科學(xué)教育與職業(yè)教育雙重視野下“系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真”課程教學(xué)改革

李麗宏+華國(guó)光

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038）

摘要：“系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真”課程具有多學(xué)科交叉、理論與實(shí)踐并重的特點(diǎn)，且此課程系統(tǒng)建模部分概念抽象不易掌握，為了培養(yǎng)專業(yè)學(xué)位研究生的科學(xué)與職業(yè)素養(yǎng)，本課程探討了以案例教學(xué)與學(xué)術(shù)職業(yè)兼?zhèn)涞膶W(xué)習(xí)方式，以“跟蹤學(xué)科前沿、拓展教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法、倡導(dǎo)自主學(xué)習(xí)”為教學(xué)理念，對(duì)系統(tǒng)建模、算法實(shí)現(xiàn)與仿真等教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、考試方式進(jìn)行了配套改革。

關(guān)鍵詞：專業(yè)學(xué)位研究生；教學(xué)改革；職業(yè)教育；案例教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）21-0114-02

一、專業(yè)學(xué)位研究生“系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真”課程改革的必要性

“系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真”課程是電子信息類專業(yè)學(xué)位研究生一門學(xué)科選修專業(yè)課，是面向工程實(shí)際的應(yīng)用型課程，主要內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與圖形可視化、最優(yōu)化技術(shù)建模與仿真、信號(hào)建模分析與仿真、現(xiàn)代建模方法及仿真等。

該課程在教學(xué)方式與課程內(nèi)容方面，存在如下問題：

1.課程內(nèi)容抽象與學(xué)生靈活運(yùn)用能力低。該課程涉及內(nèi)容廣泛，教學(xué)內(nèi)容較多但教學(xué)學(xué)時(shí)較少，概念、模型、算法抽象嚴(yán)謹(jǐn)。在前面教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，一部分學(xué)生感到該課程枯燥無味，難于理解，因此學(xué)不進(jìn)去；另外一部分同學(xué)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較好，對(duì)概念、模型、算法能學(xué)懂，但是遇到具體問題，不能靈活運(yùn)用。

2.課程目標(biāo)定位不夠清晰，內(nèi)容與實(shí)際聯(lián)系較弱。該課程基本或完全運(yùn)用學(xué)術(shù)學(xué)位研究生的課程教學(xué)，不能體現(xiàn)專業(yè)性研究生課程的“實(shí)踐”內(nèi)容，缺失“專業(yè)性”的職業(yè)教育。

3.課堂教學(xué)效果有待加強(qiáng)，尤其要改進(jìn)教學(xué)方式方法。教學(xué)方式枯燥、單一，“滿堂灌”的教學(xué)方式弱化了研究生的學(xué)習(xí)興趣；以課堂為中心，以教師為中心，以理論為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式，教學(xué)效果不理想。

4.專業(yè)性研究生教育的實(shí)踐教學(xué)部分比重不大。課程內(nèi)容重理論輕實(shí)踐，不利于專業(yè)研究生實(shí)現(xiàn)科研創(chuàng)新及今后在職業(yè)生涯中的發(fā)展。

5.教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新意識(shí)不強(qiáng)，課程內(nèi)容陳舊，不能與最新科研發(fā)展同步。

二、課程教學(xué)內(nèi)容改革

1.將MATLAB仿真軟件引入課題教學(xué)。MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的數(shù)學(xué)軟件，是Matrix Laboratory兩個(gè)詞的組合，即矩陣實(shí)驗(yàn)室，主要是面對(duì)科學(xué)計(jì)算，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言，它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，同時(shí)提供多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域功能強(qiáng)大的工具箱與模塊集，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。將MATLAB語(yǔ)言與系統(tǒng)建模理論相結(jié)合，使抽象的理論模型可視化、直觀化，便于學(xué)生理解掌握，同時(shí)熟悉了MATLAB軟件的使用方法。在系統(tǒng)建模與分析中，需要繪制較多仿真曲線，對(duì)于大型復(fù)雜系統(tǒng)的建模，如果采用人工繪圖，不僅浪費(fèi)時(shí)間且仿真曲線不精確，利用MATLAB較強(qiáng)的計(jì)算與可視化功能，可較容易地繪制仿真曲線，且能動(dòng)態(tài)地仿真數(shù)學(xué)模型。由于本課程學(xué)時(shí)較少，因此要求專碩研究生課下自學(xué)MATLAB基本函數(shù)和語(yǔ)法。在課堂上講解系統(tǒng)建模的相關(guān)理論與分析方法，簡(jiǎn)要介紹MATLAB工具箱中相關(guān)函數(shù)使用方法，課后作業(yè)分為兩部分，一部分系統(tǒng)建模理論知識(shí)分析，二是要求使用MATLAB進(jìn)行求解與仿真。

