建模與仿真課程的實驗教學(xué)探索

宋世領(lǐng)，張孝琪，胡煥玲，韋婷婷

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.安徽工程大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

“建模與仿真”是華南農(nóng)業(yè)大學(xué)為工業(yè)工程專業(yè)高年級學(xué)生開設(shè)的一門重要的專業(yè)課程，主要講授如何基于仿真軟件對復(fù)雜動態(tài)隨機系統(tǒng)進行建模和分析，以評價系統(tǒng)的運行狀態(tài)，尋找系統(tǒng)的短板，優(yōu)化系統(tǒng)的性能[1]。建模與仿真課程的一個突出特點是理論與實踐相結(jié)合：課程既關(guān)注系統(tǒng)建模理論、隨機數(shù)產(chǎn)生理論、仿真數(shù)據(jù)分析等理論知識，同時也關(guān)注相關(guān)仿真軟件的實際應(yīng)用和現(xiàn)實系統(tǒng)優(yōu)化問題的解決方案設(shè)計等實踐技能。在建模與仿真課程的實際課時分配中，理論課時與實驗課時的比例大概是1 ∶2，實驗教學(xué)是建模與仿真課程教學(xué)的重中之重。

不少講授建模與仿真課程的老師都關(guān)注到了實驗教學(xué)在整個教學(xué)過程中的重要性[2，3]，然而目前的相關(guān)教學(xué)研究文獻中，尚缺乏針對建模與仿真課程的實驗教學(xué)方法的專門探討，鑒于此，筆者擬對建模與仿真課程的實驗教學(xué)進行探討。

1 建模與仿真課程實驗教學(xué)的現(xiàn)狀和不足

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的建模與仿真課程一共包括8 章。其中第1 章為系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)，第2 章為Extendsim 仿真入門，第3 章為輸入數(shù)據(jù)采集與分析，第4 章為結(jié)構(gòu)建模，第5 章為模型校核與驗證，第6 章為仿真輸出分析為理論章節(jié)，第7 章為仿真優(yōu)化，第8 章為典型應(yīng)用為實驗章節(jié)。

該門課程理論章節(jié)的講授比較簡單，主要采取課堂教學(xué)加習(xí)題訓(xùn)練的教學(xué)方法。在實驗章節(jié)中，主要介紹如何基于Extendsim 仿真軟件構(gòu)建仿真系統(tǒng)，著重強調(diào)的是學(xué)生對于仿真軟件的應(yīng)用能力和解決實際問題的能力。

筆者通過總結(jié)建模與仿真課程多年的教學(xué)經(jīng)驗，結(jié)合和多屆工業(yè)工程學(xué)生的訪談情況，發(fā)現(xiàn)目前建模與仿真課程的實驗教學(xué)存在如下問題：

1.1 實驗平臺存在短板，實驗內(nèi)容存在結(jié)構(gòu)性問題

目前，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的建模與仿真的實驗平臺是Extendsim 全自助多媒體仿真實驗平臺。該實驗平臺具備全自動、易學(xué)易用的特點，但存在實驗案例分類不系統(tǒng)、案例老舊等特點，學(xué)生學(xué)習(xí)以后印象不深刻，實際技能提升有限。此外，該實驗平臺主要基于操作視頻的方法來訓(xùn)練學(xué)生的實操能力，缺乏互動與閉環(huán)評價，這不利于學(xué)生開放性、創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)。最后，該平臺內(nèi)的案例庫無法進行實時更新，且對操作環(huán)境要求苛刻，例如只適用于Windows 7 操作系統(tǒng)，在當前的主流Windows 10 系統(tǒng)中會出現(xiàn)各種錯誤，這會極大地限制該實驗平臺的應(yīng)用范圍。

