改進CDIO下“電氣控制與PLC技術”教學研究

王玉槐，安 康，胡克用，勾治踐，吳小濤

（杭州師范大學 錢江學院，浙江 杭州310036）

0 引言

“電氣控制與PLC技術”課程是高等院校機電類專業的一門重要專業技術課，也是我院“十三五”重點支持“新興智造”專業群重點建設的一門群內共享課。然而，目前該課程以課內教學和課外作業為主的傳統教學模式普遍存在課內外脫節、師生進度分離的問題。這些問題必然導致學生知識生疏遺忘、學生追趕不上教學進度、教師不了解學生學習掌握情況、個性化指導缺乏、課堂互動缺失、知識創新應用困難等現象涌現，嚴重阻礙了工程創新人才培養。為了順應新時代人才培養和PLC課程教學的目標，做到學習路上一個都不能少，需要對傳統教學模式進行改革。

CDIO（Conceive，Design，Implement and Operate）是目前國際上比較認可的先進工程教育模式［1～3］。2005年，顧佩華等首次引入CDIO到中國，并進一步研究提出了EIP-CDIO教育理念，詳細探討了其培養模式、“魚骨圖”課程體系、課程設置、教學質量評估監督體系等［4～5］。李彤等提出了SECDIO模式，闡述了其內涵和特點，為工程教育提供了科學發展的新途徑［6］。鐘壽仙等提出并實踐了MPC-CDIO教學模式，描述了其課程體系、教學模式、考核體系等［7］。鄧濤提出基于ERTIC-CDIO理念的城市軌道交通車輛專業人才培養模式，并探索了培養模式、課程體系、教學內容、教學質量、評估體系、實踐環節等的綜合改革［8］。王春風等研究了基于KSP-CDIO的口腔醫學實踐教學的培養目標、教學內容及方法、保障體系和評價體系改革［9］。王銘軍研究了移動學習ML-CDIO教學模式，給出了其實施的基本條件和評價指標［10］?？梢?，現有研究主要都是結合課程內容體系及專業職業目標對CDIO模式從等培養模式、課程體系、評估體系等方面進行創新探索及實施。然而，很少有關注CDIO過程中教師如何及時主動掌握學生進展情況進而動態調整教學內容的，而這卻是直接影響CDIO教學效果的關鍵問題之一。同時也發現，CDIO雖然已成為近十多年來我國高等教育研究的熱點之一，但至今仍未在我國高校中廣泛推廣開，仍需要結合智能學習時代進行創新探索和自我革新［11～13］。

隨著智能手機的普及，微信已然成為國內最受歡迎的移動社交軟件。其良好的群眾基礎和很高的交互性及即時性為移動學習和微學習提供了最為充足的條件。王李冬等利用微信平臺搭建了移動微課學習環境，設計了彈性翻轉課堂教學模式［14］。羅先輝等、王兆守等研究了大學教學管理中微信平臺的使用，并指出將雨課堂和微信公眾平臺相結合可能會創造一個更為優秀的微信教育平臺［15～16］。

為達到教師和學生同頻共振，課內和課外無縫銜接，本文利用微信雨課堂平臺和CDIO模式，創設學習環境，開發課程資源，設計課程教學，提供學習服務。通過引入線上即時討論、知識測評和進度反饋機制，探討動態反饋調整的改進型CDIO模式，并在新興智造專業群“電氣控制與PLC技術”課程中進行了教學應用，取得了良好的教學效果。

1 改進型CDIO模式設計

傳統教學由教師主導教學全過程。課內，教師按教學計劃將教學大綱內容講授給學生，課堂互動基本靠教師對極少數優秀學生的提問完成，致使課堂往往轉變成教師的“一言堂”。課外，學生完成教師布置的習題作業，學生和教師的交流基本靠作業完成，致使學生對課程內容普遍生疏甚至遺忘。因此，傳統教學中學生經常只能吸收教師講授知識的一部分，很難關聯前后孤立的碎片化的內容并在后續進行綜合靈活應用與創新。

