基于项目的CD IO 理念在课程教学中的应用.pdf

第8卷第3期2010年6月实验科学与技术ExperimentScienceandTechnologyVol18No13Jun12010收稿日期:2010-01-19基金项目:深圳大学精品课程建设项目。作者简介:郭小勤(1960-),女,硕士,副教授,主要从事控制理论与控制工程领域的教学与科研工作。基于项目的CDIO理念在课程教学中的应用郭小勤,曹广忠(深圳大学机电与控制工程学院,广东深圳518060)摘要:根据CDIO工程教育理念,结合线性系统理论课程特点,设计了模拟真实工程环境的龙门吊车控制实验项目。该项目以设计为导向、工程能力培养为目标,构思了以吊运过程平稳性和快速性为总体控制目标的实验教学内容。在项目实施中,以问题为导向,引导学生主动学习,并在完成项目的整个过程中主动探寻学科知识。教学实践证明基于项目的教学模式极大地提高了学生学习的积极性和主动性,提高了科学研究能力和工程实践能力。关键词:CDIO工程教育；线性系统理论；设计导向学习；龙门吊车控制中图分类号:G642423；TP27114文献标志码:B文章编号:1672-4550(2010)03-0083-03ApplicationoftheProject2basedCDIOIdeainCourseTeachingGUOXiao2qin,CAOGuang2zhong(CollegeofElectromechanicalandControlEngineering,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,China)Abstract:TheexperimentprojectofgantrycranecontrolisdesignedtosimulatepracticalengineeringaccordingtotheCDIOengineer2ingeducationinitiativeandpeculiarityoflinearsystemtheorycourse.Theprojectisdesign2orientedforengineeringabilitytraining,anditsfinalcontrolgoaltoachieveasmoothandrapidliftingandmovingprocesswasconceivedforthecontentsofexperimentteach2ing.Intheprojectimplementation,studentsareguidedtolearningactivelybyproblems2orientedmethodandtoexploreacademicknowledgeinpractice.Teachingpracticeprovedthattheproject2basedteachingmodelgreatlyenhancestudentsplearningenthusiasmandinitiativeandimprovethecapacityofscientificresearchandengineeringpractice1Keywords:CDIOengineeringeducation；linearsystemtheory；design2orientedlearning；gantrycranecontrol1引言2000年10月,由美国麻省理工学院和瑞典皇家理工学院等4所大学组成的工程教育改革研究团队提出、并持续发展和倡导了全新的CDIO(Con2ceiving-Designing-Implementing-Operation)工程教育理念即构思设计实现运行。该理念强调以能力培养为目标,并于2004年成立了CDIO国际合作组织。迄今已有几十所世界著名大学加入了CDIO组织。通过国际合作的方式,多个国家、大学、专业可并行探索,大大加快了改革步伐,取得了很大成绩1-2。线性系统理论是控制科学与工程一级学科下各二级学科点的专业基础课程,是后续现代控制理论、最优控制等课程的基础。该课程的主要任务是通过对线性系统理论知识的学习,培养学生对控制系统的分析设计能力、工程实践能力和创新能力。但传统的以课堂授课为主的教学活动很难达到培养高素质人才的目的。在线性系统理论教学中普遍存在的问题是控制理论与工程实际问题结合不紧密,课程公式多、数学推导繁琐,难以激发学生学习的积极性。为了改变这种状况,提高教学质量,改善教学效果,国内许多高校开展了广泛的探索和实践,积累了一些宝贵的经验。孟月波等优化教学内容,将教学与研究融为一体,提高了学生的科研能力3。齐晓慧把基于MATLAB/SIMULINK的仿真技术引入到课程教学的全过程,并围绕相关问题开展学术研究,在培养学生分析问题、解决问题等方面起到了积极的促进作用4。但基于MATALB的仿真实验毕竟不能取代实际物理实验,在线性系统理论课程教学中,如何使控制理论与工程实际问题紧密结合,使学生在解决工程问题的过程中更深刻地领会和掌握控制理论知识和控制技术,并提高团队合作能力和科研素质一直是我们思考的问题。近年来我们学院在实践环境建设方面提出了面向能力培养的实验室提升计划,全面启动了基于CDIO实验科学与技术2010年6月的实践环境建设,并于2007年作为我国第二批成员加入了CDIO组织,积极探索CDIO创新人才培养模式。本文结合线性系统理论课程特点和研究生培养目标,将CDIO工程教育理念引入课程教学,构思-设计-实施了具有工程应用背景的龙门吊车系统的实验项目,取得了较好的教学效果。2基于CDIO教育理念的项目设计211CDIO能力培养大纲CDIO教学模式以产品从研发到运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践的、课程之间存在有机联系的方式学习工程。