《电气控制与PLC》CDIO项目化教学的探索与实践

林立松，王建祥，宋卫海，李 莉

（山东农业工程学院 机械电子工程学院，山东 济南 250100）

《电气控制与 PLC》课程是应用型本科院校机械电子工程和电气工程专业的一门专业核心课程，是山东农业工程学院的名课程群课程，主要内容包括常用低压电器、电动机继电器控制、可编程控制基础、PLC基本应用、电动机PLC控制、电气控制综合应用。通过该课程的学习，要求学生掌握电气控制的基本理论知识，了解可编程控制（PLC）的特点、选型依据，区分PLC控制与传统继电器控制的联系与区别，培养学生电气控制一般设计应用能力，具备分析、安装和调试电气控制系统的能力，具备良好的团队协作、沟通协调的能力，为将来从事相关行业工作奠定坚实基础。

1 《电气控制与PLC》课程原教学状况

《电气控制与PLC》是电气类、机电类专业的核心课程，在以往传统的教学过程中一般存在以下几个问题：

1.1 重理论轻实践，重仿真轻操作，甚至课程快结束时学生都没亲身操作过，更谈不上电气控制综合运用。

1.2 实践教学往往与理论教学脱节，实践教学内容往往也是验证性的居多，学生缺乏知识的有效应用能力[1]。

1.3 过于强调教学结果，忽视教学过程，过程考核严重欠缺。

1.4 教学手段单一，教学方法陈旧，现代教学媒体手段利用较少，教学内容与企业实际需求脱节，相当一部分学校仍墨守成规地注重填鸭式教学，学生学习兴趣低。

1.5 理论教学与实践教学不匹配，实践教学与工程环节偏离，实训内容和方法与企业任务很难挂钩。

1.6 缺乏科学、系统的考核评价体系，不能全面客观地反映学生对课程知识的掌握及运用程度，特别是不能很好地反映其动手应用能力[2]。

1.7 忽略了学生团队合作意识与持续性学习能力的培养，忽略了学生的主体作用，不能充分调动学生的积极性与创造性，严重影响了课程教学效果。毕业后很难快速融入企业[3]。

2 CDIO项目化教学的研究

2.1 CDIO项目教学法的含义

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。从2000年起，麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学组成的跨国研究获得并成立了以CDIO来命名的国际性合作组织。CDIO 代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate） ，此模式的提出为工程应用与项目化教学等问题提供了理论依据[4]。

目前国内关于CDIO模式的研究很多，但大多是基于教学方法和方式的理论性研究，甚至仅仅是传统教学模式形式上的改变，换汤不换药，真正涉及运用到实际案例具体运行的研究少之又少，项目教学是通过实施一个完整的“项目”工作而进行的教学活动，项目本身是以一件产品或提供一项服务为目的的任务。其目的是在整个教学过程中，从信息收集、方案设计与实施，到完成后的评价反馈，都由学生具体负责，教师只起到咨询指导与解答疑难的作用。

2.2 CDIO项目化案例体系的研究

2.2.1 深入高校和一线企业，充分调研。

针对当前电气控制专业课程教学出现的问题，调研一线企业和校企合作单位当前电气控制领域的典型工程项目，调研国内开设电气工程及其自动化的本科大学的相关专业课程教学现状，通过针对教学管理者、一线教师和学生、企业技术人才与人力资源管理者的访谈等方式，了解专业课程教学中存在的问题、问题产生的原因、成功人才的经验及教学改革的思路。同时，通过电气控制领域及工程教育研究领域的专家咨询，进一步探索在电气工程及其自动化专业，实施电气控制工程教育教学理念改革的策略和途径。先后完成对浙江大学电气学院电气自动化研究所和系统科学与控制研究所、山东大学控制科学与工程学院、山东华天电气有限公司、济钢设计院等企业电气控制行业的调研，边调研边进行基于CDIO项目化在线课程的建设与教学的探索与实践。结合CDIO与农业院校的特点，将典型的工程工作任务优化为跟学校农业特色培养相关的一个综合课程项目：智慧农业大棚电气控制设计。

2.2.2 根据在线课程平台的探索搭建优化课程分项目。

将课程项目优化为几个相互关联的课程分项目（智慧农业大棚灯光设计、智慧农业大棚出入口控制、智慧农业大棚卷帘机PLC控制、智慧大棚模拟量控制以及智慧大棚综合控制）

2.2.3 将课程分项目细化为多个有机联系的分任务，层层递进地构成与岗位有关的课程教学内容。

2.2.4 绘制CDIO知识-素质-能力鱼骨图。每个项目分为构思、设计、实施、运行四个过程进行，按CDIO项目模式进行课程设计，用鱼骨图模型绘制出项目化的知识-素质-能力一体化的结构。从而体现出项目化知识的贯穿性、进阶性和整体性，明确了对学生的学习目标和学习能力的要求，同时非常有利于学生在学习过程中对于知识和能力从细节到整体的把握。

