CDIO模式在“可編程控制器”技能實訓中的應用＊

譚 娟

（武漢交通職業學院智能制造學院，湖北 武漢 430065）

0 引言

以技能培訓和技術應用為代表的高等職業教育是一種技能型教育，著力于培養高素質技術技能型人才[1]。“可編程控制器”課程是機電類相關專業的一門專業核心課程，具有較強的實踐性和應用性。“可編程控制器”技能實訓是提高學生動手實踐能力、培養學生職業技能和職業素養的重要平臺。旨在培養學生具備以可編程控制器為核心的實際控制系統的軟硬件設計、安裝、編程、調試及運行維護的職業技能；培養學生綜合運用所學知識分析問題、解決問題的能力；培養學生具有良好的職業素養以及溝通交流、團隊協作的能力。

項目載體的教學法是指師生通過共同實施一個完整的“項目”（將教學對象視同為一個項目）而進行的教學活動[2]，它注重項目完成的過程。學生在項目完成的過程中，理解和把握課程要求的知識和技能，形成分析問題和解決問題的思想和方法。本文以項目為載體，將CDIO教育模式應用于“可編程控制器”技能實訓教學中，為相關或者相類似實訓課程的教學提供參考。

1 CDIO模式的內涵

CDIO是一種基于構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運行（Operate）的工程教育模式，它是“做中學”和“基于項目教育和學習”的集中概括和抽象表達[3]。第一階段構思，要明確客戶需求，考慮所需技術、企業規章制度和戰略要點等，盡可能優化概念、技術與商務案例；第二階段設計，制定計劃、草案、圖紙等；第三階段實施，將制定的計劃、草案、圖紙等轉化為成果；第四階段運行，達到預想價值。CDIO模式主要培養學生的科學技術基礎知識、終身學習能力、溝通交流和團隊協作能力，以及在社會和企業環境下建造產品和系統的能力[4]。

2 “可編程控制器”技能實訓現狀分析

目前，“可編程控制器”技能實訓教學主要是圍繞實訓指導書和實訓任務書開展。實訓指導書主要包含項目名稱、學習目標、實訓準備、知識背景以及考核評價方法。實訓任務書主要用來下達實訓任務與要求、進度安排以及學生實訓成績的評定。實訓指導老師一般在課前安排班委分發實訓指導資料，但很少有學生在課前認真研讀這些紙質的實訓指導資料。實訓教學過程需要花費大量時間對實訓所需理論知識點進行講解，以及進行硬件接線和軟件編程的示范操作，因此，大大縮短了學生動手實踐的時間。再者，“可編程控制器”課程指令多，晦澀難懂，高職院校學生基礎差，學生對技能實訓的自信心不夠，導致學習興趣、學習積極性不高。在實際教學過程中，實訓指導老師缺乏對學生個性化、創造力的培養。實訓指導老師習慣于提供統一的I/O地址分配，導致每個學生的硬件接線、程序編制基本雷同。

3 CDIO模式在“可編程控制器”技能實訓中的應用

“可編程控制器”技能實訓的指導思想是：選用真實項目作為載體，應用CDIO模式進行教學過程設計。在選用具體的教學項目時，要依據教學大綱設定的教學目標，聯系生產生活實際應用，使學生能夠運用所學知識解決實際問題。以“可編程控制器”技能實訓教學項目“十字路口交通信號燈的控制”為例，介紹CDIO的應用。實訓所需設備及工具：電腦、STEP7編程軟件、S7-300 PLC、交通信號燈模塊、連接導線及其相關工具儀表等。教學過程設計按照CDIO模式劃分為構思、設計、實施及運行四個階段[5]。

3.1 構思階段

在構思階段，實訓指導老師需要明確教學目標及教學重難點，提出任務內容與要求；而學生需要自主查閱資料，構建知識體系。以“十字路口交通信號燈的控制”為例進行說明，十字路口交通信號燈示意圖如圖1所示。

圖1 十字路口交通信號燈示意圖

交通信號燈系統控制要求：按下啟動按鈕，交通信號燈系統開始工作，控制過程循環進行；按下停止按鈕，所有信號燈都熄滅。交通信號燈控制時序圖如圖2所示。

圖2 十字路口交通信號燈控制時序圖

教學目標：1）知識目標。根據系統的順序功能圖用順序控制法設計。2）能力目標。交通信號燈系統的軟件安裝、硬件接線、系統調試；利用S7-GRAPH編寫順序功能圖程序，并寫出對應的梯形圖程序。3）情感目標。培養學生溝通交流、團隊協作能力；任務驅動，激發學生學習興趣，提高學生自主學習能力；培養學生分析問題、解決問題的能力。

