系統(tǒng)建模與仿真課程實驗教學探討

晁 濤，馬 萍，李 偉，王松艷，楊 明

（哈爾濱工業(yè)大學控制與仿真中心，哈爾濱150080）

0 引 言

教育部為了培養(yǎng)創(chuàng)新能力強的高質量的工程人才、助力建設創(chuàng)新型國家，于2010年6月提出了卓越工程師培養(yǎng)計劃［1］，并于2017年2月進一步推進“新工科”建設，發(fā)布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》和《關于突進新功課研究與實踐項目的通知》，全力探索領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設［2-4］。從“卓越工程師”計劃到“新工科”建設，創(chuàng)新型人才都是國家對大學生培養(yǎng)的方向。因此，如何有效地培育大批高素質創(chuàng)新人才，是大學，特別是研究型大學必須回答的基本課題。而我國高校的學生們大多都是在應試教育模式中成長的。由于現實的壓力，在基礎教育階段，學生們的創(chuàng)新欲望長期受到抑制，創(chuàng)造性欠缺，創(chuàng)新潛能不能激發(fā)，最終造成他們不思創(chuàng)新、不敢創(chuàng)新、不會創(chuàng)新、不能創(chuàng)新的局面。

在此背景下，依托課題組的教學和科研優(yōu)勢，根據自動化技術發(fā)展需求，積極投入到學校開展的本科生教學改革中，參與自動化專業(yè)本科生教學內容改革，開設了面向自動化專業(yè)大二本科生的系統(tǒng)建模與仿真基礎課程。該課程是自動化專業(yè)本科生的專業(yè)基礎課，國內其他著名高校（如自動化專業(yè)排名靠前的清華大學、浙江大學等）均已開設此課。各校根據當前新工科建設和國家對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求，對課程教學內容和教學方式進行了大膽改革［5-8］。不同于國內其他高校開設的同名課程，在課程建設中突出自動化領域對系統(tǒng)建模與仿真基礎理論不斷發(fā)展的需求，傳授學生最新的建模理論、仿真思想和軟件技術，突出專業(yè)鮮明的航天特色；以學生為中心，站在學生的角度對課程教學內容進行改革，以國內外最新的航空航天應用問題為牽引，引導學生掌握系統(tǒng)建模與仿真的基礎知識，激發(fā)學生的學習興趣，讓學生更容易掌握原本枯燥的理論知識；引入“基于問題學習”的教學方法，結合防空攔截系統(tǒng)建模與仿真、獵鷹重型火箭回收等熱點問題，讓學生在解決問題的過程中吸收知識，提高學生科學研究興趣、激發(fā)創(chuàng)造激情、培養(yǎng)創(chuàng)新與創(chuàng)造能力。另外，考慮到近年來互聯網技術的發(fā)展給學習模式帶來了巨大的改變，網絡學習資源的形態(tài)發(fā)生改變，給學生獲取知識提供了多樣化的資源和途徑。在教學過程中，教授學生創(chuàng)新研究的方法，鼓勵學生充分利用互聯網時代多樣化資源優(yōu)勢，增強學生自主學習和創(chuàng)新能力。課程教學效果已經初步顯現出來，獲得了學生的好評，學生普遍反映教學內容新穎、教學方法靈活。

本文將從教學內容、教學模式、實驗與評價綜合環(huán)境三方面探討在該課程中的教學改革實踐，并通過教學效果評價說明改革的效果。

1 系統(tǒng)建模與仿真實驗課程教學內容設計

教學內容是“系統(tǒng)建模與仿真基礎”課程的核心。在教學內容設計中應用“基于問題學習”和“翻轉課堂”教學思想，設計了學生在上課前、課堂授課、課后作業(yè)以及上機實驗等環(huán)節(jié)的思考題。通過問題牽引，增強學生學習的主動性，使課程教學不僅僅是教師講授基礎理論知識，還要在教學內容中體現出能力培養(yǎng)和與前沿知識、應用需求之間的關系，同時體現“航天特色”，讓學生學有所用。