3 CDIO项目化教学具体实施

3.1 课堂讲授

采用小班制上课，所有课程均在实验室完成，整个项目学习采用自由分组的方法，一个小组3-4人（小组成员经教师审核后方为有效），课堂讲授手段采用多媒体教学方法，辅以视频、动画展示，给学生更加直观的介绍，便于学生掌握。课堂讲授内容以基本概念、基本工作原理、程序设计为重点，辅以农业特色案例，进行项目教学尝试，使同学掌握电气控制工程应用一般设计思路与项目实施。

3.2 章节测验与作业

以在线课程章节测验为随堂练习，典型设计为课后作业，辅以专题讨论题目，以复习、巩固、总结、归纳所学，提高学生分析和设计能力，加深学生对所学内容的理解。通过对每个学生作业的批改，适时发现并及时纠正学生的错误以加强学生对所学知识的理解。

3.3 制作典型项目规范操作参考视频

学生进行项目实施时往往要进行动手操作，安全规范的操作是CDIO项目化教学中非常重要的一个问题，为此在线课程中除了教师讲课视频，制作典型项目规范化操作视频是非常必要的，视频可以是老师操作，也可以是优秀学生操作。随着项目化教学的推广，逐步建立典型项目视频库，既完成了对上一级优秀同学的考核与激励，又为下一级同学提供了示范与鼓励，形成良性循环。

3.4 搭建网上学习平台，进行线上线下混合教学

合理利用学校已有学习通资源，探索性搭建网上学习平台，尽量将各课程项目化教学具体实施方案、课件、实验指导书、参考视频以及其它资料通过网络，给学生提供线上理论学习、实验实训视频学习、师生交流反馈等活动。具体教学步骤如下：

3.4.1 教师提前在在线课程上发布项目要求、相关基础知识和工程应用能力、任务点。

3.4.2 上课前教师手机或电脑发起签到，所有学生手机完成签到。

3.4.3 所有的教学在实验室进行，每节课45分钟至少保证15分钟时间学生进行在线课程练习和动手操作练习，所有的教学活动都围绕着项目实施进行，要求学生听课过程和操作过程按小组就坐，讨论和操作方便。

3.4.4 下课后教师发布提前准备的作业（还可以根据课堂学习情况临时调整作业），作业在线完成上交，在线全批全改。作业题以成绩的形式反馈给教师和学生。

3.5 各小组在每一个项目学习中均分为构思、研讨、设计、实现、运作、展示进行。

4 考核要求及标准

4.1 完善了过程考核，综合成绩构成包括作业、章节测验、考勤、视频学习和期末考试。其中作业14%，章节测验14%，课堂表现4%，拓展学习8%，实验占20%，期末考试40%。期末考核采取闭卷笔试形式，从成绩分析来看，教学效果明显改善。整个项目学习采用自由分组的方法，各组分工明确，团结协作，共同完成项目的设计与实施，共同提交内容为调试视频，组内根据本实验贡献大小民主产生每个人的调试系数，并由教师课堂上根据表现予以确认。实验调试与实验报告占比各为50%。

4.2 实验调试评分要求与标准：以各小组现场调试 （参考调试视频和实验报告中调试过程）给各小组打分，小组成员分数等于小组分数乘以调试系数。具体考核标准要求调试过程熟练、正确、符合实验室安全要求和实验器材使用规范；演示过程完整，语言表达清晰、条理、逻辑性强；运行流畅，功能达到设计要求。

4.3 实验报告评分要求与标准：以提交的实验报告为依据进行考核，每人一份，考核标准要求功能完善，新颖，设计思路清晰，有一定创意性；内容正确、详细，环节完整；I/O表、接线图设计合理、规范、美观；梯形图编写正确、有一定难度；语言叙述流畅，表达完整；总结真实，体会深刻，达到字数要求；实验报告报告书写工整、美观。

5 CDIO项目教学法的体会

通过CDIO项目教学，教师根据调研结果与行业动向重新组织教学内容，设计教学方法，优化课程关系，设计课程案例，模拟企业气氛和环境，注重过程考核与评价。学生小组合作，团结协作，集体讨论，主动学习，参与教学过程的积极性大为增加，学生对课程的专注度和认可程度跟以前相比有了巨大的提升，归纳如下：

