基于项目的CDIO理念在课程教学中的应用

第８卷第３期　２０１０年６月　实验科学与技术　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＶｏＩ＿８　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．２０１０　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：Ｇ６４２・４２３；ＴＰ２７１．４　文献标志码：Ｂ　文章编号：１６７２—４５５０（２０１０）０３—００８３—０３　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｒｏｊｅｃｔ－ｂａｓｅｄ　ＣＤＩＯ　Ｉｄｅａ　ｉｎ　Ｃｏｕｒｓｅ　Ｔｅａｃｈｉｎｇ　ＧＵＯ　Ｘｉａｏ—ｑｉｎ，ＣＡＯ　Ｇｕａｎｇ—ｚｈｏｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　５１８０６０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　ｇａｎｔｒｙ　ｃｒａｎｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ＣＤＩＯ　ｅｎｇｉｎｅｅｒ－　ｉｎｇ　ｄｅｕｃａｔｉｏｎ　ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｐｅｃｕｌｉａｒｉｔｙ　ｏｆ　ｌｉｎｅａｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｈｅｏｒｙ　ｃｏｕｒｓｅ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｉｓ　ｄｅｓｉｎｇ—ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ｆｏｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｔｒａｉｉｎｎｇ，　ｎａｄ　ｉｔｓ　ｆｉｎａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｇｏａｌ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ａ　ｓｍｏｏｔｈ　ａｎｄ　ｒａｐｉｄ　ｌｉｆｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｏｖｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ＷａＳ．ｃｏｎｃｅｉｖｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｔｅａｃｈ・　ｉｎｇ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｓｔｕｄｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｇｕｉｄｅｄ　ｔｏ　ｌｅａｒｎｉｎｇ　ａｃｔｉｖｅｌｙ　ｂｙ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ—ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｔｏ　ｅｘｐｌｏｒｅ　ａｃａｄｅｍｉｃ　ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ—ｂａｓｅｄ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　ｇｒｅａｄｙ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｌｅａｒｎｉｎｇ　ｅｎｔｈｕｓｉａｓｍ　ａｎｄ　ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ　ｎａｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｎａｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒａｃｔｉｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＣＤＩＯ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｄｕｃａｔｉｏｎ；ｌｉｎｅａｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｈｅｏｒｙ；ｄｅｓｉｎｇ・ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ｌｅａｒｎｉｎｇ；ｇａｎｔｒｙ　ｃｒａｎｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　１　引　言　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　２０００年ｌＯ月，由美国麻省理工学院和瑞典皇　高素质人才的目的。在线性系统理论教学中普遍存　家理工学院等４所大学组成的工程教育改革研究团　在的问题是控制理论与工程实际问题结合不紧密，　队提出、并持续发展和倡导了全新的ＣＤＩＯ（Ｃｏｎ—　课程公式多、数学推导繁琐，难以激发学生学习的　ｃｅｉｖｉｎｇ—Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ—Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ—Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）工程　积极性。为了改变这种状况，提高教学质量，改善　教育理念即构思一设计一实现一运行。该理念强调　教学效果，国内许多高校开展了广泛的探索和实　以能力培养为目标，并于２００４年成立了ＣＤＩＯ国　践，积累了一些宝贵的经验。孟月波等优化教学内　际合作组织。迄今已有几十所世界著名大学加入了　容，将教学与研究融为一体，提高了学生的科研能　ＣＤＩＯ组织。通过国际合作的方式，多个国家、大　力　Ｊ。齐晓慧把基于ＭＡＴ　ＬＡＢ／ＳＩ　ＭＵＬＩＮＫ的仿　学、专业可并行探索，大大加快了改革步伐，取得　真技术引入到课程教学的全过程，并围绕相关问题　了很大成绩¨　。　开展学术研究，在培养学生分析问题、解决问题等　线性系统理论是控制科学与工程一级学科下各　方面起到了积极的促进作用　Ｊ。但基于ＭＡＴＡＬＢ　二级学科点的专业基础课程，是后续现代控制理　的仿真实验毕竟不能取代实际物理实验，在线性系　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　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　收稿日期：２０１０—０１—１９　刻地领会和掌握控制理论知识和控制技术，并提高　基金项目：深圳大学精品课程建设项目。　