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篇1

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué) 仿真實(shí)驗(yàn) 探討

中圖分類(lèi)號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2013）08（b）-0040-02

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)素質(zhì)教育的重要組成部分，是鞏固課堂所學(xué)知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究方法、實(shí)驗(yàn)基本技能以及創(chuàng)新能力的重要途徑。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革有助于提升整體教學(xué)水平。實(shí)驗(yàn)室硬件水平是開(kāi)展教學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本保障，但由于人力、物力、財(cái)力的限制，實(shí)驗(yàn)室硬件通常不能滿足實(shí)際教學(xué)需求。比如，實(shí)驗(yàn)室缺乏必要的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備導(dǎo)致教學(xué)計(jì)劃中的一些教學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)法順利開(kāi)展，或者部分教學(xué)設(shè)備陳舊老化、數(shù)量嚴(yán)重不足，無(wú)法為每個(gè)學(xué)生提供全程動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，另外某些專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴甚至實(shí)驗(yàn)過(guò)程存在一定的危險(xiǎn)性也導(dǎo)致許多學(xué)校在開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)常常有所保留。有些實(shí)驗(yàn)受到場(chǎng)地和課時(shí)限制，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)效果不理想，這些都直接影響了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。上述問(wèn)題除了通過(guò)合理的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和設(shè)備購(gòu)置來(lái)解決外，還可借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)解決。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)是指在交互狀態(tài)下，借助編程軟件、多媒體、仿真等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助、部分替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，學(xué)生可以像在真實(shí)環(huán)境一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所得的結(jié)果甚至優(yōu)于實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)具有很多的優(yōu)點(diǎn)它營(yíng)造了多樣化的教學(xué)環(huán)境，能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；將仿真實(shí)驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)鏈接后，學(xué)生可以利用校園網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間的限制；可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，實(shí)現(xiàn)多種實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

一些高等院校和企業(yè)開(kāi)發(fā)了適用于不同專(zhuān)業(yè)、實(shí)現(xiàn)不同功能的實(shí)驗(yàn)仿真軟件，促進(jìn)了仿真實(shí)驗(yàn)在工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。如能實(shí)現(xiàn)離心泵測(cè)定、精餾、吸收等功能的化工原理仿真實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證電工基本定理的電工電子仿真實(shí)驗(yàn)、大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)、建筑工程仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)等。在熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)中有西安交通大學(xué)[1]開(kāi)發(fā)的制冷過(guò)程多媒體演示與模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)，浙江大學(xué)[2]開(kāi)發(fā)的基于web的小型冷庫(kù)教學(xué)系統(tǒng)，東南大學(xué)[3]開(kāi)發(fā)的制冷空調(diào)綜合創(chuàng)新模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，長(zhǎng)沙理工大學(xué)[4]開(kāi)發(fā)的能夠?qū)崿F(xiàn)二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、豎壁附近自然對(duì)流換熱和輻射角計(jì)算3個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)的傳熱學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)等。這些仿真實(shí)驗(yàn)借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過(guò)聲音、動(dòng)畫(huà)、彩色圖像等豐富的表現(xiàn)力為學(xué)生提供了內(nèi)容豐富、形象直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，取得了較好的教學(xué)效果。

3 傳熱學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)

傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)，與傳熱學(xué)理論課程互為補(bǔ)充，是課堂理論教學(xué)的繼續(xù)和深化，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的解決工程實(shí)際問(wèn)題能力和研究開(kāi)發(fā)能力具有重要的作用。在傳熱學(xué)教學(xué)中引入仿真實(shí)驗(yàn)，是為了更好地完成大綱中規(guī)定而實(shí)際無(wú)條件實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容。以我校熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)為例，目前本專(zhuān)業(yè)傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量（10臺(tái)）、外掠管束對(duì)流傳熱系數(shù)測(cè)量（2臺(tái)）、換熱器性能測(cè)試（3臺(tái)）等。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)較少且實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)量太少遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法保證每個(gè)同學(xué)的實(shí)際動(dòng)手操作。另外，因?qū)嶒?yàn)設(shè)備使用過(guò)于頻繁導(dǎo)致其老化加快，實(shí)驗(yàn)中就曾出現(xiàn)因設(shè)備部件故障而無(wú)法繼續(xù)實(shí)驗(yàn)的情況，如換熱器性能實(shí)驗(yàn)中因熱電偶出錯(cuò)影響了實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。因此，在不能保證足夠?qū)嶒?yàn)設(shè)備數(shù)量前提下，借助計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)輔助傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能擴(kuò)展本專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，還能幫助學(xué)生深入了解實(shí)驗(yàn)原理，保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。

