智慧能源背景下控制系統(tǒng)仿真課程的CDIO模式教改實踐

劉代飛+付強+陳前軍

摘 要 智慧能源是能源行業(yè)的新變革和機遇，自動化專業(yè)必須自主適應能源格局的變化，開展以能力培養(yǎng)為導向的課程教改和實踐。長沙理工大學自動化專業(yè)依托國家級實驗教學示范中心逐步推進控制系統(tǒng)仿真課程教學改革。通過結合智慧能源對自動化專業(yè)人才的能力需求，設計CDIO教學大綱并優(yōu)化教學內容，進行教學方法和課程考核探索，課程教改取得了良好效果。

關鍵詞 智慧能源 控制系統(tǒng)仿真 CDIO 教學改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.03.037

Abstract Smarter energy is a new reform and opportunity to the energy industry. Automation discipline must adapt itself to the change of energy pattern， and carries out curriculum educational reform and practice based on ability cultivation. Reform of control system simulation course for Automation discipline has been implemented in Changsha University of Science and Technology based on national-level experimental teaching demonstration center. A course syllabus with CDIO model is designed and teaching contents are optimized according to the talent requirement of smart energy. The practice of course reform has achieved good results by developing teaching methods and course assessment.

Keywords smarter energy； control system simulation； CDIO； teaching reform

0 前言

我國經濟發(fā)展進入新常態(tài)，經濟增長驅動力和能源生產利用模式都在發(fā)生深刻的變革。能源領域的“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源是能源行業(yè)的一次新機遇。[1， 2]以新能源為基礎的智慧能源將突破傳統(tǒng)能源生產、消費和控制形式，成為推動人類社會生活方式的一次根本性革命。我國“十三五”規(guī)劃綱要中指出：積極構建智慧能源系統(tǒng)，加快推進能源全領域、全環(huán)節(jié)智慧化發(fā)展，提高可持續(xù)自適應能力。新興的智慧能源產業(yè)將是以能源、信息、自動化為核心，融合多領域技術和人才的集成創(chuàng)新發(fā)展。因此，自動化專業(yè)必須自主適應智慧能源對人才的核心需求，積極開展以能力培養(yǎng)為導向的課程建設和教學實踐。

長沙理工大學的自動化專業(yè)是湖南省特色專業(yè)，主要面向能源、電力等行業(yè)，培養(yǎng)德、智、體、美全面發(fā)展，具有扎實的自動控制系統(tǒng)基礎理論和能源電力專業(yè)知識，具備從事系統(tǒng)分析、設計、運行和科技開發(fā)等工作的寬口徑應用型高級工程計劃人才。其中，控制系統(tǒng)仿真是課程體系中的專業(yè)基礎課。通過運用MATLAB等平臺，進行現(xiàn)代發(fā)電過程的系統(tǒng)建模和控制仿真，培養(yǎng)學生運用所學知識分析和解決問題的能力。在瞄準時代能源格局變化主流前提下，如何全面提升學生的實踐、創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)能力，一直是本專業(yè)人才培養(yǎng)和課程教學中長期思考和探索和課題。

本專業(yè)在人才培養(yǎng)過程中引入CDIO模式，積極開展體系課程的教改和實踐。[3]CDIO是國際工程教育改革的成果，CDIO即構思（Conceive）、設計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）。[4， 5]基于CDIO模式的工程教育理念，以能力培養(yǎng)為目標，強調知識的綜合運用和思維能力的創(chuàng)新。智慧能源豐富和拓展了“控制系統(tǒng)仿真”課程的內容，而如何培養(yǎng)符合智慧能源人才能力需求的學生，是課程教學改革的重點。

1 控制系統(tǒng)仿真課程的CDIO改革要點

1.1 結合CDIO模式的必要性

智慧能源理念的實現(xiàn)和新興行業(yè)的發(fā)展，需要高素質自動化創(chuàng)新人才作支撐。智慧能源自動化的本質是通過對能源生產、轉換過程的全息信息綜合集成，實現(xiàn)以能源高效清潔利用為核心的智慧能源優(yōu)化、管理和服務。智慧能源新型自動化專業(yè)人才必須具備：全新的能源理念，綜合全面的智慧能源自動化體系專業(yè)知識，很強的能源智慧利用實踐動手能力，良好的智慧能源自動化技術應用創(chuàng)新能力。

CDIO工程教育模式是培養(yǎng)工程人才的有效途徑。面向智慧能源人才需求，開展控制系統(tǒng)仿真課程CDIO教學實踐非常必要。首先，這是能源變革和社會發(fā)展的時代需求。新常態(tài)經濟下，社會發(fā)展對專業(yè)人才的能力，尤其是創(chuàng)新能力，提出了更高的要求。其次，這是高等教育自身發(fā)展的內在需求。黨的十八提出“全面實施素質教育，深化教育領域綜合改革，著力提高教育質量，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神”。再次，這是能源行業(yè)和產業(yè)發(fā)展對人才知識技能和結構的基本要求。國家經濟進入轉型發(fā)展的高階段，社會用人單位更加關注學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。自動化專業(yè)需要進行“產、學、研、訓”多維度一體式人才培養(yǎng)的新實踐。

