论文部分内容阅读
摘要：鉴于工科硕士研究生课程教学中实践性环节不足的问题，在“线性系统理论”课程教学中，借鉴CDIO理念，以工程项目组成教学案例，采用计算机仿真手段，学生应用课程所学的理论知识，通过完成项目目标提高应用能力和综合解决问题的能力。
关键词：研究生课程；CDIO；线性系统理论
作者简介：王晓兰（1963-），女，甘肃天水人，兰州理工大学电气工程与信息工程学院，教授，博士生导师；王志文（1976-），男，甘肃民勤人，兰州理工大学电气工程与信息工程学院，副教授。（甘肃 兰州 730050）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）02-0054-01
一、研究生课程“线性系统理论”教学现状
CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运作（Operate）4个英文单词的缩写，它是“做中学”原则和“基于项目的教育和学习”的集中体现，它以工程项目的研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动实践、课程之间有机联系的方式学习工程技术。近年来，针对高校工科毕业生的培养质量，企业的共同反映是： 毕业生普遍缺乏对现代企业工作流程和文化地了解，上岗适应慢，缺乏团队工作经验，沟通能力、动手能力较差，缺乏创新精神和创新能力，职业道德、敬业精神等人文素质薄弱，所有这些都难以适应现代企业的发展需求。McKinsey Global Institute 2005年10月发表的一份报告称，我国2005年毕业的约60万工程技术人才中，适合在国际性公司工作的不到10%。分析认为其中的主要原因是中国教育系统偏于理论，相比欧洲和北美学生以团队方式解决实际问题的培养方式，中国学生几乎没有受到项目和团队工作的实际训练。工程教育的目的是为产业界培养合格的工程人才，在本科和研究生教育阶段，都应以能否满足产业界的需要作为衡量人才质量高低的首要标准。因此，在本科教学进行CDIO改革的同时，也应对研究生教育进行改革。我国的硕士研究生教育包含课程学习和学位论文研究两个重要阶段，对研究生学习能力、创新精神的培养不能仅着眼于论文研究阶段，而必须在课程学习阶段也予以同等地重视。
“线性系统理论”是本校电气信息类硕士研究生重要的学位课程，在第一学期开设。从课程角度看，该课程作为重要的学科基础课，课程内容在整个控制理论体系中占有非常重要的地位，是承接理论与应用的纽带，在培养研究生的系统概念、创新思维和科研能力方面具有重要的作用。从学生学习的角度看，学生处于从本科生到研究生学习的开始阶段，无论对教学内容，还是对教师的教学方法都还没有完全适应，多数学生还是沿用本科阶段的学习方式，对教师结合课程布置的有关研究性学习的课题缺乏有效的、科学的研究方法。如何基于课程要求培养研究生科学的研究方法和理论结合实际的能力，为以后的学位论文研究及工程实践奠定良好的基础，是一个值得深思的问题。
本课程目前存在的主要不足是对实践教学不够重视，对学生理论联系实践的能力培养不够。鉴于此，笔者在该课程的教学中，注重在讲授课程内容的同时，有目的和针对性地把系统控制理论中的研究方法贯穿于教学中，对研究生进行了学习、研究问题方法的培养和熏陶；引入CDIO理念，编写“线性系统理论”工程应用案例，通过计算机仿真手段，开展基于项目的教学实践，引导学生应用所学理论知识解决工程控制问题。
二、CDIO理念在工科硕士研究生课程教学中的实践
笔者基于项目或问题组织实践教学内容，这些项目或问题都需要应用线性系统理论的方法才能达到项目目标或使问题得到解决；通过计算机仿真手段，让学生寻求解决问题的方案，验证解决问题的效果；通过撰写项目研究报告、答辩等环节提高学生表达和沟通能力；通过总结和讨论，让学生将具体项目中学到的知识，提升为一般化的解决工程问题的能力。
教师编写实践教学案例以辅助讲义的形式发给学生，在理论课程进行的同时，由学生利用课余时间完成实践环节；每个学生必须选择一个基本项目和一个综合项目，基本项目需要独立完成，综合项目需要找一位同学合作完成；课程结束后教师组织一次答辩、演示并进行总结讨论，同时让学生提交项目研究报告。成绩按照项目研究深度、答辩情况和书面报告综合给出，作为平时成绩按较大比例计入课程最后成绩。