3.1 傳熱學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)介紹

根據(jù)傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，我們對(duì)現(xiàn)有的硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了綜合分析，確定了這些設(shè)備能夠開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，把無(wú)法開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)代替。為此，我們開(kāi)發(fā)了一套傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件，下面就此軟件進(jìn)行介紹。

傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件采用的開(kāi)發(fā)工具為Visual Basic 6.0軟件，該軟件可以很方便地實(shí)現(xiàn)用戶界面、菜單、操作按鈕和工具條的制作，能夠完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要的原理演示、實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成顯示、閥門(mén)開(kāi)關(guān)與開(kāi)度調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)幫助等功能，開(kāi)發(fā)的軟件用戶容易上手，使用起來(lái)很方便。圖1為其中的水平圓管壁面自然對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式仿真實(shí)驗(yàn)主界面。界面主要由標(biāo)題欄、狀態(tài)條、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、操作按鈕組成。點(diǎn)擊操作按鈕可以實(shí)現(xiàn)加熱器的電壓調(diào)節(jié)，可以查看并學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的相關(guān)內(nèi)容，還可以查看實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的換熱量和溫度參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化情況以及確定讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件的功能是能實(shí)現(xiàn)圓球法測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)、二維導(dǎo)熱溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算、非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算、水平圓管壁面自然對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式實(shí)驗(yàn)、中溫輻射物體黑度測(cè)試和換熱器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)等6項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備形成互補(bǔ)后，基本上涵蓋了包括導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射和換熱器在內(nèi)的所有傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件采用模塊化建模，開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將每部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為一個(gè)單獨(dú)模塊。每個(gè)模塊中除了包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)動(dòng)畫(huà)圖形外，還包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理方法和思考題等內(nèi)容。開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用了動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)即時(shí)顯示，使模擬實(shí)驗(yàn)更貼近于實(shí)際情形，學(xué)生可根據(jù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化隨時(shí)了解實(shí)驗(yàn)進(jìn)行情況并判斷數(shù)據(jù)讀取的時(shí)機(jī)。由于該仿真軟件詳細(xì)地介紹了每個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理、內(nèi)容、操作步驟、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，所以它也可作為傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)工具使用。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

通過(guò)使用該傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件，取得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。首先，該傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件能夠?qū)崿F(xiàn)因缺少相關(guān)實(shí)驗(yàn)室硬件而無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，完成了傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生使用后，加深了對(duì)數(shù)值計(jì)算、對(duì)流傳熱、輻射、換熱器性能等實(shí)驗(yàn)涉及的理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容的理解，豐富了學(xué)生的傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生對(duì)傳熱學(xué)知識(shí)的全面學(xué)習(xí)和理解。

其次，由于實(shí)驗(yàn)形式新穎，加上界面設(shè)計(jì)友好，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣較高，實(shí)驗(yàn)后普遍反映對(duì)所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)尤其是原理和數(shù)據(jù)處理等相關(guān)內(nèi)容有了更全面和深刻的了解。另外，由于該仿真軟件具有完善的用戶幫助功能，且可以直接在Blackboard教學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行操作，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)不受實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間限制，也可多次進(jìn)行，使用起來(lái)相當(dāng)方便，效果較好。

為了取得更好的教學(xué)效果，未來(lái)將在該傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件中進(jìn)一步增加測(cè)試與評(píng)分模塊，實(shí)現(xiàn)用戶仿真實(shí)驗(yàn)效果的即時(shí)測(cè)試與打分。還將在該實(shí)驗(yàn)仿真軟件中增加更多的動(dòng)態(tài)模擬內(nèi)容，使其更喜迎并方便用戶使用。

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，本文探討了計(jì)算機(jī)仿真在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，分析了仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)我們開(kāi)發(fā)的一套傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真仿真軟件進(jìn)行了介紹，并概括描述了仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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篇2

