基于CDIO工程教育理念的“電氣控制與PLC”課程教學改革

【摘 要】 課程以培養學生實際應用能力和創新設計能力為目標，以跟蹤新技術、強化能力、重在應用為指導思想，采用融“教、學、做”一體的理實一體化項目化教學的探索與實踐，提出了基于CDIO工程教育理念的教學改革方法，從而培養學生的實踐能力、分析能力、合作能力和解決問題的綜合能力。

【關鍵詞】 電氣控制與PLC；CDIO；項目化教學

Teaching Reform of "Electrical Control and PLC" Course Based on

CDIO Engineering Education Concept

Li Xuefeng， Lin Yumei， Liu Xiaobo， Chen Huijin

（Quanzhou University of Information Engineering，Quanzhou 362000， China）

【Abstract】 The teaching objectives of the course are to cultivate students' practical application ability and innovative design ability. Through tracking new technology， strengthening ability， focusing on application as the guiding ideology and using the exploration and practice of project teaching of integration of theory and practice which integrates teaching， learning and doing， the author puts forward the teaching reform based on CDIO engineering education concept to cultivate students' practical， analytical and cooperative ability and comprehensive ability to solve problems.

【Key words】 electrical control and PLC; CDIO; project-based teaching

〔中圖分類號〕 G642.0  〔文獻標識碼〕 A 〔文章編號〕 1674 - 3229（2024）03 - 0120- 05

0 引言

電氣控制與PLC是現代工業自動化控制中最值得重視的先進控制技術，是改造傳統工業生產設備最理想的多功能化控制器，成為現代工業控制三大支柱（PLC、NC、ROBOT）之一。電氣控制與PLC是將低壓電器控制技術、計算機技術、自動控制技術和網絡通信技術集于一體的新型工業控制技術，是理論性和實踐性兼具的綜合性課程［1］。

課程教學改革過程依托泉州信息工程學院辦學背景，堅持“面向產業、服務地方”的辦學宗旨，經過充分調研、反復論證，以校企合作為平臺，依托華中數控研究所、九牧廚衛有限公司等校企合作實訓基地以及校內PLC實訓室、電工電子技術實訓室等，以項目導向任務驅動，整合課程內容，構建基于工作過程的課程體系（見圖1）。本課程所對應的典型崗位工作任務是電氣控制系統的設計、安裝、調試、升級與維護等［2］，這幾個典型的工作崗位對應不同的崗位能力要求，然后對課程內容進行重新整合，確定課程的標準內容。

1 學情分析

“電氣控制與PLC”課程教學改革主要面向自動化控制專業大學三年級學生。該專業部分學生對 PLC 編程以及電氣控制線路分析較感興趣，但是大部分學生電路設計與程序設計邏輯思維不夠嚴謹，學生學習能力出現兩極分化的現象，課堂接收信息能力差異大，尤其是電氣控制線路設計與程序設計部分基本上在每年考核中大多數學生失分比較嚴重，學生學習主觀能動性較低，學習目標不明確。為了解決這些問題，重構教學內容，構建基于工作過程的課程體系，緊扣“以學生為中心、以產出為導向、持續改進”的理念［3］，采取以任務為導向、學生為主體、教師合理引導整合課程內容，見表1。

2 教學問題

2.1 教學模式與方法問題

傳統課程教學方法基本上按教材相關章節設置課程教學內容，理論課占課時較多［4］，學生基本上學完相關章節的理論課然后按照教師規定的實驗內容進行驗證性實驗，對于學習層次較高的學生而言完成后沒有成就感。由于培養大綱課時縮減，課堂上出現滿堂灌，大部分時間是以教師為主，學生為輔，重點講解低壓電器與PLC的基礎知識，綜合性實踐課基本上沒有。

2.2 教學內容設置陳舊，缺乏工程背景

教學課時相對有限，教學內容陳舊固化，知識點孤立，發散性差。教學中以指示燈代替各種設備動作為主，與工程實際聯系不夠緊密，不能讓學生更好地運用指令來完成與實際生產生活相關的控制任務，教學內容缺乏實際綜合性應用項目，尤其是對于低壓電器如何選型、電氣控制系統的實際應用內容涉及偏少［5］。

