《创新工程教育》PPT课件.pptx

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1、创新工程教育基于Mathematica的CDIO教学实验与工具,顾学雍 谷德权 参与学生: 韩相润, 尚坤, 黄柯, 王喆, 瞿衢, 王天居, 李志弘, 周晨佳, 雷环,为何倡议新工程教育?,多项报告指出全球工程教育正面临严重的危机 尖子学生弃工从商 工程学历仅为书面的资格, 未将开发工程技术列为终生志业 现代工程系统的高度复杂性需要新的工程技术 错综复杂的大型工程项目 环境保护与可持久化的工程理念 新工程技术提供了新的手段来实践工程任务 移动信息平台与网络化的知识库 自动化地生成，验证，与修订工程设计方案,2 / 44,层次化的教育需求 （取自查2008）,宏观 社会，产业与全球化的需求 联

2、合国教科文组织产学合作教席 (查建中) 中观 学校与教育机构的执行策略 麻省理工学院等校所创立的CDIO (Edward F. Crawley) 汕头大学 (顾佩华) 微观 校内基础课程的设计与落实 支撑科技创新的基础建设与培育机制 替产业之未来铺垫的数理逻辑教程 数理逻辑运用 数据结构, 数据库，信息系统设计 (顾学雍) 数据分析与符号计算 (顾学雍, 谷德权),3 / 44,反应多层次需求的共同目标,国际化 English as the main communication medium（全英文教学） 国际学生与国际化的教师 国际学生交换项目 与 国际间的教师交流 产学研合作 引入产业规格

3、(Industrial Strength)的先进工程建模工具 以产业趋势为教学内容的背景知识 邀请领导产业的公司或技术领军人物参与课程设计与学生辅导（partnership and mentorship） 做中学 学生主动 Conceive（构思）和 Design（设计）群体学习策略 在教师指导下以课程内容与项目计划为学习单元 (Project-based Learning) 学生主导 Implement（实践）和 Operate（操作）课堂活动 将课堂经验转化为教育产品,4 / 44,联结抽象知识与具象工程产品,Operate,设计,产品,具象域,抽象域,Conceive,Implement

4、,Design,Patrick Cousot,Edward Crawley,Cousot 教授所创的Galois Connection表达式.,5 / 44,课程实践报告,第一波实验配套课程 数据结构与算法 数据库 （初级） 课程实践理念 教师引导学生主动创作并协同所有课程与课件 课程即产品 （课件，录像，设计文件，软件产品，硬件设计） 配套课程之连贯性 （为工业工程系本科生设计的两个连续课程） 严格执行质量管制措施 学习活动的模组化与集成策略 每学期学生们至少完成一个完整的产品 标准化并模组化的软硬件开发工具 SVN, Eclipse, Mathematica, 和 Lego Mindsto

5、rm 利用学生的社会网络来激励并组织技术扩散的学习活动,6 / 44,课程内容定位,数据结构与算法 熟悉并整合用于构思(Conceive)与设计(Design)产品的工程与科学语言 语言: SVN, Mathematica, Java, Lego Mindstorm 数据库 使用产业化的数据管理工具去实践(Implement)与操作(Operate)信息密集的产品 工具: SVN,MySQL, Mathematica, Eclipse,7 / 44,产品开发流程,课程就是产品,8 / 44,课堂讲授,教师：不仅是讲授抽象知识的演说者，而更是一个教练或导演，注重学生的表达与创意。,教学活动注重创

6、造学生间互相学习的氛围，并培养学生勇于展现创意的文化。,9 / 44,质量控制过程,10 / 44,进度报告,单周或双周一次的进度报告 学生工作的进展将及时得到反馈 教师与助教可及时提供指导和鼓励,11 / 44,学生之间可以互相学习、分享技术,作业,编写对象过程网络系统的编译器和模拟器 图形化编程语言 图灵完备的Petri-Net自动机 具备符号运算的能力 （类似Mathematica Kernel）,学生产品二,学生产品一,12 / 44,个人项目,Conceive 学生自主“构思”一个实际项目 Design 通过撰写建议书来“设计”项目 Implement “实践”项目，制作产品 Ope

7、rate 在不同的应用背景下“运作”产品,13 / 44,作业的指导原则,软件创作激励学生开发计算科学的潜在价值 工具的标准化 主要编程语言 Java 集成开发环境 Eclipse 与 网络化的版本控制服务 SVN 支持工具 Mathematica 通过三次连贯的作业强化“产品持续开发”的理念 许多学生仅仅把作业看成独立而终极的练习 通过成组化的作业使学生做到: 在一个学期的课程中，创造一种可执行的语言 类似于 Mathematica kernel 的功能,14 / 44,引导项目设计的模式化思维工具 (Pattern Languages),从真实的世界 构思 项目 使用 Design Pat

