CDIO理念下《生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真》螺旋式創(chuàng)新教學(xué)

林文文

寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 315211

CDIO工程教育理念，即構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）。該理念由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)聯(lián)合提出，強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生中主動(dòng)地參與到基于工程項(xiàng)目全過(guò)程的學(xué)習(xí)。[1]CDIO理念在國(guó)內(nèi)外多家知名高校應(yīng)用，所培養(yǎng)學(xué)生得到了業(yè)界的認(rèn)可。

《生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真》是工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課，要求學(xué)生對(duì)實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)建立抽象仿真模型，應(yīng)用相關(guān)仿真軟件進(jìn)行仿真分析。本文以作者所承擔(dān)的《生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真》課程為對(duì)象，以CDIO理念來(lái)重新整理該課程的教學(xué)思路，通過(guò)“課堂教學(xué)->上機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)->創(chuàng)新實(shí)踐->學(xué)科競(jìng)賽”這種螺旋式教學(xué)模式，將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，從而解決學(xué)生工程問(wèn)題的能力培養(yǎng)的目的。

一、課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)有兩大全國(guó)性工業(yè)工程學(xué)科競(jìng)賽，清華IE亮劍全國(guó)工業(yè)工程應(yīng)用案例大賽和中國(guó)大學(xué)生工業(yè)工程與精益管理創(chuàng)新大賽等學(xué)科賽事。前者已經(jīng)舉辦十三屆，并被中國(guó)科協(xié)、科技部正式認(rèn)可為中國(guó)創(chuàng)新方法大賽的工業(yè)工程方向?qū)ｍ?xiàng)賽事，后者由中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)和教育部高等學(xué)校工業(yè)工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)聯(lián)合主辦。兩項(xiàng)賽事在國(guó)內(nèi)都具有很大的影響力，得到全國(guó)高校和企業(yè)的擁護(hù)和積極參與。如果能針對(duì)實(shí)際案例，提煉知識(shí)點(diǎn)，總結(jié)其規(guī)律，規(guī)劃成課程中需要的項(xiàng)目實(shí)踐內(nèi)容，則既可以實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生在工程項(xiàng)目中“做中學(xué)”，同時(shí)又能讓學(xué)生熟悉大賽的模式，了解用仿真工具進(jìn)行建模和仿真分析，形成一舉兩得的效果。

二、教學(xué)創(chuàng)新

教學(xué)創(chuàng)新內(nèi)容主要包括五個(gè)部分：國(guó)內(nèi)外學(xué)科競(jìng)賽案例分析、工程項(xiàng)目的規(guī)劃與設(shè)計(jì)與知識(shí)點(diǎn)提取、基于螺旋式教學(xué)模式的知識(shí)體系設(shè)計(jì)、解決實(shí)際問(wèn)題和參與學(xué)科競(jìng)賽、教學(xué)實(shí)施匯總。

（一）國(guó)內(nèi)外學(xué)科競(jìng)賽案例分析

分析近年來(lái)兩項(xiàng)學(xué)科競(jìng)賽案例，統(tǒng)計(jì)其中相關(guān)仿真建模類(lèi)型的內(nèi)容，同時(shí)分析研究國(guó)際SIMIO建模大賽的題目要求，研究其中的若干核心仿真內(nèi)容的類(lèi)型，及其本質(zhì)中涉及的建模環(huán)節(jié)和知識(shí)，抽象出若干關(guān)鍵類(lèi)型。

（二）基于工程項(xiàng)目的規(guī)劃與設(shè)計(jì)

CDIO課程的基本點(diǎn)是貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程中的基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，所以項(xiàng)目規(guī)劃也就是本次教研項(xiàng)目的核心內(nèi)容。項(xiàng)目的選擇的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該具有綜合性和系統(tǒng)性。結(jié)合上述CDIO理論研究和建模大賽題目分析結(jié)果，發(fā)掘若干具有典型性，實(shí)用性和系統(tǒng)性的工程項(xiàng)目，并結(jié)合課程的基本知識(shí)體系和仿真軟件工具，針對(duì)每個(gè)項(xiàng)目規(guī)劃出一個(gè)完整的知識(shí)技術(shù)網(wǎng)圖。