2.3 考核方式不夠完善

按教學大綱設置，該課程的考核成績由平時成績（20%）、實驗成績（30%）和期末卷面成績（50%）三部分組成，平時成績一般包括課堂表現、考勤和作業完成情況，期末成績一般以試卷筆試為主，實驗成績一般由現場實驗調試完成程度、現場答辯和平時實驗操作成績三部分組成。該考核方式偏重于終結性考核，存在如下問題。

（1）平時考核難以量化。平時考核所采取的布置作業、課堂提問很難針對全班學生進行較為公平、公正的量化考核，例如：布置的作業存在抄襲現象，對于不同的學生在課堂上提出的問題難易程度不同，平時針對每個學生的學習情況很難進行準確考核。

（2）實踐考核手段單一。由于實驗條件和時間的限制，考核按分組進行，每個學生實踐動手的機會往往達不到預期的效果，實踐考核有部分學生渾水摸魚，沒有真正掌握電氣系統的程序或電路設計與調試。

（3）過程性考核力度不夠。傳統的考核方式以期末卷面考核為主，對學生的過程性考核缺乏，導致平時松、考前緊、考后忘的現象普遍存在，教師的教學效果和學生的學習效果無法得以衡量，而且學生在今后實際工作中所涉及的專業知識和技能難以很好地掌握。

3 教學創新特色及方法

針對以上教學問題，“電氣控制與 PLC”教學過程以“跟蹤新技術、強化能力、重在應用”為指導思想，選取企業真實項目為載體，按照項目的生產崗位要求，以任務驅動，項目導向的方法實施，在教學中突出項目驅動法，讓學生自主策劃，任務分解，“教、學、做、創”和“總結”有機結合［6］。課程的所有教學過程都安排在實驗室進行，實現仿真生產環境下的融“教、學、做、創”一體的教學［7］，淡化理論與實踐的界限，實現課堂與實訓現場一體化的教學模式，其中教為主導，學為主體，做為核心，創為提升［8］，使學生在教中學、學中做、邊學邊做，使知識、技能與職業素質同步增長。

3.1 以工作過程為導向，將課程知識點融入到教學情境

在教學過程中堅持以工礦控制設備的產線升級與改造，開發與設計，設備檢修、安裝與調試為導向，以實際工程項目為載體、以任務為驅動，將實際項目貫穿于整個課程的學習過程，把課程相關知識點按照項目的不同分割融入到各個教學情境中，見表2。每個教學情境首先向學生說明項目的總體任務、問題、目的，需要提交的成果要求及涵蓋的知識點，讓學生明確其學習目標。以項目為引導，以完成項目所需解決的問題來啟發學生，通過小組討論，相互學習，制定方案，鍛煉學生的合作能力。通過案例、任務引導學生一步步挖掘知識要點，從而增強學生的學習興趣，對案例的理論理解力和相關技能得到大力培養。

3.2 以線上線下混合式教學為依托，重構教學內容，提高教學設計整體性

在設計中，秉承“學生為主體，教師為主導”的教學原則，課程將原來按章節編排的10個知識單元教學內容，按照項目導向，將課程知識重構為6個項目26個子任務，同時在超星泛雅SPOC+學習通工具支撐下完成以“任務驅動為主線、問題引領為導向”的線上線下混合式教學。在每個情境教學開展之前要求學生完成每個項目基礎知識的學習，并發放學習任務，學生帶著學習任務，課堂上進行小組討論，確定控制方案，完成電氣控制系統軟硬件設計與調試，然后進行項目完成情況自查、互查、老師檢查，最后進行完成項目自評、互評、老師點評，進而完善每個情境的方案設計。

3.3 多元化評價考核機制，調動了學生學習的積極性和主動性

以過程考核為主，期末卷面考試為輔，其中過程考核占比70%，期末卷面測試占30%。過程考核包括考勤、作業、課堂參與回答問題、每個階段線上測試、每個項目學習的子任務，每個項目子任務的完成由教師評價、小組自評、學生互評組成，比例為自評（10%）+互評（20%）+教師評價（70%），改變了教師單一主體評價方式，更充分體現每個學生學習效果的多方面表現。

