在计算机仿真竞赛中培养学员能力和素质
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摘要:总结了海军航空工程学院在组织学员参加历届“全国计算机仿真大奖赛”过程中,培养学员能力和素质的实践做法。分析了计算机仿真竞赛的基本内容、特点及基本要求,归纳和总结了仿真建模的一般步骤。同时对影响学员创新能力和综合素质的几个关键问题,也进行了分析与阐述。通过在“全国计算机仿真大奖赛”的培训和参赛中不断探索,形成了培养学员能力和素质的一系列切实有效的做法,取得了明显的效果。
关键词:全国计算机仿真大奖赛,竞赛培训,创新教育
1 引言近年来,大学生素质教育尤其是如何培养和提高大学生的创新实践能力成为各高校努力探索的课题。实践证明,参加全国性学科竞赛,是一种鼓励大学生从事科技创新活动、培养其能力和素质的有效方法[1, 2]。自2004年以来,我院组织研究生、本科生学员参加了历届“全国计算机仿真大奖赛”,并在该竞赛的组织、教学、培训、参赛过程中,努力探索培养学员能力和素质的新途径,取得了丰硕成果。04年首次参赛,就取得了全国三等奖一组, 这是海军院校首次在该项赛事中取得奖项。06-07年举行的第二届大奖赛中,取得全国一等奖、全国二等奖各一组。 08-09年第三次组织参赛,取得全国特等奖、全国一等奖、全国二等奖、全国三等奖、组织奖各一项。总结在计算机仿真竞赛中培养学员能力和素质的实践经验,对于进一步提高竞赛组织、培训水平,探索学员综合能力和素质提高的新途径,具有重要意义。
2 竞赛的基本内容、形式及基本要求分析根据大奖赛简章的要求,竞赛基本内容、要求和形式如下: 2. 1 竞赛内容计算机仿真与仿真技术的基本术语和基本概念; 选自工程技术和科学管理的实际问题; 运用建模和计算机仿真获得正确的结果。 2. 2 基本要求文字表述清晰,计算机仿真的可实现和可重复,模型和计算机仿真结果的正确。 2. 3 竞赛组织形式全国统一命题,采用通讯竞赛方式进行。从第三届竞赛开始,竞赛的组织形式发生了较大变化, 主要在于: —384—1)不再为每个参赛组分别规定题目,而是全国所有高校统一在三道题目中选择一道题目。这大大增加了竞赛的难度和公平性,同时也带来了前所未有的挑战。这要求不能再仅仅满足于做对题目,而是要做精题目,做好题目,做出特色来。 2)不再由特快专递寄送题目,而是由竞赛官方网站统一时间公布题目。这方便了竞赛的组织工作和培训工作,为有关工作提供了可靠的时间节点。 2. 4 计算机仿真竞赛的特殊要求数学建模竞赛,也包括对题目的分析,建模与仿真。但它一般并不要求验证程序。而计算机仿真大奖赛则不同,它除了要求文字表述清晰之外,还特别强调计算机仿真的可实现和可重复,模型和计算机仿真结果的正确。这要求必须特别重视编程实现问题,特别是编程风格的规范性,程序界面的友好型,仿真程序的通用性和适应性。 2. 5 竞赛对于学员知识结构及能力素质的要求分析竞赛对于学院知识结构的要求,是综合性的,都凝炼在最后的一份文字解答与一份程序当中,但为了进行有针对性的训练,在这里试着把综合知识要求分解开来进行分析。 2. 6 计算机仿真的基础知识计算机仿真的基本知识,重点是仿真与科学技术方面的基本内容,其主要知识结构是仿真科学与技术公共的理论, 与相关密切学科可相互分离开。在国内多次学术会议中,经过专家、学者的多次研讨,初步提出以下理论体系,即相似理论、仿真方法论、建模理论、仿真系统理论、仿真可信性理论及仿真应用的理论六个部分[3-7]。这六部分理论分别属于仿真科学与技术的专业基础理论、专业理论和应用理论,理论层次见图1。图1 计算机仿真基础知识层次结构如能在题目的解答中,充分体现出对于知识体系的把握,将会为这份答卷增光添彩。