实践教学辅助讲义按照项目或案例进行组织。讲义中给出每个项目的基本原理、主要参数和项目目标。项目来源于工程应用原型，是一个实际的物理系统而不是数学模型。要求学生熟悉物理系统、建立数学模型、对模型进行线性化，进而应用线性系统的理论和方法解决问题，并分析系统在工程实现中存在的问题，提出工程实现方案。辅助讲义主要的案例有倒立摆的建模与控制、通信卫星光晕轨道控制、磁盘读写系统的建模与控制、风力发电非线性系统的建模与控制、连续全返混式反应釜非线性系统的建模与控制、发电厂锅炉和气机的建模与控制等。例如在风力发电非线性系统的建模与控制案例中，教师首先介绍该类系统的控制目标，对工作原理和主要物理关系进行简要介绍，再提出具体控制要求。学生在此基础上，需要翻阅参考资料，在进一步理解内容的基础上，通过运行机理分析建立风力发电系统的非线性模型；确定状态变量、控制变量和输出变量；选择系统的工作点，并对工作点进行线性化；搭建仿真模型，采用线性系统中学习过的多种控制算法进行系统控制，并对控制算法中的参数进行设计；通过仿真对结果进行分析和验证，撰写项目研究报告并进行答辩和成果演示。
如2010年秋季学期，某同学对风力发电非线性系统的建模与控制问题进行了较全面的研究。首先通过工作原理分析，建立了机理模型。在最大风能跟踪控制区域，选择了合适的工作点，通过泰勒公式建立了线性三阶状态空间方程。通过查阅厂家的数据手册，计算了模型参数设计了扰动风速模型。通过控制器设计，考察了风力机转速对扰动风速的不同响应，图1为采用基本控制器时，风力机转速对单位阶跃扰动风速的响应，图2为采用改进控制器时风力机转速对单位阶跃扰动风速的响应，图3为对控制器参数进行优化后，风力机转速对单位阶跃扰动风速的响应。可以看出，随着控制器地不断改进，风力机转速的动态响应性能逐渐得到提高。通过撰写研究报告、小组答辩等环节，该同学对课程所学知识产生了极大的兴趣，课程考试成绩不但优秀，而且利用所学的知识，已参与完成了老师的三个科研项目。硕士学位论文也非常优秀。
三、结论
课程教学是培养研究生科研和创新能力的基础，对于研究生知识结构的拓宽、批判思维的形成、科研能力的提升都具有非常重要的作用。通过在硕士研究生“线性系统理论”课程教学中引入案例性实践环节，引导学生思考课程中蕴涵的科学方法，加深学生对所学理论知识的理解，较全面地锻炼学生的科研实践能力，收到了良好的效果。
参考文献：
[1]查建中.论“做中学”战略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008，（3）.
[2]郑大钟.线性系统理论[M].第2版.北京：清华大学出版社，2002.
[3]张慧平，戴波，刘娜，等.基于CDIO教育理念的自动化课程改革与实践[J].电气电子教学学报，2009，31（S2）.
（责任编辑：李杰）
关键词：研究生课程；CDIO；线性系统理论
作者简介：王晓兰（1963-），女，甘肃天水人，兰州理工大学电气工程与信息工程学院，教授，博士生导师；王志文（1976-），男，甘肃民勤人，兰州理工大学电气工程与信息工程学院，副教授。（甘肃 兰州 730050）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）02-0054-01
一、研究生课程“线性系统理论”教学现状
CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运作（Operate）4个英文单词的缩写，它是“做中学”原则和“基于项目的教育和学习”的集中体现，它以工程项目的研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动实践、课程之间有机联系的方式学习工程技术。近年来，针对高校工科毕业生的培养质量，企业的共同反映是： 毕业生普遍缺乏对现代企业工作流程和文化地了解，上岗适应慢，缺乏团队工作经验，沟通能力、动手能力较差，缺乏创新精神和创新能力，职业道德、敬业精神等人文素质薄弱，所有这些都难以适应现代企业的发展需求。McKinsey Global Institute 2005年10月发表的一份报告称，我国2005年毕业的约60万工程技术人才中，适合在国际性公司工作的不到10%。分析认为其中的主要原因是中国教育系统偏于理论，相比欧洲和北美学生以团队方式解决实际问题的培养方式，中国学生几乎没有受到项目和团队工作的实际训练。工程教育的目的是为产业界培养合格的工程人才，在本科和研究生教育阶段，都应以能否满足产业界的需要作为衡量人才质量高低的首要标准。因此，在本科教学进行CDIO改革的同时，也应对研究生教育进行改革。我国的硕士研究生教育包含课程学习和学位论文研究两个重要阶段，对研究生学习能力、创新精神的培养不能仅着眼于论文研究阶段，而必须在课程学习阶段也予以同等地重视。
