《计算机仿真技术》课程教学改革与实践.pdf

076 Academic and Practise 学术与实践计算机仿真技术课程教学改革与实践罗艳蕾，罗瑜，刘会勇（贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025）摘要：针对机械工程学院专业方向的多样性，计算机仿真技术课程内容的多学科交叉性特点，基于课程教学经验，逐步探索出以培养学生创新能力为目标，以提升工程应用能力为主线的教学内容，并结合课堂讲授、课堂讨论、仿真实验以及自主拓展学习等多种教学方法和手段，使学生掌握计算机仿真知识和技能，达到课程培养目标。关键词：计算机仿真技术；工程应用；创新能力；实践基金项目：贵州省研究生教育教学改革重点课题YJSCXJH（2020）006。作者简介：罗艳蕾，女，博士，贵州大学机械工程学院教授。罗瑜，女，博士，贵州大学机械工程学院副教授。刘会勇，男，博士，贵州大学机械工程学院教授。现代产品及系统设计正在向着高效精密化、智能集成化、虚拟数字化等方向发展，传统的物理样机设计模式，已无法适应产品及系统快速多变的市场需求。随着仿真技术的广泛应用，构建机械产品及系统的虚拟样机，并对这些虚拟样机进行多性能仿真试验，展示机械产品及系统的静动态性能，将可能存在的问题尽早暴露出来并进行处理，争取减少或避免大的返工，从而减少产品及系统开发时间和经济投入，降低产品研发风险，达到优化产品及系统、提高设计效率的目的1，2。根据美国科学研究院工程技术委员会的测算，建模与仿真技术可提高产品质量 5 15 倍，降低工程技术成本 13%30%，降低人工成本 5%20%，缩短产品设计和试制周期 30%60%等3，4。国外有关科研机构和大学，也纷纷开展计算机仿真技术罗艳蕾，罗瑜，刘会勇：计算机仿真技术课程教学改革与实践077的应用研究和教学。国外许多著名公司高度重视计算机仿真技术，将计算机仿真技术引入各自的产品开发中，取得了很好的经济效益3，4。为了提高机械设计和制造的水平，迫切需要利用计算机仿真技术作为新产品开发手段。因此，学习与掌握计算机仿真技术，成为机械类学生必备的基本素质之一5。一、课程特点及教学目标1.课程特点随着科学技术的发展，计算机仿真技术广泛应用于现代工业的各个领域，在军事国防、经济建设、社会生活等多领域发挥重要的作用。仿真是利用计算机的软硬件平台，将实际对象系统转化成模型并在计算机上运行的过程，其中对系统进行仿真的一整套软硬件称为仿真系统，在计算机上运行仿真模型的实验方法称为仿真技术。计算机仿真三要素及其三个基本活动如图 1 所示。计算机仿真技术已成为研究系统对象的一种有力研究手段和工具，成为各学科特别是工科本科生、硕士生、博士生等必须掌握的技能，因此仿真技术课程是研究生教学中一项十分重要的内容。图 1计算机仿真三要素及其三个基本活动计算机仿真技术具有综合性、多学科交叉等特点。在计算机仿真技术课程研究生教学中发现，多数学生理论基础较扎实，获取书本知识能力强，但也存在工程应用背景不够、创新意识和创新能力不足等问题。为培养学生的自主学习能力、创新能力和工程应用能力，结合研究生教学经验，对该门课程的教学内容和教学方法进行了改革探索。2.课程教学目标为适应社会对机械工程专业人才的需求，提升学生整体素质，拓宽学生机械工程专业知识范畴，高校工科专业的研究生，应掌握计算机仿真的相关知识和技能。计算机仿真技术是贵州大学机械工程学院面向研究生开设的一门专业基础课程，课程的教学目的是：通过课程学习，使学生掌握计算机仿真技术的基本知识、基本理论和基本技能，为分析各类工程系统问题或非工程系统问题提供有力的工具和手段，以便学生能灵活应用所学的计算机仿真技术，078 Academic and Practise 学术与实践培养学生分析问题和解决问题的能力5。二、教学内容设置计算机仿真技术课程涉及多个交叉学科，相关课程包括数值计算方法、计算机编程、计算机图形学、高等数学、自动控制原理、现代控制理论、优化设计等。计算机仿真技术课程开设初期，只是面向机械电子工程专业学生的选修课，教学内容主要针对该专业方向进行设置。随着选修人数的不断增加，以及选修学生专业方向的扩大，基本涵盖了机械工程学院的所有专业方向。为适应各专业方向学生的需求，内容选排上以数值计算仿真为主，兼顾控制系统仿真、优化设计、数据处理、工程统计以及图形可视化等方面的内容，修订和完善教学大纲。在学生掌握计算机仿真技术基本理论、基础知识和基本技能的基础上，采用基于工程应用的专题模式，以任务、项目为基本教学单元，将理论教学和实践教学有机融合，突出学生在整个教学过程中的主体地位，使学生能够掌握工程分析技术，为后续的论文撰写奠定基础。例如：在讲授控制系统仿真中，以质量-弹簧-阻尼系统为例，分析系统质量、弹簧刚度、阻尼系数等参数对系统输出响应（位移随时间的变化、速度随时间的变化以及加速度随时间的变化）的影响。