《創(chuàng)新工程教育》

創(chuàng)新工程教育

基于Mathematica?的CDIO教學(xué)實驗與工具顧學(xué)雍benkoo@谷德權(quán)johnkoo@stu.參與學(xué)生:韓相潤,尚坤,黃柯,王喆,瞿衢,王天居,李志弘,周晨佳,雷環(huán)為何倡議新工程教育?多項報告指出全球工程教育正面臨嚴重的危機尖子學(xué)生棄工從商工程學(xué)歷僅為書面的資格,未將開發(fā)工程技術(shù)列為終生志業(yè)現(xiàn)代工程系統(tǒng)的高度復(fù)雜性需要新的工程技術(shù)錯綜復(fù)雜的大型工程項目環(huán)境保護與可持久化的工程理念新工程技術(shù)提供了新的手段來實踐工程任務(wù)移動信息平臺與網(wǎng)絡(luò)化的知識庫自動化地生成，驗證，與修訂工程設(shè)計方案2/44層次化的教育需求（取自查2008）宏觀社會，產(chǎn)業(yè)與全球化的需求聯(lián)合國教科文組織產(chǎn)學(xué)合作教席(查建中)中觀學(xué)校與教育機構(gòu)的執(zhí)行策略麻省理工學(xué)院等校所創(chuàng)立的CDIO

(EdwardF.

Crawley)汕頭大學(xué)(顧佩華)微觀校內(nèi)基礎(chǔ)課程的設(shè)計與落實支撐科技創(chuàng)新的基礎(chǔ)建設(shè)與培育機制替產(chǎn)業(yè)之未來鋪墊的數(shù)理邏輯教程數(shù)理邏輯運用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)庫，信息系統(tǒng)設(shè)計

(顧學(xué)雍)數(shù)據(jù)分析與符號計算

(顧學(xué)雍,谷德權(quán))3/44反應(yīng)多層次需求的共同目標國際化Englishasthemaincommunicationmedium（全英文教學(xué)）國際學(xué)生與國際化的教師國際學(xué)生交換項目與國際間的教師交流

產(chǎn)學(xué)研合作引入產(chǎn)業(yè)規(guī)格(IndustrialStrength)的先進工程建模工具以產(chǎn)業(yè)趨勢為教學(xué)內(nèi)容的背景知識邀請領(lǐng)導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的公司或技術(shù)領(lǐng)軍人物參與課程設(shè)計與學(xué)生輔導(dǎo)

（partnershipandmentorship）做中學(xué)學(xué)生主動

Conceive（構(gòu)思）和

Design（設(shè)計）群體學(xué)習策略在教師指導(dǎo)下以課程內(nèi)容與項目計劃為學(xué)習單元

(Project-basedLearning)學(xué)生主導(dǎo)

Implement（實踐）和

Operate（操作）課堂活動將課堂經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為教育產(chǎn)品4/44聯(lián)結(jié)抽象知識與具象工程產(chǎn)品OperateLegend設(shè)計產(chǎn)品具象域抽象域ConceiveImplementDesignPatrickCousotEdwardCrawleyCousot教授所創(chuàng)的GaloisConnection表達式.5/44課程實踐報告第一波實驗配套課程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法數(shù)據(jù)庫（初級）課程實踐理念教師引導(dǎo)學(xué)生主動創(chuàng)作并協(xié)同所有課程與課件課程即產(chǎn)品（課件，錄像，設(shè)計文件，軟件產(chǎn)品，硬件設(shè)計）配套課程之連貫性（為工業(yè)工程系本科生設(shè)計的兩個連續(xù)課程）嚴格執(zhí)行質(zhì)量管制措施學(xué)習活動的模組化與集成策略每學(xué)期學(xué)生們至少完成一個完整的產(chǎn)品標準化并模組化的軟硬件開發(fā)工具SVN,

Eclipse,Mathematica?,和LegoMindstorm?利用學(xué)生的社會網(wǎng)絡(luò)來激勵并組織技術(shù)擴散的學(xué)習活動6/44課程內(nèi)容定位數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法熟悉并整合用于構(gòu)思(Conceive)與設(shè)計(Design)產(chǎn)品的工程與科學(xué)語言語言:

