仿真課群教學改革與實踐

廖守億,張金生,陳堅,劉志國

摘要：仿真類課程是控制科學與工程學科的重要課程。本文從提高學員綜合素質入手，結合我校控制科學與工程學科和測控工程專業教學改革實踐，從教學內容改革、教學資源建設、實踐教學環節完善、師資隊伍建設、人才培養等方面開展了全方位、高質量的仿真課群建設探索與實踐。

關鍵詞：仿真；課群；教學改革；實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）10-0098-03

一、引言

仿真技術已成為與理論研究、實驗研究并列的第三種認識和改造客觀世界以及科學研究的手段，因此仿真技術被認為是一種“使能”技術。仿真類課程是控制科學與工程學科的重要課程，在理論和實驗教學、科學研究、裝備研制中都發揮著不可替代的作用。因此，建設好仿真課群對于學員專業素質的提高與創新能力的培養具有重要的意義。

仿真科學與技術是一門多學科交叉融合的新興學科。因此，相關專業能力的培養不可能靠一兩門課程的配置達到，需要精心設置和規劃相關課群，并從基本概念、基本方法、基本理論、工程應用等方面進行整合和統一架構化，形成一個以培養學生專業素質為目的的仿真課群體系。

本教學組在教學內容改革、師資隊伍建設、教學資源建設、實踐教學完善、人才培養等方面開展了全方位、高質量的仿真課群建設探索與實踐，對該課群內的《計算機仿真技術》、《系統仿真技術》、《復雜系統建模與仿真》、《導彈控制系統仿真實驗》及《精確制導武器半實物仿真技術》等課程進行了有創新性的、高質量的整合和優化，使課群內各門課程的整體教學水平得到了大幅度的提高。通過十多年的教學實踐，形成了一個特色鮮明的仿真課群體系。

二、建立了本碩博一體的菜單式課群體系，實現了課群內課程內容的整合、優化與統一架構

為適應教學改革的發展，同時也為了進一步符合本科生、研究生的教學要求，根據不同培養目標定位和仿真類課程的特點，以培養寬口徑、基礎扎實和具有創新性的高素質人才為目標，按照理論和實踐、知識和能力相互配合、重在實踐的教學理念，構建了以本科《計算機仿真技術》、碩士《系統仿真技術》、《導彈控制系統仿真實驗》和博士《復雜系統建模與仿真》、《精確制導武器半實物仿真技術》適合于本碩博一體、菜單式的課群體系，制定了相應的課程標準，精選了教學內容。

在如何精選課程內容，避免課群內教學內容大量重疊方面，課題組經過了多年的探索和實踐。我們認為，仿真方向的課程教學內容要從宏觀上分為三個層次：基礎級、提高級和前沿級，這三個級別分別對應于本科生、碩士研究生和博士研究生。對本科生來說，主要定位于最基礎的理論和最基本的方法；對碩士研究生來說，主要定位于工程應用技術，特別是當今工程實踐中普遍采用的成熟理論和方法；對博士研究生來說，主要定位于仿真技術的發展前沿和基礎理論，特別是關注當今研究的熱點問題。

基于這樣的思路，本科課程應該準確地定位于仿真學科基礎級課程。換言之，該課程的教學目標是為所有其它仿真類和控制類課程打下最底層的知識基礎。因而本科《計算機仿真技術》課程在課時有限的限制下，將主要內容定位在仿真基本概念和連續系統的仿真方法上，而對離散事件系統仿真以及仿真技術的具體工程應用則只作一般性了解的要求，一句話，本科的課程主要讓學員掌握基本的仿真方法。

事實上，這種定位與美國亞利桑那大學面向建模與仿真領域的“建模仿真理論與應用”課程、系統工程方向的“系統仿真”課程以及澳大利亞皇家墨爾本理工大學的“仿真技術導論”、麻省理工學院的“建模與仿真導論”課程等存在一定的對應關系。換句話說，遵循這種定位的課程教學內容將與國際上同類課程的教學內容基本保持一致，也大致與國內清華大學、北京理工大學、國防科技大學等的相關課程保持一定的對應關系。

