摘 要：隨著智能制造產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)高素質(zhì)、高技能型的PLC技術(shù)應(yīng)用人才提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。為了提高對(duì)PLC技術(shù)應(yīng)用型人才教育的適應(yīng)性，開展基于CDIO（Conceive Design Implement Operate）教育模式與PLC應(yīng)用課程體系深度融合的教學(xué)設(shè)計(jì)研究，重構(gòu)項(xiàng)目化教學(xué)模塊，按構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作4階段設(shè)置教學(xué)環(huán)節(jié)，樹立“以學(xué)生為中心”的教育理念，引入HMI技術(shù)，直觀驗(yàn)證項(xiàng)目運(yùn)作情況。促使學(xué)生的知識(shí)、技能和職業(yè)素養(yǎng)與企業(yè)崗位需求相吻合，更好地推動(dòng)高素質(zhì)、高技能型PLC技術(shù)應(yīng)用人才的培養(yǎng)，努力滿足社會(huì)和市場(chǎng)對(duì)PLC技術(shù)應(yīng)用型人才的需求。

關(guān)鍵詞：PLC應(yīng)用課程 CDIO教育模式 教學(xué)設(shè)計(jì)研究

隨著《中國(guó)制造2025》的推進(jìn)，企業(yè)產(chǎn)線的自動(dòng)化、智能化程度越來(lái)越高，并逐步實(shí)現(xiàn)智能制造。在智能制造高速發(fā)展的背景下，企業(yè)需要能夠掌握與運(yùn)用智能化設(shè)備技術(shù)、獨(dú)立完成智能化目標(biāo)和任務(wù)的高素質(zhì)技術(shù)技能人才[1]，特別是高素質(zhì)的PLC技術(shù)應(yīng)用人才。高等職業(yè)教育作為培養(yǎng)技術(shù)技能人才重要組成部分，肩負(fù)著培養(yǎng)面向生產(chǎn)、服務(wù)、管理的一線技術(shù)技能型人才的重要任務(wù)，培養(yǎng)高素質(zhì)、高技能型PLC技術(shù)應(yīng)用人才是高等職業(yè)教育重中之重。所以對(duì)PLC應(yīng)用課程教學(xué)設(shè)計(jì)的多維度探索研究，提高PLC技術(shù)應(yīng)用人才的綜合實(shí)力，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值[1]。

CDIO理念是一種先進(jìn)的工程教育模式，CDIO是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）、運(yùn)行（Operate）四個(gè)步驟的英文縮寫，其含義是以產(chǎn)品的研發(fā)到產(chǎn)品的運(yùn)行整個(gè)生命周期為載體，讓學(xué)生在這個(gè)載體中以主動(dòng)的、實(shí)踐的方式方法來(lái)學(xué)習(xí)工程的理論知識(shí)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以提升各種能力。CDIO教學(xué)模式實(shí)施的重點(diǎn)在于在教學(xué)過(guò)程中將具體的工程項(xiàng)目與構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行4個(gè)環(huán)節(jié)相結(jié)合，在近似真實(shí)工程實(shí)際的模擬條件下進(jìn)行練習(xí)。CDIO強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主，培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)技能和積累實(shí)踐知識(shí)，注重對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，以此來(lái)提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力[2-3]。CDIO在高職工科類專業(yè)教學(xué)中具有很強(qiáng)的可操作性，對(duì)高職工科類課程教學(xué)改革具有較好的指導(dǎo)作用，在PLC應(yīng)用課程內(nèi)實(shí)施CDIO工程教育模式具有非常重要的意義。

在PLC應(yīng)用課程教學(xué)中，采用基于CDIO教育教學(xué)理念，推動(dòng)教師的教育教學(xué)理念更新和專業(yè)技能提高，幫助學(xué)生加強(qiáng)對(duì)課程相關(guān)知識(shí)與技能的探索和求知，使學(xué)生在“做中學(xué)”，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)工程項(xiàng)目意識(shí)，保障技能人才培養(yǎng)質(zhì)量與企業(yè)智能制造環(huán)境下人才需求相吻合。

1 教改前教學(xué)狀況分析

PLC應(yīng)用課程已經(jīng)成為一門全體系、全覆蓋、大綜合的理實(shí)一體化課程，是控制類專業(yè)中一門核心課程。然而，職業(yè)高校培養(yǎng)的很多學(xué)生并不能熟練應(yīng)用PLC技術(shù)，不具備獨(dú)立完成工程項(xiàng)目能力，存在工程意識(shí)差、分析解決實(shí)際問(wèn)題能力薄弱等問(wèn)題，不能很快地適應(yīng)企業(yè)智能制造環(huán)境下相應(yīng)崗位，企業(yè)需要再次培養(yǎng)3-5年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。其原因主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1 教學(xué)方式不足

