基于FEDT—CDIO理念的“電氣控制與PLC技術”課程群教學改革研究

李勝多?楊麗麗

摘要：針對“電氣控制與PLC技術”課程群，在深入理解CDIO工程教育教學模式理念和方法的基礎上，提出了FEDT-CDIO的教學模式，重點闡述了該模式的電氣控制與PLC技術教學模式改革研究與實踐。實踐證明，這是一種可行且行之有效的軟件工程教育綜合實踐教學模式。

關鍵詞：FEDT-CDIO；電氣控制；PLC；課程群；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0137-03

一、CDIO

2000年10月，美國麻省理工學院、瑞典皇家工學院、瑞典查爾莫斯工業大學和瑞典林雪平大學四所大學以美國工程院院士Edward F.Crawley教授為首合作組成跨國研究組，在Knut and Alice Wallenberg基金會近1600萬美元的巨額資助下，經過四年的深入研究、探索和實踐，于2004年共同創立的工程教育改革模式，并同時成立了CDIO國際合作組織。CDIO是構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運行（Operate）四個步驟的英文縮寫。CDIO主要以產品的研發到產品的運行一整個生命周期為載體，讓學生在這個載體中以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式方法來學習工程的理論知識、實踐經驗和各種能力等。

作為工程教育改革的創新工具，CDIO框架提供了面向學生的教育，即強調在構思（Conceive）一設計（Design）一實施（Implement）一運行（Operate）現實世界的系統和產品過程中，來學習工程的理論和實踐?！皹嬎肌敝该鞔_客戶的需求，考慮技術、企業戰略和制度等因素，不斷改進概念、技術和商業計劃；“設計”指描述將被實現的計劃、草案和運算法則；“實施”指把設計轉變為產品的過程，包括硬件制造、軟件編程、測試、檢查和驗證；“運行”指使用前面已實現的產品來達到想要的價值，包括對產品系統的維護、優化和淘汰等[1-2]。

近兩年來CDIO工程教育改革在全國范圍的推廣工作已經取得了實質性的進展，不少高校在CDIO工程教育改革方面做了大量和細致的工作，發展出了各自的特色，CDIO不僅注重學生基礎知識的學習，更強調學生應用能力、團隊合作能力以及適應調控大系統能力的培養。鑒于以上所述，針對我農業院校特色，在“電氣控制與PLC”課程群里開展CDIO模式的研究改革有著重要的意義。

二、課程特點及現狀

農業機械化及其自動化、農業電氣化與自動化專業、機械設計制造及其自動化和電氣工程及其自動化專業是是農工科本科院校重點建設專業，主要培養面向電力行業、工礦企業、工程建設單位、農業工程的高技術應用型人才，能適應電氣控制等崗位。

1.理論課特點及現狀

本課程實踐性強，與生產實際聯系緊密，知識的覆蓋面較寬，是強電與弱電的結合，機、電、液的結合。本課程的重點是培養學生具有設計、安裝、調試、運行、管理以可編程控制器為核心的自動控制系統的能力。難點是根據工藝要求設計編制程序。因此，在教學過程中不但要使學生了解可編程序控制器的產生、構成、工作原理、控制指令，還要重點講授編程方法及技巧，便學生真正了解可編程控制器在工程中是如何被應用的。在原理論述中力求深入淺出，為合理編程服務。在應用方面根據工程設計實踐及學生特點，采集了大量能被學生理解的控制過程作為應用實例。用提出控制要求，給出部分引導性參考程序，再給學生留有思考完善空間的方法充分調動學習積極性。在教學中充分利用多媒體教學手段，使理論教學、實驗教學融為一體。通過本課程的學習最終使得學生掌握常用低壓控制電器的基本原理、規格及選用；掌握繼電器控制的基本原理、線路分析與設計；掌握PLC基本原理、常用指令系統及應用、程序設計方法；掌握電器及PLC應用系統的設計方法。使學生具有電器及PLC應用系統的安裝、調試與維修的能力，具有設計、改造、革新一般生產機械電器與PLC控制系統的初步能力。

