《創(chuàng)新工程教育》

創(chuàng)新工程教育

基于Mathematica?的CDIO教學(xué)實(shí)驗(yàn)與工具顧學(xué)雍benkoo@谷德權(quán)johnkoo@stu.參與學(xué)生:韓相潤(rùn),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(xiàng)報(bào)告指出全球工程教育正面臨嚴(yán)重的危機(jī)尖子學(xué)生棄工從商工程學(xué)歷僅為書(shū)面的資格,未將開(kāi)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(cuò)綜復(fù)雜的大型工程項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)與可持久化的工程理念新工程技術(shù)提供了新的手段來(lái)實(shí)踐工程任務(wù)移動(dòng)信息平臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)化的知識(shí)庫(kù)自動(dòng)化地生成，驗(yàn)證，與修訂工程設(shè)計(jì)方案2/44層次化的教育需求（取自查2008）宏觀社會(huì)，產(chǎn)業(yè)與全球化的需求聯(lián)合國(guó)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(jī)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(jì)與落實(shí)支撐科技創(chuàng)新的基礎(chǔ)建設(shè)與培育機(jī)制替產(chǎn)業(yè)之未來(lái)鋪墊的數(shù)理邏輯教程數(shù)理邏輯運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)庫(kù)，信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(顧學(xué)雍)數(shù)據(jù)分析與符號(hào)計(jì)算

(顧學(xué)雍,谷德權(quán))3/44反應(yīng)多層次需求的共同目標(biāo)國(guó)際化Englishasthemaincommunicationmedium（全英文教學(xué)）國(guó)際學(xué)生與國(guó)際化的教師國(guó)際學(xué)生交換項(xiàng)目與國(guó)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(jìn)工程建模工具以產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)為教學(xué)內(nèi)容的背景知識(shí)邀請(qǐng)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(jì)與學(xué)生輔導(dǎo)

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

Conceive（構(gòu)思）和

Design（設(shè)計(jì)）群體學(xué)習(xí)策略在教師指導(dǎo)下以課程內(nèi)容與項(xiàng)目計(jì)劃為學(xué)習(xí)單元

(Project-basedLearning)學(xué)生主導(dǎo)

Implement（實(shí)踐）和

Operate（操作）課堂活動(dòng)將課堂經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為教育產(chǎn)品4/44聯(lián)結(jié)抽象知識(shí)與具象工程產(chǎn)品OperateLegend設(shè)計(jì)產(chǎn)品具象域抽象域ConceiveImplementDesignPatrickCousotEdwardCrawleyCousot教授所創(chuàng)的GaloisConnection表達(dá)式.5/44課程實(shí)踐報(bào)告第一波實(shí)驗(yàn)配套課程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法數(shù)據(jù)庫(kù)（初級(jí)）課程實(shí)踐理念教師引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)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(jì)文件，軟件產(chǎn)品，硬件設(shè)計(jì)）配套課程之連貫性（為工業(yè)工程系本科生設(shè)計(jì)的兩個(gè)連續(xù)課程）嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量管制措施學(xué)習(xí)活動(dòng)的模組化與集成策略每學(xué)期學(xué)生們至少完成一個(gè)完整的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化并模組化的軟硬件開(kāi)發(fā)工具SVN,

Eclipse,Mathematica?,和LegoMindstorm?利用學(xué)生的社會(huì)網(wǎng)絡(luò)來(lái)激勵(lì)并組織技術(shù)擴(kuò)散的學(xué)習(xí)活動(dòng)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(jì)(Design)產(chǎn)品的工程與科學(xué)語(yǔ)言語(yǔ)言:

SVN,

Mathematica,Java,LegoMindstorm數(shù)據(jù)庫(kù)使用產(chǎn)業(yè)化的數(shù)據(jù)管理工具去實(shí)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(kāi)發(fā)流程課堂講授個(gè)人作業(yè)小組項(xiàng)目小組進(jìn)度報(bào)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(shí)的演說(shuō)者，而更是一個(gè)教練或?qū)а荩⒅貙W(xué)生的表達(dá)與創(chuàng)意。教學(xué)活動(dòng)注重創(chuàng)造學(xué)生間互相學(xué)習(xí)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(jì)劃初稿排練報(bào)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(guò)程10/44進(jìn)度報(bào)告單周或雙周一次的進(jìn)度報(bào)告學(xué)生工作的進(jìn)展將及時(shí)得到反饋教師與助教可及時(shí)提供指導(dǎo)和鼓勵(lì)11/44學(xué)生之間可以互相學(xué)習(xí)、

