系统建模与仿真实验教学与评价综合平台设计

晁 涛, 杨 明, 马 萍, 李 伟, 王松艳

(哈尔滨工业大学 控制与仿真中心, 黑龙江 哈尔滨 150080)

2010年6月教育部提出了卓越工程师教育培养计划,助力建设创新型国家[1-4]。在此背景下,哈尔滨工业大学控制与仿真中心在课题组承担自动化专业本科生专业基础课程“系统建模与仿真基础”和控制科学与工程专业研究生课程“系统建模与仿真”教学,以及指导学生参加全国计算机仿真大赛的基础上,设计了集实验教学、教学效果评估和师生互动于一体的系统建模与仿真实验教学与评价综合平台。在该平台的设计中,体现国内外先进教学方法、教学思想和教学手段[5-8]。

本文探讨了系统建模与仿真实验教学与评价综合平台的框架设计、实验教学模块设计、教学效果评价模块设计,并通过对教学效果的综合分析,说明综合平台应用的必要性和效果[9]。

1 实验教学与评价综合平台框架设计

系统建模与仿真是通过对真实世界中的系统建立数学模型/物理模型,利用计算机对模型进行求解,从而模拟系统行为,并根据模拟结果来分析、预测、设计、综合和优化系统。系统建模是系统仿真的基础,系统仿真是系统分析和设计的前提,而系统仿真实验则是一种系统仿真的手段。一个好的系统仿真实验环境应该不仅能体现教学思想、教学方法,还能对学生实验效果进行评价和反馈学生对教学效果的评价,从而实现教学相长,提高教师的教学水平和学生的学习效率。笔者在“系统建模与仿真实践”课程实验平台的基础上,设计了一个集实验教学、教学评价和师生互动于一体的系统建模与仿真实验课程综合软件环境。

系统建模与仿真实验教学与评价综合平台框架如图1所示。

图1 系统建模与仿真实验教学与评价综合平台

该平台分为应用层、工具层、网络层和数据库层。

应用层包括使用平台功能的计算机、手机、平板电脑等,应用层通过下载和安装平台应用软件、App等方式,实现对平台的访问。计算机所能使用的平台软件采用Windows 7操作系统下的Visual Studio 2010设计实现,可运行在Windows上(暂不兼容苹果电脑的操作系统)。受运行能力限制,手机和平板电脑上的App仅开发了可以访问平台的部分功能,包括在线答疑、实验题目发布、实验报告提交、实验结果及成绩查询、教学效果评价等。

工具层是平台软件、App所能提供的各类功能的具体实现,这些功能包括：

(1) 实验题目的设计;

(2) 实验内容发布;

(3) 实验内容在线答疑;

(4) 实验指导;

(5) 实验计划的制订;

(6) 实验内容具体执行;

(7) 实验结果统计分析;

(8) 实验报告撰写与提交;

(9) 实验报告批改与反馈;

(10) 实验效果评价;

(11) 实验教学效果评价。

除此之外,工具层还可实现对应用层软件访问的管理、数据库管理等功能,并提供软件平台的管理界面供平台管理人员使用。该平台的工具层提供了辅助教师进行实验教学与管理的功能，包括：

(1) 实验内容管理;

(2) 实验规范管理;

(3) 学生实验出勤统计;

(4) 实验结果存储;

(5) 实验报告管理。

通过这些功能,教师可以顺利实现对实验教学的管理,并跟踪学生实验的全过程,实现闭环管理。

网络层是应用层访问软件平台的媒介。安装在应用层计算机上的平台应用软件通过TCP/IP网络协议访问服务器,读取平台数据库信息。数据库层根据不同的功能需求提供相关的数据库,包括学生信息数据库、实验问题数据库、学生疑惑与问题数据库、网络答疑数据库、实验结果数据库、教学效果评价数据库等。

