课程名称 |
仿真建模与应用实践 |
Practice of Simulation Software and Application |
开课单位 |
计算机科学与工程学院 |
课程性质 |
必修课 |
课程类别 |
实践环节 |
课程代码 |
210731101302 |
学分 |
2 |
学时 |
44 |
适用专业 |
计算机科学与技术 |
先修课程 |
高等数学；线性代数；离散数学；电路与电子技术 |
授课语言 |
中文 |
一、 课程简介
（一）课程中文简介
本实践的目的是为了提高学生对所学专业理论课的理解和实践能力，为学生今后实践打下坚实基础。通过本课程的学习以及实验操作，学生能够熟悉Matlab软件环境，熟悉软件工具箱以及库函数，掌握Matlab软件基本的编程方法以及运用Matlab中的工具箱、函数等功能模块化构建仿真模型并运行仿真分析。能够运用Matlab分析解决相关学科或领域的数值计算、数值优化、符号计算以及数据可视化等问题；能够运用Matlab对信号处理方面问题进行识别、建模和分析； 初步具备综合运用Matlab设计/开发满足特定需求的图像处理系统能力。为进一步学习其他相关专业课程及今后在实践中验证成果的可靠性及有效性提供强有力的模拟仿真工具，为培养学生的创新意识和应用能力打下良好的基础。
（二）课程英文简介
The purpose of this practicecourse is to improve students' understanding and practical ability of the professional theoretical courses they have learned, and to lay a solid foundation for students to practice in the future. Through the study and experimental operation of this course, students can be familiar with the Matlab software environment, familiar with the software toolbox and library functions, master the basic programming methods of Matlab software, and use the toolbox and functions in Matlab to modularize the construction of simulation models and run the simulation analysis. The student should be able to use Matlab to solve the corresponding problems of numerical calculations, numerical optimization, symbolic calculations and data visualization problems in related disciplines or fields; The student should be able to use Matlab to identify, model and analyze signal processing problems and initially have the ability of using Matlab for design/development to meet specific requirements. This course can lay provide a simulation tool for studying other related professional courses and to verify the reliability and effectiveness of the results in practice in the future. This course also will lay a good foundation for cultivating students' innovative consciousness and application ability.
二、实训课程目标
本课程的目标包括：
CO1：掌握Matlab的基本功能和使用方法，能够运用Matlab分析解决相关学科或领域的数值计算、数值优化、符号计算以及数据可视化等问题，能够正确采集、处理实验数据，对实验结果进行分析和解释，并通过信息综合得到合理有效的结论。
CO2:掌握信号表示、变换和分析的基本方法，能够运用Matlab对信号处理方面问题进行识别、建模和分析。掌握信号处理领域工程设计和产品开发的基本方法和技术，并能够根据工艺和技术需求，分析影响设计目标。
CO3:掌握图像处理的基本原理和方法，能够运用Matlab根据图像处理问题的特征，选择研究路线，设计可行的实验方案，构建实验系统，采用科学的实验方法安全地开展实验。初步具备综合运用Matlab设计/开发满足特定需求的图像处理系统能力。
课程目标与所支撑的毕业要求指标点的对应关系如表1所示。
表1课程目标与所支撑的毕业要求内涵观测点的对应关系
适用专业 |
毕业要求内涵观测点 |
课程目标 |
计算机科学与技术 |
GR5.2能够针对计算机技术与应用领域的复杂工程问题，开发或选用满足特定需求的现代工具，模拟和预测专业问题，并能够分析其局限性。 |
CO1 |