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，所謂物理實(shí)驗(yàn)，就是根據(jù)物理學(xué)研究目的，選用適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)儀器或?qū)嶒?yàn)裝置，用人為的方法讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象再現(xiàn)，并加以觀察和研究的一種科學(xué)活動(dòng)"物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括力、熱、電、光等科學(xué)技術(shù)研究的各個(gè)方面，它是一切科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。大學(xué)中的物理實(shí)驗(yàn)課程已經(jīng)被設(shè)定為必修課程，這一規(guī)定既有助于幫助大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，同時(shí)也是訓(xùn)練大學(xué)生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)端。大學(xué)中物理實(shí)驗(yàn)不僅僅局限于某一領(lǐng)域，而是涉及各個(gè)領(lǐng)域，這說(shuō)明，理工科個(gè)學(xué)科之間存在共性和普遍性，同時(shí)也說(shuō)明了物理實(shí)驗(yàn)在學(xué)科學(xué)習(xí)中的重要性。隨著課程改革目標(biāo)的出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革也進(jìn)一步的落實(shí)，實(shí)驗(yàn)改革在落實(shí)上相比其他課程改革存在一定的難度，實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要依靠的是實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)施的跟進(jìn)，實(shí)驗(yàn)改革最大的目標(biāo)就是放手給學(xué)生去動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，然而很多學(xué)校存在最大的問(wèn)題就是不敢放手讓學(xué)生去使用，限制實(shí)驗(yàn)是開(kāi)放的時(shí)間等等，學(xué)生操作難以進(jìn)行，學(xué)習(xí)成果自然不會(huì)提高。立足于實(shí)驗(yàn)改革中存在的若干問(wèn)題，仿真實(shí)驗(yàn)的誕生無(wú)疑能夠?yàn)檫@些問(wèn)題的解決帶來(lái)福音。特別是作為計(jì)算機(jī)輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的一個(gè)新的發(fā)展，仿真物理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為高校物理實(shí)驗(yàn)改革的亮點(diǎn)。仿真物理實(shí)驗(yàn)最大的優(yōu)勢(shì)就是能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)預(yù)習(xí)準(zhǔn)備的學(xué)習(xí)環(huán)境，可以讓學(xué)生在進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作之前，做得一切準(zhǔn)備工作。

2 對(duì)于仿真實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)概述

所謂仿真實(shí)驗(yàn)，是相對(duì)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)而存在的，兩者的主要差別在于：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所觸及的對(duì)象與事物是否真實(shí)，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中所采用的實(shí)驗(yàn)工具、實(shí)驗(yàn)對(duì)象都是以實(shí)物形態(tài)出現(xiàn)的，而在仿真實(shí)驗(yàn)中，不存在實(shí)物形態(tài)的實(shí)驗(yàn)工具與實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要是對(duì)虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備進(jìn)行操作。仿真物理實(shí)驗(yàn)被作為一種計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件，應(yīng)用于現(xiàn)代教育中，主要是以技能訓(xùn)練為主的一種實(shí)驗(yàn)技能領(lǐng)域的學(xué)習(xí)型軟件，能夠幫助教學(xué)對(duì)象進(jìn)行思想的建構(gòu)，同時(shí)完成實(shí)時(shí)的操作，輔助學(xué)生在開(kāi)始實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作之前進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練。仿真實(shí)驗(yàn)主要提供了一種以教學(xué)理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的一種非實(shí)在性的實(shí)驗(yàn)空間，其本質(zhì)是由計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)的一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)的特征

⑴仿真性。仿真性這一特征從其名稱(chēng)中就不難看出，作為一款輔助型軟件，其最大的特點(diǎn)就是模擬了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，為學(xué)生虛擬一種真實(shí)實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，同時(shí)在仿真實(shí)驗(yàn)中的一些實(shí)驗(yàn)設(shè)施與實(shí)際中的實(shí)驗(yàn)設(shè)施幾乎相同，學(xué)生在操作的過(guò)程中能夠真實(shí)的感受實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，如同置身真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境一般。

⑵交互性。與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境不同，仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┙o學(xué)生更多的交流感，使其與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行雙向的交流，同時(shí)可以自由的對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)施進(jìn)行操作和選擇，減少了了實(shí)際操中的一些束縛。

⑶靈活性。仿真實(shí)驗(yàn)最大的特點(diǎn)，在教學(xué)改革過(guò)程中改變最大的就是他的靈活性，學(xué)生在進(jìn)行傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中遇到了很多阻力，其中最常見(jiàn)的就是一些教師不敢放手將實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放給學(xué)生，當(dāng)然這里有許多的原因，如設(shè)備的維護(hù)、購(gòu)置、費(fèi)用等等因素。仿真實(shí)驗(yàn)的研發(fā)就大大解決了這一問(wèn)題，仿真實(shí)驗(yàn)易于擴(kuò)充維護(hù)，操作方便，可以隨時(shí)開(kāi)放，反復(fù)實(shí)踐，提高辦學(xué)效率，而且仿真實(shí)驗(yàn)靈活方便，便于實(shí)現(xiàn)資源共享。

