基于CDIO培养模式的“船舶电站自动化”课程改革

［摘 要］ 通过对“船舶电站自动化”课程在实践与理论方面存在脱节现象，学生学习理论知识后工作中仍无法熟练应用，知行不一的问题的研究，将CDIO培养模式引入课程教学。通过对CDIO培养模式适应性改进，将符合CDIO培养模式的“讲授—系统设计—硬件实现—运行验证”课堂教学方法带入课程，并将科研用实时仿真系统应用于教学，便于学生利用该系统实现低成本装置运行验证，最后还对课程考核方式做出调整。课程改革实现理论与实践经验的接轨，培养了学生自我学习能力、创新思维能力和团队精神。

［关键词］ CDIO培养模式；课程改革；船舶电站自动化

［基金项目］ 2020年度海军工程大学教学改革项目“基于CDIO工程教学模式的《舰艇电站自动化》课程教学改革”

［作者简介］ 罗宁昭（1982—），男，辽宁沈阳人，电气工程博士，海军工程大学电气工程学院助理研究员，主要从事电气工程专业课教学与研究；肖 晗（1989—），女，湖北仙桃人，电气工程博士，海军工程大学电气工程学院讲师（通信作者），主要从事电气工程专业课教学与研究。

［中图分类号］ G642.3 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）10-0069-04         ［收稿日期］ 2020-05-26

“船舶电站自动化”课程是电气工程及其自动化专业的一门专业课程。本课程的主要任务就是研究舰船电站的各种自动装置和自动化电站系统。通过学习本课程，学生应掌握现有的电站自动化技术，而且对新近发展的自动化电站系统有一定的了解，具有初步分析电站自动化技术图纸的能力，同时为学生适应未来执掌船舶电站装备的发展打下基础。

一、课程存在的问题

目前课程的课堂教学存在一定的问题，课程的理论和实践存在脱节现象。在教学过程中，一直都以概念性知识讲解为主进行励磁、并车、功率分配等内容的教学，虽然这样有助于学生对概念性知识的掌握与理解，但学生在工作岗位进行实践应用时，理论知识点与实际情况存在一定差异，学生无法顺利地将理论知识转化成实际操作能力。占教学内容较大篇幅的电路实现部分，只能通过讲述使学生了解，学生对电路认知不深，一旦变换形式后就无法掌握，学生只会照猫画虎，其分析方法掌握不熟练。学生实践机会较少，对自动装置如何进行实际工作等内容不能建立完整的概念。同时，课程教学方法一成不变，课程教学以传统讲授式教学为主，课堂氛围过于枯燥乏味，导致教学效率不高。

CDIO培养模式是近年来国际工程教育改革的方向。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程［1-7］。以CDIO为关键词在CNKI网站进行检索，2021年有1 988篇论文，2020年有2 409篇论文，2019年有2 766篇论文，可见近些年来对CDIO培养模式的研究持续高热。因课程主要讲授船舶自动化原理及实现方法，与船舶各型电站自动控制设备紧密联系，完全可以将CDIO培养模式引入，对CDIO培养模式适当修改，使其从培养体系的模型变成适合课程的教学模型，使学生从设备的设计、实现再到运行的全过中学习设备和原理。以设备的设计实现过程为牵引，提高学生学习热情，提升学生思考问题、分析问题、解决问题的能力。同时与需求侧对接，将工作岗位对电气工程人才能力的需求作为培养的目标，使学生在毕业后能够解决工作岗位上所遇到的实际工程技术问题。

二、CDIO培养模式适应性改进

CDIO培养模式是一种人才培养模式，从实际工程角度出发培养适合的有能力的工程人员。模式强调培养目标、培养理念与课程体系的一体化设计，课程体系、教学方法、学习方法、考核方式和持续改进的一体化设计，知识、能力和素质培养的一体化，是面向高校所有专业教育的理论［1］。该模式是完整培养体系，应用到一门课程改革中来，难免“水土不服”。“船舶电站自动化”需要借助CDIO的工程教育理念，完成课程教学改革，将CDIO的理念和做法在课程具体操作过程中落地。

