淺談大學生學科競賽之“全國計算機仿真大獎賽”的教學體會

段偉 曾生躍 鞠儒生

摘要：大學生學科競賽能夠培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實踐動手能力，同時也是大學教師教學業(yè)績和大學教學質量評估的要素。然而，優(yōu)秀的學科競賽成績離不開大學教師的教學與指導。論文以“全國計算機仿真大獎賽”為例，分析了該競賽的命題特點，以及參賽學生需要具備的知識技能，并分享了該競賽的組織、培訓、準備等方面的教學體會與經(jīng)驗，對各大學在組織該競賽的培訓與教學等方面具有重要的指導意義。

關鍵詞：學科競賽；全國計算機仿真大獎賽；仿真學科；教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）30-0001-04

學科競賽成績是衡量學生的學習能力、專業(yè)技能、創(chuàng)新能力的重要指標，也是學生評優(yōu)評獎的重要籌碼；同時是大學教師的教學業(yè)績指標，以及大學教學質量評估的要素。教給學生完整的專業(yè)知識結構和扎實的專業(yè)技能是取得大學生學科競賽優(yōu)秀成績的重要基礎。因此，針對不同專業(yè)的學科競賽，大學教師紛紛開設了大學生學科競賽的培訓課程。本論文以“全國計算機仿真大獎賽”為例，分析該學科競賽的命題特點與趨勢，以及參與該競賽的學生需具備的知識結構和專業(yè)技能，并分享了該學科競賽的組織、培訓與準備等方面的教學體會。論文為歷次參加全國計算機仿真大獎賽的百余所大學和科研機構分析了該競賽的教學與準備經(jīng)驗，對指導學生參加該競賽具有重要意義。

一、全國計算機仿真大獎賽特點分析

（一）全國計算機仿真大獎賽簡介

全國計算機仿真大獎賽是由教育部高教司、中國自動化學會、中國計算機用戶協(xié)會、中國仿真學會、中國指揮與控制學會聯(lián)合主辦，《計算機仿真》雜志社承辦的仿真學科領域的國家級重要競賽[1]。該競賽面向全國大學生、研究生、從事仿真學科領域的科研人員、經(jīng)營仿真技術和仿真產(chǎn)品的企業(yè)工作者，旨在普及計算機仿真知識，提高大學生工程實踐能力和創(chuàng)新意識，增強仿真領域創(chuàng)新人才培養(yǎng)，促進仿真技術和仿真產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。從2004年至今，全國計算機仿真大獎賽已經(jīng)成功舉辦八屆，且每一屆競賽都吸引國內百余所高校和科研機構的逾千支隊伍參加，對仿真學科和仿真產(chǎn)業(yè)界的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。

全國計算機仿真大獎賽每兩年舉辦一屆，由初賽和決賽兩個環(huán)節(jié)組成。初賽環(huán)節(jié)采用全國統(tǒng)一命題，通訊競賽方式進行。參賽隊伍通過網(wǎng)絡接收到命題后，需要在15天內容完成比賽，并提交成績。初賽環(huán)節(jié)的競賽內容及要求主要包括：

●計算機仿真與仿真技術的基本術語和基本概念

●選自工程技術和科學管理的實際問題

●運用建模和計算機仿真獲得正確的結果

●要求文字表達清晰，計算機仿真的可實現(xiàn)和可重復，模型和計算機仿真結果的正確

大獎賽評審委員會根據(jù)初賽參賽隊伍的文字解答、計算仿真程序、仿真結果，評選出一等獎10名、二等獎20名、三等獎30名。

決賽環(huán)節(jié)由獲得一等獎的10名隊伍參加，并在現(xiàn)場集中抽取題目，進行答辯。決賽現(xiàn)場由仿真學科領域的知名專家學者組成評委會，對參賽隊伍的答辯過程進行評分，并依據(jù)綜合分數(shù)決出特等獎3名。決賽環(huán)節(jié)的競賽內容主要是與仿真學科、仿真技術發(fā)展、仿真產(chǎn)業(yè)等相關的基本概念和基礎知識。

