基于CD IO的可編程控制器課程教學改革與實踐

劉志輝，賴育青

（1.邵陽學院 機械與能源工程學院，湖南 邵陽 422000；2.中南大學 機電工程學院，湖南 長沙 410083）

基于CD IO的可編程控制器課程教學改革與實踐

劉志輝1，2，賴育青1

（1.邵陽學院 機械與能源工程學院，湖南 邵陽 422000；2.中南大學 機電工程學院，湖南 長沙 410083）

文章首先介紹了CDIO模式的由來，并基于CDIO模式分別從教學方法、教學內容、考核方式上對可編程控制器課程教學進行了改革介紹。通過教學改革前、后的對比分析表明，引入CDIO新模式后，學生靈活運用本門課程解決實際工程問題的能力大幅提升，更能適用工程應用型人才培養需求。

CDIO；可編程控制器；教學改革

可編程控制器（PLC）是機械設計制造及其自動化專業機電一體化方向及其相關專業的必修課程，該課程要求學生了解可編程控制器的結構組成，工作原理，掌握一些常用指令的使用方法，能根據一些簡單的控制需求使用梯形圖及順序功能圖等語言編制程序，能夠完成可編程控制器與輸入、輸出設備的接線。學完本課程后，學生應該具備在一些自動化控制應用場合，特別是一些簡單的非標自動化設備控制場合獨擋一面的能力。然而可編程控制器課時少，傳統的教學著重講原理，理論聯系實踐較少。雖然本課程也開設了實驗課，但大多數都是驗證性的，造成學生工程意識相當薄弱，往往達不到預期目標，另外，學生雖然能編制一些簡單程序，但在實際工程應用時，例如，三相交流異步電機變頻調速PLC控制；步進電機調速PLC控制；伺服電機速度、位移、力矩PLC控制；氣缸的方向PLC控制等，學生基本不具備解決這些問題的能力。因此，鑒于傳統的PLC教學方式，學生達不到應有的能力，為改善現有狀況，文章基于CDIO模式，針對PLC從教學方法、教學內容、考核方式上進行了一系列的教學改革。

1 CDIO模式概述

CDIO是構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運行（Operate）四個英文單詞取首字母的縮寫。所謂“構思”是指明確客戶實際需求，制定商業計劃和項目計劃；“設計”是指對具體項目進行系統分析，設計開發產品所需的各種圖紙、程序等；“實施”是指把設計圖紙、程序變成具體產品的過程，包括零件制造、組裝、調試等；“運行”是指對設備的維護、改進和淘汰等。CDIO理念最初由MIT于20世紀90年代小范圍內改革試點，后面聯合瑞典3所高校組成跨國研究組，到現在已經有包括中國、法國、新加坡、丹麥、南非、芬蘭等國在內的20多所大學共同發展和完善CDIO教學模式。

2 基于CDIO的可編程控制器教學改革

（1）教學方法改革。由于CDIO強調的是培養學生不僅具有扎實的工程技術基礎知識，且具備良好的團隊協作能力、主動分析問題、思考問題及解決問題的能力。傳統的理論教學為主，驗證實驗為輔的教學模式顯然達不到理想的教學效果。為使學生具備扎實的工程技術基礎知識，采取基于項目制的教學方法，使理論密切聯系實際。傳統的教學方式，先在課堂上講授理論知識，然后在實驗室進行驗證，比如三相交流異步電機的正反轉控制，學生基本上都是按部就班在教學實驗臺上的控制面板上完成接線操作，對于實際工程應用時的PLC真實面貌，接觸器、按鈕等器件與PLC的真實接線情況沒有一個本質的認識?；贑DIO的教學方法，以實踐教學為主，以實際工程項目為載體，理論教學和實踐教學同步進行，在進行具體項目的同時完成理論教學，且實際項目都是實打實接地氣的企業工程項目，且實驗項目可由學生自主設置，讓學生完成本課程學習后就能為企業解決一些實際問題。

（2）教學內容改革。PLC主要為實現系統自動控制服務，系統自動控制簡單講就是液壓系統、氣動系統的方向控制，主要控制電磁換向閥；三相交流異步電機的方向和速度控制，主要是控制變頻器；步進電機、伺服電機的方向控制和速度控制，主要是控制驅動器。而一個控制系統，基本上就是由這些動力元件的組合控制。CDIO的核心就是培養學生設計能力、動手能力。因此將PLC教學內容分成兩大模塊。第一大模塊就是單元式項目教學，具體包含簡單液動、氣動回路控制設計，此回路為單個的液壓缸、氣缸方向控制，理論知識介紹按鈕等輸入設備、電磁閥等外部輸出設備接線，基本指令，編程軟件使用方法，程序調試、上傳和下載等內容；三相交流異步電機的速度控制，正反轉控制，主要介紹按鈕等輸入設備的接線，變頻器、接觸器等外部設備與PLC的接線，基本指令的使用方法，PLC的輸入、輸出接口原理以及掃描工作方式原理等內容；單個交流伺服電機的速度、位置、力矩控制等，主要介紹交流伺服電機、伺服驅動器、PLC之間的外部接線，特殊功能指令使用方法。第二大模塊就是系統式項目教學，將單元式項目進行組合可以組裝成系統，且系統可由學生自行設計，比如機械手的控制，機械手的結構設計、制造、裝配，到動力元件的選取，可由學生自行決定，老師全方位配合與支持，保證項目能順利實施。