分享技術(shù)作業(yè)編寫(xiě)對(duì)象—過(guò)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的編譯器和模擬器圖形化編程語(yǔ)言圖靈完備的Petri-Net自動(dòng)機(jī)具備符號(hào)運(yùn)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(gè)人項(xiàng)目Conceive學(xué)生自主“構(gòu)思”一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目Design通過(guò)撰寫(xiě)建議書(shū)來(lái)“設(shè)計(jì)”項(xiàng)目Implement“實(shí)踐”項(xiàng)目，制作產(chǎn)品Operate在不同的應(yīng)用背景下“運(yùn)作”產(chǎn)品13/44作業(yè)的指導(dǎo)原則軟件創(chuàng)作激勵(lì)學(xué)生開(kāi)發(fā)計(jì)算科學(xué)的潛在價(jià)值工具的標(biāo)準(zhǔn)化主要編程語(yǔ)言Java集成開(kāi)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M(jìn)athematica?通過(guò)三次連貫的作業(yè)強(qiáng)化“產(chǎn)品持續(xù)開(kāi)發(fā)”的理念許多學(xué)生僅僅把作業(yè)看成獨(dú)立而終極的練習(xí)通過(guò)成組化的作業(yè)使學(xué)生做到:在一個(gè)學(xué)期的課程中，創(chuàng)造一種可執(zhí)行的語(yǔ)言類似于

Mathematica?kernel

的功能14/44引導(dǎo)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的模式化思維工具

(PatternLanguages)從真實(shí)的世界構(gòu)思項(xiàng)目使用

DesignPatternLanguage

描述問(wèn)題通過(guò)撰寫(xiě)計(jì)劃書(shū)設(shè)計(jì)項(xiàng)目.遵循

DesignPattern文檔規(guī)范撰寫(xiě)計(jì)劃書(shū)通過(guò)實(shí)施項(xiàng)目創(chuàng)造產(chǎn)品使用MVC（模型-視圖-控制器）模式分解、整合項(xiàng)目在學(xué)習(xí)的環(huán)境中運(yùn)作產(chǎn)品動(dòng)員各類學(xué)習(xí)資源支持產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)15/44小組項(xiàng)目提示由學(xué)生自己提出計(jì)劃學(xué)生必須給出選擇項(xiàng)目的理由賦予學(xué)生責(zé)任意識(shí)使學(xué)生成為項(xiàng)目的主人青出于藍(lán)

Sixtystudents’

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

是計(jì)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(jì)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(wèn)題分解成許多子問(wèn)題遞歸式地解決問(wèn)題整合所有子問(wèn)題的解決方案例子:MergeSort將一個(gè)數(shù)字鏈表分解成若干子鏈表遞歸地分解直至每個(gè)子鏈表只包含一個(gè)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(xiàng)目實(shí)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(xí)基本的軟件與硬件圖書(shū)館、Internet等資源運(yùn)動(dòng)規(guī)劃黃柯，李志弘學(xué)生項(xiàng)目如何突出重圍？23/44路徑規(guī)劃尋找一條從給定起點(diǎn)到終點(diǎn)適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)路徑在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)碰撞地繞過(guò)障礙物對(duì)于機(jī)器而言是極大的挑戰(zhàn)在高速、動(dòng)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(kuò)展隨機(jī)樹(shù)（RRT）算法搜索可行路徑設(shè)計(jì)自動(dòng)化尚坤，周晨佳學(xué)生項(xiàng)目設(shè)計(jì)自動(dòng)化的工具加速

設(shè)計(jì)的過(guò)程LowEfficiency26/44家具設(shè)計(jì)的實(shí)例使用抽象模型自動(dòng)產(chǎn)生具象設(shè)計(jì)方案1234527/44基于Mathematica?的自動(dòng)設(shè)計(jì)工具28/444名大二學(xué)生組隊(duì)參加了清華大學(xué)創(chuàng)業(yè)設(shè)計(jì)大賽，并以前10的名次進(jìn)入復(fù)賽本次比賽參賽隊(duì)伍達(dá)40余支，其中絕大多數(shù)為研究生該創(chuàng)意來(lái)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(jì)自動(dòng)化的工具及其相關(guān)服務(wù)創(chuàng)新點(diǎn)：

產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

的自動(dòng)化工具產(chǎn)業(yè)應(yīng)用29/44“Dingdong”韓相潤(rùn)，瞿衢，王喆學(xué)生項(xiàng)目Dingdong:從音樂(lè)到動(dòng)作何謂樂(lè)器?何不反向運(yùn)作?Dingdong()=Instrument-1()31/44{動(dòng)作}

{音樂(lè)}樂(lè)器{音樂(lè)}

{動(dòng)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(tái)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(kù)提供實(shí)踐的工程條件抽象語(yǔ)言具象工具數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ImplementConceive數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用信息產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式DesignOperate35/44

我喜歡CDIO。它融理論與實(shí)踐于一體，并且充滿著樂(lè)趣。更重要的是，它不斷激發(fā)我們學(xué)習(xí)的熱情，促使我們?nèi)ヌ骄扛鱾€(gè)領(lǐng)域之間的內(nèi)在聯(lián)系，無(wú)論學(xué)科內(nèi)的、學(xué)科間的、還是課堂與現(xiàn)實(shí)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(shí)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(yǔ)言學(xué)習(xí)過(guò)程的疊代效應(yīng)38/44未來(lái)發(fā)展建立一系列開(kāi)放式的CDIO實(shí)驗(yàn)課程聯(lián)合多校教師開(kāi)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(gè)CDIO創(chuàng)新工作室