智慧能源背景下控制系统仿真课程的CDIO模式教改实践

摘 要 智慧能源是能源行业的新变革和机遇，自动化专业必须自主适应能源格局的变化，开展以能力培养为导向的课程教改和实践。长沙理工大学自动化专业依托部级实验教学示范中心逐步推进控制系统仿真课程教学改革。通过结合智慧能源对自动化专业人才的能力需求，设计CDIO教学大纲并优化教学内容，进行教学方法和课程考核探索，课程教改取得了良好效果。

关键词 智慧能源 控制系统仿真 CDIO 教学改革

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.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

我国经济发展进入新常态，经济增长驱动力和能源生产利用模式都在发生深刻的变革。能源领域的“互联网+”智慧能源是能源行业的一次新机遇。[1， 2]以新能源为基础的智慧能源将突破传统能源生产、消费和控制形式，成为推动人类社会生活方式的一次根本性革命。我国“十三五”规划纲要中指出：积极构建智慧能源系统，加快推进能源全领域、全环节智慧化发展，提高可持续自适应能力。新兴的智慧能源产业将是以能源、信息、自动化为核心，融合多领域技术和人才的集成创新发展。因此，自动化专业必须自主适应智慧能源对人才的核心需求，积极开展以能力培养为导向的课程建设和教学实践。

长沙理工大学的自动化专业是湖南省特色专业，主要面向能源、电力等行业，培养德、智、体、美全面发展，具有扎实的自动控制系统基础理论和能源电力专业知识，具备从事系统分析、设计、运行和科技开发等工作的宽口径应用型高级工程计划人才。其中，控制系统仿真是课程体系中的专业基础课。通过运用MATLAB等平台，进行现电过程的系统建模和控制仿真，培养学生运用所学知识分析和解决问题的能力。在瞄准时代能源格局变化主流前提下，如何全面提升学生的实践、创新和创业能力，一直是本专业人才培养和课程教学中长期思考和探索和课题。

本专业在人才培养过程中引入CDIO模式，积极开展体系课程的教改和实践。[3]CDIO是国际工程教育改革的成果，CDIO即构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）。[4， 5]基于CDIO模式的工程教育理念，以能力培养为目标，强调知识的综合运用和思维能力的创新。智慧能源丰富和拓展了“控制系统仿真”课程的内容，而如何培养符合智慧能源人才能力需求的学生，是课程教学改革的重点。

1 控制系统仿真课程的CDIO改革要点

1.1 结合CDIO模式的必要性

智慧能源理念的实现和新兴行业的发展，需要高素质自动化创新人才作支撑。智慧能源自动化的本质是通过对能源生产、转换过程的全息信息综合集成，实现以能源高效清洁利用为核心的智慧能源优化、管理和服务。智慧能源新型自动化专业人才必须具备：全新的能源理念，综合全面的智慧能源自动化体系专业知识，很强的能源智慧利用实践动手能力，良好的智慧能源自动化技术应用创新能力。

CDIO工程教育模式是培养工程人才的有效途径。面向智慧能源人才需求，开展控制系统仿真课程CDIO教学实践非常必要。首先，这是能源变革和社会发展的时代需求。新常态经济下，社会发展对专业人才的能力，尤其是创新能力，提出了更高的要求。其次，这是高等教育自身发展的内在需求。党的十八提出“全面实施素质教育，深化教育领域综合改革，着力提高教育质量，培B学生创新精神”。再次，这是能源行业和产业发展对人才知识技能和结构的基本要求。国家经济进入转型发展的高阶段，社会用人单位更加关注学生的实践能力和创新能力。自动化专业需要进行“产、学、研、训”多维度一体式人才培养的新实践。

1.2 课程改革的要点

控制系统仿真课程的改革主要内容包括：教学大纲制定、教学内容准备、教学方法实施、课程考核评价。根据本专业工程教育要达到的预期效果，设计CDIO教学大纲，即明确要培养什么样的学生，学生应掌握怎样的知识、能力和态度，及其水平应达到的程度。[6]本课程旧大纲不足在于过多强调学生对MATLAB工具的学习，缺乏对系统的综合分析和运行能力的培养。CDIO模式将工程人才能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面。因此，必须结合智慧能源在能源生产、优化利用和综合管理的实际需求，强化学生的基础知识、个人能力、团队能力和工程系统能力的培养。围绕教学大纲要实现的主要目标，调整教学内容并积极开展教学方法的实践，努力探索课程考核方式，科学评价课程教学效果。

