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《数字孪生与仿真技术》教学大纲

课程英文名

DigitalTwinsandSimulationTechnology

课程代码

03M0243

学分

2

总学时

32

理论学时

24

实验学时

8

上机学时

0

实践学时

0

课程类别

专业教育课

课程性质

选修课

先修课程

高等数学、线性代数、最优化方法、大学物理、高级程序设计

适用专业

人工智能

开课学院

信息工程学院

执笔人

赵登阳

审定人

专业评定小组

制定时间

2025年01月

注：课程类别是指公共基础课/学科基础课/专业教育课；课程性质是指必修/限选/任选。

一、课程地位与课程目标

（一）课程地位

《数字孪生与仿真技术》是一门人工智能专业的进阶课程，围绕数字孪生这一前沿主题，深入讲授计算机中实现各类常见仿真模拟的理论与实践方法。课程内容涵盖刚体动力学、碰撞检测、布料仿真、表面波与流体仿真等复杂问题，重点解析经典仿真算法及其在数字孪生技术中的应用场景。本课程旨在培养学生在仿真技术领域的专业能力，帮助学生掌握高效可靠的程序设计方法，解决复杂的仿真问题。通过本课程的学习，学生将进一步深化对人工智能与数字孪生技术的理解，为此领域的科研项目打下坚实的技术基础。

（二）课程目标

该课程应达到的预期学习结果（ILO，IntendedLearningOutcomes）如下所示：

ILO-1：系统掌握刚体、柔性体与流体仿真的理论基础，理解其数学原理与关键算法，深入学习碰撞处理机制以及多种仿真算法的融合方法，为复杂物理现象的模拟奠定坚实基础；

ILO-2：熟练运用OpenGL、Unity3D等开发工具，将物理公式转化为计算机代码，实现从理论到实际应用的完整流程，提升在物理仿真与交互式场景开发中的实践能力；

ILO-3：将数字孪生技术与艺术、美学相结合，在仿真中融入科技与文化的创新表达。通过学习算法传承科学家的创新精神，在代码编写中践行工匠精神，在项目开发中坚持实事求是的科学态度，传播爱国主义价值观与创新意识。

二、课程目标达成的途径与方法

课堂教学：系统讲解数字孪生与仿真技术的理论知识，重点解析刚体动力学、碰撞检测、布料仿真、表面波与流体仿真算法等。

课堂讨论：围绕仿真算法的实际应用、优化与前沿问题开展小组讨论，提升学生对理论知识的理解和实际问题的分析能力。

自主学习：指导学生查阅相关文献和资料，完成仿真技术的基础代码实现以及深入探索，培养独立学习与研究能力。

课外作业：布置针对单一仿真问题的编程作业，帮助学生巩固课堂知识、提升程序设计能力。

小组项目：组织学生完成综合仿真项目，锻炼团队协作能力，并加深对课程内容的整体把握。

课程目标

课程目标达成的途径与方法

ILO-1

课堂教学、课堂讨论、课外作业、小组项目

ILO-2

课堂教学、实验、实验报告、自主学习、小组项目

ILO-3

课堂教学、实验、小组项目

三、课程目标与相关毕业要求的对应关系

本课程支撑的毕业要求如下：

1-2能够针对人工智能系统建立合适的数学模型求解、仿真。

3-2能够针对特定需求独立进行智能系统设计，并通过仿真或实验等手段验证可行性。

6-2能分析和评价人工智能工程实践对社会、健康、安全、法律、文化的影响，以及这些制约因素对项目实施的影响，并理解应承担的责任。

课程目标对毕业要求的支撑关系如表1所示。

表1课程目标对毕业要求的支撑关系

课程目标

课程目标对毕业要求的支撑程度（H、M、L）

毕业要求1.2

毕业要求3.2

毕业要求6.2

ILO-1

M

ILO-2

H

ILO-3

M

注：1.支撑强度分别填写H、M或L（其中H表示支撑程度高、M为中等、L为低）。

2.毕业要求应根据课程所在专业培养方案进行描述。

3.通识选修课程可不填写上表。

四、课程主要内容与基本要求

第一章概述

1.1什么是数字孪生

1.2数字孪生有哪些应用

1.3什么是仿真技术

1.4什么是计算机图形学

基本要求：了解数字孪生的概念及其主要应用领域。了解仿真技术和计算机图形学的定义及其与数字孪生的关系。理解数字孪生在不同行业中的实际价值与技术实现框架。通过数字孪生在工业、医疗、交通等领域的应用案例，认识我国科技发展的成就，增强学生的民族自豪感和使命感。

第二章数学基础

2.1向量

2.2矩阵

2.3张量微积分

基本要求：掌握向量和矩阵的基本运算及其几何意义。理解张量微积分的基本概念及其在物理仿真中的应用。熟练掌握矩阵在刚体运动描述、变换等方面的应用。通过数学工具的学习，体会科学家对数学模型的探索精神，培养科学严谨的学习态度和精益求精的工匠精神。

第三章刚体动力学

3.1刚体动力学简介

3.2平移运动的描述与仿真

3.3旋转运动的描述与仿