CDIO培养大纲(见表1)对工程教育应达到的能力目标做出了全面、系统、具体的表述,将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力4个层面,要求以综合的培养方式使学生在这4个层面达到预定的目标5。我们在研究生培养方面比较注重工程能力和综合素质的培养。课程教学不仅使学生掌握课程所涉及的知识和技术,更重要的是让他们在学习的过程中培养能力(主动获取知识能力、逻辑思辨能力、口语表达能力、实验能力、系统设计能力及创新能力)。要达到以上目的,必须将课程教学与实际工程项目有机联系在一起。表1CDIO能力培养教学大纲考察考察内容培养要素考察的主要内容技术知识和推理基础科学知识核心工程基础知识高级工程基础知识掌握程度个人职业技能与职业道德工程推理和解决问题能力实验中探寻知识能力系统思维能力个人技能和道德职业技能和道德人际交往技能,团队协作和交流团队精神交流外语交流企业和社会的CDIO系统外部和社会环境企业及商业环境构思与工程系统设计、实施、运行212龙门吊车项目设计CDIO培养模式的愿景是为学生提供一种强调工程基础的、建立在真实世界的产品和系统的构思-设计-实现-运行过程的背景环境基础上的工程教育。通过调研构思设计了以龙门吊车为工程背景的单摆控制实验项目,该项目以模拟吊车在运输过程中运动的平稳性和完成任务的快速性来设计控制系统。项目设计的总体目标是在单摆运动平台上,构思、设计控制策略和控制算法并编程实现,通过实验运行将物体快速、准确地运输到指定的位置,并在吊运的整个过程(起吊,运输,到达目的地)保持较小的摆动角。为了完成系统的设计目标,首先,学生需要充分了解实验系统的组成和功能,学会编制程序实现控制小车的位置和速度；其次,需要将任务进行分解,分解为起吊、运输、落地等子任务。确定完成每一子任务控制器的设计原则及控制器参数设计,并能根据不同状态切换控制器,完成调运任务；最后,通过编程、实验调试和运行,若不能达到预定目的,则需要根据控制理论知识进行分析,采取相应的措施,重新修整控制策略和参数,直到得到满意的实验结果为止。在实验中不可避免地遇到随机干扰、模型估计不准或模型变化等实际工程问题。为了有效地完成项目设计的总体目标,并配合课程主要知识点,我们设计了循序渐进的多层次实验任务如表2所示。每一组实验侧重不同能力和方法的训练。实验组1主要是注重控制器设计方法的训练；实验组2通过3个实验,比较经典控制方法和现代控制方法在多变量系统中的应用特点,并学会解决简单实际工程问题。实验组3是综合问题的解决能力训练,即项目设计的总体目标。3项目实施的方式与效果在项目实施中,树立“以学生为中心”的观念,引导学生“主动学习”。对于项目设计中可能遇到的共性问题,如系统模型如何获得?怎样设计相应的控制器?所需完成的任务与控制器的设计指标有什么关系、如何确定?经典控制方法可以解决哪些方面的问题?哪些问题需要用现代控制的方法来解决等,引导学生主动思考,应用所学知识探究规律。同时鼓励学生在项目设计的实践中仔细观测,认真思考,发现新问题,探索新知识,不断提高分48第8卷第3期郭小勤,等:基于项目的CDIO理念在课程教学中的应用析问题和解决问题能力。项目的实施不仅需要控制理论知识还需要一定技术手段来实现。在项目实施过程中,学生查阅了大量的文献,提出了多种解决方案。例如对于控制器切换条件的判断上,同学们采用了不同设计手段来实现,有的直接采用simu2link模型库提供的元件库根据逻辑关系构建控制；有的采用sfunction通过编写C程序实现控制转换的判断。为了验证设计的适应性和鲁棒性,要求每组必须在2台设备上正常运行,并分析差异。在项目设计的实践中,有的同学观察到影响吊运过程中摆角偏大的一个因素是起运瞬间很大的控制量问题,所以设计了具有前瞻值的参考输入信号,软化了阶跃输入,使得整个吊运过程最大的摆角只有213。这种在实践中发现新的问题并探索解决的方法,使学生的开放性思维得到了锻炼。表2多层次实验项目实验组号名称目的控制器类型1直线倒立摆控制通过控制器设计使倒立摆系统稳定运行(保持摆角在零度附近)11闭环极点配置方法21LQ控制器2一级顺摆控制11通过控制器设计控制顺摆的角度(保持摆杆垂直)21通过控制器设计控制小车的位置31通过控制器设计控制小车的位置(保持初始位置)并控制顺摆的角度保持摆杆垂直)PID控制器PID控制器控制器不限3一级顺摆扩展实验(龙门吊车实验)在单摆运动平台上,构思、设计控制策略和控制算法,通过实验将物体快速、准确地运输到指定的位置,并在吊运的整个过程(起吊,运输,到达目的地)保持较小的摆动角控制器不限由于该项目几乎涵盖了现代控制理论课程的全部内容,并和自动控制原理、运动控制、MATLAB程序设计、检测技术等多门课程相关,所以采用开放性实验管理,给学生营造一个宽松自由的环境,为学生的创造性和能动性提供广阔的空间。项目的实施以小组为单位,2人一组,小组成员分工协作。定期举行专题讨论、演讲。项目结束时举行项目答辩和现场实验运行演示,并提交项目研究报告。实验项目的评估是针对学生不同的能力用不同的方式来进行考核的。综合考虑小组实验效果、组员在小组内的贡献权重、项目实施过程中的记录、报告、演讲表现等。评价内容包括以下4个方面:(1)控制效果。主要考核项目运行的性能指标,如整个吊运过程所需时间、最大摆角偏差、期望位置误差和振荡次数。(2)答辩效果。完成项目描述的完整性、逻辑清晰、恰当的数据处理和表格表达、语言表达能力等。(3)开放性和创新性。在项目完成中所采用的技术的先进性、使用的灵活性和可靠性及项目实施中方法创新、技术创新或知识创新。(4)研究论文的写作情况。4结束语结合线性系统理论课程的特点,探讨了基于CDIO工程教育理念的、以项目设计为引导的实验教学模式。教学实践表明,该教学方法激发了学生学习的主动性,使学生体会到在实践中探寻知识的乐趣,更重要的是让学生参与整个项目的构思-设计-实施-运作的全过程,有助于学科素养、学术研究能力和工程实践能力的培养。参考文献1康全礼,陆小华,熊光晶1CDIO