基于CDIO教育模式的PLC應用課程教學設計研究

摘 要：隨著智能制造產業的迅速發展，對高素質、高技能型的PLC技術應用人才提出了更高的標準。為了提高對PLC技術應用型人才教育的適應性，開展基于CDIO（Conceive Design Implement Operate）教育模式與PLC應用課程體系深度融合的教學設計研究，重構項目化教學模塊，按構思、設計、實現、運作4階段設置教學環節，樹立“以學生為中心”的教育理念，引入HMI技術，直觀驗證項目運作情況。促使學生的知識、技能和職業素養與企業崗位需求相吻合，更好地推動高素質、高技能型PLC技術應用人才的培養，努力滿足社會和市場對PLC技術應用型人才的需求。

關鍵詞：PLC應用課程 CDIO教育模式 教學設計研究

隨著《中國制造2025》的推進，企業產線的自動化、智能化程度越來越高，并逐步實現智能制造。在智能制造高速發展的背景下，企業需要能夠掌握與運用智能化設備技術、獨立完成智能化目標和任務的高素質技術技能人才[1]，特別是高素質的PLC技術應用人才。高等職業教育作為培養技術技能人才重要組成部分，肩負著培養面向生產、服務、管理的一線技術技能型人才的重要任務，培養高素質、高技能型PLC技術應用人才是高等職業教育重中之重。所以對PLC應用課程教學設計的多維度探索研究，提高PLC技術應用人才的綜合實力，有著非常重要的現實價值[1]。

CDIO理念是一種先進的工程教育模式，CDIO是構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）、運行（Operate）四個步驟的英文縮寫，其含義是以產品的研發到產品的運行整個生命周期為載體，讓學生在這個載體中以主動的、實踐的方式方法來學習工程的理論知識、實踐經驗，以提升各種能力。CDIO教學模式實施的重點在于在教學過程中將具體的工程項目與構思、設計、實施、運行4個環節相結合，在近似真實工程實際的模擬條件下進行練習。CDIO強調以學生為主，培養學生的技術技能和積累實踐知識，注重對學生綜合素質的培養，以此來提高學生的綜合實踐能力[2-3]。CDIO在高職工科類專業教學中具有很強的可操作性，對高職工科類課程教學改革具有較好的指導作用，在PLC應用課程內實施CDIO工程教育模式具有非常重要的意義。

在PLC應用課程教學中，采用基于CDIO教育教學理念，推動教師的教育教學理念更新和專業技能提高，幫助學生加強對課程相關知識與技能的探索和求知，使學生在“做中學”，提高學生的工程實踐能力和創新能力，培養工程項目意識，保障技能人才培養質量與企業智能制造環境下人才需求相吻合。

1 教改前教學狀況分析

PLC應用課程已經成為一門全體系、全覆蓋、大綜合的理實一體化課程，是控制類專業中一門核心課程。然而，職業高校培養的很多學生并不能熟練應用PLC技術，不具備獨立完成工程項目能力，存在工程意識差、分析解決實際問題能力薄弱等問題，不能很快地適應企業智能制造環境下相應崗位，企業需要再次培養3-5年甚至更長的時間。其原因主要表現在以下幾個方面：

1.1 教學方式不足

首先，傳統的教學方式是“填鴨式”教學方式。在課堂上，教師按照準備好的PPT課件進行講授，而PLC應用課程是一門抽象的理實課程，需要較強的邏輯思維能力，作為PLC初學者的學生，特別是高職學生，理論接受能力差，這就導致絕大部分學生很難跟上老師的思維，似懂非懂且沒有進行深入思考，缺乏學習熱情[4]。

1.2 教學內容不足

傳統的PLC課程教學中，以教師講授為主，學生總是被動、機械地去記憶PLC系統中的各種指令，但卻沒有與實際項目中的應用環境和工作過程聯系起來。由于學生的接受能力弱，邏輯思維能力差，教師常常選擇不講解那些較難理解但卻是工程項目中常用的知識點，這便導致了學生知識儲備不全面，不能勝任實際工程項目設計、編程及調試等工作[4]。

1.3 成果展示不突出

在傳統的課程教學后，學生在完成課程中的編程設計后，只能通過調試中的監控表或PLCSIM仿真來跟進項目設計情況，不能直觀呈現設計成果及問題點，不利于學生的直觀體驗設計成果的成就感，不利于學生提高分析排錯的能力，不利于學生學習興趣的培養。因此， 引入仿真軟件，有利于提升學生興趣。

