用于解决系统建模与仿真中复杂 STEM 问题的 CDIO-CT 协作策略：以求解数学摆周期为例
物理教育
2026-02-10 v3 计算机与社会
数值分析
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摘要
基于问题与项目的 STEM 教育在培养学生创新能力方面发挥着重要作用。尽管构思-设计-实现-运作（CDIO）方法和计算思维（CT）在过去十年中是研究热点，但仍存在两点不足：CDIO 方法和 CT 被分开讨论，且缺乏一个用于处理系统建模与仿真中复杂 STEM 问题的一般框架。本文提出了一种基于 CDIO 和 CT 的协作策略，用于在一般框架下解决系统建模与仿真中的复杂 STEM 问题，其中 CDIO 关于“如何做”，CT 关于“如何思考”，而项目意味着“做什么”。作为示例，详细讨论了求解数学摆（MP）周期的问题。该问题中涉及的最具挑战性的任务是计算第一类完全椭圆积分（CEI-1）。在 STEM 教育理念中，所有问题都不止一种解法。对于 CEI-1 的计算，采用自顶向下策略讨论了四种方法，包括无穷级数法、算术-几何平均（AGM）法、Gauss-Chebyshev 法和 Gauss-Legendre 法。所涉及的算法可用于感兴趣的研发项目，并根据遇到的需求进行重用。该用于解决系统建模与仿真中复杂 STEM 问题的一般框架值得向大学生和教师推荐。
引用
@article{arxiv.2212.09209,
title = {CDIO-CT collaborative strategy for solving complex STEM problems in system modeling and simulation: an illustration of solving the period of mathematical pendulum},
author = {Hong-Yan Zhang and Yu Zhou and Yu-Tao Li and Fu-Yun Li and Yong-Hui Jiang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2212.09209},
year = {2026}
}
备注
27 pages, 12 figures, 11 tables