面向车辆工程专业的“系统建模与计算机仿真”课程改革与实践

胡金芳，陈无畏，汪洪波

(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,合肥 230009)

面向车辆工程专业的“系统建模与计算机仿真”课程改革与实践

胡金芳，陈无畏，汪洪波

(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,合肥 230009)

为满足车辆工程专业高级专门人才培养定位的需求，结合国内“系统建模与计算机仿真”课程的现状及车辆工程专业的特点，从教学内容、教学模式、师资队伍、考核体系四个方面对课程改革与实践进行了探讨，并对课程改革的效果进行了评价。

系统建模；计算机仿真；改革与实践

建模与仿真是指构造现实世界实际系统的模型和在计算机上进行仿真的有关复杂活动，主要包括实际系统、模型和计算机等三个基本部分及其关系。其中，模型是对实体、过程、系统、现象等的数学、物理或逻辑的描述，仿真是模型随时间运行的手段和方法。当前仿真技术的应用已包括经济、管理、航空、航天、电力、电子、交通运输、通讯、机械、车辆等各个领域，并已从传统的工程领域扩展到非工程领域。[1-2]

1 课程教学的现状

“系统建模与计算机仿真”作为科学技术知识体系的重要组成部分，在车辆工程专业的课程体系中占有重要地位，这门课程教的成效直接关系到车辆专业的学生对系统进行分析、计算、实验和设计以及工程实践能力。目前国内许多高校均为研究生或高年级的本科生开设了关于系统建模与计算机仿真方面的课程，但由于受学科知识结构的影响，目前许多高校“系统建模与计算机仿真”课程主要体现在控制理论与控制工程或计算机科学与技术领域，对其中所体现的理念以及涉及的社会价值判断的思想，科学研究能力的培养等则论述较少。这也是众多高校在“系统建模与计算机仿真”课程上存在的不足。

(1)教材涉及面太广。涉及范围包括控制理论与控制工程或计算机科学与技术领域，对于工程学科的学生，尤其是车辆工程的学生针对性不强，学生看着一本厚厚的教材，心里难免畏惧。

(2)教学模式单一。课堂教学模式主要以教材为主、以教师为中心进行单一的课堂讲解，相对比较枯燥，课堂互动性差，学生很容易在课堂上打瞌睡、玩手机和聊天，主体地位得不到充分发挥。

(3)考试内容和形式单一。课程考核采用期末闭卷考试，学生虽然借助于考前死记硬背都能基本过关，但考过之后很快就忘记，无法真正在后续的各专业课的学习和课程设计中具体应用本学科的知识。[3]

(4)理论与实践脱节。“系统建模与计算机仿真”是一门综合性、交叉性很强的专业基础课程，理论性和逻辑性比较强，内容相对来说枯燥无味、抽象难懂、知识点也比较多，缺少对学生实践能力的训练。

针对“系统建模与计算机仿真”课程教学中出现的上述问题，本文以合肥工业大学汽车与交通工程学院车辆工程专业开设的“系统建模与计算机仿真”课程为依托，对教学内容、教学模式、师资队伍、考核体系等进行了不断的探索。

2 课程改革的总体思路

车辆工程专业的人才培养定位是：培养适应社会主义现代化建设需要的德智体全面发展、基础扎实、知识面宽、能力强、素质高、富有创新创业精神，能够从事车辆工程相关工作的高级专门人才。[4]课程改革应主要围绕以下两个方面进行。

(1)巩固理论知识，完善知识结构。由于受传统教育理念的影响，学生习惯于死记硬背书本的知识，造成知识结构不够完善，不能满足科技和社会发展的需要。进行课程改革，要注重将理论知识与实践技能有机结合，使学生更好的掌握在机电、车辆和交通工程领域进行系统建模与计算机仿真方面研究的理论知识体系；且通过多学科领域的综合性、交叉性技术知识的系统学习，使学生获得系统建模与仿真技术应用领域的综合知识，为今后从事工程实际的产品开发与设计、制造、实验等工作打下一定的基础。

(2)掌握创新技巧，提高创新能力。进行课程改革，要注重加强科学实践，让学生接触到大量的信息，初步掌握并使用各种技术技能和现代化工程工具，提高他们系统建模、确定仿真方案、进行系统分析的能力，在科研实践中形成敢于质疑、勇于挑战、善于超越的创新品质。

