胡金芳，陳無畏，汪洪波

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

面向車輛工程專業(yè)的“系統(tǒng)建模與計算機仿真”課程改革與實踐

胡金芳，陳無畏，汪洪波

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

為滿足車輛工程專業(yè)高級專門人才培養(yǎng)定位的需求，結(jié)合國內(nèi)“系統(tǒng)建模與計算機仿真”課程的現(xiàn)狀及車輛工程專業(yè)的特點，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、師資隊伍、考核體系四個方面對課程改革與實踐進行了探討，并對課程改革的效果進行了評價。

系統(tǒng)建模；計算機仿真；改革與實踐

建模與仿真是指構(gòu)造現(xiàn)實世界實際系統(tǒng)的模型和在計算機上進行仿真的有關(guān)復(fù)雜活動，主要包括實際系統(tǒng)、模型和計算機等三個基本部分及其關(guān)系。其中，模型是對實體、過程、系統(tǒng)、現(xiàn)象等的數(shù)學(xué)、物理或邏輯的描述，仿真是模型隨時間運行的手段和方法。當(dāng)前仿真技術(shù)的應(yīng)用已包括經(jīng)濟、管理、航空、航天、電力、電子、交通運輸、通訊、機械、車輛等各個領(lǐng)域，并已從傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域擴展到非工程領(lǐng)域。[1-2]

1 課程教學(xué)的現(xiàn)狀

“系統(tǒng)建模與計算機仿真”作為科學(xué)技術(shù)知識體系的重要組成部分，在車輛工程專業(yè)的課程體系中占有重要地位，這門課程教的成效直接關(guān)系到車輛專業(yè)的學(xué)生對系統(tǒng)進行分析、計算、實驗和設(shè)計以及工程實踐能力。目前國內(nèi)許多高校均為研究生或高年級的本科生開設(shè)了關(guān)于系統(tǒng)建模與計算機仿真方面的課程，但由于受學(xué)科知識結(jié)構(gòu)的影響，目前許多高?！跋到y(tǒng)建模與計算機仿真”課程主要體現(xiàn)在控制理論與控制工程或計算機科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，對其中所體現(xiàn)的理念以及涉及的社會價值判斷的思想，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)建模與計算機仿真”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算機科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，對于工程學(xué)科的學(xué)生，尤其是車輛工程的學(xué)生針對性不強，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、以教師為中心進行單一的課堂講解，相對比較枯燥，課堂互動性差，學(xué)生很容易在課堂上打瞌睡、玩手機和聊天，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關(guān)，但考過之后很快就忘記，無法真正在后續(xù)的各專業(yè)課的學(xué)習(xí)和課程設(shè)計中具體應(yīng)用本學(xué)科的知識。[3]

(4)理論與實踐脫節(jié)?！跋到y(tǒng)建模與計算機仿真”是一門綜合性、交叉性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課程，理論性和邏輯性比較強，內(nèi)容相對來說枯燥無味、抽象難懂、知識點也比較多，缺少對學(xué)生實踐能力的訓(xùn)練。

針對“系統(tǒng)建模與計算機仿真”課程教學(xué)中出現(xiàn)的上述問題，本文以合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院車輛工程專業(yè)開設(shè)的“系統(tǒng)建模與計算機仿真”課程為依托，對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、師資隊伍、考核體系等進行了不斷的探索。

2 課程改革的總體思路

車輛工程專業(yè)的人才培養(yǎng)定位是：培養(yǎng)適應(yīng)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)需要的德智體全面發(fā)展、基礎(chǔ)扎實、知識面寬、能力強、素質(zhì)高、富有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神，能夠從事車輛工程相關(guān)工作的高級專門人才。[4]課程改革應(yīng)主要圍繞以下兩個方面進行。

