CDIO實(shí)踐教學(xué)改革計(jì)算機(jī)仿真論文

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一、教育創(chuàng)新大背景下的cdio

1.競(jìng)爭(zhēng)全球化視野下創(chuàng)新型人才培養(yǎng)面臨巨大挑戰(zhàn)

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)高等教育受前蘇聯(lián)模式的影響，以及人才匱乏、教學(xué)資源緊缺的現(xiàn)實(shí)，存在著偏重理論知識(shí)的傳授而忽視學(xué)生獨(dú)立動(dòng)手能力、綜合分析問題和解決問題能力的問題，統(tǒng)一培養(yǎng)口徑、重“學(xué)”輕“術(shù)”、偏重課堂教學(xué)、忽視實(shí)踐鍛煉等做法，使得我們培養(yǎng)出的人才實(shí)踐能力嚴(yán)重不足，創(chuàng)新能力嚴(yán)重欠缺。當(dāng)今世界，各主要國(guó)家無(wú)不把競(jìng)爭(zhēng)與創(chuàng)新上升到國(guó)家戰(zhàn)略高度。美國(guó)從2004年推出了創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的國(guó)家戰(zhàn)略，強(qiáng)調(diào)將仿真作為核心技術(shù)手段，推動(dòng)國(guó)家技術(shù)進(jìn)步。也是從2004年起，我國(guó)政府把自主創(chuàng)新從一般性號(hào)召提升到國(guó)家戰(zhàn)略高度，也非常重視仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用，創(chuàng)立了若干與仿真有關(guān)的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室與工程技術(shù)中心，以響應(yīng)科技發(fā)展需求。以創(chuàng)新型國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，就必須關(guān)注高校教育的創(chuàng)新問題[1]。

2.CDIO理念成為教育創(chuàng)新的最佳模式

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行）是一個(gè)新型的工程教育模式，它由美國(guó)麻省理工學(xué)院、瑞典查爾姆斯技術(shù)學(xué)院、瑞典林克平大學(xué)、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院等4所工程大學(xué)發(fā)起，全球23所大學(xué)參與，合作開發(fā)的一個(gè)國(guó)際工程教育合作項(xiàng)目。CDIO在當(dāng)前得到了國(guó)際高等工程教育的共識(shí)，這種人才培養(yǎng)模式的理念主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：具有國(guó)際先進(jìn)性、具有實(shí)踐可操作性、具有全面系統(tǒng)性及具有普遍適應(yīng)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(shí)際系統(tǒng)尚不存在的情況下對(duì)于系統(tǒng)或活動(dòng)本質(zhì)的實(shí)現(xiàn)”。這一定義忽略了實(shí)際系統(tǒng)存在時(shí)仍然需要做仿真的情形，對(duì)此，Korn在其1978年出版的著作《連續(xù)系統(tǒng)仿真》中，將“仿真”定義修正為“用能代表所研究的系統(tǒng)的模型做實(shí)驗(yàn)”。這一概念從研究角度強(qiáng)調(diào)了仿真是一種類型的實(shí)驗(yàn)。Spriet認(rèn)為模型是仿真的基礎(chǔ)，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(dòng)即為仿真活動(dòng)”。考慮到仿真已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)與技能培訓(xùn)等眾多方面，Oren于1984年建立了仿真的基本概念框架“建模-實(shí)驗(yàn)-分析”，并在此基礎(chǔ)上定義“仿真是一種基于模型的活動(dòng)”，并從此開創(chuàng)了現(xiàn)代仿真技術(shù)。但是，如果將所有基于模型的活動(dòng)都定義為仿真，而不對(duì)“活動(dòng)”加以界定，則難免忽略了仿真過程的完整性，比如，不能認(rèn)為“基于模型的評(píng)估活動(dòng)”為仿真，那只是仿真過程中的一個(gè)階段。

2.仿真新概念的提出

我國(guó)教育工作者引入CDIO以來(lái)，取得了諸多成果。本文作者參照CDIO“構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)行”這一主線，認(rèn)為仿真首先要“構(gòu)思”目的、手段、步驟及結(jié)果的分析等，然后有針對(duì)性地“設(shè)計(jì)”某項(xiàng)活動(dòng)，并按照設(shè)計(jì)要求，為活動(dòng)的“實(shí)現(xiàn)”做好充分準(zhǔn)備，并按一定的步驟和方法實(shí)施活動(dòng)，繼而“運(yùn)行”所實(shí)現(xiàn)的模型系統(tǒng)，對(duì)獲得的結(jié)果進(jìn)行分析，研究是否達(dá)到了仿真目的，如果達(dá)到了，則仿真成功，如果沒有達(dá)到，則重新進(jìn)行一個(gè)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(dòng)”，該概念將仿真和CDIO緊密結(jié)合起來(lái)了，既適應(yīng)于實(shí)驗(yàn)，又適應(yīng)于技能培訓(xùn)等其他活動(dòng)，而且突出了仿真的過程特性，具有鮮明的指導(dǎo)意義，優(yōu)點(diǎn)明顯。

