系统建模与仿真课程实践教学改革,实验平台开发返 课程教学改革

系统建模与仿真课程实践教学改革 实验平台开发返

随着互联网的普及，很多高校利用网络作为教学传播媒 介，使得教学环境变得多元化。虚拟实验平台应运而出，将 给实验教学环境与实验过程带来全新的方法与手段。由于在 网络进行实验操作，使得学生完全不受时间和场地的限制， 而且可以重复多次实验操作，能够有效地提高学习效果。采 用信息技术、网络技术和现代化的实验教学手段相结合是未 来高等教育实验教学研究的主要方向。

目前，国外很多高校的理工科学院结合专业特色建立了 虚拟实验平台。例如，麻省理工学院开发远程web访问的微 电子测试网站对微电子进行教学【1】；
约翰霍普金斯大学 的化学工程系的卡尔威教授开发了一个在计算机上进行化 学实验的虚拟实验平台；
新加坡国立大学开发的虚拟实验平 台支持远程示波器实验以及压力容器实验；
UTC设计的网上工程实验室【2】，提供了能够进行温度控制、压力控制、 速度控制、水位控制等实验案例的远程控制实验，等等。

国外在这些领域的研究也带动了国内虚拟实验平台技 术的发展，同时对国内的实验教学质量和效率有着很大的推 动作用。例如，北京邮电大学电信工程学院开发了基于网络 交互式的MATLAB虚拟实验仿真平台，在该平台上开设了通信 原理、单片机、调制器等课程实验；
北京大学计算机系开发 了一种支持大计算量和交互式的网上虚拟实验室的通用基 本框架；
中国科技大学物理系也研制了一套基于Internet的 扫描探针显微镜(SPM)远程控制系统【3】；
上海交通大学电 子信息学院研制了一套机器人远程控制系统【4】；
华中科 技大学建成了虚拟实验平台，通过因特网调用共享仪器库、 数据库，实现远程实时实验；
浙江大学研制了依托千兆局域 网的远程控制系统【5】。

从实验内容来看：由于专业的差异性，上述各个实验平 台差异性非常大，没有统一标准体系，完全是根据该专业的 特点来决定的。从实现的技术手段来看，上述诸多虚拟实验 平台大致分为两种：（1）基于C/S架构的虚拟实验平台，这 种需要学生自己安装客户端应用程序，在客户端上进行相关 实验操作，当开发者更新了实验平台时，需要用户主动更新 客户端。（2）基于B/S架构的虚拟实验平台，在浏览器上登 录到服务器，进行相关的实验操作。国外绝大部分虚拟实验 平台采用的是B/S架构，国内的较多采用C/S架构。为加强“系统建模与仿真”课程的实践教学，配合课程 内容，我们设计开发了一套可服务于该课程的教学实验平台。

该系统为课程的实践教学提供了有效的平台和工具，可以帮 助学生更深刻的理解书本上建模的原理和方法。通过这些教 学改革，加强了课程的实践教学，产生了较好的效果。

2.“系统建模与仿真实验平台”总体架构 “系统建模与仿真实验平台”采用C/S架构，基于MATLAB 语言开发。一方面，MATLAB功能强大，除了矩阵运算、绘制 函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用来创建用户 界面，完全支持面向对象的可视化编程，同时也支持与其他 的编程语言混合开发；
另一方面，MATLAB是一个包含大量计 算算法的集合，广泛应用于工程计算、算法研究及数值分析 等领域，扩展性极强，没有实现的案例可以预留好接口。同 时，充分利用了MATLAB仿真建模的优势，自由往返设计的各 个阶段。

按照基本需求，“系统建模与仿真实验平台”包含五个 部分：课程介绍、实验建模、机理建模、说明和关于。其中， “实验建模”和“机理建模”两个模块是核心，其下分别设 计了几个典型案例帮助学生认识和学习这两大类建模方法。

该部分具有如下功能：数据预处理，辨识算法，仿真检验， 远程浏览和控制，报告打印。另外三个部分是该平台的辅助 功能，其中，“课程介绍”是用来下载老师的课件，相关参 考资料，以及播放老师录制好的教学视频，支持主流的视频播放格式。“说明”部分主要介绍各个案例的相关操作事项 和注意事项，辅助学生进行虚拟实验。“关于”部分主要介 绍该实验平台开发的相关信息，例如，软件版本，更新日期， 开发人，联系方式等。

3.机理建模模块 机理建模主要是通过分析系统的运动规律，运用已知的 定律、定理和原理，利用数学方法进行推导，建立系统的数 学模型。“机理建模”模块目前设计了四个实验，分别是：
弹簧-质量-阻尼系统的建模与控制、蛋糕烤盘设计与优化、 倒立摆系统建模与控制和超市制冷系统混杂建模与控制。

下列两图分别是截取的学生在应用该实验平台时的某 个界面。图1是倒立摆系统实验，图2是超市制冷系统实验。

4.实验建模模块 系统的输入、输出一般总是可以测量的。由于系统的动 态特性必然表现于这些输入、输出数据中，故可以利用输入、 输出数据所提供的信息来建立系统的数学模型。这种建模方 法就是实验建模法。

在“实验建模”模块下选取的典型案例之一是“风速短 期预测”。风速时间序列的预测研究在风电并网、气象监测 等许多领域具有广泛的应用前景【6】。该案例的数据来源 于加拿大的ACADIA VALLEY地区每小时的平均风速数据【7】， 时间跨度是从2015年1到7月的风速数据，利用1至6月的数据 来预测7月风速数据，总共650组样本数据。通过该案例的学习，希望学生掌握数据处理、时间序列 分析和BP神经网络建模的基本方法，体会BP模型不同的参数 配置对建模精度的影响，并鼓励学生设计更好的建模方法， 嵌入到该实验平台中，与原BP模型进行比较和分析。图3是 截取的学生在应用该实验平台时的某个界面。

5.实验平台在教学中的使用 在研究生的“系统建模与仿真”课程的授课过程中，讲 授完某一部分的基本理论和方法后，利用该实验平台提供的 案例进行对应的教学演示，比较在多种条件下建模和仿真的 效果，让学生更深入了解建模原理和建模流程。

另外，在整个课程的课堂教学结束后，让学生利用实验 平台的功能完成某案例建模问题的深入研究，即针对同一系 统，采用不同模型和算法进行建模，使得学生对各种建模方 法有全面的认识；
或者让学生为该实验平台补充一项新案例， 对其理解分析透彻，帮助学生掌握具体实现一种建模方法的 能力。

6.结论 目前，该实验平台采用C/S架构，在MATLAB环境下构建 了五个实验案例，可实施多种建模方法，并为案例的扩展预 留了接口。后续可将单机版扩展成网络版，MATLAB与JAVA有 比较好的兼容性，可以做成在网页中嵌套操作平台，还可以 丰富更多的功能。

参考文献[1] http://news.mit.edu/2001/weblabcomment [2] http://chem.engr.utc.edu [3] 吕露.基于互联网的扫描探针显微镜远程控制研究 [J].高技术通讯,1999 [4] 王宏杰.基于C_S模型机器人控制器的研究及其应用 [J].机器人REBOT,2002 [5] 庞文尧.基于C_S模式的远程控制系统研究开发[D]. 浙江：浙江大学,2003