碩士課程則定位于掌握理解仿真的具體應用技術及一般仿真系統的實現技術，并且能夠真正動手進行仿真實驗；博士課程則定位于讓學員掌握仿真的基本理論和方法，并且強調從認識論和方法論的角度來提高對系統的認識，即使面對復雜系統，也可根據仿真的基本理論和方法學開展仿真研究。另外，在具體的仿真系統構建上，開設《精確制導武器半實物仿真技術》課程，對于學員掌握半實物仿真技術，構建半實物仿真系統具有重要的意義。課群內課程關系如圖1所示。總之，根據以上課程內容設計思路，較好地解決了各授課層次教學內容的有效銜接和劃分，優化了教學內容和課程體系。

三、加強教學資源建設，提高教學效果

1.開發本科輔助教學軟件，增強學員理解仿真算法的能力。計算機仿真技術作為仿真科學與技術涉及到的有關具體仿真技術中最為基礎的部分，具有綜合性、多學科交叉等特點。因此，學員普遍反應該課程難學。另外，由于本科課程學時有限，學員很難對本課程的主體內容有較好的掌握，雖然連續系統的仿真方法容易掌握，但如何具體應用，各種方法特點是什么，學員并沒有直觀印象，缺乏深層次的掌握，可以說學完之后仍然是模糊的。為此，我們利用Matlab語言開發了連續系統仿真算法輔助教學演示軟件，輔助本科課程的教學。所開發的軟件的主要功能包括：（1）對常用的數值積分法進行仿真演示，演示各種連續系統仿真算法的遞推求解公式，顯示每步計算結果；（2）對典型的一階系統、二階系統和三階系統進行仿真建模并進行演示；（3）對仿真結果和精確解進行比較；（4）對病態系統進行仿真方法的比較；（5）對魚雷攻擊移動目標（9階系統）過程進行仿真建模分析，并仿真演示其仿真研究過程。

在教學過程中，涉及到相關仿真算法時，利用輔助教學軟件進行教學演示，對公式的推導、每步計算過程和結果都進行演示，并最終演示仿真結果及與精確解、其他仿真算法之間的差異，從而幫助學員理解算法的計算過程。

2.編寫教材、出版專著。根據課程標準和課程內容的選擇，我們編寫了《計算機仿真技術基礎》內部教材，經過近5年的使用，在此基礎上經過修訂，計劃明年正式公開出版《計算機仿真技術》教材，滿足教學需求。同時，我們在2009年出版了專著《復雜工程系統建模與仿真》作為博士課程的教材，另外還根據教學內容的安排，編寫了部分內容的講義，滿足了博士生教學的需要。endprint

下一步，我們還將結合科研實踐，出版半實物仿真技術方面的專著以滿足《精確制導武器半實物仿真技術》課程的教學需求。

四、完善實踐教學環節，增強科研型實驗系統在教學中的應用

仿真學科是一門理論和工程性較強的學科，學員只有通過工程應用才能對仿真技術和理論有更深的理解。鑒于作者所在的制導與仿真技術實驗室已經建立了多個仿真實驗系統，如何發揮其在仿真課群教學方面的作用，是本課題組長期思考和探索的問題。

1.制定了現地教學和實驗課程標準。為了加強實踐教學環節，制定了實驗課程標準，在科研型仿真試驗系統的基礎上開發了相應的仿真實驗系統，為實踐教學環節提供了重要的平臺支持。為本科課程制定了現地教學內容和標準，結合某導彈控制系統數學仿真和半實物仿真系統進行現地教學；為碩士、博士課程制定了實驗課程標準，為碩士生課程開發了相應的仿真試驗系統，如XX制導武器半實物仿真系統”、“XX導彈控制系統半實物仿真系統”、“XX導彈六自由度數學仿真與決策系統”、“XX導彈飛行可視化仿真系統”、“XX導彈攻防對抗仿真系統”、“XX攻擊可視化仿真系統”等，并在近3年的教學中加以應用，提高了學員學習興趣，了解仿真技術如何在導彈武器性能評估、分析中發揮作用。

2.將科研成果和大型科研型仿真系統引入碩士博士教學。在博士碩士課程中，結合近幾年承擔的仿真類科研項目，將最新研究成果引入課堂，動態更新教學內容，動態更新教學內容，其中“紅外成像制導/激光半主動制導/衛星導航/地磁匹配導航半實物仿真技術”、“基于復雜性理論的XX作戰建模與仿真方法”等理論與方法都直接來自于所承擔的科研項目，分別在2門博士生課程中加以介紹，讓學員了解仿真理論與方法在武器系統工程中的具體應用以及相關領域的研究現狀和發展趨勢。

