仿真课群教学改革与实践

廖守亿,张金生,陈坚,刘志国

摘要：仿真类课程是控制科学与工程学科的重要课程。本文从提高学员综合素质入手，结合我校控制科学与工程学科和测控工程专业教学改革实践，从教学内容改革、教学资源建设、实践教学环节完善、师资队伍建设、人才培养等方面开展了全方位、高质量的仿真课群建设探索与实践。

关键词：仿真；课群；教学改革；实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）10-0098-03

一、引言

仿真技术已成为与理论研究、实验研究并列的第三种认识和改造客观世界以及科学研究的手段，因此仿真技术被认为是一种“使能”技术。仿真类课程是控制科学与工程学科的重要课程，在理论和实验教学、科学研究、装备研制中都发挥着不可替代的作用。因此，建设好仿真课群对于学员专业素质的提高与创新能力的培养具有重要的意义。

仿真科学与技术是一门多学科交叉融合的新兴学科。因此，相关专业能力的培养不可能靠一两门课程的配置达到，需要精心设置和规划相关课群，并从基本概念、基本方法、基本理论、工程应用等方面进行整合和统一架构化，形成一个以培养学生专业素质为目的的仿真课群体系。

本教学组在教学内容改革、师资队伍建设、教学资源建设、实践教学完善、人才培养等方面开展了全方位、高质量的仿真课群建设探索与实践，对该课群内的《计算机仿真技术》、《系统仿真技术》、《复杂系统建模与仿真》、《导弹控制系统仿真实验》及《精确制导武器半实物仿真技术》等课程进行了有创新性的、高质量的整合和优化，使课群内各门课程的整体教学水平得到了大幅度的提高。通过十多年的教学实践，形成了一个特色鲜明的仿真课群体系。

二、建立了本硕博一体的菜单式课群体系，实现了课群内课程内容的整合、优化与统一架构

为适应教学改革的发展，同时也为了进一步符合本科生、研究生的教学要求，根据不同培养目标定位和仿真类课程的特点，以培养宽口径、基础扎实和具有创新性的高素质人才为目标，按照理论和实践、知识和能力相互配合、重在实践的教学理念，构建了以本科《计算机仿真技术》、硕士《系统仿真技术》、《导弹控制系统仿真实验》和博士《复杂系统建模与仿真》、《精确制导武器半实物仿真技术》适合于本硕博一体、菜单式的课群体系，制定了相应的课程标准，精选了教学内容。

在如何精选课程内容，避免课群内教学内容大量重叠方面，课题组经过了多年的探索和实践。我们认为，仿真方向的课程教学内容要从宏观上分为三个层次：基础级、提高级和前沿级，这三个级别分别对应于本科生、硕士研究生和博士研究生。对本科生来说，主要定位于最基础的理论和最基本的方法；对硕士研究生来说，主要定位于工程应用技术，特别是当今工程实践中普遍采用的成熟理论和方法；对博士研究生来说，主要定位于仿真技术的发展前沿和基础理论，特别是关注当今研究的热点问题。

基于这样的思路，本科课程应该准确地定位于仿真学科基础级课程。换言之，该课程的教学目标是为所有其它仿真类和控制类课程打下最底层的知识基础。因而本科《计算机仿真技术》课程在课时有限的限制下，将主要内容定位在仿真基本概念和连续系统的仿真方法上，而对离散事件系统仿真以及仿真技术的具体工程应用则只作一般性了解的要求，一句话，本科的课程主要让学员掌握基本的仿真方法。

事实上，这种定位与美国亚利桑那大学面向建模与仿真领域的“建模仿真理论与应用”课程、系统工程方向的“系统仿真”课程以及澳大利亚皇家墨尔本理工大学的“仿真技术导论”、麻省理工学院的“建模与仿真导论”课程等存在一定的对应关系。换句话说，遵循这种定位的课程教学内容将与国际上同类课程的教学内容基本保持一致，也大致与国内清华大学、北京理工大学、国防科技大学等的相关课程保持一定的对应关系。

