周 云, 曾 明, 鞠儒生, 段 紅

(1. 國防科技大學(xué) 信息系統(tǒng)與管理學(xué)院, 湖南 長沙 410073；2. 國防科技大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南 長沙 410073)

以項(xiàng)目為載體的仿真工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)

周 云1, 曾 明2, 鞠儒生1, 段 紅1

(1. 國防科技大學(xué) 信息系統(tǒng)與管理學(xué)院, 湖南 長沙 410073；2. 國防科技大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南 長沙 410073)

根據(jù)CDIO工程教育理念,分析仿真工程專業(yè)系列課程之間的內(nèi)在聯(lián)系,以項(xiàng)目為載體,一體化設(shè)計(jì)相互關(guān)聯(lián)的課程實(shí)驗(yàn),選擇符合工程實(shí)際的項(xiàng)目,使之貫穿相關(guān)課程,并建立各門課程的層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。在課程教學(xué)實(shí)踐中,全方位地訓(xùn)練學(xué)生的各種能力,實(shí)現(xiàn)學(xué)生綜合素質(zhì)的全面提高。

CDIO； 仿真工程； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 關(guān)聯(lián)性； 層次化體系

建模與仿真技術(shù)學(xué)科是以建模與仿真理論為基礎(chǔ),以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器為工具,根據(jù)研究目標(biāo),建立并運(yùn)行模型,對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行認(rèn)識(shí)與改造的一門綜合性、交叉性的新興學(xué)科,它為人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界提供了一種全新的方法和手段,并正迅速地發(fā)展為一項(xiàng)通用的、戰(zhàn)略性的技術(shù)科學(xué)[1]。目前,國內(nèi)外很多高校開設(shè)了計(jì)算機(jī)仿真相關(guān)的課程,一些高校也先后建立了仿真工程本科專業(yè),開展了仿真學(xué)科知識(shí)體系的研究和系列課程的建設(shè)[2]。我校于2002年設(shè)立了仿真工程本科專業(yè),開展了仿真系列課程的建設(shè)。鑒于軍用仿真技術(shù)對(duì)仿真科學(xué)與技術(shù)學(xué)科發(fā)展的特殊影響,2013—2014年,先后成立仿真工程研究所和指揮控制與仿真工程教研室,進(jìn)一步加強(qiáng)了仿真工程本科專業(yè)的建設(shè)。在以創(chuàng)新人才培養(yǎng)改革為牽引、以實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)為重要突破口,全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量和水平的思想指導(dǎo)下,重新梳理和調(diào)整了仿真工程本科專業(yè)的知識(shí)體系和課程體系,積極開展實(shí)踐教育理論的研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的探討,借鑒國際先進(jìn)工程教育理念CDIO,將理論、實(shí)踐、創(chuàng)新有機(jī)結(jié)合,系統(tǒng)設(shè)計(jì)系列課程的實(shí)驗(yàn),建立仿真工程本科專業(yè)系列課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

1 CDIO工程教育理念

CDIO(構(gòu)思(conceive)、設(shè)計(jì)(design)、實(shí)現(xiàn)(implement)和運(yùn)作(operate))是近年來國際工程教育改革的最新成果,是由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)經(jīng)過4年探索而創(chuàng)立的工程教育模式。迄今為止,已有幾十所世界著名大學(xué)采用了CDIO教育理念,培養(yǎng)的學(xué)生深受社會(huì)與企業(yè)的歡迎。CDIO自引入中國以來,已被國內(nèi)幾十所大學(xué)借鑒和發(fā)展,取得了很好的效果[3-8]。

CDIO以工程項(xiàng)目從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體,讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程,是“做中學(xué)”原則和“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”的集中體現(xiàn)[9-10]。CDIO的核心就是根據(jù)企業(yè)和社會(huì)對(duì)學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)的要求,以工程為導(dǎo)向、以項(xiàng)目為載體,將實(shí)踐與課程有機(jī)地聯(lián)系在一起,重新設(shè)置課程和教學(xué)模式,通過項(xiàng)目的研發(fā)過程,使學(xué)生掌握學(xué)科知識(shí),提高個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力和工程能力。

2 基于CDIO項(xiàng)目理念的課程實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)

基于CDIO項(xiàng)目理念的課程實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì),就是在明確課程之間關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上,以項(xiàng)目為載體,一體化設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)性的課程實(shí)驗(yàn),通過選擇符合工程實(shí)際的項(xiàng)目,使之貫穿相關(guān)課程實(shí)驗(yàn),并在各門課程中建立層次化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,實(shí)施體系化的課程實(shí)驗(yàn)。

2.1 明確課程之間的關(guān)聯(lián)