SVN,

Mathematica,Java,LegoMindstorm數(shù)據(jù)庫使用產(chǎn)業(yè)化的數(shù)據(jù)管理工具去實踐(Implement)與操作(Operate)信息密集的產(chǎn)品工具:

SVN,MySQL,

Mathematica,Eclipse7/44產(chǎn)品開發(fā)流程課堂講授個人作業(yè)小組項目小組進度報告討論與修正

課程就是產(chǎn)品

8/44課堂講授教師：不僅是講授抽象知識的演說者，而更是一個教練或?qū)а?，注重學(xué)生的表達與創(chuàng)意。教學(xué)活動注重創(chuàng)造學(xué)生間互相學(xué)習的氛圍，并培養(yǎng)學(xué)生勇于展現(xiàn)創(chuàng)意的文化。9/44內(nèi)容計劃初稿排練報告回顧星期二星期四星期六星期二星期四星期四質(zhì)量控制過程10/44進度報告單周或雙周一次的進度報告學(xué)生工作的進展將及時得到反饋教師與助教可及時提供指導(dǎo)和鼓勵11/44學(xué)生之間可以互相學(xué)習、

分享技術(shù)作業(yè)編寫對象—過程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的編譯器和模擬器圖形化編程語言圖靈完備的Petri-Net自動機具備符號運算的能力（類似Mathematica?

Kernel）學(xué)生產(chǎn)品二學(xué)生產(chǎn)品一12/44個人項目Conceive學(xué)生自主“構(gòu)思”一個實際項目Design通過撰寫建議書來“設(shè)計”項目Implement“實踐”項目，制作產(chǎn)品Operate在不同的應(yīng)用背景下“運作”產(chǎn)品13/44作業(yè)的指導(dǎo)原則軟件創(chuàng)作激勵學(xué)生開發(fā)計算科學(xué)的潛在價值工具的標準化主要編程語言Java集成開發(fā)環(huán)境

Eclipse

與

網(wǎng)絡(luò)化的版本控制服務(wù)SVN支持工具Mathematica?通過三次連貫的作業(yè)強化“產(chǎn)品持續(xù)開發(fā)”的理念許多學(xué)生僅僅把作業(yè)看成獨立而終極的練習通過成組化的作業(yè)使學(xué)生做到:在一個學(xué)期的課程中，創(chuàng)造一種可執(zhí)行的語言類似于

Mathematica?kernel

的功能14/44引導(dǎo)項目設(shè)計的模式化思維工具

(PatternLanguages)從真實的世界構(gòu)思項目使用

DesignPatternLanguage

描述問題通過撰寫計劃書設(shè)計項目.遵循

DesignPattern文檔規(guī)范撰寫計劃書通過實施項目創(chuàng)造產(chǎn)品使用MVC（模型-視圖-控制器）模式分解、整合項目在學(xué)習的環(huán)境中運作產(chǎn)品動員各類學(xué)習資源支持產(chǎn)品的實現(xiàn)15/44小組項目提示由學(xué)生自己提出計劃學(xué)生必須給出選擇項目的理由賦予學(xué)生責任意識使學(xué)生成為項目的主人青出于藍

Sixtystudents’

brainsoutrunone所有項目最終將趨于統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供了對所有系統(tǒng)進行抽象編碼的基礎(chǔ)性元素ADT

