基于CDIO教育模式的PLC应用课程教学设计研究

摘要：随着智能制造产业的迅速发展，对高素质、高技能型的PLC技术应用人才提出了更高的标准。为了提高对PLC技术应用型人才教育的适应性，开展基于CDIO(ConceiveDesignImplementOperate)教育模式与PLC应用课程体系深度融合的教学设计研究，重构项目化教学模块，按构思、设计、实现、运作4阶段设置教学环节，树立“以学生为中心”的教育理念，引入HMI技术，直观验证项目运作情况。促使学生的知识、技能和职业素养与企业岗位需求相吻合，更好地推动高素质、高技能型PLC技术应用人才的培养，努力满足社会和市场对PLC技术应用型关键词：PLC应用课程CDIO教育模式教学设计研究随着《中国制造2025》的推进，企业产线的自动化、智能化程度越来越高，并逐步实现智能制造。在智能制造高速发展的背景下，企业需要能够掌握与运用智能化设备技术、独立完成智能化目标和任务的高素质技术技能人才[1],特别是高素质的PLC技术应用人才。高等职业教育作为培养技术技能人才重要组成部分，肩负着培养面向生产、服务、管理的一线技术技能型人才的重要任务，培养高素质、高技能型PLC技术应用人才是高等职业教育重中之重。所以对PLC应用课程教学设计的多维度探索研究，提高PLC技术应用人才的综合实力，有着非常重要的现实价(Design)、实施(Implement)、运行(Operate)四个步骤的英文缩写，其含义是以产品的研发到产品的运行整个生命周期为载体，让学生在这个载体中以主动的、模式实施的重点在于在教学过程中将具体的工程项目与构思、设计、实施、运行4个环节相结合，在近似真实工程实际的模拟条件下进行练习。CDIO强调以学生为主，培养学生的技术技能和积累实践知识，注重对学生综合素质的培养，以此来提高学生的综合实践能力[2-3]。CDIO在高职工科类专业教学中具有很强的可操作性，对高职工科类课程教学改革具有较好的指导作用，在PLC应用课程内实施CDIO工程教育模式具有非常重要的意义。在PLC应用课程教学中，采用基于CDIO教育教学理念，推动教师的教育教学理念更新和专业技能提高，帮助学生加强对课程相关知识与技能的探索和求知，使学生在“做中学”,提高学生的工程实践能力和创新能力，培养工程项目意识，保障技能人才培养质量与企业智能制造环境下人才需求相吻合。1教改前教学状况分析PLC应用课程已经成为一门全体系、全覆盖、大综合的理实一体化课程，是控制类专业中一门核心课程。然而，职业高校培养的很多学生并不能熟练应用PLC技术，不具备独立完成工程项目能力，存在工程意识差、分析解决实际问题能力薄弱等问题，不能很快地适应企业智能制造环境下相应岗位，企业需要再次培养3-5年甚至更长的时间。其原因主要表现在以下几个方面：首先，传统的教学方式是“填鸭式”教学方式。在课堂上，教师按照准备好的PPT课件进行讲授，而PLC应用课程是一门抽象的理实课程，需要较强的逻辑思维能力，作为PLC初学者的学生，特别是高职学生，理论接受能力差，这就导致绝大部分学生很难跟上老师的思维，似懂非懂且没有进行深入思考，缺乏学习热情[4]。传统的PLC课程教学中，以教师讲授为主，学生总是被动、机械地去记忆PLC系统中的各种指令，但却没有与实际项目中的应用环境和工作过程联系起来。由于学生的接受能力弱，逻辑思维能力差，教师常常选择不讲解那些较难理解但却是工程项目中常用的知识点，这便导致了学生知识储备不全面，不能胜任实际工程项目设计、编程及调试等工作[4]。