五、建設了一支教學、科研和學術水平較高的仿真課群教學隊伍

青年教員的培養是保證課群建設可持續發展的關鍵。課群組高度重視青年教員的培養，采取一系列措施，極大地提高了課群組教員的教學能力和水平，具體措施包括：一是讓青年教員盡快上講臺。課群組鼓勵青年教員進行高水平研究的同時，還盡量安排青年教員進行練講、隨堂聽課、答疑、指導實驗等教學環節；正式授課前，還安排有經驗的教員進行指導和授課點評，保證了青年教員授課能力的提高和順利成長。二是注重加強青年教員的綜合能力素質培養。有意識地培養青年教員愛崗敬業、專心教學的思想，加強課程設計，在“教好學、上好課”上下功夫；鼓勵青年教學繼續深造學習，團隊中有5人具有博士學位，1人正在攻讀博士學位；帶動青年教員參與科研項目攻關，增強其科研學術能力。三是資源共享，加強交流。教學組內部定期開展教學方法和教學內容的研討，并進行集體備課活動，交流經驗，實現教學上的共同進步；要求軍內外仿真領域專家來校講學，傳授教學經驗。

經過多年的努力，培養造就了一支科研學術能力較強的教學隊伍，教學團隊成員承擔了大量的仿真類科研項目，發表了一系列仿真類文章。教學團隊共有6名教員，全部為中國系統仿真學會會員，5人次獲全國優秀仿真科技工作者稱號，3人兼職全國性學會理事、副秘書長和仿真雜志編委，2人獲軍隊院校育才銀獎，多項研究成果獲國家和軍隊科技進步獎，2人次在校級教學比賽中獲獎。承擔本科仿真課程的有4人，碩士課程的有4人，博士課程的有3人，每門課程最少有兩名教員可以獨立承擔。近幾年在人才培養方面，2人獲軍隊優秀碩士論文，5人次獲陜西省自動化學會本科優秀畢業論文特等獎、一等獎和優秀獎。

六、結束語

經過多年的改革、實踐與創新，我校仿真課群在體系架構和優化整合、教學內容改革、教學資源建設、實踐教學環節等方面取得了長足的進步，特別是將多個大型科研型實驗系統引入教學中，已經成為我校測控工程專業培養創新型人才的重要平臺。總之，仿真課群已經成為滿足我校控制科學與工程學科本科生和研究生教學需求的重要知識群體系。

參考文獻：

[1]潘峰，薛定宇，陳大力，等.計算機仿真課群教學體系的改革與實踐[J].高等教育與學術研究，2009，（06）：1-5.

[2]郭剛，段紅，李革.《計算機仿真技術基礎》課程教學的改革建議[J].理工高教研究，2007，（5）：114-115.

[3]李興瑋，龍志強，張明.《仿真技術基礎》本科課程教學改革思路初探[J].高等教育研究學報，2009，（1）：60-62.endprint

下一步，我們還將結合科研實踐，出版半實物仿真技術方面的專著以滿足《精確制導武器半實物仿真技術》課程的教學需求。

四、完善實踐教學環節，增強科研型實驗系統在教學中的應用

仿真學科是一門理論和工程性較強的學科，學員只有通過工程應用才能對仿真技術和理論有更深的理解。鑒于作者所在的制導與仿真技術實驗室已經建立了多個仿真實驗系統，如何發揮其在仿真課群教學方面的作用，是本課題組長期思考和探索的問題。

1.制定了現地教學和實驗課程標準。為了加強實踐教學環節，制定了實驗課程標準，在科研型仿真試驗系統的基礎上開發了相應的仿真實驗系統，為實踐教學環節提供了重要的平臺支持。為本科課程制定了現地教學內容和標準，結合某導彈控制系統數學仿真和半實物仿真系統進行現地教學；為碩士、博士課程制定了實驗課程標準，為碩士生課程開發了相應的仿真試驗系統，如XX制導武器半實物仿真系統”、“XX導彈控制系統半實物仿真系統”、“XX導彈六自由度數學仿真與決策系統”、“XX導彈飛行可視化仿真系統”、“XX導彈攻防對抗仿真系統”、“XX攻擊可視化仿真系統”等，并在近3年的教學中加以應用，提高了學員學習興趣，了解仿真技術如何在導彈武器性能評估、分析中發揮作用。