（二）全國計算機仿真大獎賽命題特點

全國計算機仿真大獎賽通過初賽和決賽分別考查參賽學生的仿真綜合實踐能力和基礎知識結構。在初賽環(huán)節(jié)，參賽學生須從3到5個命題中自行選擇一個題目作答，并在15天以內完成題目分析、仿真案例設計、概念建模、數(shù)學建模、仿真建模、仿真程序設計與開發(fā)、仿真實驗與結果分析、文字解答等多項工作。初賽環(huán)節(jié)的題目具有簡單明了的特點，一般是三句話左右的文字描述，部分題目有插圖說明，文字描述具有一般性特征，不會限制具體的方式方法，讓參賽隊伍具有較大的想象、發(fā)揮和創(chuàng)意空間。初賽環(huán)節(jié)的題目涉及面較廣，包括：社會、經(jīng)濟、交通、軍事、信息等各領域，均為復雜工程實踐問題或者科學管理問題。歷年初賽環(huán)節(jié)的命題統(tǒng)計描述如表1所示，其中經(jīng)濟領域和信息領域的命題總共為6個，交通領域和公共安全領域命題為4個，社會管理領域和體育領域命題為2個，環(huán)境領域和軍事領域命題各有1個。從歷年命題可看出，近幾屆的命題趨勢均涉及當前社會和經(jīng)濟比較熱門的話題，例如：2018年的共享單車調度管理命題、2016年的前年股災成因命題、2014年的大數(shù)據(jù)命題和霧霾治理命題、2012年的北京車輛指標派發(fā)算法命題、2010年的房價居高不下命題、2008年的美國次貸危機引起金融風暴命題等。

決賽環(huán)節(jié)由參賽隊伍從題庫中隨機選取三道題目進行作答，主要考查參賽學生對仿真學科概念與本質、仿真技術和仿真產(chǎn)業(yè)的發(fā)展等基本問題。決賽環(huán)節(jié)的問答題相對簡單，但是涉及面比較廣，回答問題需要抓住問題主要部分作答。問答題類型包括判斷題、舉例題、論述題等，有客觀題，也有主觀題，但是每一道題給出答案之后，均需要進行詳細解釋。

二、參賽學生的知識結構與專業(yè)技能

全國計算機仿真大獎賽要求參賽學生掌握扎實的仿真學科知識和較強的計算機仿真專業(yè)技能。由于仿真學科是一門應用學科，與其他各學科緊密結合，而計算機仿真大獎賽命題涉及多個學科領域問題，因此參賽學生除了掌握仿真學科知識和專業(yè)技能以外，還需要熟悉和掌握問題領域的知識，例如：經(jīng)濟領域的股票、房價、金融危機等知識，公共安全領域的建筑、生產(chǎn)、人群疏散等背景知識。

（一）仿真學科知識結構

針對計算機仿真大獎賽的初賽和決賽的命題范圍較廣，涉及其他學科領域等問題，參賽學生需要扎實掌握仿真學科知識，同時在初賽環(huán)節(jié)開始時臨時補充其他學科領域知識。計算機仿真大獎賽參賽學生所需具備的學科知識結構如圖1所示，其中包括仿真的概念、仿真模型、連續(xù)系統(tǒng)仿真、離散事件系統(tǒng)仿真、并行與分布式仿真、仿真軟件技術、仿真可視化等幾個大的方面。

