控制系统计算机仿真课程教学改革的CDIO实践

申忠利 左毅 谢七月

摘要：本文从教育创新大背景出发，以CDIO理念为指导，提出“仿真是一种基于模型的CDIO活动”，进而在此理念指导下调整教学内容，改革教学方式，在三年来的教学实践中取得了良好的效果。

关键词：计算机仿真;CDIO;控制系统;教学改革

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）18-0101-02

计算机仿真技术在众多领域不同层面都获得了大量研究和成功应用，而有关教学工作却不尽如人意，从教材、教学内容到教学方法都存在诸多不足，亟待研究和改进。为了培养新形势下符合专业技术发展需求的本科毕业生，本文从教育创新大背景出发，以长沙理工大学热工过程自动化专业为例，介绍CDIO理念下《控制系统计算机仿真技术》课程教学改革的有关实践和成果。

一、教育创新大背景下的CDIO

1.竞争全球化视野下创新型人才培养面临巨大挑战。长期以来，我国高等教育受前苏联模式的影响，以及人才匮乏、教学资源紧缺的现实，存在着偏重理论知识的传授而忽视学生独立动手能力、综合分析问题和解决问题能力的问题，统一培养口径、重“学”轻“术”、偏重课堂教学、忽视实践锻炼等做法，使得我们培养出的人才实践能力严重不足，创新能力严重欠缺。当今世界，各主要国家无不把竞争与创新上升到国家战略高度。美国从2004年推出了创新型人才培养的国家战略，强调将仿真作为核心技术手段，推动国家技术进步。也是从2004年起，我国政府把自主创新从一般性号召提升到国家战略高度，也非常重视仿真技术的研究与应用，创立了若干与仿真有关的国家级实验室与工程技术中心，以响应科技发展需求。以创新型国家战略目标为衡量标准，就必须关注高校教育的创新问题[1]。

2.CDIO理念成为教育创新的最佳模式。CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，构思—设计—实现—运行）是一个新型的工程教育模式，它由美国麻省理工学院、瑞典查尔姆斯技术学院、瑞典林克平大学、瑞典皇家技术学院等4所工程大学发起，全球23所大学参与，合作开发的一个国际工程教育合作项目[2]。CDIO在当前得到了国际高等工程教育的共识，这种人才培养模式的理念主要体现在以下4个方面：具有国际先进性、具有实践可操作性、具有全面系统性及具有普遍适应性。

二、基于CDIO理念的仿真新概念的提出

1.仿真的基本定义。1961年，G.W.Morgenthater首次将“仿真”定义为“在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现”。这一定义忽略了实际系统存在时仍然需要做仿真的情形，对此，Korn在其1978年出版的著作《连续系统仿真》中，将“仿真”定义修正为“用能代表所研究的系统的模型做实验”。这一概念从研究角度强调了仿真是一种类型的实验。Spriet认为模型是仿真的基础，于1982年将“仿真”定义为“所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动”。考虑到仿真已广泛应用于产品开发与技能培训等众多方面，Oren于1984年建立了仿真的基本概念框架“建模-实验-分析”，并在此基础上定义“仿真是一种基于模型的活动”，并从此开创了现代仿真技术。但是，如果将所有基于模型的活动都定义为仿真，而不对“活动”加以界定，则难免忽略了仿真过程的完整性，比如，不能认为“基于模型的评估活动”为仿真，那只是仿真过程中的一个阶段。

2.仿真新概念的提出。我国教育工作者引入CDIO以来，取得了诸多成果。本文作者参照CDIO“构思-设计-实现-运行”这一主线，认为仿真首先要“构思”目的、手段、步骤及结果的分析等，然后有针对性地“设计”某项活动，并按照设计要求，为活动的“实现”做好充分准备，并按一定的步骤和方法实施活动，继而“运行”所实现的模型系统，对获得的结果进行分析，研究是否达到了仿真目的，如果达到了，则仿真成功，如果没有达到，则重新进行一个新的CDIO过程。基于上述分析，本位提出“仿真是一种基于模型的CDIO活动”，该概念将仿真和CDIO紧密结合起来了，既适应于实验，又适应于技能培训等其他活动，而且突出了仿真的过程特性，具有鲜明的指导意义，优点明显。