（三）基于螺旋式教學(xué)模式的知識(shí)體系設(shè)計(jì)

螺旋式教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)要掌握并有效運(yùn)用學(xué)習(xí)內(nèi)容，通過(guò)反復(fù)學(xué)習(xí)，不斷加深理解，進(jìn)而逐漸掌握。針對(duì)《生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真》的學(xué)科特點(diǎn)，設(shè)計(jì)“課堂教學(xué)->上機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)->創(chuàng)新實(shí)踐->學(xué)科競(jìng)賽”螺旋式教學(xué)模式，相輔相成地、以相互促進(jìn)的方式逐步引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新思維及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。將理論知識(shí)與案例分析結(jié)果結(jié)合，提出該課程及工程實(shí)踐的“最小必要知識(shí)”（用于課堂講授重點(diǎn)）、自主學(xué)習(xí)知識(shí)（用于上機(jī)自主學(xué)習(xí)的資料）以及擴(kuò)展學(xué)習(xí)知識(shí)（用于工程實(shí)踐和學(xué)科競(jìng)賽參考），形成基于不同層次的課程的全面教學(xué)知識(shí)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)，并確定課時(shí)與進(jìn)度安排等。

（四）解決實(shí)際問(wèn)題、參與學(xué)科競(jìng)賽

從實(shí)際生產(chǎn)/服務(wù)領(lǐng)域問(wèn)題出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生參與學(xué)科競(jìng)賽，讓學(xué)生參與到這些實(shí)際問(wèn)題的分析和解決過(guò)程，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。一方面，實(shí)際問(wèn)題復(fù)雜度和涉及的知識(shí)點(diǎn)會(huì)更多，引入實(shí)際問(wèn)題的建模與分析，提升學(xué)生對(duì)軟件的熟練使用程度。另一方面，針對(duì)學(xué)生對(duì)仿真結(jié)果不能展開(kāi)有效分析的問(wèn)題，選取相關(guān)學(xué)術(shù)論文開(kāi)展解析，明確對(duì)實(shí)際問(wèn)題仿真分析時(shí)涉及的要點(diǎn)，提升學(xué)生對(duì)問(wèn)題的分析能力。

（五）教學(xué)實(shí)踐匯總

這一步研究工作將匯總前述的教學(xué)知識(shí)體系和相關(guān)上機(jī)實(shí)驗(yàn)體系框架，形成教學(xué)所必備的相關(guān)的文檔，并將其規(guī)劃到我校的網(wǎng)絡(luò)課程網(wǎng)站中，以利于學(xué)生進(jìn)行自主的學(xué)習(xí)。

以作者所承擔(dān)的《生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真》課程為對(duì)象，以CDIO理念來(lái)重新整理該課程的教學(xué)思路，設(shè)計(jì)一種“課堂教學(xué)->上機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)->創(chuàng)新實(shí)踐->學(xué)科競(jìng)賽”這種螺旋式教學(xué)模式。讓學(xué)生充分理解掌握課程所涉及的各項(xiàng)知識(shí)，精煉課程教學(xué)知識(shí)概念，形成有層次的、系統(tǒng)的知識(shí)學(xué)習(xí)體系，進(jìn)而推廣至對(duì)工程問(wèn)題系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程完整的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，可使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)掌握相應(yīng)的知識(shí)技術(shù)，并培養(yǎng)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、溝通和領(lǐng)導(dǎo)能力。在解決實(shí)際問(wèn)題的設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程中通過(guò)自主設(shè)計(jì)，對(duì)于開(kāi)創(chuàng)與培養(yǎng)學(xué)生廣博的思維與創(chuàng)新能力有重要的輔助作用。