首先，傳統(tǒng)的教學(xué)方式是“填鴨式”教學(xué)方式。在課堂上，教師按照準(zhǔn)備好的PPT課件進(jìn)行講授，而PLC應(yīng)用課程是一門抽象的理實(shí)課程，需要較強(qiáng)的邏輯思維能力，作為PLC初學(xué)者的學(xué)生，特別是高職學(xué)生，理論接受能力差，這就導(dǎo)致絕大部分學(xué)生很難跟上老師的思維，似懂非懂且沒有進(jìn)行深入思考，缺乏學(xué)習(xí)熱情[4]。

1.2 教學(xué)內(nèi)容不足

傳統(tǒng)的PLC課程教學(xué)中，以教師講授為主，學(xué)生總是被動(dòng)、機(jī)械地去記憶PLC系統(tǒng)中的各種指令，但卻沒有與實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用環(huán)境和工作過(guò)程聯(lián)系起來(lái)。由于學(xué)生的接受能力弱，邏輯思維能力差，教師常常選擇不講解那些較難理解但卻是工程項(xiàng)目中常用的知識(shí)點(diǎn)，這便導(dǎo)致了學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備不全面，不能勝任實(shí)際工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、編程及調(diào)試等工作[4]。

1.3 成果展示不突出

在傳統(tǒng)的課程教學(xué)后，學(xué)生在完成課程中的編程設(shè)計(jì)后，只能通過(guò)調(diào)試中的監(jiān)控表或PLCSIM仿真來(lái)跟進(jìn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)情況，不能直觀呈現(xiàn)設(shè)計(jì)成果及問(wèn)題點(diǎn)，不利于學(xué)生的直觀體驗(yàn)設(shè)計(jì)成果的成就感，不利于學(xué)生提高分析排錯(cuò)的能力，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。因此， 引入仿真軟件，有利于提升學(xué)生興趣。

2 項(xiàng)目化教學(xué)模塊設(shè)計(jì)

CDIO理念是基于工程項(xiàng)目開展教學(xué)，課程組通過(guò)對(duì)學(xué)生學(xué)情的分析和企業(yè)崗位需求的調(diào)研研究，結(jié)合企業(yè)真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境，根據(jù)CDIO理念，確定工程項(xiàng)目和每個(gè)項(xiàng)目的教學(xué)內(nèi)容及目標(biāo)，將課程內(nèi)容化分成由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、循序提升難度的項(xiàng)目化教學(xué)模塊，培養(yǎng)培養(yǎng)學(xué)生的工程項(xiàng)目思維，置入CDIO理念。

本課題重組為4個(gè)項(xiàng)目化教學(xué)模塊，分別：電動(dòng)機(jī)星三角降壓?jiǎn)?dòng)、交通信號(hào)燈控制、兩臺(tái)PLC數(shù)據(jù)交換、伺服電動(dòng)機(jī)控制。在教學(xué)設(shè)置過(guò)程中，根據(jù)工程項(xiàng)目要求，結(jié)合高職院校學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和實(shí)際情況，循序漸進(jìn)的設(shè)置課程教學(xué)內(nèi)容。各項(xiàng)目的具體內(nèi)容見圖1。

3 CDIO教育模式改革

CDIO教育模式的核心是盡可能接近工程項(xiàng)目實(shí)際來(lái)設(shè)計(jì)課堂教學(xué)，側(cè)重于學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，更注重過(guò)程的銜接性、科學(xué)性、完整性和管控度，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)。對(duì)于PLC應(yīng)用技術(shù)課程的教學(xué)改革而言，首先，采用CDIO理念，以工程項(xiàng)目化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，進(jìn)行課程教學(xué)設(shè)計(jì)，將CDIO工程教育模式引入到PLC應(yīng)用課程中[5]?；贑DIO教育模式的課程教學(xué)設(shè)計(jì)見下圖2。

3.1 構(gòu)思（Conceive）階段

在構(gòu)思階段，根據(jù)課程項(xiàng)目化教學(xué)模塊設(shè)計(jì)內(nèi)容，再將每個(gè)項(xiàng)目模塊劃分成適合CDIO工程教育模式的幾個(gè)子項(xiàng)目，針對(duì)子項(xiàng)目設(shè)置教學(xué)內(nèi)容相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。構(gòu)思時(shí)，教師根據(jù)項(xiàng)目模塊的內(nèi)容及要求，以激發(fā)學(xué)生興趣為準(zhǔn)則，任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)融入構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作的理念。在課前，通過(guò)學(xué)習(xí)通等線上平臺(tái)布置項(xiàng)目任務(wù)，下達(dá)項(xiàng)目書，提供相應(yīng)的背景材料。學(xué)生5-6人組建團(tuán)隊(duì)，研究項(xiàng)目任務(wù)，查閱相應(yīng)文獻(xiàn)資料，討論出初步的實(shí)現(xiàn)方案，完成課前預(yù)習(xí)任務(wù)。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

