以賽促教

楊妹 王鵬 祝建成 鞠儒生 彭勇

【摘要】本文根據(jù)作者指導(dǎo)本科學(xué)生參加計算機(jī)仿真大獎賽的經(jīng)驗，結(jié)合仿真工程專業(yè)多學(xué)科綜合的特點，探索如何提升仿真專業(yè)人才知識外延、實踐和創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】計算機(jī)仿真大獎賽? 學(xué)科競賽? 能力培養(yǎng)

【基金項目】國家自然科學(xué)基金（61473300）、湖南省自然科學(xué)基金（2017JJ3371）資助課題。

【中圖分類號】G642 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）21-0031-02

仿真學(xué)科是上世紀(jì)40年代以來伴隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一門綜合性學(xué)科。2002年，我校仿真工程本科專業(yè)首次招生。2013年教育部調(diào)整學(xué)科目錄，建模仿真理論與技術(shù)成為了控制科學(xué)與工程下的一個二級學(xué)科。該二級學(xué)科的主要研究方向包括建模仿真理論與方法、仿真系統(tǒng)與技術(shù)、仿真應(yīng)用工程。

仿真技術(shù)具有實踐性強(qiáng)、多學(xué)科綜合的特點。建模與仿真過程中特別注重從需求牽引仿真系統(tǒng)的開發(fā)，并進(jìn)一步將仿真系統(tǒng)服務(wù)于領(lǐng)域應(yīng)用。同時，仿真的理論基礎(chǔ)還涉及仿真應(yīng)用領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。因此，仿真人才的培養(yǎng)在仿真專業(yè)深度和領(lǐng)域知識廣度上有較高的挑戰(zhàn)和要求。一方面，單純的課堂教學(xué)無法為學(xué)員提供實踐平臺，另一方面，簡單的案例實驗、實踐教學(xué)也不足以展示仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用前景。如何基于前沿普適性、交叉性和專業(yè)性培養(yǎng)建模與仿真的實踐創(chuàng)新能力也成為了仿真人才培養(yǎng)的重點和難點。

自2005年成功舉辦首屆全國計算機(jī)仿真大獎賽以來，仿真技術(shù)人才能力的培養(yǎng)歷來是大獎賽關(guān)心的重點[1]。通過大獎賽提供的競技平臺，眾多在校學(xué)生和仿真技術(shù)的從業(yè)人員在競賽的培訓(xùn)和參賽過程中積極學(xué)習(xí)和歸納仿真知識、搭建仿真應(yīng)用、探索仿真前沿。我校積極組織學(xué)員參加歷屆仿真大獎賽，在各屆競賽中積累了豐富的經(jīng)驗，并在如何依托仿真大獎賽培養(yǎng)仿真工程專業(yè)學(xué)員的能力素質(zhì)進(jìn)行了探索。

1.計算機(jī)仿真大獎賽簡介

全國計算機(jī)仿真大獎賽是響應(yīng)習(xí)主席“為建設(shè)世界科技強(qiáng)國而奮斗”的號召，受教育部高等教育司委托（教高司函[2004]167號文件），由中國自動化學(xué)會、中國計算機(jī)用戶協(xié)會、中國系統(tǒng)仿真學(xué)會、中國指揮與控制學(xué)會、教育部高教司主辦，《計算機(jī)仿真》雜志社承辦的一項全國性、科普性和群眾性的科技活動。競賽的目的是在青少年中普及仿真技術(shù)、培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、營造全民學(xué)科學(xué)、愛仿真、學(xué)仿真和用仿真的良好氛圍[2]。

全國計算機(jī)仿真大獎賽每兩年舉辦一屆，是仿真學(xué)科領(lǐng)域的國家級重要競賽。

大獎賽分為初賽和復(fù)賽兩個階段。初賽為命題作答，一般有三或四道命題，需要選手選取一道，編寫計算機(jī)程序、運行程序得到仿真結(jié)果并進(jìn)行文字解答，通過初賽可以考查參賽人員運用仿真技術(shù)分析問題、解決問題的能力。復(fù)賽為6分鐘的現(xiàn)場答題。在初賽階段獲得一等獎的10個代表隊參加決賽。每個代表隊任選2道題回答，由評委現(xiàn)場打分并點評。這些題目考查參賽選手對仿真基本理論、技術(shù)和方法的認(rèn)識和理解，以及對仿真學(xué)科前沿技術(shù)的認(rèn)識。