5.1 优化课程关系。对相关课程内容重新优化组合，有机联系，避免了冗余，课程群内每门课程的学习路线用鱼骨图串接起来，明确地表达出该门课程知识-素质-能力的一体化思路，而且安排在相邻的两到三学期开课，使课程内容的工程性、拓展性和综合性更加突出。

5.2 优化教学内容。通过广泛调研企业与校企合作将电气控制学科领域前沿知识与技术渗透教学，更注重电气控制领域工程能力的综合培养。

5.3 突出与优化教学主体。强调学生为项目教学的主体，教师仅仅作为引导，教师模拟授课情境，结合山东农业工程学院的特点，考虑跟电气工程及其自动化、机械电子工程相关农业专业的特色，精心设计农业特色工程项目，提出问题。学生分组创意，采用小组学习、分工合作、团结协作、集体商讨等自主学习形式。培养学生开放式、自主式、研究式思维能力，从而提高学生自我创新能力和独立解决问题的能力。小组分工时采用自由选择与教师相结合的方式，有的学生点子多有创意，有的同学编程好，有的同学擅长动手操作、硬件接线保质保量，有的同学协调、组织、表达与交流能力强。最大限度地发挥每个同学的特长，既有利于提高成效，也有助于学生综合能力的培养。

5.4 优化实验设备。根据CDIO模式改造实验室，量身定做实验台，为项目化一体化教学与项目实施提高保证。整个项目教学中学生全周期在实验室分组完成项目基础知识的学习、工程项目的设计、调试解决问题，分为构思、设计、实施、运行四个过程执行。

5.5 优化项目实施创新。一般项目教学只注重一个固定案例的解决，本课程每个案例尽量提供学生在基础任务的前提下自主创意，创作性设计自己任务，按本组更精细的任务进行硬件和软件设计，并完成调试，调试过程录制视频，撰写实验报告，更有利于学生的持续性、创造性学习。

5.6 优化学习平台与方式。项目化教学不仅仅局限于课堂时间，学生可以利用课余时间根据学习平台上项目化教学资料自主进行学习。教师精心制作、搭建在线课程平台，将跟各项目相关的教学基础知识点、视频、课件、网站等资源按项目进行优化组合，为学生的创新学习提供了无限的空间，有很多小组已经将一个分项目当作一个课程设计来完成，功能描述、硬件图纸、软件编程、调试视频、实验报告环节完整，资料齐全，甚至有的组还对视频进行了后期制作，所有这些对整个课程CDIO项目化教学的探索和实践产生了很好的成就感和引领性。

5.7 优化评价方式。优化考核比例，通过增加过程考核比例，设计多方面评价指标对教学理论和技能进行考核，充分考察学生基础知识、基本能力和综合素质的整体水平。CDIO项目教学中在线课程提供学习讨论、签到、作业、测验等多种评价体系，根据CDIO教学的特点，提供分组任务功能，学生分组进行工程设计与项目实施，合作完成预习设计、工程接线图、硬件配置、软件程序以及调试视频上传。评价主体由教师和学生共同组成，教师为签到、作业、测验等打分，为小组打分，组长和组员民主产生考核系数，小组之间通过交流还可以互评。评价内容尽量体现CDIO项目教学所培养的各方面能力，不是仅重视考核结果，更注重强调考核过程。从执行情况看，效果良好。

5.8 CDIO项目化教学应注意尽量与技术创新相结合。可以在课程教学中引入跟课程相关的大赛项目，通过选拔优秀的学生积极参加各种竞赛、创新设计、申报专利等科学技术创新活动。

当然，CDIO项目化教学的改革与实践对相关教师教学与专业水平和设计技能水平提出了很高的要求。由于所有课程都在实验室完成，在实践教学中会出现各种各样意想不到的问题，这就要求教师在教学过程尤其是实践教学中投入大量的精力，提前认真备课，沉淀教学经验与技能，在教学中根据突发情况灵活机动地组织实施教学。

6 总结

CDIO项目化教学最基本目的是让学生运用本课程相关基础理论和基本知识来处理实际问题，培养学生的实践能力和创新能力，从教学出发点来看，就是根据教师指定的项目和任务，培养学生利用现有学科实施项目和任务的能力。所以，项目化教学是引导学生掌握基本的工程案例的实施步骤，为学生毕业实习、毕业设计、就业等打下了基础，也为学生终身发展提供了平台[5]。

CDIO项目化教学的探索和实践是一项综合的系统工程，除了以上所提到的之外，还需要提高教师的自身业务水平和实践能力，提高教学管理水平，完善教学环境，以及拥有热爱教学，不断探索的精神。这都需要在以后的工作中不断摸索，逐步提高。