基于CDIO理念的PLC教学方法研究

杨旭东

【摘 要】本文介绍了CDIO先进的教育理念、PLC课程的特点以及在教学中存在的问题，确立了运用CDIO理念指导教学方法改革。针对课程的教学内容、组织过程、考核与评价机制等主要方面进行了实践和总结，并就相应的策略予以了分析。

【关键词】PLC；CDIO；教学方法

CDIO工程教育模式是由美国麻省理工学院等国际著名高等院校推出的一种新型的教育模式。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），是一个新型的高等工科教育模式。它是以产品研发到产品运行的生命周期为蓝本，让学生以主动的态度、实践的方法学习工程。培养学生的工程意识，掌握实际生产工艺技能。获得熟悉生产环境，解决实际问题的能力。使学生更加积极主动地投入到学习生活中。

可编程序控制器（简称PLC）是一种在工业控制领域应用十分广泛的自动化设备，它是PLC、变频器、触摸屏、工控机、组态软件、现场总线等设备构成的现代工业控制系统的核心。作为制造业三大支柱之一的PLC技术，已经成为每个机电工程技术人员必须掌握的一项技术。PLC课程教学效果的好坏对毕业生的就业也将产生很大的影响。因此，该课程必须要有优秀的教学理念，完善的教学设计，这样才能取得良好的课程实施效果。

1 传统教学模式存在的问题

传统教学方法是从PLC的基础知识开始，介绍PLC的硬件结构和工作原理、PLC的编程指令、应用程序设计。教学过程中，主要以教师为主导地位，学生为载体，被动地接受知识。PLC应用技术特点是综合性较强，知识覆盖面宽，新产品更新速度很快。如果理论内容较多，理论与实际脱节，教学效果不会很好。花费很长时间学习各种指令的语法，而不重视指令在实际工程中的使用方法，学习过程是被动地接受各种知识而没有培养学生的主观能动性，无法培养严谨的工程应用能力；在程序设计时，缺少实际项目的实施目标，不能对实际项目进行任务分析、总体方案设计、程序设计。只是为了考试而编程，没有建立工程的概念，对工程设计没有深刻的理解；课程结束后对于控制系统设计没有清晰的思路，难以达到令人满意的学习效果。

PLC技术和变频器以及人机界面的综合应用在工厂控制系统中广泛使用。但是大多数院校并没有专门设置PLC、变频器和触摸屏或者组态软件综合技术一体化教学课程。而是主要学习PLC、变频器的理论，再加上各自独立的验证性实验的方式进行教学。而且实践课时偏少，学生往往只能掌握各门课的基础技能。内容相对独立，学生无法从整体上把握控制系统开发的思路，也就无法体现“构思、设计、实现和运作”的教学思想。另外PLC、变频器和触摸屏种类繁多，各种新产品层出不穷。当毕业生就业时从事相关行业工作，如果没有综合性的项目培训，只是学会一些理论知识，所学专业知识与生产实际存在一定的脱节。毕业生需要很长时间才能适应企业的需求，这就降低了人才的竞争力。

2 基于CDIO理念的教学模式

传统的教学模式只注重理论环节。针对传统教学方法的不足，我们将先进的CDIO教学理念引入PLC课程教学。从项目构思、设计、实现到运行，开发PLC教学和实践项目结合一体化的实践教学内容，结合实验室现有机型三菱FX系列PLC，开发以项目为驱动的课程标准。课程以项目为主线，将相关知识点和原理等内容贯穿其中，循序渐进地将理论与实践相结合，内容少而精，学生学起来不枯燥，而且项目基本涵盖了工业控制领域PLC控制系统常用技术。

