基于CDIO理念的PLC實驗教學探索與實踐

達正花 何繼愛

摘 要 將學生作為教學主體，以激發學生探索精神、強化實際操作能力、培養工程能力和團隊協作能力為目標，運用CDIO教育理念，對PLC實驗教學模式進行改革，將CDIO理論與實踐一體化思想運用到PLC課程具體的教學過程、學生實驗和考核方式中，通過教學實踐，取得良好的教學效果。

關鍵詞 PLC；CDIO；實驗教學；教學模式；實驗臺；實驗室；電子電氣；自動控制

中圖分類號：G712 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）08-0117-03

1 前言

培養具有社會責任感、工程意識和工程實踐能力，以適應國家、地方經濟和企業發展需要的工程技術人才，是工科院校的重要使命。當前高校雖然為社會培養了大批的人才，但與企業真正所需人才質量目標還存在一定的差距，主要原因是目前高校在制訂人才培養方案和課程體系時普遍注重理論體系架構，輕實踐體系和創新內容建設；教學環節重知識傳授，輕創新思維能力、協作能力和工程能力的培養。

CDIO工程教育理念是2000年以來國際工程教育改革的一項新成果。由麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學提出以“基于做中學的教育理念”和“基于項目為導向的教學方法”為核心內容的CDIO工程教育理念，并成立以CDIO命名的國際合作組織。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運作（Operate）[1]。這種教學理念以學生為中心，將知識系統化、深入和延展；教師通過引導學生理解整個教學過程，鼓勵其自主學習、大膽探索，達到能力訓練和培養，具有較強的可行性和檢驗性[2]。

2 PLC技術課程的特點及實驗教學中存在的問題

PLC技術課程的特點 當前PLC技術已廣泛應用在所有的工業部門，隨著其性價比的不斷提高，應用范圍將不斷擴大。PLC技術是電子電氣、自動控制等專業的一門主干課。其特點是內容抽象，軟硬件知識結合緊密、相互滲透，課程的理論性、應用性和綜合實踐性都很強。PLC技術的實驗和實訓教學，對培養學生工程意識、工程思維和工程能力具有很重要的作用[3]。

目前PLC技術實驗教學中存在的問題 目前，大多數學校的PLC課程實驗教學設備以PLC實驗臺為主，實驗內容偏重于對理論知識的驗證，設計性和綜合性實驗比例較低。學生做這類實驗時，只要在實驗臺上按實驗指導書給出的步驟進行操作，基本都能得到預期的實驗結果。不用思考和設計實驗方案，學生的獨立思考能力和主體作用得不到充分發揮。另外，實驗臺的結構基本固定，致使實驗內容難以突破實驗平臺的限制；實際使用中實驗臺的損壞率也較高，維護也不方便[4]。這都與工程實際結合度不高。

3 CDIO理念下PLC實驗教學模式的構建

基于CDIO理念，打破傳統的教學模式，把學習新知識、新內容，掌握新方法的主動權交給學生，教師引導學生，以完成項目為主線，構建一個有效的PLC技術課程實驗教學模式，使學生在系統學習PLC理論知識的同時，有針對性地設計和參與實踐教學活動，在此過程中培養學生的工程能力和創新能力。實驗教學模式構建思路（如圖1所示）。

4 CDIO模式下PLC教學實施

CDIO理念大綱要求將工科類畢業生從其具備工程基礎知識、個人綜合能力、團隊協作能力和工程系統應用能力四個層面進行綜合培養，四個能力層面都必須達到預定的目標要求[5]。基于CDIO工程教學理念，PLC知識能力目標設計如圖2所示。結合CDIO教育理念，在PLC課程教學內容和形式上采用分階段教學。

第一階段為PLC基礎理論部分，主要內容有PLC的結構和工作原理、模塊的連接、編程軟件的使用和PLC指令系統功能和應用。學生應熟悉不同類型PLC模塊的特性、接線方式和編程軟件的使用，通過實驗加強對理論知識和各種指令功能的理解，學會根據題目要求編寫和調試梯形圖和順序功能圖等編程語言。內容主要是簡單的軟硬件驗證性實驗。這一部分實驗都在PLC實驗臺及所配備的基本實驗模塊上完成。教學方式采取演示教學法和學生練習為主。學生開始接觸PLC實驗設備，對PLC設備及軟硬件結合不熟悉，有時會感到對實驗無從下手，實驗過程中遇到的問題也無法自行解決。這時需要教師在一旁解答與傳授軟硬件方面的知識、編程規則和方法技巧，協助學生發現實驗過程中出現的問題，使學生盡快掌握程序的編寫規則、寫入方法、調試步驟以及故障分析與排除的基本技能，并使學生掌握正確規范的實驗流程，養成良好的實驗習慣，為后續實驗奠定基礎。

第二階段為PLC控制的應用階段，旨在提高學生分析和解決問題的能力。這時學生已掌握基本的編程方法和指令系統，對PLC模塊的接線也比較熟悉，再加上已經具備的電路基礎知識，自己有能力設計簡單的PLC控制項目。這一部分內容將完全應用CDIO模式，實驗項目為PLC控制系統的設計，以設計多個典型項目為主線展開教學，把相關的知識點融入項目的各個任務中[6]。項目只給出控制的模式要求，其他部分將由學生自主設計與制造完成。實驗設備以PLC工控板為主，其他需要的硬件電路由學生自己通過PCB軟件設計制作電路板并焊接完成。教學具體實施過程中將學生分為四人一組，要求完成時間為三周。結束時以小組為單位進行考核，從產品能否滿足控制要求，完成時間，控制系統的安全、經濟、實用和維護等方面進行綜合考評，由教師和各小組組長共同打分。

