民航背景下系统建模与仿真教学探索与实践

惠国腾 王欣

摘要 系统建模与仿真是一门理论性和实践性结合较强的课程，它涉及数理统计、数学建模、复杂自适应系统、多智能体、计算机仿真等多方面的理论。为了提升课程的教学效果，从基于问题的学习教学理论出发，探索了以学生为中心，案例驱动的教学方法。设计了多个面向教学任务的、实践性强的案例，其中以Anylogic作为仿真平台，设计了多个民航场景的教学案例。实践表明，该方法能够更好地提升学生的学习兴趣，提高课程的教学效果。

关键词 系统建模与仿真；基于问题的学习；Anylogic

中图分类号：G642文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.9.021

“系统建模与仿真”是一门以系统工程、数理统计、数学建模、计算机仿真等理论为基础的工程专业课程，具有涉猎范围广、学科交叉性高、专业综合性强等特点[1-2]。该课程是为中国民用航空飞行学院学术型硕士的交通运输规划与管理、交通信息工程及控制专业，以及专业型硕士的交通运输专业开设的专业方向课。近年来，随着硕士研究生的招生规模不断扩大，该门课程最近一学期的修读学生已经接近200人。深入开展教学研究，积极开发教学案例，保证教学效果，提高学生课堂质量，为学生增强民航背景知识加速融入民航行业成为本课题组开展教学研究的主要内容。

Anylogic是一款针对复杂系统建模与仿真的软件工具，支持可视化编程界面，具有离散事件、基于智能体和系统动力学三种仿真建模方法且能够实现同一模型下使用混合方法进行仿真；其仿真领域覆盖较广，涵盖了从微观到宏观，从简单到复杂的仿真建模過程，具有较强的抽象过程具象化能力，能够支撑多行业的仿真需求[3]。

1教学设计

本课程要求学生既要掌握系统建模与仿真的理论基础，又要能熟练使用仿真工具软件对交通运输中的一些典型问题建立模型并运行获得仿真实验数据。以往的教学设计中存在如下问题，难以保证教学目标的实现：

①仅偏重理论教学，导致课程中理论知识满堂灌，学生感觉课程枯燥乏味，而且缺乏引导培养学生自主学习能力的机制。

②缺乏应用仿真软件的教学案例，学生在课程结束后不能熟练操作仿真工具软件去解决实际问题，不能满足交通运输规划与管理、交通信息工程及控制这些专业对研究生在后续的科研环节中应用仿真软件解决实际问题的能力要求。

针对上述问题，在教学设计中引入基于问题的学习和案例驱动的教学方法，遵循OBE教育理念的原则，对教学模式进行持续改进，提高学生自主学习和解决实际问题的能力。

1.1理论教学

通过课堂理论教学，使学生掌握系统建模与仿真的基本概念和原理、系统建模的常用方法、随机数与随机变量的生成、离散事件系统的建模方法和仿真策略、多智能体仿真、仿真输入和输出数据的分析等内容。课程内容设置如下：

①绪论：系统、模型、仿真的基本概念；系统建模与仿真的发展历史和研究热点；系统与仿真的应用领域。

②系统建模的基本方法：系统模型的分类；系统建模的基本元素；系统仿真的基本结构；系统建模的常用方法。

③随机数与随机变量的生成：随机变量和随机分布概述；计算机生成随机数的方法；随机数发生器的性能检验；计算机生成随机变量的方法。

④离散事件系统的建模方法和仿真方法：蒙特卡洛仿真的基本原理；离散事件系统的建模方法；实体流图法；活动循环图法；排队论模型；离散事件系统的仿真策略；事件调度法；活动扫描法；进程交互法。

⑤仿真数据分析：数据分布类型的识别；数据分布参数的估计；数据拟合度的检验；仿真输出数据分析；终态仿真与稳态仿真；点估计与区间估计的方法。

⑥多智能体仿真：复杂适应系统理论；Agent和MultiAgent系统的概念；Multi-Agent建模与仿真方法；Multi-Agent仿真的应用；主流的Multi-Agent仿真平台。

1.2 PBL实践教学

基于问题的学习（Problem-Based Learning，PBL）是快速提升学生解决问题、工程实践能力的有效教学方法，已经在诸多课程教学中得到了验证[4-9]。本课程的PBL实践教学主要设置了案例分析、自主组队、模型建立与仿真实践、模型评估与改进等四个环节，实际作用及设置目的如下。

①案例分析。根据实际民航行业背景设置了仿真实例，包括航站楼旅客值机排队仿真、航站楼紧急情况疏散仿真、航站楼候机等待时病毒扩散仿真、滑行道起飞等待排队仿真等仿真实验案例，以激发学生学习兴趣。通过此阶段可以有效锻炼学生分析和解决问题的能力。