3 大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

3.1 營(yíng)造多樣化學(xué)習(xí)環(huán)境，打破了時(shí)間和空間的局限

與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比較，仿真物理實(shí)驗(yàn)主要結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)，建構(gòu)了多媒體的教學(xué)平臺(tái)，為課堂的教學(xué)環(huán)境帶來(lái)了創(chuàng)新點(diǎn)，也大大提高了課堂的新鮮感。同時(shí)仿真物理實(shí)驗(yàn)也在教學(xué)的時(shí)間和空間上得到了延伸，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，總是苦惱于課前的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和課后的實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)室的短暫的學(xué)習(xí)時(shí)間，無(wú)法滿足學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)課的認(rèn)知需求，仿真實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)，大大緩解了這些壓力，學(xué)生可以自由的選擇學(xué)習(xí)的時(shí)間和地點(diǎn)，對(duì)于提高自主學(xué)習(xí)有很大的幫助。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，保證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和數(shù)量

傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，存在一些實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備置購(gòu)得難題，特別是一些近代的物理實(shí)驗(yàn)，需要的實(shí)驗(yàn)器材價(jià)格昂貴，同時(shí)在操作上也相對(duì)復(fù)雜，出于對(duì)資金的考慮，很多高校無(wú)力開(kāi)設(shè)這些實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)課程的縮減必然會(huì)影響學(xué)生的一些正常的學(xué)習(xí)進(jìn)度。仿真物理實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)大大解決了這一難題，有了好的仿真實(shí)驗(yàn)軟件，那些耗資大的實(shí)驗(yàn)同樣可以開(kāi)設(shè)，從而保證了實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目和數(shù)量。

篇3

【關(guān)鍵詞】proteus；仿真實(shí)驗(yàn)室；構(gòu)建

一、proteus仿真實(shí)驗(yàn)室概念

proteus仿真實(shí)驗(yàn)室就是把計(jì)算機(jī)當(dāng)作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)中心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電路分析、數(shù)字電路、嵌入式系統(tǒng)（單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、arm應(yīng)用系統(tǒng)）、模擬電路、微機(jī)原理與接口技術(shù)等課程，在計(jì)算機(jī)軟件上進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試等通常在實(shí)驗(yàn)室完成的實(shí)驗(yàn)。proteus仿真實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)主要是電路分析、數(shù)字電路、模擬電路、嵌入式系統(tǒng)（單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、arm應(yīng)用系統(tǒng)）等課程的實(shí)驗(yàn)和研究。

二、proteus虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

proteus虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，以建立在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的proteus軟件平臺(tái)為基礎(chǔ)，構(gòu)建一個(gè)完整的proteus實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。在proteus實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，從原理圖設(shè)計(jì)、單片機(jī)編程、系統(tǒng)仿真到pcb設(shè)計(jì)一氣呵成，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。

（1）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。從圖中可知，proteus實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是建立在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的。為了使更多的模擬實(shí)驗(yàn)者參與到仿真實(shí)驗(yàn)中來(lái)，實(shí)現(xiàn)資源共享，要發(fā)揮proteus實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)資源開(kāi)放的作用，實(shí)現(xiàn)多人參與實(shí)驗(yàn)，以proteus服務(wù)器為網(wǎng)絡(luò)中心，實(shí)現(xiàn)proteus仿真實(shí)驗(yàn)的全覆蓋。（2）proteus軟件平臺(tái)。proteus是一種強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件，能夠提供智能原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)，spic模擬電路、數(shù)字電路以及mcu器件混合仿真系統(tǒng)和pcb設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能。（3）proteus實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。proteus實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是仿真實(shí)驗(yàn)室的核心，其系統(tǒng)能夠在實(shí)驗(yàn)中直觀的顯示實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，通過(guò)圖形顯現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的每個(gè)細(xì)節(jié)，使參與實(shí)驗(yàn)操作的人員能夠?qū)?shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)有個(gè)感官的過(guò)程。

三、單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容構(gòu)成

proteus軟件具有動(dòng)態(tài)的模仿優(yōu)勢(shì)，在教學(xué)中可以通過(guò)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》這門(mén)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析研究，對(duì)教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行拆分和綜合，可將proteus單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)性試驗(yàn)、綜合性試驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)性試驗(yàn)是對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的將學(xué)生在課堂上所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行消化，同時(shí)學(xué)會(huì)用pro

