基于CDIO教育模式的PLC應(yīng)用課程教學(xué)設(shè)計研究

摘 要：隨著智能制造產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對高素質(zhì)、高技能型的PLC技術(shù)應(yīng)用人才提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。為了提高對PLC技術(shù)應(yīng)用型人才教育的適應(yīng)性，開展基于CDIO（Conceive Design Implement Operate）教育模式與PLC應(yīng)用課程體系深度融合的教學(xué)設(shè)計研究，重構(gòu)項目化教學(xué)模塊，按構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運作4階段設(shè)置教學(xué)環(huán)節(jié)，樹立“以學(xué)生為中心”的教育理念，引入HMI技術(shù)，直觀驗證項目運作情況。促使學(xué)生的知識、技能和職業(yè)素養(yǎng)與企業(yè)崗位需求相吻合，更好地推動高素質(zhì)、高技能型PLC技術(shù)應(yīng)用人才的培養(yǎng)，努力滿足社會和市場對PLC技術(shù)應(yīng)用型人才的需求。

關(guān)鍵詞：PLC應(yīng)用課程 CDIO教育模式 教學(xué)設(shè)計研究

隨著《中國制造2025》的推進(jìn)，企業(yè)產(chǎn)線的自動化、智能化程度越來越高，并逐步實現(xiàn)智能制造。在智能制造高速發(fā)展的背景下，企業(yè)需要能夠掌握與運用智能化設(shè)備技術(shù)、獨立完成智能化目標(biāo)和任務(wù)的高素質(zhì)技術(shù)技能人才[1]，特別是高素質(zhì)的PLC技術(shù)應(yīng)用人才。高等職業(yè)教育作為培養(yǎng)技術(shù)技能人才重要組成部分，肩負(fù)著培養(yǎng)面向生產(chǎn)、服務(wù)、管理的一線技術(shù)技能型人才的重要任務(wù)，培養(yǎng)高素質(zhì)、高技能型PLC技術(shù)應(yīng)用人才是高等職業(yè)教育重中之重。所以對PLC應(yīng)用課程教學(xué)設(shè)計的多維度探索研究，提高PLC技術(shù)應(yīng)用人才的綜合實力，有著非常重要的現(xiàn)實價值[1]。

CDIO理念是一種先進(jìn)的工程教育模式，CDIO是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實施（Implement）、運行（Operate）四個步驟的英文縮寫，其含義是以產(chǎn)品的研發(fā)到產(chǎn)品的運行整個生命周期為載體，讓學(xué)生在這個載體中以主動的、實踐的方式方法來學(xué)習(xí)工程的理論知識、實踐經(jīng)驗，以提升各種能力。CDIO教學(xué)模式實施的重點在于在教學(xué)過程中將具體的工程項目與構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行4個環(huán)節(jié)相結(jié)合，在近似真實工程實際的模擬條件下進(jìn)行練習(xí)。CDIO強調(diào)以學(xué)生為主，培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)技能和積累實踐知識，注重對學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，以此來提高學(xué)生的綜合實踐能力[2-3]。CDIO在高職工科類專業(yè)教學(xué)中具有很強的可操作性，對高職工科類課程教學(xué)改革具有較好的指導(dǎo)作用，在PLC應(yīng)用課程內(nèi)實施CDIO工程教育模式具有非常重要的意義。

在PLC應(yīng)用課程教學(xué)中，采用基于CDIO教育教學(xué)理念，推動教師的教育教學(xué)理念更新和專業(yè)技能提高，幫助學(xué)生加強對課程相關(guān)知識與技能的探索和求知，使學(xué)生在“做中學(xué)”，提高學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)工程項目意識，保障技能人才培養(yǎng)質(zhì)量與企業(yè)智能制造環(huán)境下人才需求相吻合。

1 教改前教學(xué)狀況分析

PLC應(yīng)用課程已經(jīng)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(yè)中一門核心課程。然而，職業(yè)高校培養(yǎng)的很多學(xué)生并不能熟練應(yīng)用PLC技術(shù)，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(yīng)企業(yè)智能制造環(huán)境下相應(yīng)崗位，企業(yè)需要再次培養(yǎng)3-5年甚至更長的時間。其原因主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1 教學(xué)方式不足

首先，傳統(tǒng)的教學(xué)方式是“填鴨式”教學(xué)方式。在課堂上，教師按照準(zhǔn)備好的PPT課件進(jìn)行講授，而PLC應(yīng)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(xué)者的學(xué)生，特別是高職學(xué)生，理論接受能力差，這就導(dǎo)致絕大部分學(xué)生很難跟上老師的思維，似懂非懂且沒有進(jìn)行深入思考，缺乏學(xué)習(xí)熱情[4]。

1.2 教學(xué)內(nèi)容不足

傳統(tǒng)的PLC課程教學(xué)中，以教師講授為主，學(xué)生總是被動、機(jī)械地去記憶PLC系統(tǒng)中的各種指令，但卻沒有與實際項目中的應(yīng)用環(huán)境和工作過程聯(lián)系起來。由于學(xué)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(dǎo)致了學(xué)生知識儲備不全面，不能勝任實際工程項目設(shè)計、編程及調(diào)試等工作[4]。