教學任務：1）認識順序功能圖。2）應用S7-GRAPH編寫順序功能圖，并寫出對應的梯形圖程序。3）運行并調試程序直至滿足十字路口交通信號燈的控制要求。學生在明確任務內容及要求后，自主查閱PLC控制系統設計、順序功能圖、S7-GRAPH、STEP 7、基本邏輯指令及定時器等知識點。

3.2 設計階段

在設計階段，實訓指導老師主要任務是引導學生利用理論知識解答實際問題，鼓勵學生大膽試錯，提出各種解決方案。實訓指導老師可以采用不斷提問的方式引導學生自主思考、交流討論，使學生完成交通信號燈控制系統硬件接線草圖及程序初稿。針對項目“十字路口交通信號燈的控制”可設置如下問題。

問題1：根據控制要求，確定I/O設備，即確定“啟動按鈕”“停止按鈕”“東西南北紅黃綠12個信號燈”哪些是輸入設備，哪些是輸出設備，并分配I/O地址，繪制PLC的外部接線圖。

問題2：什么是順序控制，如何利用S7-GRAPH創建順序功能圖，并對其進行設置和調試。

問題3：如何將順序功能圖轉換成梯形圖，并利用STEP 7軟件進行編程、調試。

實訓指導老師通過不斷地提問，發散學生思維；學生就老師提出的問題進行思考，在小組內進行交流討論，實現團隊協作；在討論交流中，通過不斷新增假設，培養學生創新精神。

3.3 實施階段

在實施階段，實訓指導老師要加強對學生職業素養以及工匠精神的培養；要引入企業、行業規范和職業技能標準，強化對學生職業技能的訓練；要強化操作流程的熟練度。針對項目“十字路口交通信號燈的控制”，實訓指導老師要組織、引導學生將設計階段繪制的圖紙、編制的程序轉換為成果。引導學生依據繪制的PLC外部接線圖，完成硬件接線；引導學生使用STEP 7軟件創建項目、組態硬件；引導學生應用S7-GRAPH創建、設置并調試順序功能圖；引導學生將順序功能圖轉換為梯形圖，并利用STEP 7軟件進行編程、調試。

3.4 運行階段

不斷修改、調試程序，直至達到“十字路口交通信號燈的控制”要求為止，學生通過自我不斷實踐，體會成果帶來的成就感以及創新帶來的喜悅感。同時，為了進一步鞏固學生學習成果，小組內成員在實訓操作結束后，總結實訓經驗，編制PPT進行展示匯報，就設計思路以及硬件接線、程序調試運行中的問題進行總結、分析，并就解決方案進行成果分享。在匯報展示過程中，實訓指導老師鼓勵其他組同學就展示匯報內容進行提問，互相學習探討。

4 教學組織實施

在以項目為載體的實訓教學組織實施過程中，為了提高教學效率和教學質量，可采用以下途徑：

1）分組教學。實訓指導老師根據學生實際情況進行優劣生搭配分組，每組設定組長一名（實則為項目主管），牽頭負責項目實施全過程，包含設計方案討論、具體技術問題的解答、組內事務分工協調等。整個教學過程，培養學生自我管理、獨立思考、相互幫帶、善于合作的能力。

2）翻轉課堂。將項目涉及的知識點、示范操作、技能要求、安全規范等，錄制成微視頻，上傳至教學平臺，供學生課前預習。采用翻轉課堂教學模式可以拓展學習時間和空間，最大限度地利用課堂實訓時間加強對學生職業素養、職業技能以及工匠精神的培養。

3）成果展示匯報。為了評價學生在實施過程中的成果，實訓操作結束后，引導學生進行成果展示匯報，提升學生自我展示與語言表達的能力。

5 結語

在“可編程控制器”技能實訓中采用以項目為載體的CDIO模式教學，學生的學習興趣、學習積極性和主動性均有提升。通過合理組織實施教學改革，學生的職業素養、職業技能以及創新能力也得到了提升。