胡金芳，陳無(wú)畏，汪洪波

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院,合肥 230009)

面向車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)的“系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真”課程改革與實(shí)踐

胡金芳，陳無(wú)畏，汪洪波

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院,合肥 230009)

為滿足車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才培養(yǎng)定位的需求，結(jié)合國(guó)內(nèi)“系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真”課程的現(xiàn)狀及車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、師資隊(duì)伍、考核體系四個(gè)方面對(duì)課程改革與實(shí)踐進(jìn)行了探討，并對(duì)課程改革的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

系統(tǒng)建模；計(jì)算機(jī)仿真；改革與實(shí)踐

建模與仿真是指構(gòu)造現(xiàn)實(shí)世界實(shí)際系統(tǒng)的模型和在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真的有關(guān)復(fù)雜活動(dòng)，主要包括實(shí)際系統(tǒng)、模型和計(jì)算機(jī)等三個(gè)基本部分及其關(guān)系。其中，模型是對(duì)實(shí)體、過(guò)程、系統(tǒng)、現(xiàn)象等的數(shù)學(xué)、物理或邏輯的描述，仿真是模型隨時(shí)間運(yùn)行的手段和方法。當(dāng)前仿真技術(shù)的應(yīng)用已包括經(jīng)濟(jì)、管理、航空、航天、電力、電子、交通運(yùn)輸、通訊、機(jī)械、車(chē)輛等各個(gè)領(lǐng)域，并已從傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域擴(kuò)展到非工程領(lǐng)域。[1-2]

1 課程教學(xué)的現(xiàn)狀

“系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真”作為科學(xué)技術(shù)知識(shí)體系的重要組成部分，在車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)的課程體系中占有重要地位，這門(mén)課程教的成效直接關(guān)系到車(chē)輛專(zhuān)業(yè)的學(xué)生對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)以及工程實(shí)踐能力。目前國(guó)內(nèi)許多高校均為研究生或高年級(jí)的本科生開(kāi)設(shè)了關(guān)于系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真方面的課程，但由于受學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)的影響，目前許多高?！跋到y(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真”課程主要體現(xiàn)在控制理論與控制工程或計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)其中所體現(xiàn)的理念以及涉及的社會(huì)價(jià)值判斷的思想，科學(xué)研究能力的培養(yǎng)等則論述較少。這也是眾多高校在“系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真”課程上存在的不足。

(1)教材涉及面太廣。涉及范圍包括控制理論與控制工程或計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)于工程學(xué)科的學(xué)生，尤其是車(chē)輛工程的學(xué)生針對(duì)性不強(qiáng)，學(xué)生看著一本厚厚的教材，心里難免畏懼。

(2)教學(xué)模式單一。課堂教學(xué)模式主要以教材為主、以教師為中心進(jìn)行單一的課堂講解，相對(duì)比較枯燥，課堂互動(dòng)性差，學(xué)生很容易在課堂上打瞌睡、玩手機(jī)和聊天，主體地位得不到充分發(fā)揮。

(3)考試內(nèi)容和形式單一。課程考核采用期末閉卷考試，學(xué)生雖然借助于考前死記硬背都能基本過(guò)關(guān)，但考過(guò)之后很快就忘記，無(wú)法真正在后續(xù)的各專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)和課程設(shè)計(jì)中具體應(yīng)用本學(xué)科的知識(shí)。[3]

(4)理論與實(shí)踐脫節(jié)?！跋到y(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真”是一門(mén)綜合性、交叉性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，理論性和邏輯性比較強(qiáng)，內(nèi)容相對(duì)來(lái)說(shuō)枯燥無(wú)味、抽象難懂、知識(shí)點(diǎn)也比較多，缺少對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的訓(xùn)練。

針對(duì)“系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真”課程教學(xué)中出現(xiàn)的上述問(wèn)題，本文以合肥工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的“系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真”課程為依托，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、師資隊(duì)伍、考核體系等進(jìn)行了不斷的探索。

2 課程改革的總體思路

車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)定位是：培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)需要的德智體全面發(fā)展、基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬、能力強(qiáng)、素質(zhì)高、富有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神，能夠從事車(chē)輛工程相關(guān)工作的高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才。[4]課程改革應(yīng)主要圍繞以下兩個(gè)方面進(jìn)行。

(1)鞏固理論知識(shí)，完善知識(shí)結(jié)構(gòu)。由于受傳統(tǒng)教育理念的影響，學(xué)生習(xí)慣于死記硬背書(shū)本的知識(shí)，造成知識(shí)結(jié)構(gòu)不夠完善，不能滿足科技和社會(huì)發(fā)展的需要。進(jìn)行課程改革，要注重將理論知識(shí)與實(shí)踐技能有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生更好的掌握在機(jī)電、車(chē)輛和交通工程領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真方面研究的理論知識(shí)體系；且通過(guò)多學(xué)科領(lǐng)域的綜合性、交叉性技術(shù)知識(shí)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的綜合知識(shí)，為今后從事工程實(shí)際的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)、制造、實(shí)驗(yàn)等工作打下一定的基礎(chǔ)。

