基于CDIO-OBE模式的PLC課程教學改革探索

張 敬 盧 雁 謝光彩 李 圣 周洪波

（湖南理工學院機械工程學院 湖南·岳陽 414000）

隨著國家創新驅動發展戰略的推進，以中國制造2025、互聯網+、人工智能等為代表的國家戰略需求，帶動了新一輪的技術革命和產業變革，同時也推動了新時期中國高校各類人才的培養模式變革。可編程序控制器(PLC)是一種先進的自動化控制裝置，已經成為工農業自動化生產中的重要支柱之一。教育部在2014年3月明確提出，在全國的普通本科院校中將有600多所高校逐步向應用技術型大學轉變，培養應用型人才是高等教育大眾化的發展方向。在當今自動化工程控制領域，企業對PLC控制方面的應用型人才需求越來越大。但是由于傳統教學模式培養出來的學生理論知識陳舊，動手能力差，無法獨立開展項目工程。為改變這一現狀，應用型本科院校應以培養復合型應用人才為主要任務改變傳統的教學模式，以培養學生的實際工程能力為導向，重點培養學生的自主學習能力和實踐應用能力，以服務現代化經濟體系和實現更高質量的就業。因此，我們需要引入新型CDIO-OBE教學模式。

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）教學模式，是圍繞構思、設計、實現、運作思路展開，以工程項目從研發到完成的全過程為載體，使學生在實踐項目中學習工程基礎知識，有效地提升實踐應用能力。OBE（Outcomes-Based Education）是以學習效果為導向對教學過程組織、實施和評價的教學模式，更加注重學生學習效果及培養學生能力。

1 課程目標的修訂

PLC課程是機電以及自動化專業的核心課程，具有很強的應用性和實踐性。它作為一門工程性和應用性的控制技術課程，應該要與工程實踐緊密聯系，要求學生在實際工程項目中去理解、接收并應用理論知識。但在傳統的PLC課程教學中對課程教學目標大多數停留在只要求學生掌握PLC的基本理論，學會一些簡單的實驗控制。學生往往只能通過編程和仿真來消化知識，但是并沒有真正理解每個知識點在實際工程中的運用。因此，這樣的教學目標和模式往往會引起學生對PLC課程理論學習的厭煩，學習效果與實際工程項目脫節，從而導致學生的工程意識和實踐能力不強，學完該課程后仍然無法完成實際的工程項目。

針對以上存在的問題，我們將通過CDIO-OBE的教育理念指導 PLC課程教學改革。新課程的目標是從企業對 PLC技術人才的需求出發，并結合學生個人內在需求，注重培養學生的工程實踐能力和自主學習能力，保證教育目的與結果的一致性。并要求學生學完“PLC控制技術”課程后，能具有以下能力：（1）具有獨立完成控制系統設計的能力；（2）具有良好的PLC編程能力；（3）具有獨立分析問題和解決問題的能力；（4）具有較強的動手能力和溝通能力。

2 基于CDIO模式的PLC課程教學改革

2.1 PLC課程教學大綱和教材改革

傳統的PLC課程教學大綱包括了課程目的，教學基本內容，實踐環節、課外習題及課程討論等環節，內容比較繁雜而且主次不清晰。新型CDIO模式下的PLC課程教學大綱中主要是根據以工程項目為主線貫穿教學，以學習結果為考核導向，進行傳統課程教學內容與所設計教學項目的有機融合。新大綱的課程目的就是要考察學生的綜合應用能力，而不是簡單的掌握PLC基本原理。實踐環節應占整個課程的70%，而不是原來僅有的20%。考核方式主要體現在實際工程項目任務的完成情況上，而不是簡單的閉卷考試和課后作業。傳統的PLC課程教材大多強調理論知識，介紹如何使用一些較為簡單的實驗模型進行理論驗證。而在新大綱中選用的教材應該是應用型的工程案例教材，通過實際的工程案例，詳細介紹完成工程項目的每一個步驟，以及工程中常用的技術知識，去除那些過時的和不經常使用的內容。比如可以使用由向曉漢編寫的《西門子PLC、觸摸屏及變頻器綜合應用從入門到精通》一書作為教材，該書通過實際工程案例與理論知識的結合，詳細介紹了編程指令在實際中的運用效果。同時還包含了實際工程中經常用到的通訊技術，變頻技術，人機界面應用技術等，這也是傳統教材很少涉及或者簡化的內容。因此PLC課程教學大綱，應該根據工程需要重新修訂。

2.2 教學內容改革

PLC課程改革的核心是教學內容的改革。與傳統“重理論”的教學內容相比，CDIO模式的教學內容以工程項目案例為主，包含了實際工程中經常使用到的PLC技術知識，并且用于教學的工程項目結合了學生的學習能力，由易到難，由淺入深，循序漸進的安排。為了確保教學項目的工程應用性，教師可以與當地企業合作，讓企業提供一些合適的成功工程案例或者把成功的科研項目作為教學案例。這里以湖南理工學院PLC課程教學內容改革為例，介紹一套適合本校學生學習的實用型課程。如圖1所示為該課程的模塊框圖。課程所用的教學案例大部分是來自于本校科研項目和地方企業實際工程項目，內容真實新穎。

