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基于CDIO的电气控制与PLC应用技术课程教学改革探索

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   摘要:本文将CDIO工程教育理念引入到电气控制与PLC应用技术教学改革中,针对课程中的教学内容、教学方法、考评方式等主要方面提出了具体的改革措施,并取得了良好的效果.
   关键词:CDIO;应用型;PLC;教学改革
  中图分类号:G642.0  文献标识码:A  文章编号:1673-260X(2019)04-0146-02
   CDIO即Conceive、Design、Implement、operate四个单词的缩写,是麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学经过四年的研究和探索共同创立的教育改革成果[1-4].CDIO教育模式不同于传统的课堂教学模式,是“做中学”和“基于项目教育和学习”的概括和表达,学习过程以实践项目为中心,学生通过项目实践的学习过程,逐渐掌握项目构思、项目设计、项目实施到项目运行的全过程,激发学生的学习主动性,提高学生的实践能力和综合应用能力[5,6].在PLC的教学过程中引入CDIO教育理念,旨在教学的各个过程中进行研究和改革,有效的提高教学质量.
  1 传统教学模式存在的不足
   PLC控制技术是一门在继电器-接触器控制技术、计算机技术和现代通信技术的基础上发展起来的一项具有可靠性高、编程与调试相对简单、应用性强的控制技术.而PLC教学教材内容一般是从PLC的概述与原理开始,逐一介绍PLC的硬件系统配置与I/O接口、PLC的软件编程语言指令、PLC的功能指令和PLC的控制系统设计,造成其理论内容较多,与之配合的实践部分较少或实践教学时间不足的情况;另外,在学习过程中,学生需要花费大量的时间来记忆PLC的各种基本指令和功能指令,而不重视这些指令在任务和项目中的各种使用方法,使得学生的学习过程是通过被动的机械化的记忆过程来接受知识,无法真正的培养学生的主观意识与应用能力,达到以“教师为主导,学生为主体”的教学模式.在实验课程方面,传统的PLC课程实验一般都是基于实验箱基础上的验证性实验,学生只需根据指导书的内容进行简单连线、程序编译,学生很难对PLC的硬件部分和软件部分形成系统的认识,也无法把握实验任务的整体设计与开发思路.在课程考核方面,课程采用期末考试形式,学生学习只是为了应付考试,对学习没有兴趣,缺少主动参与的热情;课程结束后不会使用PLC进行控制系统设计,难以达到PLC课程教学要求.在课程设计方面,PLC控制技术是一门综合应用性技术,其内容涵盖了电机学、传感器、变频器和组态软件综合技术等学科,但是大多数院校只是专门设置了每一门课程的教学内容和独立的验证性实验,并没有综合性的任务与项目培训课程,学生在设计任务或项目时,无法形成一个独立完整的设计思路,也就无法体现CDIO工程教育模式中“构思、设计、实现和运作”的教学思想.
  2 基于CDIO模式下的教学改革
  2.1 改革教学模式
   CDIO模式下的教学改革理念是改变任课教师以课堂理论教学为主,学生只是被动的接受理论内容和程序设计,将CDIO教学模式引入课堂,从课程开始就把课堂教学与项目实践相结合,课程以项目实践为主线,通过简单的实践项目让学生学习基本知识,再通过所学的知识,不断改进提高来完成新的实践项目,达到转被动为主动学习的目的.
  2.2 基于CDIO的电气控制与PLC应用技术课程体系
   本文基于CDIO的电气控制与PLC应用技术课程体系共有四个项目构成.其中项目一是由电机控制和信号灯控制两个部分组成,这两个部分所用到的控制器件是PLC控制系统中最常用到的两个控制器件.其中电机控制部分主要是让学生了解PLC的基础知识和基本应用,它主要是从PLC的基本逻辑指令,简单的功能指令,硬件外围设计来让学生对PLC有个整体的理解;而信号灯控制部分主要是让学生掌握PLC的基本应用和基本设计方法,它主要是从逻辑电路设计方法角度,让学生能够用简单的PLC梯形图语言实现任务设计.项目二是由触摸屏控制和变频器控制两个部分组成.其中触摸屏部分主要是让学生学会通过建立人机界面实现对电机的实时监控;变频器部分主要是让学生学会使用变频器对电机进行调速控制.项目三是由经验设计法和顺序控制设计法两个部分组成,它主要是从设计方法角度让学生学会分析和设计控制程序.项目四是由串行通信控制和网络组建两个部分组成.西门子S7型PLC支持多种形式的通信设备,其中串行通信控制部分主要让学生学会使用USB/PPI通信电缆实现PLC、触摸屏及变频器的通信控制;网络组建部分主要是让学生了解西门子PPI网络的组建方法,掌握网络读写指令的编程应用.这四个项目基本涵盖了PLC教学大纲的所有知识点,学生可以通过完成由易到难的实践项目,来主动学习课本中的基础知识,以获得完成项目的成就感.
