馬永力，曾 瑄，黃志開，趙志英，蘆 莉

(南昌工程學院 機械與電氣工程學院， 南昌 330099)

基于CDIO的自動化專業(yè)實踐課程教學研究

馬永力，曾 瑄，黃志開，趙志英，蘆 莉

(南昌工程學院 機械與電氣工程學院， 南昌 330099)

本文通過分析CDIO的教育理念，結(jié)合我校自動化專業(yè)實踐類課程教學與社會需求之間的差距，提出了基于 CDIO的自動化專業(yè)實踐課程教學改革的研究。并結(jié)合畢業(yè)設(shè)計等相關(guān)課程，在教學中融入工程應用的理念，通過比較市場上同類產(chǎn)品的實現(xiàn)方法及各自應用場合，確定自己的設(shè)計實施方案，并進一步給出了實施方案。通過參與工程項目，使學生理解、體驗一個系統(tǒng)工程項目從設(shè)計到完成的過程，從而實現(xiàn)從理論到實踐，再從實踐到理論的升華，全面提高學生的工程素養(yǎng)，提高教學質(zhì)量。

CDIO; 教學改革; 自動化；實踐課程

CDIO倡導“基于項目教育和學習”的新型教學模式，是近年來國際工程教育改革的最新研究成果，包括構(gòu)思(conceive)、設(shè)計(design)、實現(xiàn)(implement)和運作(operate)。作為一種新的工程教育理念，它主張以產(chǎn)品研發(fā)的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作的全過程為載體，認為學生在工程實踐教育中既要掌握專業(yè)知識，又要具備適應與調(diào)控的能力；還要具有終生學習和團隊協(xié)作能力。成為既有專業(yè)技能和工程能力、又有社會意識和企業(yè)家敏銳性的工程師，將來能夠在工作的工程團隊中發(fā)揮作用[1，2]。其核心目標是工科畢業(yè)生在現(xiàn)代團隊工作環(huán)境中應具有構(gòu)思、設(shè)計、實施和運作的能力；在具有創(chuàng)新價值的復雜工程系統(tǒng)中擁有一定的把控能力[3]。這些正是應用型技術(shù)人才應該具備的能力。

1 傳統(tǒng)實踐教學的局限性和教學改革的目標

為了發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的實踐教學與社會需求之間的差異，我們對東部某省300多家企業(yè)的用人需求進行了調(diào)查。結(jié)果表明: 企業(yè)最歡迎的是具有團隊領(lǐng)導、組織、溝通、協(xié)調(diào)能力的創(chuàng)新型人才，其次為技術(shù)復合型、通用型和專業(yè)對口型人才( 見圖1)[3]。傳統(tǒng)的實踐教學多數(shù)存在以下問題：

1.1 上課教學內(nèi)容單一，老師指定學習內(nèi)容，靈活性不強，學生自主性學習不夠。

1.2 強調(diào)個人動手能力，卻忽視團隊協(xié)作精神。

1.3 更加重視驗證性的知識學習，卻輕視工程素養(yǎng)及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的實踐教學模式更適合于學生基礎(chǔ)階段的學習，需要在規(guī)定的時間內(nèi)掌握大量的知識，屬于知識積累的階段；但是對于部分專業(yè)課程及創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)的課程具有較大的局限性，不能滿足培養(yǎng)創(chuàng)新性、應用型人才的需求。

圖1 企業(yè)人才需求類型比例

實踐教學改革的目標是：在專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)重點培養(yǎng)學生的工程意識和工程素養(yǎng)，激發(fā)其學習興趣；在畢業(yè)設(shè)計和創(chuàng)新環(huán)節(jié)提高其工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)終身學習的能力。

2 基于CDIO的自動化專業(yè)實踐類課程教學實施

自動化專業(yè)實踐教學主要包括三級項目：

(1) 通識平臺課程實踐環(huán)節(jié)及專業(yè)基礎(chǔ)課程實驗為一級項目，主要利用基礎(chǔ)實踐平臺；

(2)專業(yè)課程實踐環(huán)節(jié)(主要包含課程實驗、電子技術(shù)課程設(shè)計、計算機控制系統(tǒng)綜合設(shè)計、自動化技術(shù)綜合設(shè)計、專業(yè)方向課程實訓等)為二級項目，主要利用專業(yè)實踐平臺；

(3)畢業(yè)設(shè)計及其他創(chuàng)新實踐為三級項目，主要利用專業(yè)實踐平臺和創(chuàng)新實踐基地。實現(xiàn)課堂理論教學和實踐平臺相結(jié)合；網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)與傳統(tǒng)教學模式有機融合的混合式教學模式。自動化專業(yè)實踐教學三級項目如圖2 所示。

