以項目為載體的仿真工程專業課程實驗體系設計

周 云, 曾 明, 鞠儒生, 段 紅

(1. 國防科技大學 信息系統與管理學院, 湖南 長沙 410073；2. 國防科技大學 航天科學與工程學院, 湖南 長沙 410073)

以項目為載體的仿真工程專業課程實驗體系設計

周 云1, 曾 明2, 鞠儒生1, 段 紅1

(1. 國防科技大學 信息系統與管理學院, 湖南 長沙 410073；2. 國防科技大學 航天科學與工程學院, 湖南 長沙 410073)

根據CDIO工程教育理念,分析仿真工程專業系列課程之間的內在聯系,以項目為載體,一體化設計相互關聯的課程實驗,選擇符合工程實際的項目,使之貫穿相關課程,并建立各門課程的層次化實驗教學體系。在課程教學實踐中,全方位地訓練學生的各種能力,實現學生綜合素質的全面提高。

CDIO； 仿真工程； 實驗教學； 關聯性； 層次化體系

建模與仿真技術學科是以建模與仿真理論為基礎,以計算機系統、物理效應設備及仿真器為工具,根據研究目標,建立并運行模型,對研究對象進行認識與改造的一門綜合性、交叉性的新興學科,它為人類認識世界和改造世界提供了一種全新的方法和手段,并正迅速地發展為一項通用的、戰略性的技術科學[1]。目前,國內外很多高校開設了計算機仿真相關的課程,一些高校也先后建立了仿真工程本科專業,開展了仿真學科知識體系的研究和系列課程的建設[2]。我校于2002年設立了仿真工程本科專業,開展了仿真系列課程的建設。鑒于軍用仿真技術對仿真科學與技術學科發展的特殊影響,2013—2014年,先后成立仿真工程研究所和指揮控制與仿真工程教研室,進一步加強了仿真工程本科專業的建設。在以創新人才培養改革為牽引、以實踐動手能力培養為重要突破口,全面提高人才培養質量和水平的思想指導下,重新梳理和調整了仿真工程本科專業的知識體系和課程體系,積極開展實踐教育理論的研究和實驗教學方法的探討,借鑒國際先進工程教育理念CDIO,將理論、實踐、創新有機結合,系統設計系列課程的實驗,建立仿真工程本科專業系列課程的實驗教學體系。

1 CDIO工程教育理念

CDIO(構思(conceive)、設計(design)、實現(implement)和運作(operate))是近年來國際工程教育改革的最新成果,是由麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所大學經過4年探索而創立的工程教育模式。迄今為止,已有幾十所世界著名大學采用了CDIO教育理念,培養的學生深受社會與企業的歡迎。CDIO自引入中國以來,已被國內幾十所大學借鑒和發展,取得了很好的效果[3-8]。

CDIO以工程項目從研發到運行的生命周期為載體,讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程,是“做中學”原則和“基于項目教育和學習”的集中體現[9-10]。CDIO的核心就是根據企業和社會對學生知識、能力和素質的要求,以工程為導向、以項目為載體,將實踐與課程有機地聯系在一起,重新設置課程和教學模式,通過項目的研發過程,使學生掌握學科知識,提高個人能力、團隊能力和工程能力。

2 基于CDIO項目理念的課程實驗體系設計

基于CDIO項目理念的課程實驗體系設計,就是在明確課程之間關聯的基礎上,以項目為載體,一體化設計關聯性的課程實驗,通過選擇符合工程實際的項目,使之貫穿相關課程實驗,并在各門課程中建立層次化的實驗教學體系,實施體系化的課程實驗。

2.1 明確課程之間的關聯

學科是按照知識體系的邏輯分類的,課程是按照學科內容進行組織的,課程相對獨立,彼此關聯很少。而工程實踐則要求綜合運用學科知識,相互割裂的單科課程的學習不符合學生對工程問題的認識規律,妨礙了知識的深層理解和工程能力的提高,不能滿足學生對解決實際問題的認知和能力上的要求[11]。CDIO標準要求集成化課程體系設置,建立和發展課程之間的關聯,使專業目標得到多門課程的共同支持。以項目為引導,通過倒推方式,理清各門課程的開設順序和課程之間的銜接問題。因此,在保證課程內容完整性和系統性的基礎上,明確課程之間的關聯,圍繞專業目標設計相互支撐和有機聯系的一體化課程體系,是一體化設計關聯性的課程實驗的基礎,是實現CDIO教學的前提。