學(xué)科是按照知識(shí)體系的邏輯分類的,課程是按照學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行組織的,課程相對(duì)獨(dú)立,彼此關(guān)聯(lián)很少。而工程實(shí)踐則要求綜合運(yùn)用學(xué)科知識(shí),相互割裂的單科課程的學(xué)習(xí)不符合學(xué)生對(duì)工程問題的認(rèn)識(shí)規(guī)律,妨礙了知識(shí)的深層理解和工程能力的提高,不能滿足學(xué)生對(duì)解決實(shí)際問題的認(rèn)知和能力上的要求[11]。CDIO標(biāo)準(zhǔn)要求集成化課程體系設(shè)置,建立和發(fā)展課程之間的關(guān)聯(lián),使專業(yè)目標(biāo)得到多門課程的共同支持。以項(xiàng)目為引導(dǎo),通過倒推方式,理清各門課程的開設(shè)順序和課程之間的銜接問題。因此,在保證課程內(nèi)容完整性和系統(tǒng)性的基礎(chǔ)上,明確課程之間的關(guān)聯(lián),圍繞專業(yè)目標(biāo)設(shè)計(jì)相互支撐和有機(jī)聯(lián)系的一體化課程體系,是一體化設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)性的課程實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),是實(shí)現(xiàn)CDIO教學(xué)的前提。

2.2 設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)性的課程實(shí)驗(yàn)

CDIO模式倡導(dǎo)“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”。按照CDIO模式,以項(xiàng)目為載體、以關(guān)聯(lián)為線索,基于課程之間的內(nèi)在關(guān)系,一體化設(shè)計(jì)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn),可以使學(xué)科課程的關(guān)聯(lián)和支持關(guān)系通過關(guān)聯(lián)性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)凸顯出來。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),一方面可以將分布在各門課程中的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來,形成一個(gè)較為完備的知識(shí)體系,使學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)之間的聯(lián)系,沖破課程之間的壁壘,掌握各門課程知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系,整合學(xué)科知識(shí),并在解決實(shí)際問題過程中進(jìn)行綜合運(yùn)用；另一方面,使學(xué)生在系列課程實(shí)驗(yàn)的開始就接觸工程應(yīng)用問題,在后續(xù)的系列課程實(shí)驗(yàn)中逐步深入了解應(yīng)用需求,而不需要在每門課程中都去了解一個(gè)新的應(yīng)用背景,讓學(xué)生能夠聚焦問題,通過系列課程的實(shí)驗(yàn),為最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)工程化的仿真系統(tǒng)奠定知識(shí)和技術(shù)基礎(chǔ)。

2.3 選擇符合工程實(shí)際的合適項(xiàng)目

在基于CDIO模式的教學(xué)中,項(xiàng)目的選擇是基礎(chǔ)。作為承載實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目,應(yīng)該來自科研和工程第一線,是真正需要解決的問題。選擇符合工程實(shí)際的項(xiàng)目,可以讓學(xué)生直觀地感受專業(yè)知識(shí)和理論的實(shí)際應(yīng)用,激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性,積累工程知識(shí),培養(yǎng)各種能力。在選擇項(xiàng)目時(shí),還應(yīng)該注意以下2點(diǎn):

(1) 具有一定的綜合性,涵蓋足夠多的知識(shí)點(diǎn),緊扣課程的重點(diǎn)和難點(diǎn),滿足系列課程實(shí)驗(yàn)的要求；

(2) 具有合適的規(guī)模,難易程度適中,保證學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成,并能得到較為全面的鍛煉。

2.4 建立各門課程的層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

CDIO教學(xué)的目標(biāo)是培養(yǎng)具有學(xué)科知識(shí)、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力、工程能力的合格人才,“做中學(xué)”是其實(shí)現(xiàn)途徑。綜合考慮學(xué)生的整體水平與個(gè)體差異、個(gè)人能力的鍛煉與團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng),結(jié)合長期教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及曾提出的層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法[12],建立了實(shí)施各門課程實(shí)驗(yàn)的層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,以適應(yīng)CDIO能力培養(yǎng),如圖1所示。

圖1 課程實(shí)驗(yàn)的層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

3 仿真工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐

仿真工程原分屬于多個(gè)專業(yè),在導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制與仿真專業(yè)、系統(tǒng)工程專業(yè)、管理工程專業(yè)以及運(yùn)籌學(xué)專業(yè)等專業(yè)中均有仿真方向。我校的仿真工程專業(yè)是集教學(xué)、科研、生產(chǎn)為一體的軍事與技術(shù)合一的綜合性專業(yè),它以建模與仿真技術(shù)為基礎(chǔ),以作戰(zhàn)和裝備為背景,學(xué)習(xí)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)和使用維護(hù)、武器裝備的模擬訓(xùn)練和靶場試驗(yàn)等知識(shí)和理論,培養(yǎng)從事仿真系統(tǒng)研制、使用及綜合保障的技術(shù)人才。

