0引論

計算機仿真主要是利用計算機技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)，通過建立研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進而在計算機上對系統(tǒng)進行實驗分析和研究的一門技術(shù)。因此，該門課程是一門解決實際問題、實踐性強的課程。目前，大部分院校對該門課程的講授主要圍繞計算機仿真的概念、方法和技術(shù)來開展的，而在系統(tǒng)分析、系統(tǒng)建模、仿真計算、仿真結(jié)果分析等方面的講解還存在薄弱環(huán)節(jié)。從教學(xué)內(nèi)容來看，主要存在重理論分析，輕仿真實驗；從教學(xué)過程來看，還存在重課堂教學(xué)，輕實踐環(huán)節(jié)的現(xiàn)象。為此，應(yīng)加強計算機仿真技術(shù)課程實驗教學(xué)方法的研究，突出系統(tǒng)仿真建模分析實驗，建立仿真實驗的內(nèi)容體系，強化仿真實驗過程管理，以達到提高學(xué)生在計算機仿真技術(shù)領(lǐng)域的運用能力。仿真實驗的內(nèi)涵就是針對仿真實驗對象，建立仿真實驗?zāi)Ｐ停糜嬎銠C技術(shù)，在計算機上開展仿真運算與結(jié)果分析的一種實踐活動。單純的課堂理論教學(xué)一般缺乏主動獲取知識的能力，缺乏對所學(xué)知識的深入思考和實際動手能力的培養(yǎng)，缺乏發(fā)現(xiàn)問題、靈活運用已有知識解決實際問題的能力。而實驗環(huán)節(jié)能在很大程度上彌補這種教學(xué)方式的不足，尤其是計算機仿真技術(shù)這門課程，具有系統(tǒng)針對性強與實際結(jié)合緊密的特點。因此，在計算機仿真技術(shù)課程的教學(xué)過程中，重視仿真實驗課程建設(shè)，加強學(xué)生實驗環(huán)節(jié)的教學(xué)和訓(xùn)練，已經(jīng)成為本門課程改革和創(chuàng)新的一個重要內(nèi)容。