2.實驗實踐現狀

兩周的課程設計盡量選擇學生能夠親身經歷和體驗得了的課題，如聯鎖控制交通燈系統、多層載客電梯控制系統、無料分揀系統、自動化倉儲系統、水位控制系統等。這些課題的控制工藝不必講解學生都有親身經歷，只需老師提出要完成的最基本控制要求，學生可以在此基礎上根據自己的能力開發設計更高的控制功能。這使一般學生不必因要求過高而產生畏難情緒而厭學，充分調動了學生的學習積極性，營造一種比學趕超的學習氛圍。

畢業設計環節：畢業設計是學生在校學習期間最后一個教學環節，也是綜合復習運用所學知識，提高解決實際問題能力的一個無法替代的重要環節。要求學生綜合運用基礎知識、技術基礎及專業知識解決工程實際問題，完成工程技術人員必須具備的基本能力訓練。在畢業設計教學中，不但要選擇可編程控制器作為自控系統的核心控制設備，而且要注意做到真題真做。

堅持理論教學與實踐教學并重，通過實踐教學培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。通過基礎性實驗、綜合實驗、課程設計及畢業設計教學環節，使學生能夠很好地理解、消化理論課上所講解的基本理論知識及相關指令的含意和使用方法。通過促進學生積極思考；開展研究性學習提高教學效果，并以此激發學生學習興趣、促進學生學習能力、知識應用能力的發展。對一些學習理解及動手能力較強的學生開設選修實驗，以擴充知識面培養其創新應用能力，為他們將來能成為有一技之長的專門人才打下良好基礎。

本課程經過多年的建設已經取得了較好的效果，但仍然存在一些不擇之處，主要表現在以下幾個方面：

第一，高校培養目標脫離企業的實際需求；第二，教學內容相對企業技術需求滯后；第三，教師知識能力結構不合理及實踐能力的缺乏；第四，理論及實訓教學和企業的實際工作脫節；第五，教學方法不科學，不能調動學生的興趣和積極性；第六，忽視了學生團隊意識的培養。

三、“FEDT-CDIO”模式

“FEDT-CDIO”模式即是面向企業需求的人才培養。其中FEDT是指Facing enterprise demand training。形成全新的FEDT-CDIO教學模式。教學內容的重組、課程項目的選擇、教學資源的建設等過程中充分融入企業實際需求的要素。充分利用校內工程訓練中心、電工電子實訓中心、校外實訓基地、教師下企業鍛煉、企業兼職教師等方式，實行校企“產-學”合作。走進企業，對企業人才的實際需求進行充分的調研。根據專業對應的工作崗位和崗位群進行工作過程的分析。在此基礎上結合課程內容進行工作任務的提取和知識點的整合。再根據認知和職業成長規律對工作任務和教學過程進行分析，實現工作任務到項目課程的轉換。最后進行課堂設計（即項目學習情境的設計）并開展實施。

四、基于“FEDT-CDIO”模式的課程改革

1.課程改革的思路

以提高“培養學生分析解決問題能力”為出發點，以“提高學生實踐能力為主線”，不斷提高教師教學水平，豐富教學手段與方法，提高教學效果。在教學方法上，在前期進行的課程教學方法的探討的基礎上，進行以提高“培養學生分析解決問題能力”為出發點，以“提高學生實踐能力為主線”的建設思路，加大案例、現場、項目化教學方法的應用，處理好理論和動畫實例之間的關系，處理好教授、考核、統計和反饋的統一關系，確保本課程的教學處于領先地位。在教學手段上，制作立體化的并適用于課堂和課后的全套的立體化的多媒體教才，處理好理論和實踐的關系，爭取更好的使用近幾年的動畫、工程實例，同事重視多媒體網站的建設和完善更新，為教師備課、學生學習提供豐富的資料。在教學內容上，進一步完善教學內容，探索教學內容多與學識少的矛盾解決的方法，根據不同專業的特色和需求，進一步完善適合不同專業的教學內容。在實訓條件建設方面，進一步加強實訓條件的建設，比如現在已經自己開發了水位控制模型、物料倉儲控制模型、電梯的組態監控、物料分揀的組態監控等多個實訓模型和設備，改善了實訓條件，下一步繼續改革實訓教學內容和教學方法，力爭用多媒體課件授課，增加組態仿真的實驗內容，使得虛擬現實互補，從而達到理論和實踐的結合。在實訓課題方面，爭取聯系相關企業，參與企業的實際的課題研發中去，做實際的課題。爭取在產學研方面有更大的進展。