GR5.3能够选用满足特定需求的现代开发技术与工具，模拟和预测计算机应用领域的专业问题，并能够多样性选择进行对比分析，并理解其局限性。 |
CO2,CO3 |
GR9.1 能够在计算机工程项目实施过程中理解团队及个体、成员及负责人的角色职责，具有团队合作与沟通能力。 |
CO1, CO2,CO3 |
GR11.2能够将经济决策等方法应用于多学科环境下计算机技术与应用的工程项目管理和实施中。 |
CO2,CO3 |
三、实训、实践内容与要求
实验1：Matlab基础
实验内容：数组与矩阵的创建、矩阵运算与数组运算、基本元素群运算和向量与矩阵的特殊处理；二维图形、三维曲线和曲面图形的绘制以及标注
实验要求：必做
实验2：信号及其表示
实验内容：定义符号对象的方法、符号表达式的运算法则以及符号矩阵运算；求符号函数极限及导数、符号函数定积分、不定积分和符号的方法；离散时间傅里叶变换、快速傅里叶变换和Z变换的Matlab实现方法。
实验要求：必做
实验3：双线性变换法设计IIR数字滤波器
实验内容：IIR数字滤波器设计的一般方法和步骤；利用给定的技术指标，设计满足设计要求的IIR模拟原型滤波器；用双线性变换法设计IIR数字滤波器的原理与方法；数字滤波器的计算机仿真方法；用所设计的滤波器对实际信号进行滤波处理，获得对数字滤波的感性认识。
实验要求：必做
实验4：小波变换
实验内容：对信号noissin分别采用图形接口和命令行两种方式进行单尺度小波分解重构和多尺度小波分解重构层数为4，并显示各层低频高频图形，加以比较； 定义信号
，并用命令行方式对该信号进行单尺度小波分解重构和多尺度小波分解重构层数为3。
实验要求：必做
实验5：多元线性回归
实验内容：建立多元线性回归方程的方法与步骤；多元线性回归模型拟合、系数的估计与检验方法；线性回归优化算法的设计方法；利用线性回归方法处理统计与预测问题；
实验要求：必做
实验6：BP神经网络
实验内容：基于BP神经网络解决实际问题的方法与步骤；BP神经网络模型参数的调整方法；BP神经网络优化算法的设计方法；运用BP神经网络解决实际应用问题。
实验要求：必做
实验7：数字图像处理——灰度变换处理
实验内容：用MATLAB的GUI方式实现图像文件的读取、写入、显示、保存；绘制灰度直方图的方法；实现灰度的线性变换、非线性变换及阈值变换；灰度均衡化的原理及实现方法。
实验要求：必做
实验8：数字图像处理——平滑滤波处理
实验内容：实现在图像中添加高斯噪声和椒盐噪声；使用均值滤波、中值滤波和高斯滤波分别处理高斯噪声和椒盐噪声。
实验要求：必做
实验9：督学习神经网络的分类
实验内容：使用MATLAB自带的神经网络工具箱函数，利用GRNN和PNN分别建立鸢尾花种类识别模型，实现鸢尾花分类问题。
实验要求：必做
实验10：低照度图像增强
实验内容：应用图像增强处理的基本原理及步骤，使用2-3种不同的图像增强方法，包括对比度增强、灰度变化等；使用低照度图像增强的基本原理及步骤，编写MATLAB程序完成低照度图像增强处理，并对增强前后的效果进行对比评价。
实验要求：必做
四、实验设备与环境配置
1. 计算机：Intel or AMD x86-64处理器、内存4G、硬盘20GB以上。
2. 操作系统：64位的win7或Vista或者win10
3. 实验环境：Matlab 2017a或以上版本。
五、课程思政、创新创业元素
教学章节 |
知识点 |
思政元素案例 |
培养目标 |
备注 |
实验一 |
Matlab概述 |
美国“卡脖子”事件使得国内个别单位被禁止使用MATLAB软件 |
激发学生科技报国的家国情怀和使命担当 |
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实验一 |
矩阵元素访问 |
例举计算机在处理大数据时面临的困境，探讨典型的处理方法 |
激发学生科技报国的家国情怀和使命担当 |
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实验二 |
符号方程求解 |
从高次代数方程和求根公式到伽罗华理论，介绍伽罗华通过引入置换群概念彻底解决代数方程求根问题并创立了群论这一崭新数学分支 |
培养学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感 |
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实验二 |
符号微积分 |
例举高数中遇到的经典复杂微积分计算问题，通过MATLAB例证解决类似问题带来的便利，剖析内在实现机理 |
培养学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感 |
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实验三 |
滤波器的设计 |
以5G移动通信中使用的滤波器——毫米波滤波器为例引入滤波器。5G移动通信技术标准是华为制定的，移动通信产业已成为我国极具竞争力的高科技产业之一。 |
应该有足够的民族自豪感，要有担当，通过奋斗一样可以引领世界。 |
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实验四 |
对非平稳过程，傅里叶变换有局限性 |
没有最好的，只有最合适的。 “最好”不符合唯物辩证法中事物永恒发展的规律 |
让学生领略唯物辩证法中“事物永恒发展”的论断，敢于对默认成规的东西提出质疑 |
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实验五 |
