CDIO理念在研究生課程教學中的實踐

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

筆者基于項目或問題組織實踐教學內容，這些項目或問題都需要應用線性系統理論的方法才能達到項目目標或使問題得到解決；通過計算機仿真手段，讓學生尋求解決問題的方案，驗證解決問題的效果；通過撰寫項目研究報告、答辯等環節提高學生表達和溝通能力；通過總結和討論，讓學生將具體項目中學到的知識，提升為一般化的解決工程問題的能力。教師編寫實踐教學案例以輔助講義的形式發給學生，在理論課程進行的同時，由學生利用課余時間完成實踐環節；每個學生必須選擇一個基本項目和一個綜合項目，基本項目需要獨立完成，綜合項目需要找一位同學合作完成；課程結束后教師組織一次答辯、演示并進行總結討論，同時讓學生提交項目研究報告。成績按照項目研究深度、答辯情況和書面報告綜合給出，作為平時成績按較大比例計入課程最后成績。

實踐教學輔助講義按照項目或案例進行組織。講義中給出每個項目的基本原理、主要參數和項目目標。項目來源于工程應用原型，是一個實際的物理系統而不是數學模型。要求學生熟悉物理系統、建立數學模型、對模型進行線性化，進而應用線性系統的理論和方法解決問題，并分析系統在工程實現中存在的問題，提出工程實現方案。輔助講義主要的案例有倒立擺的建模與控制、通信衛星光暈軌道控制、磁盤讀寫系統的建模與控制、風力發電非線性系統的建模與控制、連續全返混式反應釜非線性系統的建模與控制、發電廠鍋爐和氣機的建模與控制等。例如在風力發電非線性系統的建模與控制案例中，教師首先介紹該類系統的控制目標，對工作原理和主要物理關系進行簡要介紹，再提出具體控制要求。學生在此基礎上，需要翻閱參考資料，在進一步理解內容的基礎上，通過運行機理分析建立風力發電系統的非線性模型；確定狀態變量、控制變量和輸出變量；選擇系統的工作點，并對工作點進行線性化；搭建仿真模型，采用線性系統中學習過的多種控制算法進行系統控制，并對控制算法中的參數進行設計；通過仿真對結果進行分析和驗證，撰寫項目研究報告并進行答辯和成果演示。

如2010年秋季學期，某同學對風力發電非線性系統的建模與控制問題進行了較全面的研究。首先通過工作原理分析，建立了機理模型。在最大風能跟蹤控制區域，選擇了合適的工作點，通過泰勒公式建立了線性三階狀態空間方程。通過查閱廠家的數據手冊，計算了模型參數設計了擾動風速模型。通過控制器設計，考察了風力機轉速對擾動風速的不同響應，圖1為采用基本控制器時，風力機轉速對單位階躍擾動風速的響應，圖2為采用改進控制器時風力機轉速對單位階躍擾動風速的響應，圖3為對控制器參數進行優化后，風力機轉速對單位階躍擾動風速的響應。可以看出，隨著控制器地不斷改進，風力機轉速的動態響應性能逐漸得到提高。通過撰寫研究報告、小組答辯等環節，該同學對課程所學知識產生了極大的興趣，課程考試成績不但優秀，而且利用所學的知識，已參與完成了老師的三個科研項目。碩士學位論文也非常優秀。

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