基于CDIO的“可编程控制器应用技术”教学改革

2012-03-30侯世英冯彩绒

电气电子教学学报 2012年1期

侯世英，冯彩绒，孙韬

(1.重庆大学电气工程学院重庆 400030;2.重庆电力高等专科学校重庆 400053)

CDIO是一种系统全面的工程教育模式，它是Conceive(构思)、Dsign(设计)、Implement(实施)、Operate(操作)四个英文字母的缩写，用这四个阶段代表工程项目生命全周期，它是“做中学”和基于工程项目学习的集中概况和抽象表达［1］。它是以目标为驱动的教育理论，最终达到学以求知、学以致用、学以共处和学以做人的教育目标。“可编程控制器应用技术”实践性强，注重培养学生的工程实践能力，将CDIO教学理念运用于本课程教学中，有利于学生动手实践能力的提高。

1 PLC应用技术的应用现状

“可编程控制器应用技术”是电气专业的一门专业课程，是将软件知识和硬件电路设计融合的课程。本课程涉及知识面较广，不仅包括对PLC器件本身的认知、PLC程序编写技能、PLC控制系统硬件电路的搭建能力和系统的调试技巧，还需要掌握一定的计算机和通信方面的相关知识。课程的目标意在培养学生的PLC控制系统设计和调试能力，让学生初步具有工程项目的概念。近年来，通信技术、计算机技术及图形技术的迅速发展，促进了PLC技术在工业领域的应用。PLC控制技术在工厂自动化生产领域的应用程度不断提高。这在客观上增大了对PLC控制应用人才的需求，同时对学生的产品设计能力、产品维修能力及和技术创新能力提出了更高要求。但现实中较多的毕业生这方面的能力比较欠缺，无法满足用人单位的需求，形成了“一方面毕业生就业难，另一方面用人单位找不到满意的人才”的怪象。

在既往的课程教学中，教师往往比较注重PLC编程语句和编程技巧的教学，而疏于对硬件电路设计和处理技巧的重视，导致学生一旦进入职场便显露了实践能力不足的缺陷。CDIO教学模式是基于项目的学习，它引入工程教育的理念，将职场的环境引入到课程教学中，注重对学生获取知识、运用知识、共享知识、传播知识以及发现知识等五种能力的培养，极大地迎合了企业对学生能力的需求。基于此现状，从“可编程器控制应用技术”的课堂教学开始，以工程项目为载体，应用CDIO教学模式对课程教学进行改革，可以最大程度的激发学生的学习热情，培养学生的综合实践能力。

2 基于CDIO模式的PLC技术教学

对于电气类专业的学生，本课程的教学计划大都安排在入学的第三年，一般有4～5个学分，并会安排一周的实训时间和一定的实验项目。这个阶段的学生已经具备了学习本课程所需的相关基础知识，具备一定的专业视野。基于CDIO模式的课程教学改革将从一下几个方面进行探讨。

2.1 职场教学环境

依照CDIO教学模式的概念，学校的实验室和实训室永远无法模拟真实的工厂生产过程。在课程教学中引入工程职场的概念，并不意味着要将工厂搬到学校，工厂职场环境不是指它的物理环境，而是强调它的特征，它的文化内涵。在可编程控制器应用技术课程项目教学中，引导学生接受在项目实施过程中的职场文化，如:客户至上、给市场提供完整的产品服务、持续创新和改进、着重问题的解决、团队合作、有效沟通、利用现有的资源和条件把事情做成、保护治理环境、以人为本、终身学习，等等。通过改变课程教学环境，使学生提前接受企业文化，缩短学校与企业的对接时间。

2.2 多样化教材

关于PLC应用的教材很多，其内容结构大多是介绍PLC的硬件与工作原理、编程语言与指令、程序设计方法、PLC通信与网络。在CDIO的教学模式改革中对于教材的选取较为灵活，在课程学习早期可由教师推荐几本相关的教材或利用网络让学生完成对课程的感性认知。在随后的课程学习中，一方面由教师按照CDIO模式中的C(产品的设计构思阶段)—CD(设计实践阶段)—CDI(产品制作阶段)—CDIO(在不同背景下运作产品阶段)—提升、总结5个阶段，进行教材组织和理论讲授，同时邀请本行业有知名度的从业人员、经验丰富的一线操作人员，共同按照CDIO的层次递进模式，主编项目实施教材。

2.3 CDIO替进式教学

“可编程控制器应用技术”课程内容，既有关于PLC控制系统设计过程中的硬件知识、又有软件编程知识、系统设计应用知识等。在学生能力培养方面与之对应的既有要求学生掌握的基本技能，又有对学生创新技能和运用知识技能的更高层次的要求。基于此，对本课程的教学改革主要从项目设计和课程教学方式与实践环节改革两个方面进行。

