基于CDIO培養(yǎng)模式的“船舶電站自動(dòng)化”課程改革

羅寧昭 王偉 黃靖 肖晗

［摘 要］ 通過(guò)對(duì)“船舶電站自動(dòng)化”課程在實(shí)踐與理論方面存在脫節(jié)現(xiàn)象，學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)后工作中仍無(wú)法熟練應(yīng)用，知行不一的問(wèn)題的研究，將CDIO培養(yǎng)模式引入課程教學(xué)。通過(guò)對(duì)CDIO培養(yǎng)模式適應(yīng)性改進(jìn)，將符合CDIO培養(yǎng)模式的“講授—系統(tǒng)設(shè)計(jì)—硬件實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行驗(yàn)證”課堂教學(xué)方法帶入課程，并將科研用實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)，便于學(xué)生利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低成本裝置運(yùn)行驗(yàn)證，最后還對(duì)課程考核方式做出調(diào)整。課程改革實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的接軌，培養(yǎng)了學(xué)生自我學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維能力和團(tuán)隊(duì)精神。

［關(guān)鍵詞］ CDIO培養(yǎng)模式；課程改革；船舶電站自動(dòng)化

［基金項(xiàng)目］ 2020年度海軍工程大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目“基于CDIO工程教學(xué)模式的《艦艇電站自動(dòng)化》課程教學(xué)改革”

［作者簡(jiǎn)介］ 羅寧昭（1982—），男，遼寧沈陽(yáng)人，電氣工程博士，海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院助理研究員，主要從事電氣工程專業(yè)課教學(xué)與研究；肖 晗（1989—），女，湖北仙桃人，電氣工程博士，海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院講師（通信作者），主要從事電氣工程專業(yè)課教學(xué)與研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.3 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）10-0069-04 ? ? ? ?［收稿日期］ 2020-05-26

“船舶電站自動(dòng)化”課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)課程。本課程的主要任務(wù)就是研究艦船電站的各種自動(dòng)裝置和自動(dòng)化電站系統(tǒng)。通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，學(xué)生應(yīng)掌握現(xiàn)有的電站自動(dòng)化技術(shù)，而且對(duì)新近發(fā)展的自動(dòng)化電站系統(tǒng)有一定的了解，具有初步分析電站自動(dòng)化技術(shù)圖紙的能力，同時(shí)為學(xué)生適應(yīng)未來(lái)執(zhí)掌船舶電站裝備的發(fā)展打下基礎(chǔ)。

一、課程存在的問(wèn)題

目前課程的課堂教學(xué)存在一定的問(wèn)題，課程的理論和實(shí)踐存在脫節(jié)現(xiàn)象。在教學(xué)過(guò)程中，一直都以概念性知識(shí)講解為主進(jìn)行勵(lì)磁、并車、功率分配等內(nèi)容的教學(xué)，雖然這樣有助于學(xué)生對(duì)概念性知識(shí)的掌握與理解，但學(xué)生在工作崗位進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用時(shí)，理論知識(shí)點(diǎn)與實(shí)際情況存在一定差異，學(xué)生無(wú)法順利地將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化成實(shí)際操作能力。占教學(xué)內(nèi)容較大篇幅的電路實(shí)現(xiàn)部分，只能通過(guò)講述使學(xué)生了解，學(xué)生對(duì)電路認(rèn)知不深，一旦變換形式后就無(wú)法掌握，學(xué)生只會(huì)照貓畫虎，其分析方法掌握不熟練。學(xué)生實(shí)踐機(jī)會(huì)較少，對(duì)自動(dòng)裝置如何進(jìn)行實(shí)際工作等內(nèi)容不能建立完整的概念。同時(shí)，課程教學(xué)方法一成不變，課程教學(xué)以傳統(tǒng)講授式教學(xué)為主，課堂氛圍過(guò)于枯燥乏味，導(dǎo)致教學(xué)效率不高。