首先根据已具备的相关理论知识，建立系统二阶微分方程数学模型，用四种仿真手段求解这一工程问题，包括：采用普通常微分的龙格-库塔法编程数值求解；进行拉普拉斯变换后用传递函数命令求解；基于 simulink 环境的模块化传递函数求解；基于 simulink 环境的积分模块求解。进一步利用计算机强大的仿真功能，分析改变不同参数（质量、弹簧刚度、阻尼系数）对系统动态特性的影响规律，并将结果用直观可视化图形输出。三、改进教学内容和教学方法1.深化课程内容建设、扩展课程内容覆盖面。以计算机仿真技术教学大纲中规定的基本内容为主线，在学生初步掌握数值计算、系统建模、仿真建模、算法设计、结果数据分析等基本内容和技能后，增加工程案例、接口技术、优化设计、工程统计、上机实验项目以及前沿讲座讨论等内容和环节，进一步强化计算机仿真在实际工程中的应用，拓展课程知识范畴。2.建设不同专业方向的案例库。采取专题和案例方式授课，综合设计多类型授课内容，提炼出 30 个典型工程应用案例。从系统应用、数学建模、仿真建模、模型罗艳蕾，罗瑜，刘会勇：计算机仿真技术课程教学改革与实践079求解以及特性分析等各个环节，设计案例类型包括数据处理、可视化处理、工程统计、优化设计与优化分析、控制系统分析、控制方法设计等，使学生应用所学的理论知识和技术手段，获得多种工程问题解决方案，培养学生应用技术解决实际工程问题的能力。3.建设不同教学内容的实验案例库。计算机仿真技术课程是实践性很强的综合性技术，结合教学内容，灵活设计 30 个专题实验，使学生加深课程学习，培养学生应用能力。4.利用多种教学方法和手段完成课程授课任务。采用课堂讲授、课堂讨论、自主学习以及上机实验等教学方法，开展专题讨论，培养学生自主学习能力，实现课程的培养目标。5.教学团队建设。为了课程的持续发展，改变一人授课的局面，课程由 3 位教师承担。发挥教师团队掌握不同软件的特长，扩充计算机仿真技术资料；结合教学团队的科研课题，提供最新的仿真案例，扩宽培养学生创新能力的途径。四、教学效果分析对计算机仿真技术课程教学内容和教学方法的不断改革与实践，满足了机械工程学院不同专业方向研究生的需求，案例教学、自主实验、课堂讨论等环节的完善，使学生的工程应用能力、自主学习能力和创新能力等得到了进一步的提升。近五年每年有 30 48 人选课，课程得到了各专业方向研究生的普遍认同。本人指导的多位学生，利用课程所授内容，基于计算机仿真技术发表相关学术期刊论文 30 余篇，硕士学位论文的撰写均利用计算机仿真技术课程所授的内容和方法手段。2019 级和 2020 级学生，全部自主选择撰写论文的考核形式。2019 级选课学生人数为 40 人，全部以论文方式作为课程考核。从提交的 40 篇论文题目及内容来看，控制系统仿真类论文 15 篇，优化设计类论文 11 篇，系统性能仿真分析及结构设计类型论文 11 篇，故障诊断类论文 1 篇，图像识别类型论文 2 篇。2020 级选课学生 36 人，从提交的 36 篇论文题目及内容来看，控制系统仿真类论文 9 篇，优化设计类论文 11篇，系统性能仿真分析及结构设计类型论文 13 篇，故障诊断类型论文 1 篇，图像识别类型论文 2 篇。课程学习后，学生学以致用，选择不同的工程实际对象进行仿真分析，采用图形可视化技术、数据处理技术、系统控制技术以及优化技术等完成论文。部分学生论文已发表，达到了课程的培养目标。080 Academic and Practise 学术与实践五、结语根据工科学生的自身学习特点，针对机械工程学院专业方向的多样性、计算机仿真技术课程多学科交叉性，基于课程教学经验，对计算机仿真技术课程的教学大纲进行调整和完善。明确课程定位，以培养学生创新能力为目标，探索以工程应用及典型案例为主要教学内容，在有限的教学课时内进行教学内容设计，把工程应用和创新思维融入专题教学和典型案例教学中。为了课程的持续发展，进行教学团队建设，同时结合团队的科研课题提供最新的仿真案例，扩宽学生获得计算机仿真技能的途径。课程采取课堂讲授、课堂讨论、上机实验以及自主拓展学习等多种教学方法和手段，进一步提升学生的创新能力和工程应用能力。通过课程持续改革建设，更好达到本门课程的教学目的，满足培养要求，实现培养目标。参考文献：1 袁逸萍,孙文磊,黄帅,等.计算机仿真技术引入机械类专业教学的方法探讨 J.装备制造技术,2011(1):169-171.2 中国工程教育委员会.中国工程教育发展报告2016M.北京：高等教育出版社,2018:1.3 昊旭光,杨惠珍,王新民.计算机仿真技术M.第 2 版.北京：化学工业出版社,2018:9.4 阿塔韦.MATLAB 编程与工程应用 M.第二版.鱼滨等,译.北京：电子工业出版社,2013:3.5 罗艳蕾,罗瑜,刘会勇.项目教学法在计算机仿真技术课程教学中的应用 J.教育教学论坛,2017(6):144-145.