常用的项目包括以下几个。项目一通过电机启停控制让学生掌握PLC基础知识及PLC的基本工作原理，包括基本指令应用。项目二是电动机Y-△降压启动，主要学习定时器编程使用方法。项目三是工作台自动往复运动控制，学习行程开关和计数器的使用方法。项目四是气动机械手的控制，让学生掌握顺序控制的方法，学习气动电磁阀的控制。项目五是立体仓库控制系统设计，学会步进电机控制指令的使用。项目六是变频器多段速控制，包括丹佛斯、三菱、西门子等机型，采用不同方式实现对电机的调速控制。项目七是模拟量的温度控制，可通过内部模拟量指令实现控制，学习使用PID指令实现闭环控制。项目八是触摸屏、PLC的液体混合控制，学习使用触摸屏设计人机界面以及和PLC相互通信。项目九是触摸屏与变频器、PLC恒压供水控制系统，学习用触摸屏、PLC、变频器相结合的控制方式，学习设计信息简洁丰富的人机界面，并且可以通过互联网实现远程监控。PLC技术的发展方向之一是网络化与智能化，随着物联网技术的发展，PLC通讯联网功能将会越来越强大。这十个项目基本涵盖了PLC教学要求中的知识点。使学生逐渐将理论与实践相结合，在实践中学习各个重点和难点，学生会在学习中充满成就感。

项目的选择是精心安排安排的，按照知识点合理分配的原则。而且每一个项目都应该是实际项目，来自于生产一线，同时应用比较广泛。按照项目的知识连贯性和学生的能力基础，把整个学习过程分三个阶段，每一个阶段包括三个项目。在第一阶段，学生对相应的PLC理论知识与电气实践技能还不了解，需要通过教师示范教学引导，这样学生才能适应以项目为核心的教学方法，初步学习完成项目的具体步骤，为后续项目教学组织奠定良好基础。第二阶段，学生通过第一阶段的学习，初步掌握了实施项目工作的具体步骤与常用的实践技能，已经掌握了一定的理论知识，项目四、五、六这四个项目属于第二阶段内容，指导教师不用示范教学而是制定概要的项目步骤，学生依据步骤完成任务，目的是加强学生的进一步自己独自完成项目的能力；在项目进行过程中，要重点使学生掌握提出问题，分析问题，解决问题的能力。提出合适的问题，才是解决问题的关键。第三阶段，也就是综合项目阶段，学生已经具有初步的专业知识和分析问题解决问题的能力。通过本阶段训练，进一步提高学生的综合项目能力，通过实际的综合性项目训练，学生的专业技能能力、解决问题能力、团结组织能力和人际交往能力得到很大提高。通过三个阶段的努力，学生找工作时，非常受到用人单位的欢迎。需要重点指出项目必须来源于常用的生产现场，每一个训练项目都包括构思、设计、实现、运行（CDIO）四个环节，真正在理念上贯彻这个理念。尤其重要的是初级阶段的项目设计，每个项目中包含的知识点不能过多过难，也就是说学习训练负荷不能太大，要让学生有边学习边思考的时间，重点和难点内容要经过反复训练。项目内容的选择非常重要，需要具有丰富经验的教师设计。

3 项目实施的教学组织过程

项目教学过程中，基于CDIO教学理念，按照构思、设计、实现、运作、评价等环节，认真体验做中学、学中做。任何知识的运用与能力的培养都不是一蹴而就的。能力的培养如果仅仅是学生被动的在课堂训练，这是远远不够的，学生课后也需要全心投入。在CDIO教育理念下，提示学生对项目中所涉及的各种知识自己需要主动的学习。资料的查找，实际项目的应用情况，都是学生在课外调查研究。

CDIO理念培养人的综合能力，注重学生的整体素质的提高。在课改教学组织过程中，课程组成员采用简单控制系统由学生独自完成项目，稍微复杂的控制系统由老师指定小组分工合作。通过课内学生相互之间的评价和交流，学生借鉴他人经验的能力；交流沟通能力；知识的应用移植能力；自学能力都得到了较好的锻炼。

课程评价改变传统的闭卷考试为主的方式。过程考核成为最重要的部分，其中过程考核占70%，笔试考试占30%。更加注重学生细心严谨的学习，重视培养严谨务实的习惯，注重解决实际问题的能力。

4 总结

在PLC教学中体现CDIO理念，以项目为目标，把专业知识、能力、素质等培养融入到每一个项目教学过程中。学习内容围绕项目这个核心进行，提高了学生的学习兴趣。评价方式的改革，避免了闭卷笔试的弊端。通过实际项目培养学生的综合应用能力，团队合作能力。

【参考文献】

[1]齐占庆.机床电气控制技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]李辉.S7-200PLC编程原理与工程实训[M].北京：北京航空航天大学出版，2008.

[责任编辑：王楠]