改进CDIO下“电气控制与PLC技术”教学研究

王玉槐，安 康，胡克用，勾治践，吴小涛

（杭州师范大学 钱江学院，浙江 杭州310036）

0 引言

“电气控制与PLC技术”课程是高等院校机电类专业的一门重要专业技术课，也是我院“十三五”重点支持“新兴智造”专业群重点建设的一门群内共享课。然而，目前该课程以课内教学和课外作业为主的传统教学模式普遍存在课内外脱节、师生进度分离的问题。这些问题必然导致学生知识生疏遗忘、学生追赶不上教学进度、教师不了解学生学习掌握情况、个性化指导缺乏、课堂互动缺失、知识创新应用困难等现象涌现，严重阻碍了工程创新人才培养。为了顺应新时代人才培养和PLC课程教学的目标，做到学习路上一个都不能少，需要对传统教学模式进行改革。

CDIO（Conceive，Design，Implement and Operate）是目前国际上比较认可的先进工程教育模式［1～3］。2005年，顾佩华等首次引入CDIO到中国，并进一步研究提出了EIP-CDIO教育理念，详细探讨了其培养模式、“鱼骨图”课程体系、课程设置、教学质量评估监督体系等［4～5］。李彤等提出了SECDIO模式，阐述了其内涵和特点，为工程教育提供了科学发展的新途径［6］。钟寿仙等提出并实践了MPC-CDIO教学模式，描述了其课程体系、教学模式、考核体系等［7］。邓涛提出基于ERTIC-CDIO理念的城市轨道交通车辆专业人才培养模式，并探索了培养模式、课程体系、教学内容、教学质量、评估体系、实践环节等的综合改革［8］。王春风等研究了基于KSP-CDIO的口腔医学实践教学的培养目标、教学内容及方法、保障体系和评价体系改革［9］。王铭军研究了移动学习ML-CDIO教学模式，给出了其实施的基本条件和评价指标［10］。可见，现有研究主要都是结合课程内容体系及专业职业目标对CDIO模式从等培养模式、课程体系、评估体系等方面进行创新探索及实施。然而，很少有关注CDIO过程中教师如何及时主动掌握学生进展情况进而动态调整教学内容的，而这却是直接影响CDIO教学效果的关键问题之一。同时也发现，CDIO虽然已成为近十多年来我国高等教育研究的热点之一，但至今仍未在我国高校中广泛推广开，仍需要结合智能学习时代进行创新探索和自我革新［11～13］。

随着智能手机的普及，微信已然成为国内最受欢迎的移动社交软件。其良好的群众基础和很高的交互性及即时性为移动学习和微学习提供了最为充足的条件。王李冬等利用微信平台搭建了移动微课学习环境，设计了弹性翻转课堂教学模式［14］。罗先辉等、王兆守等研究了大学教学管理中微信平台的使用，并指出将雨课堂和微信公众平台相结合可能会创造一个更为优秀的微信教育平台［15～16］。

为达到教师和学生同频共振，课内和课外无缝衔接，本文利用微信雨课堂平台和CDIO模式，创设学习环境，开发课程资源，设计课程教学，提供学习服务。通过引入线上即时讨论、知识测评和进度反馈机制，探讨动态反馈调整的改进型CDIO模式，并在新兴智造专业群“电气控制与PLC技术”课程中进行了教学应用，取得了良好的教学效果。

1 改进型CDIO模式设计

传统教学由教师主导教学全过程。课内，教师按教学计划将教学大纲内容讲授给学生，课堂互动基本靠教师对极少数优秀学生的提问完成，致使课堂往往转变成教师的“一言堂”。课外，学生完成教师布置的习题作业，学生和教师的交流基本靠作业完成，致使学生对课程内容普遍生疏甚至遗忘。因此，传统教学中学生经常只能吸收教师讲授知识的一部分，很难关联前后孤立的碎片化的内容并在后续进行综合灵活应用与创新。

