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基于案例驱动法的《系统建模和仿真》教学改革

陈亮董爱华

（东华大学信息学院,上海 201620）

摘要：在《系统建模与仿真》中开展案例驱动教学方法研究,将教学大纲中的知识点融入到典型案例问题中,通过学生自主解决问题,教师从旁引导深化理论知识的方式,激发学生兴趣,培养创新性思维,提高综合运用知识的能力.实际教学效果表明,案例驱动教学方法能够明显改善教学效果,教学质量显著提高.

关键词：系统建模仿真案例驱动教学方法

1.引言

《系统建模与仿真》是一门综合性非常强的课程.在本校安排在自动化专业本科大四上学期和研究生必修课.学生学习完该课程后,应该能够掌握系统建模与仿真的基本概念、原理和几种主要方法,能够熟练运用一种计算机仿真工具进行仿真和分析,提高实践能力和开阔创新思维.

该课程的特点之一是理论性较强,涉及微分方程、概率与统计、随机过程等多方面的数理知识,有些理论又比较抽象,是一门具有一定深度和难度的课程.该课程的第二个特点是内容丰富,涉及面广.国内外与该课程相关的课程主要有《系统辨识》、《系统建模与仿真》、《系统建模、辨识及仿真》、《系统建模与参数估计》等.另外,该课程的第三个特点是具有很强的实践性,强调理论联系实际,必须通过实践教学环节才能使学生很好地理解和掌握系统建模与仿真的理论和方法.

传统的教学方法在该课程的实施过程中存在一定的问题[1-2].首先,传统的教学方法以教师讲授理论知识为主,过于抽象,很难直观理解,趣味性差；其次,学生被动接受,容易陷入死记硬背,无法调动自主学习的能动性；再次,传统教学方式往往将各个知识点孤立起来,使学生缺少对知识体系和所在专业体系的系统认识.

从以往的教学实践中发现,在本科阶段,该门课程是设置在大四上学期,很多学生已提前将学分修满,预留大四时间专心准备考研、出国、实习或找工作,所以选修这门课程的学生相对较少,出勤率低.但是,这门课又不宜安排在较前面学习.因为它需要学生将大学前三年所学的内容融会贯通,综合运用自动化专业的各种知识,来解决实践中常会遇到的问题.从而加深对知识的理解,清晰整个专业的知识体系,并为今后工作和实际工程应用打下良好的基础.对于研究生来说,有些学生是从别的专业转过来的,知识结构不系统；又或者对于高深的理论学习,学生总是兴味索然.为克服传统教学方法的缺点,提高学生学习兴趣,我们将案例驱动教学方法应用于教学,将知识点融入到案例中,以解决具体的案例为目的,引导学生自主学习,代替传统的课堂讲授,最终达到学生能够对所学知识举一反三、融会贯通的教学效果.

2.案例驱动教学的实施

2.1教学软件的选择

用于建模仿真的软件很多,选择合适的平台是确保案例驱动教学效果的保障.所谓合适,就是要求该软件功能强大,并且使用者较多,属主流软件；另外,还要求学生易学易用,把更多精力放在案例求解本身,而不是软件的学习.本课程选用MATLAB作为仿真实验平台.

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业软件.MATLAB有“草稿纸式”的编程语言,包罗万象的工具箱,还有交互式的Simulink仿真环境.学生易学易用,不仅可以调用其内部函数作“傻瓜式”计算,还可以根据自己的算法进行扩展编程.国内外许多高校在教学和研究中都将MATLAB/Simulink语言作为首选的计算机工具.

2.2教学准备

案例驱动教学方法是以案例为出发点,将教学大纲中要求的各个知识点的内容融合到典型的案例任务中,通过求解具体问题,激发学生自主学习的兴趣,帮助学生深刻理解书本上的理论内容,提高学生综合运用知识的能力.案例驱动教学方法要求授课教师必须精心设计每个案例,案例首先要与生产实践和生活密切联系,具有现实背景,案例的求解必须覆盖大纲中要求的所有知识点.例如,在教学实践中,本文作者引入如下案例：

案例1：蛋糕烤盘设计与优化.该案例是参考2013年美国大学生数学建模竞赛A题【3】.考察的知识点是：a.热传导偏微分方程建模与求解；b.偏微分方程的数值求解——有限差分法；c.数值解的稳定性检验——冯.诺伊曼分析；d.多目标优化问题的处理.

案例2：弹簧-质量-阻尼系统建模与控制.该案例引入典型的机械系统,结构虽然简单,但是可以让学生将注意力集中到建模和仿真的学习中.本案例可考察如下知识点：a.系统辨识基本概念；b.参数估计的实验设计；c.微分方程的数值求解；d.稳定性分析；e.极点配置；f.状态观测器设计.

此外,在教学中最好能将教师的在研课题引入到课程中,培养学生的探索性思维和前瞻性眼光.例如,本文作者从主持的一项国家自然科学基金项目（No. 61104113）中,抽离简化出一部分关于超市制冷系统同步动态行为的建模与仿真问题.其中涉及微分方程建模、最小二乘参数估计、Matlab/Simulink仿真,交互式界面设计等几部分内容.

2.3教学实施

在案例驱动教学过程中,教师不再承担主讲人的角色,学生也不再是被动的接收知识.通常,教师会提前将案例内容布置给学生,让学生在课余时间单独或以小组的形式对案例进行分析和验证,自主寻找解决问题的方法和途径.在课堂上,教师首先聆听各学生的解决方案,对其进行点评,并回答他们在求解过程中遇到的问题和困难；然后就学生中普遍存在的问题进行讲解,对案例所涉及的关键技术问题进行深入分析；最后将问题提炼到理论高度,抽象出科学问题及方法,引导学生查阅相关文献和书籍.这种教学方式以学生为主体,做到课前充分准备,课上活跃互动,课后延伸阅读,激发学生的学习兴趣,培养学生的创新实践能力.

3.教学效果

本课程采用笔试加上机的形式进行考核.近两年的实际的教学效果表明,案例驱动教学方法的教学效果明显优于传统教学方法.学生选课人数明显增加,出勤率由之前的50%提高到100%,优秀率由5%提高到20%,及格率由85%提高到99%,特别是同一问题的求解方案明显增多.学生不仅学习到了本课程的知识,并加深了对其他相关在学和已学课程的理解,对整个专业的知识体系更清晰更系统,提高了学生对知识的综合运用能力.

4.结论

为改善系统建模与仿真课程的授课效果,贯彻我校我学院强调理论和实践相结合的方针,将案例驱动教学方法运用到实际授课过程中,通过求解一个个与实际密切结合的案例,激发学生学习兴趣,驱使学生主动学习,提高学生综合运用知识能力,培养创新性思维.当然,这种教学方式也对教师提出了更高的要求,不仅要进行充分准备,还要具备深厚的专业知识,照本宣科已是不可能.同时,教师还能从学生的创新性求解中得到启发,教学相长.

参考文献：

[1] 赵辉,李万龙,郑山红,张丽娟,“项目导向案例驱动”的软件工程教学模式,计算机教育,2012,10：89-92.

[2] 申忠利,左毅,谢七月,控制系统计算机仿真课程教学改革的CDIO实践,教育教学论坛,2015,18：101-102.

[3] http://www.comap.com/undergraduate/contests/mcm/contests/2013/problems/

作者简介：陈亮,女,1976.11出生,东华大学信息科学与技术学院自动化系副教授,主要研究方向：复杂系统建模与混沌控制.

董爱华,女,1970.1出生,东华大学信息科学与技术学院自动化系副教授,主要研究方向：供应链建模与优化.

系统建模论文范文结:

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