3.2 設(shè)計(jì)（Design）階段

在設(shè)計(jì)階段，教師根據(jù)下達(dá)的項(xiàng)目任務(wù)，講授知識(shí)點(diǎn)，并進(jìn)行重難點(diǎn)解析，學(xué)生進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。此階段可在課前預(yù)習(xí)和課堂授課2個(gè)階段完成，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程體現(xiàn)以學(xué)生為主、教師為副的指導(dǎo)思想。每組學(xué)生確定小組分工，開展討論分析，結(jié)合前期查閱的資料，共同合作設(shè)計(jì)項(xiàng)目技術(shù)實(shí)施方案，包括PLC的選擇，元器件的選擇及分配、編程方法的確定等，以小組的形式上交初步的設(shè)計(jì)方案，課堂教學(xué)過(guò)程中學(xué)生進(jìn)行匯報(bào)，教師進(jìn)行指導(dǎo)，并給出建議和意見，確定最終的實(shí)現(xiàn)方案。在此過(guò)程中，教師注重學(xué)生的差異，鼓勵(lì)學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的學(xué)生勇于發(fā)表自己的想法，激勵(lì)學(xué)習(xí)能力差的學(xué)生積極完成項(xiàng)目任務(wù)，從而提高學(xué)生的獨(dú)立分析能力，鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)、開發(fā)和知識(shí)應(yīng)用能力， 培養(yǎng)良好的創(chuàng)新意思及工程項(xiàng)目思維。

3.3 實(shí)現(xiàn)（Implement）階段

在實(shí)現(xiàn)階段，教師全程監(jiān)督實(shí)施過(guò)程，進(jìn)行階段成果審核及指導(dǎo)，及時(shí)解答疑惑，解決問(wèn)題，此階段在課堂授課階段完成。學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，小組分工，完成PLC硬件接線，分析項(xiàng)目工作過(guò)程，結(jié)合學(xué)生自身編程經(jīng)驗(yàn)，最終確定編程方法，進(jìn)行程序結(jié)構(gòu)的搭建，完成程序的編制。小組成員協(xié)作完成實(shí)施方案，形成項(xiàng)目成果原始記錄。在此過(guò)程中，教師及時(shí)進(jìn)行階段成果審核，特別注意組內(nèi)各成員任務(wù)的之間銜接，針對(duì)學(xué)生遇到的瓶頸問(wèn)題，教師可以引入案例進(jìn)行引導(dǎo)。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，鍛煉學(xué)生的獨(dú)立思考能力、實(shí)踐能力、培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。

PLC程序設(shè)計(jì)主要有兩種方法：經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法和順序控制設(shè)計(jì)法。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法適合具有一定工作經(jīng)驗(yàn)的編程人員。順序控制設(shè)計(jì)法首先分析系統(tǒng)或設(shè)備的工藝過(guò)程，然后再把工藝過(guò)程按順序先后劃分為各個(gè)順序相連的階段，再用有向連線將各階段按順利連接起來(lái)，繪制出順序功能圖，最后根據(jù)順序功能圖畫出梯形圖[6]。

根據(jù)CDIO理念，結(jié)合項(xiàng)目化教學(xué)模塊內(nèi)容及高職院校的學(xué)生的學(xué)情，在課程初期，在沒有編程經(jīng)驗(yàn)的情況下，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用順序控制設(shè)計(jì)法進(jìn)行程序編制，首先分析項(xiàng)目工作過(guò)程，繪制順序功能圖，根據(jù)順序功能圖轉(zhuǎn)換梯形圖的規(guī)則，完成梯形圖的編制。通過(guò)順序控制設(shè)計(jì)法，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程項(xiàng)目意識(shí)，為以后工作奠定工程思維基礎(chǔ)。

3.4 運(yùn)作（Operate）階段

在運(yùn)作階段，教師綜合評(píng)價(jià)，進(jìn)行分析，提出持續(xù)改進(jìn)意見。此階段設(shè)置在課堂授課和 課后反饋2個(gè)階段。學(xué)生對(duì)項(xiàng)目完成情況進(jìn)行運(yùn)行驗(yàn)證測(cè)試，得出驗(yàn)證結(jié)論。如果在程序運(yùn)行測(cè)試中，出現(xiàn)錯(cuò)誤或沒有達(dá)到項(xiàng)目要求，學(xué)生進(jìn)行分析，提出可行性的改進(jìn)措施，進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證通過(guò)后，學(xué)生在課后通過(guò)學(xué)習(xí)通等線上平臺(tái)進(jìn)行成果展示，展示內(nèi)容包括項(xiàng)目實(shí)施方案，硬件和軟件設(shè)計(jì)成果、測(cè)試結(jié)果、問(wèn)題及改進(jìn)措施。此過(guò)程培養(yǎng)學(xué)生的精益求精的工匠精神、創(chuàng)新思維能力和交流表達(dá)能力[5]。