3 科学进行仿真建模步骤的训练创新不是无源之水,无本之木,也不是天马行空,即兴之作。它是在一定规范、一定步骤下进行的科学实践。在竞赛组织和训练过程中,依据计算机仿真建模的特点[7],参照历年来参加计算机仿真竞赛的经验,归纳和总结了计算机仿真建模的一般步骤,作为学员知识结构、能力结构中必不可少的重要一环。这些步骤,形象地把它称为“十步法”: 1)问题提出:系统分析、描述题目中所提研究问题的定义和求解目标。明确问题并提出总体方案。梳理仿真内容; 确认仿真目的和系统边界;确定目标函数和可控变量;寻求系统实体、属性和活动等。 2)模型建立:根据问题及其阐述,将系统抽象为数学上的逻辑关系。选择合适的仿真方法(如时间步长法、事件表法等);确定系统的初始状态;设计整个系统的仿真流程图。注意该过程中,常常需要首先对模型进行合理简化,以求尽快得到初步结论。在此基础上再逐步细化模型。 3)数据收集与转换:数据的定义、标识、收集。对于近年来竞赛中出现的开放性题目,例如2008年的C题,要求建立美国金融风暴的模型并仿真实现。就需要充分利用网络资源,在美国政府网站、金融网站等处搜集近年来相关的金融数据、就业数据。考虑到经济问题的复杂性,甚至还需要收集并转换国际油价、金价等历史数据,用于建模仿真。 4)模型转换:用文字、图形、流程表示的逻辑关系转换为仿真语句序列,即编码。选择计算机仿真语言及模型,可以根据题目特点和学员的特长,灵活掌握。不管白猫黑猫,能够抓住耗子就是好猫。无论是行业内专用仿真软件,还是通用算法程序集,只要达到完成仿真,得到正确合理仿真结论的目的,都在选择范围内。例如,针对2008年A题,有参赛组选择VISSIM等专业交通流仿真软件进行主要计算软件, 同时编写m语言脚本文件作为辅助数据处理软件。也有参赛组使用VC++开发了独立的仿真模型。利用不同的仿真平台、仿真手段,最后他们都得到了正确、合理的仿真结果。 5)论证和计划:建立仿真模型和实际系统之间的关系, 建立实验条件。如何科学规划和设计仿真实验,是建立系统仿真模型后新的困难任务。需要认真了解相关研究领域的背景知识,从实际问题的不同方面、不同阶段入手,归纳和提炼现实问题,设计和规划出层次合理、分类科学的仿真实验条件、方案。
在这个过程中,一定要注意进行充分的合理假设,充分发挥计算机仿真所独有的特点和长处,把实际生活中也许尚未发生、但却具有可能性的那些方案,提炼出来,作为合理实验条件,进行实验分析。 6)实验:确定具体的运行方案,如初始条件、参数、步长、重复次数等,然后输入数据,运行程序。执行仿真模型,概括出实验结果,包括数据、表格、图形。 7)分析结果:分析,获得解决问题途径。设计出结构清晰的仿真结果输出。包括提供文件的清单,记录重要的中间结果等。输出格式要有利于用户了解整个仿真过程,分析和使用仿真结果。 8)修改和完善模型:根据结果分析、修改、完善模型、重复实验。将得出的仿真结果与实际系统比较,进一步分析和 改进模型,直到符合实际系统的要求及精度为止。仿真分析与仿真建模过程是一个有机整体,密不可分。近年来,VVA 的概念越来越受到仿真界的重视。在竞赛过程中,也加强了这方面的训练,将模型的修改和完善,贯穿于教学、训练、参赛的全过程,取得了非常明显的效果。 9)实施和文档:依结果做决策,记载模型及其使用情况。以科学、严谨、求实的态度,记录哪怕是非常不合理的仿真结果,详细分析,究竟是建模仿真过程出现了问题,还是数据问题,或者是所依据的常识出现了问题。对于不同仿真条件下得到的不同仿真结论,要给出合理的理论分析论证。 10)系统维护:使用仿真模型和结果,形成最后的打包程序,并进行维护。这也是贯穿于整个仿真建模过程中的经常性任务。“十步法”是计算机仿真教学和训练过程中提炼和总结出来的一套行之有效的方法体系。它适应了计算机仿真教学规律,能够科学地指导教学过程、训练过程、竞赛过程。通过坚持“十步法”的教学和训练,学员对于解决实际工程问题的方法、步骤有了更深层次的理解,所提出的创新思路、创新方法,更加有的放矢,更加合理可行;所得到的仿真程序、文档、结果,更加规范、更加严谨,更加成熟。创新活动所取得成果的质量,有了质的飞跃。
4 切实加强在计算机仿真竞赛中培养学员的能力和素质 首先,加强对学员独立分析问题,解决问题能力的培养, 充分发挥每一名学员的优点和长处。其次,结合竞赛培训具体内容,主要从试题分析能力培养、分析假设能力培养以及情报收集能力培养等方面,提高学员创新能力。同时还必须注意团队精神的培养和锻炼,健全学员人格,在计算机仿真竞赛中培养和提高学员的综合素质。