1仿真技術(shù)實驗課程的目的、分類及特點

計算機仿真實驗課是掌握計算機仿真技術(shù)和仿真技能培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，是開展科學(xué)實驗、科學(xué)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域能力培養(yǎng)的重要課程之一。開展計算機仿真實驗課程改革，需要從實驗內(nèi)容設(shè)置、實驗教學(xué)管理、實驗課程評價等幾方面入手，以達到實驗課程提高學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的目標。計算機仿真技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容通常分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散系統(tǒng)仿真兩個方面，因此，仿真技術(shù)實驗可分為連續(xù)系統(tǒng)仿真實驗和離散系統(tǒng)仿真實驗。另一方面，按照仿真的作用和目的來分，仿真技術(shù)實驗領(lǐng)域也可分為三種形式。一是系統(tǒng)設(shè)計仿真實驗，即對尚不存在的假象系統(tǒng)開展仿真實驗。通過仿真實驗，來觀察系統(tǒng)設(shè)計的各項性能參數(shù)。二是仿真對象的系統(tǒng)分析仿真實驗，即對已有系統(tǒng)進行仿真實驗。針對存在的已有系統(tǒng)，構(gòu)建系統(tǒng)模型，通過仿真實驗以觀察和分析系統(tǒng)，來了解和掌握系統(tǒng)的變化規(guī)律。三是系統(tǒng)模擬訓(xùn)練仿真實驗，利用現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實技術(shù)或半實物仿真技術(shù)，構(gòu)建訓(xùn)練系統(tǒng)的操作訓(xùn)練模型和模擬訓(xùn)練仿真環(huán)境，為系統(tǒng)的操作人員提供模擬訓(xùn)練的實驗平臺。根據(jù)仿真技術(shù)實驗的目的結(jié)合計算機仿真技術(shù)課程要求，仿真技術(shù)實驗課程具有以下特點：一是系統(tǒng)實驗對象的針對性。仿真實驗必須針對某個具體的對象或系統(tǒng)開展仿真實驗活動。如一個控制系統(tǒng)的仿真實驗，應(yīng)從該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型入手，明確數(shù)學(xué)模型中各參數(shù)的含義和參數(shù)之間的物理關(guān)系，以此開展仿真實驗才具有針對性，而不能籠統(tǒng)地給出一個仿真計算的式子，不加分析就開始進行仿真計算。二是仿真實驗?zāi)Ｐ偷挠行浴７抡鎸嶒災(zāi)Ｐ褪欠抡鎸嶒炏到y(tǒng)的一種抽象，與實驗系統(tǒng)和內(nèi)容結(jié)合緊密，學(xué)生應(yīng)從掌握仿真系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，建立有效的、可計算的仿真實驗?zāi)Ｐ停员汩_展仿真實驗教學(xué)活動。三是仿真實驗過程的完整性。仿真實驗過程包括系統(tǒng)建模、仿真建模和仿真實驗等過程。從仿真實驗對象或系統(tǒng)入手，對仿真實驗?zāi)康模⒎抡鎸嶒炏到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用掌握的仿真軟件或熟知的仿真實驗環(huán)境，將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成仿真計算模型，開展仿真實驗，最后對仿真實驗與仿真結(jié)果進行處理分析。四是仿真實驗環(huán)境的可操作性。仿真實驗依賴于仿真環(huán)境與仿真軟件，不同的系統(tǒng)、不同的仿真模型，需要在不同的仿真環(huán)境下進行。仿真實驗環(huán)境與仿真軟件，有通用計算機程序設(shè)計語言，如C++、VB等；有數(shù)學(xué)計算能力較強應(yīng)用軟件，如Matlab；有針對離散事件系統(tǒng)仿真軟件，如GPSS。還有針對不同領(lǐng)域的專業(yè)性仿真軟件，如流體工程仿真計算軟件Fluent，機械設(shè)計與虛擬樣機仿真軟件SolidWorks、Pro/E和UG等。因此，仿真實驗的開展應(yīng)根據(jù)仿真實驗對象，仿真實驗?zāi)康暮鸵螅x擇正確的仿真實驗環(huán)境和仿真軟件。

2仿真技術(shù)實驗課教學(xué)體系建設(shè)

仿真技術(shù)實驗課程教學(xué)改革涉及教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)體系、教學(xué)方法等多個方面。在教學(xué)內(nèi)容上，應(yīng)緊密配合仿真技術(shù)課堂教學(xué)要求，合理安排仿真實驗項目。如在連續(xù)系統(tǒng)仿真方面，應(yīng)針對仿真對象的微分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間和結(jié)構(gòu)圖等不同模型開展仿真實驗，以了解不同模型表示方法的仿真技術(shù)。在仿真實驗教學(xué)體系方面，要結(jié)合相關(guān)專業(yè)對不同仿真技術(shù)的要求，有針對性地選擇仿真對象。即從建模表示、模型處理、仿真算法設(shè)計、仿真結(jié)果分析等方面，設(shè)置仿真實驗案例。在實驗教學(xué)方法方面，要加強仿真實驗前學(xué)生的實驗準備，以及熟悉仿真實驗環(huán)境、做好仿真實驗過程記錄、仿真實驗結(jié)果處理和分析等方面的工作。

2.1仿真實驗課程體系建設(shè)

計算機仿真技術(shù)屬于一門應(yīng)用類型的課程，課程涉及大量的數(shù)學(xué)知識，理論性強，同時還蘊含著大量的工程性知識。因此，該門功課的建設(shè)與改革要突出工程性和應(yīng)用性，要注重理論與實際的結(jié)合。作為一門實驗課程教學(xué)體系的建設(shè)，主要涉及該門課程的教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)管理與考評、教學(xué)過程實施等多個方面。另一方面，計算機仿真實驗主要是在計算機上完成，在教學(xué)體系建設(shè)方面，還要注重學(xué)生計算機應(yīng)用能力和軟件編程能力的培養(yǎng)。

