交通运输工程专业的系统建模与仿真课程教学探讨*

廖爱华 师蔚 舒燕军 陈兴杰 （上海工程技术大学城市轨道交通学院）

交通运输工程学科是上海工程技术大学的特色和优势学科，本专业学位硕士研究生培养的指导思想是树立“面向工业界，面向世界，面向未来”的工程教育理念，以社会需求为导向，以交通运输工程为背景，以培养侧重于工程应用，主要是为交通运营企业和工程建设部门，特别是国有大中型企业培养应用型、复合型高层次工程技术和工程管理人才为目标[1]。

一 培养目标

专业学位硕士获得者应较好地掌握建设有中国特色社会主义理论，拥护党的基本路线，热爱祖国，遵纪守法，具有良好的职业道德，积极为我国社会主义建设服务；掌握交通运输工程领域的坚实的工程基础理论和专业知识，以及解决交通运输工程问题的先进方法和现代技术手段，具有独立担负交通运输工程技术或工程管理工作的能力[2]。

二 课程建设

系统建模与仿真技术在交通运输工程专业设计、优化、过程控制等多方面得到了广泛深入的应用。随着系统建模与仿真技术自身的理论方法体系不断完善，它被认为是在科学理论分析和实际试验研究之外的第三种有效工具，尤其在研究和解决复杂系统问题过程中更是不可或缺的[3]。在交通运输领域中进行相关研究，对系统进行建模及仿真分析成为必备的能力之一。因此，系统建模与仿真技术是交通运输工程专业各研究方向应该掌握的核心课程之一。

1 背景与目标

现行的国内各类各级高等院校开设的“系统建模与仿真”课程一般都包括系统建模与系统仿真两个基本的教学单元[3]。系统建模更关注问题的数理特性的理论表达，通常注重传授控制系统的数学模型类型、系统的建模方法步骤以及典型控制系统的建模，相关的模型简化处理方法等。与此相对，系统仿真则更关注解决相关问题对应的理论结果的数值校验及其效果表示[5]，侧重于基本数学运算的算法理论和算法流程实现等。对两部分的相关理论知识讲授较多，而两部分之间的概念/操作对应，理论/实际（指仿真程序或实验组件）关联能力较少培养。

系统建模与仿真课程不仅要求学生掌握技术本身的基本理论与方法，还要成为验证后续课程和毕业论文的研究与实践的结论或判断理论的有效性数值测试工具。也就是说，系统建模与仿真教学需要加强理论与实践的联系，通过对具体问题的分析，设计和模拟实验，从而提高学生独立分析、解决问题的能力[6]。

目前系统建模与仿真技术在交通运输专业设计、优化、过程控制等多方面得到了广泛深入的应用。随着系统建模与仿真技术自身的理论方法体系不断完善，它被认为是在科学理论分析和实际试验研究之外的第三种有效工具，尤其在研究和解决复杂系统问题过程中更是不可或缺的。在交通运输领域中进行相关研究，对系统进行建模及仿真分析成为必备的能力之一。因此，系统建模与仿真技术是交通运输工程专业各研究方向应该掌握的核心课程之一。

2 教学目的

系统建模与仿真技术课程的教学目的是使研究生通过本课程的学习获得系统建模及仿真的理论基础及应用技术。即通过本课程的学习掌握系统建模及仿真的基本概念、了解计算机建模及仿真技术的应用前沿；掌握系统建模的数学建模方法；掌握连续及离散系统的仿真方法；掌握MATLAB/SIMULINK、有限元等实用建模技术与仿真实验设计、分析的方法；学会利用系统仿真技术运用于各自研究方向及交通运输领域进行系统设计、分析的能力，创造性地解决系统应用问题，为从事交通运输工程行业系统设计和研究工作打下一定的基础[7-9]。

系统建模与仿真技术课程是交通运输工程研究方向的研究生的核心课程之一。研究生应具备的系统建模及仿真技术的原理及应用方面的知识，有利于研究利用计算机仿真技术进行相关领域的研究，相关的控制理论的知识，是系统建模与仿真技术的基础。

3 课程内容

（1）系统建模与仿真系统概论

主要通过课堂讲授、多媒体教学的方式，让学生了解系统仿真的工作流程和基本框架，以及系统仿真技术研究和应用趋势。并引导学生学习经典教材、文献、网站的学习。

（2）常用系统建模方法

主要通过课堂讲授、多媒体教学的方式，让学生掌握系统模型的概述及建模的逻辑思维方法，主要包括图解建模法、层次分析法、概率统计法。并通过课堂引导学生根据各自的研究方向自主学习相关其他类型的建模方法，做相应的延伸学习。

