系統(tǒng)建模與仿真實驗教學與評價綜合平臺設計

1、系統(tǒng)建模與仿真實驗教學與評價綜合平臺設計摘要：設計開發(fā)了集教學、效果評價與師生互動于一體的綜合實驗教學軟件平臺$在平臺的教學模塊設計 中引入“基于問題學習&和翻轉課堂教學思想，建立了多角度、多層次的實驗問題庫，可進行知識鞏固實驗、自 主設計實驗、競賽題目求解實驗和實際問題設計實驗，適應本科生、研究生以及競賽預備生的實驗需求$在 教學效果評價模塊設計中引入系統(tǒng)綜合評價方法，建立合理的教學效果評價指標，從多維度考查教學效果$ 關鍵詞：系統(tǒng)建模與仿真（實驗教學方法（基于問題的學習（翻轉課堂Design of comprehensive integrated platform for system m

2、odelingand simulation experiment teachmg and evaluationAbstract: comprehensive experimental teaching software platform with the integration of teaching， effect evaluation and teacher$student interaction is designed and developed. In the design of the teachng module of the platform，the idea of % Prob

3、lem-based learning and % Flipped classroom teaching are introduced， and a multi-angle and mu l t- l evel experimenta l question database is established，which can carry out knowl edge consoidation experiments，sef-designed experiments，contest probem soving experiments and practica problem design exper

4、iments， and meet the experimenta 1 needs of undergraduates， postgraduates and competition preparatory students. In the design of teaching effect evaluation module， a systematic comprehensve evaluaton method 6s 6ntroduced，a reasonable evaluaton 6ndex of teachng effect 6s establshed， and teachng effec

5、t 6s 6nspected from multple d6mensons.Key words: modelng and simulation； experiment teaching； problem-based learning； flipped classroom2010年6月教育部提出了卓越工程師教育培養(yǎng) 計劃，助力建設創(chuàng)新型國家,1-（- $在此背景下，哈爾濱 工業(yè)大學控制與仿真中心在課題組承擔自動化專業(yè)本 科生專業(yè)基礎課程“系統(tǒng)建模與仿真基礎2010年6月教育部提出了卓越工程師教育培養(yǎng) 計劃，助力建設創(chuàng)新型國家,1-（- $在此背景下，哈爾濱 工業(yè)大學控制與仿真中心在課題組承擔自動

6、化專業(yè)本 科生專業(yè)基礎課程“系統(tǒng)建模與仿真基礎”和控制科學 與工程專業(yè)研究生課程“系統(tǒng)建模與仿真”教學，以及 指導學生參加全國計算機仿真大賽的基礎上，設計了本文探討了系統(tǒng)建模與仿真實驗教學與評價綜合 平臺的框架設計、實驗教學模塊設計、教學效果評價模 塊設計，并通過對教學效果的綜合分析，說明綜合平臺 應用的必要性和效果9$1實驗教學與評價綜合平臺框架設計系統(tǒng)建模與仿真是通過對真實世界中的系統(tǒng)建立 數學模型/物理模型，利用計算機對模型進行求解，從 而模擬系統(tǒng)行為，并根據模擬結果來分析、預測、設計、 綜合和優(yōu)化系統(tǒng)$系統(tǒng)建模是系統(tǒng)仿真的基礎，系統(tǒng) 仿真是系統(tǒng)分析和設計的前提，而系統(tǒng)仿真實驗則是一種系

7、統(tǒng)仿真的手段！ 一個好的系統(tǒng)仿真實驗環(huán)境應 該不僅能體現教學思想、教學方法，還能對學生實驗效 果進行評價和反饋學生對教學效果的評價，從而實現 教學相長，提高教師的教學水平和學生的學習效率！ 筆者在“系統(tǒng)建模與仿真實踐”課程實驗平臺的基礎 上，設計了一個集實驗教學、教學評價和師生互動于一 體的系統(tǒng)建模與仿真實驗課程綜合軟件環(huán)境！系統(tǒng)建模與仿真實驗教學與評價綜合平臺框架如 圖1所示！工具層0 B B B 0 Q 0圖1系統(tǒng)建模與仿真實驗教學與評價綜合平臺該平臺分為應用層、工具層、網絡層和數據庫層！應用層包括使用平臺功能的計算機、手機、平板電 腦等，應用層通過下載和安裝平臺應用軟件、App等 方式，

8、實現對平臺的訪問。計算機所能使用的平臺軟 件采用 Windows 7操作系統(tǒng)下的Visual Studio 2010 設計實現，可運行在Windows上(暫不兼容蘋果電腦 的操作系統(tǒng))。受運行能力限制，手機和平板電腦上的 App僅開發(fā)了可以訪問平臺的部分功能，包括在線答 疑、實驗題目發(fā)布、實驗報告提交、實驗結果及成績查 詢、教學效果評價等。工具層是平臺軟件、App所能提供的各類功能的 具體實現，這些功能包括：實驗題目的設計；實驗內容發(fā)布；實驗內容在線答疑；實驗指導；實驗計劃的制訂；(+)實驗內容具體執(zhí)行；實驗結果統(tǒng)計分析；實驗報告撰寫與提交；實驗報告批改與反饋；實驗效果評價；實驗教學效果評價。