以上功能体现了“翻转课堂”的教学思想,覆盖了实验教学、实验和实验结果评价等多个过程[10-11]。在实验教学中,教师提前设计实验、提前在平台上发布实验题目;学生根据实验指导书学习实验内容后提出疑问;教师在线对实验内容答疑并提供实验指导;学生自主制定实验计划和进行实验、撰写和提交实验报告;教师对实验结果进行统计分析,批改实验报告和对学生的实验效果进行评价;学生对教师的教学效果进行评价。这种教学方法中,教师不仅要在课上讲授和课后批改作业,重要的是引导学生自主和协同解决问题。

该平台在应用层集成了师生互动模块,充分利用互联网工具,搭建师生沟通渠道。教师通过QQ群和微信群等建立师生互动平台,在QQ文件夹和百度云中向学生发布实验题目、指导书等资料,引导学生利用互联网上的资源学习与实验;针对学生的问题进行在线答疑与指导,归纳总结学生的问题,在课堂上组织学生讨论和解决问题。实验后,分析学生在实验过程中存在的问题,根据平台记录的学生实验情况,在微信群和QQ群中反馈和总结学生的实验结果,并发布实验参考答案。该平台引导学生通过课前学习、线上讨论和实验后整理3个环节,通过自己思考、分组讨论、教师答疑和利用互联网资源,解决自己学习中的问题。

桩体采用泡沫混凝土作桩，桩径50 mm，桩间距100 mm，采用正方形布置，在溶洞平面范围内设置四根，具体布置如图2所示。

综上所述,该平台的设计体现了“基于问题的学习”和“翻转课堂”的教学思想,通过将具有实际意义的和应用价值的问题抽象为模型和仿真实验题目,引导学生利用专业知识开展系统的建模和计算机仿真,并通过相互讨论、探索和合作,巩固和运用专业知识。

2 系统建模与仿真实验教学模块设计

在教学模块的设计中,教学内容结合专业特点,通过设计特色鲜明的航天系统建模与仿真实验题目,激发学生参与实验的热情、夯实学生的专业知识基础。为实现“基于问题学习”的教学,在实验平台中建立了涵盖知识巩固实验、自主设计实验、竞赛题目求解实验和实际问题设计实验等不同类型的实验题目数据库,数据库中的实验题目不仅涉及电气、机械、流体与传动、电子、计算机和自动控制等多个工科领域,还包括经济发展、人口预测、环境保护、社会管理等民生话题,让学生认识到系统建模与仿真的重要作用,为他们提供分析问题和解决问题的工具。

受到专业领域、教学时长等方面的限制,系统建模与仿真实验教学主要是数学建模和计算机仿真,使用编程软件或者数值计算软件、建模和仿真工具,实现对系统的数学建模与计算机仿真。因此,系统建模与仿真相关课程实验教学模块的开发通常是指计算机仿真实验模块的开发。为体现“基于问题学习”的教学思想,在实验教学题目数据库中按学科门类和教学层次进行了细分,并且设置了针对本科生、硕士生和竞赛培训生的实验题目数据库。

目前,以赛促教已经得到了国内外众多教育工作者的认同[12-13]。全国计算机仿真大赛是系统建模与仿真领域最有影响力的赛事,旨在普及仿真专业知识,培养大学生工程实践能力和创新意识[14]。笔者根据历年全国计算机仿真大赛的题目和培训经验,建立了计算机仿真大赛训练题库。该题库包括许多与国计民生相关的系统建模与仿真问题,例如,煤矿安全检测系统设计与仿真、用仿真分析北京派发车辆指标随机算法的合理性、利用建模与仿真分析欧债危机对全球经济发展造成的危害并给出世界性金融和债务危机的对策、基于现有的各国政治经济军事数据分析各国维持有效运行航母编队的数量并给出决策建议等[15]。