三、仿真新概念的教學(xué)實(shí)踐

1.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)教學(xué)面臨的問題

（1）教學(xué)內(nèi)容問題。該課程現(xiàn)行的教學(xué)內(nèi)容主要包括系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、連續(xù)系統(tǒng)仿真、離散事件系統(tǒng)仿真、仿真工具介紹及仿真的應(yīng)用等，相關(guān)內(nèi)容與《自動(dòng)控制原理》、《現(xiàn)代控制理論》、《數(shù)值計(jì)算》、《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》、《數(shù)學(xué)建模》、《參數(shù)估計(jì)與檢測(cè)》、《系統(tǒng)辨識(shí)》等課程有交叉和重疊。有關(guān)“數(shù)學(xué)模型”及“狀態(tài)空間方法”在《自動(dòng)控制原理》、《現(xiàn)代控制理論》中有詳細(xì)講述，“數(shù)值積分法”的內(nèi)容在《數(shù)值計(jì)算》中有詳細(xì)講述，“建模方法”在《數(shù)學(xué)建?！?、《參數(shù)估計(jì)與檢測(cè)》、《系統(tǒng)辨識(shí)》等課程中有詳細(xì)講述，仿真工具介紹及仿真的應(yīng)用等在《Matlab/Simulink程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用》課程中有大量講授等。當(dāng)主要教學(xué)內(nèi)容限定為上述內(nèi)容時(shí)，不可避免地出現(xiàn)與其他課程內(nèi)容交叉和重疊的現(xiàn)象，令教師和學(xué)生無(wú)法準(zhǔn)確界定和掌握仿真課程的核心內(nèi)容，使得教學(xué)效果不佳。

（2）教材選用問題?！犊刂葡到y(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真》課程的教學(xué)，曾經(jīng)采用過的教材達(dá)8種之多。對(duì)教材進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，有一類近似于以Matlab為基礎(chǔ)講述自動(dòng)控制原理，有一類主要講述仿真的算法與實(shí)現(xiàn)，不涉及具體工具，還有一類屬于仿真技術(shù)綜述的，尚不足以支持仿真課程體系建設(shè)，難以滿足實(shí)踐需求。

（3）教學(xué)方法問題。就教學(xué)方法來(lái)說，本課程的教學(xué)主要還停留在傳統(tǒng)的教學(xué)理念與方法上，通常是按照教學(xué)大綱規(guī)定的內(nèi)容或者教材內(nèi)容，結(jié)合多媒體進(jìn)行按部就班的教學(xué)。如上所述，由于本課程在教學(xué)內(nèi)容和教材選用方面存在的問題，常規(guī)教學(xué)方法面臨諸多弊端，難以把握仿真的核心概念，更難以培養(yǎng)實(shí)踐能力，嚴(yán)重滯后于時(shí)展和科技進(jìn)步的步伐。

2.仿真新概念下的教學(xué)改革實(shí)踐

有些高校研究了控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真課程教學(xué)改革問題，但依托核心理念的改革尚顯不足，對(duì)CDIO實(shí)施的關(guān)鍵問題，尚不有不同的認(rèn)識(shí)。作者負(fù)責(zé)的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的課程教學(xué)和改革中，借鑒同行方法，以先進(jìn)CDIO理念為指導(dǎo)，采用案列教學(xué)方式，著眼于培養(yǎng)仿真專業(yè)的創(chuàng)新型人才，進(jìn)行了教改研究與實(shí)踐，簡(jiǎn)要介紹如下：

（1）教學(xué)大綱的運(yùn)用與修改。教學(xué)工作通常要遵守教學(xué)大綱的規(guī)定，不能隨意更改，但是對(duì)于教學(xué)改革項(xiàng)目可以適當(dāng)放寬?？傮w而言，以遵守教學(xué)大綱的指導(dǎo)性原則為主，以遵守具體內(nèi)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(shí)踐為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新為目標(biāo)，適當(dāng)安排基于課題的“研討式”教學(xué)內(nèi)容。增加課外實(shí)驗(yàn)課時(shí)，增加任課教師和實(shí)驗(yàn)員，通過第二課堂引導(dǎo)學(xué)生從事一個(gè)完整的“仿真項(xiàng)目”，以教學(xué)團(tuán)隊(duì)的方式完成教學(xué)任務(wù)，改革教學(xué)考核方式。

（2）研討式教學(xué)方式。結(jié)合學(xué)生的興趣點(diǎn)與能力培養(yǎng)目標(biāo)，課題組設(shè)計(jì)了若干個(gè)研討項(xiàng)目，鍛煉學(xué)生設(shè)計(jì)、構(gòu)思能力，限于篇幅，本文簡(jiǎn)要介紹一項(xiàng)。安全帽佩戴方式問題。安全帽是工程施工人員在工作現(xiàn)場(chǎng)最重要的勞動(dòng)防護(hù)用品，其佩戴方法有標(biāo)準(zhǔn)方法和經(jīng)驗(yàn)方法。利用所學(xué)的仿真知識(shí)，比較兩種方法中是否存在較優(yōu)的方法，并給出佩戴建議。這一課題誘導(dǎo)學(xué)生提出了仿真人的概念，通過不同的高空墜物方式，檢驗(yàn)仿真人的受傷程度，進(jìn)而檢驗(yàn)安全帽的佩戴方式。本項(xiàng)討論在教學(xué)上結(jié)合采用多媒體教學(xué)、實(shí)際軟件編程過程展示、課堂研討小型項(xiàng)目、課外實(shí)踐大型項(xiàng)目等多種方式，以掌握CDIO核心概念、仿真課程精髓為目標(biāo)，以是否能在實(shí)踐中靈活運(yùn)用為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，面向優(yōu)秀創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，引發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情，并取得了若干優(yōu)秀的成果，并且其影響力已擴(kuò)展到大學(xué)畢業(yè)后的一生。

四、討論與總結(jié)

本文的主要貢獻(xiàn)是在教育創(chuàng)新大背景下，通過結(jié)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(dòng)”，并以此為指導(dǎo)，在教學(xué)內(nèi)容選取、教學(xué)方法創(chuàng)新等方面均進(jìn)行了教研教改實(shí)踐，并獲得了較好的效果。

作者：申忠利 左毅 謝七月 單位：長(zhǎng)沙理工大學(xué)