仿真工程專業(yè)的專業(yè)系列課程主要包括離散事件仿真系列和連續(xù)系統(tǒng)仿真系列。離散事件仿真系列的主要課程有軟件技術(shù)基礎(chǔ)、離散事件仿真、面向?qū)ο蠓抡?、作?zhàn)模擬基礎(chǔ)、仿真系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)等；連續(xù)系統(tǒng)仿真系列的主要課程有計(jì)算方法、自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論、連續(xù)系統(tǒng)仿真等；它們之間的支撐與關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

圖2 仿真工程專業(yè)的主要專業(yè)課程及其關(guān)聯(lián)

以離散事件仿真系列為例,它要求學(xué)生在學(xué)習(xí)HLA標(biāo)準(zhǔn)和分布式仿真知識(shí)的基礎(chǔ)上,綜合運(yùn)用離散事件仿真系列課程中的基本知識(shí)和基本技能,完成基于HLA的分布式仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。這樣一門綜合實(shí)踐課程,既需要離散事件仿真的仿真策略、面向?qū)ο蠓抡娴慕７椒ā⒆鲬?zhàn)模擬基礎(chǔ)的作戰(zhàn)建模等方面知識(shí)的支撐,也需要軟件技術(shù)基礎(chǔ)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面的支持。軟件技術(shù)基礎(chǔ)是一門綜合課程,包括面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、軟件工程等內(nèi)容,為離散事件仿真系列課程提供實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

基于離散事件仿真系列課程之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,可以設(shè)計(jì)如下的關(guān)聯(lián)性課程實(shí)驗(yàn),如圖3所示。在仿真系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐課程中要求學(xué)生設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)基于HLA的分布式仿真系統(tǒng),例如潛艦對(duì)抗分布仿真系統(tǒng)。按照知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系,首先對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行分解,再將分解后的項(xiàng)目模塊分布到各課程實(shí)驗(yàn)中。在軟件技術(shù)基礎(chǔ)課程中引入仿真項(xiàng)目,以此為背景,在學(xué)習(xí)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的封裝、繼承和多態(tài)時(shí),完成類與對(duì)象的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；在學(xué)習(xí)離散事件仿真課程的事件調(diào)度法后,結(jié)合軟件技術(shù)基礎(chǔ)課程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí),完成事件調(diào)度法的仿真實(shí)驗(yàn)；學(xué)習(xí)面向?qū)ο蠓抡嬲n程時(shí),則利用面向?qū)ο蟮慕７椒?設(shè)計(jì)更為符合工程實(shí)際的仿真模型；而作戰(zhàn)模擬基礎(chǔ)課程中,則設(shè)置機(jī)動(dòng)、搜索與發(fā)現(xiàn)、打擊與毀傷的建模實(shí)驗(yàn)。這樣,學(xué)生在每一門課程的實(shí)驗(yàn)中,既收獲知識(shí)和能力,又為最后的綜合實(shí)踐打下基礎(chǔ)。

圖3 關(guān)聯(lián)性課程實(shí)驗(yàn)

在選擇符合工程實(shí)際的項(xiàng)目時(shí),以研發(fā)工作為基礎(chǔ),針對(duì)離散事件仿真系列課程的主要教學(xué)內(nèi)容,選擇了潛艦對(duì)抗、導(dǎo)彈攻防、高炮打飛機(jī)、艦艇對(duì)岸攻擊、坦克攻打碉堡等項(xiàng)目作為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

潛艦對(duì)抗項(xiàng)目為載體的軟件技術(shù)基礎(chǔ)課程3層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的設(shè)計(jì)如表1所示。每個(gè)主要知識(shí)點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)的基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和提高設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),每個(gè)主要知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的拓展綜合性實(shí)驗(yàn)建立在前一個(gè)拓展綜合性實(shí)驗(yàn)和對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的提高設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上,循序漸進(jìn),逐步遞進(jìn)。

表1 層次體系下的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

表1(續(xù))

在實(shí)施CDIO教學(xué)過程中,采用個(gè)人與小組相結(jié)合的形式組織實(shí)驗(yàn)。對(duì)于基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和提高設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生單人完成,逐個(gè)驗(yàn)收,給出個(gè)人評(píng)價(jià)。對(duì)于拓展綜合性實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生建立3人項(xiàng)目小組,分工協(xié)作,逐組驗(yàn)收,給出團(tuán)隊(duì)評(píng)價(jià)。同時(shí)要求項(xiàng)目小組的3位學(xué)生分別在3個(gè)拓展綜合性實(shí)驗(yàn)中擔(dān)任不同角色。通過這種方式,既鍛煉學(xué)生的個(gè)人能力,也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)能力。

