CDIO實(shí)踐教學(xué)改革計算機仿真論文
一、教育創(chuàng )新大背景下的CDIO
1.競爭全球化視野下創(chuàng )新型人才培養面臨巨大挑戰
長(cháng)期以來(lái)，我國高等教育受前蘇聯(lián)模式的影響，以及人才匱乏、教學(xué)資源緊缺的現實(shí)，存在著(zhù)偏重理論知識的傳授而忽視學(xué)生獨立動(dòng)手能力、綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的問(wèn)題，統一培養口徑、重“學(xué)”輕“術(shù)”、偏重課堂教學(xué)、忽視實(shí)踐鍛煉等做法，使得我們培養出的人才實(shí)踐能力嚴重不足，創(chuàng )新能力嚴重欠缺。當今世界，各主要國家無(wú)不把競爭與創(chuàng )新上升到國家戰略高度。美國從2004年推出了創(chuàng )新型人才培養的國家戰略，強調將仿真作為核心技術(shù)手段，推動(dòng)國家技術(shù)進(jìn)步。也是從2004年起，我國政府把自主創(chuàng )新從一般性號召提升到國家戰略高度，也非常重視仿真技術(shù)的研究與應用，創(chuàng )立了若干與仿真有關(guān)的國家級實(shí)驗室與工程技術(shù)中心，以響應科技發(fā)展需求。以創(chuàng )新型國家戰略目標為衡量標準，就必須關(guān)注高校教育的創(chuàng )新問(wèn)題[1]。
2.CDIO理念成為教育創(chuàng )新的最佳模式
CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，構思—設計—實(shí)現—運行）是一個(gè)新型的工程教育模式，它由美國麻省理工學(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(kāi)發(fā)的一個(gè)國際工程教育合作項目。CDIO在當前得到了國際高等工程教育的共識，這種人才培養模式的理念主要體現在以下4個(gè)方面：具有國際先進(jìn)性、具有實(shí)踐可操作性、具有全面系統性及具有普遍適應性。
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)際系統尚不存在的情況下對于系統或活動(dòng)本質(zhì)的實(shí)現”。這一定義忽略了實(shí)際系統存在時(shí)仍然需要做仿真的情形，對此，Korn在其1978年出版的著(zhù)作《連續系統仿真》中，將“仿真”定義修正為“用能代表所研究的系統的模型做實(shí)驗”。這一概念從研究角度強調了仿真是一種類(lèi)型的實(shí)驗。Spriet認為模型是仿真的基礎，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)”�？紤]到仿真已廣泛應用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與技能培訓等眾多方面，Oren于1984年建立了仿真的基本概念框架“建模-實(shí)驗-分析”，并在此基礎上定義“仿真是一種基于模型的活動(dòng)”，并從此開(kāi)創(chuàng )了現代仿真技術(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“活動(dòng)”加以界定，則難免忽略了仿真過(guò)程的完整性，比如，不能認為“基于模型的評估活動(dòng)”為仿真，那只是仿真過(guò)程中的一個(gè)階段。
2.仿真新概念的提出
我國教育工作者引入CDIO以來(lái)，取得了諸多成果。本文作者參照CDIO“構思-設計-實(shí)現-運行”這一主線(xiàn)，認為仿真首先要“構思”目的、手段、步驟及結果的分析等，然后有針對性地“設計”某項活動(dòng)，并按照設計要求，為活動(dòng)的“實(shí)現”做好充分準備，并按一定的步驟和方法實(shí)施活動(dòng)，繼而“運行”所實(shí)現的模型系統，對獲得的結果進(jìn)行分析，研究是否達到了仿真目的，如果達到了，則仿真成功，如果沒(méi)有達到，則重新進(jìn)行一個(gè)新的CDIO過(guò)程�；谏鲜龇治�，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緊密結合起來(lái)了，既適應于實(shí)驗，又適應于技能培訓等其他活動(dòng)，而且突出了仿真的過(guò)程特性，具有鮮明的指導意義，優(yōu)點(diǎn)明顯。
三、仿真新概念的教學(xué)實(shí)踐
1.控制系統計算機仿真技術(shù)教學(xué)面臨的問(wèn)題