與傳統教學相比，CDIO強調面向工程的項目驅動，凸顯學生“做中學”的主體地位，要求以綜合的培養方式使學生主動的、實踐的學習以達到基礎知識、個人實踐能力、人際團隊能力和創新能力等方面的預定目標。CDIO以項目為載體，有效建立了知識的前后聯系，僅僅依靠課內時間將遠遠不夠，勢必需要學生花費大量課外時間進行學習和實踐。顯然，如何消除課內外的明顯分隔，使教師成為學生學習全過程的協助者將是CDIO模式有效實施的關鍵。然而，目前普通CDIO很少關注教師對學生學習過程尤其是課外進度狀態的主動干預，以及實時動態乃至個性化調整教學內容。

本文提出的“電氣控制與PLC技術”改進型CDIO模式是一種引入基于即時反饋交流的主動干預動態調整機制的CDIO工程教育模式，具體指以CDIO的理念設計PLC課程教學，以工程項目驅動學生課內和課外學習過程，在項目研發實施過程中引入即時反饋，學生及時交流反饋問題和進度，教師主動干預學生學習和項目進展狀態，進而有針對性地調整課程內容、教學方法及項目進度。課前學生利用微信雨課堂公眾號查看教師發布的項目任務，學習微課視頻，預習核心知識點，查閱文檔資料提出發現問題構思項目需求和方案，開展線上交流討論并提交反饋課前進度；課內教師根據課前進展情況靈活改變授課內容和策略，通過案例剖析、講授、小組討論、示范演示、動手實踐、匯報展示等形式，引導學生分析問題設計項目軟硬件系統，然后解決問題，實現實驗調試；課后依托雨課堂，運作完成項目總結評價、內容反芻及內化，通過模擬仿真進行項目的拓展創新訓練，并反饋仿真進度結果。改進型CDIO模式，如圖1所示，以工程項目為載體，在課前、課中和課后進行連續性實施和即時性反饋，這些為過程性多元化評價提供了充分依據。

圖1 動態反饋調整的改進型CDIO模式

1.1 改進型CDIO模式下教學項目設計

教學項目依然是改進型CDIO模式的關鍵之一。教學項目結合企業實際生產和工程案例進行優化設計。聯合企業專家和工程師共同開發設計的典型教學項目及教學目標如表1所示。

表1 課程教學項目與教學目標

1.2 改進型CDIO模式下教學項目實施過程

依托所設計的工程教學項目，按照CDIO理念在課前、課中和課后進行分階段連續性實施。以小車自動裝卸貨項目為例，首先分析其核心是電機正反轉控制，學生在掌握傳統繼電接觸器控制電機正反轉技術的基礎上進一步學習該項目的PLC控制設計及實現。其改進型CDIO模式下教學過程階段分解如表2所示。

表2 小車自動裝卸貨項目階段分解

課前，教師通過雨課堂發布項目總任務裝卸料小車左右自動往復運行控制和配套課件、教學案例、仿真演示、微（慕）課視頻、重難點知識小測試等資源，學生根據收到的任務和教學資源完成相關學習測試、通過查閱資料構思項目具體控制要求和方案并通過雨課堂進行反饋交流。教師根據測試情況了解學生對相關知識的掌握情況并指導學生優化與其知識掌握情況相協調的個性化的需求和方案。

課中，首先，教師結合課前完成情況，有針對性地介紹所選電器的原理及應用，通過小組討論共享構思方案，掌握電器使用和系統的工作原理。其次，教師引入案例講解，引導學生結合自己所構思方案開展交流討論自主完成IO分配、電路設計、程序設計等，通過學生分享討論和師生互動討論，推選展示優秀設計?？刂凭€路設計和梯形圖設計是本項目教學實施的核心目標，通過前述多種形式形成的動態反饋調整的改進型CDIO模式可以從方法和過程中實現優學派學生帶動學習效果不佳的學生，確保學生至少完成最簡形式的小車自動往返PLC控制接線圖和程序流程圖，如圖2所示。最后，學生根據其設計自主進行仿真和實驗調試，通過自主探討和教師指導答疑解決遇到問題，進一步掌握和鞏固所學知識，加強理論和實踐結合，實現最初構思的控制需求。

圖2 小車自動往返PLC控制

課后，學生利用雨課堂和微信提交線上習題測評、小車自動裝卸貨項目技術總結報告、創新提升成果、成果視頻等，鞏固知識點，促進知識內化和創新拓展。教師根據學生提交反饋信息進行個性化差異輔導、優秀展示，教學再分析，進而開啟下一次課程教學設計和實施。