2 控制系统仿真课程CDIO教学实践

2.1 教学内容的设计

原教学内容如下：（1）控制系统仿真概论；（2）连续系统仿真方法；（3）采样控制系统采样仿真方法；（4）数字仿真程序的设计；（5）MATLAB概述及MATLAB程序设计基础；（6）MATLAB仿真程序设计；（7）Simulink软件包使用及其在控制系统仿真中的应用。这种配置突出了学生MATLAB软件基本功的训练，强化了MATLAB程序设计、分析、调试程序的能力。不足之处在于：学生综合运用自动控制专业知识，对复杂能源和电力系统进行分析、仿真与综合的能力得不到系统性的训练。例如，教学效果评价环节中，通过对毕业班学生的专业座谈信息的收集整理发现，学生都认为该课程非常重要，但对课程学习的体会却仅停留在“MATLAB的学习”的层面。

实际上，我校自动化专业具有非常明确的人才培养目标，即面向能源和电力行业培养特色的自动化专业人才。学生在控制系统的学习过程中有明确的工程背景和研究对象，如水力发电、火力发电、核能发电、新能源发电。本课程教学的预期目标之一是让学生结合能源和电力实际工程控制对象，实现复杂过程系统的“MATLAB的学习、系统建模、过程控制、系统综合分析”四个层次知识和能力的培养。可见，必须对教学内容进行调整，以强化能力培养。

智慧能源要求自动化专业学生，绕能源的生产、优化利用和综合管理，全面提升系统建模、优化控制和协调管理的等重要技能。因此，要求学生将MATLAB作为一种系统分析和优化的实用工具，把控制理论与工程实践结合起来，实现对复杂系统的分析综合。教学内容的设计必须让学生在学习进阶过程，深刻体会到“MATLAB的学习，基于模型的系统仿真，基于模型的系统控制，复杂系统的分析和综合管理”四个层次的不同，透彻理解四个层次“由易到难，由知识点的分散到运行的综合”的递进。结合CDIO模式的教学内容设计如下：（1）控制系统仿真概论；（2）MATLAB程序设计基础；（3）自动控制原理与MATLAB实现；（4）数学建模与数值求解；（5）控制系统SimScape建模；（6）控制系统参数整定；（7）模型系统参数智能优化；（8）模型系统的协调与优化。调整后的教学内容，突出了学生在基础知识、个人能力、团队能力和工程系统等方面能力培养的新需求。

2.2 教学方法的探索

以老师讲授为主的课堂教学缺乏学生参与度和体验度，教学效果评价中学生反馈信息滞后性大。而“以生为本、自主学习”的教学重点突出了学生知识综合应用和动手实践能力培养，保证知识、能力、素质相互协调发展。常用方法如：案例教学法、情景教学法、讨论法等。教学有法，教无定法。任何课程的实践教学，必须结合学生主体的知识能力水平、培养方案知识结构构建时序和学校教育平台资源，开展有效的教学探索。[7]

我校拥有部级实验教学示范中心――“能源系统与动力工程实验教学中心”，这为面向智慧能源的自动化专业人才培养提供了平台优势：（1）强化专业特色，推进面向科技前沿和工程实际的能力教学。增强“课堂教学、实验教学和网络教学”三位一体协同建设，注重学生专业知识框架的建立以及创新意识的培养。（2）以生为本，注重因材施教，促进学生“厚基础、宽口径”的知识综合应用能力和团队能力的协调发展。强化学生动手实践能力的训练，培养和提高学生工程实践能力。