与传统教学相比，CDIO强调面向工程的项目驱动，凸显学生“做中学”的主体地位，要求以综合的培养方式使学生主动的、实践的学习以达到基础知识、个人实践能力、人际团队能力和创新能力等方面的预定目标。CDIO以项目为载体，有效建立了知识的前后联系，仅仅依靠课内时间将远远不够，势必需要学生花费大量课外时间进行学习和实践。显然，如何消除课内外的明显分隔，使教师成为学生学习全过程的协助者将是CDIO模式有效实施的关键。然而，目前普通CDIO很少关注教师对学生学习过程尤其是课外进度状态的主动干预，以及实时动态乃至个性化调整教学内容。

本文提出的“电气控制与PLC技术”改进型CDIO模式是一种引入基于即时反馈交流的主动干预动态调整机制的CDIO工程教育模式，具体指以CDIO的理念设计PLC课程教学，以工程项目驱动学生课内和课外学习过程，在项目研发实施过程中引入即时反馈，学生及时交流反馈问题和进度，教师主动干预学生学习和项目进展状态，进而有针对性地调整课程内容、教学方法及项目进度。课前学生利用微信雨课堂公众号查看教师发布的项目任务，学习微课视频，预习核心知识点，查阅文档资料提出发现问题构思项目需求和方案，开展线上交流讨论并提交反馈课前进度；课内教师根据课前进展情况灵活改变授课内容和策略，通过案例剖析、讲授、小组讨论、示范演示、动手实践、汇报展示等形式，引导学生分析问题设计项目软硬件系统，然后解决问题，实现实验调试；课后依托雨课堂，运作完成项目总结评价、内容反刍及内化，通过模拟仿真进行项目的拓展创新训练，并反馈仿真进度结果。改进型CDIO模式，如图1所示，以工程项目为载体，在课前、课中和课后进行连续性实施和即时性反馈，这些为过程性多元化评价提供了充分依据。

图1 动态反馈调整的改进型CDIO模式

1.1 改进型CDIO模式下教学项目设计

教学项目依然是改进型CDIO模式的关键之一。教学项目结合企业实际生产和工程案例进行优化设计。联合企业专家和工程师共同开发设计的典型教学项目及教学目标如表1所示。

表1 课程教学项目与教学目标

1.2 改进型CDIO模式下教学项目实施过程

依托所设计的工程教学项目，按照CDIO理念在课前、课中和课后进行分阶段连续性实施。以小车自动装卸货项目为例，首先分析其核心是电机正反转控制，学生在掌握传统继电接触器控制电机正反转技术的基础上进一步学习该项目的PLC控制设计及实现。其改进型CDIO模式下教学过程阶段分解如表2所示。

表2 小车自动装卸货项目阶段分解

课前，教师通过雨课堂发布项目总任务装卸料小车左右自动往复运行控制和配套课件、教学案例、仿真演示、微（慕）课视频、重难点知识小测试等资源，学生根据收到的任务和教学资源完成相关学习测试、通过查阅资料构思项目具体控制要求和方案并通过雨课堂进行反馈交流。教师根据测试情况了解学生对相关知识的掌握情况并指导学生优化与其知识掌握情况相协调的个性化的需求和方案。

课中，首先，教师结合课前完成情况，有针对性地介绍所选电器的原理及应用，通过小组讨论共享构思方案，掌握电器使用和系统的工作原理。其次，教师引入案例讲解，引导学生结合自己所构思方案开展交流讨论自主完成IO分配、电路设计、程序设计等，通过学生分享讨论和师生互动讨论，推选展示优秀设计。控制线路设计和梯形图设计是本项目教学实施的核心目标，通过前述多种形式形成的动态反馈调整的改进型CDIO模式可以从方法和过程中实现优学派学生带动学习效果不佳的学生，确保学生至少完成最简形式的小车自动往返PLC控制接线图和程序流程图，如图2所示。最后，学生根据其设计自主进行仿真和实验调试，通过自主探讨和教师指导答疑解决遇到问题，进一步掌握和巩固所学知识，加强理论和实践结合，实现最初构思的控制需求。

图2 小车自动往返PLC控制

课后，学生利用雨课堂和微信提交线上习题测评、小车自动装卸货项目技术总结报告、创新提升成果、成果视频等，巩固知识点，促进知识内化和创新拓展。教师根据学生提交反馈信息进行个性化差异辅导、优秀展示，教学再分析，进而开启下一次课程教学设计和实施。