（3）连续系统建模与仿真方法

主要通过课堂讲授、多媒体教学的方式，让学生掌握连续系统建模的方法，以及连续系统数值仿真方法。并引导学生通过实例进行相关的仿真学习及练习。

（4）离散系统建模与仿真

主要通过课堂讲授、多媒体教学的方式，让学生掌握离散系统建模的方法，以及离散系统数值仿真方法。并引导学生通过实例进行相关的仿真学习及练习。

（5）建模与仿真的校核、验证及确认

通过该部分的学习使学生掌握系统建模与仿真的校核、验证及确认一般方法。并指导学生进行相关教材的学习，了解其他相关建模与仿真的校核、验证及确认方法。

（6）基于MATLAB/Simulink的建模与仿真

通过理论与实践相结合方法，并突出实战，通过该部分的学习使学生掌握 MATLAB语言程序设计基础、MATLAB/Simulink基本模块库、MATLAB数值处理方法。通过研究生的研究课题方向主题进行MATLAB/Simulink应用实例的教学。

（7）基于有限元法的建模与仿真

通过理论与实践相结合方法，通过教学现场进行实践，通过该部分的教学互动使学生掌握有限元法的基本概念、理论及常用软件，杆、梁结构分析的有限元方法，连续变形体分析的有限元方法，以及根据研究生的研究方向进行有限元分析的应用实例实践。

同时本课程的教学及考核内容中，根据各自的研究方向布置大作业，利用MATLAB/Simulink及有限元素法进行系统的建模及仿真，并撰写报告，对仿真的数学、物理模型，仿真模型、仿真过程，以及仿真结论进行阐述。最后根据其内容及质量进行课程成绩的评定。

4 课程师资建设

（1）采取有效措施，加大青年教师的培养力度

采取老教师带青年教师的办法，指导备课、授课，定期听课，对青年教师进行具体的指导，促进青年教师教学水平不断提高。互相学习，取长补短。同时聘请交通运输企业的高级专业技术人员教授部分课程或为课程顾问，定期组织教学经验研讨会，加强教师与企业技术人员之间的交流，提高了课程组教师的教学水平。

（2）鼓励青年教师参加科研项目及各项进修和研讨会。组织青年教师参加示范教学活动和各种比赛竞赛。学院积极开展青年教师讲课比赛、课件设计比赛。

（3）成立校企联合专业指导委员会制度共同建设和管理实践教育基地及实施导师带教制度，同时与地铁、汽车和航空企业对接形成健全的双向导师挂职锻炼机制。组织青年教师下企业挂职锻炼，特别是进入对口的交通运输企业，迅速提高教师的工程实践能力。本课程主讲教师均进行了为期1年的企业挂职锻炼，为实现本课程建设的预期目标提供了坚实的保障。

5 进学生主动学习的扩充性资料使用

（1）学校图书馆及学院资料室

目前，上海工程技术大学图书馆馆存交通运输类书籍10000余册，其中外文文献40余册；城市轨道交通学院资料室藏书1000余册，其中专业期刊200余册，以上图书资源均对本院学生开放[4]。图书馆还拥有涵盖交通运输工程学科数据库，包括 Cnki、维普、ASME、PQDT 博硕论文、Springer link、EBSCO Host、IEEE、Web ofScience等电子数据库。具有云计算平台，无线网覆盖全校范围。

（2）专业实验室

依托交通运输特色专业和重点学科建设，学校已建成涵盖轨道、汽车和航空相关专业特色的系列校内实践教学实验室，面积达13000多平方米，仪器设备总值8000多万元。包括国家级工程实践教育中心在内的校外产学研实践教育基地20个。在实践过程中，学生模拟实际项目，进行交通运输专业设计与结构分析，设计工作环环相扣，增强学生实践能力，为地铁、汽车和航空企业应用型技术人才的培养提供了实验实训平台。

总之，本文基于交通运输工程专业的培养目标，以系统建模与仿真工程技术为主线，充分利用轨道交通、汽车和航空等大型国有企事业单位等丰富的校外硬件条件和工程人力资源，对课程的目的、内容、师资建设等多方面核心问题进行了建设探讨。