实验教学模块的另一个显著特点是充分体现了航天专业的特色[12]。在实验题目库中集成了面向本科生和研究生两个层次的航天系统建模与仿真题目,例如猎鹰9号(Falcon 9)火箭的建模与仿真。猎鹰9号火箭是美国SpaceX公司研制的可回收式中型运载火箭,可实现垂直着陆,是目前航天领域的新兴技术[16]。根据本科生和研究生基础知识和专业背景不同的特点,设置了不同层次的题目：本科生的题目是完成运载火箭回收过程的动力学与运动学建模、计算机仿真程序编写和仿真分析，其中回收过程的轨迹设计由教师向学生公布;而研究生的题目是根据计算机仿真结果和理论知识,开展回收轨迹的优化设计。通过不同层次题目的设置,让本科生和研究生都能体会到所学知识的重要应用价值,并且能够加深对系统模型概念、系统建模方法的理解,熟悉相关的系统仿真软件。

该模块可以同时支持本科生、研究生和竞赛培训生进行实验,是一个多功能的实验教学模块。

3 教学效果评价模块设计

在教学效果评价模块的设计中,通过学生对知识掌握程度的客观评价、对实验教学环境的评价、对实验效果的评价等多维度的指标客观评价教学效果,是多元化、多角度的综合评价。通过评价,指导教师在后续的教学中完善教学手段、提高教学水平。

系统建模与仿真实验评价模块包括实验效果评价和教师教学效果评价。

实验效果评价采用综合指标,主要包括实验完成情况、实验在线讨论情况、实验报告以及实验结果反馈等,采用累加式的考核方式[17]。考核内容包括对实验的掌握情况、对平台的应用情况以及对互联网资源的利用情况,通过分阶段、系统化、多元化的方式来评价学生的学习效果。该考核方法可以有效评价学生在实验的各个环节中所表现出的综合能力——基础知识运用能力、分析解决问题能力、创新能力、动手能力等。

教师教学效果评价采用多维度指标体系,由学生和平台系统共同按照指标及其标准进行评价,包括教学态度、教学内容、教学方法与手段、教学组织、课堂效果、教学特色等。其中,课堂效果由平台根据记录的教学过程情况进行自动评价,评价内容包括教学秩序、学生实验出勤率、学生疑问解决程度(由学生在平台中打分评价)、学生实验成绩等;教学特色由学生进行主观评价,说明教师在教学方法和组织形式上是否让学生感觉新颖、吸引人并且具有鲜明的特色,然后软件平台根据学生的评价对该指标进行量化。采用层次分析法对教学效果进行综合分析[17],按照9标度法进行各项指标的权重计算。根据对有经验的授课教师和学生的问卷调查,确定教学效果多维度评价指标体系各指标的权重(见表1)。在教学效果评价指标中,特别注重教学内容、课堂效果和教学方法。

表1 教学效果多维度评价指标的权重

经过3个学期的教学实践,将3次教学评估结果列出，如表2所示。

表2 教学效果评价结果 分

可以看出,学生对于教学内容给予了高度评价,很多学生认为教学内容新颖、接触到学科前沿并且掌握了实用的仿真技术;学生对教学方法同样给予了较高评价,认为教学手段新颖,可以依托综合平台开展仿真实验,可以在线答疑解惑,基于问题的学习和翻转课堂教学成果初步显现。在教学组织方面的主要问题是平台运行稳定性尚不够好。通过3个学期的教学效果评价可以看出：系统建模与仿真实验教学与评价综合平台得到学生的认可,在教学中发挥了重要作用,通过学生的反馈和教师的使用心得,可以在后续的教学科研中进一步完善平台,并将其推广到其他教学任务中。

4 结语

系统建模与仿真实验与教学评价综合平台将教学实验与教学效果评价综合在一起,不仅提供给学生上机实验的平台,还提供了教师与学生互动、沟通的平台,以及综合评价学生学习效果和教师教学效果的科学手段。“基于问题学习”和“翻转课堂”两种教学思想的引入,以及多角度、多层次的实验问题库,不仅集成了知识巩固实验、自主设计实验、竞赛题目求解实验和实际问题设计实验,还可满足不同教学层次的本科生、研究生以及竞赛预备生的实验需求,学生对教学效果也予以了较高评价。