teus軟件系統(tǒng)解決課堂上出現(xiàn)的問(wèn)題，使課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合；綜合性實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下，運(yùn)用mcu解決命題性實(shí)驗(yàn)的題目，學(xué)生按照擬定的題目?jī)?nèi)容進(jìn)行電路圖設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試、代碼的編寫(xiě)、pcb設(shè)計(jì)、制作pcb和驗(yàn)證pcb設(shè)計(jì)等一系列過(guò)程。由于在proteus軟件平臺(tái)上，一個(gè)產(chǎn)品項(xiàng)目可以做到從原理圖設(shè)計(jì)、單片機(jī)編程、系統(tǒng)仿真到pcb設(shè)計(jì)的完整過(guò)程，實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。而完整的工作過(guò)程包括資訊、計(jì)劃、決策、實(shí)施、檢查、評(píng)估6個(gè)環(huán)節(jié)，項(xiàng)目化實(shí)驗(yàn)主要有四個(gè)步驟：（1）工作任務(wù)的描述。包括工作任務(wù)在整個(gè)工作體系中所表現(xiàn)的出的作用、所處的地位，完成工作任務(wù)需要的設(shè)備、工具和材料等等；（2）現(xiàn)場(chǎng)演示與理論講解。教師根據(jù)工作任務(wù)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作品演示，演示作品制作的過(guò)程，加深學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)在演示文本的過(guò)程穿插理論的講解，引導(dǎo)學(xué)生在proteus仿真實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建理論知識(shí)；（3）項(xiàng)目的實(shí)施。根據(jù)老師的講解和工作任務(wù)對(duì)題目進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，完成課題項(xiàng)目；（4）對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。教師對(duì)學(xué)生完成的作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括作品的外觀、產(chǎn)品制作水平和質(zhì)量等級(jí)等，在學(xué)生之間進(jìn)行對(duì)比分析，找出優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此，引入proteus虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后的單片機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程，非常適應(yīng)于采用基于工作過(guò)程的項(xiàng)目式教學(xué)模式，利于單片機(jī)系統(tǒng)課程開(kāi)展基于工作過(guò)程的項(xiàng)目化課程教學(xué)改革。

在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，充分的利用學(xué)校現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)設(shè)備，購(gòu)置proteus軟件，幫助學(xué)生消化教學(xué)中的難點(diǎn)，加強(qiáng)學(xué)生的理解能力，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。引入proteus虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，有利于促成課程和教學(xué)改革，更有利于具備工程實(shí)踐能力的應(yīng)用性人才的培養(yǎng)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]岳東海.基于proteus的虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)踐性教學(xué)中的應(yīng)用[j].常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2007（3）：47～49

篇4

［關(guān)鍵詞］實(shí)驗(yàn)室技術(shù)和方法；教學(xué)方法；仿生學(xué)；計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)

1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵與建設(shè)任務(wù)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵包含2個(gè)方面：（1）具有智能發(fā)展性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)要根據(jù)學(xué)科的發(fā)展規(guī)劃以及學(xué)科建設(shè)的新要求，在當(dāng)前現(xiàn)有的資源基礎(chǔ)上不斷加入新的內(nèi)容、新的知識(shí)和新的技術(shù)手段［3］。（2）具有可持續(xù)發(fā)展性。即保證發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)性和不間斷性，這就要求虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心要立足學(xué)校的高度，打破學(xué)科的局限，整合各學(xué)科信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，發(fā)揮企業(yè)開(kāi)發(fā)實(shí)力強(qiáng)、支持服務(wù)能力好的優(yōu)勢(shì)，以培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力與創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)，創(chuàng)造性地建設(shè)與應(yīng)用高水平軟件共享虛擬實(shí)驗(yàn)、儀器共享虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)等教學(xué)資源，提高教學(xué)能力，拓展實(shí)踐領(lǐng)域，豐富教學(xué)內(nèi)容，降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，開(kāi)展綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)［4］。具體應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：（1）管理平臺(tái)的建設(shè)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心不是單一學(xué)科專(zhuān)業(yè)的封閉式實(shí)驗(yàn)室，而應(yīng)該是多學(xué)科、多學(xué)校、多地區(qū)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺(tái)，需要一個(gè)兼容性強(qiáng)，且具備擴(kuò)展性和前瞻性的共享管理平臺(tái)來(lái)管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，以實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外、本地區(qū)及更廣范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享。（2）保障持續(xù)性運(yùn)行經(jīng)費(fèi)的投入。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)與發(fā)展需要虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與軟件的不斷開(kāi)發(fā)、維護(hù)與更新，必須要有持續(xù)性的經(jīng)費(fèi)支持，沒(méi)有持續(xù)性的經(jīng)費(fèi)支持，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心不可能得到良好持續(xù)的發(fā)展。（3）建立管理體制與運(yùn)行機(jī)制。完善良好的管理體制和合理的運(yùn)行機(jī)制是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心高效運(yùn)轉(zhuǎn)的前提，多學(xué)科、多專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源融合平臺(tái)需要有好的管理體制與運(yùn)行機(jī)制以確保各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)［5］。（4）探索校企共建共管的新模式和新途徑，建立可持續(xù)發(fā)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)支撐體系。