1.3 成果展示不突出

在傳統(tǒng)的課程教學(xué)后，學(xué)生在完成課程中的編程設(shè)計后，只能通過調(diào)試中的監(jiān)控表或PLCSIM仿真來跟進(jìn)項目設(shè)計情況，不能直觀呈現(xiàn)設(shè)計成果及問題點，不利于學(xué)生的直觀體驗設(shè)計成果的成就感，不利于學(xué)生提高分析排錯的能力，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。因此， 引入仿真軟件，有利于提升學(xué)生興趣。

2 項目化教學(xué)模塊設(shè)計

CDIO理念是基于工程項目開展教學(xué)，課程組通過對學(xué)生學(xué)情的分析和企業(yè)崗位需求的調(diào)研研究，結(jié)合企業(yè)真實的生產(chǎn)環(huán)境，根據(jù)CDIO理念，確定工程項目和每個項目的教學(xué)內(nèi)容及目標(biāo)，將課程內(nèi)容化分成由簡單到復(fù)雜、循序提升難度的項目化教學(xué)模塊，培養(yǎng)培養(yǎng)學(xué)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(xué)模塊，分別：電動機(jī)星三角降壓啟動、交通信號燈控制、兩臺PLC數(shù)據(jù)交換、伺服電動機(jī)控制。在教學(xué)設(shè)置過程中，根據(jù)工程項目要求，結(jié)合高職院校學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和實際情況，循序漸進(jìn)的設(shè)置課程教學(xué)內(nèi)容。各項目的具體內(nèi)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(shè)計課堂教學(xué)，側(cè)重于學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，更注重過程的銜接性、科學(xué)性、完整性和管控度，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識。對于PLC應(yīng)用技術(shù)課程的教學(xué)改革而言，首先，采用CDIO理念，以工程項目化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計為基礎(chǔ)，進(jìn)行課程教學(xué)設(shè)計，將CDIO工程教育模式引入到PLC應(yīng)用課程中[5]?；贑DIO教育模式的課程教學(xué)設(shè)計見下圖2。

3.1 構(gòu)思（Conceive）階段

在構(gòu)思階段，根據(jù)課程項目化教學(xué)模塊設(shè)計內(nèi)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(shè)置教學(xué)內(nèi)容相關(guān)知識點。構(gòu)思時，教師根據(jù)項目模塊的內(nèi)容及要求，以激發(fā)學(xué)生興趣為準(zhǔn)則，任務(wù)設(shè)計時融入構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作的理念。在課前，通過學(xué)習(xí)通等線上平臺布置項目任務(wù)，下達(dá)項目書，提供相應(yīng)的背景材料。學(xué)生5-6人組建團(tuán)隊，研究項目任務(wù)，查閱相應(yīng)文獻(xiàn)資料，討論出初步的實現(xiàn)方案，完成課前預(yù)習(xí)任務(wù)。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨立思考的能力、團(tuán)隊協(xié)作精神。

3.2 設(shè)計（Design）階段

在設(shè)計階段，教師根據(jù)下達(dá)的項目任務(wù)，講授知識點，并進(jìn)行重難點解析，學(xué)生進(jìn)行方案設(shè)計。此階段可在課前預(yù)習(xí)和課堂授課2個階段完成，整個設(shè)計過程體現(xiàn)以學(xué)生為主、教師為副的指導(dǎo)思想。每組學(xué)生確定小組分工，開展討論分析，結(jié)合前期查閱的資料，共同合作設(shè)計項目技術(shù)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(shè)計方案，課堂教學(xué)過程中學(xué)生進(jìn)行匯報，教師進(jìn)行指導(dǎo)，并給出建議和意見，確定最終的實現(xiàn)方案。在此過程中，教師注重學(xué)生的差異，鼓勵學(xué)習(xí)能力強的學(xué)生勇于發(fā)表自己的想法，激勵學(xué)習(xí)能力差的學(xué)生積極完成項目任務(wù)，從而提高學(xué)生的獨立分析能力，鍛煉學(xué)生的設(shè)計、開發(fā)和知識應(yīng)用能力， 培養(yǎng)良好的創(chuàng)新意思及工程項目思維。

3.3 實現(xiàn)（Implement）階段

在實現(xiàn)階段，教師全程監(jiān)督實施過程，進(jìn)行階段成果審核及指導(dǎo)，及時解答疑惑，解決問題，此階段在課堂授課階段完成。學(xué)生根據(jù)項目設(shè)計方案，小組分工，完成PLC硬件接線，分析項目工作過程，結(jié)合學(xué)生自身編程經(jīng)驗，最終確定編程方法，進(jìn)行程序結(jié)構(gòu)的搭建，完成程序的編制。小組成員協(xié)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(jìn)行階段成果審核，特別注意組內(nèi)各成員任務(wù)的之間銜接，針對學(xué)生遇到的瓶頸問題，教師可以引入案例進(jìn)行引導(dǎo)。通過項目的實施，鍛煉學(xué)生的獨立思考能力、實踐能力、培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。

