基于CDIO理念的PLC实验教学探索与实践

达正花 何继爱

摘 要 将学生作为教学主体，以激发学生探索精神、强化实际操作能力、培养工程能力和团队协作能力为目标，运用CDIO教育理念，对PLC实验教学模式进行改革，将CDIO理论与实践一体化思想运用到PLC课程具体的教学过程、学生实验和考核方式中，通过教学实践，取得良好的教学效果。

关键词 PLC；CDIO；实验教学；教学模式；实验台；实验室；电子电气；自动控制

中图分类号：G712 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）08-0117-03

1 前言

培养具有社会责任感、工程意识和工程实践能力，以适应国家、地方经济和企业发展需要的工程技术人才，是工科院校的重要使命。当前高校虽然为社会培养了大批的人才，但与企业真正所需人才质量目标还存在一定的差距，主要原因是目前高校在制订人才培养方案和课程体系时普遍注重理论体系架构，轻实践体系和创新内容建设；教学环节重知识传授，轻创新思维能力、协作能力和工程能力的培养。

CDIO工程教育理念是2000年以来国际工程教育改革的一项新成果。由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学提出以“基于做中学的教育理念”和“基于项目为导向的教学方法”为核心内容的CDIO工程教育理念，并成立以CDIO命名的国际合作组织。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运作（Operate）[1]。这种教学理念以学生为中心，将知识系统化、深入和延展；教师通过引导学生理解整个教学过程，鼓励其自主学习、大胆探索，达到能力训练和培养，具有较强的可行性和检验性[2]。

2 PLC技术课程的特点及实验教学中存在的问题

PLC技术课程的特点 当前PLC技术已广泛应用在所有的工业部门，随着其性价比的不斷提高，应用范围将不断扩大。PLC技术是电子电气、自动控制等专业的一门主干课。其特点是内容抽象，软硬件知识结合紧密、相互渗透，课程的理论性、应用性和综合实践性都很强。PLC技术的实验和实训教学，对培养学生工程意识、工程思维和工程能力具有很重要的作用[3]。

目前PLC技术实验教学中存在的问题 目前，大多数学校的PLC课程实验教学设备以PLC实验台为主，实验内容偏重于对理论知识的验证，设计性和综合性实验比例较低。学生做这类实验时，只要在实验台上按实验指导书给出的步骤进行操作，基本都能得到预期的实验结果。不用思考和设计实验方案，学生的独立思考能力和主体作用得不到充分发挥。另外，实验台的结构基本固定，致使实验内容难以突破实验平台的限制；实际使用中实验台的损坏率也较高，维护也不方便[4]。这都与工程实际结合度不高。

3 CDIO理念下PLC实验教学模式的构建

基于CDIO理念，打破传统的教学模式，把学习新知识、新内容，掌握新方法的主动权交给学生，教师引导学生，以完成项目为主线，构建一个有效的PLC技术课程实验教学模式，使学生在系统学习PLC理论知识的同时，有针对性地设计和参与实践教学活动，在此过程中培养学生的工程能力和创新能力。实验教学模式构建思路（如图1所示）。

4 CDIO模式下PLC教学实施

CDIO理念大纲要求将工科类毕业生从其具备工程基础知识、个人综合能力、团队协作能力和工程系统应用能力四个层面进行综合培养，四个能力层面都必须达到预定的目标要求[5]。基于CDIO工程教学理念，PLC知识能力目标设计如图2所示。结合CDIO教育理念，在PLC课程教学内容和形式上采用分阶段教学。

第一阶段为PLC基础理论部分，主要内容有PLC的结构和工作原理、模块的连接、编程软件的使用和PLC指令系统功能和应用。学生应熟悉不同类型PLC模块的特性、接线方式和编程软件的使用，通过实验加强对理论知识和各种指令功能的理解，学会根据题目要求编写和调试梯形图和顺序功能图等编程语言。内容主要是简单的软硬件验证性实验。这一部分实验都在PLC实验台及所配备的基本实验模块上完成。教学方式采取演示教学法和学生练习为主。学生开始接触PLC实验设备，对PLC设备及软硬件结合不熟悉，有时会感到对实验无从下手，实验过程中遇到的问题也无法自行解决。这时需要教师在一旁解答与传授软硬件方面的知识、编程规则和方法技巧，协助学生发现实验过程中出现的问题，使学生尽快掌握程序的编写规则、写入方法、调试步骤以及故障分析与排除的基本技能，并使学生掌握正确规范的实验流程，养成良好的实验习惯，为后续实验奠定基础。

第二阶段为PLC控制的应用阶段，旨在提高学生分析和解决问题的能力。这时学生已掌握基本的编程方法和指令系统，对PLC模块的接线也比较熟悉，再加上已经具备的电路基础知识，自己有能力设计简单的PLC控制项目。这一部分内容将完全应用CDIO模式，实验项目为PLC控制系统的设计，以设计多个典型项目为主线展开教学，把相关的知识点融入项目的各个任务中[6]。项目只给出控制的模式要求，其他部分将由学生自主设计与制造完成。实验设备以PLC工控板为主，其他需要的硬件电路由学生自己通过PCB软件设计制作电路板并焊接完成。教学具体实施过程中将学生分为四人一组，要求完成时间为三周。结束时以小组为单位进行考核，从产品能否满足控制要求，完成时间，控制系统的安全、经济、实用和维护等方面进行综合考评，由教师和各小组组长共同打分。