2.將科研成果和大型科研型仿真系統引入碩士博士教學。在博士碩士課程中，結合近幾年承擔的仿真類科研項目，將最新研究成果引入課堂，動態更新教學內容，動態更新教學內容，其中“紅外成像制導/激光半主動制導/衛星導航/地磁匹配導航半實物仿真技術”、“基于復雜性理論的XX作戰建模與仿真方法”等理論與方法都直接來自于所承擔的科研項目，分別在2門博士生課程中加以介紹，讓學員了解仿真理論與方法在武器系統工程中的具體應用以及相關領域的研究現狀和發展趨勢。

五、建設了一支教學、科研和學術水平較高的仿真課群教學隊伍

青年教員的培養是保證課群建設可持續發展的關鍵。課群組高度重視青年教員的培養，采取一系列措施，極大地提高了課群組教員的教學能力和水平，具體措施包括：一是讓青年教員盡快上講臺。課群組鼓勵青年教員進行高水平研究的同時，還盡量安排青年教員進行練講、隨堂聽課、答疑、指導實驗等教學環節；正式授課前，還安排有經驗的教員進行指導和授課點評，保證了青年教員授課能力的提高和順利成長。二是注重加強青年教員的綜合能力素質培養。有意識地培養青年教員愛崗敬業、專心教學的思想，加強課程設計，在“教好學、上好課”上下功夫；鼓勵青年教學繼續深造學習，團隊中有5人具有博士學位，1人正在攻讀博士學位；帶動青年教員參與科研項目攻關，增強其科研學術能力。三是資源共享，加強交流。教學組內部定期開展教學方法和教學內容的研討，并進行集體備課活動，交流經驗，實現教學上的共同進步；要求軍內外仿真領域專家來校講學，傳授教學經驗。

經過多年的努力，培養造就了一支科研學術能力較強的教學隊伍，教學團隊成員承擔了大量的仿真類科研項目，發表了一系列仿真類文章。教學團隊共有6名教員，全部為中國系統仿真學會會員，5人次獲全國優秀仿真科技工作者稱號，3人兼職全國性學會理事、副秘書長和仿真雜志編委，2人獲軍隊院校育才銀獎，多項研究成果獲國家和軍隊科技進步獎，2人次在校級教學比賽中獲獎。承擔本科仿真課程的有4人，碩士課程的有4人，博士課程的有3人，每門課程最少有兩名教員可以獨立承擔。近幾年在人才培養方面，2人獲軍隊優秀碩士論文，5人次獲陜西省自動化學會本科優秀畢業論文特等獎、一等獎和優秀獎。

六、結束語

經過多年的改革、實踐與創新，我校仿真課群在體系架構和優化整合、教學內容改革、教學資源建設、實踐教學環節等方面取得了長足的進步，特別是將多個大型科研型實驗系統引入教學中，已經成為我校測控工程專業培養創新型人才的重要平臺。總之，仿真課群已經成為滿足我校控制科學與工程學科本科生和研究生教學需求的重要知識群體系。

參考文獻：

[1]潘峰，薛定宇，陳大力，等.計算機仿真課群教學體系的改革與實踐[J].高等教育與學術研究，2009，（06）：1-5.

[2]郭剛，段紅，李革.《計算機仿真技術基礎》課程教學的改革建議[J].理工高教研究，2007，（5）：114-115.

[3]李興瑋，龍志強，張明.《仿真技術基礎》本科課程教學改革思路初探[J].高等教育研究學報，2009，（1）：60-62.endprint

下一步，我們還將結合科研實踐，出版半實物仿真技術方面的專著以滿足《精確制導武器半實物仿真技術》課程的教學需求。

四、完善實踐教學環節，增強科研型實驗系統在教學中的應用

仿真學科是一門理論和工程性較強的學科，學員只有通過工程應用才能對仿真技術和理論有更深的理解。鑒于作者所在的制導與仿真技術實驗室已經建立了多個仿真實驗系統，如何發揮其在仿真課群教學方面的作用，是本課題組長期思考和探索的問題。