2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的必要性

培養(yǎng)創(chuàng)新型和實(shí)用型的“一專(zhuān)多能”高素質(zhì)檢驗(yàn)人才離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)這一重要環(huán)節(jié)。醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是針對(duì)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象及過(guò)程，通過(guò)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體等技術(shù)及相關(guān)設(shè)備將操作實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法步驟等相互結(jié)合構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生能在高仿真度的虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)所要求的教學(xué)效果［6］。而醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)是一門(mén)實(shí)踐性和應(yīng)用性均很強(qiáng)的學(xué)科。臨床檢驗(yàn)工作者要熟練掌握常用檢驗(yàn)儀器的實(shí)驗(yàn)原理與操作技能，具備分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的獨(dú)立工作能力，這需要經(jīng)歷一個(gè)較漫長(zhǎng)的過(guò)程。長(zhǎng)期以來(lái)，檢驗(yàn)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)常以教師授課、學(xué)生聽(tīng)課及進(jìn)行常規(guī)的實(shí)驗(yàn)操作和課后看書(shū)復(fù)習(xí)的傳統(tǒng)教學(xué)模式為主，學(xué)生實(shí)操能力的培養(yǎng)受到一定實(shí)驗(yàn)條件的限制［7］。因此，可依托虛擬臨床實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)與虛擬實(shí)驗(yàn)操作流程，讓操作者可以通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，擺脫傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的種種限制，讓學(xué)生“身臨其境”地操作虛擬儀器和其他實(shí)驗(yàn)器材自主選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、模擬操作過(guò)程，通過(guò)對(duì)虛擬世界的體驗(yàn)和交互作用加快熟悉檢驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容，從而達(dá)到教學(xué)大綱的教學(xué)要求與學(xué)習(xí)效果。虛擬仿真教學(xué)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助有段可有效解決過(guò)去醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)教學(xué)的難題：（1）為解決醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)高、精、昂貴儀器培訓(xùn)難的困擾提供了條件。醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)離不開(kāi)高、精、昂貴的儀器設(shè)備（如全自動(dòng)生化分析儀、高精酶標(biāo)儀、流式細(xì)胞儀等），然而在學(xué)生上實(shí)操課、見(jiàn)習(xí)及各級(jí)各類(lèi)培訓(xùn)過(guò)程中不可能拆分儀器和實(shí)時(shí)親手操作這些儀器設(shè)備，而通過(guò)虛擬的儀器設(shè)備可很好地解決這一難題，實(shí)現(xiàn)對(duì)高、精、昂貴的儀器設(shè)備的操作，達(dá)到醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)機(jī)能與培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)思維的目的［8］。（2）規(guī)范檢驗(yàn)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化操作培訓(xùn)。通過(guò)模擬操作檢驗(yàn)過(guò)程（如細(xì)菌接種培養(yǎng)、靜脈血標(biāo)本和骨髓標(biāo)本的采集等）規(guī)范學(xué)生的臨床檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)操作，掌握相關(guān)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化操作程序，提高臨床實(shí)踐能力。（3）規(guī)避檢驗(yàn)技術(shù)培訓(xùn)的生物安全問(wèn)題。在虛擬環(huán)境下進(jìn)行仿真儀器操作與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目訓(xùn)練不需要接觸真實(shí)的設(shè)備和疾病標(biāo)本，避免了受感染、受傷的危險(xiǎn)性。（4）節(jié)約檢驗(yàn)技術(shù)培訓(xùn)的實(shí)驗(yàn)器械、試劑等耗材成本。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中學(xué)習(xí)及操作虛擬實(shí)驗(yàn)可反復(fù)多次訓(xùn)練，不存在實(shí)驗(yàn)器械、耗材與試劑（如昂貴的抗體）的消耗，節(jié)省使用、維護(hù)成本。（5）解決臨床檢驗(yàn)中疑難罕見(jiàn)形態(tài)學(xué)資源短缺問(wèn)題。在虛擬形態(tài)學(xué)圖片庫(kù)中可隨時(shí)搜索并學(xué)習(xí)到一些在臨床工作中少見(jiàn)的細(xì)菌（紅斑丹毒絲狀菌）、病毒（漢坦病毒）、寄生蟲(chóng)（環(huán)孢子蟲(chóng)）、白血病細(xì)胞及一些罕見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、結(jié)果等，可達(dá)到實(shí)際實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的效果，使操作者的學(xué)習(xí)事半功倍，大大縮短了學(xué)生進(jìn)入臨床檢驗(yàn)工作的適應(yīng)期。（6）增加學(xué)生對(duì)檢驗(yàn)技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣和效果。在逼真的軟件系統(tǒng)與豐富的數(shù)字化資源中自由尋覓，遠(yuǎn)比枯燥的課本、笨重的儀器、漫長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)等待更能吸引學(xué)生的興趣，從而提高學(xué)習(xí)效果。（7）臨床檢驗(yàn)人員的再教育也可充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。讓臨床檢驗(yàn)人員在工作之余根據(jù)自己的興趣和愛(ài)好在逼真的軟件系統(tǒng)與豐富的數(shù)字化資源中自由學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技術(shù)、新進(jìn)展，達(dá)到再次提升技能的目的。（8）在課余時(shí)間，學(xué)生可利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心進(jìn)行科研設(shè)計(jì)和預(yù)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生進(jìn)入虛擬場(chǎng)景，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并完成實(shí)驗(yàn)，這樣不僅能鍛煉學(xué)生的獨(dú)立構(gòu)思和設(shè)計(jì)能力，且能激發(fā)學(xué)生的科研興趣，更有利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新型和實(shí)用型人才。

