基于FEDT―CDIO理念的“电气控制与PLC技术”课程群教学改革研究
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）36-0137-03
一、CDIO
2000年10月，美国麻省理工学院、瑞典皇家工学院、瑞典查尔莫斯工业大学和瑞典林雪平大学四所大学以美国工程院院士Edward F.Crawley教授为首合作组成跨国研究组，在Knut and Alice Wallenberg基金会近1600万美元的巨额资助下，经过四年的深入研究、探索和实践，于2004年共同创立的工程教育改革模式，并同时成立了CDIO国际合作组织。CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运行（Operate）四个步骤的英文缩写。CDIO主要以产品的研发到产品的运行一整个生命周期为载体，让学生在这个载体中以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式方法来学习工程的理论知识、实践经验和各种能力等。
作为工程教育改革的创新工具，CDIO框架提供了面向学生的教育，即强调在构思（Conceive）一设计（Design）一实施（Implement）一运行（Operate）现实世界的系统和产品过程中，来学习工程的理论和实践。“构思”指明确客户的需求，考虑技术、企业战略和制度等因素，不断改进概念、技术和商业计划；“设计”指描述将被实现的计划、草案和运算法则；“实施”指把设计转变为产品的过程，包括硬件制造、软件编程、测试、检查和验证；“运行”指使用前面已实现的产品来达到想要的价值，包括对产品系统的维护、优化和淘汰等[1-2]。
近两年来CDIO工程教育改革在全国范围的推广工作已经取得了实质性的进展，不少高校在CDIO工程教育改革方面做了大量和细致的工作，发展出了各自的特色，CDIO不仅注重学生基础知识的学习，更强调学生应用能力、团队合作能力以及适应调控大系统能力的培养。鉴于以上所述，针对我农业院校特色，在“电气控制与PLC”课程群里开展CDIO模式的研究改革有着重要的意义。
二、课程特点及现状
农业机械化及其自动化、农业电气化与自动化专业、机械设计制造及其自动化和电气工程及其自动化专业是是农工科本科院校重点建设专业，主要培养面向电力行业、工矿企业、工程建设单位、农业工程的高技术应用型人才，能适应电气控制等岗位。
1.理论课特点及现状
本课程实践性强，与生产实际联系紧密，知识的覆盖面较宽，是强电与弱电的结合，机、电、液的结合。本课程的重点是培养学生具有设计、安装、调试、运行、管理以可编程控制器为核心的自动控制系统的能力。难点是根据工艺要求设计编制程序。因此，在教学过程中不但要使学生了解可编程序控制器的产生、构成、工作原理、控制指令，还要重点讲授编程方法及技巧，便学生真正了解可编程控制器在工程中是如何被应用的。在原理论述中力求深入浅出，为合理编程服务。在应用方面根据工程设计实践及学生特点，采集了大量能被学生理解的控制过程作为应用实例。用提出控制要求，给出部分引导性参考程序，再给学生留有思考完善空间的方法充分调动学习积极性。在教学中充分利用多媒体教学手段，使理论教学、实验教学融为一体。通过本课程的学习最终使得学生掌握常用低压控制电器的基本原理、规格及选用；掌握继电器控制的基本原理、线路分析与设计；掌握PLC基本原理、常用指令系统及应用、程序设计方法；掌握电器及PLC应用系统的设计方法。使学生具有电器及PLC应用系统的安装、调试与维修的能力，具有设计、改造、革新一般生产机械电器与PLC控制系统的初步能力。
2.实验实践现状