2.2 設計關聯性的課程實驗

CDIO模式倡導“基于項目的教育和學習”。按照CDIO模式,以項目為載體、以關聯為線索,基于課程之間的內在關系,一體化設計相關課程的實驗,可以使學科課程的關聯和支持關系通過關聯性的實驗設計凸顯出來。這樣的實驗設計,一方面可以將分布在各門課程中的知識點串聯起來,形成一個較為完備的知識體系,使學生可以通過實驗之間的聯系,沖破課程之間的壁壘,掌握各門課程知識之間的內在聯系,整合學科知識,并在解決實際問題過程中進行綜合運用；另一方面,使學生在系列課程實驗的開始就接觸工程應用問題,在后續的系列課程實驗中逐步深入了解應用需求,而不需要在每門課程中都去了解一個新的應用背景,讓學生能夠聚焦問題,通過系列課程的實驗,為最終實現一個工程化的仿真系統奠定知識和技術基礎。

2.3 選擇符合工程實際的合適項目

在基于CDIO模式的教學中,項目的選擇是基礎。作為承載實驗的項目,應該來自科研和工程第一線,是真正需要解決的問題。選擇符合工程實際的項目,可以讓學生直觀地感受專業知識和理論的實際應用,激發學習的積極性,積累工程知識,培養各種能力。在選擇項目時,還應該注意以下2點:

(1) 具有一定的綜合性,涵蓋足夠多的知識點,緊扣課程的重點和難點,滿足系列課程實驗的要求；

(2) 具有合適的規模,難易程度適中,保證學生在規定的時間內完成,并能得到較為全面的鍛煉。

2.4 建立各門課程的層次化實驗教學體系

CDIO教學的目標是培養具有學科知識、個人能力、團隊能力、工程能力的合格人才,“做中學”是其實現途徑。綜合考慮學生的整體水平與個體差異、個人能力的鍛煉與團隊精神的培養,結合長期教學經驗以及曾提出的層次化實驗教學方法[12],建立了實施各門課程實驗的層次化實驗教學體系,以適應CDIO能力培養,如圖1所示。

圖1 課程實驗的層次化實驗教學體系

3 仿真工程專業課程實驗教學改革實踐

仿真工程原分屬于多個專業,在導航、制導、控制與仿真專業、系統工程專業、管理工程專業以及運籌學專業等專業中均有仿真方向。我校的仿真工程專業是集教學、科研、生產為一體的軍事與技術合一的綜合性專業,它以建模與仿真技術為基礎,以作戰和裝備為背景,學習作戰仿真系統的設計開發和使用維護、武器裝備的模擬訓練和靶場試驗等知識和理論,培養從事仿真系統研制、使用及綜合保障的技術人才。

仿真工程專業的專業系列課程主要包括離散事件仿真系列和連續系統仿真系列。離散事件仿真系列的主要課程有軟件技術基礎、離散事件仿真、面向對象仿真、作戰模擬基礎、仿真系統綜合設計等；連續系統仿真系列的主要課程有計算方法、自動控制原理、現代控制理論、連續系統仿真等；它們之間的支撐與關聯關系如圖2所示。

圖2 仿真工程專業的主要專業課程及其關聯

以離散事件仿真系列為例,它要求學生在學習HLA標準和分布式仿真知識的基礎上,綜合運用離散事件仿真系列課程中的基本知識和基本技能,完成基于HLA的分布式仿真系統的設計與開發。這樣一門綜合實踐課程,既需要離散事件仿真的仿真策略、面向對象仿真的建模方法、作戰模擬基礎的作戰建模等方面知識的支撐,也需要軟件技術基礎的技術實現方面的支持。軟件技術基礎是一門綜合課程,包括面向對象程序設計、算法與數據結構、操作系統、軟件工程等內容,為離散事件仿真系列課程提供實現技術。

基于離散事件仿真系列課程之間的關聯關系,可以設計如下的關聯性課程實驗,如圖3所示。在仿真系統綜合設計實踐課程中要求學生設計開發一個基于HLA的分布式仿真系統,例如潛艦對抗分布仿真系統。按照知識點之間的內在聯系,首先對項目進行分解,再將分解后的項目模塊分布到各課程實驗中。在軟件技術基礎課程中引入仿真項目,以此為背景,在學習面向對象程序設計的封裝、繼承和多態時,完成類與對象的設計和實現；在學習離散事件仿真課程的事件調度法后,結合軟件技術基礎課程的數據結構知識,完成事件調度法的仿真實驗；學習面向對象仿真課程時,則利用面向對象的建模方法,設計更為符合工程實際的仿真模型；而作戰模擬基礎課程中,則設置機動、搜索與發現、打擊與毀傷的建模實驗。這樣,學生在每一門課程的實驗中,既收獲知識和能力,又為最后的綜合實踐打下基礎。

圖3 關聯性課程實驗

在選擇符合工程實際的項目時,以研發工作為基礎,針對離散事件仿真系列課程的主要教學內容,選擇了潛艦對抗、導彈攻防、高炮打飛機、艦艇對岸攻擊、坦克攻打碉堡等項目作為實驗項目。