（一）学科知识基础

CDIO大纲中十分强调数学、物理学等自然科学的基础知识。而“船舶电站自动化”课时有限，无法对课程内容所需的自然科学知识进行再次讲解。为使学生能顺利完成本课程设置的项目，需要增加先导课程。

先导课程主要向学生介绍课程实施方法，互联网学习资源，推荐实用的资料查询手段。为保障课程顺利进行，还需要讲解在后续项目完成过程中需要频繁涉及的专业基础课程知识。先导知识内容如图1所示。先导知识主要包括发电机原理（发电机的组成、结构、运行原理、基本运行方程等）、数字控制技术（单片机、PLC编程）、模拟电子电路（模拟电子器件基本工作原理、运算放大器工作原理等）、电力电子技术（晶闸管原理、整流电路原理等）中的基础原理内容。这些内容都需要在课程开始之前带领学生回顾一遍。

（二）环境背景转换

CDIO培养模式重视对当代重要的政治、社会、法律和环境的表达，以及对学生价值观的塑造。建立学生的全球视野，使其了解人类活动的国际化情况及各种文化中的政治、社会、经济、工商和技术行为习惯的异同，熟悉国际和跨政府间的条约和联盟。针对不同院校的特殊情况，主要通过课程思政来实现学生价值观的塑造。取消企业与商业环境、财务经济性等内容的学习，用国家、军队的法规政策及相关国军标的介绍替代CDIO中的法律和政治系统以及工程规范的学习。

（三）由“构思—设计”向“讲授—自主设计”转变

CDIO培养模式中的构思指了解顾客需求和市场，掌握由新技术或潜在的需求所带来的机会，了解环境需求，确定必要的系统功能（以及系统的行为指标），讨论各种目标、功能、概念和结构间的取舍以及收敛所需的迭代，并描述项目的成本、绩效和进度的控制，认识风险和替代方案。

对需求侧的指标功能的分析，不适合在本课程中进行，同时成本及风险管控也超出课程讲解范畴。如将CDIO培养模式引入“船舶电站自动化”课程中，项目目标、功能、概念必须通过教师讲授并给定，限制学生的自主构思，否则课程进程不受控，容易出现学生构思需求与课程计划内容偏离的问题。因此课程中项目的实施必须以教师授课内容为牵引，结合部队装备的实际情况设置项目。将学生的自主性、创新能力培养纳入设计环节，在教师定制好的项目基础上，自主设计实现。为便于实施，项目应以软件控制算法为主，硬件电路设计为辅，否则学生天马行空的设计会给教师物料采购及后期验证带来压力，存在课程无法闭环的风险。

三、课堂教学方式改革

针对本课程内容所需掌握的实现原理进行阐释，确定地牵引课程进程，将构思部分的创新性内容转移至设计环节，部分放开学生设计的限制，通过实时仿真系统介入，降低设计对硬件器件的依赖，使得课程得以顺利进行。“船舶电站自动化”这门课程的学习要求就是通过讲课、设计问题以及实验的形式，学习船舶电站内相关设备的自动控制的基本理论和实现方法，以及它们之间的相互关系和应用。其授课形式不同以往的理论学习，更加注重理论的应用，在实践中真正提高学生的能力和素质。

CDIO培养模式可以改变传统的“教师满堂讲课，学生被动听课”的模式，建立以“教师为主导，学生为主体”的新型教学模式。该门课程通过实施具有研究性质和贴近工程实际的项目化教学方法，全程在设备的设计及运行的引导下开展授课。教师在每次课前先讲授本次课实践中需要用到的理论知识点，然后提出问题和任务，对学生进行课堂组织、方法指导和思路引导，学生根据任务完成工程项目方案的研究、设计、实现、总结全流程，实现师生的教学互动，如图2。

根据修订后的“船舶电站自动化”课程计划，课堂上需要合理安排课程内容，与课程改革前相比需要压缩部分重叠烦冗的装置介绍，腾出时间给课程项目的推进。课程以“理论讲授—系统设计—硬件实现—运行验证”的顺序推进教学。充分利用课下时间，将设计及硬件实现作为作业布置给学生，课堂只讲授原理知识，检验作业的运行效能，并交流设计体会。