CDIO培養(yǎng)模式是近年來(lái)國(guó)際工程教育改革的方向。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程［1-7］。以CDIO為關(guān)鍵詞在CNKI網(wǎng)站進(jìn)行檢索，2021年有1 988篇論文，2020年有2 409篇論文，2019年有2 766篇論文，可見(jiàn)近些年來(lái)對(duì)CDIO培養(yǎng)模式的研究持續(xù)高熱。因課程主要講授船舶自動(dòng)化原理及實(shí)現(xiàn)方法，與船舶各型電站自動(dòng)控制設(shè)備緊密聯(lián)系，完全可以將CDIO培養(yǎng)模式引入，對(duì)CDIO培養(yǎng)模式適當(dāng)修改，使其從培養(yǎng)體系的模型變成適合課程的教學(xué)模型，使學(xué)生從設(shè)備的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)再到運(yùn)行的全過(guò)中學(xué)習(xí)設(shè)備和原理。以設(shè)備的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程為牽引，提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)生思考問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。同時(shí)與需求側(cè)對(duì)接，將工作崗位對(duì)電氣工程人才能力的需求作為培養(yǎng)的目標(biāo)，使學(xué)生在畢業(yè)后能夠解決工作崗位上所遇到的實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題。

二、CDIO培養(yǎng)模式適應(yīng)性改進(jìn)

CDIO培養(yǎng)模式是一種人才培養(yǎng)模式，從實(shí)際工程角度出發(fā)培養(yǎng)適合的有能力的工程人員。模式強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)理念與課程體系的一體化設(shè)計(jì)，課程體系、教學(xué)方法、學(xué)習(xí)方法、考核方式和持續(xù)改進(jìn)的一體化設(shè)計(jì)，知識(shí)、能力和素質(zhì)培養(yǎng)的一體化，是面向高校所有專業(yè)教育的理論［1］。該模式是完整培養(yǎng)體系，應(yīng)用到一門課程改革中來(lái)，難免“水土不服”?！按半娬咀詣?dòng)化”需要借助CDIO的工程教育理念，完成課程教學(xué)改革，將CDIO的理念和做法在課程具體操作過(guò)程中落地。

（一）學(xué)科知識(shí)基礎(chǔ)

CDIO大綱中十分強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)、物理學(xué)等自然科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。而“船舶電站自動(dòng)化”課時(shí)有限，無(wú)法對(duì)課程內(nèi)容所需的自然科學(xué)知識(shí)進(jìn)行再次講解。為使學(xué)生能順利完成本課程設(shè)置的項(xiàng)目，需要增加先導(dǎo)課程。

先導(dǎo)課程主要向?qū)W生介紹課程實(shí)施方法，互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)資源，推薦實(shí)用的資料查詢手段。為保障課程順利進(jìn)行，還需要講解在后續(xù)項(xiàng)目完成過(guò)程中需要頻繁涉及的專業(yè)基礎(chǔ)課程知識(shí)。先導(dǎo)知識(shí)內(nèi)容如圖1所示。先導(dǎo)知識(shí)主要包括發(fā)電機(jī)原理（發(fā)電機(jī)的組成、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理、基本運(yùn)行方程等）、數(shù)字控制技術(shù)（單片機(jī)、PLC編程）、模擬電子電路（模擬電子器件基本工作原理、運(yùn)算放大器工作原理等）、電力電子技術(shù)（晶閘管原理、整流電路原理等）中的基礎(chǔ)原理內(nèi)容。這些內(nèi)容都需要在課程開始之前帶領(lǐng)學(xué)生回顧一遍。

