基于CDIO 項(xiàng)目教學(xué)法的課程教學(xué)改革探討
——以“PLC可編程控制技術(shù)”課程為例

劉慶華

(西安理工大學(xué) 高等技術(shù)學(xué)院,西安 710082)

0 引言

隨著以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點(diǎn)的社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國”“一帶一路”等重大國家戰(zhàn)略相繼提出，對高校人才培養(yǎng)工作提出了更高的要求[1]。為適應(yīng)新形勢下高技術(shù)人才的培養(yǎng)要求，西安理工大學(xué)高等技術(shù)學(xué)院先后對一批課程進(jìn)行了教學(xué)改革，“PLC可編程控制技術(shù)”作為電氣工程及其自動化專業(yè)的主要專業(yè)課，是改革的課程之一。通過本輪改革，使得該課程的授課內(nèi)容和知識結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，學(xué)生具備了專業(yè)知識素養(yǎng)和創(chuàng)新意識，為畢業(yè)生未來的就業(yè)或創(chuàng)業(yè)打下了良好的基礎(chǔ)。

1 “PLC可編程技術(shù)技術(shù)”CDIO項(xiàng)目擬解決的問題

“PLC可編程控制技術(shù)”在自動化生產(chǎn)線和智能制造領(lǐng)域扮演著非常重要的角色。在該課程傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，理論課時所占比重較大，實(shí)踐課時所占比重相對較小，而且教學(xué)手段和方法相對單一，這些缺陷使得該課程所授知識和實(shí)際工程應(yīng)用聯(lián)系不夠緊密，學(xué)生沒有真正了解或掌握該技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)用脫節(jié)[2]。為解決這一問題，本課程教學(xué)改革引入了以項(xiàng)目為驅(qū)動、以任務(wù)為載體的CDIO 項(xiàng)目式教學(xué)模式。

2 教改項(xiàng)目的實(shí)施

2.1 “PLC可編程控制技術(shù)” CDIO項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐的層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)CDIO以項(xiàng)目為導(dǎo)向的人才培養(yǎng)模式，將電氣自動化專業(yè)CDIO項(xiàng)目劃分為三級[3]：第一級是專業(yè)及人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目，是最高級，能夠結(jié)合專業(yè)自身特點(diǎn)，面向社會和實(shí)際應(yīng)用，創(chuàng)新性的開展應(yīng)用研究和技術(shù)開發(fā)。其實(shí)現(xiàn)的基本過程體現(xiàn)在畢業(yè)設(shè)計、企業(yè)階段培養(yǎng)、學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和高質(zhì)量就業(yè)；第二級是包含本專業(yè)主要核心課程和能力要求的項(xiàng)目，為中間級，能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生對相關(guān)專業(yè)知識的深入了解和融會貫通。其實(shí)現(xiàn)的基本過程體現(xiàn)在能夠完成復(fù)雜的項(xiàng)目并在重大賽事上獲得佳績；第三級是專業(yè)能力要求的項(xiàng)目，包含一組相關(guān)的核心課程，位于最底層，實(shí)現(xiàn)課程學(xué)習(xí)和應(yīng)用。其實(shí)現(xiàn)的基本過程體現(xiàn)在通過多個基本項(xiàng)目的實(shí)施，掌握核心課程的精髓，學(xué)以致用。三級項(xiàng)目的設(shè)立由各門課程大綱根據(jù)教學(xué)需要確定。

“PLC可編程控制技術(shù)”為三級項(xiàng)目“自動化生產(chǎn)線的安裝與調(diào)試”的重要課程單元，對二級項(xiàng)目“柔性自動化生產(chǎn)線的安裝與調(diào)試”項(xiàng)目組提供強(qiáng)有力的技能支撐，最終服務(wù)于一級項(xiàng)目“電氣自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計”，同時為學(xué)生的個性化發(fā)展和畢業(yè)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供強(qiáng)有力地支撐。其專業(yè)項(xiàng)目式教學(xué)體系層級如圖1所示。

圖1 CDIO項(xiàng)目式教學(xué)體系(電氣自動化專業(yè))

