民航背景下系統(tǒng)建模與仿真教學(xué)探索與實(shí)踐

惠國(guó)騰 王欣

摘要 系統(tǒng)建模與仿真是一門理論性和實(shí)踐性結(jié)合較強(qiáng)的課程，它涉及數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)學(xué)建模、復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)、多智能體、計(jì)算機(jī)仿真等多方面的理論。為了提升課程的教學(xué)效果，從基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)教學(xué)理論出發(fā)，探索了以學(xué)生為中心，案例驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法。設(shè)計(jì)了多個(gè)面向教學(xué)任務(wù)的、實(shí)踐性強(qiáng)的案例，其中以Anylogic作為仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)了多個(gè)民航場(chǎng)景的教學(xué)案例。實(shí)踐表明，該方法能夠更好地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 系統(tǒng)建模與仿真；基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)；Anylogic

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.9.021

“系統(tǒng)建模與仿真”是一門以系統(tǒng)工程、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)仿真等理論為基礎(chǔ)的工程專業(yè)課程，具有涉獵范圍廣、學(xué)科交叉性高、專業(yè)綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)[1-2]。該課程是為中國(guó)民用航空飛行學(xué)院學(xué)術(shù)型碩士的交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理、交通信息工程及控制專業(yè)，以及專業(yè)型碩士的交通運(yùn)輸專業(yè)開(kāi)設(shè)的專業(yè)方向課。近年來(lái)，隨著碩士研究生的招生規(guī)模不斷擴(kuò)大，該門課程最近一學(xué)期的修讀學(xué)生已經(jīng)接近200人。深入開(kāi)展教學(xué)研究，積極開(kāi)發(fā)教學(xué)案例，保證教學(xué)效果，提高學(xué)生課堂質(zhì)量，為學(xué)生增強(qiáng)民航背景知識(shí)加速融入民航行業(yè)成為本課題組開(kāi)展教學(xué)研究的主要內(nèi)容。

Anylogic是一款針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真的軟件工具，支持可視化編程界面，具有離散事件、基于智能體和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)三種仿真建模方法且能夠?qū)崿F(xiàn)同一模型下使用混合方法進(jìn)行仿真；其仿真領(lǐng)域覆蓋較廣，涵蓋了從微觀到宏觀，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的仿真建模過(guò)程，具有較強(qiáng)的抽象過(guò)程具象化能力，能夠支撐多行業(yè)的仿真需求[3]。

1教學(xué)設(shè)計(jì)

本課程要求學(xué)生既要掌握系統(tǒng)建模與仿真的理論基礎(chǔ)，又要能熟練使用仿真工具軟件對(duì)交通運(yùn)輸中的一些典型問(wèn)題建立模型并運(yùn)行獲得仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以往的教學(xué)設(shè)計(jì)中存在如下問(wèn)題，難以保證教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)：

①僅偏重理論教學(xué)，導(dǎo)致課程中理論知識(shí)滿堂灌，學(xué)生感覺(jué)課程枯燥乏味，而且缺乏引導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的機(jī)制。

②缺乏應(yīng)用仿真軟件的教學(xué)案例，學(xué)生在課程結(jié)束后不能熟練操作仿真工具軟件去解決實(shí)際問(wèn)題，不能滿足交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理、交通信息工程及控制這些專業(yè)對(duì)研究生在后續(xù)的科研環(huán)節(jié)中應(yīng)用仿真軟件解決實(shí)際問(wèn)題的能力要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，在教學(xué)設(shè)計(jì)中引入基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)和案例驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法，遵循OBE教育理念的原則，對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1.1理論教學(xué)

通過(guò)課堂理論教學(xué)，使學(xué)生掌握系統(tǒng)建模與仿真的基本概念和原理、系統(tǒng)建模的常用方法、隨機(jī)數(shù)與隨機(jī)變量的生成、離散事件系統(tǒng)的建模方法和仿真策略、多智能體仿真、仿真輸入和輸出數(shù)據(jù)的分析等內(nèi)容。課程內(nèi)容設(shè)置如下：

①緒論：系統(tǒng)、模型、仿真的基本概念；系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展歷史和研究熱點(diǎn)；系統(tǒng)與仿真的應(yīng)用領(lǐng)域。

②系統(tǒng)建模的基本方法：系統(tǒng)模型的分類；系統(tǒng)建模的基本元素；系統(tǒng)仿真的基本結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)建模的常用方法。