“线性系统理论”是本校电气信息类硕士研究生重要的学位课程，在第一学期开设。从课程角度看，该课程作为重要的学科基础课，课程内容在整个控制理论体系中占有非常重要的地位，是承接理论与应用的纽带，在培养研究生的系统概念、创新思维和科研能力方面具有重要的作用。从学生学习的角度看，学生处于从本科生到研究生学习的开始阶段，无论对教学内容，还是对教师的教学方法都还没有完全适应，多数学生还是沿用本科阶段的学习方式，对教师结合课程布置的有关研究性学习的课题缺乏有效的、科学的研究方法。如何基于课程要求培养研究生科学的研究方法和理论结合实际的能力，为以后的学位论文研究及工程实践奠定良好的基础，是一个值得深思的问题。
本课程目前存在的主要不足是对实践教学不够重视，对学生理论联系实践的能力培养不够。鉴于此，笔者在该课程的教学中，注重在讲授课程内容的同时，有目的和针对性地把系统控制理论中的研究方法贯穿于教学中，对研究生进行了学习、研究问题方法的培养和熏陶；引入CDIO理念，编写“线性系统理论”工程应用案例，通过计算机仿真手段，开展基于项目的教学实践，引导学生应用所学理论知识解决工程控制问题。
二、CDIO理念在工科硕士研究生课程教学中的实践
笔者基于项目或问题组织实践教学内容，这些项目或问题都需要应用线性系统理论的方法才能达到项目目标或使问题得到解决；通过计算机仿真手段，让学生寻求解决问题的方案，验证解决问题的效果；通过撰写项目研究报告、答辩等环节提高学生表达和沟通能力；通过总结和讨论，让学生将具体项目中学到的知识，提升为一般化的解决工程问题的能力。
教师编写实践教学案例以辅助讲义的形式发给学生，在理论课程进行的同时，由学生利用课余时间完成实践环节；每个学生必须选择一个基本项目和一个综合项目，基本项目需要独立完成，综合项目需要找一位同学合作完成；课程结束后教师组织一次答辩、演示并进行总结讨论，同时让学生提交项目研究报告。成绩按照项目研究深度、答辩情况和书面报告综合给出，作为平时成绩按较大比例计入课程最后成绩。
实践教学辅助讲义按照项目或案例进行组织。讲义中给出每个项目的基本原理、主要参数和项目目标。项目来源于工程应用原型，是一个实际的物理系统而不是数学模型。要求学生熟悉物理系统、建立数学模型、对模型进行线性化，进而应用线性系统的理论和方法解决问题，并分析系统在工程实现中存在的问题，提出工程实现方案。辅助讲义主要的案例有倒立摆的建模与控制、通信卫星光晕轨道控制、磁盘读写系统的建模与控制、风力发电非线性系统的建模与控制、连续全返混式反应釜非线性系统的建模与控制、发电厂锅炉和气机的建模与控制等。例如在风力发电非线性系统的建模与控制案例中，教师首先介绍该类系统的控制目标，对工作原理和主要物理关系进行简要介绍，再提出具体控制要求。学生在此基础上，需要翻阅参考资料，在进一步理解内容的基础上，通过运行机理分析建立风力发电系统的非线性模型；确定状态变量、控制变量和输出变量；选择系统的工作点，并对工作点进行线性化；搭建仿真模型，采用线性系统中学习过的多种控制算法进行系统控制，并对控制算法中的参数进行设计；通过仿真对结果进行分析和验证，撰写项目研究报告并进行答辩和成果演示。
如2010年秋季学期，某同学对风力发电非线性系统的建模与控制问题进行了较全面的研究。首先通过工作原理分析，建立了机理模型。在最大风能跟踪控制区域，选择了合适的工作点，通过泰勒公式建立了线性三阶状态空间方程。通过查阅厂家的数据手册，计算了模型参数设计了扰动风速模型。通过控制器设计，考察了风力机转速对扰动风速的不同响应，图1为采用基本控制器时，风力机转速对单位阶跃扰动风速的响应，图2为采用改进控制器时风力机转速对单位阶跃扰动风速的响应，图3为对控制器参数进行优化后，风力机转速对单位阶跃扰动风速的响应。可以看出，随着控制器地不断改进，风力机转速的动态响应性能逐渐得到提高。通过撰写研究报告、小组答辩等环节，该同学对课程所学知识产生了极大的兴趣，课程考试成绩不但优秀，而且利用所学的知识，已参与完成了老师的三个科研项目。硕士学位论文也非常优秀。
三、结论
课程教学是培养研究生科研和创新能力的基础，对于研究生知识结构的拓宽、批判思维的形成、科研能力的提升都具有非常重要的作用。通过在硕士研究生“线性系统理论”课程教学中引入案例性实践环节，引导学生思考课程中蕴涵的科学方法，加深学生对所学理论知识的理解，较全面地锻炼学生的科研实践能力，收到了良好的效果。
参考文献：
[1]查建中.论“做中学”战略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008，（3）.
[2]郑大钟.线性系统理论[M].第2版.北京：清华大学出版社，2002.
[3]张慧平，戴波，刘娜，等.基于CDIO教育理念的自动化课程改革与实践[J].电气电子教学学报，2009，31（S2）.
（责任编辑：李杰）