开展本课程的CDIO教学，可充分激活“课堂讲授+实验教学+网络教学”，本课程的教学并非单一模式，而是以学生能力培养为导向的综合模式。根据不同阶段要到达的目标，具体到要求学生“如何建模、如何利用模型进行系统分析、如何利用模型进行系统控制、如何基于模型提出自己的新观点和新思想”。例如：对第一层次“MATLAB的学习”，可采用“教师讲授+实例分析+个人练习”；第二层次“基于模型的系统仿真”，可采用“教师讲授+建模实验+专题研讨”；第三层次“基于模型的系统控制”，可采用“教师讲授+建模实验+分小组讨论”；第四层次“复杂系统的分析和综合管理”，采用“情景分析+建模实验+网络教学+分小组研讨”。通过组合教学方法等手段，逐级提升学生的基础知识、个人能力、团队能力和工程系统分析综合能力。

2.3 教学考核的实践

科学的教学评价对课程的建设和完善非常重要，运用不同考核和评价方式获得反馈信息侧重点是不同的。[8]常用的“平时成绩+闭卷或开卷考试”课程考核方式，比较适合对基础知识和结构体系掌握的考核评价。学生通过对知识点以及重难点内容的理解和强化记忆，就能较好地达到教学目标要求。但是对于以能力培养为主的课程考核，这种考评方式有很多不足之处。为了实现对学生多维度的考察，有必要调整课程考核方式。本课程对学生的考核，采用丰富平时考核的内容，加大平时成绩的权重的方式进行。主要措施是：细化平时考核形式和考核主体，结合教学内容和四个层次的进阶学习，分阶段实施对学生基础知识、个人能力、团队能力和工程系统分析综合能力进行考核评价。例如：将考核形式以题型的模式具体化，可分4类型：给定目标和要求进行程序设计、给定特定系统进行过程建模、给定系统模型进行参数整定、给定子系统模型进行分析和综合。考核主体分为：个人和研究小组。通过组合考核形式和考核主体，开展学生学习进阶各段的考核。

控制系统仿真课程是自动化专业集知识掌握和能力运行的重要课程。从人才培养课程体系的全局来看，它是上承自动控制理论基础，中辅各类课程设计，下启毕业设计的重要位置。实施对本课程教学效果的考核评价，不能遗漏两方面非常重要的信息反馈：一方面是学生在大四毕业设计（论文）和答辩环节的反馈信息，另一方面是毕业参加工作后校友的反馈信息。我校自动化主要是面向能源、电力行业，在智慧能源背景下，业内用人单位对本校毕业生在业务能力上的综合评价即是学生能力培养效果的重要体现。

3 结语

长沙理工大学能源与动力工程学院的自动化专业，面向能源、电力行业培养特色鲜明的工程技术人才。在智慧能源背景下，本专业依托“能源系统与动力工程实验教学中心”这个部级实验教学示范中心，积极开展控制系统仿真课程的CDIO教学改革。根据能源新时代对人才的需求，调整教学大纲、优化教学内容，在学生实践创新能力培养上取得阶段性成果，强化了专业特色和人才培养的行业优势。

参考文献

[1] 王忠敏.智慧能源正在向我们走来[J].中国标准化，2014（11）：52-54.

[2] 安建伟.什么是智慧能源产业创新与能源互联网？[J].互联网周刊，2015（7）：64-65.

[3] 谢七月，刘代飞，申忠利. 热工过程自动化人才培养模式改革的CDIO探索[J].科学咨询（科技・管理），2016.3：179-180.

[4] 康全礼，丁飞己.中国CDIO工程教育模式研究的回顾与反思[J].高等工程教育研究，2016.4：40-46.

[5] 刘荣佩，史庆南，陈扬建，王奇.CDIO工程教育模式[J].中国冶金教育，2011.5：9-11+13.

[6] 陶勇芳，商存慧. CDIO大纲对高等工科教育创新的启示[J].中国高教研究，2006.11：81-83.

[7] 朱玉雯，杨俊兰，王泽生.以创新型人才培养为目的的CDIO模式实践教学方法构建[J].中国冶金教育，2015.4：60-62.

[8] 朱家群，杨长春，刘巧英.CDIO模式中计算机专业教学评价的方法研究[J].实验室研究与探索，2011.9：296-298+369.