仿真的概念包括仿真本質、仿真的分類、仿真的應用、仿真的發(fā)展、仿真的優(yōu)缺點等幾個方面。在每一屆的決賽環(huán)節(jié)都會有關于仿真的概念和本質的判斷或者理解題。仿真建模包括模型形式化方法、模型工程化、模型校核與驗證等幾個方面的知識。連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散事件系統(tǒng)仿真是仿真學科基礎理論課程，主要包括控制系統(tǒng)和離散事件系統(tǒng)的建模仿真相關知識。仿真軟件技術主要包括計算機軟件技術基礎知識，同時集合仿真技術知識需求。并行與分布式仿真主要包括傳統(tǒng)仿真技術知識，例如：分布式仿真的高層體系結構HLA（High Level Architecture）、仿真支撐平臺、仿真引擎設計等。仿真可視化主要結合計算機圖形學知識，同時結合仿真可視化軟件相關知識。除了以上基礎知識結構以外，參賽學生還需要掌握課程學習以外的知識，例如：仿真學科與技術發(fā)展前沿知識，社會熱點問題、科學技術熱點方向、國家重大需求等與仿真學科的交叉結合知識，以及仿真領域知名專家學者的研究方向、學術論文觀點等。

（二）仿真專業(yè)技能

初賽環(huán)節(jié)要求參賽隊伍能夠建立仿真模型，開展仿真實驗，分析實驗結果，對參賽學生的仿真工程實踐能力具有一定要求。以取得競賽佳績?yōu)槟康模瑓①悓W生需要具備以下幾個方面的能力：

1.仿真建模能力。根據(jù)計算機仿真大獎賽命題特點，合理設計仿真場景和案例，建立數(shù)學模型、過程模型、描述模型等。

2.仿真程序設計與開發(fā)能力。根據(jù)仿真案例和模型設計，采用計算機編程語言，例如：C++、C#、Java、Python、MATLAB等，設計和開發(fā)仿真模型和仿真軟件。

3.仿真可視化能力。較好的仿真程序可視化效果是取得優(yōu)秀成績的重要因素，因此參賽學生應該具有仿真可視化的技能，例如：MFC圖形顯示、GIS地理圖形顯示、Unity3D三維可視化等方法和軟件都是參賽學生需要掌握的。

4.仿真結果分析能力。采用一定的統(tǒng)計分析方法，對仿真實驗數(shù)據(jù)進行處理和分析，得出研究結論。同時，具備學術論文研究結果展示和圖形制作能力，可采用各式統(tǒng)計圖展示仿真實驗結果，支撐研究結論。

5.論文撰寫能力。能夠合理有效地組織各項資源，形成論文報告，并清晰合理地表述仿真案例和模型設計，以及仿真實驗結果，正確表達研究結論。

（三）課程和書籍推薦

針對大獎賽的知識結構和專業(yè)技能需求，推薦學生在條件允許的情況下可選修以下幾門仿真專業(yè)基礎課程和專業(yè)課程：離散事件系統(tǒng)仿真、連續(xù)系統(tǒng)仿真、仿真軟件設計（軟件技術基礎）、面向對象仿真、仿真可視化（計算機圖形學）、仿真建模方法、計算方法、仿真技術基礎、并行與分布式仿真、仿真系統(tǒng)綜合設計等。對于沒有課程學習條件的參賽學生，也可以采用以下幾本推薦參考書籍自行學習：《計算機仿真應用》[2]、《系統(tǒng)仿真》[3]、《系統(tǒng)建模與仿真》[4]、《復雜工程系統(tǒng)建模與仿真》[5]、《計算機仿真》[6]、《建模與仿真技術》[7]、《離散事件系統(tǒng)建模與仿真》[8]、《仿真科學與技術原理》[9]、《仿真科學技術及工程》[10]、《現(xiàn)代工程控制論》[11]、《控制系統(tǒng)計算機仿真》[12]、《計算機仿真》[13]、《基于HLA的分布仿真環(huán)境設計》[14]等。同時可關注以下幾種學術期刊雜志發(fā)表的仿真學科相關論文：《計算機仿真》、《系統(tǒng)仿真》、《系統(tǒng)仿真技術》、《自動化學報》、《指揮與控制學報》等。