(2)掌握創(chuàng)新技巧，提高創(chuàng)新能力。進(jìn)行課程改革，要注重加強(qiáng)科學(xué)實(shí)踐，讓學(xué)生接觸到大量的信息，初步掌握并使用各種技術(shù)技能和現(xiàn)代化工程工具，提高他們系統(tǒng)建模、確定仿真方案、進(jìn)行系統(tǒng)分析的能力，在科研實(shí)踐中形成敢于質(zhì)疑、勇于挑戰(zhàn)、善于超越的創(chuàng)新品質(zhì)。

3 課程改革的實(shí)踐方案

圖1 系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真課程教學(xué)模式改革

通過(guò)調(diào)研、實(shí)踐和與學(xué)生溝通，結(jié)合多年來(lái)的在車(chē)輛系統(tǒng)建模與仿真方面的教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn)，“系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真”課程可從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、師資隊(duì)伍、考核體系四個(gè)方面開(kāi)展教學(xué)改革，如圖1所示。

3.1 教學(xué)內(nèi)容

(1)編排一本適用的教材或教學(xué)資料。該教材要作為機(jī)械、交通、動(dòng)力工程等一級(jí)學(xué)科課程設(shè)置的研究生教材，更要考慮本科生這個(gè)背景，將該教材作為本科生高年級(jí)的選修課教材。且由于數(shù)學(xué)建模課程要用到計(jì)算機(jī)，最好能配備相應(yīng)的習(xí)題和多媒體課件。

(2)融合教學(xué)科研，提高創(chuàng)新思維。為適應(yīng)現(xiàn)代系統(tǒng)建模與仿真理論及技術(shù)的發(fā)展對(duì)人才的需求，結(jié)合所在課題組在汽車(chē)動(dòng)力學(xué)及控制方面的科研經(jīng)驗(yàn)，以及建模與仿真技術(shù)的前沿知識(shí)體系，不斷更新課程內(nèi)容，把高水平的科研成果和系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真方面的前沿理論和技術(shù)充實(shí)到教學(xué)中。例如，講授非線性系統(tǒng)的建模與仿真一章時(shí)，結(jié)合課題組對(duì)磁流變懸置的建模與仿真分析的研究，使學(xué)生更好的了解非線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，掌握非線性系統(tǒng)數(shù)字仿真基本方法；在講授實(shí)時(shí)仿真一章時(shí)，結(jié)合課題組在EPS、ESP兩方面的研究，使學(xué)生更好地了解實(shí)時(shí)仿真的作用、實(shí)時(shí)仿真的分類(lèi)、半實(shí)物仿真系統(tǒng)的基本組成與原理等，開(kāi)闊學(xué)生的視野，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的熱情，為今后的創(chuàng)新活動(dòng)奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 教學(xué)模式

圖2 工程—理論—工程教學(xué)思想示意圖

更新教學(xué)方法，完善教學(xué)體系。采用新型的教學(xué)手段和多樣動(dòng)態(tài)啟發(fā)式、交互式的研究型教學(xué)方法，[5-7]以“認(rèn)識(shí)—實(shí)踐—再認(rèn)識(shí)—再實(shí)踐”為教學(xué)主線，形成“工程—理論—工程”的教學(xué)思想，如圖2所示。構(gòu)建以課堂教學(xué)為主，課內(nèi)與課外結(jié)合，理論與工程實(shí)踐相結(jié)合的一體化教學(xué)體系，更好地構(gòu)建以研究為基礎(chǔ)的教學(xué)模式。

(1)項(xiàng)目教學(xué)。以項(xiàng)目為導(dǎo)向，學(xué)生為主體，從車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)際需求出發(fā)，選擇相關(guān)背景的項(xiàng)目為教學(xué)的內(nèi)容。如讓多個(gè)小組成員參與課題組的汽車(chē)ESP系統(tǒng)的建模與仿真項(xiàng)目，如圖3所示。通過(guò)建立汽車(chē)懸架、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等的整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)汽車(chē)在極限工況下的動(dòng)態(tài)特性和失穩(wěn)機(jī)理分析、汽車(chē)動(dòng)力學(xué)性能主客觀評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行研究。在項(xiàng)目的完成過(guò)程中，學(xué)生不但掌握了理論知識(shí)，而且還提升了動(dòng)手能力，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作能力。