1.3成果展示不突出在传统的课程教学后，学生在完成课程中的编程设计后，只能通过调试中的监控表或PLCSIM仿真来跟进项目设计情况，不能直观呈现设计成果及问题点，不利于学生的直观体验设计成果的成就感，不利于学生提高分析排错的能力，不利于学生学习兴趣的培养。因此，引入仿真软件，有利于提升学生兴趣。2项目化教学模块设计CDIO理念是基于工程项目开展教学，课程组通过对学生学情的分析和企业岗位需求的调研研究，结合企业真实的生产环境，根据CDIO理念，确定工程项目和每个项目的教学内容及目标，将课程内容化分成由简单到复杂、循序提升难度的项目化教学模块，培养培养学生的工程项目思维，置入CDIO理念。本课题重组为4个项目化教学模块，分别：电动机星三角降压启动、交通信号灯控制、两台PLC数据交换、伺服电动机控制。在教学设置过程中，根据工程项目要求，结合高职院校学生认知规律和实际情况，循序渐进的设置课程教学内容。各项目的具体内容见图1。3CDIO教育模式改革CDIO教育模式的核心是尽可能接近工程项目实际来设计课堂教学，侧重于学生的学习过程，更注重过程的衔接性、科学性、完整性和管控度，培养学生的工程意识。对于PLC应用技术课程的教学改革而言，首先，采用CDIO理念，以工程项目化教学内容设计为基础，进行课程教学设计，将CDIO工程教育模式引入到PLC应用课程中[5]。基于CDIO教育模式的课程教学设计见下图2。3.1构思(Conceive)阶段在构思阶段，根据课程项目化教学模块设计内容，再将每个项目模块划分成适合CDIO工程教育模式的几个子项目，针对子项目设置教学内容相关知识点。构思时，教师根据项目模块的内容及要求，以激发学生兴趣为准则，任务设计时融入构思、设计、实现和运作的理念。在课前，通过学习通等线上平台布置项目任务，下达项目书，提供相应的背景材料。学生5-6人组建团队，研究项目任务，查阅相应文献资料，讨论出初步的实现方案，完成课前预习任务。培养学生自主学习和独立思考的能力、团队协作精神。3.2设计(Design)阶段在设计阶段，教师根据下达的项目任务，讲授知识点，并进行重难点解析，学生进行方案设计。此阶段可在课前预习和课堂授课2个阶段完成，整个设计过程体现以学生为主、教师为副的指导思想。每组学生确定小组分工，开展讨论分析，结合前期查阅的资料，共同合作设计项目技术实施方案，包括PLC的选择，元器件的选择及分配、编程方法的确定等，以小组的形式上交初步的设计方案，课堂教学过程中学生进行汇报，教师进行指导，并给出建议和意见，确定最终的实现方案。在此过程中，教师注重学生的差异，鼓励学习能力强的学生勇于发表自己的想法，激励学习能力差的学生积极完成项目任务，从而提高学生的独立分析能力，锻炼学生的设计、开发和知识应用能力，培养良好的创新意思及工程项目思维。3.3实现(Implement)阶段在实现阶段，教师全程监督实施过程，进行阶段成果审核及指导，及时解答疑惑，解决问题，此阶段在课堂授课阶段完成。学生根据项目设计方案，小组分工，完成PLC硬件接线，分析项目工作过程，结合学生自身编程经验，最终确定编程方法，进行程序结构的搭建，完成程序的编制。小组成员协作完成实施方案，形成项目成果原始记录。在此过程中，教师及时进行阶段成果审核，特别注意组内各成员任务的之间衔接，针对学生遇到的瓶颈问题，教师可以引入案例进行引导。通过项目的实施，锻炼学生的独立思考能力、实践能力、培养严谨的工作作风。PLC程序设计主要有两种方法：经验设计法和顺序控制设计法。经验设计法适合具有一定工作经验的编程人员。顺序控制设计法首先分析系统或设备的工艺过程，然后再把工艺过程按顺序先后划分为各个顺序相连的阶段，再用有向连线将各阶段按顺利连接起来，绘制出顺序功能图，最后根据顺序功能图画出梯形图[6]。