两周的课程设计尽量选择学生能够亲身经历和体验得了的课题，如联锁控制交通灯系统、多层载客电梯控制系统、无料分拣系统、自动化仓储系统、水位控制系统等。这些课题的控制工艺不必讲解学生都有亲身经历，只需老师提出要完成的最基本控制要求，学生可以在此基础上根据自己的能力开发设计更高的控制功能。这使一般学生不必因要求过高而产生畏难情绪而厌学，充分调动了学生的学习积极性，营造一种比学赶超的学习氛围。
毕业设计环节：毕业设计是学生在校学习期间最后一个教学环节，也是综合复习运用所学知识，提高解决实际问题能力的一个无法替代的重要环节。要求学生综合运用基础知识、技术基础及专业知识解决工程实际问题，完成工程技术人员必须具备的基本能力训练。在毕业设计教学中，不但要选择可编程控制器作为自控系统的核心控制设备，而且要注意做到真题真做。
坚持理论教学与实践教学并重，通过实践教学培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。通过基础性实验、综合实验、课程设计及毕业设计教学环节，使学生能够很好地理解、消化理论课上所讲解的基本理论知识及相关指令的含意和使用方法。通过促进学生积极思考；开展研究性学习提高教学效果，并以此激发学生学习兴趣、促进学生学习能力、知识应用能力的发展。对一些学习理解及动手能力较强的学生开设选修实验，以扩充知识面培养其创新应用能力，为他们将来能成为有一技之长的专门人才打下良好基础。
本课程经过多年的建设已经取得了较好的效果，但仍然存在一些不择之处，主要表现在以下几个方面：
第一，高校培养目标脱离企业的实际需求；第二，教学内容相对企业技术需求滞后；第三，教师知识能力结构不合理及实践能力的缺乏；第四，理论及实训教学和企业的实际工作脱节；第五，教学方法不科学，不能调动学生的兴趣和积极性；第六，忽视了学生团队意识的培养。 三、“FEDT-CDIO”模式
“FEDT-CDIO”模式即是面向企业需求的人才培养。其中FEDT是指Facing enterprise demand training。形成全新的FEDT-CDIO教学模式。教学内容的重组、课程项目的选择、教学资源的建设等过程中充分融入企业实际需求的要素。充分利用校内工程训练中心、电工电子实训中心、校外实训基地、教师下企业锻炼、企业兼职教师等方式，实行校企“产-学”合作。走进企业，对企业人才的实际需求进行充分的调研。根据专业对应的工作岗位和岗位群进行工作过程的分析。在此基础上结合课程内容进行工作任务的提取和知识点的整合。再根据认知和职业成长规律对工作任务和教学过程进行分析，实现工作任务到项目课程的转换。最后进行课堂设计（即项目学习情境的设计）并开展实施。
四、基于“FEDT-CDIO”模式的课程改革
1.课程改革的思路
以提高“培养学生分析解决问题能力”为出发点，以“提高学生实践能力为主线”，不断提高教师教学水平，丰富教学手段与方法，提高教学效果。在教学方法上，在前期进行的课程教学方法的探讨的基础上，进行以提高“培养学生分析解决问题能力”为出发点，以“提高学生实践能力为主线”的建设思路，加大案例、现场、项目化教学方法的应用，处理好理论和动画实例之间的关系，处理好教授、考核、统计和反馈的统一关系，确保本课程的教学处于领先地位。在教学手段上，制作立体化的并适用于课堂和课后的全套的立体化的多媒体教才，处理好理论和实践的关系，争取更好的使用近几年的动画、工程实例，同事重视多媒体网站的建设和完善更新，为教师备课、学生学习提供丰富的资料。在教学内容上，进一步完善教学内容，探索教学内容多与学识少的矛盾解决的方法，根据不同专业的特色和需求，进一步完善适合不同专业的教学内容。在实训条件建设方面，进一步加强实训条件的建设，比如现在已经自己开发了水位控制模型、物料仓储控制模型、电梯的组态监控、物料分拣的组态监控等多个实训模型和设备，改善了实训条件，下一步继续改革实训教学内容和教学方法，力争用多媒体课件授课，增加组态仿真的实验内容，使得虚拟现实互补，从而达到理论和实践的结合。在实训课题方面，争取联系相关企业，参与企业的实际的课题研发中去，做实际的课题。争取在产学研方面有更大的进展。
