基于CDIO理念的PLC教學方法研究

楊旭東

【摘 要】本文介紹了CDIO先進的教育理念、PLC課程的特點以及在教學中存在的問題，確立了運用CDIO理念指導教學方法改革。針對課程的教學內容、組織過程、考核與評價機制等主要方面進行了實踐和總結，并就相應的策略予以了分析。

【關鍵詞】PLC；CDIO；教學方法

CDIO工程教育模式是由美國麻省理工學院等國際著名高等院校推出的一種新型的教育模式。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），是一個新型的高等工科教育模式。它是以產品研發到產品運行的生命周期為藍本，讓學生以主動的態度、實踐的方法學習工程。培養學生的工程意識，掌握實際生產工藝技能。獲得熟悉生產環境，解決實際問題的能力。使學生更加積極主動地投入到學習生活中。

可編程序控制器（簡稱PLC）是一種在工業控制領域應用十分廣泛的自動化設備，它是PLC、變頻器、觸摸屏、工控機、組態軟件、現場總線等設備構成的現代工業控制系統的核心。作為制造業三大支柱之一的PLC技術，已經成為每個機電工程技術人員必須掌握的一項技術。PLC課程教學效果的好壞對畢業生的就業也將產生很大的影響。因此，該課程必須要有優秀的教學理念，完善的教學設計，這樣才能取得良好的課程實施效果。

1 傳統教學模式存在的問題

傳統教學方法是從PLC的基礎知識開始，介紹PLC的硬件結構和工作原理、PLC的編程指令、應用程序設計。教學過程中，主要以教師為主導地位，學生為載體，被動地接受知識。PLC應用技術特點是綜合性較強，知識覆蓋面寬，新產品更新速度很快。如果理論內容較多，理論與實際脫節，教學效果不會很好。花費很長時間學習各種指令的語法，而不重視指令在實際工程中的使用方法，學習過程是被動地接受各種知識而沒有培養學生的主觀能動性，無法培養嚴謹的工程應用能力；在程序設計時，缺少實際項目的實施目標，不能對實際項目進行任務分析、總體方案設計、程序設計。只是為了考試而編程，沒有建立工程的概念，對工程設計沒有深刻的理解；課程結束后對于控制系統設計沒有清晰的思路，難以達到令人滿意的學習效果。

PLC技術和變頻器以及人機界面的綜合應用在工廠控制系統中廣泛使用。但是大多數院校并沒有專門設置PLC、變頻器和觸摸屏或者組態軟件綜合技術一體化教學課程。而是主要學習PLC、變頻器的理論，再加上各自獨立的驗證性實驗的方式進行教學。而且實踐課時偏少，學生往往只能掌握各門課的基礎技能。內容相對獨立，學生無法從整體上把握控制系統開發的思路，也就無法體現“構思、設計、實現和運作”的教學思想。另外PLC、變頻器和觸摸屏種類繁多，各種新產品層出不窮。當畢業生就業時從事相關行業工作，如果沒有綜合性的項目培訓，只是學會一些理論知識，所學專業知識與生產實際存在一定的脫節。畢業生需要很長時間才能適應企業的需求，這就降低了人才的競爭力。

2 基于CDIO理念的教學模式

傳統的教學模式只注重理論環節。針對傳統教學方法的不足，我們將先進的CDIO教學理念引入PLC課程教學。從項目構思、設計、實現到運行，開發PLC教學和實踐項目結合一體化的實踐教學內容，結合實驗室現有機型三菱FX系列PLC，開發以項目為驅動的課程標準。課程以項目為主線，將相關知識點和原理等內容貫穿其中，循序漸進地將理論與實踐相結合，內容少而精，學生學起來不枯燥，而且項目基本涵蓋了工業控制領域PLC控制系統常用技術。

