控制系統計算機仿真課程教學改革的CDIO實踐

申忠利 左毅 謝七月

摘要：本文從教育創新大背景出發，以CDIO理念為指導，提出“仿真是一種基于模型的CDIO活動”，進而在此理念指導下調整教學內容，改革教學方式，在三年來的教學實踐中取得了良好的效果。

關鍵詞：計算機仿真;CDIO;控制系統;教學改革

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

計算機仿真技術在眾多領域不同層面都獲得了大量研究和成功應用，而有關教學工作卻不盡如人意，從教材、教學內容到教學方法都存在諸多不足，亟待研究和改進。為了培養新形勢下符合專業技術發展需求的本科畢業生，本文從教育創新大背景出發，以長沙理工大學熱工過程自動化專業為例，介紹CDIO理念下《控制系統計算機仿真技術》課程教學改革的有關實踐和成果。

一、教育創新大背景下的CDIO

1.競爭全球化視野下創新型人才培養面臨巨大挑戰。長期以來，我國高等教育受前蘇聯模式的影響，以及人才匱乏、教學資源緊缺的現實，存在著偏重理論知識的傳授而忽視學生獨立動手能力、綜合分析問題和解決問題能力的問題，統一培養口徑、重“學”輕“術”、偏重課堂教學、忽視實踐鍛煉等做法，使得我們培養出的人才實踐能力嚴重不足，創新能力嚴重欠缺。當今世界，各主要國家無不把競爭與創新上升到國家戰略高度。美國從2004年推出了創新型人才培養的國家戰略，強調將仿真作為核心技術手段，推動國家技術進步。也是從2004年起，我國政府把自主創新從一般性號召提升到國家戰略高度，也非常重視仿真技術的研究與應用，創立了若干與仿真有關的國家級實驗室與工程技術中心，以響應科技發展需求。以創新型國家戰略目標為衡量標準，就必須關注高校教育的創新問題[1]。

2.CDIO理念成為教育創新的最佳模式。CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，構思—設計—實現—運行）是一個新型的工程教育模式，它由美國麻省理工學院、瑞典查爾姆斯技術學院、瑞典林克平大學、瑞典皇家技術學院等4所工程大學發起，全球23所大學參與，合作開發的一個國際工程教育合作項目[2]。CDIO在當前得到了國際高等工程教育的共識，這種人才培養模式的理念主要體現在以下4個方面：具有國際先進性、具有實踐可操作性、具有全面系統性及具有普遍適應性。

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“在實際系統尚不存在的情況下對于系統或活動本質的實現”。這一定義忽略了實際系統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《連續系統仿真》中，將“仿真”定義修正為“用能代表所研究的系統的模型做實驗”。這一概念從研究角度強調了仿真是一種類型的實驗。Spriet認為模型是仿真的基礎，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用于產品開發與技能培訓等眾多方面，Oren于1984年建立了仿真的基本概念框架“建模-實驗-分析”，并在此基礎上定義“仿真是一種基于模型的活動”，并從此開創了現代仿真技術。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“構思-設計-實現-運行”這一主線，認為仿真首先要“構思”目的、手段、步驟及結果的分析等，然后有針對性地“設計”某項活動，并按照設計要求，為活動的“實現”做好充分準備，并按一定的步驟和方法實施活動，繼而“運行”所實現的模型系統，對獲得的結果進行分析，研究是否達到了仿真目的，如果達到了，則仿真成功，如果沒有達到，則重新進行一個新的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緊密結合起來了，既適應于實驗，又適應于技能培訓等其他活動，而且突出了仿真的過程特性，具有鮮明的指導意義，優點明顯。

三、仿真新概念的教學實踐

1.控制系統計算機仿真技術教學面臨的問題。（1）教學內容問題。該課程現行的教學內容主要包括系統的數學模型、連續系統仿真、離散事件系統仿真、仿真工具介紹及仿真的應用等，相關內容與《自動控制原理》、《現代控制理論》、《數值計算》、《數據結構與算法》、《數學建模》、《參數估計與檢測》、《系統辨識》等課程有交叉和重疊。有關“數學模型”及“狀態空間方法”在《自動控制原理》、《現代控制理論》中有詳細講述，“數值積分法”的內容在《數值計算》中有詳細講述，“建模方法”在《數學建模》、《參數估計與檢測》、《系統辨識》等課程中有詳細講述，仿真工具介紹及仿真的應用等在《Matlab/Simulink程序設計與應用》課程中有大量講授等。當主要教學內容限定為上述內容時，不可避免地出現與其他課程內容交叉和重疊的現象，令教師和學生無法準確界定和掌握仿真課程的核心內容，使得教學效果不佳。（2）教材選用問題。《控制系統計算機仿真》課程的教學，曾經采用過的教材達8種之多。對教材進行分析發現，有一類近似于以Matlab為基礎講述自動控制原理，有一類主要講述仿真的算法與實現，不涉及具體工具，還有一類屬于仿真技術綜述的，尚不足以支持仿真課程體系建設，難以滿足實踐需求。（3）教學方法問題。就教學方法來說，本課程的教學主要還停留在傳統的教學理念與方法上，通常是按照教學大綱規定的內容或者教材內容，結合多媒體進行按部就班的教學。如上所述，由于本課程在教學內容和教材選用方面存在的問題，常規教學方法面臨諸多弊端，難以把握仿真的核心概念，更難以培養實踐能力，嚴重滯后于時代發展和科技進步的步伐。

2.仿真新概念下的教學改革實踐。有些高校研究了控制系統計算機仿真課程教學改革問題[3]，但依托核心理念的改革尚顯不足，對CDIO實施的關鍵問題，尚不有不同的認識[4，5]。作者負責的控制系統計算機仿真技術的課程教學和改革中，借鑒同行方法，以先進CDIO理念為指導，采用案列教學方式，著眼于培養仿真專業的創新型人才，進行了教改研究與實踐，簡要介紹如下：（1）教學大綱的運用與修改。教學工作通常要遵守教學大綱的規定，不能隨意更改，但是對于教學改革項目可以適當放寬。總體而言，以遵守教學大綱的指導性原則為主，以遵守具體內容的限制為輔，以掌握核心概念、掌握課程精髓為基本原則，以實踐為基礎，以創新為目標，適當安排基于課題的“研討式”教學內容。增加課外實驗課時，增加任課教師和實驗員，通過第二課堂引導學生從事一個完整的“仿真項目”，以教學團隊的方式完成教學任務，改革教學考核方式。（2）研討式教學方式。結合學生的興趣點與能力培養目標，課題組設計了若干個研討項目，鍛煉學生設計、構思能力，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場最重要的勞動防護用品，其佩戴方法有標準方法和經驗方法。利用所學的仿真知識，比較兩種方法中是否存在較優的方法，并給出佩戴建議。這一課題誘導學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，進而檢驗安全帽的佩戴方式。本項討論在教學上結合采用多媒體教學、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，以是否能在實踐中靈活運用為檢驗標準，面向優秀創新型人才培養，引發了學生們的學習熱情，并取得了若干優秀的成果，并且其影響力已擴展到大學畢業后的一生。

四、討論與總結

本文的主要貢獻是在教育創新大背景下，通過結合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，在教學內容選取、教學方法創新等方面均進行了教研教改實踐，并獲得了較好的效果。

參考文獻：

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

[2]王碩旺，洪成文.CDIO：美國麻省理工學院工程教育的經典模式——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.《控制系統計算機仿真》課程教學改革與實踐[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：工程科技人才培養模式創新[J].高等工程教育研究，2013，（03）：32-37.