基于CDIO模式的《工廠電氣設備及控制》課程教學改革探討

侯世英，馮彩絨，廖長榮

(重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶400030)

CDIO是一種系統全面的工程教育模式，它是Conceive(構思)、Dsign(設計)、Implement(實施)、Operate(操作)四個英文字母的縮寫，用這四個階段代表工程項目生命全周期，它是“做中學”和基于工程項目學習的集中概況和抽象表達［1］。它是以目標為驅動的教育理論，最終達到學以求知、學以致用、學以共處、學以做人的教育目標。《工廠用電設備及控制》課程實踐性強，注重培養學生的工程實踐能力，將CDIO教學理念運用于本課程教學中，有利于學生動手實踐能力的提高。

1 《工廠用電設備及控制》課程的應用現狀

《工廠用電設備及控制》是電氣專業的一門專業課程，是將軟件知識和硬件電路設計融合的課程。本課程涉及知識面較廣，不僅包括對PLC器件本身的認知、PLC程序編寫技能、PLC控制系統硬件電路的搭建能力、系統的調試技巧，還需要掌握一定的計算機和通信方面的相關知識。課程目標，旨在培養學生的PLC控制系統設計和調試能力，讓學生初步具有工程項目的概念。近年來，通信技術、計算機技術及圖形技術的迅速發展，促進了PLC技術在工業領域的應用。在我國東南沿海，為應對日益凸顯的用工荒和不堪重負的勞動力成本壓力，PLC控制技術在工廠自動化生產領域的應用程度不斷提高。這在客觀上增大了對PLC控制應用人才的需求，同時對學生的產品設計能力、產品維修能力和技術創新能力提出了更高要求。但現實中較多的畢業生這方面的能力比較欠缺，無法滿足用人單位的需求，形成了“一方面畢業生就業難，另一方面用人單位找不到滿意人才”的怪象。

在既往的課程教學中，教師往往比較注重PLC編程語句和編程技巧的教學，而疏于對硬件電路設計和處理技巧的重視，導致學生一旦進入職場便顯露出實踐能力不足的缺陷。CDIO教學模式是基于項目的學習，它引入工程教育的理念，將職場的環境引入到課程教學中，注重對學生獲取知識、運用知識、共享知識、傳播知識以及發現知識等五種能力的培養，極大地適應了企業對學生能力的需求。基于此，我們從《工廠用電設備及控制》的課堂教學開始，以工程項目為載體，應用CDIO教學模式對課程教學進行改革，以最大程度的激發學生的學習熱情，培養學生的綜合實踐能力。

2 基于CDIO模式的PLC應用技術教學

對于電氣類專業的學生，本課程的教學計劃大都安排在入學的第三年，一般有4～5個學分，并會安排一周的實訓時間和一定的實驗項目。這個階段的學生已經具備了學習本課程所需的相關基礎知識，具備一定的專業視野。基于CDIO模式的課程教學改革，可從以下幾個方面進行探討。

2.1 職場教學環境

依照CDIO教學模式的概念，學校的實驗室和實訓室永遠無法模擬真實的工廠生產過程。在課程教學中引入工程職場的概念，并不意味著要將工廠搬到學校，工廠職場環境不是指它的物理環境，而是強調它的特征、它的文化內涵。在可編程控制器應用技術課程項目教學中，引導學生接受項目實施過程中的職場文化，如:客戶至上、給市場提供完整的產品服務、持續創新和改進、著重問題的解決、團隊合作、有效溝通、利用現有的資源和條件把事情做成、保護治理環境、以人為本、終身學習，等等。通過改變課程教學環境，使學生提前接受企業文化，縮短學校與企業的對接時間。

2.2 多樣化教材

關于PLC應用的教材很多，其內容結構大多是介紹PLC的硬件與工作原理、編程語言與指令、程序設計方法、PLC通信與網絡。在CDIO的教學模式改革中對于教材的選取較為靈活，在課程學習早期可由教師推薦幾本相關的教材或利用網絡讓學生完成對課程的感性認知。在隨后的課程學習中，一方面由教師按照CDIO模式中的C(產品的設計構思階段)——CD(設計實踐階段)——CDI(產品制作階段)——CDIO(在不同背景下運作產品階段)——提升、總結5個階段，進行教材組織和理論講授，同時邀請本行業有知名度的從業人員和經驗豐富的一線操作人員，共同按照CDIO的層次遞進模式，主編項目實施教材。

2.3 CDIO替進式教學

《工廠用電設備及控制》課程內容，既有關于PLC控制系統設計過程中的硬件知識、又有軟件編程知識、系統設計應用知識等等。在學生能力培養方面與之對應的既有要求學生必須掌握的基本技能，又有對學生創新技能和運用知識技能的更高層次的要求。基于此，對本課程的教學改革主要從項目設計和課程教學方式與實踐環節改革兩個方面進行。