常用的項目包括以下幾個。項目一通過電機啟停控制讓學生掌握PLC基礎知識及PLC的基本工作原理，包括基本指令應用。項目二是電動機Y-△降壓啟動，主要學習定時器編程使用方法。項目三是工作臺自動往復運動控制，學習行程開關和計數器的使用方法。項目四是氣動機械手的控制，讓學生掌握順序控制的方法，學習氣動電磁閥的控制。項目五是立體倉庫控制系統設計，學會步進電機控制指令的使用。項目六是變頻器多段速控制，包括丹佛斯、三菱、西門子等機型，采用不同方式實現對電機的調速控制。項目七是模擬量的溫度控制，可通過內部模擬量指令實現控制，學習使用PID指令實現閉環控制。項目八是觸摸屏、PLC的液體混合控制，學習使用觸摸屏設計人機界面以及和PLC相互通信。項目九是觸摸屏與變頻器、PLC恒壓供水控制系統，學習用觸摸屏、PLC、變頻器相結合的控制方式，學習設計信息簡潔豐富的人機界面，并且可以通過互聯網實現遠程監控。PLC技術的發展方向之一是網絡化與智能化，隨著物聯網技術的發展，PLC通訊聯網功能將會越來越強大。這十個項目基本涵蓋了PLC教學要求中的知識點。使學生逐漸將理論與實踐相結合，在實踐中學習各個重點和難點，學生會在學習中充滿成就感。

項目的選擇是精心安排安排的，按照知識點合理分配的原則。而且每一個項目都應該是實際項目，來自于生產一線，同時應用比較廣泛。按照項目的知識連貫性和學生的能力基礎，把整個學習過程分三個階段，每一個階段包括三個項目。在第一階段，學生對相應的PLC理論知識與電氣實踐技能還不了解，需要通過教師示范教學引導，這樣學生才能適應以項目為核心的教學方法，初步學習完成項目的具體步驟，為后續項目教學組織奠定良好基礎。第二階段，學生通過第一階段的學習，初步掌握了實施項目工作的具體步驟與常用的實踐技能，已經掌握了一定的理論知識，項目四、五、六這四個項目屬于第二階段內容，指導教師不用示范教學而是制定概要的項目步驟，學生依據步驟完成任務，目的是加強學生的進一步自己獨自完成項目的能力；在項目進行過程中，要重點使學生掌握提出問題，分析問題，解決問題的能力。提出合適的問題，才是解決問題的關鍵。第三階段，也就是綜合項目階段，學生已經具有初步的專業知識和分析問題解決問題的能力。通過本階段訓練，進一步提高學生的綜合項目能力，通過實際的綜合性項目訓練，學生的專業技能能力、解決問題能力、團結組織能力和人際交往能力得到很大提高。通過三個階段的努力，學生找工作時，非常受到用人單位的歡迎。需要重點指出項目必須來源于常用的生產現場，每一個訓練項目都包括構思、設計、實現、運行（CDIO）四個環節，真正在理念上貫徹這個理念。尤其重要的是初級階段的項目設計，每個項目中包含的知識點不能過多過難，也就是說學習訓練負荷不能太大，要讓學生有邊學習邊思考的時間，重點和難點內容要經過反復訓練。項目內容的選擇非常重要，需要具有豐富經驗的教師設計。

3 項目實施的教學組織過程

項目教學過程中，基于CDIO教學理念，按照構思、設計、實現、運作、評價等環節，認真體驗做中學、學中做。任何知識的運用與能力的培養都不是一蹴而就的。能力的培養如果僅僅是學生被動的在課堂訓練，這是遠遠不夠的，學生課后也需要全心投入。在CDIO教育理念下，提示學生對項目中所涉及的各種知識自己需要主動的學習。資料的查找，實際項目的應用情況，都是學生在課外調查研究。

CDIO理念培養人的綜合能力，注重學生的整體素質的提高。在課改教學組織過程中，課程組成員采用簡單控制系統由學生獨自完成項目，稍微復雜的控制系統由老師指定小組分工合作。通過課內學生相互之間的評價和交流，學生借鑒他人經驗的能力；交流溝通能力；知識的應用移植能力；自學能力都得到了較好的鍛煉。

課程評價改變傳統的閉卷考試為主的方式。過程考核成為最重要的部分，其中過程考核占70%，筆試考試占30%。更加注重學生細心嚴謹的學習，重視培養嚴謹務實的習慣，注重解決實際問題的能力。

4 總結

在PLC教學中體現CDIO理念，以項目為目標，把專業知識、能力、素質等培養融入到每一個項目教學過程中。學習內容圍繞項目這個核心進行，提高了學生的學習興趣。評價方式的改革，避免了閉卷筆試的弊端。通過實際項目培養學生的綜合應用能力，團隊合作能力。

【參考文獻】

[1]齊占慶.機床電氣控制技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]李輝.S7-200PLC編程原理與工程實訓[M].北京：北京航空航天大學出版，2008.

[責任編輯：王楠]