2.课程改革的具体实施
近年来国际工程教育的最新研究成果，CDIO框架提供给学生在接近工程实际的应用环境中，通过“做中学”方式而获得全面的训练，重点培养学生的工程基础知识、专业技能、团队协作能力和工程系统能力，最终成为一个能满足现代企业需求的高技能应用型人才。于是应用FEDT-CDIO理念、标准，对“电气控制与PLC”课程群进行以下几个方面改革，从而为不同专业方向学生提供一个构思、设计、实施和运作的教学环境[3-4]。
（1）调整教学大纲。根据《电气控制与PLC》课程群针对电自化、电气化、农机、机制四个专业对象不同，从我校的农业特色的实际情况出发，应用FEDT-CDIO理念和标准对四个专业的教学大纲重新进行调整和完善。
（2）优化与改进教学内容、教学方法。根据调整的教学大纲，相应的调整教学内容，使教学内容与不同专业方向及特色相结合。在所选教材的基础上，精选教学内容，并增加新知识、新技术的讲解。在优化现有课堂教学的基础上，采用项目化教学法，突出实用性和可操作性。
1）教学内容改革。加强和改善课程教学内容和教学体系的改革。从我校的实际和不同专业的需求出发，本着以提高“培养学生分析解决问题能力”为出发点，以“提高学生实践能力为主线”的建设思路，对现有的教学内容进行适当的调整，建立完善的“教学内容立体化”的教学内容层次与体系。
扩大教学信息量，能及时把教改教研成果或学科最新进展引入教学；在动态发展中制定、革新教学大纲；教学内容符合学科和专业要求，知识结构合理；有效地培养学生的创新思维和独立分析问题、解决问题的能力；理论联系实际，融知识传授、能力培养、素质教育于一体；课内课外结合，加强教师的课外辅导工作；培养学生发现问题、分析问和解决问题的能力；与企业需求相结合，加强校企合作。
2）教学方法。采用启发式教学，加强师生沟通，注意信息的双向传递，加强学生对基本概念、基本原理和基本分析方法的理解和训练。在教学活动中，以学生为主体，着重讲思路，讲原理和方法，对重点、难点反复强调，举一反三。
强调培养学生的分析问题解决问题的能力，注重对学生的科学思维和创新能力的培养。
强调课堂教学与实验教学紧密联系。安排与课程内容相结合的大量实验，以培养学生的动手能力和思维创新能力，实验课由实验室专门开设。平时实验室对学生开放，有问题随时解答。
有发展的观念。可编程控制器的厂家很多，型号很多，发展很快，所以学生在本课程学习后，必须具备可以根据需要学习其他类型的PLC的能力和意识。在学生的学习过程中还介绍相应的其它机型的工作情况。
要求教师有一定的生产与科研实践的经历与体会，对本课程的知识在工矿企业的应用有充分的了解，要求任何一个教师在进行理论教学的同时也要能胜任实践教学。并能做到理论、实践一体化，淡化理论和实践课的界线，充实教学内容。这对于提高教学质量、丰富教学内容、培养学生学习兴趣具有重要作用。
3）教学手段。传统教学方法与现代教育技术相结合。将传统教学方法与现代教育技术相融合，利用多媒体生动、形象、直观的特点，通过视觉和听觉，全方位地加强学生对知识的理解和记忆，同时结合板书等传统授课手段，扬长避短，获得最佳的教学效果。
充分利用网络资源。本课程的网站初步建成，各种网路资源丰富，教师和学生可以通过网络查阅和下载大量的教学资源及相关的教学动态，为学生开辟了一个新的学习途径，同时也加强了与学生和外校同行的交流与互动； 此外通过网络学生也可与教师及时沟通。 利用现代化多媒体教学手段，提高教学效率。本课程组教师积极学习制作教学课件和动画，利用多媒体设备，采用多媒体教学手段，给学生提供更多的图片、资料，增大课堂的信息量，尤其是其中的动画演示部分，将复杂的结构原理，电路控制过程等通过动画比较形象的展示出来。有助于激发学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性，从而提高教学效率。
