CDIO理念在研究生課程教學中的實踐
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“線性系統(tǒng)理論”是本校電氣信息類碩士研究生重要的學位課程，在第一學期開設。從課程角度看，該課程作為重要的學科基礎課，課程內(nèi)容在整個控制理論體系中占有非常重要的地位，是承接理論與應用的紐帶，在培養(yǎng)研究生的系統(tǒng)概念、創(chuàng)新思維和科研能力方面具有重要的作用。從學生學習的角度看，學生處于從本科生到研究生學習的開始階段，無論對教學內(nèi)容，還是對教師的教學方法都還沒有完全適應，多數(shù)學生還是沿用本科階段的學習方式，對教師結(jié)合課程布置的有關研究性學習的課題缺乏有效的、科學的研究方法。如何基于課程要求培養(yǎng)研究生科學的研究方法和理論結(jié)合實際的能力，為以后的學位論文研究及工程實踐奠定良好的基礎，是一個值得深思的問題。本課程目前存在的主要不足是對實踐教學不夠重視，對學生理論聯(lián)系實踐的能力培養(yǎng)不夠。鑒于此，筆者在該課程的教學中，注重在講授課程內(nèi)容的同時，有目的和針對性地把系統(tǒng)控制理論中的研究方法貫穿于教學中，對研究生進行了學習、研究問題方法的培養(yǎng)和熏陶；引入cdio理念，編寫“線性系統(tǒng)理論”工程應用案例，通過計算機仿真手段，開展基于項目的教學實踐，引導學生應用所學理論知識解決工程控制問題。
筆者基于項目或問題組織實踐教學內(nèi)容，這些項目或問題都需要應用線性系統(tǒng)理論的方法才能達到項目目標或使問題得到解決；通過計算機仿真手段，讓學生尋求解決問題的方案，驗證解決問題的效果；通過撰寫項目研究報告、答辯等環(huán)節(jié)提高學生表達和溝通能力；通過總結(jié)和討論，讓學生將具體項目中學到的知識，提升為一般化的解決工程問題的能力。教師編寫實踐教學案例以輔助講義的形式發(fā)給學生，在理論課程進行的同時，由學生利用課余時間完成實踐環(huán)節(jié)；每個學生必須選擇一個基本項目和一個綜合項目，基本項目需要獨立完成，綜合項目需要找一位同學合作完成；課程結(jié)束后教師組織一次答辯、演示并進行總結(jié)討論，同時讓學生提交項目研究報告。成績按照項目研究深度、答辯情況和書面報告綜合給出，作為平時成績按較大比例計入課程最后成績。
實踐教學輔助講義按照項目或案例進行組織。講義中給出每個項目的基本原理、主要參數(shù)和項目目標。項目來源于工程應用原型，是一個實際的物理系統(tǒng)而不是數(shù)學模型。要求學生熟悉物理系統(tǒng)、建立數(shù)學模型、對模型進行線性化，進而應用線性系統(tǒng)的理論和方法解決問題，并分析系統(tǒng)在工程實現(xiàn)中存在的問題，提出工程實現(xiàn)方案。輔助講義主要的案例有倒立擺的建模與控制、通信衛(wèi)星光暈軌道控制、磁盤讀寫系統(tǒng)的建模與控制、風力發(fā)電非線性系統(tǒng)的建模與控制、連續(xù)全返混式反應釜非線性系統(tǒng)的建模與控制、發(fā)電廠鍋爐和氣機的建模與控制等。例如在風力發(fā)電非線性系統(tǒng)的建模與控制案例中，教師首先介紹該類系統(tǒng)的控制目標，對工作原理和主要物理關系進行簡要介紹，再提出具體控制要求。學生在此基礎上，需要翻閱參考資料，在進一步理解內(nèi)容的基礎上，通過運行機理分析建立風力發(fā)電系統(tǒng)的非線性模型；確定狀態(tài)變量、控制變量和輸出變量；選擇系統(tǒng)的工作點，并對工作點進行線性化；搭建仿真模型，采用線性系統(tǒng)中學習過的多種控制算法進行系統(tǒng)控制，并對控制算法中的參數(shù)進行設計；通過仿真對結(jié)果進行分析和驗證，撰寫項目研究報告并進行答辯和成果演示。
如2010年秋季學期，某同學對風力發(fā)電非線性系統(tǒng)的建模與控制問題進行了較全面的研究。首先通過工作原理分析，建立了機理模型。在最大風能跟蹤控制區(qū)域，選擇了合適的工作點，通過泰勒公式建立了線性三階狀態(tài)空間方程。通過查閱廠家的數(shù)據(jù)手冊，計算了模型參數(shù)設計了擾動風速模型。通過控制器設計，考察了風力機轉(zhuǎn)速對擾動風速的不同響應，圖1為采用基本控制器時，風力機轉(zhuǎn)速對單位階躍擾動風速的響應，圖2為采用改進控制器時風力機轉(zhuǎn)速對單位階躍擾動風速的響應，圖3為對控制器參數(shù)進行優(yōu)化后，風力機轉(zhuǎn)速對單位階躍擾動風速的響應。可以看出，隨著控制器地不斷改進，風力機轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應性能逐漸得到提高。通過撰寫研究報告、小組答辯等環(huán)節(jié)，該同學對課程所學知識產(chǎn)生了極大的興趣，課程考試成績不但優(yōu)秀，而且利用所學的知識，已參與完成了老師的三個科研項目。碩士學位論文也非常優(yōu)秀。
通過在碩士研究生“線性系統(tǒng)理論”課程教學中引入案例性實踐環(huán)節(jié)，引導學生思考課程中蘊涵的科學方法，加深學生對所學理論知識的理解，較全面地鍛煉學生的科研實踐能力，收到了良好的效果。（本文作者：王曉蘭、王志文 單位：蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院）