在学生完成这一任务过程中，要求先进行项目分析，小组每人设计一个项目方案，然后进行集体讨论，比较优劣后确定最后的设计方案。方案确定后进行任务划分，确定每个人具体负责的实验模块。教师在这个环节作总体指导，介绍学生工程设计规则、设计步骤、所需资料的查询方法、技术文件的整理等，提出实验结果的考核要求，使学生掌握基本的工程技术知识，减少精力和时间上不必要的浪费，提高学习效率。

以设计PLC控制花样喷泉为例，学生确定好实验方案后将任务分成三大模块。

1）系统硬件设计，包括PLC的选择、水泵的选择、各组喷头的选择、水阀的选择、灯具的选择和硬件电路设计。

2）系统软件设计，包括I/O分配，梯形图（SFC程序）设计和组态王监控系统设计。通常两个学生负责硬件部分设计与制造，两个学生负责软件部分设计与编程；下一个项目轮换负责部分，保证每一个学生在实验的各个环节都有所实践。

3）将软硬件结合，进行组合安装、调试，解决故障。

整个设计要求在仿真环境和实际的环境中完成，这期间相关实验室24小时为学生开放，方便学生随时使用。

在整个实践过程中完全遵从CDIO的教育理念，从项目的构思设计、拿出设计方案，到项目实施过程中的分工、合作以及项目进度的安排等，都由学生自行完成，既培养学生独立解决问题的能力，也让学生意识到合作的重要性，进而培养学生的合作意识和合作精神。项目在完成过程中因为有同伴的合作和小组间的竞争，相互间互有勉励与督促作用，也不会产生太多的懈怠，产品完成后又有一种成就感，对培养学生的工程兴趣很有好处。在完成整个项目的过程中，无形中锻炼了学生的工程意识和工程能力[7]。

第三阶段为PLC综合应用阶段，时间安排在学期结束前。学生通过前面的理论学习和基础实验，已经掌握了工程设计规则、编程的基本方法和技巧，对各种实验模块特性和硬件的接线方法也比较熟悉，这就产生自我创造的需求，想自己动手设计一些综合实用性强的控制系统。这时要求学生完成一些应用创新性实验。由学生根据兴趣和爱好选择小组伙伴，每2～3人一组，自行選题，如十字路口交通灯的控制、三层电梯的控制等实用的控制系统。

在整个设计过程中，要求学生完成分析、设计、实施、排错、优化等实际环节，所有软硬件的设计、安装、调试都由学生自行完成，需要在真实的工业控制和仿真的工业对象下完成全部的控制工程项目。教师只需在题目选择的新颖性、实用性和设计方案的简洁性、设计方法的优劣性等方面给予指导意见，其他过程由学生自行完成，教师负责结果的考核验收。这种教师完全放手的教学方式，使学生独立解决问题的能力得到提升，同时激发了学生对工程学习的兴趣并加强了自控能力，对学生创新思维的锻炼和合作精神的培养也是非常必要的。

5 教学考核方式

改变以往PLC课程偏重期末闭卷考试的考核方式，考核的中心由重点考核学生理论知识的掌握转变为考核学生运用知识解决实际问题的能力。对PLC课程不再只注重理论知识的考核，将平时的学习过程也纳入考核范围。最终的成绩由出勤考核（占10%）、平时成绩（占50%）、期末成绩（占40%）三部分构成。

总成绩：

Mi=∑mj

式中，nk为学生实际所做实验次数，n为实验总次数；Mi为i次实验的总成绩（i=1～n），mj为设计实验方案、编写控制程序、所做实验结果和撰写实验报告的成绩（j=1～n）；Q为期末考试成绩。考试前教师需要准备若干份考题，内容包括理论和实操两部分，学生现场抽号决定考题。成绩由理论解答和实操两部分决定，其中实操部分从设计方案、程序编写、实验结果、实验过程等方面打分。

此考核方案注重实验操作过程，不只是考查理论知识的掌握，更侧重考查学生设计实验方案、编写控制程序和实践操作的能力，能够全面评价学生的学习情况，客观体现学生分析解决问题的能力和工程思维能力。同时是学生在平时的学习和实验过程中如何加强自身工程素养、创新思维意识和创新能力的引导，对提高学生学习PLC技术的积极性、增强教学效果都有很好的促进作用。

6 结束语

应用CDIO工程教育理念，不仅能把培养目标融入整个PLC课程教学体系中，为PLC课程的教学提供新思路、新方法，对提高学生主动参与实验的工程思维意识训练也有帮助。同时锻炼了学生运用理论知识解决实际问题的能力和协作能力，是培养学生自主精神、创新意识和合作精神的有效途径。

参考文献

[1]顾佩华，包能胜，康全礼，等.CDIO在中国（下）[J].高等工程教育研究，2012（5）：24-40.

[2]李珍香，李全福.基于CDIO模式的微机原理与接口技术课程实验教学改革与实践[J].实验室科学，2013（1）：65-68.

[3]胡文龙.基于CDIO的工科探究式教学改革研究[J].高等工程教育研究，2014（1）：163-168.

[4]贾宝会，张文，范智勇.“PLC应用技术”课程教学项目驱动教学法实践探索[J].教育与职业，2013（18）：150-151.

[5]张士辉，祁芸，严玮.基于CDIO的卓越工程师订单班课程改革实践[J].高等工程教育研究，2014（5）：187-190.

[6]李桂玲，朱晓莲，蔡之华，等.基于CDIO理念的“数据结构”课程教学的探索[J].中国教育信息化，2015（24）：

50-52.

[7]王宏祥，曾红.基于CDIO模式强化课程实践教学探索与实践[J].实验室研究与探索，2016（10）：196-199.