硕士课程则定位于掌握理解仿真的具体应用技术及一般仿真系统的实现技术，并且能够真正动手进行仿真实验；博士课程则定位于让学员掌握仿真的基本理论和方法，并且强调从认识论和方法论的角度来提高对系统的认识，即使面对复杂系统，也可根据仿真的基本理论和方法学开展仿真研究。另外，在具体的仿真系统构建上，开设《精确制导武器半实物仿真技术》课程，对于学员掌握半实物仿真技术，构建半实物仿真系统具有重要的意义。课群内课程关系如图1所示。总之，根据以上课程内容设计思路，较好地解决了各授课层次教学内容的有效衔接和划分，优化了教学内容和课程体系。

三、加强教学资源建设，提高教学效果

1.开发本科辅助教学软件，增强学员理解仿真算法的能力。计算机仿真技术作为仿真科学与技术涉及到的有关具体仿真技术中最为基础的部分，具有综合性、多学科交叉等特点。因此，学员普遍反应该课程难学。另外，由于本科课程学时有限，学员很难对本课程的主体内容有较好的掌握，虽然连续系统的仿真方法容易掌握，但如何具体应用，各种方法特点是什么，学员并没有直观印象，缺乏深层次的掌握，可以说学完之后仍然是模糊的。为此，我们利用Matlab语言开发了连续系统仿真算法辅助教学演示软件，辅助本科课程的教学。所开发的软件的主要功能包括：（1）对常用的数值积分法进行仿真演示，演示各种连续系统仿真算法的递推求解公式，显示每步计算结果；（2）对典型的一阶系统、二阶系统和三阶系统进行仿真建模并进行演示；（3）对仿真结果和精确解进行比较；（4）对病态系统进行仿真方法的比较；（5）对鱼雷攻击移动目标（9阶系统）过程进行仿真建模分析，并仿真演示其仿真研究过程。

在教学过程中，涉及到相关仿真算法时，利用辅助教学软件进行教学演示，对公式的推导、每步计算过程和结果都进行演示，并最终演示仿真结果及与精确解、其他仿真算法之间的差异，从而帮助学员理解算法的计算过程。

2.编写教材、出版专著。根据课程标准和课程内容的选择，我们编写了《计算机仿真技术基础》内部教材，经过近5年的使用，在此基础上经过修订，计划明年正式公开出版《计算机仿真技术》教材，满足教学需求。同时，我们在2009年出版了专著《复杂工程系统建模与仿真》作为博士课程的教材，另外还根据教学内容的安排，编写了部分内容的讲义，满足了博士生教学的需要。endprint

下一步，我们还将结合科研实践，出版半实物仿真技术方面的专著以满足《精确制导武器半实物仿真技术》课程的教学需求。

四、完善实践教学环节，增强科研型实验系统在教学中的应用

仿真学科是一门理论和工程性较强的学科，学员只有通过工程应用才能对仿真技术和理论有更深的理解。鉴于作者所在的制导与仿真技术实验室已经建立了多个仿真实验系统，如何发挥其在仿真课群教学方面的作用，是本课题组长期思考和探索的问题。

1.制定了现地教学和实验课程标准。为了加强实践教学环节，制定了实验课程标准，在科研型仿真试验系统的基础上开发了相应的仿真实验系统，为实践教学环节提供了重要的平台支持。为本科课程制定了现地教学内容和标准，结合某导弹控制系统数学仿真和半实物仿真系统进行现地教学；为硕士、博士课程制定了实验课程标准，为硕士生课程开发了相应的仿真试验系统，如XX制导武器半实物仿真系统”、“XX导弹控制系统半实物仿真系统”、“XX导弹六自由度数学仿真与决策系统”、“XX导弹飞行可视化仿真系统”、“XX导弹攻防对抗仿真系统”、“XX攻击可视化仿真系统”等，并在近3年的教学中加以应用，提高了学员学习兴趣，了解仿真技术如何在导弹武器性能评估、分析中发挥作用。

2.将科研成果和大型科研型仿真系统引入硕士博士教学。在博士硕士课程中，结合近几年承担的仿真类科研项目，将最新研究成果引入课堂，动态更新教学内容，动态更新教学内容，其中“红外成像制导/激光半主动制导/卫星导航/地磁匹配导航半实物仿真技术”、“基于复杂性理论的XX作战建模与仿真方法”等理论与方法都直接来自于所承担的科研项目，分别在2门博士生课程中加以介绍，让学员了解仿真理论与方法在武器系统工程中的具体应用以及相关领域的研究现状和发展趋势。