4. 1 培养学员的独立分析问题解决问题的能力指导教员的首要任务是引导学员明确自己是教学和各种实践活动的主体。教员要充分发挥学员的主观能动性,培养学员的自觉性。要重视调动学员学习的积极性和主动性, 并创造条件,提供机会,引导学员积极思考、主动探索、自觉实践[8]。要让学员的需要、兴趣创造和自由得到充分发挥, 促进学员健康的个性倾向、个性心理及其专长获得充分发展。教员要尊重学员的主体地位,尊重学员的思想、情感意志和行为方式,尤其要善于处理学员提出的各种新的想法, 对正确的想法给予鼓励,错误的想法加以引导,切忌挫伤学员的积极性。
4. 2 结合竞赛培训具体内容,提高学员的创新能力结合竞赛教学、培训实践,着重关注几个对于提高创新能力起到关键作用的培训内容。 4. 2·1 试题分析能力的培养试题分析十分重要,历届仿真竞赛试题一般题面看似比较简单,但其中往往试题中隐含原则性、规则性的语句,因此通过对试题进行透彻的分析,一方面能够清楚出题者的意图,另一方面也对全文有一个充分的把握。试题分析透彻与否是成功的第一步,第一步走错,全盘皆输。以2008年的A 题为例: 北京的交通拥堵情况严重。有专家认为,拥堵原因很大程度上是因为左转太多,如果取消左转,就可缓解交通拥堵情况,请用计算机仿真论证上述想法。这里必须抓住题目中的关键字眼“论证”。论证不是证明,论证只是讨论。你既可以同意专家的看法,也可以否定专家的看法,还可以部分同意专家的说法。因为题目中的说法,可能不够全面。有可能在某些情况下,某些路段,取消左转会有利于缓解交通拥堵;而在另外一些情况下,则不一定会这样。 4. 2·2 分析假设能力的培养计算机仿真是一个完整的体系,将实际问题转化为数学问题,再转化为仿真程序,其基础是假设。假设合理与否关系到数学模型能否正确反映实际情况,以及两者的差异大小,假设还从侧面反映参赛队员的逻辑与抽象思维是否严谨。当然,假设不是越多越好,越详细越好,因为要求根据假设建立的模型不只是能说明问题,其根本的目的是能解决问题,所以,合理假设的标准是:根据假设建立的模型简洁易解,且能反映实际问题的本质。结合科研实践、竞赛实践中的具体实例、具体做法,加强了对学员分析假设能力的培养。具体措施是,首先通过授课和实例讲解,使学员认识到合理假设、简化模型绝不是偷工减料、偷懒耍滑,而是更高层次的科学做法。其次进行实例训练,要求学员针对科研、竞赛中的实际问题,必须提出一种以上的模型,然后进行模型比较,说明不同层次建模的不同作用。最后是通过对不同模型进行仿真分析,使学员认识合理假设对于达到仿真研究目的所起到的关键性作用。 4. 2·3 情报收集能力的培养牛顿说,他之所以取得巨大成就,是因为站在了前人的肩膀之上。在培训和竞赛过程中,强调创新的重要性。但同时,也要求学员必须认识到,创新并不是要求学员从最基础最原始的概念入手来接近问题,而是要充分学习和继承前人在该领域中已经取得的成果,分析他们的不足,提出自己的新观点、新思路、新方法。近年来,计算机仿真竞赛的命题,十分注重关注国际、国内经济、工程等领域研究的重大问题、热点问题。每一道竞赛试题都涉及相关学科的专业知识,因此,通过搜索相关专业知识,了解相关学科背景,对取得创新成果,大有裨益。当然,针对某一具体问题,相关学科很有可能已经存在详细模型,可以为解题提供帮助。例如2008年命题B: 请用计算机仿真研究电梯群的服务质量和运行效能,大楼的层高不要超过25层,电梯的总台数不要大于8台。该题目来源于工程实践,是近年来该领域内的研究热点 问题。通过检索,发现有不少期刊论文、硕博士论文等文献可供参考借鉴。注重引导学员树立这样的科学理念:创新必定是建立在前人工作基础之上的创新。在前人工作基础上提高,才是真正有力、高效的创新。不了解前人工作,空谈创新,很可能是无效的重复劳动。培训过程中,进行了专项训练,引导学员有效利用图书馆的资源,有效利用网络资源。迅速从汗牛充栋的文献中找到研究项目所需要的知识、模型,是情报收集能力的培训所着力解决的问题。经过科学培训,学员的创新能力、发现和解决问题能力、资料搜集和处理能力、逻辑思维能力、口头和书面表达能力、动手操作能力等得到了较大提升,在竞赛中能够创造性的解决所遇到的各种困难和问题。
4. 3 在计算机仿真竞赛中培养学员的综合素质计算机仿真竞赛的培训和参赛过程,是一个非常艰苦、非常枯燥的过程。漫长的学习培训和紧张的十五天参赛过程,不仅是对学员智商的巨大挑战,更是对学员情商的巨大挑战。加强团队精神的培养,加强吃苦耐劳精神的培养,健全学员人格,是应对挑战的有效手段。