圖2 自動化專業(yè)實踐教學三級項目

基于CDIO模式的教學項目主要集中在專業(yè)課程實踐環(huán)節(jié)(二級項目)、畢業(yè)設(shè)計及創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)(三級項目)。在這個環(huán)節(jié)學生已經(jīng)具有一定的理論基礎(chǔ)，而且這個環(huán)節(jié)的實踐教學時間相對充足，可以滿足學生構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作的整個過程。適合的課程主要包括《電子技術(shù)課程設(shè)計》、《計算機控制系統(tǒng)綜合設(shè)計》、《單片機課程設(shè)計》、《專業(yè)方向課程實訓》、《畢業(yè)設(shè)計》等課程的教學內(nèi)容，選取適當?shù)慕虒W項目，按照CDIO教學模型進行改革與建設(shè)，結(jié)合專業(yè)實踐課程指導學生進行工具類課程(如matlab, autocad, protel等)的進一步學習。同時對樓宇自動化方向的實踐課程的教學，把樓宇智能化各子系統(tǒng)的內(nèi)容，盡可能按照CDIO的教學模式融進相關(guān)課程，使同學們按照實際項目的需要進行構(gòu)思內(nèi)容、設(shè)計方案、實現(xiàn)項目任務要求，并結(jié)合軟硬件運行上下位機的程序，實現(xiàn)實際項目的設(shè)計效果。

3 CDIO應用實例——智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計

項目要求：對一照明系統(tǒng)進行智能化改造。智能照明控制系統(tǒng)不僅能充分滿足現(xiàn)代人們對燈光效果的設(shè)計要求，而且通過對能源的綜合智能管理及自然光照的充分利用，可以節(jié)電20%-70%以上，滿足便捷、舒適、節(jié)能的建筑照明需要。要求完成從項目立意及經(jīng)濟可行性分析到系統(tǒng)設(shè)計、市場調(diào)研、方案實施及軟硬件調(diào)試等內(nèi)容。6人一組，每個人要采用不同的軟硬件進行設(shè)計，同學之間既有合作，又有分工，還要給出自己設(shè)計的特點、使用場合及成本分析，上位機可以采用各種組態(tài)軟件控制，下位機可以采用各種PLC控制，亦可采用Lonworks總線。

以上位機采用MCGS軟件，下位機采用S7-226PLC控制的小型系統(tǒng)為例，控制區(qū)域分為室內(nèi)辦公場合照明、走廊照明、庭院景觀照明及街道路燈照明，室內(nèi)辦公照明實現(xiàn)工作日與非工作日(包括雙休和節(jié)假日)的時間控制；走廊、庭院和街道的照明，提供基本照明，主要用于夜間照明，采用光控開關(guān)及時間控制照明，只有在規(guī)定時間內(nèi)且自然光照度不夠的情況下才會開啟照明，盡可能節(jié)約能源。四種照明均可以實現(xiàn)自動和手動的控制。

在項目實施前，市場調(diào)研如下：根據(jù)淘寶調(diào)查，HW5210(海灣系列樓控DDC控制器)售價1980元，HW5208(海灣系列樓控DDC控制器)售價2850元，近5000元實現(xiàn)5輸入5輸出的定時控制。S7-226 PLC 24DI/16DO，(5-30V DC或5-250V AC)，2個RS485通訊口，最多擴展7個擴展模塊，1640元，加上一個S7-200CN EM235，4AI/1AO，5個模擬量I/O口700元，共2340元，在I/O點數(shù)增加到4.5倍的情況下，價格只是原來DDC控制器的一半不到，而且PLC的控制功能更為強大，使用可靠性很高。采用S7-224，16 DI/10DO，905元，S7-2228DI/6DO，590元；價格更是大幅下降。對于智能照明以開關(guān)量為主的系統(tǒng)，性價比大幅提高。再結(jié)合學校實驗室條件，上位機采用MCGS軟件，下位機采用S7-226PLC控制，而沒有采用DDC控制。在創(chuàng)新實驗平臺完整實現(xiàn)構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和正確運行。

本項目上位機為一臺計算機，采用MCGS組態(tài)軟件控制，下位機采用西門子S7226PLC，通過PPI/USB電纜連接(要安裝驅(qū)動)，四路不同場合的照明燈具(實際項目可以根據(jù)需要增加，實現(xiàn)不同模式的控制功能)。PLC的I/O接口分配如表1，各組態(tài)軟件與PLC連接通道設(shè)計如表2；MCGS組態(tài)軟件操作運行界面如圖3所示。

表1 PLC的I/O接口分配

表2 各組態(tài)軟件與PLC連接通道設(shè)計

圖3 MCGS組態(tài)軟件操作運行界面

本項目及相關(guān)項目不僅實現(xiàn)智能樓宇專業(yè)的實踐教學需要，還能用于PLC課程設(shè)計及現(xiàn)場總線與組態(tài)軟件實踐教學。

