民航背景下系統建模與仿真教學探索與實踐

惠國騰 王欣

摘要 系統建模與仿真是一門理論性和實踐性結合較強的課程，它涉及數理統計、數學建模、復雜自適應系統、多智能體、計算機仿真等多方面的理論。為了提升課程的教學效果，從基于問題的學習教學理論出發，探索了以學生為中心，案例驅動的教學方法。設計了多個面向教學任務的、實踐性強的案例，其中以Anylogic作為仿真平臺，設計了多個民航場景的教學案例。實踐表明，該方法能夠更好地提升學生的學習興趣，提高課程的教學效果。

關鍵詞 系統建模與仿真；基于問題的學習；Anylogic

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.9.021

“系統建模與仿真”是一門以系統工程、數理統計、數學建模、計算機仿真等理論為基礎的工程專業課程，具有涉獵范圍廣、學科交叉性高、專業綜合性強等特點[1-2]。該課程是為中國民用航空飛行學院學術型碩士的交通運輸規劃與管理、交通信息工程及控制專業，以及專業型碩士的交通運輸專業開設的專業方向課。近年來，隨著碩士研究生的招生規模不斷擴大，該門課程最近一學期的修讀學生已經接近200人。深入開展教學研究，積極開發教學案例，保證教學效果，提高學生課堂質量，為學生增強民航背景知識加速融入民航行業成為本課題組開展教學研究的主要內容。

Anylogic是一款針對復雜系統建模與仿真的軟件工具，支持可視化編程界面，具有離散事件、基于智能體和系統動力學三種仿真建模方法且能夠實現同一模型下使用混合方法進行仿真；其仿真領域覆蓋較廣，涵蓋了從微觀到宏觀，從簡單到復雜的仿真建模過程，具有較強的抽象過程具象化能力，能夠支撐多行業的仿真需求[3]。

1教學設計

本課程要求學生既要掌握系統建模與仿真的理論基礎，又要能熟練使用仿真工具軟件對交通運輸中的一些典型問題建立模型并運行獲得仿真實驗數據。以往的教學設計中存在如下問題，難以保證教學目標的實現：

①僅偏重理論教學，導致課程中理論知識滿堂灌，學生感覺課程枯燥乏味，而且缺乏引導培養學生自主學習能力的機制。

②缺乏應用仿真軟件的教學案例，學生在課程結束后不能熟練操作仿真工具軟件去解決實際問題，不能滿足交通運輸規劃與管理、交通信息工程及控制這些專業對研究生在后續的科研環節中應用仿真軟件解決實際問題的能力要求。

針對上述問題，在教學設計中引入基于問題的學習和案例驅動的教學方法，遵循OBE教育理念的原則，對教學模式進行持續改進，提高學生自主學習和解決實際問題的能力。

1.1理論教學

通過課堂理論教學，使學生掌握系統建模與仿真的基本概念和原理、系統建模的常用方法、隨機數與隨機變量的生成、離散事件系統的建模方法和仿真策略、多智能體仿真、仿真輸入和輸出數據的分析等內容。課程內容設置如下：

①緒論：系統、模型、仿真的基本概念；系統建模與仿真的發展歷史和研究熱點；系統與仿真的應用領域。

②系統建模的基本方法：系統模型的分類；系統建模的基本元素；系統仿真的基本結構；系統建模的常用方法。

③隨機數與隨機變量的生成：隨機變量和隨機分布概述；計算機生成隨機數的方法；隨機數發生器的性能檢驗；計算機生成隨機變量的方法。

④離散事件系統的建模方法和仿真方法：蒙特卡洛仿真的基本原理；離散事件系統的建模方法；實體流圖法；活動循環圖法；排隊論模型；離散事件系統的仿真策略；事件調度法；活動掃描法；進程交互法。

⑤仿真數據分析：數據分布類型的識別；數據分布參數的估計；數據擬合度的檢驗；仿真輸出數據分析；終態仿真與穩態仿真；點估計與區間估計的方法。

⑥多智能體仿真：復雜適應系統理論；Agent和MultiAgent系統的概念；Multi-Agent建模與仿真方法；Multi-Agent仿真的應用；主流的Multi-Agent仿真平臺。

1.2 PBL實踐教學

基于問題的學習（Problem-Based Learning，PBL）是快速提升學生解決問題、工程實踐能力的有效教學方法，已經在諸多課程教學中得到了驗證[4-9]。本課程的PBL實踐教學主要設置了案例分析、自主組隊、模型建立與仿真實踐、模型評估與改進等四個環節，實際作用及設置目的如下。

①案例分析。根據實際民航行業背景設置了仿真實例，包括航站樓旅客值機排隊仿真、航站樓緊急情況疏散仿真、航站樓候機等待時病毒擴散仿真、滑行道起飛等待排隊仿真等仿真實驗案例，以激發學生學習興趣。通過此階段可以有效鍛煉學生分析和解決問題的能力。

②自主組隊。教師可根據實際案例問題的復雜程度引導學生組建不同規模的課題小組，以保證能夠完成案例問題任務。本環節是增進學生之間的交流的有效方式，每位學生可根據自己的特點選擇與其他人組成團隊，共同完成建模與仿真任務。通過此階段可提高學生團隊協作能力以及人際交往能力。