2.課程改革的具體實施

近年來國際工程教育的最新研究成果，CDIO框架提供給學生在接近工程實際的應用環境中，通過“做中學”方式而獲得全面的訓練，重點培養學生的工程基礎知識、專業技能、團隊協作能力和工程系統能力，最終成為一個能滿足現代企業需求的高技能應用型人才。于是應用FEDT-CDIO理念、標準，對“電氣控制與PLC”課程群進行以下幾個方面改革，從而為不同專業方向學生提供一個構思、設計、實施和運作的教學環境[3-4]。

（1）調整教學大綱。根據《電氣控制與PLC》課程群針對電自化、電氣化、農機、機制四個專業對象不同，從我校的農業特色的實際情況出發，應用FEDT-CDIO理念和標準對四個專業的教學大綱重新進行調整和完善。

（2）優化與改進教學內容、教學方法。根據調整的教學大綱，相應的調整教學內容，使教學內容與不同專業方向及特色相結合。在所選教材的基礎上，精選教學內容，并增加新知識、新技術的講解。在優化現有課堂教學的基礎上，采用項目化教學法，突出實用性和可操作性。

1）教學內容改革。加強和改善課程教學內容和教學體系的改革。從我校的實際和不同專業的需求出發，本著以提高“培養學生分析解決問題能力”為出發點，以“提高學生實踐能力為主線”的建設思路，對現有的教學內容進行適當的調整，建立完善的“教學內容立體化”的教學內容層次與體系。

擴大教學信息量，能及時把教改教研成果或學科最新進展引入教學；在動態發展中制定、革新教學大綱；教學內容符合學科和專業要求，知識結構合理；有效地培養學生的創新思維和獨立分析問題、解決問題的能力；理論聯系實際，融知識傳授、能力培養、素質教育于一體；課內課外結合，加強教師的課外輔導工作；培養學生發現問題、分析問和解決問題的能力；與企業需求相結合，加強校企合作。

2）教學方法。采用啟發式教學，加強師生溝通，注意信息的雙向傳遞，加強學生對基本概念、基本原理和基本分析方法的理解和訓練。在教學活動中，以學生為主體，著重講思路，講原理和方法，對重點、難點反復強調，舉一反三。

強調培養學生的分析問題解決問題的能力，注重對學生的科學思維和創新能力的培養。

強調課堂教學與實驗教學緊密聯系。安排與課程內容相結合的大量實驗，以培養學生的動手能力和思維創新能力，實驗課由實驗室專門開設。平時實驗室對學生開放，有問題隨時解答。

有發展的觀念?？删幊炭刂破鞯膹S家很多，型號很多，發展很快，所以學生在本課程學習后，必須具備可以根據需要學習其他類型的PLC的能力和意識。在學生的學習過程中還介紹相應的其它機型的工作情況。

要求教師有一定的生產與科研實踐的經歷與體會，對本課程的知識在工礦企業的應用有充分的了解，要求任何一個教師在進行理論教學的同時也要能勝任實踐教學。并能做到理論、實踐一體化，淡化理論和實踐課的界線，充實教學內容。這對于提高教學質量、豐富教學內容、培養學生學習興趣具有重要作用。

3）教學手段。傳統教學方法與現代教育技術相結合。將傳統教學方法與現代教育技術相融合，利用多媒體生動、形象、直觀的特點，通過視覺和聽覺，全方位地加強學生對知識的理解和記憶，同時結合板書等傳統授課手段，揚長避短，獲得最佳的教學效果。

充分利用網絡資源。本課程的網站初步建成，各種網路資源豐富，教師和學生可以通過網絡查閱和下載大量的教學資源及相關的教學動態，為學生開辟了一個新的學習途徑，同時也加強了與學生和外校同行的交流與互動； 此外通過網絡學生也可與教師及時溝通。

利用現代化多媒體教學手段，提高教學效率。本課程組教師積極學習制作教學課件和動畫，利用多媒體設備，采用多媒體教學手段，給學生提供更多的圖片、資料，增大課堂的信息量，尤其是其中的動畫演示部分，將復雜的結構原理，電路控制過程等通過動畫比較形象的展示出來。有助于激發學生的學習興趣，調動學生的學習積極性，從而提高教學效率。