③隨機(jī)數(shù)與隨機(jī)變量的生成：隨機(jī)變量和隨機(jī)分布概述；計(jì)算機(jī)生成隨機(jī)數(shù)的方法；隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的性能檢驗(yàn)；計(jì)算機(jī)生成隨機(jī)變量的方法。

④離散事件系統(tǒng)的建模方法和仿真方法：蒙特卡洛仿真的基本原理；離散事件系統(tǒng)的建模方法；實(shí)體流圖法；活動(dòng)循環(huán)圖法；排隊(duì)論模型；離散事件系統(tǒng)的仿真策略；事件調(diào)度法；活動(dòng)掃描法；進(jìn)程交互法。

⑤仿真數(shù)據(jù)分析：數(shù)據(jù)分布類型的識(shí)別；數(shù)據(jù)分布參數(shù)的估計(jì)；數(shù)據(jù)擬合度的檢驗(yàn)；仿真輸出數(shù)據(jù)分析；終態(tài)仿真與穩(wěn)態(tài)仿真；點(diǎn)估計(jì)與區(qū)間估計(jì)的方法。

⑥多智能體仿真：復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論；Agent和MultiAgent系統(tǒng)的概念；Multi-Agent建模與仿真方法；Multi-Agent仿真的應(yīng)用；主流的Multi-Agent仿真平臺(tái)。

1.2 PBL實(shí)踐教學(xué)

基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)（Problem-Based Learning，PBL）是快速提升學(xué)生解決問(wèn)題、工程實(shí)踐能力的有效教學(xué)方法，已經(jīng)在諸多課程教學(xué)中得到了驗(yàn)證[4-9]。本課程的PBL實(shí)踐教學(xué)主要設(shè)置了案例分析、自主組隊(duì)、模型建立與仿真實(shí)踐、模型評(píng)估與改進(jìn)等四個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)際作用及設(shè)置目的如下。

①案例分析。根據(jù)實(shí)際民航行業(yè)背景設(shè)置了仿真實(shí)例，包括航站樓旅客值機(jī)排隊(duì)仿真、航站樓緊急情況疏散仿真、航站樓候機(jī)等待時(shí)病毒擴(kuò)散仿真、滑行道起飛等待排隊(duì)仿真等仿真實(shí)驗(yàn)案例，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)此階段可以有效鍛煉學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。

②自主組隊(duì)。教師可根據(jù)實(shí)際案例問(wèn)題的復(fù)雜程度引導(dǎo)學(xué)生組建不同規(guī)模的課題小組，以保證能夠完成案例問(wèn)題任務(wù)。本環(huán)節(jié)是增進(jìn)學(xué)生之間的交流的有效方式，每位學(xué)生可根據(jù)自己的特點(diǎn)選擇與其他人組成團(tuán)隊(duì)，共同完成建模與仿真任務(wù)。通過(guò)此階段可提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及人際交往能力。

③模型建立與仿真實(shí)踐。根據(jù)前期教師布置的任務(wù)，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析與學(xué)生共同建立模型并進(jìn)行仿真實(shí)踐，要求課題小組對(duì)模型參數(shù)、流程設(shè)計(jì)、程序?qū)崿F(xiàn)進(jìn)行分析和提供文獻(xiàn)依據(jù)。此環(huán)節(jié)為PBL教學(xué)法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，學(xué)生需要閱讀大量文獻(xiàn)、組內(nèi)充分交流、投入時(shí)間和精力共建模型、并通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)踐。是學(xué)生在本門課程整體能力提升最快的環(huán)節(jié)，也是下一環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)。通過(guò)此階段可提高學(xué)生工程實(shí)踐、文獻(xiàn)閱讀、科學(xué)研究等綜合能力。

④模型評(píng)估與改進(jìn)。問(wèn)題的分析和解決方法的正確與否和實(shí)際解決效果是實(shí)際工程實(shí)踐中最為常見(jiàn)的質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和積極提出對(duì)應(yīng)問(wèn)題的改進(jìn)策略是仿真的意義所在。在課程教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)積極組織各小組之間互相分享團(tuán)隊(duì)建模過(guò)程、遇到的問(wèn)題、解決方式等關(guān)鍵性問(wèn)題，交叉評(píng)估其他小組仿真模型，并提出改進(jìn)建議。通過(guò)此階段可使學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力得到進(jìn)一步提升。

通過(guò)PBL實(shí)踐教學(xué)使學(xué)生初步掌握系統(tǒng)建模與Anylogic仿真軟件的使用方法，通過(guò)教學(xué)中設(shè)計(jì)典型案例，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)建立案例中目標(biāo)系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)置仿真模型中模塊屬性和運(yùn)行參數(shù)，以及對(duì)仿真運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析，給出合理的解釋和進(jìn)一步的決策依據(jù)。