除了實驗平臺本身存在問題，現(xiàn)有的實驗教學(xué)在進度安排和內(nèi)容設(shè)置上也存在短板。在進度安排上，現(xiàn)有的實驗安排和理論教學(xué)存在脫節(jié)。脫節(jié)主要體現(xiàn)在2 個方面。（1）實驗部分的內(nèi)容、難度和理論部分的內(nèi)容、難度不一致。例如，第2 章的理論部分介紹的Extendsim 入門操作較為豐富，而第2 章配套的實驗是一個非常簡單的單隊列單服務(wù)臺的排隊模型，難以對第2 章的內(nèi)容進行充分實踐。（2）實驗時間和對應(yīng)的理論學(xué)習(xí)時間存在剪刀差。一方面理論課程時間和實驗課時間不同步。另一方面理論課程時長和實驗課程時長存在不對稱。此外，在內(nèi)容設(shè)置上，現(xiàn)有實驗的覆蓋面較窄，基本都是考慮服務(wù)系統(tǒng)仿真。然而仿真技術(shù)除了可以用于服務(wù)業(yè)，還可以應(yīng)用于制造業(yè)、交通運輸、通信系統(tǒng)的仿真和優(yōu)化等多個領(lǐng)域。狹窄的實驗案例覆蓋范圍不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

1.2 實驗教學(xué)模式呆板，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣

現(xiàn)有的實驗教學(xué)模式是“以教師和實驗平臺為中心”。學(xué)生根據(jù)實驗平臺上已有的案例題目，按照實驗平臺的教學(xué)視頻一步一步地構(gòu)造仿真模型，然后完成仿真實驗平臺給定的題目。老師則負責(zé)答疑解惑，控制課堂的學(xué)習(xí)秩序。在這種模式下，學(xué)生進行實驗的目的很大程度上是為了完成“作業(yè)”，學(xué)習(xí)知識、提高能力反而成了完成作業(yè)的“副產(chǎn)品”。由于實驗案例和實驗步驟都是固定的，學(xué)生幾乎沒有自我發(fā)揮的空間，因此學(xué)習(xí)興趣不大[4]。同時，由于學(xué)生都是獨立完成實驗內(nèi)容，彼此之間缺乏溝通和交流，因此不利于學(xué)生創(chuàng)造性思維和團隊協(xié)作意識的培養(yǎng)。此外，老師在現(xiàn)有的教學(xué)模式下，起到的作用僅僅是解決“案例中的問題”，無法有效傳授案例背后的課程知識，不利于學(xué)生知識和思維能力的拓展。

1.3 實驗考核方式效率低下，無法有效反映學(xué)生的實際能力

在“以教師和實驗平臺為中心”的實驗?zāi)Ｊ较?，實驗考核的主要手段是基于學(xué)生完成實驗報告的質(zhì)量高低對學(xué)生進行打分。由于所有學(xué)生都是嚴格按照實驗平臺的視頻一步一步完成實驗，因此，學(xué)生的實驗報告大同小異，除了布局和文字描述有差別，其他則差別不大，缺乏差異性，無法真實衡量學(xué)生對仿真知識和技術(shù)的掌握情況。同時，仿真技術(shù)并非只是簡單地建立模型，同時也包含了模型的分析、輸入數(shù)據(jù)的采集與分析、基于模型的仿真實驗設(shè)計、仿真輸出數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)分析等。而學(xué)生對這些部分的掌握情況很難在實驗報告中體現(xiàn)。

2 建模與仿真的實驗課程教學(xué)改革探索

通過以上對建模與仿真課程的實驗教學(xué)的現(xiàn)狀和不足的分析，結(jié)合華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工業(yè)工程專業(yè)的教學(xué)實踐，梳理建模與仿真的實驗課程教學(xué)改革經(jīng)驗。