3.4 “以賽促學、以學促行”模式，提升了學生的工程實踐應用能力

將本課程教學與學科競賽相結合，充分利用專業實驗室為學生社團服務，并鼓勵學生積極參與相關學科競賽。本院師生近兩年來積極參與課程相關的學科競賽，分別獲得福建省第二屆工業機器人應用技能大賽省一等獎1項、二等獎1項、三等獎1項，第二屆全國職業技能大賽（世賽項目）福建省選拔賽工業4.0金牌1項、銀牌1項，西門子杯國家級競賽初賽一等獎、二等獎各1項，西門子杯國家級競賽決賽二等獎1項等。

4 教學創新成效

4.1 項目式教學，提升了學生的學習主動性

從歷年的期末成績平均分可見，通過對知識的重構和教學的整體設計，學生對知識的掌握更加全面和系統，在考試難度不變的情況下，平均成績和及格率都在逐年提高，見圖2。

4.2 “校企合作、賽學結合”模式，提升了學生的實踐應用能力

校企合作，走進泉州華數機器人有限公司進行項目五“自動分揀控制系統”的教學，產教融合，通過在企業進行的理論培訓以及華數機器人有限公司的冷粘鞋智能生產線、鞋底與鞋面噴膠生產線的安裝與調試，學生已經能熟練進行故障診斷與調試，在面對真實工程應用案例時也能游刃有余，基本具備了電氣控制系統的開發能力。近三年來，已經有20多名學生畢業后任職泉州華數機器人有限公司、泉州冰點科技公司等。

4.3 依托項目式教學理念，實現教學質量的飛速提高

融會漸進式模塊化教學理念，促使教師不斷加強知識和理論學習，開發新穎的實驗項目，凝練高效的教學方法，通過教學創新改革，教師在個人知識結構體系構建、教學授課實踐水平以及橫向課題研究能力等方面均顯著提高。

5 教學反思與持續改進

“電氣控制與PLC”課程自2017年開設以來，歷經6年的建設和發展，已經形成了一套教學內容相對完善的教學體系、一支老中青相結合的教學經驗豐富的師資隊伍，既注重理論教學又強調實踐技能訓練，培養綜合性應用型人才的目標日益凸顯。2020年該課程進行校級課程改革；2021年該課程申請校級“一師一優”課程建設工作；2022年該課程申請校級“四優核心課”課程建設工作。

課程團隊將繼續通過期末教學評價反饋、畢業生和校企合作單位調查問卷等渠道，針對學生的預期目標，基于OBE理念，將從教學內容、教學方法、教學評價三方面持續推進課程改革。

［參考文獻］

［1］ 張春峰，武麗，姜官武.電氣控制與PLC課程教學與建設研究［J］.中國現代教育裝備，2022，383（4）：82．

［2］ 肖麗仙.應用型本科人才培養課程教學模式改革研究——以“電氣控制與PLC技術”課程為例［J］.實驗室研究與探索，2018，37（6）：239-242．

［3］ 顧曉薇，陶明炬，魏德洲，等.工程教育認證申請受理工作認識與思考［J］.教育教學論壇，2016（17）：111-112．

［4］ 張楠，寧掌玄，劉靜，等.工程教育專業認證背景下PBL教學模式的研究與實踐——以電氣控制與PLC課程為例［J］.大學教育，2022（6）：49．

［5］ 胡瑋，尹仕，鄧春花.三明治教學法和評價量表在電機與電氣控制實驗課程中的設計與實現［J］.實驗技術與管理，2019，36（6）：37-41．

［6］ 趙富偉，徐金壽.應用技術型本科院校CDIO工程教育模式改革實證研究［J］.浙江水利水電學院學報， 2017，29（3）：84-90．

［7］ 方貴盛，王紅梅，戴曦.工程教育認證背景下《電氣控制與PLC》課程理實一體化教學模式探索［J］.浙江水利水電學院學報，2020，32（5）：86-87．

［8］ 邱曉天，葉湘濱，張琦，等．“傳感器與測試技術”在線開放課程建設探索［J］.電氣電子教學學報，2021，43（2）：15-18．

責任編輯 曹秀利

［收稿日期］ 2024-06-05

［基金項目］ 福建省本科教育教學改革研究項目（FBJG20220181）

［作者簡介］ 李雪鋒（1986- ），女，碩士，泉州信息工程學院機械與電氣工程學院講師，研究方向：自動化控制。