3制約虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)題

從2013年啟動(dòng)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作至今已有數(shù)年，全國(guó)已有300余家國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，但在管理機(jī)制和運(yùn)行機(jī)制等方面尚不盡完善，存在一些問(wèn)題：（1）資源利用不高及浪費(fèi)嚴(yán)重。部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心利用率不高，加上新技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)致一些資源的折舊率很高。應(yīng)將每個(gè)高校各自不同實(shí)驗(yàn)室的資源進(jìn)行整合以提高利用率［9］。（2）后續(xù)投入的經(jīng)費(fèi)不足。大部分高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)模式為一次性建設(shè)，在建設(shè)完成后很少有經(jīng)費(fèi)的持續(xù)性投入，但虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)是一個(gè)持續(xù)性過(guò)程，虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的增設(shè)、軟件的更新均需要后續(xù)的擴(kuò)展與完善，均需要持續(xù)性的經(jīng)費(fèi)投入。（3）管理機(jī)制和運(yùn)行機(jī)制尚不夠完善。部分高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心無(wú)法發(fā)揮多學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，缺乏統(tǒng)一的管理平臺(tái)，在資源整合方面做得不夠細(xì)致，從而導(dǎo)致利用率不高［10］。（4）知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)力度不夠。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)過(guò)程中每一個(gè)新的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)均是工作人員智慧與汗水的結(jié)晶，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)與獎(jiǎng)勵(lì)。但目前大部分高校僅將此當(dāng)作其工作職責(zé)與工作義務(wù)看待。對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和建設(shè)人員的效益激勵(lì)力度不夠，在一定程度上阻礙了虛擬仿真教學(xué)中心的可持續(xù)性發(fā)展［11］。

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關(guān)鍵詞 虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)；教學(xué)資源

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2015）22-0149-02

Some Thinkings on Virtual Simulation Experiment Teaching//YUE Fengli， CAI Ling， ZHANG Xin， CHEN Ke

Abstract Based on the virtual experimental platform， some relevant experiments are designed according to the syllabus and the experimental teaching resources are shared. The virtual simulation experiment platform is constructed， which has profound significance in breaking the limits of time and space， realizing the real-time interaction and collaboration between the teachers’ teaching and students’ studying， sharing of educational resources.

Key words virtual simulation； experiment platform； experimental teaching resources

1 前言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托現(xiàn)代計(jì)算機(jī)等手段，通過(guò)動(dòng)畫(huà)與計(jì)算機(jī)模擬構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停箤W(xué)生在網(wǎng)絡(luò)終端開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)根據(jù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)大綱進(jìn)行設(shè)計(jì)，發(fā)揮專(zhuān)業(yè)教師的主觀能動(dòng)性，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與編制。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)是一個(gè)多學(xué)科合作的項(xiàng)目，涉及專(zhuān)業(yè)教學(xué)、計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、工程仿真等方面，需要學(xué)校進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，必要時(shí)可以和專(zhuān)業(yè)軟件公司合作，共同完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心應(yīng)實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。在涉及高危或復(fù)雜、難以重復(fù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等情況時(shí)，提供安全、可靠和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色，將教師的科研成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中，注重對(duì)學(xué)生專(zhuān)業(yè)技能和專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新技能的培養(yǎng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)發(fā)揮學(xué)校學(xué)科專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)，整合學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器與設(shè)備，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的統(tǒng)籌規(guī)劃。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心功能