（3）考核方式改革。傳統可編程控制器課程定性為考試課程，考核主要采取閉卷考試方式，卷面成績占總成績的70%，平時成績分三塊，分別為考勤、作業和實驗，各占10%，而這三項成績通常與卷面考試成績掛鉤，一般卷面成績高的話，平時成績一般也高。通過閉卷考試，雖然一定程度上能反映學生基礎知識掌握情況，但很難評判學生實際動手能力和靈活運用知識的能力?；贑DIO模式的教學，主要培養學生思考問題、分析問題以及解決問題的能力，具體體現在學生的實際動手方面。因此，傳統的考核方式已不能適應新型的教學模式，而新型教學模式對學生的考核面臨公平和公正問題，因為基于CDIO模式的PLC課程教學模式取消了傳統的試卷考試形式，因而沒有一套標準的參考答案及評分標準。為了合理評判學生的學習效果，筆者在可編程控制器的考核方式上進行了大膽改革，并得到了學校大力支持。課程考核采取項目制考核方式，每八位同學成立一個小組，每小組分配一個項目，各組成員對項目進行分工，分別承擔項目方案確定、零件設計、零件制造、標準件選型、產品裝配、電氣元器件接線、程序編制與調試等任務，每位同學重點完成自己分工的任務同時全程參與整個項目的完成，整個過程都在指定的實驗室和實訓中心完成，老師不定期指導并考勤。項目完成后，成立答辯小組，在規定時間內由每個小組代表完成項目答辯。考核成績也分三大塊，平時上課和最后考核項目考勤共占25%，項目完成效果評判占50%，答辯占25%。

3 基于CDIO的可編程控制器教學效果及存在問題

（1）教學效果。基于CDIO模式開展的教學改革能有效提高學生學習的積極性，學生主觀能動性大幅增強。以前課堂教學只有少數學生認真聽課，絕大多數人在心不在，考試時基本都是突擊應付，對PLC的工作原理、基本指令、編程方法、接線方法等內容認識不透徹，更別說實際應用了。通過對比發現，教學改革前的學生，在做相關畢業設計時，工程意識很薄弱，對于氣缸控制、電機控制等沒有概念，不能順利編制順序功能圖等程序，畢業后很少有學生從事電氣控制類的工作。而基于CDIO教學改革后，學生發生了明顯變化，學生團隊意識增強了，激發了學生對PLC這門課程的興趣，甚至對機械設計這個專業都產生了濃厚興趣。感覺變化特別明顯的是，學生在做電控類畢業設計時，能獨立自主并很輕松的完成任務。而畢業后，學生進入非標自動化設備研發企業的人數占比很大，據相關企業反饋，學生進入企業上手很快，設計能力和動手能力突出，深得企業好評。

（2）存在問題。盡管基于CDIO模式的PLC教學改革效果明顯，但還是存在不少問題。①基于項目形式的教學，要求學生根據項目要求制定方案，設計零件結構，完成零件制造，到裝配樣機調試，整個過程使用的都是真材實料，而非以往的虛擬仿真，因此經費、加工設備、裝配場所等是主要問題，需要學校給予大力支持才行。②傳統的教學方式一般兩個班可由同一個老師分開上課，統一考試，但基于CDIO模式的PLC教學，學生是分組完成不同項目的，平時指導時，學生可能會碰到各種不同問題，一個老師指導不過來，且在學生最后答辯時需要成立答辯小組，因此在人力上也需要學校的大力支持。③基于CDIO模式的PLC教學，學生各方面的能力雖然能得到大幅提升，但要順利拿到本門課的學分學生需要花費傳統教學時間幾倍以上，由于學生還有其他課程要上，因此在最后的項目考試階段，學生需要利用晚上時間或者假期時間完成，學生成績不能像傳統教學方式那樣結課就可以考試，幾天后就能出成績，通常需要延遲一學期才能給出成績，這方面也需要學校教務處批準配合。

4 結語

任何教學改革主要目的是為了激發學生的學習興趣，提高學生團隊精神，增強學生綜合素質。筆者在長期的可編程控制器課程教學中，通過不斷提高自身修養，不斷總結教學經驗，且不斷引入新的教學理念和教學方法。通過嘗試和檢驗，發現基于CDIO模式的可編程控制器課程教學，能有效提高學生團結合作精神、設計能力、動手能力，能適應工程應用型人才的培養需求。

［1］顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（上）［J］.高等工程教育研究，2012，（3）：24-40.

［2］顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（下）［J］.高等工程教育研究，2012，（3）：34-45.

［3］姜大志，孫浩軍.基于CDIO的主動式項目驅動學習方法研究——以Java類課程教學改革為例［J］.高等工程教育研究，2012，（4）：159-164.

［4］王剛.CDIO工程教育模式的解讀與思考［J］.中國高教研究，2009，（5）：86-87.

［5］朱向慶，胡均萬，曾輝，等.CDIO工程教育模式的微型項目驅動教學法研究［J］.實驗技術與管理，2012，29（11）：159-162.

［6］杜川，李軍偉.基于項目化教學法的可編程控制器教學改革［J］.新鄉學院學報，2016，33（12）：74-76.

［7］郭太君.基于“卓越計劃”的《可編程控制技術》教學改革［J］.德州學院學報，2015，31（6）：107-110.

［8］李曉丹，王曉磊.可編程控制器技術課程教學方法的改革研究［J］.遼寧工業大學學報（社會科學版），2012，14（6）：123-124.

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

劉志輝（1984-），男，湖南邵陽人，講師，主要從事可編程控制器課程教學工作。