9、除此之外，工具層還可實現對應用層軟件訪問的 管理、數據庫管理等功能，并提供軟件平臺的管理界面 供平臺管理人員使用。該平臺的工具層提供了輔助教 師進行實驗教學與管理的功能，包括：實驗內容管理；實驗規(guī)范管理；學生實驗出勤統(tǒng)計；實驗結果存儲；實驗報告管理。通過這些功能，教師可以順利實現對實驗教學的 管理，并跟蹤學生實驗的全過程，實現閉環(huán)管理。網絡層是應用層訪問軟件平臺的媒介。安裝在應 用層計算機上的平臺應用軟件通過TCP/IP網絡協(xié)議 訪問服務器，讀取平臺數據庫信息。數據庫層根據不 同的功能需求提供相關的數據庫，包括學生信息數據 庫、實驗問題數據庫、學生疑惑與問題數據庫、網絡答 疑數據庫、實驗結果數

10、據庫、教學效果評價數據庫等！以上功能體現了“翻轉課堂”的教學思想，覆蓋了 實驗教學、實驗和實驗結果評價等多個過程1011 !在 實驗教學中，教師提前設計實驗、提前在平臺上發(fā)布實 驗題目；學生根據實驗指導書學習實驗內容后提出疑 問；教師在線對實驗內容答疑并提供實驗指導；學生自 主制定實驗計劃和進行實驗、撰寫和提交實驗報告；教 師對實驗結果進行統(tǒng)計分析，批改實驗報告和對學生 的實驗效果進行評價；學生對教師的教學效果進行評 價！這種教學方法中，教師不僅要在課上講授和課后 批改作業(yè)，重要的是引導學生自主和協(xié)同解決問題！該平臺在應用層集成了師生互動模塊，充分利用 互聯網工具，搭建師生溝通渠道。教師通過Q

11、Q群和 微信群等建立師生互動平臺，在QQ文件夾和百度云 中向學生發(fā)布實驗題目、指導書等資料，引導學生利用 互聯網上的資源學習與實驗；針對學生的問題進行在 線答疑與指導，歸納總結學生的問題，在課堂上組織學 生討論和解決問題。實驗后，分析學生在實驗過程中 存在的問題，根據平臺記錄的學生實驗情況，在微信群 和QQ群中反饋和總結學生的實驗結果，并發(fā)布實驗 參考答案。該平臺引導學生通過課前學習、線上討論 和實驗后整理3個環(huán)節(jié)，通過自己思考、分組討論、教 師答疑和利用互聯網資源，解決自己學習中的問題。綜上所述，該平臺的設計體現了“基于問題的學 習”和“翻轉課堂”的教學思想，通過將具有實際意義的 和應用價值

12、的問題抽象為模型和仿真實驗題目，引導 學生利用專業(yè)知識開展系統(tǒng)的建模和計算機仿真，并 通過相互討論、探索和合作，鞏固和運用專業(yè)知識。2系統(tǒng)建模與仿真實驗教學模塊設計在教學模塊的設計中，教學內容結合專業(yè)特點，通 過設計特色鮮明的航天系統(tǒng)建模與仿真實驗題目，激 發(fā)學生參與實驗的熱情、夯實學生的專業(yè)知識基礎。 為實現“基于問題學習”的教學，在實驗平臺中建立了 涵蓋知識鞏固實驗、自主設計實驗、競賽題目求解實驗 和實際問題設計實驗等不同類型的實驗題目數據庫! 數據庫中的實驗題目不僅涉及電氣、機械、流體與傳 動、電子、計算機和自動控制等多個工科領域，還包括 經濟發(fā)展、人口預測、環(huán)境保護、社會管理等民生話題

13、! 讓學生認識到系統(tǒng)建模與仿真的重要作用，為他們提 供分析問題和解決問題的工具。受到專業(yè)領域、教學時長等方面的限制，系統(tǒng)建模 與仿真實驗教學主要是數學建模和計算機仿真，使用 編程軟件或者數值計算軟件、建模和仿真工具，實現對 系統(tǒng)的數學建模與計算機仿真。因此，系統(tǒng)建模與仿 真相關課程實驗教學模塊的開發(fā)通常是指計算機仿真 實驗模塊的開發(fā)。為體現“基于問題學習”的教學思 想，在實驗教學題目數據庫中按學科門類和教學層次 進行了細分，并且設置了針對本科生、碩士生和競賽培 訓生的實驗題目數據庫。目前，以賽促教已經得到了國內外眾多教育工作 者的認同1213全國計算機仿真大賽是系統(tǒng)建模與 仿真領域最有影響力的