采用“組態王”軟件開發的虛擬設備，增強了PLC的實踐教學效果，采用“組態王”軟件開發的虛擬設備具有成本低廉、免維護，實驗消耗小、不怕損壞、安全性高、實驗教學效果良好等特點。課程組教師完成了交通信號燈自動控制系統、二自由、三自由度機械手控制系統、三層電梯自動控制系統、自動售貨機控制系統、廣告牌彩燈閃爍自動控制系統等實驗、實訓虛擬設備的開發。這些虛擬設備的應用能直接從計算機屏幕上觀察出設備控制結果的正確與否，能結合當前先進的科技手段將實驗的人機交互式進行仿真，并將可視化多媒體設計的相關技術引入到實驗中來，給學生的編程和調試帶來很大方便。

（3）強化教學環節的過程管理，改革學習評價方式。FEDT-CDIO理念提倡通過實施一個完整的項目來進行教學活動，強調知識不是依靠老師傳播，而是在一定的情況下，師生共同學習，利用必要的學習資料而獲得，從而提高學生應用理論知識的能力和實際動手能力，調動學生的主動性和創造性。因此教學設計的實施按照項目過程進行，教學環節的改革從選題、教學模式和方法、評價體系三方面進行，將構思、設計、實施和運作的教學環境具體化。

（4）加強學生品質、意志和團隊整體意識的培養及教師的素質和能力的培養。在教學過程中，精講多練，用任務驅動學習過程，以強化學生對相關知識的理解和運用，盡力使學生體驗到團隊協作的意義，培養系統思考能力和初步的工程意識。同時，利用學校讓教師到企業實踐鍛煉為契機，提高教師本身的各方面能力，為改革服務。

（5）教師FEDT-CDIO實踐能力培養及企業實習。鼓勵青年教師積極參加科研工作，明確科研方向，創造條件讓課題組的教師參加國內外學術交流會議，提高學術水平，促進教學。

組織教師觀摩教學、相互聽課，對教學中存在的問題和不足及時指正，促進課題組教師教學水平的提高。

通過積極開展與國內外其他高校和企業進行學術交流，開闊教師眼界，提高教師的科研水平。

五、改革思考

1.FEDT-CDIO以工程項目從研發到運行的生命周期為載體，可以讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的學習方式。

2.基于FEDT-CDIO的教學模式是“做中學”原則和“基于項目的教育和學習”原則的集中體現，該模式讓學生主動參與到理論到實踐的轉化過程，為“電氣控制與PLC”課程的實踐教學環節提供了新的方法和手段，是一種倡導“教、學、做”一體的新型教學模式。

3.遵循FEDT-CDIO”做中學”原則設計理論教學、實踐教學中的案例和實訓項目，使學生通過案例項目實踐，增強解決實際問題的能力，遵守編程規范，認真負責，一絲不茍地依據標準完成課程設計，使學生在解決實際問題的過程中共同談論，共同進步。

結合“電氣控制與PLC”課程群實踐性強的學科特點，基于FEDT-CDIO工程教育理念的教學方法，培養學生的工程實踐能力。通過“真刀真槍”的演練，激發學生的學習興趣，增強學生的實踐能力、創新能力和合作能力，同時也提高了教師的專業實踐技能，加強了師資隊伍建設，提升了工科教育的教學質量，值得其他實踐性較強的學科借鑒和參考，使學生逐漸養成小心求證嚴謹的工作和學習作風，呈現出陽光朝氣、濃厚的學習氛圍，治學的過程學會做人的道理，這正是FEDT-CDIO質量工程培養人才的重要意義所在；基于FEDT-CDIO模式的“電氣控制與PLC”課程群的教學改革研究，提高了課程開發和設計能力，為其他課程的改革和開發以及探索出一條適合工程教學的課程改革之路提供借鑒[5-7]。

參考文獻：

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[7]趙娜，王劍，秦江龍，等.基于CDIO的“軟件項目開發入門”綜合技能實踐課程[J].計算機工程與科學，2011，33（z1）：155-158.

（責任編輯：劉麗娜）