在學生完成這一任務過程中，要求先進行項目分析，小組每人設計一個項目方案，然后進行集體討論，比較優劣后確定最后的設計方案。方案確定后進行任務劃分，確定每個人具體負責的實驗模塊。教師在這個環節作總體指導，介紹學生工程設計規則、設計步驟、所需資料的查詢方法、技術文件的整理等，提出實驗結果的考核要求，使學生掌握基本的工程技術知識，減少精力和時間上不必要的浪費，提高學習效率。

以設計PLC控制花樣噴泉為例，學生確定好實驗方案后將任務分成三大模塊。

1）系統硬件設計，包括PLC的選擇、水泵的選擇、各組噴頭的選擇、水閥的選擇、燈具的選擇和硬件電路設計。

2）系統軟件設計，包括I/O分配，梯形圖（SFC程序）設計和組態王監控系統設計。通常兩個學生負責硬件部分設計與制造，兩個學生負責軟件部分設計與編程；下一個項目輪換負責部分，保證每一個學生在實驗的各個環節都有所實踐。

3）將軟硬件結合，進行組合安裝、調試，解決故障。

整個設計要求在仿真環境和實際的環境中完成，這期間相關實驗室24小時為學生開放，方便學生隨時使用。

在整個實踐過程中完全遵從CDIO的教育理念，從項目的構思設計、拿出設計方案，到項目實施過程中的分工、合作以及項目進度的安排等，都由學生自行完成，既培養學生獨立解決問題的能力，也讓學生意識到合作的重要性，進而培養學生的合作意識和合作精神。項目在完成過程中因為有同伴的合作和小組間的競爭，相互間互有勉勵與督促作用，也不會產生太多的懈怠，產品完成后又有一種成就感，對培養學生的工程興趣很有好處。在完成整個項目的過程中，無形中鍛煉了學生的工程意識和工程能力[7]。

第三階段為PLC綜合應用階段，時間安排在學期結束前。學生通過前面的理論學習和基礎實驗，已經掌握了工程設計規則、編程的基本方法和技巧，對各種實驗模塊特性和硬件的接線方法也比較熟悉，這就產生自我創造的需求，想自己動手設計一些綜合實用性強的控制系統。這時要求學生完成一些應用創新性實驗。由學生根據興趣和愛好選擇小組伙伴，每2～3人一組，自行選題，如十字路口交通燈的控制、三層電梯的控制等實用的控制系統。

在整個設計過程中，要求學生完成分析、設計、實施、排錯、優化等實際環節，所有軟硬件的設計、安裝、調試都由學生自行完成，需要在真實的工業控制和仿真的工業對象下完成全部的控制工程項目。教師只需在題目選擇的新穎性、實用性和設計方案的簡潔性、設計方法的優劣性等方面給予指導意見，其他過程由學生自行完成，教師負責結果的考核驗收。這種教師完全放手的教學方式，使學生獨立解決問題的能力得到提升，同時激發了學生對工程學習的興趣并加強了自控能力，對學生創新思維的鍛煉和合作精神的培養也是非常必要的。

5 教學考核方式

改變以往PLC課程偏重期末閉卷考試的考核方式，考核的中心由重點考核學生理論知識的掌握轉變為考核學生運用知識解決實際問題的能力。對PLC課程不再只注重理論知識的考核，將平時的學習過程也納入考核范圍。最終的成績由出勤考核（占10%）、平時成績（占50%）、期末成績（占40%）三部分構成。

總成績：

Mi=∑mj

式中，nk為學生實際所做實驗次數，n為實驗總次數；Mi為i次實驗的總成績（i=1～n），mj為設計實驗方案、編寫控制程序、所做實驗結果和撰寫實驗報告的成績（j=1～n）；Q為期末考試成績。考試前教師需要準備若干份考題，內容包括理論和實操兩部分，學生現場抽號決定考題。成績由理論解答和實操兩部分決定，其中實操部分從設計方案、程序編寫、實驗結果、實驗過程等方面打分。

此考核方案注重實驗操作過程，不只是考查理論知識的掌握，更側重考查學生設計實驗方案、編寫控制程序和實踐操作的能力，能夠全面評價學生的學習情況，客觀體現學生分析解決問題的能力和工程思維能力。同時是學生在平時的學習和實驗過程中如何加強自身工程素養、創新思維意識和創新能力的引導，對提高學生學習PLC技術的積極性、增強教學效果都有很好的促進作用。

6 結束語

應用CDIO工程教育理念，不僅能把培養目標融入整個PLC課程教學體系中，為PLC課程的教學提供新思路、新方法，對提高學生主動參與實驗的工程思維意識訓練也有幫助。同時鍛煉了學生運用理論知識解決實際問題的能力和協作能力，是培養學生自主精神、創新意識和合作精神的有效途徑。

參考文獻

[1]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（5）：24-40.

[2]李珍香，李全福.基于CDIO模式的微機原理與接口技術課程實驗教學改革與實踐[J].實驗室科學，2013（1）：65-68.

[3]胡文龍.基于CDIO的工科探究式教學改革研究[J].高等工程教育研究，2014（1）：163-168.

[4]賈寶會，張文，范智勇.“PLC應用技術”課程教學項目驅動教學法實踐探索[J].教育與職業，2013（18）：150-151.

[5]張士輝，祁蕓，嚴瑋.基于CDIO的卓越工程師訂單班課程改革實踐[J].高等工程教育研究，2014（5）：187-190.

[6]李桂玲，朱曉蓮，蔡之華，等.基于CDIO理念的“數據結構”課程教學的探索[J].中國教育信息化，2015（24）：

50-52.

[7]王宏祥，曾紅.基于CDIO模式強化課程實踐教學探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2016（10）：196-199.