3 课程改革的实践方案

图1 系统建模与计算机仿真课程教学模式改革

通过调研、实践和与学生沟通，结合多年来的在车辆系统建模与仿真方面的教学和科研经验，“系统建模与计算机仿真”课程可从教学内容、教学模式、师资队伍、考核体系四个方面开展教学改革，如图1所示。

3.1 教学内容

(1)编排一本适用的教材或教学资料。该教材要作为机械、交通、动力工程等一级学科课程设置的研究生教材，更要考虑本科生这个背景，将该教材作为本科生高年级的选修课教材。且由于数学建模课程要用到计算机，最好能配备相应的习题和多媒体课件。

(2)融合教学科研，提高创新思维。为适应现代系统建模与仿真理论及技术的发展对人才的需求，结合所在课题组在汽车动力学及控制方面的科研经验，以及建模与仿真技术的前沿知识体系，不断更新课程内容，把高水平的科研成果和系统建模与计算机仿真方面的前沿理论和技术充实到教学中。例如，讲授非线性系统的建模与仿真一章时，结合课题组对磁流变悬置的建模与仿真分析的研究，使学生更好的了解非线性系统的数学模型，掌握非线性系统数字仿真基本方法；在讲授实时仿真一章时，结合课题组在EPS、ESP两方面的研究，使学生更好地了解实时仿真的作用、实时仿真的分类、半实物仿真系统的基本组成与原理等，开阔学生的视野，激发他们学习的热情，为今后的创新活动奠定扎实的基础。

3.2 教学模式

图2 工程—理论—工程教学思想示意图

更新教学方法，完善教学体系。采用新型的教学手段和多样动态启发式、交互式的研究型教学方法，[5-7]以“认识—实践—再认识—再实践”为教学主线，形成“工程—理论—工程”的教学思想，如图2所示。构建以课堂教学为主，课内与课外结合，理论与工程实践相结合的一体化教学体系，更好地构建以研究为基础的教学模式。

(1)项目教学。以项目为导向，学生为主体，从车辆工程专业的实际需求出发，选择相关背景的项目为教学的内容。如让多个小组成员参与课题组的汽车ESP系统的建模与仿真项目，如图3所示。通过建立汽车悬架、转向、制动、驱动系统等的整车动力学模型，对汽车在极限工况下的动态特性和失稳机理分析、汽车动力学性能主客观评价等方面进行研究。在项目的完成过程中，学生不但掌握了理论知识，而且还提升了动手能力，增强了团队合作能力。

(a)硬件在环仿真模型

(b)横摆角速度测试结果

图3 ESP硬件在环试验台及测试结果

(2)案例教学。先通过实际案例诱发学生的好奇心，进而引导出实际问题，促使学生思考和讨论。[8]如，在讲解常用的系统建模方法时，可以先通过提出学生出去旅游时，如何通过规划路线，使得从居住地到各个景点参观旅游行程最短的问题，让学生寻求模型求解方法，进而引出对网络模型建模方法的讲解，提高学生的学习兴趣，体验创造过程的美好。

(3)组队研讨式教学。通过给学生布置一道作业，如汽车悬架系统建模与仿真分析，可将学生按照学号或自己的意愿分为几个组，让每个组自行查阅资料，让学生综合利用所学的汽车理论、汽车构造等相关的知识，建立悬架系统的运动微分方程，并进行相应地设计、分析，最后通过仿真计算得到悬架系统振动的曲线，并形成报告，在课上进行演讲和讨论。让学生亲自完成一个系统的建模和仿真及分析，一方面，巩固了前期课程和本门课程的知识；另一方面，学生在参与科技活动时感受专业学习的乐趣，激发了学习兴趣，更好的发挥自身潜力。

(4)实践教学。搭建综合实验平台，提高创新能力。如可通过Matlab环境下的汽车操纵稳定性仿真和ADAMS环境下的重型牵引车驾驶室悬置性能仿真两个仿真实验对实物系统进行建模、仿真模块搭建、仿真结果分析，培养学生系统分析、设计、计算、实践以及创新的能力；在建模过程中，如何把数学公式变成计算机语言；如何把数学模块连起来；如何得到仿真结果及对其进行分析；都是对知识巩固和深化的过程。在实验过程中，如何解决遇到的问题，有利于激发学生的学习兴趣，提高学习乐趣。