（1）實驗課程教學(xué)目標計算機仿真技術(shù)課程的設(shè)置目的，是使學(xué)員掌握計算機仿真的有關(guān)概念、原理和方法，學(xué)會利用計算機仿真技術(shù)，針對各自研究方向與領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生開展系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)運用的能力，以及能獨立開展實驗研究，解決科學(xué)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域中出現(xiàn)的問題。培養(yǎng)學(xué)生的計算機仿真思維，提高學(xué)生使用計算機仿真理論和技術(shù)從事科學(xué)研究的能力。

（2）實驗課程教學(xué)內(nèi)容計算機仿真技術(shù)課程涉及的領(lǐng)域較為廣泛，從仿真技術(shù)體系來看，課程內(nèi)容主要包括相似理論、建模理論、建模方法、仿真算法、仿真語言、仿真工具，仿真實驗、仿真數(shù)據(jù)處理與仿真VV&A等。從仿真知識體系來看，課程除涉及大量基礎(chǔ)數(shù)學(xué)知識外，還涉及系統(tǒng)、模型與仿真的概念、方法及分類，連續(xù)系統(tǒng)建模與仿真方法，離散事件系統(tǒng)建模與仿真，分布式系統(tǒng)仿真、面向?qū)ο蠼Ｅc仿真技術(shù)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與仿真等。這些都為如何確定仿真實驗內(nèi)容提出了挑戰(zhàn)。為此實驗課程內(nèi)容安排上，我們提出了單項仿真實驗與綜合仿真實驗的解決思路，圍繞能力培養(yǎng)選擇實驗課程內(nèi)容。通過單項仿真實驗讓學(xué)生掌握重要的知識點，通過綜合仿真實驗讓學(xué)生掌握仿真技術(shù)的系統(tǒng)知識和仿真技術(shù)綜合運用能力。其中，單項實驗內(nèi)容包括：系統(tǒng)建模實驗，仿真工具運用實驗，仿真系統(tǒng)運行實驗，仿真數(shù)據(jù)處理與可信度評估實驗等。綜合仿真實驗主要包括連續(xù)系統(tǒng)仿真實驗，離散事件系統(tǒng)仿真實驗，先進系統(tǒng)仿真實驗，虛擬現(xiàn)實仿真實驗等。

（3）實驗組織實施與管理仿真實驗教學(xué)過程的組織實施與管理，既要遵循實驗課程教學(xué)規(guī)律，又要突出實驗課實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在給學(xué)生講解熟悉實驗環(huán)境、理解仿真對象和仿真目標的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生參與實驗前準備工作，參與實驗方案與計劃的制定。根據(jù)仿真實驗特點，由學(xué)生獨立或與實驗小組完成整個仿真實驗過程，重視實驗過程中出現(xiàn)問題的分析與解釋。讓學(xué)生在完成實驗的同時，還要對實驗過程進行總結(jié)，提交仿真實驗后的體會等。在實驗安排方面，加強與相關(guān)課程內(nèi)容的同步結(jié)合。在實驗學(xué)時方面，突出課堂實驗與課后拓展實驗相結(jié)合，即單項仿真實驗可在較短的時間內(nèi)完成，主要安排在教學(xué)課程的學(xué)時內(nèi)。對綜合性仿真實驗采用開放式實驗，在制定完實驗方案和計劃后，可讓學(xué)生靈活安排時間去完成實驗。在實驗課程的考核管理是實驗過程也是教學(xué)過程的重要一環(huán)，應(yīng)加強實驗課程的過程考核，通過考核方式的改革，督促學(xué)生自覺開展實驗活動，達到開設(shè)仿真實驗課的目的。考核成績可以按學(xué)生的仿真實驗準備情況，實驗完成質(zhì)量，實驗過程表現(xiàn)與實驗報告質(zhì)量等內(nèi)容進行綜合評定。

