CDIO实践教学改革计算机仿真论文

2020-06-23实用文

  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(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。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。

上一篇:关于高校外事翻译的论文下一篇:中职计算机专业课程模块式教学改革初探论文