0引論

計算機仿真主要是利用計算機技術和應用領域有關的專業技術，通過建立研究系統的數學模型，進而在計算機上對系統進行實驗分析和研究的一門技術。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、方法和技術來開展的，而在系統分析、系統建模、仿真計算、仿真結果分析等方面的講解還存在薄弱環節。從教學內容來看，主要存在重理論分析，輕仿真實驗；從教學過程來看，還存在重課堂教學，輕實踐環節的現象。為此，應加強計算機仿真技術課程實驗教學方法的研究，突出系統仿真建模分析實驗，建立仿真實驗的內容體系，強化仿真實驗過程管理，以達到提高學生在計算機仿真技術領域的運用能力。仿真實驗的內涵就是針對仿真實驗對象，建立仿真實驗模型，利用計算機技術，在計算機上開展仿真運算與結果分析的一種實踐活動。單純的課堂理論教學一般缺乏主動獲取知識的能力，缺乏對所學知識的深入思考和實際動手能力的培養，缺乏發現問題、靈活運用已有知識解決實際問題的能力。而實驗環節能在很大程度上彌補這種教學方式的不足，尤其是計算機仿真技術這門課程，具有系統針對性強與實際結合緊密的特點。因此，在計算機仿真技術課程的教學過程中，重視仿真實驗課程建設，加強學生實驗環節的教學和訓練，已經成為本門課程改革和創新的一個重要內容。

1仿真技術實驗課程的目的、分類及特點

計算機仿真實驗課是掌握計算機仿真技術和仿真技能培養的重要環節，是開展科學實驗、科學研究和工程應用領域能力培養的重要課程之一。開展計算機仿真實驗課程改革，需要從實驗內容設置、實驗教學管理、實驗課程評價等幾方面入手，以達到實驗課程提高學生實踐能力和創新能力的目標。計算機仿真技術的教學內容通常分為連續系統仿真和離散系統仿真兩個方面，因此，仿真技術實驗可分為連續系統仿真實驗和離散系統仿真實驗。另一方面，按照仿真的作用和目的來分，仿真技術實驗領域也可分為三種形式。一是系統設計仿真實驗，即對尚不存在的假象系統開展仿真實驗。通過仿真實驗，來觀察系統設計的各項性能參數。二是仿真對象的系統分析仿真實驗，即對已有系統進行仿真實驗。針對存在的已有系統，構建系統模型，通過仿真實驗以觀察和分析系統，來了解和掌握系統的變化規律。三是系統模擬訓練仿真實驗，利用現代虛擬現實技術或半實物仿真技術，構建訓練系統的操作訓練模型和模擬訓練仿真環境，為系統的操作人員提供模擬訓練的實驗平臺。根據仿真技術實驗的目的結合計算機仿真技術課程要求，仿真技術實驗課程具有以下特點：一是系統實驗對象的針對性。仿真實驗必須針對某個具體的對象或系統開展仿真實驗活動。如一個控制系統的仿真實驗，應從該系統的數學模型入手，明確數學模型中各參數的含義和參數之間的物理關系，以此開展仿真實驗才具有針對性，而不能籠統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。二是仿真實驗模型的有效性。仿真實驗模型是仿真實驗系統的一種抽象，與實驗系統和內容結合緊密，學生應從掌握仿真系統原理的基礎上，建立有效的、可計算的仿真實驗模型，以便開展仿真實驗教學活動。三是仿真實驗過程的完整性。仿真實驗過程包括系統建模、仿真建模和仿真實驗等過程。從仿真實驗對象或系統入手，對仿真實驗目的，建立仿真實驗系統的數學模型，利用掌握的仿真軟件或熟知的仿真實驗環境，將數學模型轉換成仿真計算模型，開展仿真實驗，最后對仿真實驗與仿真結果進行處理分析。四是仿真實驗環境的可操作性。仿真實驗依賴于仿真環境與仿真軟件，不同的系統、不同的仿真模型，需要在不同的仿真環境下進行。仿真實驗環境與仿真軟件，有通用計算機程序設計語言，如C++、VB等；有數學計算能力較強應用軟件，如Matlab；有針對離散事件系統仿真軟件，如GPSS。還有針對不同領域的專業性仿真軟件，如流體工程仿真計算軟件Fluent，機械設計與虛擬樣機仿真軟件SolidWorks、Pro/E和UG等。因此，仿真實驗的開展應根據仿真實驗對象，仿真實驗目的和要求，選擇正確的仿真實驗環境和仿真軟件。