三、參賽組織、準備與培訓

如何在全國計算機仿真大獎賽中取得佳績，尤其是取得特等獎名次，是一個難于回答的問題。但是，根據(jù)歷屆大獎賽的經(jīng)歷可以總結幾個方面的必要條件，而這些方面的知識和能力是可以在大獎賽的組織、培訓、準備過程中進行提高和加強的：（1）全面和扎實的仿真學科知識是參加全國計算機仿真大獎賽的重要基礎，對初賽環(huán)節(jié)的論文寫作有重要影響，尤其對決賽環(huán)節(jié)的現(xiàn)場答辯起著決定性作用。（2）先期的問題領域研究基礎，初賽環(huán)節(jié)命題涉及面較廣，但是存在參賽學生對該命題有先期研究基礎的情況，那么其可以在前期研究基礎上進行擴展和提升，占得時間和資源積累優(yōu)勢。（3）較好的仿真案例和場景設計，是決定參賽作品樣式、風格、質量的重要因素。優(yōu)秀仿真案例和場景設計就像一個好劇本或者故事，緊扣命題主旨，但又不拘泥于命題，給用戶充滿新意的感覺，引人入勝。（4）高質量的仿真可視化效果，是良好的仿真專業(yè)技能的展示，可以有效地吸引用戶視覺，提升仿真作品層次，也是取得佳績的一個重要因素。（5）正確的仿真模型和結果，是仿真作品的內涵詮釋，是建模仿真可靠性的重要指標，也是評委考核的重點。（6）邏輯清晰的論文寫作，是解釋模型、展示仿真結果的重要手段，也是評審仿真作品的重要依據(jù)。論文不僅需要表述清晰、邏輯合理，還需要嚴謹?shù)孛枋瞿Ｐ停褂煤侠矸绞秸故痉抡娼Y果。

（一）參賽組織

計算機仿真大獎賽以小組為單位參加，每個小組不超過三人。對于單位來說積極組織學生參賽可以增加取得佳績的機會。而對于參賽學生來說，如何正確地選擇和搭配小組成員至關重要。由于大獎賽命題涉及廣泛，而在15天內需要完成多項工作，所以參賽學生的組成最好選擇具有不同能力特長的學生，例如：最好的搭配是三人小組，一人擅長案例設計和數(shù)學建模，主要負責仿真案例和場景的設計，閱讀和分析文獻，建立數(shù)學模型，需要具有較強的發(fā)散思維和創(chuàng)新能力；一人擅長軟件程序開發(fā)，負責仿真軟件程序的設計，建立仿真模型，實現(xiàn)仿真運行可視化，開展仿真實驗；一人擅長數(shù)據(jù)分析和論文撰寫，負責仿真實驗結果分析，建立實驗結論，完成論文撰寫，同時輔助另外兩人收集整理文獻，制作仿真程序和可視化素材。另外，在競賽過程中三人應當緊密協(xié)作，積極溝通，尤其在決賽環(huán)節(jié)答辯過程中需要相互提醒和補充。

（二）參賽準備

計算機仿真大獎賽可分為初賽和決賽兩個環(huán)節(jié)來準備，主要學習仿真學科基礎知識與提高專業(yè)技能。仿真專業(yè)學生或者具有仿真學科領域研究基礎的參賽學生，已經(jīng)具備了先期的仿真學科知識，在初賽開始前著重提升仿真專業(yè)技能，即仿真程序設計開發(fā)能力和仿真可視化能力。由于未確定大獎賽命題，以及采用哪一種程序設計語言、哪一種軟件平臺開發(fā)仿真程序，所以建議參賽學生提前學習和掌握主要計算機程序設計語言和開發(fā)平臺，例如：C++、C#、MATLAB、Java、GIS、Unity3D等，至少掌握和精通其中一種程序設計語言和開發(fā)平臺。對于非仿真專業(yè)和沒有仿真學科先期知識的參賽學生，在初賽開始前簡單學習仿真學科知識，但是重點依舊在提升仿真程序設計開發(fā)能力和仿真可視化能力。