8、tern Language 描述问题 通过撰写计划书 设计 项目. 遵循 Design Pattern 文档规范撰写计划书 通过 实施 项目 创造产品 使用 MVC（模型-视图-控制器） 模式分解、整合项目 在学习的环境中 运作 产品 动员各类学习资源支持产品的实现,15 / 44,小组项目提示,由学生自己提出计划 学生必须给出选择项目的理由 赋予学生责任意识 使学生成为项目的主人 青出于蓝 Sixty students brains outrun one 所有项目最终将趋于统一 数据结构提供了对所有系统进行抽象编码的基础性元素 ADT 是 计算与通信 世界中的基本元件 最基本的执行策略：“分

9、而治之，合而击之” “分而治之，合而击之”是一种在抽象与具象领域都适用的设计模式。 英文为：Divide and Conquer,16 / 44,数据结构中的“分合”策略,定义: 将问题分解成许多子问题 递归式地解决问题 整合所有子问题的解决方案 例子: Merge Sort 将一个数字链表分解成若干子链表 递归地分解直至每个子链表只包含一个元素 递归地将他们合并成有序数列,Image courtesy: ,17 / 44,软件工程中的分而治之,18 / 44,软件工程中的合而击之,MODEL,CONTROLLER,VIEW,19 / 44,技术分工的模板,20 / 44,学生项目实施,21

10、/ 44,学生可获得的资源 教师的指导 学生之间的相互学习 基本的软件与硬件 图书馆、Internet等资源,运动规划,黄柯，李志弘,学生项目,如何突出重围？,23 / 44,路径规划 寻找一条从给定起点到终点适当的运动路径 在运动过程中无碰撞地绕过障碍物 对于机器而言是极大的挑战 在高速、动态系统中尤为如此,Eric Feron, Trajectory Planning and System dynamics，2000,基于Mathematica的路径规划,24 / 44,使用快速扩展随机树（RRT）算法搜索可行路径,设计自动化,尚坤，周晨佳,学生项目,设计自动化的工具,加速 设计的过程,L

11、ow Efficiency,26 / 44,家具设计的实例,使用抽象模型自动产生具象设计方案,27 / 44,基于Mathematica的自动设计工具,28 / 44,4名大二学生组队参加了清华大学创业设计大赛，并以前10的名次进入复赛 本次比赛参赛队伍达40余支，其中绝大多数为研究生 该创意来源于数据结构与算法课上所教授的内容 参赛产品为基于设计自动化的工具及其相关服务 创新点： 产品设计与开发 的自动化工具,产业应用,29 / 44,“Dingdong”,韩相润，瞿衢，王喆,学生项目,Dingdong: 从音乐到动作,何谓乐器?,何不反向运作?,Dingdong() = Instrumen

12、t -1(),31 / 44,动作 音乐,乐器,音乐 动作,“Dingdong”,Dingdong 的数学基础 （Galois Connection）,32 / 44,Dingdong 的基础元件,33 / 44,在短短几周中,Mathematica 为工作平台,34 / 44,课程的连贯性,数据结构 提供思辨的逻辑基础 数据库 提供实践的工程条件,35 / 44,我喜欢CDIO。它融理论与实践于一体，并且充满着乐趣。更重要的是，它不断激发我们学习的热情，促使我们去探究各个领域之间的内在联系，无论学科内的、学科间的、还是课堂与现实生活之间的联系。,学生反馈,陈兴 IE5,36 / 44,学生感

13、言,Establish a CULTURE in Engineering Excellence. LOVE and DEDICATION to engineered products. Educate great leaders, with a PASSION to engineer the world.,37 / 44,结论,应用面的 CDIO 学生的工程文化 课程的相应产品与副产品 工具面的 CDIO Internet, Open Source, and Mathematica 工具的性能决定实践效能 （工欲善其事，必先利其器） 理论面的 CDIO 联结具象与抽象的数学框架 Galois

14、Connections is a guiding principle 数理逻辑的基础语言 学习过程的叠代效应,38 / 44,未来发展,建立一系列开放式的CDIO实验课程 联合多校教师开发新课程 清华大学 顾学雍, 赵磊, 王凯波 汕头大学 谷德权 上海交大 江志斌 东北大学 罗百一 (Prof. Bart ter Haar Romeny) 2008年暑期班： Model Integrated System Design 建立多个CDIO创新工作室及其跨院校的协同工作平台 通过多种渠道，整合各院校资源，实现广泛的资源分享,39 / 44,感谢下列单位以及个人,软件支援 Wolfram Research, Inc. Mathematica Visual Numerics, Inc. Apple Computers, Inc. 硬件支援 苹果电脑 端木恒 先生 戴尔电脑 高原 先生,40 / 44,谢谢！2008年5月23日 于上海交通大学,May Mathematica be with you !,