3.3 师资队伍

构建师资队伍，提高教学质量。就当前国内“系统建模与计算机仿真”课程开设的情况而言，大多数高校是为电气自动化、管理工程、物流工程等领域的研究生和本科生开设的。因此，针对机电工程、车辆工程和交通工程领域的学生，需构建合适的师资队伍，促进课程建设的持续发展。

(1)成立教学团队。团队教师根据专长，结合研究方向，专门讲授某一方面的系统建模与计算机仿真的知识与技巧。如教师分别讲授非线性系统的建模与仿真、分布参数系统的建模与仿真、随机系统的建模与仿真、实时仿真等，避免了教师某些知识不足的缺陷，提高课堂教学效果。还可以运用参与式教学模式，由两位教师同时上一堂课，分别讲解建模问题和软件问题，互为补充，提高课堂教学质量。

(2)以课程组为基础，设立课程责任人，组织教学，经常讨论教学方法，使各班的教学水平同步提高。如以讲课比赛、督导专家评教、学生评教/座谈、以及教学评估等形式，通过课程组对教学方式进行分析、讨论、研究，找出学生课程学习和实践研究的联系，使学生将所学的课程知识能够很快应用到实践研究中，促进学生培养的连贯性，提高教学水平和学生培养质量。

3.4 考核体系

(1)评价的内容。加强项目测试、综合性大作业等。侧重于学生学习方法和学习过程的评价，重视学生知识和技能的运用，从而更好地培养学生的实践能力。

(2)评价的方式。加强平时考核在总成绩中的权重，把过程性评价与终结性评价结合起来，将考核贯穿于课程教学的全过程，如表1所示。

表1 课程跟踪评价方式

4 课程改革的效果

(1)特色鲜明，教学质量优秀。“系统建模与计算机仿真”课程特色鲜明，深受机电、交通、车辆工程领域学生的欢迎，主要授课对象由原来的博士生延伸至硕士和高年级的本科生，每年的上课总人数近400人，在同类型的选修课中，选中率近100%，在连续4届的学生网上匿名评教中均获优秀。

(2)师资梯队完善，促进课程建设发展。通过多年建设，课程组已由原来的几人发展到近10人，其中教授2人，副教授4人，讲师4人。该课程组拥有了具有较好年龄结构、学历结构和职称结构的师资梯队，促进了课程建设的持续发展。

(3)基于多年的教学资料和经验的积累，获批了一项系统建模与计算机仿真方面的精品课程项目和一项教材建设项目。本课程所选用的教材为机械工业出版社出版的普通高等教育“十二五”规划教材，在机电、车辆和交通等工程领域得到了广泛应用，已被不少高校选作高年级本科生和研究生教材，受到开设这门课程的老师好评。

(4)培养了学生的创新意识和团队合作能力。在参与科研与实践项目和完成大作业的过程中，学生在查阅相关资料的基础上，提出自己的观点和方案，进行建模、仿真和分析，逐步形成了创新意识。通过把学生分成多个小组来完成科研、实践和大作业任务，逐步培养了与他人合作的观念和能力。

[1] 陈无畏. 系统建模与计算机仿真[M].北京：机械工业出版社，2013：1- 13.

[2] 齐欢,王小平.系统建模与仿真[M].北京：清华大学出版社，2004：1- 3.

[3] 闫朝华.人机工程学课程教学改革的研究与实践[J].合肥学院学报(社会科学版),2008(4):113- 116.

[4] 任成龙.论科研实践与大学生创新能力的提高[J].南京工程学院学报(社会科学版)，2010 (1):48- 51.

[5] 穆钢,李国庆.面向工程强化实践的“电力系统分析”课程改革与实践[J].2010(S0):143- 146.

[6] 赵爽.应用型人才培养中数学建模课程教学改革[J].高师理科学刊,2016,6(36):67- 74.

[7] 汪洪波,孙虹,陈杰.专业基础课教学中培养学生的素质[J].教学研究，2009,32(4):65- 68.

[8] 胡毅.项目案例教学法在 ACCESS 课程教学中的应用探讨[J].科技信息, 2011, (35): 41.

[责任编辑：张永军]

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，合肥工业大学汽车与交通工程学院副教授、博士，硕士生导师；研究方向：车辆系统动力学与控制 。

TH12;G642

A

2096-2371(2017)02-0137-04