是計算與通信世界中的基本元件最基本的執(zhí)行策略：“分而治之，合而擊之”“分而治之，合而擊之”是一種在抽象與具象領(lǐng)域都適用的設(shè)計模式。英文為：DivideandConquer16/44數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的“分合”策略定義:將問題分解成許多子問題遞歸式地解決問題整合所有子問題的解決方案例子:MergeSort將一個數(shù)字鏈表分解成若干子鏈表遞歸地分解直至每個子鏈表只包含一個元素遞歸地將他們合并成有序數(shù)列Imagecourtesy:/tutes/uni/mergesort.gif17/44軟件工程中的分而治之ModelViewController18/44軟件工程中的合而擊之MODELCONTROLLERVIEW19/44技術(shù)分工的模板20/44學(xué)生項目實施21/44學(xué)生可獲得的資源教師的指導(dǎo)學(xué)生之間的相互學(xué)習基本的軟件與硬件圖書館、Internet等資源運動規(guī)劃黃柯，李志弘學(xué)生項目如何突出重圍？23/44路徑規(guī)劃尋找一條從給定起點到終點適當?shù)倪\動路徑在運動過程中無碰撞地繞過障礙物對于機器而言是極大的挑戰(zhàn)在高速、動態(tài)系統(tǒng)中尤為如此EricFeron,TrajectoryPlanningandSystemdynamics，2000基于Mathematica?的路徑規(guī)劃24/44使用快速擴展隨機樹（RRT）算法搜索可行路徑設(shè)計自動化尚坤，周晨佳學(xué)生項目設(shè)計自動化的工具加速

設(shè)計的過程LowEfficiency26/44家具設(shè)計的實例使用抽象模型自動產(chǎn)生具象設(shè)計方案1234527/44基于Mathematica?的自動設(shè)計工具28/444名大二學(xué)生組隊參加了清華大學(xué)創(chuàng)業(yè)設(shè)計大賽，并以前10的名次進入復(fù)賽本次比賽參賽隊伍達40余支，其中絕大多數(shù)為研究生該創(chuàng)意來源于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》課上所教授的內(nèi)容參賽產(chǎn)品為基于設(shè)計自動化的工具及其相關(guān)服務(wù)創(chuàng)新點：

產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)

的自動化工具產(chǎn)業(yè)應(yīng)用29/44“Dingdong”韓相潤，瞿衢，王喆學(xué)生項目Dingdong:從音樂到動作何謂樂器?何不反向運作?Dingdong()=Instrument-1()31/44{動作}

{音樂}樂器{音樂}

{動作}“Dingdong”Dingdong的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

（GaloisConnection）32/44Dingdong

的基礎(chǔ)元件33/44在短短幾周中…Mathematica?

為工作平臺34/44課程的連貫性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供思辨的邏輯基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫提供實踐的工程條件抽象語言具象工具數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ImplementConceive數(shù)據(jù)庫應(yīng)用信息產(chǎn)品設(shè)計模式DesignOperate35/44

我喜歡CDIO。它融理論與實踐于一體，并且充滿著樂趣。更重要的是，它不斷激發(fā)我們學(xué)習的熱情，促使我們?nèi)ヌ骄扛鱾€領(lǐng)域之間的內(nèi)在聯(lián)系，無論學(xué)科內(nèi)的、學(xué)科間的、還是課堂與現(xiàn)實生活之間的聯(lián)系。學(xué)生反饋陳興

IE536/44學(xué)生感言EstablishaCULTUREinEngineeringExcellence.LOVEandDEDICATIONtoengineeredproducts.Educategreatleaders,withaPASSION

toengineer

theworld.37/44結(jié)論應(yīng)用面的

CDIO學(xué)生的工程文化課程的相應(yīng)產(chǎn)品與副產(chǎn)品工具面的

CDIO

Internet,OpenSource,andMathematica?工具的性能決定實踐效能（工欲善其事，必先利其器）理論面的

CDIO聯(lián)結(jié)具象與抽象的數(shù)學(xué)框架GaloisConnectionsisaguidingprinciple數(shù)理邏輯的基礎(chǔ)語言學(xué)習過程的疊代效應(yīng)38/44未來發(fā)展建立一系列開放式的CDIO實驗課程聯(lián)合多校教師開發(fā)新課程清華大學(xué)顧學(xué)雍,趙磊,王凱波汕頭大學(xué)谷德權(quán)上海交大

江志斌東北大學(xué)

羅百一

(Prof.BartterHaarRomeny)2008年暑期班：ModelIntegratedSystemDesign建立多個CDIO創(chuàng)新工作室