4. 3·1 培养团队精神仿真竞赛活动本身就是一种创造性劳动,而要完成这种创造性工作,必须具备良好的个人品质。首先要在仿真竞赛中培养学员的团队协作精神,只有具备这种个人素质,才有可能与其它合作者进行交流和相互促进[9]。学员参与科研活动具有鲜明的主体性和互动性,它使学员与教员之间、学员与学员之间的学习互动成为必要和可能。计算机仿真竞赛中几乎每件作品都是合作的产物,它强调人与人之间的协调和合作。很多学员在参与竞赛的过程中学会了如何与别人合作,如何取长补短,同时也学会了互相谦让、互相鼓励、团结合作。这表明,团队精神、合作精神的培养,超越了单纯参加比赛的意义。更重要的是,学员的每一种创意都可在实践活动中得到检验。竞赛对参赛选手的能力提出了很高的要求,选手们必须具备一定的数学头脑、足够的计算机知识与技能(包括编程能力、软件使用能力等)、搜索信息和写作能力,要求每一位选手同时具备以上三方面的能力是勉为其难的。即使具备这种资质的选手也几乎不可能在短短三天内独立完成一套试题且不出任何差错。俗话说,三个臭皮匠顶一个诸葛亮, 只有参赛队员取长补短、精诚合作,才能出好成绩。当然,也不是随便三个臭皮匠凑一起就可以顶一个诸葛亮,合理分工十分重要。计算机仿真对建模要求较高,因此可以选择一个数学基础较好的队员专门负责建模,同时为了方便程序实现,该队员还需兼任算法设计;工程类参赛选手主要负责程序编写和调试。模型和程序都完成时,问题已解决了大半, 仅剩论文撰写,这需要一个文字功夫比较强的队员来操刀。问题的分析、讨论是由三人来共同完成,负责建模的队员一方面要建立模型,将算法设计思路传授给负责编程的队员,另一方面需要将建模思路传授给撰写论文的队员,因此他在三人中处于核心地位。在此人的领导、组织、协调下,三人团结协作的成功与否事关竞赛的成败,在培训中更需要注意这一点。
4. 3·2 注重健全学员人格首先要在仿真竞赛中培养学员执着、自信的心理素质。竞赛的获奖者毕竟是少数,计算机仿真竞赛更是如此。每个参与者要正确对待成功与失败,尤其要敢于面对失败,善于从失败中汲取教训,变失败为成功之母。只有善于总结经验的人才能取得最后的胜利。参与者应该克服好高骛远的心理,摒弃功利主义思想。那种盲目追求结果而非踏踏实实从过程中学习的思想和作法无疑是本末倒置。在竞赛过程中,往往要经过无数次挫折才能获得成功,甚至有时根本看不到成功的希望。因此要敢于尝试、不畏艰险、不怕失败、百折不挠、勇往直前。一旦认定一个目标,就努力去实现。但执着不是盲目,要执着必须要有自信。所谓自信就是,第一要有一定的创新实践能力,第二要相信自己的能力。相信通过自己的努力,一定会达到预期目标。注重吃苦耐劳精神和科学时间安排的协调。学员经过了几年的军校生活锻炼,已经具备了较强的吃苦耐劳精神。这表现在,一拿到题目,有些学员很快就处于兴奋状态,在竞赛的头几天,连续加班加点,不注意合理科学安排时间,不注重劳逸结合。但竞赛过程是相对较长的,十五个日日夜夜, 更像是马拉松竞赛,而不是短跑比赛。个别学员在第四五天的时候,就出现了注意力不集中,效率下降等疲劳反应。针对以往的经验教训,在竞赛培训中,有意安排学员集中相对较长的一段时间,进行模拟竞赛的训练。要求他们制定竞赛计划,合理安排时间,合理分配体力。从竞赛的实践来看,这些针对性措施取得了较好的效果。
5 结束语近年来,通过在“全国计算机仿真大奖赛”的培训和参赛中不断探索,已经形成了培养学员能力和素质的一系列行之有效的做法。学员综合素质不断提高,参赛成绩稳步上升。当然,参赛的意义并不在于获得几个奖项,其根本在于引导、帮助学员树立创新观念,培养动手技能,提高分析问题和解决问题的能力。学员参与科技竞赛的过程实际上是进行科学研究的过程。他们在进行创新实践时,会遇到很多科学和非科学的问题。在解决这些问题的过程中,能促使学员对科研活动的基本规律有所了解,学习正确分析、处理问题的思维方法,培养与导师、同学合作协调的人际关系能力。在竞争越来越激烈的今天,还需要在实践中不断摸索经验,不断探索更加有效的措施,进一步提高学员创新能力和综合素质,为海军建设培养更多更优秀的人才。
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