智慧能源背景下控制系統(tǒng)仿真課程的CDIO模式教改實(shí)踐

劉代飛+付強(qiáng)+陳前軍

摘 要 智慧能源是能源行業(yè)的新變革和機(jī)遇，自動(dòng)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(shí)踐。長(zhǎng)沙理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)依托國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心逐步推進(jìn)控制系統(tǒng)仿真課程教學(xué)改革。通過結(jié)合智慧能源對(duì)自動(dòng)化專業(yè)人才的能力需求，設(shè)計(jì)CDIO教學(xué)大綱并優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)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(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)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(jī)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(fèi)和控制形式，成為推動(dòng)人類社會(huì)生活方式的一次根本性革命。我國(guó)“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(jìn)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(dòng)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(dòng)化專業(yè)必須自主適應(yīng)智慧能源對(duì)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(shí)踐。

長(zhǎng)沙理工大學(xué)的自動(dòng)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(shí)的自動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)理論和能源電力專業(yè)知識(shí)，具備從事系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和科技開發(fā)等工作的寬口徑應(yīng)用型高級(jí)工程計(jì)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(yùn)用MATLAB等平臺(tái)，進(jìn)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(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決問題的能力。在瞄準(zhǔn)時(shí)代能源格局變化主流前提下，如何全面提升學(xué)生的實(shí)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(zhǎng)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(shí)踐。[3]CDIO是國(guó)際工程教育改革的成果，CDIO即構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)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(biāo)，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的綜合運(yùn)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(diǎn)。

1 控制系統(tǒng)仿真課程的CDIO改革要點(diǎn)

1.1 結(jié)合CDIO模式的必要性

智慧能源理念的實(shí)現(xiàn)和新興行業(yè)的發(fā)展，需要高素質(zhì)自動(dòng)化創(chuàng)新人才作支撐。智慧能源自動(dòng)化的本質(zhì)是通過對(duì)能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換過程的全息信息綜合集成，實(shí)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(dòng)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(dòng)化體系專業(yè)知識(shí)，很強(qiáng)的能源智慧利用實(shí)踐動(dòng)手能力，良好的智慧能源自動(dòng)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(shí)踐非常必要。首先，這是能源變革和社會(huì)發(fā)展的時(shí)代需求。新常態(tài)經(jīng)濟(jì)下，社會(huì)發(fā)展對(duì)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(shí)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(duì)人才知識(shí)技能和結(jié)構(gòu)的基本要求。國(guó)家經(jīng)濟(jì)進(jìn)入轉(zhuǎn)型發(fā)展的高階段，社會(huì)用人單位更加關(guān)注學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。自動(dòng)化專業(yè)需要進(jìn)行“產(chǎn)、學(xué)、研、訓(xùn)”多維度一體式人才培養(yǎng)的新實(shí)踐。

1.2 課程改革的要點(diǎn)

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(zhǔn)備、教學(xué)方法實(shí)施、課程考核評(píng)價(jià)。根據(jù)本專業(yè)工程教育要達(dá)到的預(yù)期效果，設(shè)計(jì)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(shí)、能力和態(tài)度，及其水平應(yīng)達(dá)到的程度。[6]本課程舊大綱不足在于過多強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)MATLAB工具的學(xué)習(xí)，缺乏對(duì)系統(tǒng)的綜合分析和運(yùn)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(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)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(shí)際需求，強(qiáng)化學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。圍繞教學(xué)大綱要實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容并積極開展教學(xué)方法的實(shí)踐，努力探索課程考核方式，科學(xué)評(píng)價(jià)課程教學(xué)效果。

2 控制系統(tǒng)仿真課程CDIO教學(xué)實(shí)踐

2.1 教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

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(jì)；（5）MATLAB概述及MATLAB程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；（6）MATLAB仿真程序設(shè)計(jì)；（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(qiáng)化了MATLAB程序設(shè)計(jì)、分析、調(diào)試程序的能力。不足之處在于：學(xué)生綜合運(yùn)用自動(dòng)控制專業(yè)知識(shí)，對(duì)復(fù)雜能源和電力系統(tǒng)進(jìn)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(píng)價(jià)環(huán)節(jié)中，通過對(duì)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(rèn)為該課程非常重要，但對(duì)課程學(xué)習(xí)的體會(huì)卻僅停留在“MATLAB的學(xué)習(xí)”的層面。

實(shí)際上，我校自動(dòng)化專業(yè)具有非常明確的人才培養(yǎng)目標(biāo)，即面向能源和電力行業(yè)培養(yǎng)特色的自動(dòng)化專業(yè)人才。學(xué)生在控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程中有明確的工程背景和研究對(duì)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(biāo)之一是讓學(xué)生結(jié)合能源和電力實(shí)際工程控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜過程系統(tǒng)的“MATLAB的學(xué)習(xí)、系統(tǒng)建模、過程控制、系統(tǒng)綜合分析”四個(gè)層次知識(shí)和能力的培養(yǎng)。可見，必須對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，以強(qiáng)化能力培養(yǎng)。

智慧能源要求自動(dòng)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(shí)用工具，把控制理論與工程實(shí)踐結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的分析綜合。教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)必須讓學(xué)生在學(xué)習(xí)進(jìn)階過程，深刻體會(huì)到“MATLAB的學(xué)習(xí)，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(gè)層次的不同，透徹理解四個(gè)層次“由易到難，由知識(shí)點(diǎn)的分散到運(yùn)行的綜合”的遞進(jìn)。結(jié)合CDIO模式的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)如下：（1）控制系統(tǒng)仿真概論；（2）MATLAB程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；（3）自動(dòng)控制原理與MATLAB實(shí)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(shí)、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)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(yàn)度，教學(xué)效果評(píng)價(jià)中學(xué)生反饋信息滯后性大。而“以生為本、自主學(xué)習(xí)”的教學(xué)重點(diǎn)突出了學(xué)生知識(shí)綜合應(yīng)用和動(dòng)手實(shí)踐能力培養(yǎng)，保證知識(shí)、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(shí)踐教學(xué)，必須結(jié)合學(xué)生主體的知識(shí)能力水平、培養(yǎng)方案知識(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)建時(shí)序和學(xué)校教育平臺(tái)資源，開展有效的教學(xué)探索。[7]