1.3 改进型CDIO模式下课程考核

现行考核方案最终综合成绩由平时成绩（主要依据考勤、作业和实验报告完成情况）占30%、期中考试成绩占15%和期末考试成绩占55%三部分构成。该考核方式一定程度上能反映出学生对基础知识的掌握程度，但极易受考前复习情况的影响，很难覆盖动手实践能力和团队协作能力，养成了很多“纸上谈兵”的学生。

改进型CDIO模式下课程考核注重面向过程的综合能力整体评测。每个项目完成“构思-设计-实现-运作“四个阶段后，整理所有学生在过程中形成的方案、作品及文档等全部资料。学生以小组为单位对所有学生的项目方案、功能、完成情况等比对讨论并完成自评和互评。教师对学生的交流反馈、方案构思、设计实现、团队协作等进行能力评价，并对作品完成质量、创新表现、文档报告等进行成果评价。另外，针对专业基础知识，开展线上线下知识测评。最后，综合所有评测成绩形成课程的最终考核成绩。

2 改进型CDIO模式下教学效果分析

为验证改进型CDIO模式的教学效果，在杭州师范大学钱江学院新兴智造专业群3个班级“电气控制与PLC技术”课程进行了教学实施。按班级采用不同的教学模式进行教学效果对比。1班40人采用结合项目讲解的传统教学模式，2班35人采用普通CDIO项目教学模式，3班40人采用本文提出的改进型CDIO项目教学模式。

分析学生课前、课中和课后项目任务的参与完成度。考虑到1班采用项目讲解教学未布置项目任务情况，因而，重点对2班和3班的完成情况进行比较分析，如图3所示。

图3 学生项目任务完成度

由图可见，①课前完成度，2班为74.3%，3班经过课前进度反馈和个性化交流后达87.5%。这一结果表明，线上进度交流反馈能够明显提升学生课前环节的参与完成度。②课后完成度，2班为82.9%，作业测评正确率为75.0%，3班达90.0%，作业测评正确率为86.5%。这一结果表明，改进型CDIO模式不仅能提高学生的参与完成度，而且能提升学习效率。③2个班课中和课后的完成度均超过课前，进一步验证了课前学习可以有效提高课堂及课后效率的事实。④无论课内还是课外，3班的完成度均明显超过2班。上述结果均表明，采用改进型CDIO模式可以有效提高学生课外学习的参与度，有效增强课内课外学习的衔接性，有效加强师生的互动性和协调度。

分析三个班学生在课程测评环节的理论和实操成绩，如表3所示。

表3 成绩测评表

从测试结果来看，

（1）三个班的实操成绩均及格且都优于理论成绩，其原因在于相比于枯燥的理论知识，独立学院学生更喜欢动手实践。

（2）3班成绩优于2班，2班成绩优于1班。特别是理论成绩及格率方面，3班超过2班和1班分别达10.3%和22.5%。

结果表明，利用改进型CDIO教学模式的班级，能够获得更好的教学效果。通过动态反馈调整机制有效增进了师生相互了解教和学的进度，带动了学生课内外的知识的联系，进而提高了学生学习的积极性和主动性。

最后，从学生创新能力来看，近三年来学生团队获得17项省级及以上一类学科竞赛奖，22件国家授权专利，8项校级科研创新项目。自开展CDIO及其改进型教学模式探索以来所取得的这些成绩进一步表明，CDIO及其改进模式能够有效提高学生理论联系实践的工程应用能力，更能激发其工程创新能力。

3 结语

基于CDIO理念的“电气控制与PLC技术”课程教学，利用“雨课堂”微信公众号平台引入线上即时交流反馈机制，并主动干预动态调整教学内容。将动态调整反馈机制和项目教学融合，形成改进型CDIO模式。在新兴智造专业群进行了教学实施，学生在课前、课中和课后的参与度和完成度均比传统讲授模式和普通CDIO模式有明显提高，表明该模式有效加强了课内课外学习的连接，增强了师生进度的协调，提高了学生学习主动性；测评及竞赛等成绩进一步表明，该模式有利于提升学生的学习成绩，提高学生的分析及解决工程问题的能力。