在初賽開始后，參賽小組應該認真分析命題，盡快選擇熟悉的、有自身優(yōu)勢的題目。然后，負責仿真案例和模型設計的成員，以及負責結果分析和論文撰寫的成員，應該盡快收集整理文獻，完成仿真案例、場景設計，逐步建立模型。負責仿真程序設計開發(fā)的成員，應盡快選定程序設計語言和開發(fā)平臺，并準備相關素材，例如：數(shù)據(jù)、可視化媒體圖片、視頻等。由于在初賽環(huán)節(jié)中仿真程序的設計開發(fā)工作最為繁重，其他兩人應當積極輔助仿真程序設計開發(fā)學生，為其提供模型、數(shù)據(jù)、媒體素材等。論文的撰寫應當盡早準備，在命題分析、案例設計、模型建立等過程中即可展開，不宜等到仿真結果出來后才開始。

對于決賽的準備主要以仿真學科知識的復習、補充、加強為主，且以仿真學科基礎知識為主要內容，包括：仿真的概念、分類、發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢、技術主線等。參賽學生需要梳理仿真學科知識點，并記錄和背誦，同時需要分析當前仿真學科和仿真技術的熱點，例如：虛擬現(xiàn)實技術、云仿真技術，以及仿真與人工智能、大數(shù)據(jù)等熱門研究領域的結合發(fā)展問題。此外，參賽學生也可以關注和學習仿真學科領域知名專家的學術觀點、學術論文、學術演講等內容。

（三）參賽培訓

目前各高校和科研機構已經(jīng)開展了全國計算機仿真大獎賽的教學，主要以介紹大獎賽過程、仿真學科知識，以及往屆參賽作品為主要內容。由于計算機仿真大獎賽對參賽學生的仿真工程實踐動手能力要求較高，因此建議盡早開展培訓，不宜在競賽開始前才開展培訓。另外，計算機仿真大獎賽的培訓應當以專業(yè)技能培訓為主，采用歷年命題或者當前社會熱點問題為題目，開展學生的實踐動手能力訓練，讓其掌握仿真程序設計語言和開發(fā)軟件平臺。

四、結語

論文分析了全國計算機仿真大獎賽的競賽形式、命題特點，闡述了參賽學生應當具備的知識結構和專業(yè)技能，并推薦了相關課程和參考書籍，最后總結了取得大獎賽佳績的必要條件，分享了競賽的組織、準備、培訓等事宜和教學經(jīng)驗。論文為參加全國計算機仿真大獎賽的相關單位和學生提供了幫助，在仿真學科知識和專業(yè)技能的教學，以及大獎賽的準備和培訓等方面具有指導意義，同時推廣了全國計算機仿真大獎賽的影響，對促進仿真學科、仿真產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有一定的作用。

參考文獻：

[1]《計算機仿真》編輯部.仿真大獎賽，http：//www.jsjfz.com/award.html.

[2]熊光楞，肖田元，張燕云，等.計算機仿真應用[M].北京：清華大學出版社，1998.

[3]劉藻珍，魏華梁.系統(tǒng)仿真[M].北京：北京理工大學出版社，1998.

[4]吳重光.系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：清華大學出版社，2008.

[5]鄧方林，等.復雜工程系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[6]何江華.計算機仿真[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2010.

[7]黃柯棣，邱曉剛，等.建模與仿真技術[M].長沙：國防科技大學出版社，2010.

[8]肖田元，范文慧.離散事件系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[9]王精業(yè)，等.仿真科學與技術原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[10]劉興堂，等.仿真科學技術及工程[M].北京：科學出版社，2013.

[11]韓璞.現(xiàn)代工程控制論[M].北京：中國電力出版社，2017.

[12]蔣珉，柴干，王宏華，劉國海.控制系統(tǒng)計算機仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[13]郭齊勝，徐享忠.計算機仿真[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

[14]邱曉剛，陳彬，等.基于HLA的分布仿真環(huán)境設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2016.