三級項(xiàng)目“自動化生產(chǎn)線的安裝與調(diào)試”是電氣自動化專業(yè)特色鮮明的一個項(xiàng)目，涉及的知識面非常寬泛，包括“PLC可編程控制技術(shù)”“機(jī)械控制技術(shù)”“電機(jī)驅(qū)動技術(shù)”“網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)”“傳感檢測技術(shù)”“液壓氣動控制技術(shù)”“人機(jī)界面”等，每項(xiàng)技術(shù)在自動化生產(chǎn)線應(yīng)用中擔(dān)負(fù)著不可或缺的作用，同時要根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)有序的工作和應(yīng)用，形成完整的機(jī)電控制系統(tǒng)。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，可以根據(jù)組成生產(chǎn)線的各個單元，由簡到難，由一般到復(fù)雜，逐級開展。每一個單元可以單獨(dú)成為一個子項(xiàng)目，最終進(jìn)行組網(wǎng)，形成一個大項(xiàng)目。二級項(xiàng)目可以在三級項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代控制流程和生產(chǎn)要求，加入智能控制的相關(guān)知識，構(gòu)成柔性自動化生產(chǎn)線項(xiàng)目，形成二級項(xiàng)目。二、三級項(xiàng)目，共同為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和一級項(xiàng)目服務(wù)[4-5]。

2.2 “PLC可編程控制技術(shù)”CDIO 項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容

2.2.1 PLC的認(rèn)知子項(xiàng)目

通過典型電氣控制電路電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路、電動機(jī)延時啟動控制電路等，引入PLC的基本知識和控制方式。該項(xiàng)目重點(diǎn)要求學(xué)生自主掌握PLC的類型及應(yīng)用特點(diǎn)、編程環(huán)境、CPU類型和選型、變量和數(shù)據(jù)類型、符號和地址、軟件編輯、調(diào)試、PC端與PLC聯(lián)機(jī)聯(lián)調(diào)，并熟練掌握I/O口分配，控制流程圖編制，硬件連線、調(diào)試、運(yùn)行和故障排除等。

該項(xiàng)目實(shí)施步驟如下：以異步電動機(jī)為對象，每個項(xiàng)目組在專任教師指導(dǎo)下自行組織商議制定項(xiàng)目方案，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)不同狀態(tài)的控制。項(xiàng)目難度適中可行，過程中盡可能用到PLC編程的多個方面，尤其是定時器、計數(shù)器等通用模塊的使用。項(xiàng)目構(gòu)思好后，就可進(jìn)入項(xiàng)目的分工實(shí)施，即根據(jù)行業(yè)規(guī)范和被控電動機(jī)的參數(shù)，選擇相應(yīng)的硬件，如PLC控制器、接觸器、熱繼電器、空氣開關(guān)、導(dǎo)線等，使用相應(yīng)工具進(jìn)行配線組裝。從流程圖到軟件編程乃至軟件的編輯調(diào)試、仿真運(yùn)行、軟硬件配合使用，逐步展開。項(xiàng)目的調(diào)試效果最終通過學(xué)生自評、項(xiàng)目組互評和教師點(diǎn)評，給出綜合評定成績和項(xiàng)目后期改進(jìn)意見。

2.2.2 搬運(yùn)單元的安裝與調(diào)試子項(xiàng)目

該項(xiàng)目實(shí)施時，項(xiàng)目組成員自行了解搬運(yùn)單元的控制過程和運(yùn)行流程，對項(xiàng)目按步進(jìn)行模塊化拆分，如第一個模塊為檢測模塊，項(xiàng)目組成員將測試不同傳感器的性能、適用范圍，參數(shù)調(diào)整等，根據(jù)項(xiàng)目需求選擇合適的傳感器，并將傳感器調(diào)試至最佳工作狀態(tài)。再如運(yùn)動過程模塊，項(xiàng)目組成員對運(yùn)動過程進(jìn)行分解，測試不同作用氣缸的工作特性、運(yùn)行速度、運(yùn)行行程、行程調(diào)整方式等。本子項(xiàng)目每個模塊的調(diào)試都配合相應(yīng)的軟件編程、調(diào)試和運(yùn)行。當(dāng)每個模塊性能調(diào)試到最佳狀態(tài)，就可以實(shí)現(xiàn)最后的聯(lián)調(diào)。