2仿真技術實驗課教學體系建設

仿真技術實驗課程教學改革涉及教學內容，教學體系、教學方法等多個方面。在教學內容上，應緊密配合仿真技術課堂教學要求，合理安排仿真實驗項目。如在連續系統仿真方面，應針對仿真對象的微分方程、傳遞函數、狀態空間和結構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。在仿真實驗教學體系方面，要結合相關專業對不同仿真技術的要求，有針對性地選擇仿真對象。即從建模表示、模型處理、仿真算法設計、仿真結果分析等方面，設置仿真實驗案例。在實驗教學方法方面，要加強仿真實驗前學生的實驗準備，以及熟悉仿真實驗環境、做好仿真實驗過程記錄、仿真實驗結果處理和分析等方面的工作。

2.1仿真實驗課程體系建設

計算機仿真技術屬于一門應用類型的課程，課程涉及大量的數學知識，理論性強，同時還蘊含著大量的工程性知識。因此，該門功課的建設與改革要突出工程性和應用性，要注重理論與實際的結合。作為一門實驗課程教學體系的建設，主要涉及該門課程的教學目標、教學內容、教學管理與考評、教學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，在教學體系建設方面，還要注重學生計算機應用能力和軟件編程能力的培養。

（1）實驗課程教學目標計算機仿真技術課程的設置目的，是使學員掌握計算機仿真的有關概念、原理和方法，學會利用計算機仿真技術，針對各自研究方向與領域，培養學生開展系統分析、系統設計、系統運用的能力，以及能獨立開展實驗研究，解決科學研究和工程應用領域中出現的問題。培養學生的計算機仿真思維，提高學生使用計算機仿真理論和技術從事科學研究的能力。

（2）實驗課程教學內容計算機仿真技術課程涉及的領域較為廣泛，從仿真技術體系來看，課程內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、仿真數據處理與仿真VV&A等。從仿真知識體系來看，課程除涉及大量基礎數學知識外，還涉及系統、模型與仿真的概念、方法及分類，連續系統建模與仿真方法，離散事件系統建模與仿真，分布式系統仿真、面向對象建模與仿真技術，虛擬現實技術與仿真等。這些都為如何確定仿真實驗內容提出了挑戰。為此實驗課程內容安排上，我們提出了單項仿真實驗與綜合仿真實驗的解決思路，圍繞能力培養選擇實驗課程內容。通過單項仿真實驗讓學生掌握重要的知識點，通過綜合仿真實驗讓學生掌握仿真技術的系統知識和仿真技術綜合運用能力。其中，單項實驗內容包括：系統建模實驗，仿真工具運用實驗，仿真系統運行實驗，仿真數據處理與可信度評估實驗等。綜合仿真實驗主要包括連續系統仿真實驗，離散事件系統仿真實驗，先進系統仿真實驗，虛擬現實仿真實驗等。

（3）實驗組織實施與管理仿真實驗教學過程的組織實施與管理，既要遵循實驗課程教學規律，又要突出實驗課實踐能力和創新能力的培養。在給學生講解熟悉實驗環境、理解仿真對象和仿真目標的基礎上，讓學生參與實驗前準備工作，參與實驗方案與計劃的制定。根據仿真實驗特點，由學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問題的分析與解釋。讓學生在完成實驗的同時，還要對實驗過程進行總結，提交仿真實驗后的體會等。在實驗安排方面，加強與相關課程內容的同步結合。在實驗學時方面，突出課堂實驗與課后拓展實驗相結合，即單項仿真實驗可在較短的時間內完成，主要安排在教學課程的學時內。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過程的重要一環，應加強實驗課程的過程考核，通過考核方式的改革，督促學生自覺開展實驗活動，達到開設仿真實驗課的目的。考核成績可以按學生的仿真實驗準備情況，實驗完成質量，實驗過程表現與實驗報告質量等內容進行綜合評定。