1.3融入課程思政

教師應(yīng)積極主動(dòng)引入我國(guó)傳統(tǒng)文化元素與課程本身呼應(yīng)以增強(qiáng)學(xué)生的道路自信、理論自信、制度自信、文化自信，科普國(guó)內(nèi)外仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)以培養(yǎng)學(xué)生探索未知、追求真理的責(zé)任感和使命感，講述我國(guó)仿真領(lǐng)域遇到的困難和機(jī)遇以培養(yǎng)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的愛(ài)國(guó)主義精神。例如，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中主動(dòng)引用古文經(jīng)典“凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢”闡述仿真的必要性和有效性，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)文化的認(rèn)知，從而培養(yǎng)學(xué)生理論自信和文化自信。

2課程案例設(shè)置

教學(xué)案例是理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合點(diǎn)，是提高學(xué)生動(dòng)手能力的著力點(diǎn)。通過(guò)案例引入問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生建立仿真模型，設(shè)置模型參數(shù)，對(duì)運(yùn)行輸出結(jié)果進(jìn)行分析。通過(guò)案例教學(xué)，起到培養(yǎng)學(xué)生思考、分析、應(yīng)用的綜合素質(zhì)，提升學(xué)生工程實(shí)踐能力的作用。課題組結(jié)合民航行業(yè)內(nèi)的部分科研、課題、實(shí)際工程需求以及軟件特性來(lái)開(kāi)發(fā)教學(xué)案例，詳細(xì)見(jiàn)表1（p68）實(shí)踐教學(xué)案例列表。

通過(guò)表1所設(shè)置的實(shí)踐教學(xué)案例不難發(fā)現(xiàn)每一個(gè)案例都具備鮮明的民航特色同時(shí)又貼近生活，不需要過(guò)多的民航專業(yè)知識(shí)便能夠引起同學(xué)共鳴，目的是通過(guò)教學(xué)案例能夠?qū)W(xué)生的實(shí)際生活體驗(yàn)和本課程中的理論知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和增強(qiáng)課程體驗(yàn)感，在建模與仿真的過(guò)程中將自己帶入模型，或者將模型帶入實(shí)際的生活中，將會(huì)對(duì)理論知識(shí)有更深入的理解。

3教學(xué)效果

課程采用啟發(fā)式教學(xué)，能夠較好地激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生獨(dú)立思考、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)通過(guò)實(shí)踐和自學(xué)獲得自己想學(xué)到的知識(shí)。通過(guò)精心設(shè)計(jì)的案例引入問(wèn)題，結(jié)合PBL教學(xué)法，逐步引導(dǎo)學(xué)生完成案例分析、自主組隊(duì)、模型建立與仿真實(shí)踐、模型評(píng)估與改進(jìn)等四個(gè)環(huán)節(jié)，其能夠起到切實(shí)提高學(xué)生思考、分析、應(yīng)用的綜合素質(zhì)，提升學(xué)生工程實(shí)踐能力的作用；可以使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、問(wèn)題分析能力、數(shù)據(jù)處理能力、場(chǎng)景再現(xiàn)能力、編程能力等方面得到系統(tǒng)性的提升。

4結(jié)語(yǔ)

本課程以實(shí)現(xiàn)課程良好的教學(xué)成果為目的，通過(guò)對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容，課程教學(xué)方式，課程教學(xué)案例等進(jìn)行研究，在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上緊密結(jié)合民航行業(yè)特點(diǎn)和系統(tǒng)建模與仿真的理論知識(shí)；利用課堂理論教學(xué)與上機(jī)實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式，以PBL教學(xué)法為抓手，使學(xué)生掌握系統(tǒng)建模與仿真的理論和技術(shù)；在教學(xué)內(nèi)容中教學(xué)案例的設(shè)置是本門課程的關(guān)鍵，也是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和增長(zhǎng)學(xué)生能力的主要落實(shí)點(diǎn)更是行業(yè)特點(diǎn)的體現(xiàn)。通過(guò)以上課程設(shè)置能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生使用專業(yè)仿真軟件對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真的能力，提升學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作以及創(chuàng)新能力。

基金項(xiàng)目：2021年中國(guó)民用航空飛行學(xué)院研究生教學(xué)研究項(xiàng)目“《系統(tǒng)建模與仿真》課程開(kāi)發(fā)及課程案例建設(shè)”（XKJ2021-8）。

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