智慧能源背景下控制系統(tǒng)仿真課程的CDIO模式教改實踐

劉代飛+付強+陳前軍

摘 要 智慧能源是能源行業(yè)的新變革和機遇，自動化專業(yè)必須自主適應(yīng)能源格局的變化，開展以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的課程教改和實踐。長沙理工大學(xué)自動化專業(yè)依托國家級實驗教學(xué)示范中心逐步推進控制系統(tǒng)仿真課程教學(xué)改革。通過結(jié)合智慧能源對自動化專業(yè)人才的能力需求，設(shè)計CDIO教學(xué)大綱并優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，進行教學(xué)方法和課程考核探索，課程教改取得了良好效果。

關(guān)鍵詞 智慧能源 控制系統(tǒng)仿真 CDIO 教學(xué)改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.03.037

Abstract Smarter energy is a new reform and opportunity to the energy industry. Automation discipline must adapt itself to the change of energy pattern， and carries out curriculum educational reform and practice based on ability cultivation. Reform of control system simulation course for Automation discipline has been implemented in Changsha University of Science and Technology based on national-level experimental teaching demonstration center. A course syllabus with CDIO model is designed and teaching contents are optimized according to the talent requirement of smart energy. The practice of course reform has achieved good results by developing teaching methods and course assessment.

Keywords smarter energy； control system simulation； CDIO； teaching reform

0 前言

我國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)，經(jīng)濟增長驅(qū)動力和能源生產(chǎn)利用模式都在發(fā)生深刻的變革。能源領(lǐng)域的“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源是能源行業(yè)的一次新機遇。[1， 2]以新能源為基礎(chǔ)的智慧能源將突破傳統(tǒng)能源生產(chǎn)、消費和控制形式，成為推動人類社會生活方式的一次根本性革命。我國“十三五”規(guī)劃綱要中指出：積極構(gòu)建智慧能源系統(tǒng)，加快推進能源全領(lǐng)域、全環(huán)節(jié)智慧化發(fā)展，提高可持續(xù)自適應(yīng)能力。新興的智慧能源產(chǎn)業(yè)將是以能源、信息、自動化為核心，融合多領(lǐng)域技術(shù)和人才的集成創(chuàng)新發(fā)展。因此，自動化專業(yè)必須自主適應(yīng)智慧能源對人才的核心需求，積極開展以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的課程建設(shè)和教學(xué)實踐。

長沙理工大學(xué)的自動化專業(yè)是湖南省特色專業(yè)，主要面向能源、電力等行業(yè)，培養(yǎng)德、智、體、美全面發(fā)展，具有扎實的自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)理論和能源電力專業(yè)知識，具備從事系統(tǒng)分析、設(shè)計、運行和科技開發(fā)等工作的寬口徑應(yīng)用型高級工程計劃人才。其中，控制系統(tǒng)仿真是課程體系中的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過運用MATLAB等平臺，進行現(xiàn)代發(fā)電過程的系統(tǒng)建模和控制仿真，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識分析和解決問題的能力。在瞄準時代能源格局變化主流前提下，如何全面提升學(xué)生的實踐、創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)能力，一直是本專業(yè)人才培養(yǎng)和課程教學(xué)中長期思考和探索和課題。

本專業(yè)在人才培養(yǎng)過程中引入CDIO模式，積極開展體系課程的教改和實踐。[3]CDIO是國際工程教育改革的成果，CDIO即構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）。[4， 5]基于CDIO模式的工程教育理念，以能力培養(yǎng)為目標，強調(diào)知識的綜合運用和思維能力的創(chuàng)新。智慧能源豐富和拓展了“控制系統(tǒng)仿真”課程的內(nèi)容，而如何培養(yǎng)符合智慧能源人才能力需求的學(xué)生，是課程教學(xué)改革的重點。

