系統建模與仿真實驗教學與評價綜合平臺設計

晁 濤, 楊 明, 馬 萍, 李 偉, 王松艷

(哈爾濱工業大學 控制與仿真中心, 黑龍江 哈爾濱 150080)

2010年6月教育部提出了卓越工程師教育培養計劃,助力建設創新型國家[1-4]。在此背景下,哈爾濱工業大學控制與仿真中心在課題組承擔自動化專業本科生專業基礎課程“系統建模與仿真基礎”和控制科學與工程專業研究生課程“系統建模與仿真”教學,以及指導學生參加全國計算機仿真大賽的基礎上,設計了集實驗教學、教學效果評估和師生互動于一體的系統建模與仿真實驗教學與評價綜合平臺。在該平臺的設計中,體現國內外先進教學方法、教學思想和教學手段[5-8]。

本文探討了系統建模與仿真實驗教學與評價綜合平臺的框架設計、實驗教學模塊設計、教學效果評價模塊設計,并通過對教學效果的綜合分析,說明綜合平臺應用的必要性和效果[9]。

1 實驗教學與評價綜合平臺框架設計

系統建模與仿真是通過對真實世界中的系統建立數學模型/物理模型,利用計算機對模型進行求解,從而模擬系統行為,并根據模擬結果來分析、預測、設計、綜合和優化系統。系統建模是系統仿真的基礎,系統仿真是系統分析和設計的前提,而系統仿真實驗則是一種系統仿真的手段。一個好的系統仿真實驗環境應該不僅能體現教學思想、教學方法,還能對學生實驗效果進行評價和反饋學生對教學效果的評價,從而實現教學相長,提高教師的教學水平和學生的學習效率。筆者在“系統建模與仿真實踐”課程實驗平臺的基礎上,設計了一個集實驗教學、教學評價和師生互動于一體的系統建模與仿真實驗課程綜合軟件環境。

系統建模與仿真實驗教學與評價綜合平臺框架如圖1所示。

圖1 系統建模與仿真實驗教學與評價綜合平臺

該平臺分為應用層、工具層、網絡層和數據庫層。

應用層包括使用平臺功能的計算機、手機、平板電腦等,應用層通過下載和安裝平臺應用軟件、App等方式,實現對平臺的訪問。計算機所能使用的平臺軟件采用Windows 7操作系統下的Visual Studio 2010設計實現,可運行在Windows上(暫不兼容蘋果電腦的操作系統)。受運行能力限制,手機和平板電腦上的App僅開發了可以訪問平臺的部分功能,包括在線答疑、實驗題目發布、實驗報告提交、實驗結果及成績查詢、教學效果評價等。

工具層是平臺軟件、App所能提供的各類功能的具體實現,這些功能包括：

(1) 實驗題目的設計;

(2) 實驗內容發布;

(3) 實驗內容在線答疑;

(4) 實驗指導;

(5) 實驗計劃的制訂;

(6) 實驗內容具體執行;

(7) 實驗結果統計分析;

(8) 實驗報告撰寫與提交;

(9) 實驗報告批改與反饋;

(10) 實驗效果評價;

(11) 實驗教學效果評價。

除此之外,工具層還可實現對應用層軟件訪問的管理、數據庫管理等功能,并提供軟件平臺的管理界面供平臺管理人員使用。該平臺的工具層提供了輔助教師進行實驗教學與管理的功能，包括：

(1) 實驗內容管理;

(2) 實驗規范管理;

(3) 學生實驗出勤統計;

(4) 實驗結果存儲;

(5) 實驗報告管理。

通過這些功能,教師可以順利實現對實驗教學的管理,并跟蹤學生實驗的全過程,實現閉環管理。

網絡層是應用層訪問軟件平臺的媒介。安裝在應用層計算機上的平臺應用軟件通過TCP/IP網絡協議訪問服務器,讀取平臺數據庫信息。數據庫層根據不同的功能需求提供相關的數據庫,包括學生信息數據庫、實驗問題數據庫、學生疑惑與問題數據庫、網絡答疑數據庫、實驗結果數據庫、教學效果評價數據庫等。