多元线性回归 |
多元线性回归模型刻画了在线性相关条件下，两个或两个以上自变量对一个因变量的数量变化关系，体现了辩证唯物主义事物普遍联系的基本原理。 |
让学生领悟整个世界是一个普遍联系的有机整体，每一事物内部的各个部分、要素之间是相互联系的，联系无时不有，无处不在，要用联系的观点对待一切事物。 |
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实验六 |
神经网络模型及学习算法设计 |
人工神经网络是仿生思想在机器学习中的一个运用，是一种模拟人类神经结构的机器学习算法，体现了辩证唯物主义科学技术方法论，体现了马克思主义关于人类认识自然和改造自然的一般方法的理论。 |
让学生领会唯物辩证法中科学追求万物之理，科学理论要遵循事物的发展规律，要以辩证唯物主义认识论为指导，在现代科学技术发展的水平上对各门科学技术的研究方法做出概括和总结。 |
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实验六 |
BP神经网络 |
深度学习使机器模仿视听和思考等人类的活动，解决了很多复杂的模式识别难题，使得人工智能相关技术取得了很大进步。 |
帮助学生了解本专业领域的创新创业知识和方法、介绍成功的经验和教训 |
创新创业案例 |
实验七 |
灰度变换的方法 |
灰度变换针对独立的像素点利用不同的变换函数进行处理，其目的是为了改善画质，使图像的显示效果更加清晰。根据图像的性质和处理目的选择不同的变换函数。提示我们具体问题具体分析。 |
培养学生在实践过程中，掌握具体问题，学会具体分析的能力。 |
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实验八 |
噪声分类及滤波的分类 |
滤波的本义是指信号有各种频率的成分,滤掉不想要的成分,即为滤掉常说的噪声,留下想要的成分.针对不同的噪声选择不同的滤波函数。提示我们确定问题类型，并对不同问题，选择不同方法。 |
培养学生在实践过程中，学会确定问题的类型，并针对具体问题，提出相应解决方法的能力。 |
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实验九 |
神经网络发展及改进 |
神经网络经过实践的检验，在不断被否定和改进过程中逐步发展，体现了理论依赖于实践、又服务于实践的辩证关系，提示我们要勇于实践、敢于创新 |
培养学生的创新意识，让学生领略实践论中理论与实践的辩证关系 |
创新创业案例 |
实验十 |
图像增强方法 |
将图像增强技术与社会治理结合，指出其潜在的社会应用价值。将科研成果转化为教学案例，激发学生学习的积极性以及为社会服务的意愿 |
培养学生具有人与社会、环境和谐发展的意识，让学生领略技术进步对社会治理的重要性 |
创新创业案例 |
六、主要参考资料
[1]张志涌，杨祖樱.Matlab教程（R2018a）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2019．
[2]尚涛.Matlab基础及其应用教程（第2版）[M]. 北京：电子工业出版社，2019．
[3]唐向宏，岳恒立，郑雪峰.计算机仿真技术—基于Matlab的电子信息类课程（第4版）[M]. 北京：电子工业出版社，2019．
[4]卓金武.Matlab在数学建模中的应用（第2版）[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2014．
[5]王慧琴，王燕妮. 数字图像处理与应用（MATLAB版）[M].北京：人民邮电出版社，2019
七、考核方式、方法及实验成绩评定方法
考核成绩采用五级制，从工作态度、实验报告质量、独立分析与解决问题能力等方面进行评价。
（一）评分标准
考核 环节 |
占总成绩比例 |
<60 （不及格） |
60-69 （及格） |
70-79 （中等） |
80-89 （良好） |
90-100 （优秀） |
工作态度 |
10% |
实验过程中不能完成实验要求 |
实验过程中能基本完成实验要求 |
实验过程中全部完成实验要求 |
实验过程中较好完成全部实验要求 |
实验过程中有创新性的完成全部实验要求 |
实验报告质量 |
70% |
不能得到正确的实验结果，不能从技术角度优选解决方案获得有效的结论 |
不能得到正确的实验结果，实验报告格式正确，步骤叙述清楚，没有正确分析实验数据，但是结合理论分析可以从技术角度优选解决方案获得有效的结论 |
得到正确的实验结果，实验报告格式正确，步骤叙述比较清楚，能基本正确分析实验数据，从技术角度优选解决方案获得比较有效的结论 |
得到正确的实验结果，实验报告格式正确，步骤叙述比较清楚，正确分析实验数据，从技术角度优选解决方案获得比较有效的结论 |
得到正确的实验结果，实验报告格式正确，步骤叙述清楚，正确分析实验数据，从技术角度优选解决方案获得有效结论 |
独立分析与解决问题能力 |
20% |
未能按要求解决问题 |
能基本正确的按要求解决问题 |
完全正确的按要求解决问题 |
有一定创新的按要求解决问题 |
有较大创新的按要求解决问题 |
（二）考核环节权重
考核环节 |
CO1 |
CO2 |
CO3 |
工作态度 |
10% |
10% |
10% |
实训报告质量 |
70% |
70% |
70% |
独立分析与解决问题能力 |
20% |
20% |
20% |
|
100% |
100% |
100% |
撰稿人：洪永发
审核人：崔宾阁
批准人：鲁法明