2 項目化教學模塊設計

CDIO理念是基于工程項目開展教學，課程組通過對學生學情的分析和企業崗位需求的調研研究，結合企業真實的生產環境，根據CDIO理念，確定工程項目和每個項目的教學內容及目標，將課程內容化分成由簡單到復雜、循序提升難度的項目化教學模塊，培養培養學生的工程項目思維，置入CDIO理念。

本課題重組為4個項目化教學模塊，分別：電動機星三角降壓啟動、交通信號燈控制、兩臺PLC數據交換、伺服電動機控制。在教學設置過程中，根據工程項目要求，結合高職院校學生認知規律和實際情況，循序漸進的設置課程教學內容。各項目的具體內容見圖1。

3 CDIO教育模式改革

CDIO教育模式的核心是盡可能接近工程項目實際來設計課堂教學，側重于學生的學習過程，更注重過程的銜接性、科學性、完整性和管控度，培養學生的工程意識。對于PLC應用技術課程的教學改革而言，首先，采用CDIO理念，以工程項目化教學內容設計為基礎，進行課程教學設計，將CDIO工程教育模式引入到PLC應用課程中[5]。基于CDIO教育模式的課程教學設計見下圖2。

3.1 構思（Conceive）階段

在構思階段，根據課程項目化教學模塊設計內容，再將每個項目模塊劃分成適合CDIO工程教育模式的幾個子項目，針對子項目設置教學內容相關知識點。構思時，教師根據項目模塊的內容及要求，以激發學生興趣為準則，任務設計時融入構思、設計、實現和運作的理念。在課前，通過學習通等線上平臺布置項目任務，下達項目書，提供相應的背景材料。學生5-6人組建團隊，研究項目任務，查閱相應文獻資料，討論出初步的實現方案，完成課前預習任務。培養學生自主學習和獨立思考的能力、團隊協作精神。

3.2 設計（Design）階段

在設計階段，教師根據下達的項目任務，講授知識點，并進行重難點解析，學生進行方案設計。此階段可在課前預習和課堂授課2個階段完成，整個設計過程體現以學生為主、教師為副的指導思想。每組學生確定小組分工，開展討論分析，結合前期查閱的資料，共同合作設計項目技術實施方案，包括PLC的選擇，元器件的選擇及分配、編程方法的確定等，以小組的形式上交初步的設計方案，課堂教學過程中學生進行匯報，教師進行指導，并給出建議和意見，確定最終的實現方案。在此過程中，教師注重學生的差異，鼓勵學習能力強的學生勇于發表自己的想法，激勵學習能力差的學生積極完成項目任務，從而提高學生的獨立分析能力，鍛煉學生的設計、開發和知識應用能力， 培養良好的創新意思及工程項目思維。

3.3 實現（Implement）階段

在實現階段，教師全程監督實施過程，進行階段成果審核及指導，及時解答疑惑，解決問題，此階段在課堂授課階段完成。學生根據項目設計方案，小組分工，完成PLC硬件接線，分析項目工作過程，結合學生自身編程經驗，最終確定編程方法，進行程序結構的搭建，完成程序的編制。小組成員協作完成實施方案，形成項目成果原始記錄。在此過程中，教師及時進行階段成果審核，特別注意組內各成員任務的之間銜接，針對學生遇到的瓶頸問題，教師可以引入案例進行引導。通過項目的實施，鍛煉學生的獨立思考能力、實踐能力、培養嚴謹的工作作風。

PLC程序設計主要有兩種方法：經驗設計法和順序控制設計法。經驗設計法適合具有一定工作經驗的編程人員。順序控制設計法首先分析系統或設備的工藝過程，然后再把工藝過程按順序先后劃分為各個順序相連的階段，再用有向連線將各階段按順利連接起來，繪制出順序功能圖，最后根據順序功能圖畫出梯形圖[6]。

根據CDIO理念，結合項目化教學模塊內容及高職院校的學生的學情，在課程初期，在沒有編程經驗的情況下，引導學生應用順序控制設計法進行程序編制，首先分析項目工作過程，繪制順序功能圖，根據順序功能圖轉換梯形圖的規則，完成梯形圖的編制。通過順序控制設計法，進一步培養學生的工程項目意識，為以后工作奠定工程思維基礎。