1 控制系統(tǒng)仿真課程的CDIO改革要點

1.1 結(jié)合CDIO模式的必要性

智慧能源理念的實現(xiàn)和新興行業(yè)的發(fā)展，需要高素質(zhì)自動化創(chuàng)新人才作支撐。智慧能源自動化的本質(zhì)是通過對能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換過程的全息信息綜合集成，實現(xiàn)以能源高效清潔利用為核心的智慧能源優(yōu)化、管理和服務(wù)。智慧能源新型自動化專業(yè)人才必須具備：全新的能源理念，綜合全面的智慧能源自動化體系專業(yè)知識，很強的能源智慧利用實踐動手能力，良好的智慧能源自動化技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新能力。

CDIO工程教育模式是培養(yǎng)工程人才的有效途徑。面向智慧能源人才需求，開展控制系統(tǒng)仿真課程CDIO教學(xué)實踐非常必要。首先，這是能源變革和社會發(fā)展的時代需求。新常態(tài)經(jīng)濟下，社會發(fā)展對專業(yè)人才的能力，尤其是創(chuàng)新能力，提出了更高的要求。其次，這是高等教育自身發(fā)展的內(nèi)在需求。黨的十八提出“全面實施素質(zhì)教育，深化教育領(lǐng)域綜合改革，著力提高教育質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神”。再次，這是能源行業(yè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展對人才知識技能和結(jié)構(gòu)的基本要求。國家經(jīng)濟進入轉(zhuǎn)型發(fā)展的高階段，社會用人單位更加關(guān)注學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。自動化專業(yè)需要進行“產(chǎn)、學(xué)、研、訓(xùn)”多維度一體式人才培養(yǎng)的新實踐。

1.2 課程改革的要點

控制系統(tǒng)仿真課程的改革主要內(nèi)容包括：教學(xué)大綱制定、教學(xué)內(nèi)容準備、教學(xué)方法實施、課程考核評價。根據(jù)本專業(yè)工程教育要達到的預(yù)期效果，設(shè)計CDIO教學(xué)大綱，即明確要培養(yǎng)什么樣的學(xué)生，學(xué)生應(yīng)掌握怎樣的知識、能力和態(tài)度，及其水平應(yīng)達到的程度。[6]本課程舊大綱不足在于過多強調(diào)學(xué)生對MATLAB工具的學(xué)習，缺乏對系統(tǒng)的綜合分析和運行能力的培養(yǎng)。CDIO模式將工程人才能力分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面。因此，必須結(jié)合智慧能源在能源生產(chǎn)、優(yōu)化利用和綜合管理的實際需求，強化學(xué)生的基礎(chǔ)知識、個人能力、團隊能力和工程系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。圍繞教學(xué)大綱要實現(xiàn)的主要目標，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容并積極開展教學(xué)方法的實踐，努力探索課程考核方式，科學(xué)評價課程教學(xué)效果。

2 控制系統(tǒng)仿真課程CDIO教學(xué)實踐

2.1 教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計

原教學(xué)內(nèi)容如下：（1）控制系統(tǒng)仿真概論；（2）連續(xù)系統(tǒng)仿真方法；（3）采樣控制系統(tǒng)采樣仿真方法；（4）數(shù)字仿真程序的設(shè)計；（5）MATLAB概述及MATLAB程序設(shè)計基礎(chǔ)；（6）MATLAB仿真程序設(shè)計；（7）Simulink軟件包使用及其在控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用。這種配置突出了學(xué)生MATLAB軟件基本功的訓(xùn)練，強化了MATLAB程序設(shè)計、分析、調(diào)試程序的能力。不足之處在于：學(xué)生綜合運用自動控制專業(yè)知識，對復(fù)雜能源和電力系統(tǒng)進行分析、仿真與綜合的能力得不到系統(tǒng)性的訓(xùn)練。例如，教學(xué)效果評價環(huán)節(jié)中，通過對畢業(yè)班學(xué)生的專業(yè)座談信息的收集整理發(fā)現(xiàn)，學(xué)生都認為該課程非常重要，但對課程學(xué)習的體會卻僅停留在“MATLAB的學(xué)習”的層面。