在CDIO教育模式引入PLC應(yīng)用課程后，學(xué)生在項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)（包括項(xiàng)目任務(wù)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施、項(xiàng)目驗(yàn)證）中開展的各項(xiàng)活動(dòng)與企業(yè)項(xiàng)目管理的各個(gè)階段的工作內(nèi)容完全吻合，PLC應(yīng)用課程教學(xué)內(nèi)容完全切合企業(yè)生產(chǎn)線中PLC應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)學(xué)生無(wú)縫式校企銜接人才技能培養(yǎng)[7]。

4 仿真技術(shù)應(yīng)用

CDIO教育模式的核心是盡可能接近工程項(xiàng)目實(shí)際來(lái)設(shè)計(jì)課堂教學(xué)，而工業(yè)自動(dòng)化企業(yè)的產(chǎn)線種類多、設(shè)備價(jià)格高、工藝技術(shù)更新快，高職院校不可能一味地花錢購(gòu)買設(shè)備，高職教育不可能配套相應(yīng)工程項(xiàng)目開展教學(xué)，同時(shí)，由于高職學(xué)生接觸企業(yè)項(xiàng)目機(jī)會(huì)少，對(duì)工程項(xiàng)目的認(rèn)知能力差，而工程項(xiàng)目運(yùn)行情況不能直觀呈現(xiàn)，導(dǎo)致學(xué)生在接受PLC應(yīng)用課程項(xiàng)目化教學(xué)模塊知識(shí)體系效果差。為解決這一問(wèn)題，課題組研究將仿真技術(shù)融入CDIO工程教育模式的運(yùn)作（Operate）階段。

高職的PLC應(yīng)用課程仿真一般借助于計(jì)算機(jī)博途軟件，PLC程序的仿真主要是借助于PLCSIM仿真器，僅能看到I/O等點(diǎn)位的基本變化，不能直觀呈現(xiàn)整個(gè)項(xiàng)目運(yùn)行情況。然而，HMI組態(tài)技術(shù)，根據(jù)工程項(xiàng)目的具體要求，可以在HMI畫面中設(shè)置工程項(xiàng)目，組態(tài)項(xiàng)目圖形界面，配置按鈕開關(guān)、指示燈、IO域、電動(dòng)機(jī)豐富多樣的控件，在項(xiàng)目化教學(xué)模塊中，配置每一個(gè)項(xiàng)目仿真界面[8]，見下圖3。

在CDIO工程教育模式的運(yùn)作（Operate）階段，應(yīng)用HMI技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目運(yùn)行驗(yàn)證測(cè)試，結(jié)合PLC程序，模擬某一工程項(xiàng)目自動(dòng)化系統(tǒng)的工藝過(guò)程，使學(xué)生直觀感受項(xiàng)目運(yùn)行情況，深刻領(lǐng)會(huì)控制現(xiàn)場(chǎng)的各種要求，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高PLC應(yīng)用課程教學(xué)效果，為培養(yǎng)高質(zhì)量的技術(shù)技能人才提供了保證。

5 結(jié)束語(yǔ)

課程組基于CDIO理念對(duì)PLC應(yīng)用課程教學(xué)模式進(jìn)行研究改革，將課程內(nèi)容劃分成基于CDIO的4個(gè)項(xiàng)目化教學(xué)模塊，在課程教學(xué)過(guò)程中，樹立了“以學(xué)生為中心”的教育理念，引導(dǎo)學(xué)生在構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行環(huán)節(jié)中積極思考、主動(dòng)解決問(wèn)題，參與課堂、融入課堂。HMI技術(shù)的引入，工程項(xiàng)目的畫面設(shè)置直觀呈現(xiàn)項(xiàng)目運(yùn)行情況，提升學(xué)生的分析能力及問(wèn)題解決能力，使學(xué)生直觀感受成果的喜悅及成就感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生的知識(shí)、技能和職業(yè)素養(yǎng)能夠和企業(yè)的崗位需求相結(jié)合。CDIO工程教育模式的引入，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、工程應(yīng)用能力、科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為學(xué)生以后的就業(yè)及發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

基金項(xiàng)目：株洲市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃基金資助項(xiàng)目“基于CDIO理念的PLC應(yīng)用課程教學(xué)模式研究”（項(xiàng)目編號(hào)：ZJGH23-235）。

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