五、建设了一支教学、科研和学术水平较高的仿真课群教学队伍

青年教员的培养是保证课群建设可持续发展的关键。课群组高度重视青年教员的培养，采取一系列措施，极大地提高了课群组教员的教学能力和水平，具体措施包括：一是让青年教员尽快上讲台。课群组鼓励青年教员进行高水平研究的同时，还尽量安排青年教员进行练讲、随堂听课、答疑、指导实验等教学环节；正式授课前，还安排有经验的教员进行指导和授课点评，保证了青年教员授课能力的提高和顺利成长。二是注重加强青年教员的综合能力素质培养。有意识地培养青年教员爱岗敬业、专心教学的思想，加强课程设计，在“教好学、上好课”上下功夫；鼓励青年教学继续深造学习，团队中有5人具有博士学位，1人正在攻读博士学位；带动青年教员参与科研项目攻关，增强其科研学术能力。三是资源共享，加强交流。教学组内部定期开展教学方法和教学内容的研讨，并进行集体备课活动，交流经验，实现教学上的共同进步；要求军内外仿真领域专家来校讲学，传授教学经验。

经过多年的努力，培养造就了一支科研学术能力较强的教学队伍，教学团队成员承担了大量的仿真类科研项目，发表了一系列仿真类文章。教学团队共有6名教员，全部为中国系统仿真学会会员，5人次获全国优秀仿真科技工作者称号，3人兼职全国性学会理事、副秘书长和仿真杂志编委，2人获军队院校育才银奖，多项研究成果获国家和军队科技进步奖，2人次在校级教学比赛中获奖。承担本科仿真课程的有4人，硕士课程的有4人，博士课程的有3人，每门课程最少有两名教员可以独立承担。近几年在人才培养方面，2人获军队优秀硕士论文，5人次获陕西省自动化学会本科优秀毕业论文特等奖、一等奖和优秀奖。

六、结束语

经过多年的改革、实践与创新，我校仿真课群在体系架构和优化整合、教学内容改革、教学资源建设、实践教学环节等方面取得了长足的进步，特别是将多个大型科研型实验系统引入教学中，已经成为我校测控工程专业培养创新型人才的重要平台。总之，仿真课群已经成为满足我校控制科学与工程学科本科生和研究生教学需求的重要知识群体系。

参考文献：

[1]潘峰，薛定宇，陈大力，等.计算机仿真课群教学体系的改革与实践[J].高等教育与学术研究，2009，（06）：1-5.

[2]郭刚，段红，李革.《计算机仿真技术基础》课程教学的改革建议[J].理工高教研究，2007，（5）：114-115.

[3]李兴玮，龙志强，张明.《仿真技术基础》本科课程教学改革思路初探[J].高等教育研究学报，2009，（1）：60-62.endprint

下一步，我们还将结合科研实践，出版半实物仿真技术方面的专著以满足《精确制导武器半实物仿真技术》课程的教学需求。

四、完善实践教学环节，增强科研型实验系统在教学中的应用

仿真学科是一门理论和工程性较强的学科，学员只有通过工程应用才能对仿真技术和理论有更深的理解。鉴于作者所在的制导与仿真技术实验室已经建立了多个仿真实验系统，如何发挥其在仿真课群教学方面的作用，是本课题组长期思考和探索的问题。

1.制定了现地教学和实验课程标准。为了加强实践教学环节，制定了实验课程标准，在科研型仿真试验系统的基础上开发了相应的仿真实验系统，为实践教学环节提供了重要的平台支持。为本科课程制定了现地教学内容和标准，结合某导弹控制系统数学仿真和半实物仿真系统进行现地教学；为硕士、博士课程制定了实验课程标准，为硕士生课程开发了相应的仿真试验系统，如XX制导武器半实物仿真系统”、“XX导弹控制系统半实物仿真系统”、“XX导弹六自由度数学仿真与决策系统”、“XX导弹飞行可视化仿真系统”、“XX导弹攻防对抗仿真系统”、“XX攻击可视化仿真系统”等，并在近3年的教学中加以应用，提高了学员学习兴趣，了解仿真技术如何在导弹武器性能评估、分析中发挥作用。