以上功能體現了“翻轉課堂”的教學思想,覆蓋了實驗教學、實驗和實驗結果評價等多個過程[10-11]。在實驗教學中,教師提前設計實驗、提前在平臺上發布實驗題目;學生根據實驗指導書學習實驗內容后提出疑問;教師在線對實驗內容答疑并提供實驗指導;學生自主制定實驗計劃和進行實驗、撰寫和提交實驗報告;教師對實驗結果進行統計分析,批改實驗報告和對學生的實驗效果進行評價;學生對教師的教學效果進行評價。這種教學方法中,教師不僅要在課上講授和課后批改作業,重要的是引導學生自主和協同解決問題。

該平臺在應用層集成了師生互動模塊,充分利用互聯網工具,搭建師生溝通渠道。教師通過QQ群和微信群等建立師生互動平臺,在QQ文件夾和百度云中向學生發布實驗題目、指導書等資料,引導學生利用互聯網上的資源學習與實驗;針對學生的問題進行在線答疑與指導,歸納總結學生的問題,在課堂上組織學生討論和解決問題。實驗后,分析學生在實驗過程中存在的問題,根據平臺記錄的學生實驗情況,在微信群和QQ群中反饋和總結學生的實驗結果,并發布實驗參考答案。該平臺引導學生通過課前學習、線上討論和實驗后整理3個環節,通過自己思考、分組討論、教師答疑和利用互聯網資源,解決自己學習中的問題。

樁體采用泡沫混凝土作樁，樁徑50 mm，樁間距100 mm，采用正方形布置，在溶洞平面范圍內設置四根，具體布置如圖2所示。

綜上所述,該平臺的設計體現了“基于問題的學習”和“翻轉課堂”的教學思想,通過將具有實際意義的和應用價值的問題抽象為模型和仿真實驗題目,引導學生利用專業知識開展系統的建模和計算機仿真,并通過相互討論、探索和合作,鞏固和運用專業知識。

2 系統建模與仿真實驗教學模塊設計

在教學模塊的設計中,教學內容結合專業特點,通過設計特色鮮明的航天系統建模與仿真實驗題目,激發學生參與實驗的熱情、夯實學生的專業知識基礎。為實現“基于問題學習”的教學,在實驗平臺中建立了涵蓋知識鞏固實驗、自主設計實驗、競賽題目求解實驗和實際問題設計實驗等不同類型的實驗題目數據庫,數據庫中的實驗題目不僅涉及電氣、機械、流體與傳動、電子、計算機和自動控制等多個工科領域,還包括經濟發展、人口預測、環境保護、社會管理等民生話題,讓學生認識到系統建模與仿真的重要作用,為他們提供分析問題和解決問題的工具。

受到專業領域、教學時長等方面的限制,系統建模與仿真實驗教學主要是數學建模和計算機仿真,使用編程軟件或者數值計算軟件、建模和仿真工具,實現對系統的數學建模與計算機仿真。因此,系統建模與仿真相關課程實驗教學模塊的開發通常是指計算機仿真實驗模塊的開發。為體現“基于問題學習”的教學思想,在實驗教學題目數據庫中按學科門類和教學層次進行了細分,并且設置了針對本科生、碩士生和競賽培訓生的實驗題目數據庫。

目前,以賽促教已經得到了國內外眾多教育工作者的認同[12-13]。全國計算機仿真大賽是系統建模與仿真領域最有影響力的賽事,旨在普及仿真專業知識,培養大學生工程實踐能力和創新意識[14]。筆者根據歷年全國計算機仿真大賽的題目和培訓經驗,建立了計算機仿真大賽訓練題庫。該題庫包括許多與國計民生相關的系統建模與仿真問題,例如,煤礦安全檢測系統設計與仿真、用仿真分析北京派發車輛指標隨機算法的合理性、利用建模與仿真分析歐債危機對全球經濟發展造成的危害并給出世界性金融和債務危機的對策、基于現有的各國政治經濟軍事數據分析各國維持有效運行航母編隊的數量并給出決策建議等[15]。