以國內外的航空航天熱點問題（如可重復使用運載火箭回收、火星探測器著陸等）為應用背景，從專業(yè)角度出發(fā)，設計充分體現本專業(yè)航天特色的題目［12-13］。引入“面向問題學習”的教學方法，將實驗教學案例與科研項目相結合。以防空攔截系統(tǒng)和可重復使用運載火箭回收等航空航天類熱點問題為背景，將其用于“系統(tǒng)建模與仿真”課程實驗的教學中。一方面可通過問題牽引學生進行課程內容的學習，鍛煉學生動手實踐能力，激發(fā)學生學習興趣；另一方面可讓學生較早接觸科研問題，培養(yǎng)學生的科研素養(yǎng)。此外，通過指導學生實驗，還可拓展科研思路，實現教學相長。

實驗課程設計時，充分考慮學生已經學習過高等數學、計算方法、電路、C語言與程序設計等相關課程，以航空航天中自動控制系統(tǒng)的建模與仿真問題為實例，將課程教學內容梳理為系統(tǒng)概念、系統(tǒng)分類、系統(tǒng)建模方法、系統(tǒng)仿真方法、系統(tǒng)仿真技術和系統(tǒng)仿真軟件等幾部分內容，設計與此相關的題目，以航空航天系統(tǒng)應用背景為主線，將其貫穿在課程教學的全過程中，將零散的知識點串成完整的知識體系。

例如，獵鷹9號（Falcon 9）火箭是美國SpaceX公司研制的可回收式中型運載火箭。該火箭于2010年6月4日進行首次發(fā)射，于2015年12月21日完成首次回收，其回收過程需要采用火箭發(fā)動機噴氣減速，實現垂直著陸，是航天領域的新技術［13-14］。

基于上述背景，設計實驗內容，要求學生采用Matlab軟件編寫程序，分析獵鷹9號著陸過程中位置和速度變化受發(fā)動機推力變化規(guī)律的影響。通過該實驗內容的設計，學生可以完成運載火箭回收過程的動力學與運動學建模、模型理論分析、仿真程序編寫、基于數學模型的仿真分析等課程內容，同時理解了系統(tǒng)模型的概念、系統(tǒng)建模的方法，熟悉了系統(tǒng)仿真軟件，并且在實驗過程中明白了運載火箭回收的原理，一舉多得。

2 系統(tǒng)建模與仿真實驗課程教學模式設計

以往的實驗教學基本模式是教師安排實驗、學生完成實驗，學生在完成實驗過程中如果有疑問則由教師答疑。這一教學模式存在的弊端是學生被動學習，難以提起興趣，教學效果差。為此，改革已有的“安排實驗+做實驗+實驗后答疑”的教學模式，以學生為中心，站在學生的角度，引入“基于問題學習”和“翻轉課堂”兩種教學思想，將課堂的教學方式更新為“學生課前學習+教師課堂講授+學生實驗前分組討論+學生進行仿真實驗+實驗后分組討論”的教學模式。為此，需要進行面向“翻轉課堂”的課前教學模式設計、開展“基于問題學習”的課堂討論組織以及基于問題解決模式的實驗課程教學。

2.1 基于問題的學習和翻轉課堂概念

“基于問題的學習”以復雜的、具有應用價值和實踐意義的、相對真實的實際問題為背景，將其抽象為學生利用已有知識和課程內容學習可以解決的問題，通過引導學生在解決問題過程中的不斷學習、探索、合作等，讓學生掌握隱藏在問題背后的課程知識［9］。與以往“以教師為中心”的教學模式不同，“基于問題的學習”強調“以學生為中心”，不再采用傳統(tǒng)的單純“課堂教授”的方式教學，取而代之的是引導學生“主動獲取知識”，激發(fā)其為解決問題而產生的學習興趣、培養(yǎng)其通過探索問題解決方案而產生的創(chuàng)新能力以及通過團隊合作解決問題的意識。從而通過課程的教學，不僅僅是傳授的專業(yè)知識，而且培養(yǎng)了學生分析問題、解決問題的能力。

“翻轉課堂”是指學生在課前通過各種手段和材料學習課程知識，教師在課堂上則將精力重點放在問題的講解上，并且通過組織學生分組討論對課程內容進行教學［10-11］。由于這種方法顛覆了傳統(tǒng)的“課堂講授+課后完成作業(yè)”的方式，因而被稱為翻轉課堂。翻轉課堂的特點在于“以學生為中心”，學生根據自己的知識基礎和學習能力，自主制訂課程學習計劃，并且有針對性地學習知識；教師承擔的角色不僅僅是課上講授和課后批改作業(yè)，而是要引導學生解決問題，教給學生解決問題的方法，同時還要協(xié)助指導學生學習，組織學生分組討論等。這種教學方法的最典型特點是，學生是主動的學習者，而不是被動的學習者。