（二）環(huán)境背景轉(zhuǎn)換

CDIO培養(yǎng)模式重視對(duì)當(dāng)代重要的政治、社會(huì)、法律和環(huán)境的表達(dá)，以及對(duì)學(xué)生價(jià)值觀的塑造。建立學(xué)生的全球視野，使其了解人類活動(dòng)的國(guó)際化情況及各種文化中的政治、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、工商和技術(shù)行為習(xí)慣的異同，熟悉國(guó)際和跨政府間的條約和聯(lián)盟。針對(duì)不同院校的特殊情況，主要通過(guò)課程思政來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)生價(jià)值觀的塑造。取消企業(yè)與商業(yè)環(huán)境、財(cái)務(wù)經(jīng)濟(jì)性等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，用國(guó)家、軍隊(duì)的法規(guī)政策及相關(guān)國(guó)軍標(biāo)的介紹替代CDIO中的法律和政治系統(tǒng)以及工程規(guī)范的學(xué)習(xí)。

（三）由“構(gòu)思—設(shè)計(jì)”向“講授—自主設(shè)計(jì)”轉(zhuǎn)變

CDIO培養(yǎng)模式中的構(gòu)思指了解顧客需求和市場(chǎng)，掌握由新技術(shù)或潛在的需求所帶來(lái)的機(jī)會(huì)，了解環(huán)境需求，確定必要的系統(tǒng)功能（以及系統(tǒng)的行為指標(biāo)），討論各種目標(biāo)、功能、概念和結(jié)構(gòu)間的取舍以及收斂所需的迭代，并描述項(xiàng)目的成本、績(jī)效和進(jìn)度的控制，認(rèn)識(shí)風(fēng)險(xiǎn)和替代方案。

對(duì)需求側(cè)的指標(biāo)功能的分析，不適合在本課程中進(jìn)行，同時(shí)成本及風(fēng)險(xiǎn)管控也超出課程講解范疇。如將CDIO培養(yǎng)模式引入“船舶電站自動(dòng)化”課程中，項(xiàng)目目標(biāo)、功能、概念必須通過(guò)教師講授并給定，限制學(xué)生的自主構(gòu)思，否則課程進(jìn)程不受控，容易出現(xiàn)學(xué)生構(gòu)思需求與課程計(jì)劃內(nèi)容偏離的問(wèn)題。因此課程中項(xiàng)目的實(shí)施必須以教師授課內(nèi)容為牽引，結(jié)合部隊(duì)裝備的實(shí)際情況設(shè)置項(xiàng)目。將學(xué)生的自主性、創(chuàng)新能力培養(yǎng)納入設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在教師定制好的項(xiàng)目基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。為便于實(shí)施，項(xiàng)目應(yīng)以軟件控制算法為主，硬件電路設(shè)計(jì)為輔，否則學(xué)生天馬行空的設(shè)計(jì)會(huì)給教師物料采購(gòu)及后期驗(yàn)證帶來(lái)壓力，存在課程無(wú)法閉環(huán)的風(fēng)險(xiǎn)。

三、課堂教學(xué)方式改革

針對(duì)本課程內(nèi)容所需掌握的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行闡釋，確定地牽引課程進(jìn)程，將構(gòu)思部分的創(chuàng)新性內(nèi)容轉(zhuǎn)移至設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，部分放開學(xué)生設(shè)計(jì)的限制，通過(guò)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)介入，降低設(shè)計(jì)對(duì)硬件器件的依賴，使得課程得以順利進(jìn)行?！按半娬咀詣?dòng)化”這門課程的學(xué)習(xí)要求就是通過(guò)講課、設(shè)計(jì)問(wèn)題以及實(shí)驗(yàn)的形式，學(xué)習(xí)船舶電站內(nèi)相關(guān)設(shè)備的自動(dòng)控制的基本理論和實(shí)現(xiàn)方法，以及它們之間的相互關(guān)系和應(yīng)用。其授課形式不同以往的理論學(xué)習(xí)，更加注重理論的應(yīng)用，在實(shí)踐中真正提高學(xué)生的能力和素質(zhì)。