1.2 課程改革的要點

控制系統(tǒng)仿真課程的改革主要內容包括：教學大綱制定、教學內容準備、教學方法實施、課程考核評價。根據(jù)本專業(yè)工程教育要達到的預期效果，設計CDIO教學大綱，即明確要培養(yǎng)什么樣的學生，學生應掌握怎樣的知識、能力和態(tài)度，及其水平應達到的程度。[6]本課程舊大綱不足在于過多強調學生對MATLAB工具的學習，缺乏對系統(tǒng)的綜合分析和運行能力的培養(yǎng)。CDIO模式將工程人才能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面。因此，必須結合智慧能源在能源生產、優(yōu)化利用和綜合管理的實際需求，強化學生的基礎知識、個人能力、團隊能力和工程系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。圍繞教學大綱要實現(xiàn)的主要目標，調整教學內容并積極開展教學方法的實踐，努力探索課程考核方式，科學評價課程教學效果。

2 控制系統(tǒng)仿真課程CDIO教學實踐

2.1 教學內容的設計

原教學內容如下：（1）控制系統(tǒng)仿真概論；（2）連續(xù)系統(tǒng)仿真方法；（3）采樣控制系統(tǒng)采樣仿真方法；（4）數(shù)字仿真程序的設計；（5）MATLAB概述及MATLAB程序設計基礎；（6）MATLAB仿真程序設計；（7）Simulink軟件包使用及其在控制系統(tǒng)仿真中的應用。這種配置突出了學生MATLAB軟件基本功的訓練，強化了MATLAB程序設計、分析、調試程序的能力。不足之處在于：學生綜合運用自動控制專業(yè)知識，對復雜能源和電力系統(tǒng)進行分析、仿真與綜合的能力得不到系統(tǒng)性的訓練。例如，教學效果評價環(huán)節(jié)中，通過對畢業(yè)班學生的專業(yè)座談信息的收集整理發(fā)現(xiàn)，學生都認為該課程非常重要，但對課程學習的體會卻僅停留在“MATLAB的學習”的層面。

實際上，我校自動化專業(yè)具有非常明確的人才培養(yǎng)目標，即面向能源和電力行業(yè)培養(yǎng)特色的自動化專業(yè)人才。學生在控制系統(tǒng)的學習過程中有明確的工程背景和研究對象，如水力發(fā)電、火力發(fā)電、核能發(fā)電、新能源發(fā)電。本課程教學的預期目標之一是讓學生結合能源和電力實際工程控制對象，實現(xiàn)復雜過程系統(tǒng)的“MATLAB的學習、系統(tǒng)建模、過程控制、系統(tǒng)綜合分析”四個層次知識和能力的培養(yǎng)。可見，必須對教學內容進行調整，以強化能力培養(yǎng)。

智慧能源要求自動化專業(yè)學生，圍繞能源的生產、優(yōu)化利用和綜合管理，全面提升系統(tǒng)建模、優(yōu)化控制和協(xié)調管理的等重要技能。因此，要求學生將MATLAB作為一種系統(tǒng)分析和優(yōu)化的實用工具，把控制理論與工程實踐結合起來，實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)的分析綜合。教學內容的設計必須讓學生在學習進階過程，深刻體會到“MATLAB的學習，基于模型的系統(tǒng)仿真，基于模型的系統(tǒng)控制，復雜系統(tǒng)的分析和綜合管理”四個層次的不同，透徹理解四個層次“由易到難，由知識點的分散到運行的綜合”的遞進。結合CDIO模式的教學內容設計如下：（1）控制系統(tǒng)仿真概論；（2）MATLAB程序設計基礎；（3）自動控制原理與MATLAB實現(xiàn)；（4）數(shù)學建模與數(shù)值求解；（5）控制系統(tǒng)SimScape建模；（6）控制系統(tǒng)參數(shù)整定；（7）模型系統(tǒng)參數(shù)智能優(yōu)化；（8）模型系統(tǒng)的協(xié)調與優(yōu)化。調整后的教學內容，突出了學生在基礎知識、個人能力、團隊能力和工程系統(tǒng)等方面能力培養(yǎng)的新需求。