(a)硬件在環(huán)仿真模型

(b)橫擺角速度測(cè)試結(jié)果

圖3 ESP硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)試結(jié)果

(2)案例教學(xué)。先通過(guò)實(shí)際案例誘發(fā)學(xué)生的好奇心，進(jìn)而引導(dǎo)出實(shí)際問(wèn)題，促使學(xué)生思考和討論。[8]如，在講解常用的系統(tǒng)建模方法時(shí)，可以先通過(guò)提出學(xué)生出去旅游時(shí)，如何通過(guò)規(guī)劃路線，使得從居住地到各個(gè)景點(diǎn)參觀旅游行程最短的問(wèn)題，讓學(xué)生尋求模型求解方法，進(jìn)而引出對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型建模方法的講解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，體驗(yàn)創(chuàng)造過(guò)程的美好。

(3)組隊(duì)研討式教學(xué)。通過(guò)給學(xué)生布置一道作業(yè)，如汽車(chē)懸架系統(tǒng)建模與仿真分析，可將學(xué)生按照學(xué)號(hào)或自己的意愿分為幾個(gè)組，讓每個(gè)組自行查閱資料，讓學(xué)生綜合利用所學(xué)的汽車(chē)?yán)碚?、汽?chē)構(gòu)造等相關(guān)的知識(shí)，建立懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程，并進(jìn)行相應(yīng)地設(shè)計(jì)、分析，最后通過(guò)仿真計(jì)算得到懸架系統(tǒng)振動(dòng)的曲線，并形成報(bào)告，在課上進(jìn)行演講和討論。讓學(xué)生親自完成一個(gè)系統(tǒng)的建模和仿真及分析，一方面，鞏固了前期課程和本門(mén)課程的知識(shí)；另一方面，學(xué)生在參與科技活動(dòng)時(shí)感受專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，更好的發(fā)揮自身潛力。

(4)實(shí)踐教學(xué)。搭建綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提高創(chuàng)新能力。如可通過(guò)Matlab環(huán)境下的汽車(chē)操縱穩(wěn)定性仿真和ADAMS環(huán)境下的重型牽引車(chē)駕駛室懸置性能仿真兩個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)物系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真模塊搭建、仿真結(jié)果分析，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、計(jì)算、實(shí)踐以及創(chuàng)新的能力；在建模過(guò)程中，如何把數(shù)學(xué)公式變成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言；如何把數(shù)學(xué)模塊連起來(lái)；如何得到仿真結(jié)果及對(duì)其進(jìn)行分析；都是對(duì)知識(shí)鞏固和深化的過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如何解決遇到的問(wèn)題，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)樂(lè)趣。

3.3 師資隊(duì)伍

構(gòu)建師資隊(duì)伍，提高教學(xué)質(zhì)量。就當(dāng)前國(guó)內(nèi)“系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真”課程開(kāi)設(shè)的情況而言，大多數(shù)高校是為電氣自動(dòng)化、管理工程、物流工程等領(lǐng)域的研究生和本科生開(kāi)設(shè)的。因此，針對(duì)機(jī)電工程、車(chē)輛工程和交通工程領(lǐng)域的學(xué)生，需構(gòu)建合適的師資隊(duì)伍，促進(jìn)課程建設(shè)的持續(xù)發(fā)展。

(1)成立教學(xué)團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)教師根據(jù)專(zhuān)長(zhǎng)，結(jié)合研究方向，專(zhuān)門(mén)講授某一方面的系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真的知識(shí)與技巧。如教師分別講授非線性系統(tǒng)的建模與仿真、分布參數(shù)系統(tǒng)的建模與仿真、隨機(jī)系統(tǒng)的建模與仿真、實(shí)時(shí)仿真等，避免了教師某些知識(shí)不足的缺陷，提高課堂教學(xué)效果。還可以運(yùn)用參與式教學(xué)模式，由兩位教師同時(shí)上一堂課，分別講解建模問(wèn)題和軟件問(wèn)題，互為補(bǔ)充，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

(2)以課程組為基礎(chǔ)，設(shè)立課程責(zé)任人，組織教學(xué)，經(jīng)常討論教學(xué)方法，使各班的教學(xué)水平同步提高。如以講課比賽、督導(dǎo)專(zhuān)家評(píng)教、學(xué)生評(píng)教/座談、以及教學(xué)評(píng)估等形式，通過(guò)課程組對(duì)教學(xué)方式進(jìn)行分析、討論、研究，找出學(xué)生課程學(xué)習(xí)和實(shí)踐研究的聯(lián)系，使學(xué)生將所學(xué)的課程知識(shí)能夠很快應(yīng)用到實(shí)踐研究中，促進(jìn)學(xué)生培養(yǎng)的連貫性，提高教學(xué)水平和學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量。

