控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真課程教學(xué)改革的CDIO實踐

申忠利 左毅 謝七月

摘要：本文從教育創(chuàng)新大背景出發(fā)，以CDIO理念為指導(dǎo)，提出“仿真是一種基于模型的CDIO活動”，進(jìn)而在此理念指導(dǎo)下調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)方式，在三年來的教學(xué)實踐中取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)仿真;CDIO;控制系統(tǒng);教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）18-0101-02

計算機(jī)仿真技術(shù)在眾多領(lǐng)域不同層面都獲得了大量研究和成功應(yīng)用，而有關(guān)教學(xué)工作卻不盡如人意，從教材、教學(xué)內(nèi)容到教學(xué)方法都存在諸多不足，亟待研究和改進(jìn)。為了培養(yǎng)新形勢下符合專業(yè)技術(shù)發(fā)展需求的本科畢業(yè)生，本文從教育創(chuàng)新大背景出發(fā)，以長沙理工大學(xué)熱工過程自動化專業(yè)為例，介紹CDIO理念下《控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真技術(shù)》課程教學(xué)改革的有關(guān)實踐和成果。

一、教育創(chuàng)新大背景下的CDIO

1.競爭全球化視野下創(chuàng)新型人才培養(yǎng)面臨巨大挑戰(zhàn)。長期以來，我國高等教育受前蘇聯(lián)模式的影響，以及人才匱乏、教學(xué)資源緊缺的現(xiàn)實，存在著偏重理論知識的傳授而忽視學(xué)生獨立動手能力、綜合分析問題和解決問題能力的問題，統(tǒng)一培養(yǎng)口徑、重“學(xué)”輕“術(shù)”、偏重課堂教學(xué)、忽視實踐鍛煉等做法，使得我們培養(yǎng)出的人才實踐能力嚴(yán)重不足，創(chuàng)新能力嚴(yán)重欠缺。當(dāng)今世界，各主要國家無不把競爭與創(chuàng)新上升到國家戰(zhàn)略高度。美國從2004年推出了創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的國家戰(zhàn)略，強(qiáng)調(diào)將仿真作為核心技術(shù)手段，推動國家技術(shù)進(jìn)步。也是從2004年起，我國政府把自主創(chuàng)新從一般性號召提升到國家戰(zhàn)略高度，也非常重視仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用，創(chuàng)立了若干與仿真有關(guān)的國家級實驗室與工程技術(shù)中心，以響應(yīng)科技發(fā)展需求。以創(chuàng)新型國家戰(zhàn)略目標(biāo)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，就必須關(guān)注高校教育的創(chuàng)新問題[1]。

2.CDIO理念成為教育創(chuàng)新的最佳模式。CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運行）是一個新型的工程教育模式，它由美國麻省理工學(xué)院、瑞典查爾姆斯技術(shù)學(xué)院、瑞典林克平大學(xué)、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院等4所工程大學(xué)發(fā)起，全球23所大學(xué)參與，合作開發(fā)的一個國際工程教育合作項目[2]。CDIO在當(dāng)前得到了國際高等工程教育的共識，這種人才培養(yǎng)模式的理念主要體現(xiàn)在以下4個方面：具有國際先進(jìn)性、具有實踐可操作性、具有全面系統(tǒng)性及具有普遍適應(yīng)性。

二、基于CDIO理念的仿真新概念的提出

1.仿真的基本定義。1961年，G.W.Morgenthater首次將“仿真”定義為“在實際系統(tǒng)尚不存在的情況下對于系統(tǒng)或活動本質(zhì)的實現(xiàn)”。這一定義忽略了實際系統(tǒng)存在時仍然需要做仿真的情形，對此，Korn在其1978年出版的著作《連續(xù)系統(tǒng)仿真》中，將“仿真”定義修正為“用能代表所研究的系統(tǒng)的模型做實驗”。這一概念從研究角度強(qiáng)調(diào)了仿真是一種類型的實驗。Spriet認(rèn)為模型是仿真的基礎(chǔ)，于1982年將“仿真”定義為“所有支持模型建立與模型分析的活動即為仿真活動”。考慮到仿真已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)與技能培訓(xùn)等眾多方面，Oren于1984年建立了仿真的基本概念框架“建模-實驗-分析”，并在此基礎(chǔ)上定義“仿真是一種基于模型的活動”，并從此開創(chuàng)了現(xiàn)代仿真技術(shù)。但是，如果將所有基于模型的活動都定義為仿真，而不對“活動”加以界定，則難免忽略了仿真過程的完整性，比如，不能認(rèn)為“基于模型的評估活動”為仿真，那只是仿真過程中的一個階段。

