浅谈大学生学科竞赛之“全国计算机仿真大奖赛”的教学体会

段伟 曾生跃 鞠儒生

摘要：大学生学科竞赛能够培养学生的创新意识和实践动手能力，同时也是大学教师教学业绩和大学教学质量评估的要素。然而，优秀的学科竞赛成绩离不开大学教师的教学与指导。论文以“全国计算机仿真大奖赛”为例，分析了该竞赛的命题特点，以及参赛学生需要具备的知识技能，并分享了该竞赛的组织、培训、准备等方面的教学体会与经验，对各大学在组织该竞赛的培训与教学等方面具有重要的指导意义。

关键词：学科竞赛；全国计算机仿真大奖赛；仿真学科；教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）30-0001-04

学科竞赛成绩是衡量学生的学习能力、专业技能、创新能力的重要指标，也是学生评优评奖的重要筹码；同时是大学教师的教学业绩指标，以及大学教学质量评估的要素。教给学生完整的专业知识结构和扎实的专业技能是取得大学生学科竞赛优秀成绩的重要基础。因此，针对不同专业的学科竞赛，大学教师纷纷开设了大学生学科竞赛的培训课程。本论文以“全国计算机仿真大奖赛”为例，分析该学科竞赛的命题特点与趋势，以及参与该竞赛的学生需具备的知识结构和专业技能，并分享了该学科竞赛的组织、培训与准备等方面的教学体会。论文为历次参加全国计算机仿真大奖赛的百余所大学和科研机构分析了该竞赛的教学与准备经验，对指导学生参加该竞赛具有重要意义。

一、全国计算机仿真大奖赛特点分析

（一）全国计算机仿真大奖赛简介

全国计算机仿真大奖赛是由教育部高教司、中国自动化学会、中国计算机用户协会、中国仿真学会、中国指挥与控制学会联合主办，《计算机仿真》杂志社承办的仿真学科领域的国家级重要竞赛[1]。该竞赛面向全国大学生、研究生、从事仿真学科领域的科研人员、经营仿真技术和仿真产品的企业工作者，旨在普及计算机仿真知识，提高大学生工程实践能力和创新意识，增强仿真领域创新人才培养，促进仿真技术和仿真产业的发展。从2004年至今，全国计算机仿真大奖赛已经成功举办八届，且每一届竞赛都吸引国内百余所高校和科研机构的逾千支队伍参加，对仿真学科和仿真产业界的发展产生了重要影响。

全国计算机仿真大奖赛每两年举办一届，由初赛和决赛两个环节组成。初赛环节采用全国统一命题，通讯竞赛方式进行。参赛队伍通过网络接收到命题后，需要在15天内容完成比赛，并提交成绩。初赛环节的竞赛内容及要求主要包括：

●计算机仿真与仿真技术的基本术语和基本概念

●选自工程技术和科学管理的实际问题

●运用建模和计算机仿真获得正确的结果

●要求文字表达清晰，计算机仿真的可实现和可重复，模型和计算机仿真结果的正确

大奖赛评审委员会根据初赛参赛队伍的文字解答、计算仿真程序、仿真结果，评选出一等奖10名、二等奖20名、三等奖30名。

决赛环节由获得一等奖的10名队伍参加，并在现场集中抽取题目，进行答辩。决赛现场由仿真学科领域的知名专家学者组成评委会，对参赛队伍的答辩过程进行评分，并依据综合分数决出特等奖3名。决赛环节的竞赛内容主要是与仿真学科、仿真技术发展、仿真产业等相关的基本概念和基础知识。

（二）全国计算机仿真大奖赛命题特点

全国计算机仿真大奖赛通过初赛和决赛分别考查参赛学生的仿真综合实践能力和基础知识结构。在初赛环节，參赛学生须从3到5个命题中自行选择一个题目作答，并在15天以内完成题目分析、仿真案例设计、概念建模、数学建模、仿真建模、仿真程序设计与开发、仿真实验与结果分析、文字解答等多项工作。初赛环节的题目具有简单明了的特点，一般是三句话左右的文字描述，部分题目有插图说明，文字描述具有一般性特征，不会限制具体的方式方法，让参赛队伍具有较大的想象、发挥和创意空间。初赛环节的题目涉及面较广，包括：社会、经济、交通、军事、信息等各领域，均为复杂工程实践问题或者科学管理问题。历年初赛环节的命题统计描述如表1所示，其中经济领域和信息领域的命题总共为6个，交通领域和公共安全领域命题为4个，社会管理领域和体育领域命题为2个，环境领域和军事领域命题各有1个。从历年命题可看出，近几届的命题趋势均涉及当前社会和经济比较热门的话题，例如：2018年的共享单车调度管理命题、2016年的前年股灾成因命题、2014年的大数据命题和雾霾治理命题、2012年的北京车辆指标派发算法命题、2010年的房价居高不下命题、2008年的美国次贷危机引起金融风暴命题等。