“船舶电站自动化”教材中除绪论外，包括柴油发电机机组的自动启动和停机、同步发电机的自动并联、同步发电机自动励磁装置、同步发电机自动无功功率及有功功率调整、电站自动化系统5部分内容。课程需要针对每部分内容设置一个项目，对有条件的项目在实时仿真系统中进行验证，通过调整设计参数观察系统状态的变化情况，深入理解各参数间的运作关系，打通从理论到实际运行的最后一公里，让学生明晰装置运行背后的理论逻辑，提高学生对知识的掌握程度。课程项目设计情况如图3所示。

四、完善课程实践手段

传统的实践课程一般都是在实验设备上进行，学生根据实验设备的使用方法进行操作，记录相关数据。比如“励磁实验”，只需要学生按照要求调整负载的大小和励磁电流的大小，在电压不变的条件下，记录每次负载对应的励磁电流值后画曲线即可。实验中，学生可以了解到负载与励磁电流的关系，但是，全程按照规定操作设备，数据也填写在既定表格中，学生对实验结果已有预期，整个实验很难提起学生的兴趣。实验过程单一，学生无法对励磁的其他属性建立统一的认知，并不利于学生建立全面的“励磁”概念。这就需要对实践手段进行改革，改变传统单一的单现象的实验方案，将实验变为“设计—调试—运行”的项目方案，使学生在设计设备过程中，考虑到设备的全部功能及各功能之间的关系，并以最简单的方式加以实现。同时引入RTLAB实时仿真系统，利用该系统完成设计设备运行调试功能，检验设计正确性。RTLAB实时仿真系统可以模拟整船系统的各种工况，学生可以利用其了解装置参数改变对全系统工作的影响情况，掌握参数变化的意义，实现理论与实践经验的接轨。在经过课程实践后，学生可以对电站自动化系统有一个完整的认知，并具备相关设备的调试测试能力及运行维护能力。

五、课程考核方式改革

由于课程的授课方式及实践方式都要进行改革，因此考核方式也应进行适当调整。本课程在教学评价过程中，重视培养学生的工程应用能力，也重视培养学生的职业素养和团队协作能力。传统的课程考核评价方式大多是教师根据平时表现（占比40％）及期末考试卷面成绩（占比60％）来作出评价，而本课程更加注重过程考核，在课程结束再进行一个综合考核，尽量淡化试卷考核的比重。过程考核的重点放在学生设计能力、设备实现效果上，评价要素包括软硬件的功能、项目答辩的表现、设计创新性等，并让学生不断地根据上一个项目的表现进行总结和改进。过程考核成绩只有团队成绩，并不给出学生的个人成绩。课程结束的综合考核包括基础知识点的内容，电路基本知识的考核，应当权衡过程及终结性考核的比重，使得学生在学习过程中承受一定压力，促进学生自觉努力完成课程学习。

结语

通过对部分学生班次的教学实践，对CDIO培养模式教学改革的效果进行了验证。课堂教学过程从学生单纯听讲，转变为有意义、有目的的探索性学习，培养了学生自我学习能力、创新思维能力和团队协作能力。通过对部分学生赴工作岗位后的情况进行调研得知，普遍认为“船舶电站自动化”课程对船舶机电岗位工作十分有用，个别学生因对电站控制设备掌握透彻，在工作中已崭露头角，受到轮机部门的肯定。从多方反馈情况看，课程改革基本成功。

参考文献

［1］张颖.CDIO与OBE专业培养标准制定比较分析［J］.课程教育与研究，2015（5）：242-243.

［2］杨夏妮.CDIO模式的毕业设计实践［J］.福建电脑，2021（7）：149-150.

［3］孟稳.基于OBE和CDIO的“工业机器人编程与操作”课程教学探究［J］.黑龙江教育，2021（7）：91-92.

［4］汪祖华，罗坤顺，朱月，等.浅谈CDIO理念和CIPP评价模式在药剂学实践课程教学中的改革与应用［J］.广东化工，2021（14）：275-276.