2.教學(xué)中引入工程案例。應(yīng)用型高層次人才是專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)的目標(biāo)，他們畢業(yè)后，可以獨(dú)立負(fù)責(zé)某項(xiàng)技術(shù)及其科學(xué)研究，這也是專業(yè)學(xué)位研究生與高職職業(yè)性的區(qū)別。因此專業(yè)學(xué)位研究生的案例教學(xué)有別于本科的案例教學(xué)，不僅要考慮學(xué)生的興趣，更要注重案例內(nèi)容的理論層次性與創(chuàng)新性。根據(jù)電子信息類專業(yè)學(xué)位研究生的特點(diǎn)，案例教學(xué)分為四模塊：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與圖形可視化、現(xiàn)代建模方法及仿真、信號(hào)建模分析與仿真、最優(yōu)化技術(shù)建模與仿真。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與圖形可視化：研究生階段，每位研究生都會(huì)做很多實(shí)驗(yàn)得出較多數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，為了更直觀地表達(dá)數(shù)據(jù)與分析數(shù)據(jù)，需要使用數(shù)學(xué)軟件Matlab進(jìn)行仿真，因此在授課時(shí)，針對(duì)典型二維圖像、三維圖形等進(jìn)行了案例教學(xué)，同時(shí)，由于課堂時(shí)間的限制，課后也為同學(xué)們布置了多個(gè)典型數(shù)據(jù)可視化習(xí)題進(jìn)行練習(xí)，為后續(xù)課題的深入研究與仿真奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?，F(xiàn)代建模方法及仿真：針對(duì)電子信息類專業(yè)學(xué)位研究生，本部分在課堂上安排了以下案例：形似及演繹推理建模案例、系統(tǒng)辨識(shí)案例、基于模糊集建模案例、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模案例和基于智能技術(shù)建模案例。在各類模型理論知識(shí)講解的基礎(chǔ)上，利用Matlab語(yǔ)言進(jìn)行仿真，從而深入理解掌握各種建模方法。信號(hào)建模分析與仿真：列舉了信號(hào)在時(shí)域、頻域、空間域中信號(hào)分析與處理的相關(guān)案例，同時(shí)講解了其在聲音信號(hào)（一維信號(hào)）與圖像信號(hào)（二維信號(hào)）中的應(yīng)用；學(xué)生能系統(tǒng)深入理解信號(hào)處理的原理，同時(shí)仿真結(jié)果由工具軟件Matlab形象表現(xiàn)。

三、課程教學(xué)方式改革

專業(yè)學(xué)位研究生教育屬于研究生教育層次，因此其教育是職業(yè)教育與學(xué)術(shù)教育的綜合，“職業(yè)性和學(xué)術(shù)性，兩者兼?zhèn)洹?，即需?duì)學(xué)生開展學(xué)術(shù)與職業(yè)型教育。

1.以案例教學(xué)為主，重視運(yùn)用團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)、案例分析、模擬訓(xùn)練等方法，案例作為一個(gè)主要載體來實(shí)現(xiàn)整個(gè)教學(xué)過程，完成專業(yè)學(xué)位研究生的理論學(xué)術(shù)性教育學(xué)習(xí)，同時(shí)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，組建學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)，課外時(shí)間對(duì)教師所留題目進(jìn)行模擬訓(xùn)練，同時(shí)使用Matlab軟件對(duì)實(shí)踐題目進(jìn)行仿真，有條件的同學(xué)，可以將其運(yùn)用于實(shí)習(xí)單位課題上面，實(shí)現(xiàn)職業(yè)性教育學(xué)習(xí)。

2.跟蹤學(xué)科前沿，拓展教學(xué)內(nèi)容，課堂授課時(shí)，將科研課題相關(guān)模塊制作為案例，將最新進(jìn)展引入課堂，使得課堂教學(xué)內(nèi)容及時(shí)更新，從而突破教材的束縛，完成研究生教學(xué)與科研相結(jié)合，使教學(xué)內(nèi)容更富有活力。

3.改革教學(xué)方法，倡導(dǎo)自主學(xué)習(xí)，在上述教學(xué)過程中實(shí)施開放式教學(xué)，轉(zhuǎn)變教師與研究生在教學(xué)活動(dòng)中的角色，教師不再是知識(shí)的傳輸者而是指導(dǎo)者，研究生不再是知識(shí)的被動(dòng)接受者，而是成為知識(shí)的主動(dòng)建構(gòu)者，以研究生的“學(xué)”為主，教師的“教”為輔，充分挖掘研究生潛能，使其積極主動(dòng)地參與到學(xué)習(xí)中去。

四、考評(píng)方式

為了更好地評(píng)價(jià)研究生學(xué)習(xí)效果，同時(shí)也為了鼓勵(lì)后續(xù)研究生的學(xué)習(xí)，對(duì)此課程的評(píng)價(jià)體系也進(jìn)行了改革，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)綜合考慮了對(duì)知識(shí)的理解、運(yùn)用能力和綜合素質(zhì)，

為了更好地衡量對(duì)知識(shí)的理解、運(yùn)用能力和綜合素質(zhì)，引入項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，增加理論與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的方式，項(xiàng)目設(shè)計(jì)在考核成績(jī)中所占比重為50%，研究生可將其創(chuàng)新性思維在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中得體體現(xiàn)并加以驗(yàn)證，平時(shí)成績(jī)和課堂表現(xiàn)占總成績(jī)的20%，期末試卷占總成績(jī)的30%，因此，這種考核方式充分體現(xiàn)了“職業(yè)”教育參與其中。

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收稿日期：2016-11-18

基金項(xiàng)目：河北工程大學(xué)研究生教育教學(xué)改革項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：李麗宏（1974-），女，河北無極人，副教授，博士，從事圖像處理與仿真等方面研究。