决赛环节由参赛队伍从题库中随机选取三道题目进行作答，主要考查参赛学生对仿真学科概念与本质、仿真技术和仿真产业的发展等基本问题。决赛环节的问答题相对简单，但是涉及面比较广，回答问题需要抓住问题主要部分作答。问答题类型包括判断题、举例题、论述题等，有客观题，也有主观题，但是每一道题给出答案之后，均需要进行详细解释。

二、参赛学生的知识结构与专业技能

全国计算机仿真大奖赛要求参赛学生掌握扎实的仿真学科知识和较强的计算机仿真专业技能。由于仿真学科是一门应用学科，与其他各学科紧密结合，而计算机仿真大奖赛命题涉及多个学科领域问题，因此参赛学生除了掌握仿真学科知识和专业技能以外，还需要熟悉和掌握问题领域的知识，例如：经济领域的股票、房价、金融危机等知识，公共安全领域的建筑、生产、人群疏散等背景知识。

（一）仿真学科知识结构

针对计算机仿真大奖赛的初赛和决赛的命题范围较广，涉及其他学科领域等问题，参赛学生需要扎实掌握仿真学科知识，同时在初赛环节开始时临时补充其他学科领域知识。计算机仿真大奖赛参赛学生所需具备的学科知识结构如图1所示，其中包括仿真的概念、仿真模型、连续系统仿真、离散事件系统仿真、并行与分布式仿真、仿真软件技术、仿真可视化等几个大的方面。

仿真的概念包括仿真本质、仿真的分类、仿真的应用、仿真的发展、仿真的优缺点等几个方面。在每一届的决赛环节都会有关于仿真的概念和本质的判断或者理解题。仿真建模包括模型形式化方法、模型工程化、模型校核与验证等几个方面的知识。连续系统仿真和离散事件系统仿真是仿真学科基础理论课程，主要包括控制系统和离散事件系统的建模仿真相关知识。仿真软件技术主要包括计算机软件技术基础知识，同时集合仿真技术知识需求。并行与分布式仿真主要包括传统仿真技术知识，例如：分布式仿真的高层体系结构HLA（High Level Architecture）、仿真支撑平台、仿真引擎设计等。仿真可视化主要结合计算机图形学知识，同时结合仿真可视化软件相关知识。除了以上基础知识结构以外，参赛学生还需要掌握课程学习以外的知识，例如：仿真学科与技术发展前沿知识，社会热点问题、科学技术热点方向、国家重大需求等与仿真学科的交叉结合知识，以及仿真领域知名专家学者的研究方向、学术论文观点等。

（二）仿真专业技能

初赛环节要求参赛队伍能够建立仿真模型，开展仿真实验，分析实验结果，对参赛学生的仿真工程实践能力具有一定要求。以取得竞赛佳绩为目的，参赛学生需要具备以下几个方面的能力：

1.仿真建模能力。根据计算机仿真大奖赛命题特点，合理设计仿真场景和案例，建立数学模型、过程模型、描述模型等。

2.仿真程序设计与开发能力。根据仿真案例和模型设计，采用计算机编程语言，例如：C++、C#、Java、Python、MATLAB等，设计和开发仿真模型和仿真软件。

3.仿真可视化能力。较好的仿真程序可视化效果是取得优秀成绩的重要因素，因此参赛学生应该具有仿真可视化的技能，例如：MFC图形显示、GIS地理图形显示、Unity3D三维可视化等方法和软件都是参赛学生需要掌握的。

4.仿真结果分析能力。采用一定的统计分析方法，对仿真实验数据进行处理和分析，得出研究结论。同时，具备学术论文研究结果展示和图形制作能力，可采用各式统计图展示仿真实验结果，支撑研究结论。