實際上，我校自動化專業(yè)具有非常明確的人才培養(yǎng)目標，即面向能源和電力行業(yè)培養(yǎng)特色的自動化專業(yè)人才。學(xué)生在控制系統(tǒng)的學(xué)習過程中有明確的工程背景和研究對象，如水力發(fā)電、火力發(fā)電、核能發(fā)電、新能源發(fā)電。本課程教學(xué)的預(yù)期目標之一是讓學(xué)生結(jié)合能源和電力實際工程控制對象，實現(xiàn)復(fù)雜過程系統(tǒng)的“MATLAB的學(xué)習、系統(tǒng)建模、過程控制、系統(tǒng)綜合分析”四個層次知識和能力的培養(yǎng)。可見，必須對教學(xué)內(nèi)容進行調(diào)整，以強化能力培養(yǎng)。

智慧能源要求自動化專業(yè)學(xué)生，圍繞能源的生產(chǎn)、優(yōu)化利用和綜合管理，全面提升系統(tǒng)建模、優(yōu)化控制和協(xié)調(diào)管理的等重要技能。因此，要求學(xué)生將MATLAB作為一種系統(tǒng)分析和優(yōu)化的實用工具，把控制理論與工程實踐結(jié)合起來，實現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的分析綜合。教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計必須讓學(xué)生在學(xué)習進階過程，深刻體會到“MATLAB的學(xué)習，基于模型的系統(tǒng)仿真，基于模型的系統(tǒng)控制，復(fù)雜系統(tǒng)的分析和綜合管理”四個層次的不同，透徹理解四個層次“由易到難，由知識點的分散到運行的綜合”的遞進。結(jié)合CDIO模式的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計如下：（1）控制系統(tǒng)仿真概論；（2）MATLAB程序設(shè)計基礎(chǔ)；（3）自動控制原理與MATLAB實現(xiàn)；（4）數(shù)學(xué)建模與數(shù)值求解；（5）控制系統(tǒng)SimScape建模；（6）控制系統(tǒng)參數(shù)整定；（7）模型系統(tǒng)參數(shù)智能優(yōu)化；（8）模型系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與優(yōu)化。調(diào)整后的教學(xué)內(nèi)容，突出了學(xué)生在基礎(chǔ)知識、個人能力、團隊能力和工程系統(tǒng)等方面能力培養(yǎng)的新需求。

2.2 教學(xué)方法的探索

以老師講授為主的課堂教學(xué)缺乏學(xué)生參與度和體驗度，教學(xué)效果評價中學(xué)生反饋信息滯后性大。而“以生為本、自主學(xué)習”的教學(xué)重點突出了學(xué)生知識綜合應(yīng)用和動手實踐能力培養(yǎng)，保證知識、能力、素質(zhì)相互協(xié)調(diào)發(fā)展。常用方法如：案例教學(xué)法、情景教學(xué)法、討論法等。教學(xué)有法，教無定法。任何課程的實踐教學(xué)，必須結(jié)合學(xué)生主體的知識能力水平、培養(yǎng)方案知識結(jié)構(gòu)構(gòu)建時序和學(xué)校教育平臺資源，開展有效的教學(xué)探索。[7]

我校擁有國家級實驗教學(xué)示范中心——“能源系統(tǒng)與動力工程實驗教學(xué)中心”，這為面向智慧能源的自動化專業(yè)人才培養(yǎng)提供了平臺優(yōu)勢：（1）強化專業(yè)特色，推進面向科技前沿和工程實際的能力教學(xué)。增強“課堂教學(xué)、實驗教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)”三位一體協(xié)同建設(shè)，注重學(xué)生專業(yè)知識框架的建立以及創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。（2）以生為本，注重因材施教，促進學(xué)生“厚基礎(chǔ)、寬口徑”的知識綜合應(yīng)用能力和團隊能力的協(xié)調(diào)發(fā)展。強化學(xué)生動手實踐能力的訓(xùn)練，培養(yǎng)和提高學(xué)生工程實踐能力。