CDIO培養(yǎng)模式可以改變傳統(tǒng)的“教師滿堂講課，學(xué)生被動(dòng)聽(tīng)課”的模式，建立以“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的新型教學(xué)模式。該門課程通過(guò)實(shí)施具有研究性質(zhì)和貼近工程實(shí)際的項(xiàng)目化教學(xué)方法，全程在設(shè)備的設(shè)計(jì)及運(yùn)行的引導(dǎo)下開展授課。教師在每次課前先講授本次課實(shí)踐中需要用到的理論知識(shí)點(diǎn)，然后提出問(wèn)題和任務(wù)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行課堂組織、方法指導(dǎo)和思路引導(dǎo)，學(xué)生根據(jù)任務(wù)完成工程項(xiàng)目方案的研究、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、總結(jié)全流程，實(shí)現(xiàn)師生的教學(xué)互動(dòng)，如圖2。

根據(jù)修訂后的“船舶電站自動(dòng)化”課程計(jì)劃，課堂上需要合理安排課程內(nèi)容，與課程改革前相比需要壓縮部分重疊煩冗的裝置介紹，騰出時(shí)間給課程項(xiàng)目的推進(jìn)。課程以“理論講授—系統(tǒng)設(shè)計(jì)—硬件實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行驗(yàn)證”的順序推進(jìn)教學(xué)。充分利用課下時(shí)間，將設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)作為作業(yè)布置給學(xué)生，課堂只講授原理知識(shí)，檢驗(yàn)作業(yè)的運(yùn)行效能，并交流設(shè)計(jì)體會(huì)。

“船舶電站自動(dòng)化”教材中除緒論外，包括柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組的自動(dòng)啟動(dòng)和停機(jī)、同步發(fā)電機(jī)的自動(dòng)并聯(lián)、同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁裝置、同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)無(wú)功功率及有功功率調(diào)整、電站自動(dòng)化系統(tǒng)5部分內(nèi)容。課程需要針對(duì)每部分內(nèi)容設(shè)置一個(gè)項(xiàng)目，對(duì)有條件的項(xiàng)目在實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)觀察系統(tǒng)狀態(tài)的變化情況，深入理解各參數(shù)間的運(yùn)作關(guān)系，打通從理論到實(shí)際運(yùn)行的最后一公里，讓學(xué)生明晰裝置運(yùn)行背后的理論邏輯，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度。課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)情況如圖3所示。

四、完善課程實(shí)踐手段

傳統(tǒng)的實(shí)踐課程一般都是在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用方法進(jìn)行操作，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。比如“勵(lì)磁實(shí)驗(yàn)”，只需要學(xué)生按照要求調(diào)整負(fù)載的大小和勵(lì)磁電流的大小，在電壓不變的條件下，記錄每次負(fù)載對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流值后畫曲線即可。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以了解到負(fù)載與勵(lì)磁電流的關(guān)系，但是，全程按照規(guī)定操作設(shè)備，數(shù)據(jù)也填寫在既定表格中，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果已有預(yù)期，整個(gè)實(shí)驗(yàn)很難提起學(xué)生的興趣。實(shí)驗(yàn)過(guò)程單一，學(xué)生無(wú)法對(duì)勵(lì)磁的其他屬性建立統(tǒng)一的認(rèn)知，并不利于學(xué)生建立全面的“勵(lì)磁”概念。這就需要對(duì)實(shí)踐手段進(jìn)行改革，改變傳統(tǒng)單一的單現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)方案，將實(shí)驗(yàn)變?yōu)椤霸O(shè)計(jì)—調(diào)試—運(yùn)行”的項(xiàng)目方案，使學(xué)生在設(shè)計(jì)設(shè)備過(guò)程中，考慮到設(shè)備的全部功能及各功能之間的關(guān)系，并以最簡(jiǎn)單的方式加以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)引入RTLAB實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)設(shè)備運(yùn)行調(diào)試功能，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)正確性。RTLAB實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)可以模擬整船系統(tǒng)的各種工況，學(xué)生可以利用其了解裝置參數(shù)改變對(duì)全系統(tǒng)工作的影響情況，掌握參數(shù)變化的意義，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的接軌。在經(jīng)過(guò)課程實(shí)踐后，學(xué)生可以對(duì)電站自動(dòng)化系統(tǒng)有一個(gè)完整的認(rèn)知，并具備相關(guān)設(shè)備的調(diào)試測(cè)試能力及運(yùn)行維護(hù)能力。