通過對“基于問題的學習”和“翻轉課堂”兩種教學思想的分析，可知“基于問題的學習”一個典型的特點是問題牽引，學生通過解決問題掌握課程知識。而“翻轉課堂”則是讓學生變被動為主動，通過自主學習，獲得課程知識。如果能夠將二者結合起來，將大大提高教學效果。同時學生在學習知識和解決問題的過程中可以充分利用當前互聯網技術發(fā)展所帶來的便利，具有1+1大于2的效果。

2.2 基于問題的學習和翻轉課堂教學模式的實施

面向翻轉課堂的課前教學模式具體實施措施是：根據教學進度安排，在上課前，建立QQ群或者微信群聯系學生，在QQ文件夾和百度云中向學生提供已設計好的典型系統(tǒng)建模與仿真問題、提供相關學習材料，教授學生利用互聯網上的資源學習的方法，讓學生主動學習提供的材料，并著手解決所提供的問題，通過QQ和微信等網絡通信工具進行在線答疑與指導，并統(tǒng)計學生在線提問情況，以備課堂上有針對性地教授相關內容。

開展“基于問題學習”的課堂討論組織的具體實施措施是：在課上講授問題解決思路，或組織學生討論問題解決方法和結果；在課上布置與問題相關的作業(yè)，進一步拓展課堂講授的知識內容，并布置新的問題給學生；在基礎理論知識講授完成后，安排上機試驗，讓學生開展教師所設計問題相關的實驗，動手解決實際問題。

基于問題解決模式的實驗課程教學的具體實施措施是：在實驗之前，通過微信群和QQ群發(fā)布實驗題目，同時解答學生對實驗題目的疑問，組織學生對實驗內容的討論，保證學生在機房上機實驗前已經掌握實驗內容和具體操作。實驗后，授課教師分析學生實驗過程情況的記錄，在微信群和QQ群中對實驗效果進行反饋和總結，并發(fā)布實驗結果。同時，通過網絡在學生上機實驗后答疑，安排部分沒有在規(guī)定時間內完成實驗的學生進一步完成實驗工作。在這一過程中，引導學生在課前學習、線上討論和實驗理解中，為解決教師提出的實驗問題，有意識地通過主動思考、分組討論、教師答疑和利用互聯網上的資源等多種手段，最終實現實驗問題的解決。特別是在互聯的使用上，要求學生調研與課程相關的互聯網資源，利用互聯網資源如Open Course Ware、MOOCs、微課、學習元、體感交互教育游戲等進行學習，從而提高學生的學習興趣。同時，引導學生在開展仿真實驗時，有意識地利用學校圖書館提供的各種電子資源開展文獻調研，從而豐富學生的知識面，提高其創(chuàng)新技能，助力學生開展創(chuàng)新工作。

3 系統(tǒng)建模與仿真實驗課程教學與評價綜合環(huán)境

3.1 實驗課程教學與評價綜合環(huán)境

實驗環(huán)境是學生利用“系統(tǒng)建模與仿真基礎”課程所學知識解決實際問題的載體。如果實驗環(huán)境不僅能體現教學目的，同時還能兼具對學生實驗效果以及教師教學效果的評價，將更有利于教學的進步。因此，在前期已有的“系統(tǒng)建模與仿真實踐”課程實驗平臺基礎上，改造建設了一個“面向系統(tǒng)建模與仿真實驗課程的教學與評價綜合環(huán)境”。

該綜合平臺包括多個子系統(tǒng)，可以實現實驗內容發(fā)布、實驗內容在線答疑、實驗內容的具體執(zhí)行、實驗結果統(tǒng)計分析、實驗效果評價以及實驗教學效果評價等涵蓋實驗教學、執(zhí)行和評價等多方面的功能。同時，該綜合平臺集成了多個典型航空航天中的系統(tǒng)建模與仿真應用實例，開發(fā)設計的實驗案例具有可操作性，使得學生能夠利用已學課程知識和實驗指導書來完成。

該綜合平臺集成了“系統(tǒng)建模與仿真基礎”課程實驗環(huán)境。該實驗環(huán)境支持實驗內容管理、實驗規(guī)范管理、學生實驗出勤統(tǒng)計、實驗結果存儲、實驗報告管理等功能。該實驗環(huán)境處理可以支持本課程的開展，還可進一步支持更高層次的研究生課程的教學，并進一步支持教學改革方法的研究工作。