项目设计。项目设计是否合理在很大程度上决定了CDIO课程改革能否成功。项目内容设置要既能体现当前PLC控制新知识，又能注重学生实际技能的培养。让学生在完成项目的过程中启发思维，开拓专业视野，掌握PLC控制涵盖的新理论和新技术。项目的设置还要具有一定的趣味性、实用性和扩展性。要遵循由浅入深、由易到难、由基础到综合、由理论到创新并循序渐进的原则，培养学生创新意识和动手能力。PLC控制系统的设计从正反转控制系统引申的自动门、电梯控制项目，到PLC状态控制系统设计引申的机械手、装配线项目。引导学生掌握PLC控制系统设计中PLC型号选择，PLC软件程序设计技巧，硬件电路中交直流电源设计，控制系统输入、输出回路设计，程序下载调试，控制系统的调试和故障判断知识。通过4～5个项目让学生深入学习PLC控制系统设计的每一个环节，积累PLC控制系统设计经验，达到能独立开发系统的能力，做到一通百通，具有灵活运用知识的能力。

课程教学方式与实践环节改革。将课程内容与实验、实训项目进行整合，就是把工程实践和理论学习集成在一个空间完成［2］。如何让学生掌握PLC控制特性、控制系统、控制对象的特点以及硬件电路调试方法、系统后期维护等知识是本环节的关键。项目的实施分四个阶段进行:第一阶段利用现有的实验或实训设备对项目进行感性认知，以自动门控制系统设计项目为例，应首先明确PLC控制对象的特点、控制动作执行的要求，自动门的安装环境，现有的设备条件以及每个学生团队的人员结构;工程策划和实施是项目实施的第二阶段，教师引导学生按照CDIO模式完成，在这个阶段，学生作为项目执行主体，老师作为场外指导;第三阶段进入评价环节，由教师根据项目完成情况，实施对学生CDIO能力的评价和项目完成情况的专业评估;第四个阶段由教师与学生共同完成项目的总结工作，每个小组将在项目实施过程中获取的经验与大家分享，相互交流，达到学以共享的最终目标。

2.4 多课程融合教学

可编程控制器控制系统设计过程涉及到PLC与计算机、PLC与触摸屏、PLC与PLC之间的通信连接，涉及到与气动技术相结合的控制技术，涉及到控制过程中检测传感技术。下面简单介绍PLC教学与通信、传感和气动课程的结合应用。

与通信课程结合应用。PLC具有很强的通信功能，能完成与其他PLC、智能设备或计算机之间的通信，形成工业自动化通信网络［3］。在PLC的数据和无协议通信中，通信标准和网络模型得建立，都涉及到通信基础课程。本课程鼓励学生在完成项目过程中，具备工业自动化通信网络知识学习能力，获取通信的相关知识。

与气动技术相结合。在机械手项目实施过程中，需要将气动技术与PLC控制相结合，完成机械手的动作过程。在硬件电路装配中要学生完成气缸的装配，电磁阀的连接。这些都是搭建硬件电路的必要环节，借此培养学生对于气动技术的相关知识的学习和了解，使两门课程达到相互促进、相互融合的目的。

与传感器技术结合。在自动门控制项目、电梯控制项目、机械手项目都涉及到传感器的应用，传感器在控制系统的应用非常广泛，构成了控制系统的神经系统。在PLC控制系统设计中，需要完成传感器选取、传感器与PLC之间的连接，因此可以将传感器学习融入到PLC控制项目完成过程之中。

2.5 顶岗实习教学

通过项目学习，学生掌握了PLC控制系统设计所需的基础知识后，在课程学习的最后阶段，让学生真正的进入到工程职场中去，即顶岗实习。通过顶岗学习，将在项目学习中获取的知识运用于企业工程现场，培养学生现场处理问题的能力和灵活运用知识能力，并最终达到学以致用的目的。学生进入企业实习期间的状态评估，由企业人员按照企业的质量体系评价。教师跟踪学生在企业顶岗实习的过程，并结合评估结果，分析学生能力与职场需求的差距，再对课程教学内容、教学方式进行一定的修改，形成一个闭环教学系统。需要强调的是，学生顶岗实习教学必须务实，让学生成为一线工人，杜绝走马观花的参观式实习。

2.6 教师的CDIO能力培养

具备较高CDIO能力的教师队伍是CDIO教学改革成败的关键所在。很多老师大多是从一个学校门到另一个学校门，他们有丰富的理论知识和较强的科研能力，但缺乏相关的企业工作经历或工程经验。因此将企业优秀专家聘请到学校来，将老师送到一线企业中去对于提高教师的实践能力和提升教学效果无疑是可行而且必须付诸实施的。

3 教学改革成果

在我校进行国家示范高职院校和国家骨干高职院校建设的背景下，本课程的CDIO模式教学改革于2010年在我校供电专业进行，取供电4个班级中的一个班级进行教学改革试点。由教研室4位老师组成课程教学团队，共同制定CDIO课程教学大纲，完成课程项目制定工作。通过一个学期的教学改革，其成果主要体现在以下两方面:

学生积极响应—在教学改革学生动员会上，学生就对教学改革产生很大的兴趣。在教学改革实施过程中，学生之间相互配合，与老师积极互动，共同完成了教学改革内容。

实习单位评价更高—在顶岗实习阶段，将教改班的学生和非教改班的学生交叉派往重庆市某企业中从事同样的工作。根据企业反馈的评价信息和实习带队教师对顶岗情况的记录，我们发现对教改班级学生在获取知识、团队协作、产品设计与维护和有效沟通方面的综合评价高于非教改班级学生。