2.2實驗課教學(xué)方法改革

實驗教學(xué)既是教學(xué)活動，又是實踐活動。要突出學(xué)生的能力培養(yǎng)，也要突出思維能力和科學(xué)精神的培養(yǎng)。實驗課教學(xué)可以采用任務(wù)驅(qū)動、過程開發(fā)的教學(xué)模式進行，即在明確仿真實驗任務(wù)的基礎(chǔ)上，由學(xué)生自己制定仿真實驗任務(wù)的計劃和方法，編寫如何做好仿真實驗的準備工作條目，提出每項仿真實驗的思路和注意事項，并將這些內(nèi)容作為仿真實驗課成績的一部分。在這種教學(xué)模式下，還要注重以下三方面的工作。

（1）重視仿真實驗準備工作仿真實驗準備工作是開展仿真實驗的前提。仿真實驗準備工作包括仿真實驗對象的認識和理解，仿真實驗?zāi)康模贫▽嶒灩ぷ鞑襟E以及熟悉仿真實驗環(huán)境、仿真語言和仿真工具等。要針對仿真實驗的對象或系統(tǒng)，讓學(xué)生查閱相關(guān)資料，了解對象和系統(tǒng)的特性，為下一步模型的建立奠定基礎(chǔ)，同時，作好仿真實驗前的數(shù)據(jù)收集與準備工作。

（2）強化仿真實驗建模分析模型是研究對象或系統(tǒng)的抽象，也是仿真實驗的基礎(chǔ)。仿真模型的建立是按照一定的目的對所要研究的對象或系統(tǒng)進行抽象的過程。沒有正確抽象和描述的仿真模型，就無法開展正確的仿真實驗。對于連續(xù)系統(tǒng)或離散事件系統(tǒng)仿真建模來說，通常需要根據(jù)對象的物理特性，變量特征和仿真實驗的目的等開展系統(tǒng)實驗建模分析。模型分析主要包括模型的使用對象，模型假設(shè)條件，模型內(nèi)部要素的作用機理，模型簡化，模型的表示方式，以及輸出結(jié)果形式等。建模分析不僅能鍛煉和提高學(xué)生面向問題的解決能力，同時還可以培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理能力和科學(xué)的思維方式。

（3）突出仿真實驗技術(shù)應(yīng)用仿真實驗技術(shù)主要包括仿真實驗設(shè)計，仿真算法設(shè)計，仿真實驗數(shù)據(jù)處理與分析等。這些仿真技術(shù)的應(yīng)用對提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力和探索熱情有著重要作用。仿真實驗設(shè)計主要是制定仿真實驗方案，包括編寫實驗?zāi)康模瑢嶒灢襟E，實驗初始條件設(shè)定等。仿真實驗算法設(shè)計是一項具有挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的工作，在這一方面要充分讓學(xué)生去閱讀相關(guān)文獻，為仿真實驗設(shè)計高效、正確的仿真算法。同時，在算法設(shè)計時還要考慮到仿真實驗環(huán)境，仿真實驗環(huán)境包括仿真所用的軟件和硬件等。在此教師主要給學(xué)生以引導(dǎo)和提示，讓學(xué)生熟悉相關(guān)的實驗環(huán)境，摸索和掌握各種實驗工具的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，再讓學(xué)生編寫仿真實驗程序、設(shè)計計算步長等相關(guān)仿真計算工作。仿真實驗數(shù)據(jù)處理與分析是仿真實驗的重要組成部分，讓學(xué)生掌握常用的數(shù)理統(tǒng)計的方法進行實驗數(shù)據(jù)處理與分析。同時，還要通過仿真實驗，教會學(xué)生對仿真對象變化規(guī)律如何做出合理的估計和判斷的方法，以達到實驗的目的。