2.1 跳出實驗平臺安排實驗課程

針對目前Extendsim 全自助多媒體仿真實驗平臺的不足，考慮在實際的實驗教學(xué)過程中跳出該實驗平臺，以解決當前存在的問題。具體做法：（1）在實驗案例選取上，除了比較基礎(chǔ)的排隊系統(tǒng)建模、輸入數(shù)據(jù)采集與分析和輸出數(shù)據(jù)分析等知識模塊繼續(xù)沿用Extendsim 全自助多媒體仿真實驗平臺中的案例，還考慮在結(jié)構(gòu)建模、Extendsim 入門、仿真優(yōu)化和典型應(yīng)用等模塊的實驗課程中廣泛引入其他多個行業(yè)的新案例。如引入銀行服務(wù)案例、集裝箱碼頭仿真案例、制造業(yè)仿真案例等。同時根據(jù)案例涉及的知識、案例對應(yīng)的行業(yè)和案例的難易程度對案例進行分類安排。在實驗課時量、實驗進度安排上與理論模塊的教學(xué)保持一致，以便學(xué)生在學(xué)習(xí)完理論知識后，可以迅速通過實驗進行訓(xùn)練，在實驗中加深對理論知識的理解。具體章節(jié)對應(yīng)的實驗內(nèi)容見表1。

表1 建模與仿真章節(jié)對應(yīng)實驗

2.2 構(gòu)建“以學(xué)生為中心，以問題為動力”的實驗教學(xué)模式

摒棄之前“以教師和實驗平臺為中心”的教學(xué)模式，改用“以學(xué)生為中心，以問題為動力”的實驗教學(xué)模式。具體做法為：首先，在實驗課開始之前，以問題的形式布置實驗案例。然后引導(dǎo)學(xué)生在網(wǎng)上或者圖書館自己查找資料，尋找解決問題的方法。老師把重點放在問題的剖析上。同時，在構(gòu)建仿真模型時，不直接給出構(gòu)建仿真模型的操作視頻，而是由學(xué)生通過小組合作的方法，自己開發(fā)模型。如果學(xué)生在構(gòu)建模型的過程中出現(xiàn)問題，則老師會參與學(xué)生的小組討論，從而啟發(fā)學(xué)生產(chǎn)生靈感，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

“以學(xué)生為中心，以問題為動力”的教學(xué)模式，可以極大地激發(fā)學(xué)生解決實際問題的興趣，很好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和團隊協(xié)作意識。學(xué)生從被動地接受知識變成了主動地探索新知識。同時，考慮到現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上有很多現(xiàn)成的學(xué)習(xí)資料可以幫助學(xué)生解決實際問題，因此“以學(xué)生為中心，以問題為動力”的實驗教學(xué)模式可以很好地利用當前互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的紅利[5]，拓展學(xué)生的專業(yè)知識，增強其解決問題的能力。

2.3 構(gòu)建建模與仿真實驗的“全面考核方式”

摒棄之前只根據(jù)實驗報告進行打分的考核方式，改為模型+答辯+實驗報告的“全面考核方式”。其中模型即為小組構(gòu)建的仿真模型。根據(jù)模型的功能性、拓展性、創(chuàng)新性和界面的美觀性、用戶友好性對模型進行綜合打分。每次實驗結(jié)束后，每個小組都需要進行PPT 答辯。根據(jù)PPT 的邏輯性、美觀性、答辯時回答問題的表現(xiàn)等進行綜合打分。報告則根據(jù)報告的完整性、邏輯性、設(shè)計方案的合理性、創(chuàng)新性進行綜合打分。最終的成績?yōu)槟Ｐ汀⒋疝q和實驗報告的加權(quán)和。通過以上的“全面考核方式”，可以多維度地評價學(xué)生的綜合表現(xiàn)，更加公平和合理。

3 結(jié)語

作為一門理論與實踐融合、以實踐為主的課程，建模與仿真的實驗部分教學(xué)設(shè)計尤為重要。在分析總結(jié)現(xiàn)有實驗教學(xué)問題的基礎(chǔ)上，對建模與仿真課程的實驗教學(xué)進行了積極的探索。主要目的是希望通過改革實驗課程的教學(xué)方法和思路來強化學(xué)生對理論知識的掌握，同時增強學(xué)生解決實際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和團隊協(xié)作意識。