開展本課程的CDIO教學(xué)，可充分激活“課堂講授+實驗教學(xué)+網(wǎng)絡(luò)教學(xué)”，本課程的教學(xué)并非單一模式，而是以學(xué)生能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的綜合模式。根據(jù)不同階段要到達的目標，具體到要求學(xué)生“如何建模、如何利用模型進行系統(tǒng)分析、如何利用模型進行系統(tǒng)控制、如何基于模型提出自己的新觀點和新思想”。例如：對第一層次“MATLAB的學(xué)習”，可采用“教師講授+實例分析+個人練習”；第二層次“基于模型的系統(tǒng)仿真”，可采用“教師講授+建模實驗+專題研討”；第三層次“基于模型的系統(tǒng)控制”，可采用“教師講授+建模實驗+分小組討論”；第四層次“復(fù)雜系統(tǒng)的分析和綜合管理”，采用“情景分析+建模實驗+網(wǎng)絡(luò)教學(xué)+分小組研討”。通過組合教學(xué)方法等手段，逐級提升學(xué)生的基礎(chǔ)知識、個人能力、團隊能力和工程系統(tǒng)分析綜合能力。

2.3 教學(xué)考核的實踐

科學(xué)的教學(xué)評價對課程的建設(shè)和完善非常重要，運用不同考核和評價方式獲得反饋信息側(cè)重點是不同的。[8]常用的“平時成績+閉卷或開卷考試”課程考核方式，比較適合對基礎(chǔ)知識和結(jié)構(gòu)體系掌握的考核評價。學(xué)生通過對知識點以及重難點內(nèi)容的理解和強化記憶，就能較好地達到教學(xué)目標要求。但是對于以能力培養(yǎng)為主的課程考核，這種考評方式有很多不足之處。為了實現(xiàn)對學(xué)生多維度的考察，有必要調(diào)整課程考核方式。本課程對學(xué)生的考核，采用豐富平時考核的內(nèi)容，加大平時成績的權(quán)重的方式進行。主要措施是：細化平時考核形式和考核主體，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和四個層次的進階學(xué)習，分階段實施對學(xué)生基礎(chǔ)知識、個人能力、團隊能力和工程系統(tǒng)分析綜合能力進行考核評價。例如：將考核形式以題型的模式具體化，可分4類型：給定目標和要求進行程序設(shè)計、給定特定系統(tǒng)進行過程建模、給定系統(tǒng)模型進行參數(shù)整定、給定子系統(tǒng)模型進行分析和綜合?？己酥黧w分為：個人和研究小組。通過組合考核形式和考核主體，開展學(xué)生學(xué)習進階各段的考核。

控制系統(tǒng)仿真課程是自動化專業(yè)集知識掌握和能力運行的重要課程。從人才培養(yǎng)課程體系的全局來看，它是上承自動控制理論基礎(chǔ)，中輔各類課程設(shè)計，下啟畢業(yè)設(shè)計的重要位置。實施對本課程教學(xué)效果的考核評價，不能遺漏兩方面非常重要的信息反饋：一方面是學(xué)生在大四畢業(yè)設(shè)計（論文）和答辯環(huán)節(jié)的反饋信息，另一方面是畢業(yè)參加工作后校友的反饋信息。我校自動化主要是面向能源、電力行業(yè)，在智慧能源背景下，業(yè)內(nèi)用人單位對本校畢業(yè)生在業(yè)務(wù)能力上的綜合評價即是學(xué)生能力培養(yǎng)效果的重要體現(xiàn)。

3 結(jié)語

長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院的自動化專業(yè)，面向能源、電力行業(yè)培養(yǎng)特色鮮明的工程技術(shù)人才。在智慧能源背景下，本專業(yè)依托“能源系統(tǒng)與動力工程實驗教學(xué)中心”這個國家級實驗教學(xué)示范中心，積極開展控制系統(tǒng)仿真課程的CDIO教學(xué)改革。根據(jù)能源新時代對人才的需求，調(diào)整教學(xué)大綱、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，在學(xué)生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)上取得階段性成果，強化了專業(yè)特色和人才培養(yǎng)的行業(yè)優(yōu)勢。

參考文獻

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