實驗教學模塊的另一個顯著特點是充分體現了航天專業的特色[12]。在實驗題目庫中集成了面向本科生和研究生兩個層次的航天系統建模與仿真題目,例如獵鷹9號(Falcon 9)火箭的建模與仿真。獵鷹9號火箭是美國SpaceX公司研制的可回收式中型運載火箭,可實現垂直著陸,是目前航天領域的新興技術[16]。根據本科生和研究生基礎知識和專業背景不同的特點,設置了不同層次的題目：本科生的題目是完成運載火箭回收過程的動力學與運動學建模、計算機仿真程序編寫和仿真分析，其中回收過程的軌跡設計由教師向學生公布;而研究生的題目是根據計算機仿真結果和理論知識,開展回收軌跡的優化設計。通過不同層次題目的設置,讓本科生和研究生都能體會到所學知識的重要應用價值,并且能夠加深對系統模型概念、系統建模方法的理解,熟悉相關的系統仿真軟件。

該模塊可以同時支持本科生、研究生和競賽培訓生進行實驗,是一個多功能的實驗教學模塊。

3 教學效果評價模塊設計

在教學效果評價模塊的設計中,通過學生對知識掌握程度的客觀評價、對實驗教學環境的評價、對實驗效果的評價等多維度的指標客觀評價教學效果,是多元化、多角度的綜合評價。通過評價,指導教師在后續的教學中完善教學手段、提高教學水平。

系統建模與仿真實驗評價模塊包括實驗效果評價和教師教學效果評價。

實驗效果評價采用綜合指標,主要包括實驗完成情況、實驗在線討論情況、實驗報告以及實驗結果反饋等,采用累加式的考核方式[17]。考核內容包括對實驗的掌握情況、對平臺的應用情況以及對互聯網資源的利用情況,通過分階段、系統化、多元化的方式來評價學生的學習效果。該考核方法可以有效評價學生在實驗的各個環節中所表現出的綜合能力——基礎知識運用能力、分析解決問題能力、創新能力、動手能力等。

教師教學效果評價采用多維度指標體系,由學生和平臺系統共同按照指標及其標準進行評價,包括教學態度、教學內容、教學方法與手段、教學組織、課堂效果、教學特色等。其中,課堂效果由平臺根據記錄的教學過程情況進行自動評價,評價內容包括教學秩序、學生實驗出勤率、學生疑問解決程度(由學生在平臺中打分評價)、學生實驗成績等;教學特色由學生進行主觀評價,說明教師在教學方法和組織形式上是否讓學生感覺新穎、吸引人并且具有鮮明的特色,然后軟件平臺根據學生的評價對該指標進行量化。采用層次分析法對教學效果進行綜合分析[17],按照9標度法進行各項指標的權重計算。根據對有經驗的授課教師和學生的問卷調查,確定教學效果多維度評價指標體系各指標的權重(見表1)。在教學效果評價指標中,特別注重教學內容、課堂效果和教學方法。

表1 教學效果多維度評價指標的權重

經過3個學期的教學實踐,將3次教學評估結果列出，如表2所示。

表2 教學效果評價結果 分

可以看出,學生對于教學內容給予了高度評價,很多學生認為教學內容新穎、接觸到學科前沿并且掌握了實用的仿真技術;學生對教學方法同樣給予了較高評價,認為教學手段新穎,可以依托綜合平臺開展仿真實驗,可以在線答疑解惑,基于問題的學習和翻轉課堂教學成果初步顯現。在教學組織方面的主要問題是平臺運行穩定性尚不夠好。通過3個學期的教學效果評價可以看出：系統建模與仿真實驗教學與評價綜合平臺得到學生的認可,在教學中發揮了重要作用,通過學生的反饋和教師的使用心得,可以在后續的教學科研中進一步完善平臺,并將其推廣到其他教學任務中。

4 結語

系統建模與仿真實驗與教學評價綜合平臺將教學實驗與教學效果評價綜合在一起,不僅提供給學生上機實驗的平臺,還提供了教師與學生互動、溝通的平臺,以及綜合評價學生學習效果和教師教學效果的科學手段。“基于問題學習”和“翻轉課堂”兩種教學思想的引入,以及多角度、多層次的實驗問題庫,不僅集成了知識鞏固實驗、自主設計實驗、競賽題目求解實驗和實際問題設計實驗,還可滿足不同教學層次的本科生、研究生以及競賽預備生的實驗需求,學生對教學效果也予以了較高評價。