(1)鞏固理論知識，完善知識結(jié)構(gòu)。由于受傳統(tǒng)教育理念的影響，學(xué)生習(xí)慣于死記硬背書本的知識，造成知識結(jié)構(gòu)不夠完善，不能滿足科技和社會發(fā)展的需要。進行課程改革，要注重將理論知識與實踐技能有機結(jié)合，使學(xué)生更好的掌握在機電、車輛和交通工程領(lǐng)域進行系統(tǒng)建模與計算機仿真方面研究的理論知識體系；且通過多學(xué)科領(lǐng)域的綜合性、交叉性技術(shù)知識的系統(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，為今后從事工程實際的產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計、制造、實驗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。進行課程改革，要注重加強科學(xué)實踐，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、進行系統(tǒng)分析的能力，在科研實踐中形成敢于質(zhì)疑、勇于挑戰(zhàn)、善于超越的創(chuàng)新品質(zhì)。

3 課程改革的實踐方案

圖1 系統(tǒng)建模與計算機仿真課程教學(xué)模式改革

通過調(diào)研、實踐和與學(xué)生溝通，結(jié)合多年來的在車輛系統(tǒng)建模與仿真方面的教學(xué)和科研經(jīng)驗，“系統(tǒng)建模與計算機仿真”課程可從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、師資隊伍、考核體系四個方面開展教學(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。該教材要作為機械、交通、動力工程等一級學(xué)科課程設(shè)置的研究生教材，更要考慮本科生這個背景，將該教材作為本科生高年級的選修課教材。且由于數(shù)學(xué)建模課程要用到計算機，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)展對人才的需求，結(jié)合所在課題組在汽車動力學(xué)及控制方面的科研經(jīng)驗，以及建模與仿真技術(shù)的前沿知識體系，不斷更新課程內(nèi)容，把高水平的科研成果和系統(tǒng)建模與計算機仿真方面的前沿理論和技術(shù)充實到教學(xué)中。例如，講授非線性系統(tǒng)的建模與仿真一章時，結(jié)合課題組對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；在講授實時仿真一章時，結(jié)合課題組在EPS、ESP兩方面的研究，使學(xué)生更好地了解實時仿真的作用、實時仿真的分類、半實物仿真系統(tǒng)的基本組成與原理等，開闊學(xué)生的視野，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的熱情，為今后的創(chuàng)新活動奠定扎實的基礎(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)手段和多樣動態(tài)啟發(fā)式、交互式的研究型教學(xué)方法，[5-7]以“認(rèn)識—實踐—再認(rèn)識—再實踐”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)項目教學(xué)。以項目為導(dǎo)向，學(xué)生為主體，從車輛工程專業(yè)的實際需求出發(fā)，選擇相關(guān)背景的項目為教學(xué)的內(nèi)容。如讓多個小組成員參與課題組的汽車ESP系統(tǒng)的建模與仿真項目，如圖3所示。通過建立汽車懸架、轉(zhuǎn)向、制動、驅(qū)動系統(tǒng)等的整車動力學(xué)模型，對汽車在極限工況下的動態(tài)特性和失穩(wěn)機理分析、汽車動力學(xué)性能主客觀評價等方面進行研究。在項目的完成過程中，學(xué)生不但掌握了理論知識，而且還提升了動手能力，增強了團隊合作能力。

(a)硬件在環(huán)仿真模型

(b)橫擺角速度測試結(jié)果

圖3 ESP硬件在環(huán)試驗臺及測試結(jié)果

(2)案例教學(xué)。先通過實際案例誘發(fā)學(xué)生的好奇心，進而引導(dǎo)出實際問題，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，可以先通過提出學(xué)生出去旅游時，如何通過規(guī)劃路線，使得從居住地到各個景點參觀旅游行程最短的問題，讓學(xué)生尋求模型求解方法，進而引出對網(wǎng)絡(luò)模型建模方法的講解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，體驗創(chuàng)造過程的美好。

(3)組隊研討式教學(xué)。通過給學(xué)生布置一道作業(yè)，如汽車懸架系統(tǒng)建模與仿真分析，可將學(xué)生按照學(xué)號或自己的意愿分為幾個組，讓每個組自行查閱資料，讓學(xué)生綜合利用所學(xué)的汽車?yán)碚摗⑵嚇?gòu)造等相關(guān)的知識，建立懸架系統(tǒng)的運動微分方程，并進行相應(yīng)地設(shè)計、分析，最后通過仿真計算得到懸架系統(tǒng)振動的曲線，并形成報告，在課上進行演講和討論。讓學(xué)生親自完成一個系統(tǒng)的建模和仿真及分析，一方面，鞏固了前期課程和本門課程的知識；另一方面，學(xué)生在參與科技活動時感受專業(yè)學(xué)習(xí)的樂趣，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，更好的發(fā)揮自身潛力。