14、賽事，旨在普及仿真專業(yè)知識! 培養(yǎng)大學生工程實踐能力和創(chuàng)新意識性。筆者根據 歷年全國計算機仿真大賽的題目和培訓經驗，建立了 計算機仿真大賽訓練題庫。該題庫包括許多與國計民 生相關的系統(tǒng)建模與仿真問題，例如，煤礦安全檢測系 統(tǒng)設計與仿真、用仿真分析北京派發(fā)車輛指標隨機算 法的合理性、利用建模與仿真分析歐債危機對全球經 濟發(fā)展造成的危害并給出世界性金融和債務危機的對 策、基于現有的各國政治經濟軍事數據分析各國維持 有效運行航母編隊的數量并給出決策建議等。實驗教學模塊的另一個顯著特點是充分體現了航 天專業(yè)的特色直。在實驗題目庫中集成了面向本科 生和研究生兩個層次的航天系統(tǒng)建模與仿真題目，例 如獵鷹9

15、號（Falcon 9）火箭的建模與仿真。獵鷹9號 火箭是美國SpaceX公司研制的可回收式中型運載火 箭，可實現垂直著陸，是目前航天領域的新興技術口句。 根據本科生和研究生基礎知識和專業(yè)背景不同的特 點，設置了不同層次的題目：本科生的題目是完成運載 火箭回收過程的動力學與運動學建模、計算機仿真程 序編寫和仿真分析，其中回收過程的軌跡設計由教師 向學生公布；而研究生的題目是根據計算機仿真結果 和理論知識，開展回收軌跡的優(yōu)化設計。通過不同層 次題目的設置，讓本科生和研究生都能體會到所學知 識的重要應用價值，并且能夠加深對系統(tǒng)模型概念、系 統(tǒng)建模方法的理解，熟悉相關的系統(tǒng)仿真軟件。該模塊可以同時支持

16、本科生、研究生和競賽培訓 生進行實驗，是一個多功能的實驗教學模塊。3教學效果評價模塊設計在教學效果評價模塊的設計中，通過學生對知識 掌握程度的客觀評價、對實驗教學環(huán)境的評價、對實驗 效果的評價等多維度的指標客觀評價教學效果，是多 元化、多角度的綜合評價。通過評價，指導教師在后續(xù) 的教學中完善教學手段、提高教學水平。系統(tǒng)建模與仿真實驗評價模塊包括實驗效果評價 和教師教學效果評價。實驗效果評價采用綜合指標，主要包括實驗完成 情況、實驗在線討論情況、實驗報告以及實驗結果反饋 等，采用累加式的考核方式#4（?？己藘热莅▽嶒?的掌握情況、對平臺的應用情況以及對互聯網資源的 利用情況，通過分階段、系統(tǒng)

17、化、多元化的方式來評價 學生的學習效果。該考核方法可以有效評價學生在實 驗的各個環(huán)節(jié)中所表現出的綜合能力一一基礎知識運 用能力、分析解決問題能力、創(chuàng)新能力、動手能力等。教師教學效果評價采用多維度指標體系，由學生 和平臺系統(tǒng)共同按照指標及其標準進行評價，包括教 學態(tài)度、教學內容、教學方法與手段、教學組織、課堂效 果、教學特色等。其中，課堂效果由平臺根據記錄的教 學過程情況進行自動評價，評價內容包括教學秩序、學 生實驗出勤率、學生疑問解決程度（由學生在平臺中打 分評價）、學生實驗成績等；教學特色由學生進行主觀 評價，說明教師在教學方法和組織形式上是否讓學生 感覺新穎、吸引人并且具有鮮明的特色，然后

18、軟件平臺 根據學生的評價對該指標進行量化#采用層次分析法 對教學效果進行綜合分析$#4%,按照9標度法進行各項 指標的權重計算#根據對有經驗的授課教師和學生的 問卷調查，確定教學效果多維度評價指標體系各指標 的權重（見表1）。在教學效果評價指標中，特別注重 教學內容、課堂效果和教學方法# 機實驗的平臺，還提供了教師與學生互動、溝通的平 臺，以及綜合評價學生學習效果和教師教學效果的科 學手段# “基于問題學習”和“翻轉課堂”兩種教學思想 的引入，以及多角度、多層次的實驗問題庫，不僅集成 了知識鞏固實驗、自主設計實驗、競賽題目求解實驗和 實際問題設計實驗，還可滿足不同教學層次的本科生、 研究生以及競賽預備生的實驗需求，學生對教學效果 也予以了較高評價#表1教學效果多維度評價指標的權重指標名稱權重指標名稱權重教學態(tài)度0. 06教學組織0.12教學內容0. 31課堂效果0.20教學方法0. 21教學特色0.10經過3個學期的教學實踐，將3次教學評估結果列出，如表2所示#表*教學效果評價結果分指標名稱第一學期第二學期第三學期教學態(tài)度100100100教學內容989899教學方法989596教學組織929293課堂效果959695教學特色999899可以看出，學生對于教學內容給予了