3.4 運作（Operate）階段

在運作階段，教師綜合評價，進行分析，提出持續改進意見。此階段設置在課堂授課和 課后反饋2個階段。學生對項目完成情況進行運行驗證測試，得出驗證結論。如果在程序運行測試中，出現錯誤或沒有達到項目要求，學生進行分析，提出可行性的改進措施，進一步進行驗證。驗證通過后，學生在課后通過學習通等線上平臺進行成果展示，展示內容包括項目實施方案，硬件和軟件設計成果、測試結果、問題及改進措施。此過程培養學生的精益求精的工匠精神、創新思維能力和交流表達能力[5]。

在CDIO教育模式引入PLC應用課程后，學生在項目的各個環節（包括項目任務、項目設計、項目實施、項目驗證）中開展的各項活動與企業項目管理的各個階段的工作內容完全吻合，PLC應用課程教學內容完全切合企業生產線中PLC應用場景，實現學生無縫式校企銜接人才技能培養[7]。

4 仿真技術應用

CDIO教育模式的核心是盡可能接近工程項目實際來設計課堂教學，而工業自動化企業的產線種類多、設備價格高、工藝技術更新快，高職院校不可能一味地花錢購買設備，高職教育不可能配套相應工程項目開展教學，同時，由于高職學生接觸企業項目機會少，對工程項目的認知能力差，而工程項目運行情況不能直觀呈現，導致學生在接受PLC應用課程項目化教學模塊知識體系效果差。為解決這一問題，課題組研究將仿真技術融入CDIO工程教育模式的運作（Operate）階段。

高職的PLC應用課程仿真一般借助于計算機博途軟件，PLC程序的仿真主要是借助于PLCSIM仿真器，僅能看到I/O等點位的基本變化，不能直觀呈現整個項目運行情況。然而，HMI組態技術，根據工程項目的具體要求，可以在HMI畫面中設置工程項目，組態項目圖形界面，配置按鈕開關、指示燈、IO域、電動機豐富多樣的控件，在項目化教學模塊中，配置每一個項目仿真界面[8]，見下圖3。

在CDIO工程教育模式的運作（Operate）階段，應用HMI技術進行項目運行驗證測試，結合PLC程序，模擬某一工程項目自動化系統的工藝過程，使學生直觀感受項目運行情況，深刻領會控制現場的各種要求，提升學生學習興趣，提高PLC應用課程教學效果，為培養高質量的技術技能人才提供了保證。

5 結束語

課程組基于CDIO理念對PLC應用課程教學模式進行研究改革，將課程內容劃分成基于CDIO的4個項目化教學模塊，在課程教學過程中，樹立了“以學生為中心”的教育理念，引導學生在構思、設計、實現、運行環節中積極思考、主動解決問題，參與課堂、融入課堂。HMI技術的引入，工程項目的畫面設置直觀呈現項目運行情況，提升學生的分析能力及問題解決能力，使學生直觀感受成果的喜悅及成就感，激發學生的學習興趣，促進學生的知識、技能和職業素養能夠和企業的崗位需求相結合。CDIO工程教育模式的引入，促進學生自主學習能力、團隊合作能力、工程應用能力、科研創新能力的培養，為學生以后的就業及發展奠定了基礎。

基金項目：株洲市教育科學“十四五”規劃基金資助項目“基于CDIO理念的PLC應用課程教學模式研究”（項目編號：ZJGH23-235）。

參考文獻：

[1]賀瑋彤，陳炳森，陳偉珍.智能制造背景下“PLC應用技術”課程教學改革研究[J].裝備制造技術，2022（06）：223-225+235.

[2]段榮霞，郎賓，李楠.基于CDIO工程教育模式的“電工電子實訓”課程教學設計研究[J].工業和信息化教育，2024（05）：76-80.

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[4]劉小春，李曉丹.基于IPT-CDIO的PLC控制系統的設計與運行課程創新[J].價值工程，2018，37（18）：258-260.

[5]張莉華，劉愛琴，張境，等.基于OBE-CDIO理念的“功能食品開發與評估綜合實訓”課程建設[J].食品工業，2024，45（05）：196-200.

[6]廖常初.S7-1200PLC應用教程[M].北京：機械工業出版社，2020.

[7]鮑官培，何梓良，喬印虎，等.基于應用型人才培養的電氣控制技術與PLC教學研究與改革[J].教育培訓，2021（11）：158-160，166.

[8]張玉廣，高金宇，金寧寧，等.基于西門子HMI組態技術的PLC實訓教學改革[J].科技與創新，2022，15：144-146.