2.将科研成果和大型科研型仿真系统引入硕士博士教学。在博士硕士课程中，结合近几年承担的仿真类科研项目，将最新研究成果引入课堂，动态更新教学内容，动态更新教学内容，其中“红外成像制导/激光半主动制导/卫星导航/地磁匹配导航半实物仿真技术”、“基于复杂性理论的XX作战建模与仿真方法”等理论与方法都直接来自于所承担的科研项目，分别在2门博士生课程中加以介绍，让学员了解仿真理论与方法在武器系统工程中的具体应用以及相关领域的研究现状和发展趋势。

五、建设了一支教学、科研和学术水平较高的仿真课群教学队伍

青年教员的培养是保证课群建设可持续发展的关键。课群组高度重视青年教员的培养，采取一系列措施，极大地提高了课群组教员的教学能力和水平，具体措施包括：一是让青年教员尽快上讲台。课群组鼓励青年教员进行高水平研究的同时，还尽量安排青年教员进行练讲、随堂听课、答疑、指导实验等教学环节；正式授课前，还安排有经验的教员进行指导和授课点评，保证了青年教员授课能力的提高和顺利成长。二是注重加强青年教员的综合能力素质培养。有意识地培养青年教员爱岗敬业、专心教学的思想，加强课程设计，在“教好学、上好课”上下功夫；鼓励青年教学继续深造学习，团队中有5人具有博士学位，1人正在攻读博士学位；带动青年教员参与科研项目攻关，增强其科研学术能力。三是资源共享，加强交流。教学组内部定期开展教学方法和教学内容的研讨，并进行集体备课活动，交流经验，实现教学上的共同进步；要求军内外仿真领域专家来校讲学，传授教学经验。

经过多年的努力，培养造就了一支科研学术能力较强的教学队伍，教学团队成员承担了大量的仿真类科研项目，发表了一系列仿真类文章。教学团队共有6名教员，全部为中国系统仿真学会会员，5人次获全国优秀仿真科技工作者称号，3人兼职全国性学会理事、副秘书长和仿真杂志编委，2人获军队院校育才银奖，多项研究成果获国家和军队科技进步奖，2人次在校级教学比赛中获奖。承担本科仿真课程的有4人，硕士课程的有4人，博士课程的有3人，每门课程最少有两名教员可以独立承担。近几年在人才培养方面，2人获军队优秀硕士论文，5人次获陕西省自动化学会本科优秀毕业论文特等奖、一等奖和优秀奖。

六、结束语

经过多年的改革、实践与创新，我校仿真课群在体系架构和优化整合、教学内容改革、教学资源建设、实践教学环节等方面取得了长足的进步，特别是将多个大型科研型实验系统引入教学中，已经成为我校测控工程专业培养创新型人才的重要平台。总之，仿真课群已经成为满足我校控制科学与工程学科本科生和研究生教学需求的重要知识群体系。

参考文献：

[1]潘峰，薛定宇，陈大力，等.计算机仿真课群教学体系的改革与实践[J].高等教育与学术研究，2009，（06）：1-5.

[2]郭刚，段红，李革.《计算机仿真技术基础》课程教学的改革建议[J].理工高教研究，2007，（5）：114-115.

[3]李兴玮，龙志强，张明.《仿真技术基础》本科课程教学改革思路初探[J].高等教育研究学报，2009，（1）：60-62.endprint

下一步，我们还将结合科研实践，出版半实物仿真技术方面的专著以满足《精确制导武器半实物仿真技术》课程的教学需求。

四、完善实践教学环节，增强科研型实验系统在教学中的应用

仿真学科是一门理论和工程性较强的学科，学员只有通过工程应用才能对仿真技术和理论有更深的理解。鉴于作者所在的制导与仿真技术实验室已经建立了多个仿真实验系统，如何发挥其在仿真课群教学方面的作用，是本课题组长期思考和探索的问题。