4 關(guān)于CDIO教學(xué)的幾點(diǎn)思考

(1) 建設(shè)一支優(yōu)秀的師資隊(duì)伍是有效實(shí)施CDIO教學(xué)的保障。CDIO教學(xué)模式中,教師從傳統(tǒng)教學(xué)中的主講者轉(zhuǎn)化為教學(xué)活動(dòng)中的主導(dǎo)者,其性質(zhì)發(fā)生了變化。CDIO教學(xué)要求教師不但具備扎實(shí)的專業(yè)知識(shí),而且具備豐富的工程經(jīng)驗(yàn),還需要教師始終把握本專業(yè)最新動(dòng)態(tài),把最新的科研工程成果引入教學(xué)；圍繞CDIO項(xiàng)目的實(shí)施進(jìn)行教學(xué)計(jì)劃設(shè)計(jì)和課程關(guān)聯(lián)工作,需要打破教師之間的壁壘,加強(qiáng)教師間的溝通,改變教師各自為政的傳統(tǒng)做法。因此,CDIO教學(xué)模式對(duì)教師的要求更高了,需要教師傾注的精力也更多了。這就需要建立相應(yīng)機(jī)制,提高教師進(jìn)行CDIO教學(xué)的能力和積極性。

(2) 建立一個(gè)豐富的項(xiàng)目資源庫是持續(xù)開展CDIO教學(xué)的基礎(chǔ)。雖然可以通過校企合作獲取合適項(xiàng)目,但在大量學(xué)生參與的情況下,就需要建立資源豐富的經(jīng)典項(xiàng)目庫,保證有足夠的項(xiàng)目供學(xué)生學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。項(xiàng)目庫的內(nèi)容還應(yīng)與時(shí)俱進(jìn),不斷推陳出新,拓展增新。只有經(jīng)過長期實(shí)踐、認(rèn)真思考、持續(xù)積累和精心建設(shè),才能建立資源豐富的項(xiàng)目庫,支持CDIO教學(xué)的持續(xù)開展。

(3) 制定一套科學(xué)的評(píng)價(jià)方法是真正落實(shí)CDIO教學(xué)的關(guān)鍵。CDIO模式是能力本位的培養(yǎng)模式,其著重點(diǎn)在于幫助學(xué)生獲得走入社會(huì)所需的各種能力和素質(zhì)。評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的方法,必須從對(duì)知識(shí)的評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)能力的評(píng)價(jià),從主要根據(jù)閉卷理論考試成績轉(zhuǎn)變?yōu)椤皞€(gè)人考評(píng)+小組報(bào)告+理論筆試”的綜合評(píng)價(jià)方式。個(gè)人考評(píng)和小組報(bào)告伴隨著每次實(shí)驗(yàn)教學(xué)而進(jìn)行,理論筆試則在課程結(jié)束后統(tǒng)一進(jìn)行[13]。只有投入更多人力,嚴(yán)密組織教學(xué)評(píng)價(jià)活動(dòng),對(duì)學(xué)生能力做出客觀準(zhǔn)確的評(píng)判,才能真正落實(shí)CDIO教學(xué)。

5 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革以CDIO目標(biāo)成果的學(xué)科知識(shí)、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力、工程能力的培養(yǎng)為宗旨、以“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”為指導(dǎo)、以項(xiàng)目為載體、以系列課程之間的關(guān)聯(lián)為主線,設(shè)計(jì)仿真工程專業(yè)系列課程的課程實(shí)驗(yàn),并通過層次化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行實(shí)施。實(shí)踐表明,這樣的教學(xué)模式能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性。學(xué)生對(duì)專業(yè)相關(guān)知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)興趣、掌握程度以及對(duì)問題的綜合分析能力都比以前有了明顯提高,在各種競賽中取得較好成績,例如,獲得了2016年全國仿真大賽的特等獎(jiǎng)、一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。

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Design and practice of experimental system for simulation engineering professional courses based on projects

Zhou Yun1, Zeng Ming2, Ju Rusheng1, Duan Hong1

(1. College of Information System and Management, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China; 2. College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

According to the idea of CDIO(conceive-design-implement-operate) engineering education, the internal relations for simulation engineering professional courses are analyzed. The course experiments are integrated and designed based on the projects, the practical project is selected to run through the relevant courses, and a hierarchical experiment teaching system is established for each course. In the teaching practice, the students are fully trained in this way which results in the enhancement of their comprehensive quality.

CDIO(conceive-design-implement-operate); simulation engineering; experimental teaching; relavance; hierarchical system

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.048

2016-12-26

2014年度國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)教育教學(xué)研究課題“基于CDIO模式的我校仿真工程本科專業(yè)系列課程的實(shí)踐教學(xué)一體化設(shè)計(jì)與實(shí)施研究”

周云(1965—),女,湖南郴州,博士,副教授,主要從事系統(tǒng)建模與仿真方面的科研與教學(xué)工作.

E-mail：zhouyun8007@126.com

G642.423

B

1002-4956(2017)5-0194-04