基于案例驱动法的《系统建模与仿真》教学改革
基于案例驱动法的《系统建模与仿真》教学改革 摘要：在《系统建模与仿真》中开展案例驱动教学方法 研究，将教学大纲中的知识点融入到典型案例问题中，通过 学生自主解决问题，教师从旁引导深化理论知识的方式，激 发学生兴趣，培养创新性思维，提高综合运用知识的能力。实际教学效果表明，案例驱动教学方法能够明显改善教学效 果，教学质量显著提高。
1、引言 《系统建模与仿真》是一门综合性非常强的课程。在本 校安排在自动化专业本科大四上学期和研究生必修课。学生 学习完该课程后，应该能够掌握系统建模与仿真的基本概念、 原理和几种主要方法，能够熟练运用一种计算机仿真工具进 行仿真和分析，提高实践能力和开阔创新思维。
该课程的特点之一是理论性较强，涉及微分方程、概率 与统计、随机过程等多方面的数理知识，有些理论又比较抽 象，是一门具有一定深度和难度的课程。该课程的第二个特 点是内容丰富，涉及面广。国内外与该课程相关的课程主要 有《系统辨识》、《系统建模与仿真》、《系统建模、辨识 及仿真》、《系统建模与参数估计》等。另外，该课程的第 三个特点是具有很强的实践性，强调理论联系实际，必须通 过实践教学环节才能使学生很好地理解和掌握系统建模与 仿真的理论和方法。
传统的教学方法在该课程的实施过程中存在一定的问题[1-2]。首先，传统的教学方法以教师讲授理论知识为主， 过于抽象，很难直观理解，趣味性差；
其次，学生被动接受， 容易陷入死记硬背，无法调动自主学习的能动性；
再次，传 统教学方式往往将各个知识点孤立起来，使学生缺少对知识 体系和所在专业体系的系统认识。
从以往的教学实践中发现，在本科阶段，该门课程是设 置在大四上学期，很多学生已提前将学分修满，预留大四时 间专心准备考研、出国、实习或找工作，所以选修这门课程 的学生相对较少，出勤率低。但是，这门课又不宜安排在较 前面学习。因为它需要学生将大学前三年所学的内容融会贯 通，综合运用自动化专业的各种知识，来解决实践中常会遇 到的问题。从而加深对知识的理解，清晰整个专业的知识体 系，并为今后工作和实际工程应用打下良好的基础。对于研 究生来说，有些学生是从别的专业转过来的，知识结构不系 统；
又或者对于高深的理论学习，学生总是兴味索然。为克 服传统教学方法的缺点，提高学生学习兴趣，我们将案例驱 动教学方法应用于教学，将知识点融入到案例中，以解决具 体的案例为目的，引导学生自主学习，代替传统的课堂讲授， 最终达到学生能够对所学知识举一反三、融会贯通的教学效 果。
2、案例驱动教学的实施 2.1教学软件的选择 用于建模仿真的软件很多，选择合适的平台是确保案例驱动教学效果的保障。所谓合适，就是要求该软件功能强大， 并且使用者较多，属主流软件；
另外，还要求学生易学易用， 把更多精力放在案例求解本身，而不是软件的学习。本课程 选用MATLAB作为仿真实验平台。
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业软件。MATLAB 有“草稿纸式”的编程语言，包罗万象的工具箱，还有交互 式的Simulink仿真环境。学生易学易用，不仅可以调用其内 部函数作“傻瓜式”计算，还可以根据自己的算法进行扩展 编程。国内外许多高校在教学和研究中都将 MATLAB/Simulink语言作为首选的计算机工具。
2.2教学准备 案例1：蛋糕烤盘设计与优化。该案例是参考2013年美 国大学生数学建模竞赛A题【3】。考察的知识点是：a.热传 导偏微分方程建模与求解；
b.偏微分方程的数值求解——有 限差分法；
c.数值解的稳定性检验——冯.诺伊曼分析；
d. 多目标优化问题的处理。
案例2：弹簧-质量-阻尼系统建模与控制。该案例引入 典型的机械系统，结构虽然简单，但是可以让学生将注意力 集中到建模和仿真的学习中。本案例可考察如下知识点：a. 系统辨识基本概念；
b.参数估计的实验设计；
c.微分方程的 数值求解；
d.稳定性分析；
e.极点配置；
f.状态观测器设计。
2.3教学实施 在案例驱动教学过程中，教师不再承担主讲人的角色，学生也不再是被动的接收知识。通常，教师会提前将案例内 容布置给学生，让学生在课余时间单独或以小组的形式对案 例进行分析和验证，自主寻找解决问题的方法和途径。在课 堂上，教师首先聆听各学生的解决方案，对其进行点评，并 回答他们在求解过程中遇到的问题和困难；
然后就学生中普 遍存在的问题进行讲解，对案例所涉及的关键技术问题进行 深入分析；
最后将问题提炼到理论高度，抽象出科学问题及 方法，引导学生查阅相关文献和书籍。这种教学方式以学生 为主体，做到课前充分准备，课上活跃互动，课后延伸阅读， 激发学生的学习兴趣，培养学生的创新实践能力。
3、教学效果 本课程采用笔试加上机的形式进行考核。近两年的实际 的教学效果表明，案例驱动教学方法的教学效果明显优于传 统教学方法。学生选课人数明显增加，出勤率由之前的50% 提高到100%，优秀率由5%提高到20%，及格率由85%提高到99%， 特别是同一问题的求解方案明显增多。学生不仅学习到了本 课程的知识，并加深了对其他相关在学和已学课程的理解， 对整个专业的知识体系更清晰更系统，提高了学生对知识的 综合运用能力。
4、结论 为改善系统建模与仿真课程的授课效果，贯彻我校我学 院强调理论和实践相结合的方针，将案例驱动教学方法运用 到实际授课过程中，通过求解一个个与实际密切结合的案例，激发学生学习兴趣，驱使学生主动学习，提高学生综合运用 知识能力，培养创新性思维。当然，这种教学方式也对教师 提出了更高的要求，不仅要进行充分准备，还要具备深厚的 专业知识，照本宣科已是不可能。同时，教师还能从学生的 创新性求解中得到启发，教学相长。
参考文献：
[1] 赵辉，李万龙，郑山红，张丽娟，“项目导向案例 驱动”的软件工程教学模式，计算机教育，2012，10：89-92. [2] 申忠利，左毅，谢七月，控制系统计算机仿真课程 教学改革的CDIO实践，教育教学论坛，2015，18：101-102.