2.依托競賽提升學(xué)生仿真知識體系的外延能力

競賽的組織過程有助于促進(jìn)學(xué)生完善對仿真知識體系的頂層認(rèn)識。仿真大獎賽提供的參考書籍覆蓋計算機(jī)仿真的基礎(chǔ)理論、方法、技術(shù)和應(yīng)用，都是仿真領(lǐng)域的重要專著。學(xué)生在準(zhǔn)備競賽時需要通讀這些專著，是對課堂教學(xué)所學(xué)知識的重要補(bǔ)充和系統(tǒng)總結(jié)。特別是在決賽培訓(xùn)時，通過分組學(xué)習(xí)、研討交流和模擬現(xiàn)場等一系列手段，能幫助學(xué)生建立對建模與仿真理論基礎(chǔ)的更為完善的認(rèn)識。

競賽的經(jīng)驗促進(jìn)了仿真學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容改革。仿真學(xué)科的交叉性使仿真技術(shù)隨著計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。相關(guān)技術(shù)的每一次突破往往引起建模與仿真方法的進(jìn)步。因而，學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容更新和改革是一個永恒的話題。仿真大賽決賽過程中常將當(dāng)前熱點技術(shù)問題與仿真技術(shù)相結(jié)合。例如，大數(shù)據(jù)與仿真的結(jié)合、人工智能與仿真的結(jié)合等問題。這些技術(shù)問題通常比較前沿，也是仿真領(lǐng)域研究人員關(guān)注的焦點。在計算機(jī)仿真大獎賽組織過程中積累的這些新知識新方法也可以促進(jìn)仿真知識體系的擴(kuò)展，成為課程知識體系建設(shè)的重要參考對象。同時，新知識的融合和新領(lǐng)域的應(yīng)用方向是指導(dǎo)研究生深入研究方向發(fā)掘研究問題的重要抓手。

3.依托競賽促進(jìn)學(xué)生應(yīng)用仿真知識的實踐能力

計算機(jī)仿真大賽的初賽題目常常來源于工程實踐，有較強(qiáng)的應(yīng)用背景。例如第八屆仿真大獎賽特等獎作品所研究的命題A有關(guān)公共安全。該題以建筑工地中基坑施工的安全問題為背景，研究如何合理布置、優(yōu)化施工中的安全逃生通道布置，并針對實際災(zāi)害發(fā)生情況設(shè)計人員逃生方案的快速生成。這一問題的研究有助于應(yīng)對基坑施工過程中的安全應(yīng)急情況，具有重要的現(xiàn)實意義。另外命題B和命題C分別對計劃生育政策對我國人口的影響和共享單車的流通情況進(jìn)行仿真，都是貼近生活的、群眾較為關(guān)心的社會問題。這些題目一方面可以激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣，另一方面也可以引發(fā)學(xué)生思考如何使用仿真技術(shù)解決實際問題，促使高水平科學(xué)研究有更強(qiáng)的需求牽引。

4.依托競賽培養(yǎng)團(tuán)隊創(chuàng)新能力

競賽組委會在大賽選題中特別重視青少年創(chuàng)新能力的提升。復(fù)賽的題目中不僅有仿真基礎(chǔ)知識題型，還有前沿技術(shù)和開放性題型。例如，在第八屆仿真大獎賽的復(fù)賽中，反復(fù)出現(xiàn)了有關(guān)智能仿真和信息時代仿真現(xiàn)代化的問題。同時，蒞臨現(xiàn)場的專家[3][4]有關(guān)創(chuàng)新精神的精彩點評往往對在場的老師和學(xué)生都能有所激勵和啟發(fā)。

團(tuán)隊創(chuàng)新能力的培養(yǎng)在學(xué)員能力培養(yǎng)過程中起到“1+1>2”的作用。在參賽準(zhǔn)備階段，學(xué)員需要進(jìn)行組隊和分工，這也是科學(xué)研究和工程實踐中重要的環(huán)節(jié)。團(tuán)隊成績的提升不僅依靠學(xué)員自身能力的發(fā)揮，還依賴高效的團(tuán)結(jié)協(xié)作精神。在參賽過程中，團(tuán)隊工作有總有分。一方面，以團(tuán)隊組長為核心，小組共同選題、查閱文獻(xiàn)資料，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行需求分析，確定解題思路。后續(xù)工作并行展開，有的負(fù)責(zé)建模，有的負(fù)責(zé)代碼實現(xiàn)，有的負(fù)責(zé)文字解答。團(tuán)隊成員在分工協(xié)作中發(fā)揮所長，提高效率。另一方面，從學(xué)員個體的角度，在團(tuán)隊討論過程中相互啟發(fā)，有助于發(fā)散思維的形成，取他人所長。