团队合作能力和科研素质一直是我们思考的问题。　作者简介：郭小勤（１９６０一），女，硕士，副教授，主要从　近年来我们学院在实践环境建设方面提出了面向能　事控制理论与控制工程领域的教学与科研工作。　力培养的实验室提升计划，全面启动了基于ＣＤＩＯ　・８４・　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　２．２龙门吊车项目设计　员加入了ＣＤＩＯ组织，积极探索ＣＤＩＯ创新人才培　ＣＤＩＯ培养模式的愿景是为学生提供一种强调　养模式。本文结合线性系统理论课程特点和研究生　工程基础的、建立在真实世界的产品和系统的构思　培养目标，将ＣＤＩＯ工程教育理念引入课程教学，　一设计一实现一运行过程的背景环境基础上的工程　构思一设计一实施了具有工程应用背景的龙门吊车　教育。通过调研构思设计了以龙门吊车为工程背景　系统的实验项目，取得了较好的教学效果。　的单摆控制实验项目，该项目以模拟吊车在运输过　２　基于ＣＤＩＯ教育理念的项目设计　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，　２．１　ＣＤＩＯ能力培养大纲　构思、设计控制策略和控制算法并编程实现，通过　ＣＤＩＯ教学模式以产品从研发到运行的生命周　实验运行将物体快速、准确地运输到指定的位置，　期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间存　并在吊运的整个过程（起吊，运输，到达目的地）　在有机联系的方式学习工程。ＣＤＩＯ培养大纲（见　保持较小的摆动角。　表１）对工程教育应达到的能力目标做出了全面、　为了完成系统的设计目标，首先，学生需要充　系统、具体的表述，将工程毕业生的能力分为工程　分了解实验系统的组成和功能，学会编制程序实现　基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能　控制小车的位置和速度；其次，需要将任务进行分　力４个层面，要求以综合的培养方式使学生在这４　解，分解为起吊、运输、落地等子任务。确定完成　个层面达到预定的目标　Ｊ。我们在研究生培养方　每一子任务控制器的设计原则及控制器参数设计，　面比较注重工程能力和综合素质的培养。课程教学　并能根据不同状态切换控制器，完成调运任务；最　不仅使学生掌握课程所涉及的知识和技术，更重要　后，通过编程、实验调试和运行，若不能达到预定　的是让他们在学习的过程中培养能力（主动获取知　目的，则需要根据控制理论知识进行分析，采取相　识能力、逻辑思辨能力、口语表达能力、实验能　应的措施，重新修整控制策略和参数，直到得到满　力、系统设计能力及创新能力）。要达到以上目　意的实验结果为止。在实验中不可避免地遇到随机　的，必须将课程教学与实际工程项目有机联系在一　干扰、模型估计不准或模型变化等实际工程问题。　起。　为了有效地完成项目设计的总体目标，并配合　表１　ＣＤＩＯ能力培养教学大纲考察考察内容　课程主要知识点，我们设计了循序渐进的多层次实　培养要素　考察的主要内容　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　基础科学知识　、　训练；实验组２通过３个实验，比较经典控制方法　技术知识和推理　核心工程基础知识烽握程度　高级工程基础知识Ｊ　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　工程推理和解决问题能力　解决能力训练，即项目设计的总体目标。　个人职业技能与　实验中探寻知识能力　系统思维能力　３项目实施的方式与效果　职业道德　个人技能和道德　职业技能和道德　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　人际交往技能，　团队精神　的共性问题，如系统模型如何获得？怎样设计相应　团队协作和交流　交流　的控制器？所需完成的任务与控制器的设计指标有　外语交流　什么关系、如何确定？经典控制方法可以解决哪些　外部和社会环境　方面的问题？哪些问题需要用现代控制的方法来解　企业和社会的　企业及商业环境　决等，引导学生主动思考，应用所学知识探究规　ＣＤＩＯ系统　构思与工程系统　律。同时鼓励学生在项目设计的实践中仔细观测，　设计、实施、运行　认真思考，发现新问题，探索新知识，不断提高分　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　・８５・　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　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　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ｓｉｍｕ—　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　２．３。。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。　ｌｉｎｋ模型库提供的元件库根据逻辑关系构建控制；　有的采用ｓ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ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　表２多层次实验项目　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　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　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　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一设　计一实施一运作的全过程，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．ＣＤＩＯ大纲与工程创新型人　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　才培养［Ｊ］．高等教育研究学报，２００８，３１（４）：１５—１＆　［２］顾学雍．联结理论与实践的ｃＤ１０一清华大学创新性　工程教育的探索［Ｊ］．高等工程教育研究，２００９（１）：　ｌ１—２３．　［３］　孟月波，嵇启春．“线性系统理论”本科教学改革与实　践［Ｊ］．电气电子教学学，２００９（３１）（增刊）：２３—２５．　［４］　齐晓慧，王永川，董海瑞．仿真技术在线性系统理　论课程中的应用［Ｊ］．实验科学与技术，２００９，７（５）：　９９—１０１．　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。　［５］陆小华，熊光晶，陈珠琳．设计导向的工程教育改　革理念［Ｊ］．高等工程教育，２００７（６）：８３—８７．