1.3 改進型CDIO模式下課程考核

現行考核方案最終綜合成績由平時成績（主要依據考勤、作業和實驗報告完成情況）占30%、期中考試成績占15%和期末考試成績占55%三部分構成。該考核方式一定程度上能反映出學生對基礎知識的掌握程度，但極易受考前復習情況的影響，很難覆蓋動手實踐能力和團隊協作能力，養成了很多“紙上談兵”的學生。

改進型CDIO模式下課程考核注重面向過程的綜合能力整體評測。每個項目完成“構思-設計-實現-運作“四個階段后，整理所有學生在過程中形成的方案、作品及文檔等全部資料。學生以小組為單位對所有學生的項目方案、功能、完成情況等比對討論并完成自評和互評。教師對學生的交流反饋、方案構思、設計實現、團隊協作等進行能力評價，并對作品完成質量、創新表現、文檔報告等進行成果評價。另外，針對專業基礎知識，開展線上線下知識測評。最后，綜合所有評測成績形成課程的最終考核成績。

2 改進型CDIO模式下教學效果分析

為驗證改進型CDIO模式的教學效果，在杭州師范大學錢江學院新興智造專業群3個班級“電氣控制與PLC技術”課程進行了教學實施。按班級采用不同的教學模式進行教學效果對比。1班40人采用結合項目講解的傳統教學模式，2班35人采用普通CDIO項目教學模式，3班40人采用本文提出的改進型CDIO項目教學模式。

分析學生課前、課中和課后項目任務的參與完成度?？紤]到1班采用項目講解教學未布置項目任務情況，因而，重點對2班和3班的完成情況進行比較分析，如圖3所示。

圖3 學生項目任務完成度

由圖可見，①課前完成度，2班為74.3%，3班經過課前進度反饋和個性化交流后達87.5%。這一結果表明，線上進度交流反饋能夠明顯提升學生課前環節的參與完成度。②課后完成度，2班為82.9%，作業測評正確率為75.0%，3班達90.0%，作業測評正確率為86.5%。這一結果表明，改進型CDIO模式不僅能提高學生的參與完成度，而且能提升學習效率。③2個班課中和課后的完成度均超過課前，進一步驗證了課前學習可以有效提高課堂及課后效率的事實。④無論課內還是課外，3班的完成度均明顯超過2班。上述結果均表明，采用改進型CDIO模式可以有效提高學生課外學習的參與度，有效增強課內課外學習的銜接性，有效加強師生的互動性和協調度。

分析三個班學生在課程測評環節的理論和實操成績，如表3所示。

表3 成績測評表

從測試結果來看，

（1）三個班的實操成績均及格且都優于理論成績，其原因在于相比于枯燥的理論知識，獨立學院學生更喜歡動手實踐。

（2）3班成績優于2班，2班成績優于1班。特別是理論成績及格率方面，3班超過2班和1班分別達10.3%和22.5%。

結果表明，利用改進型CDIO教學模式的班級，能夠獲得更好的教學效果。通過動態反饋調整機制有效增進了師生相互了解教和學的進度，帶動了學生課內外的知識的聯系，進而提高了學生學習的積極性和主動性。

最后，從學生創新能力來看，近三年來學生團隊獲得17項省級及以上一類學科競賽獎，22件國家授權專利，8項校級科研創新項目。自開展CDIO及其改進型教學模式探索以來所取得的這些成績進一步表明，CDIO及其改進模式能夠有效提高學生理論聯系實踐的工程應用能力，更能激發其工程創新能力。

3 結語

基于CDIO理念的“電氣控制與PLC技術”課程教學，利用“雨課堂”微信公眾號平臺引入線上即時交流反饋機制，并主動干預動態調整教學內容。將動態調整反饋機制和項目教學融合，形成改進型CDIO模式。在新興智造專業群進行了教學實施，學生在課前、課中和課后的參與度和完成度均比傳統講授模式和普通CDIO模式有明顯提高，表明該模式有效加強了課內課外學習的連接，增強了師生進度的協調，提高了學生學習主動性；測評及競賽等成績進一步表明，該模式有利于提升學生的學習成績，提高學生的分析及解決工程問題的能力。