基于AnyLogic軟件的《管理系統(tǒng)模擬》課程實踐教學研究

王小林 田潤豐

摘 要：本文針對《管理系統(tǒng)模擬》課程內(nèi)容理論涉及面寬、建模復雜導致課程教學效果不理想的問題。作者在多年教學實踐與改進的過程中，基于Anylogic軟件建模與仿真特點，將Anylogic作為《管理系統(tǒng)模擬》課程輔助教學的實驗平臺，構(gòu)建了基于Anylogic軟件的課程教學體系，提出了基于Anylogic平臺的《管理系統(tǒng)模擬》課程教學方法，進而總結(jié)了教學經(jīng)驗，為《管理系統(tǒng)模擬》教學模式改革提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：管理系統(tǒng)模擬;建模仿真;Anylogic軟件;教學模式

一、引言

《管理系統(tǒng)模擬》是經(jīng)濟管理與計算機等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要目的是利用計算機語言對經(jīng)濟管理和社科科學等問題進行建模仿真，從而提高本科生綜合運用經(jīng)濟管理理論和計算機技術(shù)解決實際問題的能力[1]。這門課程的教學需要模擬語言和仿真軟件支撐，從現(xiàn)有《管理系統(tǒng)模擬》教材來看，使用的建模語言與仿真軟件輔助教學方式不同，如Excel、GPSS、GPSSWorld、Vinsim、Arena、Matlab和Anylogic等[2～6];不僅如此，課程的不同學習內(nèi)容，建模仿真的軟件也不同，例如離散事件模擬采用Arena、GPSS，系統(tǒng)動力學模擬采用Vinsim，多智能體建模采用Anylogic。然而這一門課程不超過60學時，學生在課堂上不僅需要學習基本的理論知識，而且要在短時間內(nèi)熟練掌握不同的建模語言和仿真軟件，這給教師授課和學生學習都帶來的困難和挑戰(zhàn)。因此，選擇合適的建模語言和軟件，對這門課程實踐與改革具有重要的意義。

Anylogic作為一款功能強大的系統(tǒng)仿真工具，具有建模方法靈活，建模語言簡易等特點。本文作者在多年的《管理系統(tǒng)與模擬》課程教學實踐中，從上述眾多的語言和建模軟件中選擇了Anylogic軟件，將其作為本門課程的實驗教學平臺。在教學過程中，采用建模理論與方法學習和Anylogic平臺上課程實踐相結(jié)合的教學方式，克服了學生對本門課程學習的畏難情緒，加深了學生對本門課程理解深度，從而培養(yǎng)了獨立分析問題和動手實踐的能力，提升了建模仿真水平。因此，本文在介紹Anylogic平臺特點和優(yōu)點基礎(chǔ)上，根據(jù)多年基于AnyLogic軟件的教學實踐，解析教學過程、總結(jié)教學過程中有價值的經(jīng)驗，希望為本課程教學改革提供借鑒。

二、AnyLogic軟件建模仿真特點

Anylogic軟件是第一款具基于智能體仿真環(huán)境的軟件，由anylogic公司設(shè)計開發(fā)于2000年首次對外發(fā)布，隨著不斷更新，軟件逐漸具有了行人庫、交通庫、行動圖、集成GIS地圖，內(nèi)置數(shù)據(jù)庫、物料處理庫等功能，到目前為止已經(jīng)更新到了8.4版本。作為一款功能強大的系統(tǒng)仿真工具，其首次將UML語言引入模型仿真領(lǐng)域，可以快速構(gòu)建仿真模型和設(shè)置外圍場景[7]。因其強大的建模仿真功能，在企業(yè)、社會、政府、軍事、經(jīng)濟和教育等諸多領(lǐng)域逐漸得到了廣泛應(yīng)用[8][9]。該軟件在建模仿真輔助教學中有如下幾個特點：

第一、Anylogic建模仿真具有靈活性，可以與現(xiàn)有主要軟件兼容。Anylogic軟件支持離散、連續(xù)和多主體系統(tǒng)建模，可以通過不同建模方法來解決實際問題，如埃菲爾鐵塔人群擁擠問題，法蘭克福機場旅客流、莫斯科環(huán)線鐵路傳輸樞紐客流仿真，勒阿弗爾港內(nèi)部鐵路物流模擬、冶煉廠電爐熔煉車間仿真，阿根廷電信市場收費模型模型、甚至“蜂群”作戰(zhàn)實驗分析演示等。同時，留有數(shù)據(jù)通信接口，方便和C++、Vinsim、Matlab、autoCAD、GIS軟件建立的模型兼容。因此，其可以支持管理系統(tǒng)模擬課程內(nèi)容涉及到的所有建模仿真方法，解決了學生面臨不同語言建立模型之間互不兼容的矛盾，減少了學生學習本課程的難度。