�。�1）教學(xué)內容問(wèn)題。該課程現行的教學(xué)內容主要包括系統的數學(xué)模型、連續系統仿真、離散事件系統仿真、仿真工具介紹及仿真的應用等，相關(guān)內容與《自動(dòng)控制原理》、《現代控制理論》、《數值計算》、《數據結構與算法》、《數學(xué)建�！�、《參數估計與檢測》、《系統辨識》等課程有交叉和重疊。有關(guān)“數學(xué)模型”及“狀態(tài)空間方法”在《自動(dòng)控制原理》、《現代控制理論》中有詳細講述，“數值積分法”的內容在《數值計算》中有詳細講述，“建模方法”在《數學(xué)建�！�、《參數估計與檢測》、《系統辨識》等課程中有詳細講述，仿真工具介紹及仿真的應用等在《Matlab/Simulink程序設計與應用》課程中有大量講授等。當主要教學(xué)內容限定為上述內容時(shí)，不可避免地出現與其他課程內容交叉和重疊的現象，令教師和學(xué)生無(wú)法準確界定和掌握仿真課程的核心內容，使得教學(xué)效果不佳。
�。�2）教材選用問(wèn)題�！犊刂葡到y計算機仿真》課程的教學(xué)，曾經(jīng)采用過(guò)的教材達8種之多。對教材進(jìn)行分析發(fā)現，有一類(lèi)近似于以Matlab為基礎講述自動(dòng)控制原理，有一類(lèi)主要講述仿真的算法與實(shí)現，不涉及具體工具，還有一類(lèi)屬于仿真技術(shù)綜述的，尚不足以支持仿真課程體系建設，難以滿(mǎn)足實(shí)踐需求。
�。�3）教學(xué)方法問(wèn)題。就教學(xué)方法來(lái)說(shuō)，本課程的教學(xué)主要還停留在傳統的教學(xué)理念與方法上，通常是按照教學(xué)大綱規定的內容或者教材內容，結合多媒體進(jìn)行按部就班的教學(xué)。如上所述，由于本課程在教學(xué)內容和教材選用方面存在的問(wèn)題，常規教學(xué)方法面臨諸多弊端，難以把握仿真的核心概念，更難以培養實(shí)踐能力，嚴重滯后于時(shí)代發(fā)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計算機仿真課程教學(xué)改革問(wèn)題，但依托核心理念的改革尚顯不足，對CDIO實(shí)施的關(guān)鍵問(wèn)題，尚不有不同的認識。作者負責的控制系統計算機仿真技術(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，采用案列教學(xué)方式，著(zhù)眼于培養仿真專(zhuān)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)大綱的運用與修改。教學(xué)工作通常要遵守教學(xué)大綱的規定，不能隨意更改，但是對于教學(xué)改革項目可以適當放寬�？傮w而言，以遵守教學(xué)大綱的指導性原則為主，以遵守具體內容的限制為輔，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，以創(chuàng )新為目標，適當安排基于課題的“研討式”教學(xué)內容。增加課外實(shí)驗課時(shí)，增加任課教師和實(shí)驗員，通過(guò)第二課堂引導學(xué)生從事一個(gè)完整的“仿真項目”，以教學(xué)團隊的方式完成教學(xué)任務(wù)，改革教學(xué)考核方式。
�。�2）研討式教學(xué)方式。結合學(xué)生的興趣點(diǎn)與能力培養目標，課題組設計了若干個(gè)研討項目，鍛煉學(xué)生設計、構思能力，限于篇幅，本文簡(jiǎn)要介紹一項。安全帽佩戴方式問(wèn)題。安全帽是工程施工人員在工作現場(chǎng)最重要的勞動(dòng)防護用品，其佩戴方法有標準方法和經(jīng)驗方法。利用所學(xué)的仿真知識，比較兩種方法中是否存在較優(yōu)的方法，并給出佩戴建議。這一課題誘導學(xué)生提出了仿真人的概念，通過(guò)不同的高空墜物方式，檢驗仿真人的受傷程度，進(jìn)而檢驗安全帽的佩戴方式。本項討論在教學(xué)上結合采用多媒體教學(xué)、實(shí)際軟件編程過(guò)程展示、課堂研討小型項目、課外實(shí)踐大型項目等多種方式，以掌握CDIO核心概念、仿真課程精髓為目標，以是否能在實(shí)踐中靈活運用為檢驗標準，面向優(yōu)秀創(chuàng )新型人才培養，引發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習熱情，并取得了若干優(yōu)秀的成果，并且其影響力已擴展到大學(xué)畢業(yè)后的一生。
四、討論與總結
本文的主要貢獻是在教育創(chuàng )新大背景下，通過(guò)結合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，在教學(xué)內容選取、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。
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