuǎn)課堂。將項(xiàng)目涉及的知識(shí)點(diǎn)、示范操作、技能要求、安全規(guī)范等，錄制成微視頻，上傳至教學(xué)平臺(tái)，供學(xué)生課前預(yù)習(xí)。采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式可以拓展學(xué)習(xí)時(shí)間和空間，最大限度地利用課堂實(shí)訓(xùn)時(shí)間加強(qiáng)對學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)、職業(yè)技能以及工匠精神的培養(yǎng)。

3）成果展示匯報(bào)。為了評價(jià)學(xué)生在實(shí)施過程中的成果，實(shí)訓(xùn)操作結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行成果展示匯報(bào)，提升學(xué)生自我展示與語言表達(dá)的能力。

5 結(jié)語

在“可編程控制器”技能實(shí)訓(xùn)中采用以項(xiàng)目為載體的CDIO模式教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性均有提升。通過合理組織實(shí)施教學(xué)改革，學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)、職業(yè)技能以及創(chuàng)新能力也得到了提升。