2.2實驗課教學方法改革

實驗教學既是教學活動，又是實踐活動。要突出學生的能力培養，也要突出思維能力和科學精神的培養。實驗課教學可以采用任務驅動、過程開發的教學模式進行，即在明確仿真實驗任務的基礎上，由學生自己制定仿真實驗任務的計劃和方法，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，并將這些內容作為仿真實驗課成績的一部分。在這種教學模式下，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，仿真實驗目的，制定實驗工作步驟以及熟悉仿真實驗環境、仿真語言和仿真工具等。要針對仿真實驗的對象或系統，讓學生查閱相關資料，了解對象和系統的特性，為下一步模型的建立奠定基礎，同時，作好仿真實驗前的數據收集與準備工作。

（2）強化仿真實驗建模分析模型是研究對象或系統的抽象，也是仿真實驗的基礎。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。對于連續系統或離散事件系統仿真建模來說，通常需要根據對象的物理特性，變量特征和仿真實驗的目的等開展系統實驗建模分析。模型分析主要包括模型的使用對象，模型假設條件，模型內部要素的作用機理，模型簡化，模型的表示方式，以及輸出結果形式等。建模分析不僅能鍛煉和提高學生面向問題的解決能力，同時還可以培養學生邏輯推理能力和科學的思維方式。

（3）突出仿真實驗技術應用仿真實驗技術主要包括仿真實驗設計，仿真算法設計，仿真實驗數據處理與分析等。這些仿真技術的應用對提高學生的創新能力、實踐能力和探索熱情有著重要作用。仿真實驗設計主要是制定仿真實驗方案，包括編寫實驗目的，實驗步驟，實驗初始條件設定等。仿真實驗算法設計是一項具有挑戰性和創新性的工作，在這一方面要充分讓學生去閱讀相關文獻，為仿真實驗設計高效、正確的仿真算法。同時，在算法設計時還要考慮到仿真實驗環境，仿真實驗環境包括仿真所用的軟件和硬件等。在此教師主要給學生以引導和提示，讓學生熟悉相關的實驗環境，摸索和掌握各種實驗工具的應用。在此基礎上，再讓學生編寫仿真實驗程序、設計計算步長等相關仿真計算工作。仿真實驗數據處理與分析是仿真實驗的重要組成部分，讓學生掌握常用的數理統計的方法進行實驗數據處理與分析。同時，還要通過仿真實驗，教會學生對仿真對象變化規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仿真技術實驗課教學案例

以連續系統仿真為例，對起重機吊運系統特性開展研究。利用起重機吊運系統仿真實驗，進一步闡明仿真技術實驗課程教學方法的運用。

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組成，即系統是有哪些實體對象構成的，系統中各個實體的參數屬性，系統內部實體之間的作用機制等。在本案例中系統由起重機小車、鋼絲繩和吊運的貨物構成。其次，是要明確仿真實驗的目的，即起重機小車的移動速度、吊繩長度和貨物質量等相關參數，對吊運時貨物擺角的影響。三是系統抽象，對系統中無關的因素進行簡化，如忽略吊運時吊繩長度變化、風速和前后搖擺等影響，以降低系統建模的復雜性。四是收集實驗所需數據，為系統建模做好準備，如貨物的質量、吊繩長度等。

3.2實驗模型建立

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

3.3仿真實驗

根據上述的實驗模型，開展仿真計算。仿真計算可以采用通用程序設計語言，如C語言，也可采用數值計算和科學分析軟件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生積極動手，獨立思維，利用不同狀態下的參數計算開展系統的仿真實驗。

3.4仿真實驗結果分析

仿真實驗結果分析就是對仿真實驗計算的數據進行綜合分析，獲取系統的相關信息和實驗結論，達到仿真實驗分析的目的。在計算結果分析時，要讓學生觀察多組輸入輸出數據對系統的影響，來進一步認識系統。如在吊運過程中，通過修改吊運貨物的質量，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的性能和變化規律。

4結束語

計算機仿真實驗課作為一門應用類課程，涉及的理論性比較多，實踐性強。在教學內容、教學方法和教學手段上要積極進行改革探索，尋找更好的教學和措施方法。通過仿真實驗課程改革的深入，提高學生的動手能力和學習興趣。讓學生通過實驗掌握系統建模、系統設計、系統優化和系統觀察的方法。進一步激發和提高學生的實踐能力和創新能力，提高學生計算機仿真技術方面解決實際問題的能力。

作者：宛西原 王功孝 單位：后勤工程學院后勤信息與軍事物流工程系