(4)實踐教學(xué)。搭建綜合實驗平臺，提高創(chuàng)新能力。如可通過Matlab環(huán)境下的汽車操縱穩(wěn)定性仿真和ADAMS環(huán)境下的重型牽引車駕駛室懸置性能仿真兩個仿真實驗對實物系統(tǒng)進行建模、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、計算、實踐以及創(chuàng)新的能力；在建模過程中，如何把數(shù)學(xué)公式變成計算機語言；如何把數(shù)學(xué)模塊連起來；如何得到仿真結(jié)果及對其進行分析；都是對知識鞏固和深化的過程。在實驗過程中，如何解決遇到的問題，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)樂趣。

3.3 師資隊伍

構(gòu)建師資隊伍，提高教學(xué)質(zhì)量。就當(dāng)前國內(nèi)“系統(tǒng)建模與計算機仿真”課程開設(shè)的情況而言，大多數(shù)高校是為電氣自動化、管理工程、物流工程等領(lǐng)域的研究生和本科生開設(shè)的。因此，針對機電工程、車輛工程和交通工程領(lǐng)域的學(xué)生，需構(gòu)建合適的師資隊伍，促進課程建設(shè)的持續(xù)發(fā)展。

(1)成立教學(xué)團隊。團隊教師根據(jù)專長，結(jié)合研究方向，專門講授某一方面的系統(tǒng)建模與計算機仿真的知識與技巧。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、隨機系統(tǒng)的建模與仿真、實時仿真等，避免了教師某些知識不足的缺陷，提高課堂教學(xué)效果。還可以運用參與式教學(xué)模式，由兩位教師同時上一堂課，分別講解建模問題和軟件問題，互為補充，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)專家評教、學(xué)生評教/座談、以及教學(xué)評估等形式，通過課程組對教學(xué)方式進行分析、討論、研究，找出學(xué)生課程學(xué)習(xí)和實踐研究的聯(lián)系，使學(xué)生將所學(xué)的課程知識能夠很快應(yīng)用到實踐研究中，促進學(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)評價的內(nèi)容。加強項目測試、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)過程的評價，重視學(xué)生知識和技能的運用，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。

(2)評價的方式。加強平時考核在總成績中的權(quán)重，把過程性評價與終結(jié)性評價結(jié)合起來，將考核貫穿于課程教學(xué)的全過程，如表1所示。

表1 課程跟蹤評價方式

4 課程改革的效果

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

(2)師資梯隊完善，促進課程建設(shè)發(fā)展。通過多年建設(shè)，課程組已由原來的幾人發(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)和職稱結(jié)構(gòu)的師資梯隊，促進了課程建設(shè)的持續(xù)發(fā)展。

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

(4)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和團隊合作能力。在參與科研與實踐項目和完成大作業(yè)的過程中，學(xué)生在查閱相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，提出自己的觀點和方案，進行建模、仿真和分析，逐步形成了創(chuàng)新意識。通過把學(xué)生分成多個小組來完成科研、實踐和大作業(yè)任務(wù)，逐步培養(yǎng)了與他人合作的觀念和能力。

[1] 陳無畏. 系統(tǒng)建模與計算機仿真[M].北京：機械工業(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.人機工程學(xué)課程教學(xué)改革的研究與實踐[J].合肥學(xué)院學(xué)報(社會科學(xué)版),2008(4):113- 116.

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

[5] 穆鋼,李國慶.面向工程強化實踐的“電力系統(tǒng)分析”課程改革與實踐[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)汽車與交通工程學(xué)院副教授、博士，碩士生導(dǎo)師；研究方向：車輛系統(tǒng)動力學(xué)與控制 。

TH12;G642

A

2096-2371(2017)02-0137-04