第二、Anylogic建模過程簡潔，減少了建模編程工作量。Anylogic完全基于Java語言開發(fā)，構(gòu)建Anylogic模型的主要模塊是Java類的活動對象，可以繼承、重載。因此，Anylogic模型可以進行等級化分解和結(jié)構(gòu)分解，從而很方便定義與設(shè)計活動對象類以及它們之間的關(guān)系。具有初步Java基礎(chǔ)的學生，不用學習新語言，降低課程學習難度。同時，Anylogic有豐富插件庫，方便學生針對不同問題進行模型創(chuàng)建分析，例如關(guān)于離散事件的流程建模庫、行人庫、軌道交通庫等。這不僅簡化了編程，減少學生負擔，更容易以問題導向指導學生管理模擬的課程實踐。

第三、Anylogic可視化功能強，模型展示豐富。Anylogic具有創(chuàng)建真實動態(tài)模型的可視化工具，支持面向?qū)ο蟮哪Ｊ皆O(shè)計范式，簡潔豐富不需要編程就可以實現(xiàn)的動畫功能，同時支持三維展示，為模型提供了豐富的開發(fā)環(huán)境。Anylogic具有強大的實驗框架，可以進行仿真實驗、優(yōu)化實驗、比較運行實驗、蒙特卡洛實驗、敏感性分析實驗等，學生可以通過這些實驗對模型進行優(yōu)化，同時也可以獲取準確的結(jié)果。Anylogic自帶的條形圖、折線圖等統(tǒng)計圖表以及各種控件都不需要大量編程只需要拖拽就可以使用。這些功能都減少了學生的工作量，同時增強了仿真模型的展現(xiàn)形式。

第四、Anylogic具有豐富的示例模型庫，為教學提供了案例分析和建模仿真提供了參考。Anylogic軟件本身自帶100多個示例模型，從內(nèi)容上看，包括了供應(yīng)鏈、物流、醫(yī)療、制造業(yè)、交通、資產(chǎn)管理、社會和生態(tài)動力學多個方面;從建模方法上看，有離散事件建模、系統(tǒng)動力學建模、多Agent建模，系統(tǒng)動力學與多Agent混合建模等模型。在授課時，通過解析示例模型，讓學生更好地理解課程內(nèi)容。例如，以二級急救中心模型和MEGA購物中心模型為案例，結(jié)合建模過程，詳細剖析模型的構(gòu)架、流程和數(shù)據(jù)處理的理論與方法，讓學生深入理解離散事件建模的內(nèi)在邏輯。

三、教學實踐與效果

（一）課程教學體系設(shè)計

作者授課對象是信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)的大學三年級學生，學生經(jīng)過兩年的基礎(chǔ)課和專業(yè)課學習，已經(jīng)初步掌握的本門課程所需要的理論知識和計算機技術(shù)，包括高等數(shù)學、運籌學、概率統(tǒng)計、經(jīng)濟學、管理學、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、Java等。《管理系統(tǒng)模擬》課程教學體系設(shè)置遵循以應(yīng)用為目標、實踐為主線、能力為中心的理念，將課程教學、上機實踐和課程考核融為一個有機整體。為了達到這一個目的，我們設(shè)計了《管理系統(tǒng)模擬》教學框架（如圖1所示），將Anylogic軟件平臺功能和教學內(nèi)容緊密結(jié)合，突出模擬仿真實踐環(huán)節(jié)。

從課程教學框架的設(shè)計來看，整個教學體系分為四層：第一層為基礎(chǔ)理論課程，是本課程教學的基礎(chǔ)支撐;第二層為課堂教學，是課程的模型和方法支撐;第三層為上機實踐，是課程的技術(shù)支撐;第四層為課程考核，是課程教學的目標支撐。這四層不是彼此隔離的，在整個教學、實踐和考核環(huán)節(jié)相互聯(lián)系，形成了課程教學的有機整體。

課程教學分為課堂理論教學和上機實驗兩個環(huán)節(jié)。這門課程共計48學時，鑒于課程的實踐性較強的特點，將其分為課堂理論講解24學時，實驗室上機24學時，而且上機實踐和課堂教學同時進行。理論教學內(nèi)容包括：管理系統(tǒng)模擬簡介、基本的數(shù)學和統(tǒng)計識回顧，管理系統(tǒng)模擬的本質(zhì)和流程，離散系統(tǒng)模擬原理、系統(tǒng)動力學模擬、多智能體模擬和元胞自動機系統(tǒng)模擬等。上機實踐分為兩部分，一是Anylogic軟件學習，主要包括行人庫、交通庫、狀態(tài)圖、參數(shù)設(shè)置。二是建模仿真過程學習，學習流程為問題選擇、模型設(shè)計與構(gòu)建、模型實現(xiàn)、仿真結(jié)果分析。