該項(xiàng)目的實(shí)施，使學(xué)生進(jìn)一步熟練掌握了PLC的編程調(diào)試流程，并在實(shí)際工作環(huán)境中熟悉運(yùn)用PLC，比如PLC如何對接磁感應(yīng)式接近開關(guān)，如何驅(qū)動氣動執(zhí)行元件等，同時熟練應(yīng)用PLC內(nèi)部計數(shù)器，理解并掌握步進(jìn)法編寫控制程序的技巧。項(xiàng)目在考核時，應(yīng)注重結(jié)果考核和過程考核并重，使學(xué)生打下扎實(shí)的工程專業(yè)基礎(chǔ)。

2.2.3 其他項(xiàng)目的實(shí)施要點(diǎn)

(1)操作手單元的安裝與調(diào)試子項(xiàng)目：使學(xué)生熟練掌握PLC如何對接電感式接近開關(guān)；熟悉磁感應(yīng)式接近開關(guān)的應(yīng)用；如何驅(qū)動氣動執(zhí)行元件如擺動氣缸、防轉(zhuǎn)動直線氣缸、雙活塞桿氣缸等，同時要求學(xué)生對PLC內(nèi)部定時器熟練使用。理解并掌握置位/復(fù)位指令(以轉(zhuǎn)換為中心的編程方法)的順序控制梯形圖編寫控制程序的技巧，在使用該技巧時，強(qiáng)調(diào)并要求學(xué)生掌握實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換須滿足的條件——該轉(zhuǎn)換的前級步(位元件)為活動步。

(2)供料單元的安裝與調(diào)試子項(xiàng)目：使學(xué)生掌握PLC如何對接光電式接近開關(guān)、氣壓檢測開關(guān)，進(jìn)一步熟悉之前練習(xí)過的接近開關(guān)，如何驅(qū)動氣動執(zhí)行元件如真空吸盤等，熟練使用PLC內(nèi)部位M、字MW、系統(tǒng)位SM、系統(tǒng)字SMW、移位指令功能塊等，理解并掌握移位指令編寫控制程序的技巧。

(3)提取安裝單元的安裝與調(diào)試子項(xiàng)目：該項(xiàng)目的實(shí)施，使學(xué)生熟練掌握PLC如何對接鏡反射式光電式接近開關(guān)、漫反射式光電式接近開關(guān)，進(jìn)一步熟悉之前練習(xí)過的接近開關(guān)，如何驅(qū)動電動機(jī)繼電器等，同時對PLC內(nèi)部子程序間的相互調(diào)用予以熟練應(yīng)用。理解并掌握模塊化的編寫控制程序的技巧，該技巧使用要領(lǐng)是將一個復(fù)雜的控制程序分解成較小且便于管理的多個子程序，根據(jù)功能需求進(jìn)行適時調(diào)用。模塊化編程技巧，有利于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制過程的實(shí)現(xiàn)，開發(fā)周期短，成本低，便與調(diào)試和維護(hù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，后續(xù)子項(xiàng)目都圍繞該方法實(shí)施。

(4)檢測單元的安裝與調(diào)試子項(xiàng)目：使學(xué)生熟練掌握PLC如何利用開關(guān)量傳感器對元件進(jìn)行識別；如何利用PLC模擬量輸入端口實(shí)現(xiàn)模擬量的檢測、數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算和管理；如何利用PLC內(nèi)部比較模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集量的比較。進(jìn)一步理解并掌握模塊化的編寫控制程序的技巧。

(5)立體存儲單元的安裝與調(diào)試子項(xiàng)目：使學(xué)生熟練掌握PLC如何利用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)；如何正確調(diào)試和使用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動模塊，同時熟練掌握PLC內(nèi)部PTO/PWM發(fā)生器的配置和使用。