2.仿真新概念的提出。我國教育工作者引入CDIO以來，取得了諸多成果。本文作者參照CDIO“構(gòu)思-設(shè)計-實現(xiàn)-運行”這一主線，認(rèn)為仿真首先要“構(gòu)思”目的、手段、步驟及結(jié)果的分析等，然后有針對性地“設(shè)計”某項活動，并按照設(shè)計要求，為活動的“實現(xiàn)”做好充分準(zhǔn)備，并按一定的步驟和方法實施活動，繼而“運行”所實現(xiàn)的模型系統(tǒng)，對獲得的結(jié)果進(jìn)行分析，研究是否達(dá)到了仿真目的，如果達(dá)到了，則仿真成功，如果沒有達(dá)到，則重新進(jìn)行一個新的CDIO過程。基于上述分析，本位提出“仿真是一種基于模型的CDIO活動”，該概念將仿真和CDIO緊密結(jié)合起來了，既適應(yīng)于實驗，又適應(yīng)于技能培訓(xùn)等其他活動，而且突出了仿真的過程特性，具有鮮明的指導(dǎo)意義，優(yōu)點明顯。

三、仿真新概念的教學(xué)實踐

1.控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真技術(shù)教學(xué)面臨的問題。（1）教學(xué)內(nèi)容問題。該課程現(xiàn)行的教學(xué)內(nèi)容主要包括系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、連續(xù)系統(tǒng)仿真、離散事件系統(tǒng)仿真、仿真工具介紹及仿真的應(yīng)用等，相關(guān)內(nèi)容與《自動控制原理》、《現(xiàn)代控制理論》、《數(shù)值計算》、《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》、《數(shù)學(xué)建?！?、《參數(shù)估計與檢測》、《系統(tǒng)辨識》等課程有交叉和重疊。有關(guān)“數(shù)學(xué)模型”及“狀態(tài)空間方法”在《自動控制原理》、《現(xiàn)代控制理論》中有詳細(xì)講述，“數(shù)值積分法”的內(nèi)容在《數(shù)值計算》中有詳細(xì)講述，“建模方法”在《數(shù)學(xué)建?！?、《參數(shù)估計與檢測》、《系統(tǒng)辨識》等課程中有詳細(xì)講述，仿真工具介紹及仿真的應(yīng)用等在《Matlab/Simulink程序設(shè)計與應(yīng)用》課程中有大量講授等。當(dāng)主要教學(xué)內(nèi)容限定為上述內(nèi)容時，不可避免地出現(xiàn)與其他課程內(nèi)容交叉和重疊的現(xiàn)象，令教師和學(xué)生無法準(zhǔn)確界定和掌握仿真課程的核心內(nèi)容，使得教學(xué)效果不佳。（2）教材選用問題。《控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真》課程的教學(xué)，曾經(jīng)采用過的教材達(dá)8種之多。對教材進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，有一類近似于以Matlab為基礎(chǔ)講述自動控制原理，有一類主要講述仿真的算法與實現(xiàn)，不涉及具體工具，還有一類屬于仿真技術(shù)綜述的，尚不足以支持仿真課程體系建設(shè)，難以滿足實踐需求。（3）教學(xué)方法問題。就教學(xué)方法來說，本課程的教學(xué)主要還停留在傳統(tǒng)的教學(xué)理念與方法上，通常是按照教學(xué)大綱規(guī)定的內(nèi)容或者教材內(nèi)容，結(jié)合多媒體進(jìn)行按部就班的教學(xué)。如上所述，由于本課程在教學(xué)內(nèi)容和教材選用方面存在的問題，常規(guī)教學(xué)方法面臨諸多弊端，難以把握仿真的核心概念，更難以培養(yǎng)實踐能力，嚴(yán)重滯后于時代發(fā)展和科技進(jìn)步的步伐。

