基于CD IO的可编程控制器课程教学改革与实践

刘志辉，赖育青

（1.邵阳学院 机械与能源工程学院，湖南 邵阳 422000；2.中南大学 机电工程学院，湖南 长沙 410083）

基于CD IO的可编程控制器课程教学改革与实践

刘志辉1，2，赖育青1

（1.邵阳学院 机械与能源工程学院，湖南 邵阳 422000；2.中南大学 机电工程学院，湖南 长沙 410083）

文章首先介绍了CDIO模式的由来，并基于CDIO模式分别从教学方法、教学内容、考核方式上对可编程控制器课程教学进行了改革介绍。通过教学改革前、后的对比分析表明，引入CDIO新模式后，学生灵活运用本门课程解决实际工程问题的能力大幅提升，更能适用工程应用型人才培养需求。

CDIO；可编程控制器；教学改革

可编程控制器（PLC）是机械设计制造及其自动化专业机电一体化方向及其相关专业的必修课程，该课程要求学生了解可编程控制器的结构组成，工作原理，掌握一些常用指令的使用方法，能根据一些简单的控制需求使用梯形图及顺序功能图等语言编制程序，能够完成可编程控制器与输入、输出设备的接线。学完本课程后，学生应该具备在一些自动化控制应用场合，特别是一些简单的非标自动化设备控制场合独挡一面的能力。然而可编程控制器课时少，传统的教学着重讲原理，理论联系实践较少。虽然本课程也开设了实验课，但大多数都是验证性的，造成学生工程意识相当薄弱，往往达不到预期目标，另外，学生虽然能编制一些简单程序，但在实际工程应用时，例如，三相交流异步电机变频调速PLC控制；步进电机调速PLC控制；伺服电机速度、位移、力矩PLC控制；气缸的方向PLC控制等，学生基本不具备解决这些问题的能力。因此，鉴于传统的PLC教学方式，学生达不到应有的能力，为改善现有状况，文章基于CDIO模式，针对PLC从教学方法、教学内容、考核方式上进行了一系列的教学改革。

1 CDIO模式概述

CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运行（Operate）四个英文单词取首字母的缩写。所谓“构思”是指明确客户实际需求，制定商业计划和项目计划；“设计”是指对具体项目进行系统分析，设计开发产品所需的各种图纸、程序等；“实施”是指把设计图纸、程序变成具体产品的过程，包括零件制造、组装、调试等；“运行”是指对设备的维护、改进和淘汰等。CDIO理念最初由MIT于20世纪90年代小范围内改革试点，后面联合瑞典3所高校组成跨国研究组，到现在已经有包括中国、法国、新加坡、丹麦、南非、芬兰等国在内的20多所大学共同发展和完善CDIO教学模式。

2 基于CDIO的可编程控制器教学改革

（1）教学方法改革。由于CDIO强调的是培养学生不仅具有扎实的工程技术基础知识，且具备良好的团队协作能力、主动分析问题、思考问题及解决问题的能力。传统的理论教学为主，验证实验为辅的教学模式显然达不到理想的教学效果。为使学生具备扎实的工程技术基础知识，采取基于项目制的教学方法，使理论密切联系实际。传统的教学方式，先在课堂上讲授理论知识，然后在实验室进行验证，比如三相交流异步电机的正反转控制，学生基本上都是按部就班在教学实验台上的控制面板上完成接线操作，对于实际工程应用时的PLC真实面貌，接触器、按钮等器件与PLC的真实接线情况没有一个本质的认识。基于CDIO的教学方法，以实践教学为主，以实际工程项目为载体，理论教学和实践教学同步进行，在进行具体项目的同时完成理论教学，且实际项目都是实打实接地气的企业工程项目，且实验项目可由学生自主设置，让学生完成本课程学习后就能为企业解决一些实际问题。

（2）教学内容改革。PLC主要为实现系统自动控制服务，系统自动控制简单讲就是液压系统、气动系统的方向控制，主要控制电磁换向阀；三相交流异步电机的方向和速度控制，主要是控制变频器；步进电机、伺服电机的方向控制和速度控制，主要是控制驱动器。而一个控制系统，基本上就是由这些动力元件的组合控制。CDIO的核心就是培养学生设计能力、动手能力。因此将PLC教学内容分成两大模块。第一大模块就是单元式项目教学，具体包含简单液动、气动回路控制设计，此回路为单个的液压缸、气缸方向控制，理论知识介绍按钮等输入设备、电磁阀等外部输出设备接线，基本指令，编程软件使用方法，程序调试、上传和下载等内容；三相交流异步电机的速度控制，正反转控制，主要介绍按钮等输入设备的接线，变频器、接触器等外部设备与PLC的接线，基本指令的使用方法，PLC的输入、输出接口原理以及扫描工作方式原理等内容；单个交流伺服电机的速度、位置、力矩控制等，主要介绍交流伺服电机、伺服驱动器、PLC之间的外部接线，特殊功能指令使用方法。第二大模块就是系统式项目教学，将单元式项目进行组合可以组装成系统，且系统可由学生自行设计，比如机械手的控制，机械手的结构设计、制造、装配，到动力元件的选取，可由学生自行决定，老师全方位配合与支持，保证项目能顺利实施。