②自主组队。教师可根据实际案例问题的复杂程度引导学生组建不同规模的课题小组，以保证能够完成案例问题任务。本环节是增进学生之间的交流的有效方式，每位学生可根据自己的特点选择与其他人组成团队，共同完成建模与仿真任务。通过此阶段可提高学生团队协作能力以及人际交往能力。

③模型建立与仿真实践。根据前期教师布置的任务，对问题进行分析与学生共同建立模型并进行仿真实践，要求课题小组对模型参数、流程设计、程序实现进行分析和提供文献依据。此环节为PBL教学法的关键环节，学生需要阅读大量文献、组内充分交流、投入时间和精力共建模型、并通过编程实现仿真实践。是学生在本门课程整体能力提升最快的环节，也是下一环节的基础。通过此阶段可提高学生工程实践、文献阅读、科学研究等综合能力。

④模型评估与改进。问题的分析和解决方法的正确与否和实际解决效果是实际工程实践中最为常见的质量评估标准，发现问题和积极提出对应问题的改进策略是仿真的意义所在。在课程教学过程中，教师应积极组织各小组之间互相分享团队建模过程、遇到的问题、解决方式等关键性问题，交叉评估其他小组仿真模型，并提出改进建议。通过此阶段可使学生的工程实践和创新能力得到进一步提升。

通过PBL实践教学使学生初步掌握系统建模与Anylogic仿真软件的使用方法，通过教学中设计典型案例，引导学生学习建立案例中目标系统的仿真模型，设置仿真模型中模块属性和运行参数，以及对仿真运行结果进行分析，给出合理的解释和进一步的决策依据。

1.3融入课程思政

教师应积极主动引入我国传统文化元素与课程本身呼应以增强学生的道路自信、理论自信、制度自信、文化自信，科普国内外仿真技术的发展现状和趋势以培养学生探索未知、追求真理的责任感和使命感，讲述我国仿真领域遇到的困难和机遇以培养学生科技报国的爱国主义精神。例如，在实际教学过程中主动引用古文经典“凡事预则立，不预则废”阐述仿真的必要性和有效性，可以增强学生对传统文化的认知，从而培养学生理论自信和文化自信。

2课程案例设置

教学案例是理论教学和实践教学的结合点，是提高学生动手能力的着力点。通过案例引入问题，引导学生建立仿真模型，设置模型参数，对运行输出结果进行分析。通过案例教学，起到培养学生思考、分析、应用的综合素质，提升学生工程实践能力的作用。课题组结合民航行业内的部分科研、课题、实际工程需求以及软件特性来开发教学案例，详细见表1（p68）实践教学案例列表。

通过表1所设置的实践教学案例不难发现每一个案例都具备鲜明的民航特色同时又贴近生活，不需要过多的民航专业知识便能够引起同学共鸣，目的是通过教学案例能夠将学生的实际生活体验和本课程中的理论知识联系起来，激发学生的学习积极性和增强课程体验感，在建模与仿真的过程中将自己带入模型，或者将模型带入实际的生活中，将会对理论知识有更深入的理解。

3教学效果

课程采用启发式教学，能够较好地激发学生主动学习的兴趣，提高学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，引导学生主动通过实践和自学获得自己想学到的知识。通过精心设计的案例引入问题，结合PBL教学法，逐步引导学生完成案例分析、自主组队、模型建立与仿真实践、模型评估与改进等四个环节，其能够起到切实提高学生思考、分析、应用的综合素质，提升学生工程实践能力的作用；可以使学生在实验设计能力、问题分析能力、数据处理能力、场景再现能力、编程能力等方面得到系统性的提升。

4结语

本课程以实现课程良好的教学成果为目的，通过对课程教学内容，课程教学方式，课程教学案例等进行研究，在教学内容的设置上紧密结合民航行业特点和系统建模与仿真的理论知识；利用课堂理论教学与上机实践教学相结合的教学模式，以PBL教学法为抓手，使学生掌握系统建模与仿真的理论和技术；在教学内容中教学案例的设置是本门课程的关键，也是激发学生学习兴趣和增长学生能力的主要落实点更是行业特点的体现。通过以上课程设置能够有效激发学生学习主动性，增强学生使用专业仿真软件对目标系统进行建模和仿真的能力，提升学生分析问题和解决问题的工程实践能力，培养学生的团队协作以及创新能力。

基金项目：2021年中国民用航空飞行学院研究生教学研究项目“《系统建模与仿真》课程开发及课程案例建设”（XKJ2021-8）。

参考文献

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[4]王超，王涛波，王飞.“空管系统建模与仿真”PBL教学中的典型空管问题设计[J].教育教学论坛，2016（9）：153-156.

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