項目設計。項目設計是否合理在很大程度上決定了CDIO課程改革能否成功。項目內容設置要既能體現當前PLC控制新知識，又能注重學生實際技能的培養。讓學生在完成項目的過程中啟發思維，開拓專業視野，掌握PLC控制所涵蓋的新理論和新技術。項目的設置還要具有一定的趣味性、實用性和擴展性。要遵循由淺入深、由易到難、由基礎到綜合、由理論到創新并循序漸進的原則，培養學生創新意識和動手能力。PLC控制系統的設計從正反轉控制系統引申的自動門、電梯控制項目，到PLC狀態控制系統設計引申的機械手、裝配線項目。引導學生掌握PLC控制系統設計中PLC型號選擇、PLC軟件程序設計技巧;硬件電路中交直流電源設計，控制系統輸入、輸出回路設計;程序下載調試，控制系統的調試和故障判斷知識。通過4～5個項目，讓學生深入學習PLC控制系統設計的每一個環節，積累PLC控制系統設計經驗，達到能獨立開發系統的能力，做到一通百通，具有靈活運用知識的能力。

課程教學方式與實踐環節改革。將課程內容與實驗、實訓項目進行整合，即把工程實踐和理論學習集成在一個空間完成［2］。如何讓學生掌握PLC控制特性、控制系統、控制對象的特點以及硬件電路調試方法、系統后期維護等知識是本環節的關鍵。項目的實施分四個階段進行:第一階段利用現有的實驗或實訓設備對項目進行感性認知，以自動門控制系統設計項目為例，應首先明確PLC控制對象的特點、控制動作執行的要求、自動門的安裝環境、現有的設備條件以及每個學生團隊的人員結構;工程策劃和實施是項目實施的第二階段，教師引導學生按照CDIO模式完成，即 C——CD——CDI——CDIO，在這個階段，學生作為項目執行主體，教師作為場外指導;第三階段進入評價環節，由教師根據項目完成情況，實施對學生CDIO能力的評價和項目完成情況的專業評估;第四個階段由教師與學生共同完成項目的總結工作，每個小組將在項目實施過程中獲取的經驗與大家分享，相互交流，達到學習經驗共享的目標。

2.4 多課程融合教學

可編程控制器控制系統設計過程涉及到PLC與計算機、PLC與觸摸屏、PLC與PLC之間的通信連接;涉及到與氣動技術相結合的控制技術，涉及到控制過程中檢測傳感技術。下面簡單介紹PLC教學與通信、傳感和氣動課程的結合應用。

與通信課程結合應用。PLC具有很強的通信功能，能完成與其他PLC、智能設備或計算機之間的通信，形成工業自動化通信網絡［3］。在PLC的數據和無協議通信中，通信標準和網絡模型的建立，都涉及到通信基礎課程。本課程鼓勵學生在完成項目過程中，具備工業自動化通信網絡知識學習能力，獲取通信的相關知識。

與氣動技術相結合。在機械手項目實施過程中，需要將氣動技術與PLC控制相結合，完成機械手的動作過程。在硬件電路裝配中要學生完成氣缸的裝配，電磁閥的連接。這些都是搭建硬件電路的必要環節，借此培養學生對于氣動技術相關知識的學習和了解，使兩門課程達到相互促進、相互融合的目的。

與傳感器技術結合。在自動門控制項目、電梯控制項目、機械手項目都涉及到傳感器的應用，傳感器在控制系統的應用非常廣泛，構成了控制系統的神經系統。在PLC控制系統設計中，需要完成傳感器選取、傳感器與PLC之間的連接，因此可以將傳感器學習融入到PLC控制項目完成過程之中。

2.5 頂崗實習教學

通過項目學習，學生掌握了PLC控制系統設計所需的基礎知識后，在課程學習的最后階段，讓學生真正的進入到工程職場中去，即頂崗實習。通過頂崗實習，將在項目學習中獲取的知識運用于企業工程現場，培養學生現場處理問題的能力和靈活運用知識能力，使之達到學以致用的目的。學生進入企業實習期間的狀態評估，由企業人員按照企業的質量評價體系進行。教師跟蹤學生的企業頂崗實習過程，并結合評估結果，分析學生能力與職場需求的差距，再對課程教學內容、教學方式進行一定的修改，形成一個閉環教學系統。需要強調的是，學生頂崗實習必須務實，讓學生成為一線工人，杜絕走馬觀花的參觀式實習。

2.6 教師的CDIO能力培養

具備較高CDIO能力的教師隊伍是CDIO教學改革成敗的關鍵所在。教師大多是從一個學校門走到另一個學校門，他們雖有豐富的理論知識和較強的科研能力，但缺乏相關的企業工作經歷或工程經驗。因此，將企業優秀專家聘請到學校來，將教師送到企業一線中去，對于提高教師的實踐能力和提升教學效果無疑是可行而且必須付諸實施的。

3 結語

通過應用CDIO模式對《工廠用電設備及控制》課程教學進行改革，模擬了適合CDIO教學的工程職場環境，讓學生在這個環境中完成遞進式項目的學習，最終借助企業評價反推教學改革，形成一個閉環的持續改進教學改革過程。

［1］李堅強，王志強.基于CDIO模式的嵌入式系統教學研究與探討［J］.計算機教育，2010，(12):122-123.

［2］查建中.工程教育改革整體戰略及“做中學”的CDIO模 式 ［EB/OL］.http://www.edu.cn/jxyj_9941/20100521/t20100521_477548.shtml，2010-05-21.

［3］廖常初.可編程控制器應用技術［M］.重慶:重慶大學出版社，2007:140-147.