與以往課程評價不同，教學與評價綜合環(huán)境將評價學生在學習過程中對互聯網資源的利用情況，同時研究采用累加式的考核方式，通過作業(yè)完成情況、課堂討論情況、實驗報告以及考試成績來綜合評價學生成績的方法［15］。具體內容包括：學生互聯網資源利用情況評價指標建立與評價、學生知識運用能力和創(chuàng)新能力評價指標建立與評價以及分階段、系統(tǒng)化、多元化學習效果評價。評價過程中將學生平時的討論和作業(yè)撰寫中對互聯網資源的利用作為評價課程學習成果的指標之一。通過作業(yè)完成情況、課堂討論情況、實驗報告以及實驗考試成績來綜合評價學生的成績；學生的學習效果可通過各個環(huán)節(jié)中表現出的基礎知識運用能力、分析解決問題能力、創(chuàng)新能力、動手能力等方面來評價；而實驗報告可分解為多個階段性報告，便于進行階段性考核，及時發(fā)現問題。教師通過綜合環(huán)境中記錄的數據，及時總結學生在各個學習環(huán)節(jié)中出現的主要問題，對課程的知識要點進行系統(tǒng)化整理和總結，對學生課堂討論和實驗的評價，可以采用教師評價、組內評價和組間互評的多元化評價形式。

在前期已有“系統(tǒng)建模與仿真實踐”課程實驗平臺基礎上，改造建設一個面向問題學習的課程實驗平臺，分別開發(fā)多個典型航空航天中的系統(tǒng)建模與仿真應用實例，開發(fā)設計的實驗案例應該具有可操作性，使得學生能夠利用已學課程知識和實驗指導書來完成；然后將其集成在“系統(tǒng)建模與仿真基礎”課程實驗環(huán)境中，實驗環(huán)境將支持實驗內容管理、實驗規(guī)范管理、學生實驗出勤統(tǒng)計、實驗結果存儲、實驗報告管理等功能。本實驗環(huán)境處理可以支持本課程的開展，還可進一步支持研究生課程的教學，并進一步支持教學改革方法的研究工作。

3.2 實驗教學效果分析

經過兩個學年的實驗課程教學，基于設計的教學與評價綜合環(huán)境，對學生的實驗成績和教師的教學效果進行分析。

（1）應用新教學方法前后兩個學年學生實驗成績的變化。圖1展示了兩個學年學生成績分布情況。其中，兩個學年學生總數分別為91人和85人，基本相當。從圖中可以看到，應用新的教學方法之后，學生整體成績有顯著提高，特別明顯的是成績在80～89分的學生數量增加，90～100分的學生數量也有所提升。第1學年存在不及格的學生，而應用新教學方法后沒有不及格學生。

（2）學生對教師教學效果的評價。應用新的教學方法后，學生在對教學內容安排、教學進度合理性、教學手段多樣性、教學認真程度等多方面的評價結果都有明顯提升，對教師的教學效果給予了高度評價。同時，有部分學生反映通過實驗課程的學習在團隊合作、主動學習和學習工具等方面有了很大提高、成績提升明顯，課程設計的題目不僅體現了航空航天系統(tǒng)建模與仿真問題的難點和特點，而且“接地氣”、引起了學生學習的熱情和興趣，通過設計不同難度層次的題目，照顧到不同基礎學生的編程能力。從而表明新的教學方法取得了很好的教學效果。

圖1 教改前、后學生實驗課成績

4 結 語

針對系統(tǒng)建模與仿真實驗課程教學，采用了基于“面向問題學習”和“翻轉課堂”的教學模式，以解決實際問題為導向，不僅僅講授系統(tǒng)建模與仿真基礎課程的理論知識，還要教授學生分析問題、解決問題以及創(chuàng)新研究的方法；將科研與教學相融合，激發(fā)學生科研興趣；充分利用互聯網時代多樣化資源優(yōu)勢，增強學生主動學習、解決問題的能力，提高學生實踐創(chuàng)新能力。開發(fā)了“系統(tǒng)建模與仿真基礎”實驗和評價綜合環(huán)境，讓學生有機會接觸到來源于航空航天系統(tǒng)設計、建造、應用中的建模與仿真問題，可顯著增強學生的學習興趣、提高教與學的效率，同時讓學生反饋對教學的意見，促進教學相長。