三、仿真新概念的教学实践

1.控制系统计算机仿真技术教学面临的问题。（1）教学内容问题。该课程现行的教学内容主要包括系统的数学模型、连续系统仿真、离散事件系统仿真、仿真工具介绍及仿真的应用等，相关内容与《自动控制原理》、《现代控制理论》、《数值计算》、《数据结构与算法》、《数学建模》、《参数估计与检测》、《系统辨识》等课程有交叉和重叠。有关“数学模型”及“状态空间方法”在《自动控制原理》、《现代控制理论》中有详细讲述，“数值积分法”的内容在《数值计算》中有详细讲述，“建模方法”在《数学建模》、《参数估计与检测》、《系统辨识》等课程中有详细讲述，仿真工具介绍及仿真的应用等在《Matlab/Simulink程序设计与应用》课程中有大量讲授等。当主要教学内容限定为上述内容时，不可避免地出现与其他课程内容交叉和重叠的现象，令教师和学生无法准确界定和掌握仿真课程的核心内容，使得教学效果不佳。（2）教材选用问题。《控制系统计算机仿真》课程的教学，曾经采用过的教材达8种之多。对教材进行分析发现，有一类近似于以Matlab为基础讲述自动控制原理，有一类主要讲述仿真的算法与实现，不涉及具体工具，还有一类属于仿真技术综述的，尚不足以支持仿真课程体系建设，难以满足实践需求。（3）教学方法问题。就教学方法来说，本课程的教学主要还停留在传统的教学理念与方法上，通常是按照教學大纲规定的内容或者教材内容，结合多媒体进行按部就班的教学。如上所述，由于本课程在教学内容和教材选用方面存在的问题，常规教学方法面临诸多弊端，难以把握仿真的核心概念，更难以培养实践能力，严重滞后于时代发展和科技进步的步伐。

2.仿真新概念下的教学改革实践。有些高校研究了控制系统计算机仿真课程教学改革问题[3]，但依托核心理念的改革尚显不足，对CDIO实施的关键问题，尚不有不同的认识[4，5]。作者负责的控制系统计算机仿真技术的课程教学和改革中，借鉴同行方法，以先进CDIO理念为指导，采用案列教学方式，着眼于培养仿真专业的创新型人才，进行了教改研究与实践，简要介绍如下：（1）教学大纲的运用与修改。教学工作通常要遵守教学大纲的规定，不能随意更改，但是对于教学改革项目可以适当放宽。总体而言，以遵守教学大纲的指导性原则为主，以遵守具体内容的限制为辅，以掌握核心概念、掌握课程精髓为基本原则，以实践为基础，以创新为目标，适当安排基于课题的“研讨式”教学内容。增加课外实验课时，增加任课教师和实验员，通过第二课堂引导学生从事一个完整的“仿真项目”，以教学团队的方式完成教学任务，改革教学考核方式。（2）研讨式教学方式。结合学生的兴趣点与能力培养目标，课题组设计了若干个研讨项目，锻炼学生设计、构思能力，限于篇幅，本文简要介绍一项。安全帽佩戴方式问题。安全帽是工程施工人员在工作现场最重要的劳动防护用品，其佩戴方法有標准方法和经验方法。利用所学的仿真知识，比较两种方法中是否存在较优的方法，并给出佩戴建议。这一课题诱导学生提出了仿真人的概念，通过不同的高空坠物方式，检验仿真人的受伤程度，进而检验安全帽的佩戴方式。本项讨论在教学上结合采用多媒体教学、实际软件编程过程展示、课堂研讨小型项目、课外实践大型项目等多种方式，以掌握CDIO核心概念、仿真课程精髓为目标，以是否能在实践中灵活运用为检验标准，面向优秀创新型人才培养，引发了学生们的学习热情，并取得了若干优秀的成果，并且其影响力已扩展到大学毕业后的一生。

四、讨论与总结

本文的主要贡献是在教育创新大背景下，通过结合CDIO核心理念与仿真的核心要素，提出了仿真新概念：“仿真是一种基于模型的CDIO活动”，并以此为指导，在教学内容选取、教学方法创新等方面均进行了教研教改实践，并获得了较好的效果。

参考文献：

[1]李海侠.中国高校本科教育发展问题及对策[J].中国电力教育，2014，（05）：4-5.

[2]王硕旺，洪成文.CDIO：美国麻省理工学院工程教育的经典模式——基于对CDIO课程大纲的解读[J].理工高教研究，2009，（04）：116-119.

[3]施彦，翁贻方，韩力群.《控制系统计算机仿真》课程教学改革与实践[J].中国电力教育，2008，（09）：74-75.

[4]韩时琳，胡旭跃，陈杰.实施CDIO工程教育的关键问题探讨[J].中国电力教育，2014，（02）：5-6.

[5]邹晓东，胡珏，姚威.模拟与仿真：工程科技人才培养模式创新[J].高等工程教育研究，2013，（03）：32-37.