潛艦對抗項目為載體的軟件技術基礎課程3層次實驗教學體系的設計如表1所示。每個主要知識點設置相應的基礎驗證性實驗和提高設計性實驗,每個主要知識點對應的拓展綜合性實驗建立在前一個拓展綜合性實驗和對應知識點的提高設計性實驗基礎之上,循序漸進,逐步遞進。

表1 層次體系下的實驗內容設計

表1(續)

在實施CDIO教學過程中,采用個人與小組相結合的形式組織實驗。對于基礎驗證性實驗和提高設計性實驗,要求學生單人完成,逐個驗收,給出個人評價。對于拓展綜合性實驗,要求學生建立3人項目小組,分工協作,逐組驗收,給出團隊評價。同時要求項目小組的3位學生分別在3個拓展綜合性實驗中擔任不同角色。通過這種方式,既鍛煉學生的個人能力,也培養了學生的團隊能力。

4 關于CDIO教學的幾點思考

(1) 建設一支優秀的師資隊伍是有效實施CDIO教學的保障。CDIO教學模式中,教師從傳統教學中的主講者轉化為教學活動中的主導者,其性質發生了變化。CDIO教學要求教師不但具備扎實的專業知識,而且具備豐富的工程經驗,還需要教師始終把握本專業最新動態,把最新的科研工程成果引入教學；圍繞CDIO項目的實施進行教學計劃設計和課程關聯工作,需要打破教師之間的壁壘,加強教師間的溝通,改變教師各自為政的傳統做法。因此,CDIO教學模式對教師的要求更高了,需要教師傾注的精力也更多了。這就需要建立相應機制,提高教師進行CDIO教學的能力和積極性。

(2) 建立一個豐富的項目資源庫是持續開展CDIO教學的基礎。雖然可以通過校企合作獲取合適項目,但在大量學生參與的情況下,就需要建立資源豐富的經典項目庫,保證有足夠的項目供學生學習和訓練。項目庫的內容還應與時俱進,不斷推陳出新,拓展增新。只有經過長期實踐、認真思考、持續積累和精心建設,才能建立資源豐富的項目庫,支持CDIO教學的持續開展。

(3) 制定一套科學的評價方法是真正落實CDIO教學的關鍵。CDIO模式是能力本位的培養模式,其著重點在于幫助學生獲得走入社會所需的各種能力和素質。評價學生學習效果的方法,必須從對知識的評價轉變為對能力的評價,從主要根據閉卷理論考試成績轉變為“個人考評+小組報告+理論筆試”的綜合評價方式。個人考評和小組報告伴隨著每次實驗教學而進行,理論筆試則在課程結束后統一進行[13]。只有投入更多人力,嚴密組織教學評價活動,對學生能力做出客觀準確的評判,才能真正落實CDIO教學。

5 結語

本實驗教學改革以CDIO目標成果的學科知識、個人能力、團隊能力、工程能力的培養為宗旨、以“做中學”和“基于項目教育和學習”為指導、以項目為載體、以系列課程之間的關聯為主線,設計仿真工程專業系列課程的課程實驗,并通過層次化的實驗教學體系進行實施。實踐表明,這樣的教學模式能有效調動學生的積極性,充分發揮學生的創造性。學生對專業相關知識和技能的學習興趣、掌握程度以及對問題的綜合分析能力都比以前有了明顯提高,在各種競賽中取得較好成績,例如,獲得了2016年全國仿真大賽的特等獎、一等獎、二等獎等獎項。

References)

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[13] 王偉,孟祥貴,安寅.基于工程教育的實驗教學模式探索[J].實驗技術與管理, 2013,30 (10):172-174.

Design and practice of experimental system for simulation engineering professional courses based on projects

Zhou Yun1, Zeng Ming2, Ju Rusheng1, Duan Hong1

(1. College of Information System and Management, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China; 2. College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

According to the idea of CDIO(conceive-design-implement-operate) engineering education, the internal relations for simulation engineering professional courses are analyzed. The course experiments are integrated and designed based on the projects, the practical project is selected to run through the relevant courses, and a hierarchical experiment teaching system is established for each course. In the teaching practice, the students are fully trained in this way which results in the enhancement of their comprehensive quality.

CDIO(conceive-design-implement-operate); simulation engineering; experimental teaching; relavance; hierarchical system

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.048

2016-12-26

2014年度國防科學技術大學教育教學研究課題“基于CDIO模式的我校仿真工程本科專業系列課程的實踐教學一體化設計與實施研究”

周云(1965—),女,湖南郴州,博士,副教授,主要從事系統建模與仿真方面的科研與教學工作.

E-mail：zhouyun8007@126.com

G642.423

B

1002-4956(2017)5-0194-04