2.2 教學方法的探索

以老師講授為主的課堂教學缺乏學生參與度和體驗度，教學效果評價中學生反饋信息滯后性大。而“以生為本、自主學習”的教學重點突出了學生知識綜合應用和動手實踐能力培養(yǎng)，保證知識、能力、素質相互協(xié)調發(fā)展。常用方法如：案例教學法、情景教學法、討論法等。教學有法，教無定法。任何課程的實踐教學，必須結合學生主體的知識能力水平、培養(yǎng)方案知識結構構建時序和學校教育平臺資源，開展有效的教學探索。[7]

我校擁有國家級實驗教學示范中心——“能源系統(tǒng)與動力工程實驗教學中心”，這為面向智慧能源的自動化專業(yè)人才培養(yǎng)提供了平臺優(yōu)勢：（1）強化專業(yè)特色，推進面向科技前沿和工程實際的能力教學。增強“課堂教學、實驗教學和網(wǎng)絡教學”三位一體協(xié)同建設，注重學生專業(yè)知識框架的建立以及創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。（2）以生為本，注重因材施教，促進學生“厚基礎、寬口徑”的知識綜合應用能力和團隊能力的協(xié)調發(fā)展。強化學生動手實踐能力的訓練，培養(yǎng)和提高學生工程實踐能力。

開展本課程的CDIO教學，可充分激活“課堂講授+實驗教學+網(wǎng)絡教學”，本課程的教學并非單一模式，而是以學生能力培養(yǎng)為導向的綜合模式。根據(jù)不同階段要到達的目標，具體到要求學生“如何建模、如何利用模型進行系統(tǒng)分析、如何利用模型進行系統(tǒng)控制、如何基于模型提出自己的新觀點和新思想”。例如：對第一層次“MATLAB的學習”，可采用“教師講授+實例分析+個人練習”；第二層次“基于模型的系統(tǒng)仿真”，可采用“教師講授+建模實驗+專題研討”；第三層次“基于模型的系統(tǒng)控制”，可采用“教師講授+建模實驗+分小組討論”；第四層次“復雜系統(tǒng)的分析和綜合管理”，采用“情景分析+建模實驗+網(wǎng)絡教學+分小組研討”。通過組合教學方法等手段，逐級提升學生的基礎知識、個人能力、團隊能力和工程系統(tǒng)分析綜合能力。

2.3 教學考核的實踐

科學的教學評價對課程的建設和完善非常重要，運用不同考核和評價方式獲得反饋信息側重點是不同的。[8]常用的“平時成績+閉卷或開卷考試”課程考核方式，比較適合對基礎知識和結構體系掌握的考核評價。學生通過對知識點以及重難點內容的理解和強化記憶，就能較好地達到教學目標要求。但是對于以能力培養(yǎng)為主的課程考核，這種考評方式有很多不足之處。為了實現(xiàn)對學生多維度的考察，有必要調整課程考核方式。本課程對學生的考核，采用豐富平時考核的內容，加大平時成績的權重的方式進行。主要措施是：細化平時考核形式和考核主體，結合教學內容和四個層次的進階學習，分階段實施對學生基礎知識、個人能力、團隊能力和工程系統(tǒng)分析綜合能力進行考核評價。例如：將考核形式以題型的模式具體化，可分4類型：給定目標和要求進行程序設計、給定特定系統(tǒng)進行過程建模、給定系統(tǒng)模型進行參數(shù)整定、給定子系統(tǒng)模型進行分析和綜合。考核主體分為：個人和研究小組。通過組合考核形式和考核主體，開展學生學習進階各段的考核。

控制系統(tǒng)仿真課程是自動化專業(yè)集知識掌握和能力運行的重要課程。從人才培養(yǎng)課程體系的全局來看，它是上承自動控制理論基礎，中輔各類課程設計，下啟畢業(yè)設計的重要位置。實施對本課程教學效果的考核評價，不能遺漏兩方面非常重要的信息反饋：一方面是學生在大四畢業(yè)設計（論文）和答辯環(huán)節(jié)的反饋信息，另一方面是畢業(yè)參加工作后校友的反饋信息。我校自動化主要是面向能源、電力行業(yè)，在智慧能源背景下，業(yè)內用人單位對本校畢業(yè)生在業(yè)務能力上的綜合評價即是學生能力培養(yǎng)效果的重要體現(xiàn)。

3 結語

長沙理工大學能源與動力工程學院的自動化專業(yè)，面向能源、電力行業(yè)培養(yǎng)特色鮮明的工程技術人才。在智慧能源背景下，本專業(yè)依托“能源系統(tǒng)與動力工程實驗教學中心”這個國家級實驗教學示范中心，積極開展控制系統(tǒng)仿真課程的CDIO教學改革。根據(jù)能源新時代對人才的需求，調整教學大綱、優(yōu)化教學內容，在學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)上取得階段性成果，強化了專業(yè)特色和人才培養(yǎng)的行業(yè)優(yōu)勢。

參考文獻

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