5.论文撰写能力。能够合理有效地组织各项资源，形成论文报告，并清晰合理地表述仿真案例和模型设计，以及仿真实验结果，正确表达研究结论。

（三）课程和书籍推荐

针对大奖赛的知识结构和专业技能需求，推荐学生在条件允许的情况下可选修以下几门仿真专业基础课程和专业课程：离散事件系统仿真、连续系统仿真、仿真软件设计（软件技术基础）、面向对象仿真、仿真可视化（计算机图形学）、仿真建模方法、计算方法、仿真技术基础、并行与分布式仿真、仿真系统综合设计等。对于没有课程学习条件的参赛学生，也可以采用以下几本推荐参考书籍自行学习：《计算机仿真应用》[2]、《系统仿真》[3]、《系统建模与仿真》[4]、《复杂工程系统建模与仿真》[5]、《计算机仿真》[6]、《建模与仿真技术》[7]、《离散事件系统建模与仿真》[8]、《仿真科学与技术原理》[9]、《仿真科学技术及工程》[10]、《现代工程控制论》[11]、《控制系统计算机仿真》[12]、《计算机仿真》[13]、《基于HLA的分布仿真环境设计》[14]等。同时可关注以下几种学术期刊杂志发表的仿真学科相关论文：《计算机仿真》、《系统仿真》、《系统仿真技术》、《自动化学报》、《指挥与控制学报》等。

三、参赛组织、准备与培训

如何在全国计算机仿真大奖赛中取得佳绩，尤其是取得特等奖名次，是一个难于回答的问题。但是，根据历届大奖赛的经历可以总结几个方面的必要条件，而这些方面的知识和能力是可以在大奖赛的组织、培训、准备过程中进行提高和加强的：（1）全面和扎实的仿真学科知识是参加全国计算机仿真大奖赛的重要基础，对初赛环节的论文写作有重要影响，尤其对决赛环节的现场答辩起着决定性作用。（2）先期的问题领域研究基础，初赛环节命题涉及面较广，但是存在参赛学生对该命题有先期研究基础的情况，那么其可以在前期研究基础上进行扩展和提升，占得时间和资源积累优势。（3）较好的仿真案例和场景设计，是决定参赛作品样式、风格、质量的重要因素。优秀仿真案例和场景设计就像一个好剧本或者故事，紧扣命题主旨，但又不拘泥于命题，给用户充满新意的感觉，引人入胜。（4）高质量的仿真可视化效果，是良好的仿真专业技能的展示，可以有效地吸引用户视觉，提升仿真作品层次，也是取得佳绩的一个重要因素。（5）正确的仿真模型和结果，是仿真作品的内涵诠释，是建模仿真可靠性的重要指标，也是评委考核的重点。（6）逻辑清晰的论文写作，是解释模型、展示仿真结果的重要手段，也是评审仿真作品的重要依据。论文不仅需要表述清晰、逻辑合理，还需要严谨地描述模型，使用合理方式展示仿真结果。

（一）参赛组织

计算机仿真大奖赛以小组为单位参加，每个小组不超过三人。对于单位来说积极组织学生参赛可以增加取得佳绩的机会。而对于参赛学生来说，如何正确地选择和搭配小组成员至关重要。由于大奖赛命题涉及广泛，而在15天内需要完成多项工作，所以参赛学生的组成最好选择具有不同能力特长的学生，例如：最好的搭配是三人小组，一人擅长案例设计和数学建模，主要负责仿真案例和场景的设计，阅读和分析文献，建立数学模型，需要具有較强的发散思维和创新能力；一人擅长软件程序开发，负责仿真软件程序的设计，建立仿真模型，实现仿真运行可视化，开展仿真实验；一人擅长数据分析和论文撰写，负责仿真实验结果分析，建立实验结论，完成论文撰写，同时辅助另外两人收集整理文献，制作仿真程序和可视化素材。另外，在竞赛过程中三人应当紧密协作，积极沟通，尤其在决赛环节答辩过程中需要相互提醒和补充。

（二）参赛准备

计算机仿真大奖赛可分为初赛和决赛两个环节来准备，主要学习仿真学科基础知识与提高专业技能。仿真专业学生或者具有仿真学科领域研究基础的参赛学生，已经具备了先期的仿真学科知识，在初赛开始前着重提升仿真专业技能，即仿真程序设计开发能力和仿真可视化能力。由于未确定大奖赛命题，以及采用哪一种程序设计语言、哪一种软件平台开发仿真程序，所以建议参赛学生提前学习和掌握主要计算机程序设计语言和开发平台，例如：C++、C#、MATLAB、Java、GIS、Unity3D等，至少掌握和精通其中一种程序设计语言和开发平台。对于非仿真专业和没有仿真学科先期知识的参赛学生，在初赛开始前简单学习仿真学科知识，但是重点依旧在提升仿真程序设计开发能力和仿真可视化能力。