課程考核為小組合作仿真建模，以問題驅(qū)動為導向，考核環(huán)節(jié)分步驟進行，緊密圍繞教學和實踐環(huán)節(jié)。（1）課題分組。按照班級實際情況，一般分為十個小組，同時將計算機編程能力強的學生分散到各個小組，實現(xiàn)小組內(nèi)部建模分析的合理分工;（2）課程報告選題。以理論教學為理論依據(jù)，為仿真模型設(shè)計提供背景。在此階段，由于學生剛接觸課程，選題較為盲目，引導學生從Anylogic平臺示例庫的典型案例出發(fā)，尋找與之大致相符經(jīng)濟管理問題，指導學生查閱相關(guān)文獻;（3）開題報告。對項目組選題進行可行性分析，每一小組在課堂上向全班匯報仿真模型設(shè)計的意義、內(nèi)容和實施步驟，并由此論證選題可行性。開題方式不僅有利于各組完善模型，同時也有利于拓展學生研究的視野;（4）課題答辯與課程報告撰寫。上機實踐環(huán)節(jié)完成后，進入課題答辯環(huán)節(jié)，答辯以組為單位匯報研究成果;通過答辯后，小組提交一份完整的課程報告，同時每一學生提交工作總結(jié)報告。

（二）教學實踐改進

依據(jù)作者多年的教學經(jīng)驗和體會認為，《管理系統(tǒng)模擬》教學方式和方法是一個改進和認識提高的過程。將這一個過程可以歸結(jié)為如下三個階段。

第一階段以課程理論教學為主，課堂軟件展示為輔。采取以授課為主，讓學生理解每章知識的意義與原理;課堂上演示Arena、Vinsim、Repast、Swarm和Anylogic軟件解決離散系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和多智能體模型建模過程，讓學生簡單了解仿真建模過程。課程考核以筆試為主，課堂表現(xiàn)為輔的方式。但是，這種教學方式割裂了課程各章之間內(nèi)容的連續(xù)性。雖然學生在課上理解了課程內(nèi)容，但是缺少上機實踐環(huán)節(jié)配合，學生難以從理論上理解模型內(nèi)涵。

第二階段以Anylogic軟件學習為主，課堂理論教學為輔。鑒于第一階段教學存在的問題，筆者改變了教學學時的分配，選擇了24學時課堂授課，24學時上機實踐。在授課時依舊采取之前的方式，讓學生逐步理解課程內(nèi)容。教學重心轉(zhuǎn)移到上機實踐，過多強調(diào)Anlogic軟件的學習與應(yīng)用，試圖通過學生建模仿真的充分實踐，加深對課程內(nèi)容理論、模型和方法的理解。但是出現(xiàn)了理論與實踐脫節(jié)的問題，具體表現(xiàn)為：第一，學生經(jīng)過實地調(diào)研，建立了面向問題的仿真模型，但是缺乏理論支撐，缺乏理論層面的深入探究，出現(xiàn)了為了做模型而做模型的問題;第二，大多數(shù)小組做的模型都是利用Anylogic自帶的插件庫如行人庫、軌道交通庫來建模，但是對課程內(nèi)容涉及到的理論與模型理解不透徹，導致對Anylogic軟件提供的模型設(shè)計與構(gòu)建的流程了解不清晰。

第三階段是課程理論教學和上機實踐并重。通過前兩個階段的教學效果對比與總結(jié)，對課堂授課和上機實踐進行了針對性改進。在授課時，結(jié)合Anylogic軟件提供的模型與案例有針對性的講解每一章內(nèi)容知識點。在上機實踐中，更強調(diào)對學生建模仿真的全過程跟蹤與指導。課程教學方式改進后，學生不僅深刻理解了課程理論與方法，而且熟練掌握Anylogic建模流程、程序設(shè)計與實現(xiàn)的能力。

四、結(jié)語

本文針對《管理系統(tǒng)模擬》教學中理論涉及面寬、方法多樣無法與課程有效結(jié)合的問題，在多年教學實踐與改進的過程中，提出了基于Anylogic平臺的課程教學模式。這一教學方式的改進，不僅降低了教學的難度，更調(diào)動了學生學習《管理系統(tǒng)模擬》課程的積極性，提高學生綜合運用知識解決問題的能力。本文歸納如下幾點實踐經(jīng)驗，為這門課程的教學改革提供借鑒。第一、Anylogic軟件可以為系統(tǒng)管理模擬教學提供有效支撐。第二、理論講解與上機實踐有機結(jié)合，豐富教學內(nèi)容，調(diào)動學生積極性，提高了教學效果。第三、采用課程答辯與課程報告相結(jié)合的考核方式，確保教學目標實現(xiàn)。第四、鼓勵學生實地調(diào)研，貼近社會，增長見識;閱讀文獻，豐富理論基礎(chǔ)。第五、創(chuàng)建師生交流平臺，通過不斷的交流與經(jīng)驗更新教學方法。

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