CDIO模式在“可编程控制器”技能实训中的应用＊

2021-06-18谭娟

南方农机 2021年11期

谭娟

（武汉交通职业学院智能制造学院，湖北武汉 430065）

0 引言

以技能培训和技术应用为代表的高等职业教育是一种技能型教育，着力于培养高素质技术技能型人才[1]。“可编程控制器”课程是机电类相关专业的一门专业核心课程，具有较强的实践性和应用性。“可编程控制器”技能实训是提高学生动手实践能力、培养学生职业技能和职业素养的重要平台。旨在培养学生具备以可编程控制器为核心的实际控制系统的软硬件设计、安装、编程、调试及运行维护的职业技能；培养学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力；培养学生具有良好的职业素养以及沟通交流、团队协作的能力。

项目载体的教学法是指师生通过共同实施一个完整的“项目”（将教学对象视同为一个项目）而进行的教学活动[2]，它注重项目完成的过程。学生在项目完成的过程中，理解和把握课程要求的知识和技能，形成分析问题和解决问题的思想和方法。本文以项目为载体，将CDIO教育模式应用于“可编程控制器”技能实训教学中，为相关或者相类似实训课程的教学提供参考。

1 CDIO模式的内涵

CDIO是一种基于构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运行（Operate）的工程教育模式，它是“做中学”和“基于项目教育和学习”的集中概括和抽象表达[3]。第一阶段构思，要明确客户需求，考虑所需技术、企业规章制度和战略要点等，尽可能优化概念、技术与商务案例；第二阶段设计，制定计划、草案、图纸等；第三阶段实施，将制定的计划、草案、图纸等转化为成果；第四阶段运行，达到预想价值。CDIO模式主要培养学生的科学技术基础知识、终身学习能力、沟通交流和团队协作能力，以及在社会和企业环境下建造产品和系统的能力[4]。

2 “可编程控制器”技能实训现状分析

目前，“可编程控制器”技能实训教学主要是围绕实训指导书和实训任务书开展。实训指导书主要包含项目名称、学习目标、实训准备、知识背景以及考核评价方法。实训任务书主要用来下达实训任务与要求、进度安排以及学生实训成绩的评定。实训指导老师一般在课前安排班委分发实训指导资料，但很少有学生在课前认真研读这些纸质的实训指导资料。实训教学过程需要花费大量时间对实训所需理论知识点进行讲解，以及进行硬件接线和软件编程的示范操作，因此，大大缩短了学生动手实践的时间。再者，“可编程控制器”课程指令多，晦涩难懂，高职院校学生基础差，学生对技能实训的自信心不够，导致学习兴趣、学习积极性不高。在实际教学过程中，实训指导老师缺乏对学生个性化、创造力的培养。实训指导老师习惯于提供统一的I/O地址分配，导致每个学生的硬件接线、程序编制基本雷同。

3 CDIO模式在“可编程控制器”技能实训中的应用

“可编程控制器”技能实训的指导思想是：选用真实项目作为载体，应用CDIO模式进行教学过程设计。在选用具体的教学项目时，要依据教学大纲设定的教学目标，联系生产生活实际应用，使学生能够运用所学知识解决实际问题。以“可编程控制器”技能实训教学项目“十字路口交通信号灯的控制”为例，介绍CDIO的应用。实训所需设备及工具：电脑、STEP7编程软件、S7-300 PLC、交通信号灯模块、连接导线及其相关工具仪表等。教学过程设计按照CDIO模式划分为构思、设计、实施及运行四个阶段[5]。

3.1 构思阶段

在构思阶段，实训指导老师需要明确教学目标及教学重难点，提出任务内容与要求；而学生需要自主查阅资料，构建知识体系。以“十字路口交通信号灯的控制”为例进行说明，十字路口交通信号灯示意图如图1所示。

图1 十字路口交通信号灯示意图

交通信号灯系统控制要求：按下启动按钮，交通信号灯系统开始工作，控制过程循环进行；按下停止按钮，所有信号灯都熄灭。交通信号灯控制时序图如图2所示。

图2 十字路口交通信号灯控制时序图

教学目标：1）知识目标。根据系统的顺序功能图用顺序控制法设计。2）能力目标。交通信号灯系统的软件安装、硬件接线、系统调试；利用S7-GRAPH编写顺序功能图程序，并写出对应的梯形图程序。3）情感目标。培养学生沟通交流、团队协作能力；任务驱动，激发学生学习兴趣，提高学生自主学习能力；培养学生分析问题、解决问题的能力。

教学任务：1）认识顺序功能图。2）应用S7-GRAPH编写顺序功能图，并写出对应的梯形图程序。3）运行并调试程序直至满足十字路口交通信号灯的控制要求。学生在明确任务内容及要求后，自主查阅PLC控制系统设计、顺序功能图、S7-GRAPH、STEP 7、基本逻辑指令及定时器等知识点。

3.2 设计阶段

在设计阶段，实训指导老师主要任务是引导学生利用理论知识解答实际问题，鼓励学生大胆试错，提出各种解决方案。实训指导老师可以采用不断提问的方式引导学生自主思考、交流讨论，使学生完成交通信号灯控制系统硬件接线草图及程序初稿。针对项目“十字路口交通信号灯的控制”可设置如下问题。

问题1：根据控制要求，确定I/O设备，即确定“启动按钮”“停止按钮”“东西南北红黄绿12个信号灯”哪些是输入设备，哪些是输出设备，并分配I/O地址，绘制PLC的外部接线图。

问题2：什么是顺序控制，如何利用S7-GRAPH创建顺序功能图，并对其进行设置和调试。

问题3：如何将顺序功能图转换成梯形图，并利用STEP 7软件进行编程、调试。

实训指导老师通过不断地提问，发散学生思维；学生就老师提出的问题进行思考，在小组内进行交流讨论，实现团队协作；在讨论交流中，通过不断新增假设，培养学生创新精神。

3.3 实施阶段

在实施阶段，实训指导老师要加强对学生职业素养以及工匠精神的培养；要引入企业、行业规范和职业技能标准，强化对学生职业技能的训练；要强化操作流程的熟练度。针对项目“十字路口交通信号灯的控制”，实训指导老师要组织、引导学生将设计阶段绘制的图纸、编制的程序转换为成果。引导学生依据绘制的PLC外部接线图，完成硬件接线；引导学生使用STEP 7软件创建项目、组态硬件；引导学生应用S7-GRAPH创建、设置并调试顺序功能图；引导学生将顺序功能图转换为梯形图，并利用STEP 7软件进行编程、调试。

3.4 运行阶段

不断修改、调试程序，直至达到“十字路口交通信号灯的控制”要求为止，学生通过自我不断实践，体会成果带来的成就感以及创新带来的喜悦感。同时，为了进一步巩固学生学习成果，小组内成员在实训操作结束后，总结实训经验，编制PPT进行展示汇报，就设计思路以及硬件接线、程序调试运行中的问题进行总结、分析，并就解决方案进行成果分享。在汇报展示过程中，实训指导老师鼓励其他组同学就展示汇报内容进行提问，互相学习探讨。