CDIO理念在研究生課程教學(xué)中的實(shí)踐

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“線性系統(tǒng)理論”是本校電氣信息類碩士研究生重要的學(xué)位課程，在第一學(xué)期開設(shè)。從課程角度看，該課程作為重要的學(xué)科基礎(chǔ)課，課程內(nèi)容在整個(gè)控制理論體系中占有非常重要的地位，是承接理論與應(yīng)用的紐帶，在培養(yǎng)研究生的系統(tǒng)概念、創(chuàng)新思維和科研能力方面具有重要的作用。從學(xué)生學(xué)習(xí)的角度看，學(xué)生處于從本科生到研究生學(xué)習(xí)的開始階段，無論對教學(xué)內(nèi)容，還是對教師的教學(xué)方法都還沒有完全適應(yīng)，多數(shù)學(xué)生還是沿用本科階段的學(xué)習(xí)方式，對教師結(jié)合課程布置的有關(guān)研究性學(xué)習(xí)的課題缺乏有效的、科學(xué)的研究方法。如何基于課程要求培養(yǎng)研究生科學(xué)的研究方法和理論結(jié)合實(shí)際的能力，為以后的學(xué)位論文研究及工程實(shí)踐奠定良好的基礎(chǔ)，是一個(gè)值得深思的問題。本課程目前存在的主要不足是對實(shí)踐教學(xué)不夠重視，對學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力培養(yǎng)不夠。鑒于此，筆者在該課程的教學(xué)中，注重在講授課程內(nèi)容的同時(shí)，有目的和針對性地把系統(tǒng)控制理論中的研究方法貫穿于教學(xué)中，對研究生進(jìn)行了學(xué)習(xí)、研究問題方法的培養(yǎng)和熏陶；引入cdio理念，編寫“線性系統(tǒng)理論”工程應(yīng)用案例，通過計(jì)算機(jī)仿真手段，開展基于項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)理論知識解決工程控制問題。

筆者基于項(xiàng)目或問題組織實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，這些項(xiàng)目或問題都需要應(yīng)用線性系統(tǒng)理論的方法才能達(dá)到項(xiàng)目目標(biāo)或使問題得到解決；通過計(jì)算機(jī)仿真手段，讓學(xué)生尋求解決問題的方案，驗(yàn)證解決問題的效果；通過撰寫項(xiàng)目研究報(bào)告、答辯等環(huán)節(jié)提高學(xué)生表達(dá)和溝通能力；通過總結(jié)和討論，讓學(xué)生將具體項(xiàng)目中學(xué)到的知識，提升為一般化的解決工程問題的能力。教師編寫實(shí)踐教學(xué)案例以輔助講義的形式發(fā)給學(xué)生，在理論課程進(jìn)行的同時(shí)，由學(xué)生利用課余時(shí)間完成實(shí)踐環(huán)節(jié)；每個(gè)學(xué)生必須選擇一個(gè)基本項(xiàng)目和一個(gè)綜合項(xiàng)目，基本項(xiàng)目需要獨(dú)立完成，綜合項(xiàng)目需要找一位同學(xué)合作完成；課程結(jié)束后教師組織一次答辯、演示并進(jìn)行總結(jié)討論，同時(shí)讓學(xué)生提交項(xiàng)目研究報(bào)告。成績按照項(xiàng)目研究深度、答辯情況和書面報(bào)告綜合給出，作為平時(shí)成績按較大比例計(jì)入課程最后成績。

實(shí)踐教學(xué)輔助講義按照項(xiàng)目或案例進(jìn)行組織。講義中給出每個(gè)項(xiàng)目的基本原理、主要參數(shù)和項(xiàng)目目標(biāo)。項(xiàng)目來源于工程應(yīng)用原型，是一個(gè)實(shí)際的物理系統(tǒng)而不是數(shù)學(xué)模型。要求學(xué)生熟悉物理系統(tǒng)、建立數(shù)學(xué)模型、對模型進(jìn)行線性化，進(jìn)而應(yīng)用線性系統(tǒng)的理論和方法解決問題，并分析系統(tǒng)在工程實(shí)現(xiàn)中存在的問題，提出工程實(shí)現(xiàn)方案。輔助講義主要的案例有倒立擺的建模與控制、通信衛(wèi)星光暈軌道控制、磁盤讀寫系統(tǒng)的建模與控制、風(fēng)力發(fā)電非線性系統(tǒng)的建模與控制、連續(xù)全返混式反應(yīng)釜非線性系統(tǒng)的建模與控制、發(fā)電廠鍋爐和氣機(jī)的建模與控制等。例如在風(fēng)力發(fā)電非線性系統(tǒng)的建模與控制案例中，教師首先介紹該類系統(tǒng)的控制目標(biāo)，對工作原理和主要物理關(guān)系進(jìn)行簡要介紹，再提出具體控制要求。學(xué)生在此基礎(chǔ)上，需要翻閱參考資料，在進(jìn)一步理解內(nèi)容的基礎(chǔ)上，通過運(yùn)行機(jī)理分析建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的非線性模型；確定狀態(tài)變量、控制變量和輸出變量；選擇系統(tǒng)的工作點(diǎn)，并對工作點(diǎn)進(jìn)行線性化；搭建仿真模型，采用線性系統(tǒng)中學(xué)習(xí)過的多種控制算法進(jìn)行系統(tǒng)控制，并對控制算法中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；通過仿真對結(jié)果進(jìn)行分析和驗(yàn)證，撰寫項(xiàng)目研究報(bào)告并進(jìn)行答辯和成果演示。

如2010年秋季學(xué)期，某同學(xué)對風(fēng)力發(fā)電非線性系統(tǒng)的建模與控制問題進(jìn)行了較全面的研究。首先通過工作原理分析，建立了機(jī)理模型。在最大風(fēng)能跟蹤控制區(qū)域，選擇了合適的工作點(diǎn)，通過泰勒公式建立了線性三階狀態(tài)空間方程。通過查閱廠家的數(shù)據(jù)手冊，計(jì)算了模型參數(shù)設(shè)計(jì)了擾動風(fēng)速模型。通過控制器設(shè)計(jì)，考察了風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速對擾動風(fēng)速的不同響應(yīng)，圖1為采用基本控制器時(shí)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速對單位階躍擾動風(fēng)速的響應(yīng)，圖2為采用改進(jìn)控制器時(shí)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速對單位階躍擾動風(fēng)速的響應(yīng)，圖3為對控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速對單位階躍擾動風(fēng)速的響應(yīng)。可以看出，隨著控制器地不斷改進(jìn)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)性能逐漸得到提高。通過撰寫研究報(bào)告、小組答辯等環(huán)節(jié)，該同學(xué)對課程所學(xué)知識產(chǎn)生了極大的興趣，課程考試成績不但優(yōu)秀，而且利用所學(xué)的知識，已參與完成了老師的三個(gè)科研項(xiàng)目。碩士學(xué)位論文也非常優(yōu)秀。

通過在碩士研究生“線性系統(tǒng)理論”課程教學(xué)中引入案例性實(shí)踐環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生思考課程中蘊(yùn)涵的科學(xué)方法，加深學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解，較全面地鍛煉學(xué)生的科研實(shí)踐能力，收到了良好的效果。（本文作者：王曉蘭、王志文 單位：蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院）