3仿真技術(shù)實驗課教學(xué)案例

以連續(xù)系統(tǒng)仿真為例，對起重機吊運系統(tǒng)特性開展研究。利用起重機吊運系統(tǒng)仿真實驗，進一步闡明仿真技術(shù)實驗課程教學(xué)方法的運用。

3.1仿真實驗前準備

在實驗準備階段，首先要認識仿真對象，弄清仿真對象的系統(tǒng)組成，即系統(tǒng)是有哪些實體對象構(gòu)成的，系統(tǒng)中各個實體的參數(shù)屬性，系統(tǒng)內(nèi)部實體之間的作用機制等。在本案例中系統(tǒng)由起重機小車、鋼絲繩和吊運的貨物構(gòu)成。其次，是要明確仿真實驗的目的，即起重機小車的移動速度、吊繩長度和貨物質(zhì)量等相關(guān)參數(shù)，對吊運時貨物擺角的影響。三是系統(tǒng)抽象，對系統(tǒng)中無關(guān)的因素進行簡化，如忽略吊運時吊繩長度變化、風(fēng)速和前后搖擺等影響，以降低系統(tǒng)建模的復(fù)雜性。四是收集實驗所需數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)建模做好準備，如貨物的質(zhì)量、吊繩長度等。

3.2實驗?zāi)Ｐ徒?/P>

根據(jù)上述準備工作，利用運動學(xué)和動力學(xué)的相關(guān)知識，結(jié)合仿真目的建立仿真實驗對象的數(shù)學(xué)模型。在建立模型時，首先考慮模型的初始狀態(tài)，給出了初始條件下的參數(shù)和方程。其次，考慮貨物吊運時的擺動，即在某一擺角下的系統(tǒng)狀態(tài)，以此建立該狀態(tài)下貨物吊運擺動角度與貨物質(zhì)量、吊繩長度和吊運速度之間的計算關(guān)系。這樣就為下一步的計算機的仿真計算奠定了基礎(chǔ)。建立的起重機吊運貨物時的數(shù)學(xué)模型。

3.3仿真實驗

根據(jù)上述的實驗?zāi)Ｐ停_展仿真計算。仿真計算可以采用通用程序設(shè)計語言，如C語言，也可采用數(shù)值計算和科學(xué)分析軟件Matlab來完成。對于Matlab軟件來說，即可采用M文件編程方式，也可利用SimLink方式進行交互式仿真。因此，在這一階段要鼓勵學(xué)生積極動手，獨立思維，利用不同狀態(tài)下的參數(shù)計算開展系統(tǒng)的仿真實驗。

3.4仿真實驗結(jié)果分析

仿真實驗結(jié)果分析就是對仿真實驗計算的數(shù)據(jù)進行綜合分析，獲取系統(tǒng)的相關(guān)信息和實驗結(jié)論，達到仿真實驗分析的目的。在計算結(jié)果分析時，要讓學(xué)生觀察多組輸入輸出數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的影響，來進一步認識系統(tǒng)。如在吊運過程中，通過修改吊運貨物的質(zhì)量，吊繩的長度和水平運行速度，來計算和觀察吊運擺角的變化，以此來達到認識起重機吊運系統(tǒng)的性能和變化規(guī)律。

4結(jié)束語

計算機仿真實驗課作為一門應(yīng)用類課程，涉及的理論性比較多，實踐性強。在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段上要積極進行改革探索，尋找更好的教學(xué)和措施方法。通過仿真實驗課程改革的深入，提高學(xué)生的動手能力和學(xué)習(xí)興趣。讓學(xué)生通過實驗掌握系統(tǒng)建模、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)優(yōu)化和系統(tǒng)觀察的方法。進一步激發(fā)和提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生計算機仿真技術(shù)方面解決實際問題的能力。

作者：宛西原 王功孝 單位：后勤工程學(xué)院后勤信息與軍事物流工程系