计算机仿真技术实验课程教学改革

0引论

计算机仿真主要是利用计算机技术和应用领域有关的专业技术，通过建立研究系统的数学模型，进而在计算机上对系统进行实验分析和研究的一门技术。因此，该门课程是一门解决实际问题、实践性强的课程。目前，大部分院校对该门课程的讲授主要围绕计算机仿真的概念、方法和技术来开展的，而在系统分析、系统建模、仿真计算、仿真结果分析等方面的讲解还存在薄弱环节。从教学内容来看，主要存在重理论分析，轻仿真实验；从教学过程来看，还存在重课堂教学，轻实践环节的现象。为此，应加强计算机仿真技术课程实验教学方法的研究，突出系统仿真建模分析实验，建立仿真实验的内容体系，强化仿真实验过程管理，以达到提高学生在计算机仿真技术领域的运用能力。仿真实验的内涵就是针对仿真实验对象，建立仿真实验模型，利用计算机技术，在计算机上开展仿真运算与结果分析的一种实践活动。单纯的课堂理论教学一般缺乏主动获取知识的能力，缺乏对所学知识的深入思考和实际动手能力的培养，缺乏发现问题、灵活运用已有知识解决实际问题的能力。而实验环节能在很大程度上弥补这种教学方式的不足，尤其是计算机仿真技术这门课程，具有系统针对性强与实际结合紧密的特点。因此，在计算机仿真技术课程的教学过程中，重视仿真实验课程建设，加强学生实验环节的教学和训练，已经成为本门课程改革和创新的一个重要内容。

1仿真技术实验课程的目的、分类及特点

计算机仿真实验课是掌握计算机仿真技术和仿真技能培养的重要环节，是开展科学实验、科学研究和工程应用领域能力培养的重要课程之一。开展计算机仿真实验课程改革，需要从实验内容设置、实验教学管理、实验课程评价等几方面入手，以达到实验课程提高学生实践能力和创新能力的目标。计算机仿真技术的教学内容通常分为连续系统仿真和离散系统仿真两个方面，因此，仿真技术实验可分为连续系统仿真实验和离散系统仿真实验。另一方面，按照仿真的作用和目的来分，仿真技术实验领域也可分为三种形式。一是系统设计仿真实验，即对尚不存在的假象系统开展仿真实验。通过仿真实验，来观察系统设计的各项性能参数。二是仿真对象的系统分析仿真实验，即对已有系统进行仿真实验。针对存在的已有系统，构建系统模型，通过仿真实验以观察和分析系统，来了解和掌握系统的变化规律。三是系统模拟训练仿真实验，利用现代虚拟现实技术或半实物仿真技术，构建训练系统的操作训练模型和模拟训练仿真环境，为系统的操作人员提供模拟训练的实验平台。根据仿真技术实验的目的结合计算机仿真技术课程要求，仿真技术实验课程具有以下特点：一是系统实验对象的针对性。仿真实验必须针对某个具体的对象或系统开展仿真实验活动。如一个控制系统的仿真实验，应从该系统的数学模型入手，明确数学模型中各参数的含义和参数之间的物理关系，以此开展仿真实验才具有针对性，而不能笼统地给出一个仿真计算的式子，不加分析就开始进行仿真计算。二是仿真实验模型的有效性。仿真实验模型是仿真实验系统的一种抽象，与实验系统和内容结合紧密，学生应从掌握仿真系统原理的基础上，建立有效的、可计算的仿真实验模型，以便开展仿真实验教学活动。三是仿真实验过程的完整性。仿真实验过程包括系统建模、仿真建模和仿真实验等过程。从仿真实验对象或系统入手，对仿真实验目的，建立仿真实验系统的数学模型，利用掌握的仿真软件或熟知的仿真实验环境，将数学模型转换成仿真计算模型，开展仿真实验，最后对仿真实验与仿真结果进行处理分析。四是仿真实验环境的可操作性。仿真实验依赖于仿真环境与仿真软件，不同的系统、不同的仿真模型，需要在不同的仿真环境下进行。仿真实验环境与仿真软件，有通用计算机程序设计语言，如C++、VB等；有数学计算能力较强应用软件，如Matlab；有针对离散事件系统仿真软件，如GPSS。还有针对不同领域的专业性仿真软件，如流体工程仿真计算软件Fluent，机械设计与虚拟样机仿真软件SolidWorks、Pro/E和UG等。因此，仿真实验的开展应根据仿真实验对象，仿真实验目的和要求，选择正确的仿真实验环境和仿真软件。