五、課程考核方式改革

由于課程的授課方式及實(shí)踐方式都要進(jìn)行改革，因此考核方式也應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。本課程在教學(xué)評(píng)價(jià)過(guò)程中，重視培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力，也重視培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。傳統(tǒng)的課程考核評(píng)價(jià)方式大多是教師根據(jù)平時(shí)表現(xiàn)（占比40％）及期末考試卷面成績(jī)（占比60％）來(lái)作出評(píng)價(jià)，而本課程更加注重過(guò)程考核，在課程結(jié)束再進(jìn)行一個(gè)綜合考核，盡量淡化試卷考核的比重。過(guò)程考核的重點(diǎn)放在學(xué)生設(shè)計(jì)能力、設(shè)備實(shí)現(xiàn)效果上，評(píng)價(jià)要素包括軟硬件的功能、項(xiàng)目答辯的表現(xiàn)、設(shè)計(jì)創(chuàng)新性等，并讓學(xué)生不斷地根據(jù)上一個(gè)項(xiàng)目的表現(xiàn)進(jìn)行總結(jié)和改進(jìn)。過(guò)程考核成績(jī)只有團(tuán)隊(duì)成績(jī)，并不給出學(xué)生的個(gè)人成績(jī)。課程結(jié)束的綜合考核包括基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容，電路基本知識(shí)的考核，應(yīng)當(dāng)權(quán)衡過(guò)程及終結(jié)性考核的比重，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中承受一定壓力，促進(jìn)學(xué)生自覺(jué)努力完成課程學(xué)習(xí)。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)部分學(xué)生班次的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)CDIO培養(yǎng)模式教學(xué)改革的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。課堂教學(xué)過(guò)程從學(xué)生單純聽(tīng)講，轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸饬x、有目的的探索性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生自我學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。通過(guò)對(duì)部分學(xué)生赴工作崗位后的情況進(jìn)行調(diào)研得知，普遍認(rèn)為“船舶電站自動(dòng)化”課程對(duì)船舶機(jī)電崗位工作十分有用，個(gè)別學(xué)生因?qū)﹄娬究刂圃O(shè)備掌握透徹，在工作中已嶄露頭角，受到輪機(jī)部門的肯定。從多方反饋情況看，課程改革基本成功。

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Course Reform of Ship Power Station Automation Based on CDIO Training Model

LUO Ning-zhao1， WANG Wei2， HUANG Jing1， XIAO Han1

（1.Electrical Engineering College， Naval University of Engineering， Wuhan， Hubei 430033， China;

2. PLA Unit 91278， The Chinese Peoples Liberation Army， Dalian， Liaoning 116041， China）

Abstract： In view of the disconnection between practice and theory in the course of ?Ship Power Station Automation and students inability of applying learned knowledge in their work， the CDIO training model is introduced into the course teaching. Through the adaptive improvement of CDIO， the classroom teaching method of “l(fā)ecture-system design-hardware implementation-operation verification” in line with the CDIO training model is adopted in the course， and the real-time simulation system for scientific research is applied to teaching， so that students can use the system to achieve the low-cost operation verification. And finally the course assessment method is adjusted. The course reform realizes the integration of theory and practical experience， and cultivating students self-learning ability， innovative thinking ability and team spirit.

Key words： CDIO training model; course reform; Ship Power Station Automation