我校擁有國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心——“能源系統(tǒng)與動(dòng)力工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”，這為面向智慧能源的自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)提供了平臺(tái)優(yōu)勢(shì)：（1）強(qiáng)化專業(yè)特色，推進(jìn)面向科技前沿和工程實(shí)際的能力教學(xué)。增強(qiáng)“課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)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(shí)框架的建立以及創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。（2）以生為本，注重因材施教，促進(jìn)學(xué)生“厚基礎(chǔ)、寬口徑”的知識(shí)綜合應(yīng)用能力和團(tuán)隊(duì)能力的協(xié)調(diào)發(fā)展。強(qiáng)化學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的訓(xùn)練，培養(yǎng)和提高學(xué)生工程實(shí)踐能力。

開展本課程的CDIO教學(xué)，可充分激活“課堂講授+實(shí)驗(yàn)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(dá)的目標(biāo)，具體到要求學(xué)生“如何建模、如何利用模型進(jìn)行系統(tǒng)分析、如何利用模型進(jìn)行系統(tǒng)控制、如何基于模型提出自己的新觀點(diǎn)和新思想”。例如：對(duì)第一層次“MATLAB的學(xué)習(xí)”，可采用“教師講授+實(shí)例分析+個(gè)人練習(xí)”；第二層次“基于模型的系統(tǒng)仿真”，可采用“教師講授+建模實(shí)驗(yàn)+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(shí)驗(yàn)+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(shí)驗(yàn)+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(jí)提升學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)分析綜合能力。

2.3 教學(xué)考核的實(shí)踐

科學(xué)的教學(xué)評(píng)價(jià)對(duì)課程的建設(shè)和完善非常重要，運(yùn)用不同考核和評(píng)價(jià)方式獲得反饋信息側(cè)重點(diǎn)是不同的。[8]常用的“平時(shí)成績(jī)+閉卷或開卷考試”課程考核方式，比較適合對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)和結(jié)構(gòu)體系掌握的考核評(píng)價(jià)。學(xué)生通過對(duì)知識(shí)點(diǎn)以及重難點(diǎn)內(nèi)容的理解和強(qiáng)化記憶，就能較好地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)要求。但是對(duì)于以能力培養(yǎng)為主的課程考核，這種考評(píng)方式有很多不足之處。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)學(xué)生的考核，采用豐富平時(shí)考核的內(nèi)容，加大平時(shí)成績(jī)的權(quán)重的方式進(jìn)行。主要措施是：細(xì)化平時(shí)考核形式和考核主體，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和四個(gè)層次的進(jìn)階學(xué)習(xí)，分階段實(shí)施對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)分析綜合能力進(jìn)行考核評(píng)價(jià)。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(biāo)和要求進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、給定特定系統(tǒng)進(jìn)行過程建模、給定系統(tǒng)模型進(jìn)行參數(shù)整定、給定子系統(tǒng)模型進(jìn)行分析和綜合。考核主體分為：個(gè)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(xí)進(jìn)階各段的考核。

控制系統(tǒng)仿真課程是自動(dòng)化專業(yè)集知識(shí)掌握和能力運(yùn)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(dòng)控制理論基礎(chǔ)，中輔各類課程設(shè)計(jì)，下啟畢業(yè)設(shè)計(jì)的重要位置。實(shí)施對(duì)本課程教學(xué)效果的考核評(píng)價(jià)，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(jì)（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(dòng)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(duì)本校畢業(yè)生在業(yè)務(wù)能力上的綜合評(píng)價(jià)即是學(xué)生能力培養(yǎng)效果的重要體現(xiàn)。

3 結(jié)語

長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院的自動(dòng)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(dòng)力工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”這個(gè)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)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(shí)代對(duì)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(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)上取得階段性成果，強(qiáng)化了專業(yè)特色和人才培養(yǎng)的行業(yè)優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王忠敏.智慧能源正在向我們走來[J].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化，2014（11）：52-54.

[2] 安建偉.什么是智慧能源產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新與能源互聯(lián)網(wǎng)？[J].互聯(lián)網(wǎng)周刊，2015（7）：64-65.

[3] 謝七月，劉代飛，申忠利. 熱工過程自動(dòng)化人才培養(yǎng)模式改革的CDIO探索[J].科學(xué)咨詢（科技·管理），2016.3：179-180.

[4] 康全禮，丁飛己.中國(guó)CDIO工程教育模式研究的回顧與反思[J].高等工程教育研究，2016.4：40-46.

[5] 劉榮佩，史慶南，陳揚(yáng)建，王奇.CDIO工程教育模式[J].中國(guó)冶金教育，2011.5：9-11+13.

[6] 陶勇芳，商存慧. CDIO大綱對(duì)高等工科教育創(chuàng)新的啟示[J].中國(guó)高教研究，2006.11：81-83.

[7] 朱玉雯，楊俊蘭，王澤生.以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為目的的CDIO模式實(shí)踐教學(xué)方法構(gòu)建[J].中國(guó)冶金教育，2015.4：60-62.

[8] 朱家群，楊長(zhǎng)春，劉巧英.CDIO模式中計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)評(píng)價(jià)的方法研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011.9：296-298+369.