1.制定了现地教学和实验课程标准。为了加强实践教学环节，制定了实验课程标准，在科研型仿真试验系统的基础上开发了相应的仿真实验系统，为实践教学环节提供了重要的平台支持。为本科课程制定了现地教学内容和标准，结合某导弹控制系统数学仿真和半实物仿真系统进行现地教学；为硕士、博士课程制定了实验课程标准，为硕士生课程开发了相应的仿真试验系统，如XX制导武器半实物仿真系统”、“XX导弹控制系统半实物仿真系统”、“XX导弹六自由度数学仿真与决策系统”、“XX导弹飞行可视化仿真系统”、“XX导弹攻防对抗仿真系统”、“XX攻击可视化仿真系统”等，并在近3年的教学中加以应用，提高了学员学习兴趣，了解仿真技术如何在导弹武器性能评估、分析中发挥作用。

2.将科研成果和大型科研型仿真系统引入硕士博士教学。在博士硕士课程中，结合近几年承担的仿真类科研项目，将最新研究成果引入课堂，动态更新教学内容，动态更新教学内容，其中“红外成像制导/激光半主动制导/卫星导航/地磁匹配导航半实物仿真技术”、“基于复杂性理论的XX作战建模与仿真方法”等理论与方法都直接来自于所承担的科研项目，分别在2门博士生课程中加以介绍，让学员了解仿真理论与方法在武器系统工程中的具体应用以及相关领域的研究现状和发展趋势。

五、建设了一支教学、科研和学术水平较高的仿真课群教学队伍

青年教员的培养是保证课群建设可持续发展的关键。课群组高度重视青年教员的培养，采取一系列措施，极大地提高了课群组教员的教学能力和水平，具体措施包括：一是让青年教员尽快上讲台。课群组鼓励青年教员进行高水平研究的同时，还尽量安排青年教员进行练讲、随堂听课、答疑、指导实验等教学环节；正式授课前，还安排有经验的教员进行指导和授课点评，保证了青年教员授课能力的提高和顺利成长。二是注重加强青年教员的综合能力素质培养。有意识地培养青年教员爱岗敬业、专心教学的思想，加强课程设计，在“教好学、上好课”上下功夫；鼓励青年教学继续深造学习，团队中有5人具有博士学位，1人正在攻读博士学位；带动青年教员参与科研项目攻关，增强其科研学术能力。三是资源共享，加强交流。教学组内部定期开展教学方法和教学内容的研讨，并进行集体备课活动，交流经验，实现教学上的共同进步；要求军内外仿真领域专家来校讲学，传授教学经验。

经过多年的努力，培养造就了一支科研学术能力较强的教学队伍，教学团队成员承担了大量的仿真类科研项目，发表了一系列仿真类文章。教学团队共有6名教员，全部为中国系统仿真学会会员，5人次获全国优秀仿真科技工作者称号，3人兼职全国性学会理事、副秘书长和仿真杂志编委，2人获军队院校育才银奖，多项研究成果获国家和军队科技进步奖，2人次在校级教学比赛中获奖。承担本科仿真课程的有4人，硕士课程的有4人，博士课程的有3人，每门课程最少有两名教员可以独立承担。近几年在人才培养方面，2人获军队优秀硕士论文，5人次获陕西省自动化学会本科优秀毕业论文特等奖、一等奖和优秀奖。

六、结束语

经过多年的改革、实践与创新，我校仿真课群在体系架构和优化整合、教学内容改革、教学资源建设、实践教学环节等方面取得了长足的进步，特别是将多个大型科研型实验系统引入教学中，已经成为我校测控工程专业培养创新型人才的重要平台。总之，仿真课群已经成为满足我校控制科学与工程学科本科生和研究生教学需求的重要知识群体系。

参考文献：

[1]潘峰，薛定宇，陈大力，等.计算机仿真课群教学体系的改革与实践[J].高等教育与学术研究，2009，（06）：1-5.

[2]郭刚，段红，李革.《计算机仿真技术基础》课程教学的改革建议[J].理工高教研究，2007，（5）：114-115.

[3]李兴玮，龙志强，张明.《仿真技术基础》本科课程教学改革思路初探[J].高等教育研究学报，2009，（1）：60-62.endprint