③模型建立與仿真實踐。根據前期教師布置的任務，對問題進行分析與學生共同建立模型并進行仿真實踐，要求課題小組對模型參數、流程設計、程序實現進行分析和提供文獻依據。此環節為PBL教學法的關鍵環節，學生需要閱讀大量文獻、組內充分交流、投入時間和精力共建模型、并通過編程實現仿真實踐。是學生在本門課程整體能力提升最快的環節，也是下一環節的基礎。通過此階段可提高學生工程實踐、文獻閱讀、科學研究等綜合能力。

④模型評估與改進。問題的分析和解決方法的正確與否和實際解決效果是實際工程實踐中最為常見的質量評估標準，發現問題和積極提出對應問題的改進策略是仿真的意義所在。在課程教學過程中，教師應積極組織各小組之間互相分享團隊建模過程、遇到的問題、解決方式等關鍵性問題，交叉評估其他小組仿真模型，并提出改進建議。通過此階段可使學生的工程實踐和創新能力得到進一步提升。

通過PBL實踐教學使學生初步掌握系統建模與Anylogic仿真軟件的使用方法，通過教學中設計典型案例，引導學生學習建立案例中目標系統的仿真模型，設置仿真模型中模塊屬性和運行參數，以及對仿真運行結果進行分析，給出合理的解釋和進一步的決策依據。

1.3融入課程思政

教師應積極主動引入我國傳統文化元素與課程本身呼應以增強學生的道路自信、理論自信、制度自信、文化自信，科普國內外仿真技術的發展現狀和趨勢以培養學生探索未知、追求真理的責任感和使命感，講述我國仿真領域遇到的困難和機遇以培養學生科技報國的愛國主義精神。例如，在實際教學過程中主動引用古文經典“凡事預則立，不預則廢”闡述仿真的必要性和有效性，可以增強學生對傳統文化的認知，從而培養學生理論自信和文化自信。

2課程案例設置

教學案例是理論教學和實踐教學的結合點，是提高學生動手能力的著力點。通過案例引入問題，引導學生建立仿真模型，設置模型參數，對運行輸出結果進行分析。通過案例教學，起到培養學生思考、分析、應用的綜合素質，提升學生工程實踐能力的作用。課題組結合民航行業內的部分科研、課題、實際工程需求以及軟件特性來開發教學案例，詳細見表1（p68）實踐教學案例列表。

通過表1所設置的實踐教學案例不難發現每一個案例都具備鮮明的民航特色同時又貼近生活，不需要過多的民航專業知識便能夠引起同學共鳴，目的是通過教學案例能夠將學生的實際生活體驗和本課程中的理論知識聯系起來，激發學生的學習積極性和增強課程體驗感，在建模與仿真的過程中將自己帶入模型，或者將模型帶入實際的生活中，將會對理論知識有更深入的理解。

3教學效果

課程采用啟發式教學，能夠較好地激發學生主動學習的興趣，提高學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力，引導學生主動通過實踐和自學獲得自己想學到的知識。通過精心設計的案例引入問題，結合PBL教學法，逐步引導學生完成案例分析、自主組隊、模型建立與仿真實踐、模型評估與改進等四個環節，其能夠起到切實提高學生思考、分析、應用的綜合素質，提升學生工程實踐能力的作用；可以使學生在實驗設計能力、問題分析能力、數據處理能力、場景再現能力、編程能力等方面得到系統性的提升。

4結語

本課程以實現課程良好的教學成果為目的，通過對課程教學內容，課程教學方式，課程教學案例等進行研究，在教學內容的設置上緊密結合民航行業特點和系統建模與仿真的理論知識；利用課堂理論教學與上機實踐教學相結合的教學模式，以PBL教學法為抓手，使學生掌握系統建模與仿真的理論和技術；在教學內容中教學案例的設置是本門課程的關鍵，也是激發學生學習興趣和增長學生能力的主要落實點更是行業特點的體現。通過以上課程設置能夠有效激發學生學習主動性，增強學生使用專業仿真軟件對目標系統進行建模和仿真的能力，提升學生分析問題和解決問題的工程實踐能力，培養學生的團隊協作以及創新能力。

基金項目：2021年中國民用航空飛行學院研究生教學研究項目“《系統建模與仿真》課程開發及課程案例建設”（XKJ2021-8）。

參考文獻

[1]熊光楞，王昕.仿真技術在制造業中的應用與發展[J].系統仿真學報，1999（3）：3-9.

[2]吳德彬，王小平.基于項目驅動的《系統仿真》教學探索[J].教育教學論壇，2012（14）：182-183.

[3]Jiang Yu，Xue Qingwen，Wang Yasha，et al. Traffic congestion mechanism in mega-airport surface[J]. Physica A： Statistical Mechanics and its Applications，2021（prepublish）.

[4]王超，王濤波，王飛.“空管系統建模與仿真”PBL教學中的典型空管問題設計[J].教育教學論壇，2016（9）：153-156.

[5]陳娟，陳文宇，文泉.基于PBL教學法的統計學習課程教學改革與實踐[J].軟件導刊，2022，21（7）：118-121.

[6]耿小亮，趙彬，王佩艷，等.PBL教學模式的實驗力學課程教學方法探索[J].實驗室研究與探索，2021，40（7）：232-236.

[7]白雪潔，張雅茜.PBL教學模式的運籌學教改實踐與探索[J].教育教學論壇，2020（3）：131-133.

[9]高學賢.“物流系統建模與仿真”課程混合式實驗教學探索——基于OBE教育理念[J].教育教學論壇，2022（3）：85-88.

[9]宮磊，朱曉蕾，汪萍，等.淺談PBL教學準備[J].中國高等醫學教育， 2021（3）：118-119，121.