（3）考核方式改革。传统可编程控制器课程定性为考试课程，考核主要采取闭卷考试方式，卷面成绩占总成绩的70%，平时成绩分三块，分别为考勤、作业和实验，各占10%，而这三项成绩通常与卷面考试成绩挂钩，一般卷面成绩高的话，平时成绩一般也高。通过闭卷考试，虽然一定程度上能反映学生基础知识掌握情况，但很难评判学生实际动手能力和灵活运用知识的能力。基于CDIO模式的教学，主要培养学生思考问题、分析问题以及解决问题的能力，具体体现在学生的实际动手方面。因此，传统的考核方式已不能适应新型的教学模式，而新型教学模式对学生的考核面临公平和公正问题，因为基于CDIO模式的PLC课程教学模式取消了传统的试卷考试形式，因而没有一套标准的参考答案及评分标准。为了合理评判学生的学习效果，笔者在可编程控制器的考核方式上进行了大胆改革，并得到了学校大力支持。课程考核采取项目制考核方式，每八位同学成立一个小组，每小组分配一个项目，各组成员对项目进行分工，分别承担项目方案确定、零件设计、零件制造、标准件选型、产品装配、电气元器件接线、程序编制与调试等任务，每位同学重点完成自己分工的任务同时全程参与整个项目的完成，整个过程都在指定的实验室和实训中心完成，老师不定期指导并考勤。项目完成后，成立答辩小组，在规定时间内由每个小组代表完成项目答辩。考核成绩也分三大块，平时上课和最后考核项目考勤共占25%，项目完成效果评判占50%，答辩占25%。

3 基于CDIO的可编程控制器教学效果及存在问题

（1）教学效果。基于CDIO模式开展的教学改革能有效提高学生学习的积极性，学生主观能动性大幅增强。以前课堂教学只有少数学生认真听课，绝大多数人在心不在，考试时基本都是突击应付，对PLC的工作原理、基本指令、编程方法、接线方法等内容认识不透彻，更别说实际应用了。通过对比发现，教学改革前的学生，在做相关毕业设计时，工程意识很薄弱，对于气缸控制、电机控制等没有概念，不能顺利编制顺序功能图等程序，毕业后很少有学生从事电气控制类的工作。而基于CDIO教学改革后，学生发生了明显变化，学生团队意识增强了，激发了学生对PLC这门课程的兴趣，甚至对机械设计这个专业都产生了浓厚兴趣。感觉变化特别明显的是，学生在做电控类毕业设计时，能独立自主并很轻松的完成任务。而毕业后，学生进入非标自动化设备研发企业的人数占比很大，据相关企业反馈，学生进入企业上手很快，设计能力和动手能力突出，深得企业好评。

（2）存在问题。尽管基于CDIO模式的PLC教学改革效果明显，但还是存在不少问题。①基于项目形式的教学，要求学生根据项目要求制定方案，设计零件结构，完成零件制造，到装配样机调试，整个过程使用的都是真材实料，而非以往的虚拟仿真，因此经费、加工设备、装配场所等是主要问题，需要学校给予大力支持才行。②传统的教学方式一般两个班可由同一个老师分开上课，统一考试，但基于CDIO模式的PLC教学，学生是分组完成不同项目的，平时指导时，学生可能会碰到各种不同问题，一个老师指导不过来，且在学生最后答辩时需要成立答辩小组，因此在人力上也需要学校的大力支持。③基于CDIO模式的PLC教学，学生各方面的能力虽然能得到大幅提升，但要顺利拿到本门课的学分学生需要花费传统教学时间几倍以上，由于学生还有其他课程要上，因此在最后的项目考试阶段，学生需要利用晚上时间或者假期时间完成，学生成绩不能像传统教学方式那样结课就可以考试，几天后就能出成绩，通常需要延迟一学期才能给出成绩，这方面也需要学校教务处批准配合。

4 结语

任何教学改革主要目的是为了激发学生的学习兴趣，提高学生团队精神，增强学生综合素质。笔者在长期的可编程控制器课程教学中，通过不断提高自身修养，不断总结教学经验，且不断引入新的教学理念和教学方法。通过尝试和检验，发现基于CDIO模式的可编程控制器课程教学，能有效提高学生团结合作精神、设计能力、动手能力，能适应工程应用型人才的培养需求。

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Teaching Reform and Practice for Programmable Logic Controller Course based on CDIO

LIU Zhi-Hui1，2，LAI Yu-qing1
（1.Department of Mechanical and Energy Engineering,Shaoyang University，Shaoyang，Hunan 422000，China；2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha，Hunan 410083，China）

This paper introduces the origin of CDIOmodel firstly，and then explains the teaching reform for programmable logic controller course from the teachingmethods，teaching content，assessmentmethods based on the CDIOmodel.It is shown that the ability ofstudents to use such course to solve practicalengineering problems have been enhanced significantly，after introducing the CDIOmodel into such course，which canmeet the demands of training the engineering technician for engineering application better.

CDIO；programmable logic controller；teaching reform

G642

A

2095-980X（2017）05-0152-02

2017-04-15

刘志辉（1984-），男，湖南邵阳人，讲师，主要从事可编程控制器课程教学工作。