  2.3 课程实践手段
   在教学过程中,还需根据学生学习情况和进度,适当调整这四个项目的任务数量,难易程度,以达到更好的教学质量.根据CDIO工程模式教育,把项目学习过程分为四个阶段,每个阶段都是以项目贯穿始终,教师在讲解每个项目前先将所需的基础知识和任务要求进行讲解,引导学生养成良好的设计思路和方法,学生根据设计步骤,完成项目构思、设计、实现到运行.
   以项目一信号灯控制为例来说明四个阶段的学习过程.在第一阶段,学生尚不具备PLC的基本理论知识和实践技能,而传统的以实验箱为基础的实验课程又起不到学习演示作用.为此可以在原有实验箱基础上,改进实验课程的软件和硬件部分,简化实验程序,充分利用好实验箱的演示作用.例如在项目一中,实验箱节日彩灯的逻辑程序十分复杂,可以适当简化程序逻辑,设置三个按钮控制三组灯演示实验,让学生对实验项目的设计步骤有个充分的了解,对所学的基本逻辑指令使用也有了更深层次的理解.在第二阶段,学生尚不具备独立完成任务的能力,对设计步骤和方法也缺乏相应的经验,教师通过给定任务设计流程图和设计步骤,指导学生进一步掌握任务设计过程.例如在项目一中,通过设置一个按钮控制三组灯任务,教师通过给定好的控制要求、初步方案、硬件电路和设计流程图,学生根据要求独立完成任务,进一步加强了学生对任务设计过程的学习.在第三阶段,学生已经对任务的整个完成过程有了一定的了解,尤其是任务程序设计部分,但还是缺乏对外部I/O接口部分的硬件设计,教师通过讲解一些常用的硬件设备的使用,让学生学会正确的使用和配置外围硬件部分,并进一步加强整个任务设计过程.例如在项目一中,设置基于触摸屏的电机信号灯控制任务,学生不仅需要掌握信号灯外围电路设计与接线,还需要学会利用触摸屏实现任务信号的控制,从硬件学习角度进一步加强对整个任务实现过程的理解.在第四阶段,学生已经具备基本的专业知识和一定的实践能力,教师通过设置综合性、实际性强的项目,来提高学生的综合能力;学生可以组建项目团队,通过团队合作来共同完成整个项目.例如在项目一中,设置三层电梯数字信号灯显示控制项目,学生通过组建项目团队,研究控制要求,设计初步控制方案,根据控制要求确定和绘制接线图和主电路图,设计PLC邏辑程序,模拟仿真,完善控制要求,最终达到实现项目运行的整个过程.
  3 基于CDIO模式的教学考评方式
   传统的课程教学考评方式基本是平时表现占总成绩的20%,卷面成绩占总成绩的80%,学生在学习过程中,会更加注重结果化的考核形式.本文基于CDIO模式的教学方式是采取任务和项目贯穿整个教学过程,更加注重过程化的考核,重点放在每个项目的完成情况,其中包括学生独立思考,完成项目软件、硬件、调试及运行情况;团队协作完成项目构思,设计、调试、运行及项目答辩情况.课程分数设置为100分制,过程化考核即项目完成情况占总成绩的40%,其中主要考核学生独立和团队合作完成项目情况;卷面成绩占总成绩的40%,其中主要考核学生的理论知识和简单任务设计题目;平时表现占总成绩的20%,其中包括出勤,作业和课堂表现.
  4 结语
   本文基于CDIO模式的PLC教学体系,以项目教学为主线,学生为主体,把理论知识和实践设计充分融入到教学过程中,学生在完成项目的同时,理解理论与实践的重要性,明确学习理论知识的目标,更好的促进学生自我与团队的综合实践能力,达到毕业能上手的应用型人才培养目标.
  参考文献:
  〔1〕冯巧玲,杨存祥,张文忠.基于CDIO模式的“电气工程基础”课程的教与学[J].中国电力教育,2010(01):118-119.
  〔2〕熊凤,陈乐庚,赵学军.“可编程控制技术”教学改革与探索[J].中国电力教育,2012(07):49-50.
  〔3〕刘旭明,高峰.基于CDIO的电气控制与PLC课程教学改革探索[J].大学教育,2016(01):148-149.
  〔4〕荣丽娜.“现代电气控制及PLC应用技术”课程项目化教学改革研究[J].科技创新导报,2015(22):61-62.
  〔5〕冯佩云.CDIO在应用型大学PLC教学中的应用[J].科技视界,2017(15):51-52.
  〔6〕杨磊,郭奇青.CDIO在PLC教学中的应用方法[J].科教导刊(上旬刊),2016(03):79-80.
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