圖1：課程模塊

本課程主要以8個工程案例為主，分為基礎篇，設計篇，綜合篇三個部分。每一個篇章都要求學生掌握對應的PLC課程知識和技能，具體如表1所示。學生通過8個工程案例的學習之后，不僅能夠掌握PLC的理論知識，同時還具備了工程應用的能力。

表1：教學工程項目一覽表

2.3 教學方法改革

傳統的教學方法主要是以教師在教室上的課堂講授為主，學生缺乏動手能力。而本課改主要以PLC實驗室、科研實驗室、企業現場為教學場所，根據教學內容中的實際工程案例對學生進行講解并現場要求學生完成一定的工程任務，對現場出現較多的問題進行指導。對于基礎篇的學習，主要是以PLC實驗室為教學場所，講授相關專業知識和安全注意事項后要求學生利用實驗器材完成工程項目。設計篇和綜合篇主要以科研實驗室和企業現場為主，教師通過實際的科研項目和企業工程項目指導學生進行實踐。例如教師可以把一個成功的控制系統拆開分解后讓學生親自摸索復原，實現原來的功能。這不僅讓學生掌握了整個控制系統的設計流程，而且還使學生的動手能力得到了提升，工程應用能力得到了培養。如圖2，為我校學生在教師指導下進行的燃料電池風冷堆控制系統復原搭建。對于涉及企業中的工程項目案例，可以與當地的企業的項目負責人和工程師進行交流，邀請企業工程師來學校進行項目指導，或者由工程師和教師帶領學生親臨現場開展設計工作。

圖2：現場搭建燃料電池風冷堆控制系統

此外，在教學中應該要求學生學會使用PLC參考手冊，遇到需要使用的功能指令應該通過查閱相應的英文手冊去理解指令的使用方法或者通過電話咨詢PLC公司。實驗室或者科研項目使用的PLC應該選擇當前主流的、功能比較強大的機型，如西門子S7-1500等，不使用那些老舊過時的PLC控制器。此外，還應要求學生使用工程常用的編程軟件和電路繪圖工具，比如博圖軟件和EPLAN電路繪圖工具。通過對這些真實的工程應用軟件的學習與使用，學生在畢業后更容易接手企業項目。

3 基于OBE的考核方式的改革

傳統的 PLC課程改革方式主要是采用閉卷筆試方式考核。成績評定的辦法為，期末成績占總成績的70%，其中考試、作業、考勤和提問等作為平時成績占總成績的10%，實驗實踐環節占20%。這樣的考核方式無異于重理論而輕實踐，不利于培養學生的工程應用能力。基于 OBE教育理念的課程考核方式是以項目實施結果為主要依據來評價學生的學習效果。這種考核方式能夠全面、客觀、科學地評價學生，有利于培養學生的動手實踐能力，加強學生工程應用能力和在復雜的設計過程中的綜合職業能力。本課改針對教學內容設計專門的教學評價考核指標，根據項目的難易程度設置不同的分值比重，重點考察學生的動手能力，程序編寫能力，工程問題的分析和解決能力。其中基礎部分占20%，設計部分占40%，綜合部分占40%，實行100分制。具體的每一個部分又設置了若干個考核分值，詳細可以參見表2。可以看到我們更加注重考核學生的編程能力和解決問題的能力，因為這是實際工程項目中最為重要的能力。此外，本課改的考核方式取消了以往的課后作業考核，取而代之的是一些實際的項目比賽作為課外考查，以賽促學，更能激發學生的學習熱情。

表2：PLC課程考核表

通過OBE的考核方式，可以了解到學生對設計操作技能的掌握情況，判斷他們的能力是否達到了預期的效果，取得了預計的成果。由于這種考核方式有很強的目的性，這使得學生的學習目標更加明確。通過對學習成果的檢查，更能檢測出學生的真實水平，這不僅改變了以往對學生實際能力的錯誤評價和考核不全面的現象，還為培養應用型人才的教學改革注入新的活力。

4 結論

本文介紹了一種基于CDIO-OBE模式的PLC課程教學改革。通過對傳統PLC課程的目標，教學內容，教學方法等方面的不足，提出了新的改革方案。重點介紹了教學內容和教學方法的改革。根據教學內容設計了對應的考核方案，改變了傳統PLC課程的考核方式。同時以我校為例，介紹了該方案的施行。事實上，通過工程項目案例教學法更能讓學生體驗到工程項目開發的真實情景，更能培養學生的動手能力、分析能力和解決問題的能力。而采用 OBE的考核方式能夠更加科學地對學生學習情況進行評價。因此，這種教學改革方式不僅激發了學生的學習熱情，調動了學生學習的積極性和主動性，更培養了學生的工程應用能力。符合當前社會對應用型人才的需要。