基于 CDIO項目設(shè)計以培養(yǎng)學生的基本工程能力為目標[4]，將多門課程的知識點滲透進若干個項目中，教師全程化指導、跟蹤、落實學生的執(zhí)行情況。在此過程中，學生可以討論、上網(wǎng)、查資料，教學過程以學生為中心。學生是知識意義的主動構(gòu)建者，教師是組織者，主要起指導、幫助和促進的作用[5]。傳統(tǒng)的理論課程學習后同學們的知識相對零散、應用能力較弱，初學者往往不知怎么應用相關(guān)知識模塊。在CDIO項目實踐過程中，教師引導學生采取“自上而下”的工程設(shè)計導向，用日常工程設(shè)計作背景，先給出宏觀、整體的工程設(shè)計要求，然后由宏觀到微觀，由整體到局部，工程所用到的專業(yè)知識可能設(shè)計多門理論課程，在項目設(shè)計過程中進一步深入學習相關(guān)知識、深化理解、活學活用，做到在“做中學，在學中做”?；?CDIO項目設(shè)計尤其適用于各類課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計。學生在做畢業(yè)設(shè)計的過程中，可以把4年中所學的相關(guān)理論知識應用于設(shè)計項目，對知識進行系統(tǒng)的總結(jié)和提升。在提高他們分析研究問題的能力的同時，還增強了他們的工作責任感[6]。

4 基于CDIO模式的教學結(jié)果

4.1 激發(fā)學習興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新能力

教師在實施課堂教學的過程中，參照 CDIO工程教育模式，結(jié)合先進的教育手段，激發(fā)了學生的學習興趣，在遇到疑難問題時，指導教師及時啟發(fā)指導，或者與之討論，可以激發(fā)他們的創(chuàng)新意識。

4.2 改革了教學方法與考核模式

教學方法采用學生自主為主，教師答疑指導為輔的教學模式。在學習評價方面，完善了過程考核的模式，增加了自評和互評環(huán)節(jié)。小組成員自評主要考核學生的誠實性，同時也能增強同學的責任感；團隊成員互評主要考核學生的公正性和團結(jié)互助精神，同時也有助于培養(yǎng)領(lǐng)導能力。

4.3 形成了具有 CDIO教育模式的實踐教學體系

本研究課題的主要特色在于：參照國際先進的教育理念，以項目設(shè)計為主導，結(jié)合現(xiàn)有實驗室的條件，重點培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和工程素養(yǎng)，形成了具有 CDIO特點的自動化專業(yè)實踐課程教學模式[7]。

5 結(jié)束語

通過基于CDIO的自動化專業(yè)實踐課程教學改革，可以建立以往傳統(tǒng)實踐教學中普遍缺乏的工程價值觀念。通過市場調(diào)研、團隊合作，可以激發(fā)同學的學習興趣，加深同學友誼，轉(zhuǎn)變后進生的學習態(tài)度，培養(yǎng)優(yōu)秀同學的領(lǐng)導能力及創(chuàng)新能力，增強同學的團隊協(xié)作意識?？傊?，以CDIO為基礎(chǔ)的實踐教學，更加強調(diào)了學生創(chuàng)新和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，有效改善了理論與實踐相脫離的問題。鍛煉和提高了所有同學的CDIO能力，教學效果得到明顯改善。

[1]劉志雄. 基于CDIO的實踐類課程教學改革研究[J].長沙大學學報,2014,(4).

[2]康亮，毛煉成，洪曉鷗.CDIO教育模式在電子技術(shù)實驗課程中的應用與探討[J].上海第二工業(yè)大學學報,2012,(3).

[3]黃亦申，董晨晨，翁曉紅，潘柏松.面向卓越工程師培養(yǎng)的CDIO實踐平臺建設(shè)探索[J]. 浙 江 工 業(yè) 大 學 學 報( 社會科學版),2013,(4).

[4]李崢，陳得寶，苗曙光，張勇.CDIO工程教育模式下綜合課程設(shè)計的教學改革[J].淮北師范大學學報(自然科學版),2013,(2).

[5]朱向慶，胡均萬，曾輝，等.CDIO工程教育模式的微型項目驅(qū)動教學法研究[J].實驗技術(shù)與管理，2012,(11).

[6]賈光政 王金東.基于CDIO 的機電類卓越工程師培養(yǎng)模式探索[J].大學教育,2014,(4).

[7]張國平,付貴陽,馬永力.基于CDIO 教育模式的電路課程教學研究與實踐[J].中國電力教育,2010,(22).

Research of Automation Practice Teaching Based on CDIO

MA Yong-li, ZENG Xuan, HUANG Zhi-kai, ZHAO Zhi-ying, LU Li

(School of Mechanical & Electrical engineering, Nanchang Instituted of Technology, Nanchang 330099, China)

Through the analysis of the education philosophy of CDIO, this paper puts forward the research of automation practice course teaching reform based on CDIO, combining with the gap between practice courses teaching of automation professional in our school and social demand. Graduation design and other related courses are combined so as to integrate engineering application into the teaching philosophy. The realization methods and their applications are compared to similar products on the market to ensure their program design and to further provide the implementation plan. By participating in project, the students understand, experience the process of system’s engineering project from design to completion and realizes the sublimation of theory to practice, practice to theory so that the students’ engineering quality and the quality of teaching is comprehensively improved.

CDIO; teaching reform; automation; practice course

2017-01-12

江西省教育廳2015年省級教改課題(JXJG-15-18-5)

馬永力(1976-)，女，副教授，碩士，研究方向為樓宇智能化技術(shù)。

G640

A

1674-344X(2017)2-0107-03