PLC程序設(shè)計主要有兩種方法：經(jīng)驗設(shè)計法和順序控制設(shè)計法。經(jīng)驗設(shè)計法適合具有一定工作經(jīng)驗的編程人員。順序控制設(shè)計法首先分析系統(tǒng)或設(shè)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(jù)順序功能圖畫出梯形圖[6]。

根據(jù)CDIO理念，結(jié)合項目化教學(xué)模塊內(nèi)容及高職院校的學(xué)生的學(xué)情，在課程初期，在沒有編程經(jīng)驗的情況下，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用順序控制設(shè)計法進(jìn)行程序編制，首先分析項目工作過程，繪制順序功能圖，根據(jù)順序功能圖轉(zhuǎn)換梯形圖的規(guī)則，完成梯形圖的編制。通過順序控制設(shè)計法，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程項目意識，為以后工作奠定工程思維基礎(chǔ)。

3.4 運作（Operate）階段

在運作階段，教師綜合評價，進(jìn)行分析，提出持續(xù)改進(jìn)意見。此階段設(shè)置在課堂授課和 課后反饋2個階段。學(xué)生對項目完成情況進(jìn)行運行驗證測試，得出驗證結(jié)論。如果在程序運行測試中，出現(xiàn)錯誤或沒有達(dá)到項目要求，學(xué)生進(jìn)行分析，提出可行性的改進(jìn)措施，進(jìn)一步進(jìn)行驗證。驗證通過后，學(xué)生在課后通過學(xué)習(xí)通等線上平臺進(jìn)行成果展示，展示內(nèi)容包括項目實施方案，硬件和軟件設(shè)計成果、測試結(jié)果、問題及改進(jìn)措施。此過程培養(yǎng)學(xué)生的精益求精的工匠精神、創(chuàng)新思維能力和交流表達(dá)能力[5]。

在CDIO教育模式引入PLC應(yīng)用課程后，學(xué)生在項目的各個環(huán)節(jié)（包括項目任務(wù)、項目設(shè)計、項目實施、項目驗證）中開展的各項活動與企業(yè)項目管理的各個階段的工作內(nèi)容完全吻合，PLC應(yīng)用課程教學(xué)內(nèi)容完全切合企業(yè)生產(chǎn)線中PLC應(yīng)用場景，實現(xiàn)學(xué)生無縫式校企銜接人才技能培養(yǎng)[7]。

4 仿真技術(shù)應(yīng)用

CDIO教育模式的核心是盡可能接近工程項目實際來設(shè)計課堂教學(xué)，而工業(yè)自動化企業(yè)的產(chǎn)線種類多、設(shè)備價格高、工藝技術(shù)更新快，高職院校不可能一味地花錢購買設(shè)備，高職教育不可能配套相應(yīng)工程項目開展教學(xué)，同時，由于高職學(xué)生接觸企業(yè)項目機(jī)會少，對工程項目的認(rèn)知能力差，而工程項目運行情況不能直觀呈現(xiàn)，導(dǎo)致學(xué)生在接受PLC應(yīng)用課程項目化教學(xué)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(shù)融入CDIO工程教育模式的運作（Operate）階段。

高職的PLC應(yīng)用課程仿真一般借助于計算機(jī)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(xiàn)整個項目運行情況。然而，HMI組態(tài)技術(shù)，根據(jù)工程項目的具體要求，可以在HMI畫面中設(shè)置工程項目，組態(tài)項目圖形界面，配置按鈕開關(guān)、指示燈、IO域、電動機(jī)豐富多樣的控件，在項目化教學(xué)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(yīng)用HMI技術(shù)進(jìn)行項目運行驗證測試，結(jié)合PLC程序，模擬某一工程項目自動化系統(tǒng)的工藝過程，使學(xué)生直觀感受項目運行情況，深刻領(lǐng)會控制現(xiàn)場的各種要求，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高PLC應(yīng)用課程教學(xué)效果，為培養(yǎng)高質(zhì)量的技術(shù)技能人才提供了保證。

5 結(jié)束語

課程組基于CDIO理念對PLC應(yīng)用課程教學(xué)模式進(jìn)行研究改革，將課程內(nèi)容劃分成基于CDIO的4個項目化教學(xué)模塊，在課程教學(xué)過程中，樹立了“以學(xué)生為中心”的教育理念，引導(dǎo)學(xué)生在構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行環(huán)節(jié)中積極思考、主動解決問題，參與課堂、融入課堂。HMI技術(shù)的引入，工程項目的畫面設(shè)置直觀呈現(xiàn)項目運行情況，提升學(xué)生的分析能力及問題解決能力，使學(xué)生直觀感受成果的喜悅及成就感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生的知識、技能和職業(yè)素養(yǎng)能夠和企業(yè)的崗位需求相結(jié)合。CDIO工程教育模式的引入，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊合作能力、工程應(yīng)用能力、科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為學(xué)生以后的就業(yè)及發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

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

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