2仿真技术实验课教学体系建设

仿真技术实验课程教学改革涉及教学内容，教学体系、教学方法等多个方面。在教学内容上，应紧密配合仿真技术课堂教学要求，合理安排仿真实验项目。如在连续系统仿真方面，应针对仿真对象的微分方程、传递函数、状态空间和结构图等不同模型开展仿真实验，以了解不同模型表示方法的仿真技术。在仿真实验教学体系方面，要结合相关专业对不同仿真技术的要求，有针对性地选择仿真对象。即从建模表示、模型处理、仿真算法设计、仿真结果分析等方面，设置仿真实验案例。在实验教学方法方面，要加强仿真实验前学生的实验准备，以及熟悉仿真实验环境、做好仿真实验过程记录、仿真实验结果处理和分析等方面的工作。

2.1仿真实验课程体系建设

计算机仿真技术属于一门应用类型的课程，课程涉及大量的数学知识，理论性强，同时还蕴含着大量的工程性知识。因此，该门功课的建设与改革要突出工程性和应用性，要注重理论与实际的结合。作为一门实验课程教学体系的建设，主要涉及该门课程的教学目标、教学内容、教学管理与考评、教学过程实施等多个方面。另一方面，计算机仿真实验主要是在计算机上完成，在教学体系建设方面，还要注重学生计算机应用能力和软件编程能力的培养。

（1）实验课程教学目标计算机仿真技术课程的设置目的，是使学员掌握计算机仿真的有关概念、原理和方法，学会利用计算机仿真技术，针对各自研究方向与领域，培养学生开展系统分析、系统设计、系统运用的能力，以及能独立开展实验研究，解决科学研究和工程应用领域中出现的问题。培养学生的计算机仿真思维，提高学生使用计算机仿真理论和技术从事科学研究的能力。

（2）实验课程教学内容计算机仿真技术课程涉及的领域较为广泛，从仿真技术体系来看，课程内容主要包括相似理论、建模理论、建模方法、仿真算法、仿真语言、仿真工具，仿真实验、仿真数据处理与仿真VV&A等。从仿真知识体系来看，课程除涉及大量基础数学知识外，还涉及系统、模型与仿真的概念、方法及分类，连续系统建模与仿真方法，离散事件系统建模与仿真，分布式系统仿真、面向对象建模与仿真技术，虚拟现实技术与仿真等。这些都为如何确定仿真实验内容提出了挑战。为此实验课程内容安排上，我们提出了单项仿真实验与综合仿真实验的解决思路，围绕能力培养选择实验课程内容。通过单项仿真实验让学生掌握重要的知识点，通过综合仿真实验让学生掌握仿真技术的系统知识和仿真技术综合运用能力。其中，单项实验内容包括：系统建模实验，仿真工具运用实验，仿真系统运行实验，仿真数据处理与可信度评估实验等。综合仿真实验主要包括连续系统仿真实验，离散事件系统仿真实验，先进系统仿真实验，虚拟现实仿真实验等。

（3）实验组织实施与管理仿真实验教学过程的组织实施与管理，既要遵循实验课程教学规律，又要突出实验课实践能力和创新能力的培养。在给学生讲解熟悉实验环境、理解仿真对象和仿真目标的基础上，让学生参与实验前准备工作，参与实验方案与计划的制定。根据仿真实验特点，由学生独立或与实验小组完成整个仿真实验过程，重视实验过程中出现问题的分析与解释。让学生在完成实验的同时，还要对实验过程进行总结，提交仿真实验后的体会等。在实验安排方面，加强与相关课程内容的同步结合。在实验学时方面，突出课堂实验与课后拓展实验相结合，即单项仿真实验可在较短的时间内完成，主要安排在教学课程的学时内。对综合性仿真实验采用开放式实验，在制定完实验方案和计划后，可让学生灵活安排时间去完成实验。在实验课程的考核管理是实验过程也是教学过程的重要一环，应加强实验课程的过程考核，通过考核方式的改革，督促学生自觉开展实验活动，达到开设仿真实验课的目的。考核成绩可以按学生的仿真实验准备情况，实验完成质量，实验过程表现与实验报告质量等内容进行综合评定。

2.2实验课教学方法改革

实验教学既是教学活动，又是实践活动。要突出学生的能力培养，也要突出思维能力和科学精神的培养。实验课教学可以采用任务驱动、过程开发的教学模式进行，即在明确仿真实验任务的基础上，由学生自己制定仿真实验任务的计划和方法，编写如何做好仿真实验的准备工作条目，提出每项仿真实验的思路和注意事项，并将这些内容作为仿真实验课成绩的一部分。在这种教学模式下，还要注重以下三方面的工作。

（1）重视仿真实验准备工作仿真实验准备工作是开展仿真实验的前提。仿真实验准备工作包括仿真实验对象的认识和理解，仿真实验目的，制定实验工作步骤以及熟悉仿真实验环境、仿真语言和仿真工具等。要针对仿真实验的对象或系统，让学生查阅相关资料，了解对象和系统的特性，为下一步模型的建立奠定基础，同时，作好仿真实验前的数据收集与准备工作。