在初赛开始后，参赛小组应该认真分析命题，尽快选择熟悉的、有自身优势的题目。然后，负责仿真案例和模型设计的成员，以及负责结果分析和论文撰写的成员，应该尽快收集整理文献，完成仿真案例、场景设计，逐步建立模型。负责仿真程序设计开发的成员，应尽快选定程序设计语言和开发平台，并准备相关素材，例如：数据、可视化媒体图片、视频等。由于在初赛环节中仿真程序的设计开发工作最为繁重，其他两人应当积极辅助仿真程序设计开发学生，为其提供模型、数据、媒体素材等。论文的撰写应当尽早准备，在命题分析、案例设计、模型建立等过程中即可展开，不宜等到仿真结果出来后才开始。

对于决赛的准备主要以仿真学科知识的复习、补充、加强为主，且以仿真学科基础知识为主要内容，包括：仿真的概念、分类、发展历程和发展趋势、技术主线等。参赛学生需要梳理仿真学科知识点，并记录和背诵，同时需要分析当前仿真学科和仿真技术的热点，例如：虚拟现实技术、云仿真技术，以及仿真与人工智能、大数据等热门研究领域的结合发展问题。此外，参赛学生也可以关注和学习仿真学科领域知名专家的学术观点、学术论文、学术演讲等内容。

（三）参赛培训

目前各高校和科研机构已经开展了全国计算机仿真大奖赛的教学，主要以介绍大奖赛过程、仿真学科知识，以及往届参赛作品为主要内容。由于计算机仿真大奖赛对参赛学生的仿真工程实践动手能力要求较高，因此建议尽早开展培训，不宜在竞赛开始前才开展培训。另外，计算机仿真大奖赛的培训应当以专业技能培训为主，采用历年命题或者当前社会热点问题为题目，开展学生的实践动手能力训练，让其掌握仿真程序设计语言和开发软件平台。

四、结语

论文分析了全国计算机仿真大奖赛的竞赛形式、命题特点，阐述了参赛学生应当具备的知识结构和专业技能，并推荐了相关课程和参考书籍，最后总结了取得大奖赛佳绩的必要条件，分享了竞赛的组织、准备、培训等事宜和教学经验。论文为参加全国计算机仿真大奖赛的相关单位和学生提供了帮助，在仿真学科知识和专业技能的教学，以及大奖赛的准备和培训等方面具有指导意义，同时推广了全国计算机仿真大奖赛的影响，对促进仿真学科、仿真产业的发展具有一定的作用。

参考文献：

[1]《计算机仿真》编辑部.仿真大奖赛，http：//www.jsjfz.com/award.html.

[2]熊光楞，肖田元，张燕云，等.计算机仿真应用[M].北京：清华大学出版社，1998.

[3]刘藻珍，魏华梁.系统仿真[M].北京：北京理工大学出版社，1998.

[4]吴重光.系统建模与仿真[M].北京：清华大学出版社，2008.

[5]邓方林，等.复杂工程系统建模与仿真[M].北京：国防工业出版社，2009.

[6]何江华.计算机仿真[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2010.

[7]黄柯棣，邱晓刚，等.建模与仿真技术[M].长沙：国防科技大学出版社，2010.

[8]肖田元，范文慧.离散事件系统建模与仿真[M].北京：电子工业出版社，2011.

[9]王精业，等.仿真科学与技术原理[M].北京：电子工业出版社，2012.

[10]刘兴堂，等.仿真科学技术及工程[M].北京：科学出版社，2013.

[11]韩璞.现代工程控制论[M].北京：中国电力出版社，2017.

[12]蔣珉，柴干，王宏华，刘国海.控制系统计算机仿真[M].北京：电子工业出版社，2013.

[13]郭齐胜，徐享忠.计算机仿真[M].北京：国防工业出版社，2011.

[14]邱晓刚，陈彬，等.基于HLA的分布仿真环境设计[M].北京：国防工业出版社，2016.