采用“组态王”软件开发的虚拟设备，增强了PLC的实践教学效果，采用“组态王”软件开发的虚拟设备具有成本低廉、免维护，实验消耗小、不怕损坏、安全性高、实验教学效果良好等特点。课程组教师完成了交通信号灯自动控制系统、二自由、三自由度机械手控制系统、三层电梯自动控制系统、自动售货机控制系统、广告牌彩灯闪烁自动控制系统等实验、实训虚拟设备的开发。这些虚拟设备的应用能直接从计算机屏幕上观察出设备控制结果的正确与否，能结合当前先进的科技手段将实验的人机交互式进行仿真，并将可视化多媒体设计的相关技术引入到实验中来，给学生的编程和调试带来很大方便。
（3）强化教学环节的过程管理，改革学习评价方式。FEDT-CDIO理念提倡通过实施一个完整的项目来进行教学活动，强调知识不是依靠老师传播，而是在一定的情况下，师生共同学习，利用必要的学习资料而获得，从而提高学生应用理论知识的能力和实际动手能力，调动学生的主动性和创造性。因此教学设计的实施按照项目过程进行，教学环节的改革从选题、教学模式和方法、评价体系三方面进行，将构思、设计、实施和运作的教学环境具体化。
（4）加强学生品质、意志和团队整体意识的培养及教师的素质和能力的培养。在教学过程中，精讲多练，用任务驱动学习过程，以强化学生对相关知识的理解和运用，尽力使学生体验到团队协作的意义，培养系统思考能力和初步的工程意识。同时，利用学校让教师到企业实践锻炼为契机，提高教师本身的各方面能力，为改革服务。
（5）教师FEDT-CDIO实践能力培养及企业实习。鼓励青年教师积极参加科研工作，明确科研方向，创造条件让课题组的教师参加国内外学术交流会议，提高学术水平，促进教学。
组织教师观摩教学、相互听课，对教学中存在的问题和不足及时指正，促进课题组教师教学水平的提高。
通过积极开展与国内外其他高校和企业进行学术交流，开阔教师眼界，提高教师的科研水平。
五、改革思考
1.FEDT-CDIO以工程项目从研发到运行的生命周期为载体，可以让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的学习方式。
2.基于FEDT-CDIO的教学模式是“做中学”原则和“基于项目的教育和学习”原则的集中体现，该模式让学生主动参与到理论到实践的转化过程，为“电气控制与PLC”课程的实践教学环节提供了新的方法和手段，是一种倡导“教、学、做”一体的新型教学模式。
3.遵循FEDT-CDIO”做中学”原则设计理论教学、实践教学中的案例和实训项目，使学生通过案例项目实践，增强解决实际问题的能力，遵守编程规范，认真负责，一丝不苟地依据标准完成课程设计，使学生在解决实际问题的过程中共同谈论，共同进步。
结合“电气控制与PLC”课程群实践性强的学科特点，基于FEDT-CDIO工程教育理念的教学方法，培养学生的工程实践能力。通过“真刀真枪”的演练，激发学生的学习兴趣，增强学生的实践能力、创新能力和合作能力，同时也提高了教师的专业实践技能，加强了师资队伍建设，提升了工科教育的教学质量，值得其他实践性较强的学科借鉴和参考，使学生逐渐养成小心求证严谨的工作和学习作风，呈现出阳光朝气、浓厚的学习氛围，治学的过程学会做人的道理，这正是FEDT-CDIO质量工程培养人才的重要意义所在；基于FEDT-CDIO模式的“电气控制与PLC”课程群的教学改革研究，提高了课程开发和设计能力，为其他课程的改革和开发以及探索出一条适合工程教学的课程改革之路提供借鉴[5-7]。
