CDIO实践教学改革计算机仿真论文

　　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（ConceiveDesignImplementOperate，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。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《MatlabSimulink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，通常是按照教学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，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。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，其佩戴方法有标准方法和经验方法。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。