2.仿真新概念下的教學(xué)改革實踐。有些高校研究了控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真課程教學(xué)改革問題[3]，但依托核心理念的改革尚顯不足，對CDIO實施的關(guān)鍵問題，尚不有不同的認(rèn)識[4，5]。作者負(fù)責(zé)的控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真技術(shù)的課程教學(xué)和改革中，借鑒同行方法，以先進(jìn)CDIO理念為指導(dǎo)，采用案列教學(xué)方式，著眼于培養(yǎng)仿真專業(yè)的創(chuàng)新型人才，進(jìn)行了教改研究與實踐，簡要介紹如下：（1）教學(xué)大綱的運用與修改。教學(xué)工作通常要遵守教學(xué)大綱的規(guī)定，不能隨意更改，但是對于教學(xué)改革項目可以適當(dāng)放寬?？傮w而言，以遵守教學(xué)大綱的指導(dǎo)性原則為主，以遵守具體內(nèi)容的限制為輔，以掌握核心概念、掌握課程精髓為基本原則，以實踐為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新為目標(biāo)，適當(dāng)安排基于課題的“研討式”教學(xué)內(nèi)容。增加課外實驗課時，增加任課教師和實驗員，通過第二課堂引導(dǎo)學(xué)生從事一個完整的“仿真項目”，以教學(xué)團(tuán)隊的方式完成教學(xué)任務(wù)，改革教學(xué)考核方式。（2）研討式教學(xué)方式。結(jié)合學(xué)生的興趣點與能力培養(yǎng)目標(biāo)，課題組設(shè)計了若干個研討項目，鍛煉學(xué)生設(shè)計、構(gòu)思能力，限于篇幅，本文簡要介紹一項。安全帽佩戴方式問題。安全帽是工程施工人員在工作現(xiàn)場最重要的勞動防護(hù)用品，其佩戴方法有標(biāo)準(zhǔn)方法和經(jīng)驗方法。利用所學(xué)的仿真知識，比較兩種方法中是否存在較優(yōu)的方法，并給出佩戴建議。這一課題誘導(dǎo)學(xué)生提出了仿真人的概念，通過不同的高空墜物方式，檢驗仿真人的受傷程度，進(jìn)而檢驗安全帽的佩戴方式。本項討論在教學(xué)上結(jié)合采用多媒體教學(xué)、實際軟件編程過程展示、課堂研討小型項目、課外實踐大型項目等多種方式，以掌握CDIO核心概念、仿真課程精髓為目標(biāo)，以是否能在實踐中靈活運用為檢驗標(biāo)準(zhǔn)，面向優(yōu)秀創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，引發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情，并取得了若干優(yōu)秀的成果，并且其影響力已擴(kuò)展到大學(xué)畢業(yè)后的一生。

四、討論與總結(jié)

本文的主要貢獻(xiàn)是在教育創(chuàng)新大背景下，通過結(jié)合CDIO核心理念與仿真的核心要素，提出了仿真新概念：“仿真是一種基于模型的CDIO活動”，并以此為指導(dǎo)，在教學(xué)內(nèi)容選取、教學(xué)方法創(chuàng)新等方面均進(jìn)行了教研教改實踐，并獲得了較好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李海俠.中國高校本科教育發(fā)展問題及對策[J].中國電力教育，2014，（05）：4-5.

[2]王碩旺，洪成文.CDIO：美國麻省理工學(xué)院工程教育的經(jīng)典模式——基于對CDIO課程大綱的解讀[J].理工高教研究，2009，（04）：116-119.

[3]施彥，翁貽方，韓力群.《控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真》課程教學(xué)改革與實踐[J].中國電力教育，2008，（09）：74-75.

[4]韓時琳，胡旭躍，陳杰.實施CDIO工程教育的關(guān)鍵問題探討[J].中國電力教育，2014，（02）：5-6.

[5]鄒曉東，胡玨，姚威.模擬與仿真：工程科技人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新[J].高等工程教育研究，2013，（03）：32-37.