（2）强化仿真实验建模分析模型是研究对象或系统的抽象，也是仿真实验的基础。仿真模型的建立是按照一定的目的对所要研究的对象或系统进行抽象的过程。没有正确抽象和描述的仿真模型，就无法开展正确的仿真实验。对于连续系统或离散事件系统仿真建模来说，通常需要根据对象的物理特性，变量特征和仿真实验的目的等开展系统实验建模分析。模型分析主要包括模型的使用对象，模型假设条件，模型内部要素的作用机理，模型简化，模型的表示方式，以及输出结果形式等。建模分析不仅能锻炼和提高学生面向问题的解决能力，同时还可以培养学生逻辑推理能力和科学的思维方式。

（3）突出仿真实验技术应用仿真实验技术主要包括仿真实验设计，仿真算法设计，仿真实验数据处理与分析等。这些仿真技术的应用对提高学生的创新能力、实践能力和探索热情有着重要作用。仿真实验设计主要是制定仿真实验方案，包括编写实验目的，实验步骤，实验初始条件设定等。仿真实验算法设计是一项具有挑战性和创新性的工作，在这一方面要充分让学生去阅读相关文献，为仿真实验设计高效、正确的仿真算法。同时，在算法设计时还要考虑到仿真实验环境，仿真实验环境包括仿真所用的软件和硬件等。在此教师主要给学生以引导和提示，让学生熟悉相关的实验环境，摸索和掌握各种实验工具的应用。在此基础上，再让学生编写仿真实验程序、设计计算步长等相关仿真计算工作。仿真实验数据处理与分析是仿真实验的重要组成部分，让学生掌握常用的数理统计的方法进行实验数据处理与分析。同时，还要通过仿真实验，教会学生对仿真对象变化规律如何做出合理的估计和判断的方法，以达到实验的目的。

3仿真技术实验课教学案例

以连续系统仿真为例，对起重机吊运系统特性开展研究。利用起重机吊运系统仿真实验，进一步阐明仿真技术实验课程教学方法的运用。

3.1仿真实验前准备

在实验准备阶段，首先要认识仿真对象，弄清仿真对象的系统组成，即系统是有哪些实体对象构成的，系统中各个实体的参数属性，系统内部实体之间的作用机制等。在本案例中系统由起重机小车、钢丝绳和吊运的货物构成。其次，是要明确仿真实验的目的，即起重机小车的移动速度、吊绳长度和货物质量等相关参数，对吊运时货物摆角的影响。三是系统抽象，对系统中无关的因素进行简化，如忽略吊运时吊绳长度变化、风速和前后摇摆等影响，以降低系统建模的复杂性。四是收集实验所需数据，为系统建模做好准备，如货物的质量、吊绳长度等。

3.2实验模型建立

根据上述准备工作，利用运动学和动力学的相关知识，结合仿真目的建立仿真实验对象的数学模型。在建立模型时，首先考虑模型的初始状态，给出了初始条件下的参数和方程。其次，考虑货物吊运时的摆动，即在某一摆角下的系统状态，以此建立该状态下货物吊运摆动角度与货物质量、吊绳长度和吊运速度之间的计算关系。这样就为下一步的计算机的仿真计算奠定了基础。建立的起重机吊运货物时的数学模型。

3.3仿真实验

根据上述的实验模型，开展仿真计算。仿真计算可以采用通用程序设计语言，如C语言，也可采用数值计算和科学分析软件Matlab来完成。对于Matlab软件来说，即可采用M文件编程方式，也可利用SimLink方式进行交互式仿真。因此，在这一阶段要鼓励学生积极动手，独立思维，利用不同状态下的参数计算开展系统的仿真实验。

3.4仿真实验结果分析

仿真实验结果分析就是对仿真实验计算的数据进行综合分析，获取系统的相关信息和实验结论，达到仿真实验分析的目的。在计算结果分析时，要让学生观察多组输入输出数据对系统的影响，来进一步认识系统。如在吊运过程中，通过修改吊运货物的质量，吊绳的长度和水平运行速度，来计算和观察吊运摆角的变化，以此来达到认识起重机吊运系统的性能和变化规律。

4结束语

计算机仿真实验课作为一门应用类课程，涉及的理论性比较多，实践性强。在教学内容、教学方法和教学手段上要积极进行改革探索，寻找更好的教学和措施方法。通过仿真实验课程改革的深入，提高学生的动手能力和学习兴趣。让学生通过实验掌握系统建模、系统设计、系统优化和系统观察的方法。进一步激发和提高学生的实践能力和创新能力，提高学生计算机仿真技术方面解决实际问题的能力。

作者：宛西原 王功孝 单位：后勤工程学院后勤信息与军事物流工程系