1.制定了現地教學和實驗課程標準。為了加強實踐教學環節，制定了實驗課程標準，在科研型仿真試驗系統的基礎上開發了相應的仿真實驗系統，為實踐教學環節提供了重要的平臺支持。為本科課程制定了現地教學內容和標準，結合某導彈控制系統數學仿真和半實物仿真系統進行現地教學；為碩士、博士課程制定了實驗課程標準，為碩士生課程開發了相應的仿真試驗系統，如XX制導武器半實物仿真系統”、“XX導彈控制系統半實物仿真系統”、“XX導彈六自由度數學仿真與決策系統”、“XX導彈飛行可視化仿真系統”、“XX導彈攻防對抗仿真系統”、“XX攻擊可視化仿真系統”等，并在近3年的教學中加以應用，提高了學員學習興趣，了解仿真技術如何在導彈武器性能評估、分析中發揮作用。

2.將科研成果和大型科研型仿真系統引入碩士博士教學。在博士碩士課程中，結合近幾年承擔的仿真類科研項目，將最新研究成果引入課堂，動態更新教學內容，動態更新教學內容，其中“紅外成像制導/激光半主動制導/衛星導航/地磁匹配導航半實物仿真技術”、“基于復雜性理論的XX作戰建模與仿真方法”等理論與方法都直接來自于所承擔的科研項目，分別在2門博士生課程中加以介紹，讓學員了解仿真理論與方法在武器系統工程中的具體應用以及相關領域的研究現狀和發展趨勢。

五、建設了一支教學、科研和學術水平較高的仿真課群教學隊伍

青年教員的培養是保證課群建設可持續發展的關鍵。課群組高度重視青年教員的培養，采取一系列措施，極大地提高了課群組教員的教學能力和水平，具體措施包括：一是讓青年教員盡快上講臺。課群組鼓勵青年教員進行高水平研究的同時，還盡量安排青年教員進行練講、隨堂聽課、答疑、指導實驗等教學環節；正式授課前，還安排有經驗的教員進行指導和授課點評，保證了青年教員授課能力的提高和順利成長。二是注重加強青年教員的綜合能力素質培養。有意識地培養青年教員愛崗敬業、專心教學的思想，加強課程設計，在“教好學、上好課”上下功夫；鼓勵青年教學繼續深造學習，團隊中有5人具有博士學位，1人正在攻讀博士學位；帶動青年教員參與科研項目攻關，增強其科研學術能力。三是資源共享，加強交流。教學組內部定期開展教學方法和教學內容的研討，并進行集體備課活動，交流經驗，實現教學上的共同進步；要求軍內外仿真領域專家來校講學，傳授教學經驗。

經過多年的努力，培養造就了一支科研學術能力較強的教學隊伍，教學團隊成員承擔了大量的仿真類科研項目，發表了一系列仿真類文章。教學團隊共有6名教員，全部為中國系統仿真學會會員，5人次獲全國優秀仿真科技工作者稱號，3人兼職全國性學會理事、副秘書長和仿真雜志編委，2人獲軍隊院校育才銀獎，多項研究成果獲國家和軍隊科技進步獎，2人次在校級教學比賽中獲獎。承擔本科仿真課程的有4人，碩士課程的有4人，博士課程的有3人，每門課程最少有兩名教員可以獨立承擔。近幾年在人才培養方面，2人獲軍隊優秀碩士論文，5人次獲陜西省自動化學會本科優秀畢業論文特等獎、一等獎和優秀獎。

六、結束語

經過多年的改革、實踐與創新，我校仿真課群在體系架構和優化整合、教學內容改革、教學資源建設、實踐教學環節等方面取得了長足的進步，特別是將多個大型科研型實驗系統引入教學中，已經成為我校測控工程專業培養創新型人才的重要平臺。總之，仿真課群已經成為滿足我校控制科學與工程學科本科生和研究生教學需求的重要知識群體系。

參考文獻：

[1]潘峰，薛定宇，陳大力，等.計算機仿真課群教學體系的改革與實踐[J].高等教育與學術研究，2009，（06）：1-5.

[2]郭剛，段紅，李革.《計算機仿真技術基礎》課程教學的改革建議[J].理工高教研究，2007，（5）：114-115.

[3]李興瑋，龍志強，張明.《仿真技術基礎》本科課程教學改革思路初探[J].高等教育研究學報，2009，（1）：60-62.endprint