3.4 考核體系

(1)評(píng)價(jià)的內(nèi)容。加強(qiáng)項(xiàng)目測(cè)試、綜合性大作業(yè)等。側(cè)重于學(xué)生學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)過(guò)程的評(píng)價(jià)，重視學(xué)生知識(shí)和技能的運(yùn)用，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

(2)評(píng)價(jià)的方式。加強(qiáng)平時(shí)考核在總成績(jī)中的權(quán)重，把過(guò)程性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)結(jié)合起來(lái)，將考核貫穿于課程教學(xué)的全過(guò)程，如表1所示。

表1 課程跟蹤評(píng)價(jià)方式

4 課程改革的效果

(1)特色鮮明，教學(xué)質(zhì)量?jī)?yōu)秀。“系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真”課程特色鮮明，深受機(jī)電、交通、車(chē)輛工程領(lǐng)域?qū)W生的歡迎，主要授課對(duì)象由原來(lái)的博士生延伸至碩士和高年級(jí)的本科生，每年的上課總?cè)藬?shù)近400人，在同類(lèi)型的選修課中，選中率近100%，在連續(xù)4屆的學(xué)生網(wǎng)上匿名評(píng)教中均獲優(yōu)秀。

(2)師資梯隊(duì)完善，促進(jìn)課程建設(shè)發(fā)展。通過(guò)多年建設(shè)，課程組已由原來(lái)的幾人發(fā)展到近10人，其中教授2人，副教授4人，講師4人。該課程組擁有了具有較好年齡結(jié)構(gòu)、學(xué)歷結(jié)構(gòu)和職稱(chēng)結(jié)構(gòu)的師資梯隊(duì)，促進(jìn)了課程建設(shè)的持續(xù)發(fā)展。

(3)基于多年的教學(xué)資料和經(jīng)驗(yàn)的積累，獲批了一項(xiàng)系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真方面的精品課程項(xiàng)目和一項(xiàng)教材建設(shè)項(xiàng)目。本課程所選用的教材為機(jī)械工業(yè)出版社出版的普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材，在機(jī)電、車(chē)輛和交通等工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，已被不少高校選作高年級(jí)本科生和研究生教材，受到開(kāi)設(shè)這門(mén)課程的老師好評(píng)。

(4)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作能力。在參與科研與實(shí)踐項(xiàng)目和完成大作業(yè)的過(guò)程中，學(xué)生在查閱相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，提出自己的觀點(diǎn)和方案，進(jìn)行建模、仿真和分析，逐步形成了創(chuàng)新意識(shí)。通過(guò)把學(xué)生分成多個(gè)小組來(lái)完成科研、實(shí)踐和大作業(yè)任務(wù)，逐步培養(yǎng)了與他人合作的觀念和能力。

[1] 陳無(wú)畏. 系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：1- 13.

[2] 齊歡,王小平.系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：1- 3.

[3] 閆朝華.人機(jī)工程學(xué)課程教學(xué)改革的研究與實(shí)踐[J].合肥學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2008(4):113- 116.

[4] 任成龍.論科研實(shí)踐與大學(xué)生創(chuàng)新能力的提高[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2010 (1):48- 51.

[5] 穆鋼,李國(guó)慶.面向工程強(qiáng)化實(shí)踐的“電力系統(tǒng)分析”課程改革與實(shí)踐[J].2010(S0):143- 146.

[6] 趙爽.應(yīng)用型人才培養(yǎng)中數(shù)學(xué)建模課程教學(xué)改革[J].高師理科學(xué)刊,2016,6(36):67- 74.

[7] 汪洪波,孫虹,陳杰.專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)[J].教學(xué)研究，2009,32(4):65- 68.

[8] 胡毅.項(xiàng)目案例教學(xué)法在 ACCESS 課程教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].科技信息, 2011, (35): 41.

[責(zé)任編輯：張永軍]

Innovation and Practice of the Course of System Modeling and Computer Simulation

HU Jin- fang，CHEN Wu- wei， WANG Hong- bo

(School of Automotive and Transport Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to satisfy the need of senior specialized personnel of the vehicle engineering, according to the current situation and characteristic of the vehicle engineering, the innovation and practice is discussed. Based on the teaching content, teaching model, teaching staff，evaluation system, the methods and approaches of the course innovation are proposed. And the innovation results are evaluated.

system modeling;computer simulation;innovation and practice

2016-08-08

2017-01-20

胡金芳(1983— )女，天津人，合肥工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院副教授、博士，碩士生導(dǎo)師；研究方向：車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制 。

TH12;G642

A

2096-2371(2017)02-0137-04