根据CDIO理念，结合项目化教学模块内容及高职院校的学生的学情，在课程初期，在没有编程经验的情况下，引导学生应用顺序控制设计法进行程序编制，首先分析项目工作过程，绘制顺序功能图，根据顺序功能图转换梯形图的规则，完成梯形图的编制。通过顺序控制设计法，进一步培养学生的工程项目意识，为以后工3.4运作(Operate)阶段在运作阶段，教师综合评价，进行分析，提出持续改进意见。此阶段设置在课堂授课和课后反馈2个阶段。学生对项目完成情况进行运行验证测试，得出验证结论。如果在程序运行测试中，出现错误或没有达到项目要求，学生进行分析，提出可行性的改进措施，进一步进行验证。验证通过后，学生在课后通过学习通等线上平台进行成果展示，展示内容包括项目实施方案，硬件和软件设计成果、测试结果、问题及改进措施。此过程培养学生的精益求精的工匠精神、创新思维能力和交在CDIO教育模式引入PLC应用课程后，学生在项目的各个环节(包括项目任务、项目设计、项目实施、项目验证)中开展的各项活动与企业项目管理的各个阶段的工作内容完全吻合，PLC应用课程教学内容完全切合企业生产线中PLC应用场景，实现学生无缝式校企衔接人才技能培养[7]。4仿真技术应用CDIO教育模式的核心是尽可能接近工程项目实际来设计课堂教学，而工业自动化企业的产线种类多、设备价格高、工艺技术更新快，高职院校不可能一味地花钱购买设备，高职教育不可能配套相应工程项目开展教学，同时，由于高职学生接触企业项目机会少，对工程项目的认知能力差，而工程项目运行情况不能直观呈现，导致学生在接受PLC应用课程项目化教学模块知识体系效果差。为解决这一问题，课题组研究将仿真技术融入CDIO工程教育模式的运作(Operate)阶段。高职的PLC应用课程仿真一般借助于计算机博途软件，PLC程序的仿真主要是借助于PLCSIM仿真器，仅能看到I/0等点位的基本变化，不能直观呈现整个项目置工程项目，组态项目图形界面，配置按钮开关、指示灯、IO域、电动机丰富多样的控件，在项目化教学模块中，配置每一个项目仿真界面[8],见下图3。在CDIO工程教育模式的运作(Operate)阶段，应用HMI技术进行项目运行验证测试，结合PLC程序，模拟某一工程项目自动化系统的工艺过程，使学生直观感受项目运行情况，深刻领会控制现场的各种要求，提升学生学习兴趣，提高PLC应用课程教学效果，为培养高质量的技术技能人才提供了保证。课程组基于CDIO理念对PLC应用课程教学模式进行研究改革，将课程内容划分成基于CDIO的4个项目化教学模块，在课程教学过程中，树立了“以学生为中心”的教育理念，引导学生在构思、设计、实现、运行环节中积极思考、主动解决问题，参与课堂、融入课堂。HMI技术的引入，工程项目的画面设置直观呈现项目运行情况，提升学生的分析能力及问题解决能力，使学生直观感受成果的喜悦及成就感，激发学生的学习兴趣，促进学生的知识、技能和职业素养能够和企业的岗位需求相结合。CDIO工程教育模式的引入，促进学生自主学习能力、团队合作能力、工程应用能力、科研创新能力的培养，为学生以后的就业及发展奠定了基础。[1]贺玮彤，陈炳森，陈伟珍.智能制造背景下“PLC应用技术”课程教学改革研究[J].装备制造技术，2022(06):223-225+235.[2]段荣霞，郎宾，李楠.基于CDIO工程教育模式的“电工电子实训”课程教学设计研究[J].工业和信息化教育，2024(05):76-80.学园，2020,13(05):75-76.[4]刘小春，李晓丹.基于IPT-CDIO的PLC控制系统的设计与运行课程创新[J].价值工程，2018,37(18):258-260.[5]张莉华，刘爱琴，张境，