(6)加工單元的安裝與調(diào)試子項(xiàng)目：使學(xué)生團(tuán)隊(duì)熟練掌握PLC如何利用變頻器驅(qū)動交流異步電動機(jī)；如何正確調(diào)試和使用變頻器，同時進(jìn)一步熟練PLC內(nèi)部PTO/PWM發(fā)生器的配置和使用。本項(xiàng)目實(shí)施時，特別應(yīng)注重運(yùn)行過程的動作配合，以實(shí)現(xiàn)工件加工的精確與可靠。

(7)PLC組網(wǎng)子項(xiàng)目：本子項(xiàng)目由淺入深進(jìn)行。首先進(jìn)行上述子項(xiàng)目之間的兩兩配對組合，利用I/O接口通訊、PPI通訊、PROFIBUS通訊實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)整個組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)后期的二級項(xiàng)目和一級項(xiàng)目。

通過上述項(xiàng)目的實(shí)施，使得PLC的相關(guān)知識得到進(jìn)一步拓展和加深，學(xué)生對各種傳感器、氣動執(zhí)行元件、變頻器、伺服電動機(jī)等執(zhí)行裝置的驅(qū)動有了全面的了解和掌握，極大地滿足了實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場對人才基本技能的需求。每個項(xiàng)目的組織實(shí)施，從結(jié)構(gòu)上完全滿足CDIO的框架要求，即構(gòu)思-設(shè)計-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)作全過程。在項(xiàng)目的逐級實(shí)施過程中，學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識、創(chuàng)新意識、自我學(xué)習(xí)意識逐步形成。

3 CDIO項(xiàng)目考核和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

各級項(xiàng)目實(shí)施完成后，對項(xiàng)目實(shí)施效果和個人學(xué)習(xí)情況進(jìn)行科學(xué)合理評估，是教學(xué)活動的重要環(huán)節(jié)。學(xué)院采用的考核方法是組內(nèi)自評、教師評定、比賽表演和匯報答辯四個環(huán)節(jié)，后兩項(xiàng)成績占比達(dá)60%以上。通過一系列項(xiàng)目的實(shí)施，使得畢業(yè)生能夠通過自學(xué)或查閱相關(guān)資料，研究和分析復(fù)雜問題，獲得有效結(jié)論；創(chuàng)新設(shè)計及開發(fā)解決方案；能夠在團(tuán)隊(duì)中承擔(dān)個體、團(tuán)隊(duì)成員及負(fù)責(zé)人等不同角色。在項(xiàng)目的實(shí)施過程中，學(xué)院支持和鼓勵學(xué)生參加各種相關(guān)競賽，以賽促學(xué)，以賽促教，以賽創(chuàng)新，協(xié)同發(fā)展；引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生參與學(xué)生科技創(chuàng)新基金立項(xiàng)，參加教師科研項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目等。通過創(chuàng)新活動，使學(xué)生具備了一定的創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新精神，具有較強(qiáng)的綜合實(shí)踐能力和科學(xué)研究能力。

4 CDIO項(xiàng)目式教學(xué)體系的保障措施

學(xué)院根據(jù)教學(xué)的實(shí)際情況，以CDIO教學(xué)大綱為依據(jù)，整合院內(nèi)各系現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室、實(shí)踐資源創(chuàng)建CDIO創(chuàng)新實(shí)踐平臺，支持學(xué)院人才培養(yǎng)、不同專業(yè)建設(shè)和學(xué)科知識結(jié)構(gòu)優(yōu)化。建設(shè)綜合性、系統(tǒng)性、多層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地和院系兩級的學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐中心，形成以學(xué)生為主的多學(xué)科交叉團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計創(chuàng)新平臺。面向全院學(xué)生開放不同創(chuàng)新方向課題，學(xué)生可以跨專業(yè)、跨年級選擇課題項(xiàng)目。選題方式和創(chuàng)新方向的靈活性，激發(fā)了學(xué)生參加各類工程實(shí)踐的熱情，從機(jī)制上保障了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的無縫鏈接。

5 結(jié)語

西安理工大學(xué)高等技術(shù)學(xué)院電氣自動化專業(yè)教學(xué)改革以CDIO教學(xué)理念為指導(dǎo)，全面革新了PLC可編程控制技術(shù)課程。結(jié)合工程案例、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方式，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力。

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