1）利用信息化的重要技術(shù)，如有限元模擬、實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫(huà)、企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)錄像、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真，增強(qiáng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)掌握和基本能力訓(xùn)練；

2）構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，輸入實(shí)驗(yàn)參數(shù)，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案的合理性；

3）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為車(chē)輛工程教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)服務(wù)，按照教學(xué)大綱的要求，合理安排實(shí)驗(yàn)資源，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開(kāi)放共享。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心效果

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按照教學(xué)大綱設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，包括實(shí)驗(yàn)大綱、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程動(dòng)態(tài)演示、實(shí)現(xiàn)操作視頻、實(shí)驗(yàn)作業(yè)等，制作不同工藝參數(shù)的影響規(guī)律仿真動(dòng)畫(huà)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話與實(shí)驗(yàn)資源共享。學(xué)生可以通過(guò)客戶端直觀地看到各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)過(guò)程的規(guī)律，深入理解相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，有更多機(jī)會(huì)參加高水平的實(shí)驗(yàn)，享用優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神得到提升。同時(shí)使教師教學(xué)理念得到更新，教學(xué)能力得到提升，促進(jìn)教學(xué)管理體系和能力現(xiàn)代化。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺(tái)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)功能框架如圖1所示。學(xué)生登錄系統(tǒng)后，進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面，根據(jù)專(zhuān)業(yè)方向，選擇希望學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。用戶通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以查看對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)講義（包括實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)作業(yè)）、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程與操作視頻，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。在虛擬實(shí)驗(yàn)界面下，用戶自行確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，系統(tǒng)通過(guò)后臺(tái)分析，確定與該實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果仿真動(dòng)畫(huà)，并提供實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片對(duì)比分析。用戶還可以進(jìn)一步下載仿真結(jié)果后處理文件，利用有限元工具，進(jìn)行后處理分析，獲得各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

此外，系統(tǒng)還提供了BBS論壇功能，學(xué)生可以把實(shí)驗(yàn)過(guò)程遇到的問(wèn)題提出來(lái)，與教師一起討論，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性與積極性。系統(tǒng)管理功能可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目查詢(xún)、實(shí)驗(yàn)人員管理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理、系統(tǒng)幫助與系統(tǒng)推出等功能。考慮到學(xué)生缺少企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工作經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)還提供了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)仿真功能，學(xué)生可以以通過(guò)該功能了解企業(yè)生產(chǎn)一線設(shè)備與工藝情況，加深對(duì)本專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解深度與廣度。

通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)：

1）幫助學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和了解相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，掌握實(shí)驗(yàn)技能；

2）學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)完成并提交實(shí)驗(yàn)作業(yè)與報(bào)告，及時(shí)和專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)教師進(jìn)行溝通；

3）學(xué)生可以根據(jù)自身實(shí)際情況合理安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間，避免因故錯(cuò)過(guò)實(shí)驗(yàn)課程的訓(xùn)練環(huán)節(jié)；

4）實(shí)驗(yàn)教師可以及時(shí)掌握學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的情況，同時(shí)也可以為學(xué)生在真實(shí)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)約安排。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是各教學(xué)單位實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是未來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，有助于教師合理科學(xué)地安排專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，最大效率地發(fā)揮學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力，同時(shí)也有助于學(xué)生掌握本專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)技能，靈活安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間。■

參考文獻(xiàn)

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四、虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的構(gòu)想

據(jù)教育部“十二五”發(fā)展規(guī)劃，工程實(shí)驗(yàn)室將在信息集成技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和敏捷制造技術(shù)等方面尋求重大突破，大力推廣和應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)。為此，學(xué)校機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中心在現(xiàn)有的軟硬件基礎(chǔ)上，依托工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)和教育技術(shù)等專(zhuān)業(yè)技術(shù)，積極籌劃?rùn)C(jī)械工程虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)、開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既可豐富學(xué)習(xí)資源、緩解儀器設(shè)備的不足，又能體現(xiàn)個(gè)性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，改進(jìn)教學(xué)模式，提高教學(xué)效果。根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目情況，初步設(shè)想虛擬實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要為機(jī)構(gòu)展示、虛擬仿真和性能測(cè)試三個(gè)方面，隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的不斷深入，實(shí)驗(yàn)類(lèi)型和數(shù)量都會(huì)逐步增加，最終形成完善的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

五、結(jié)語(yǔ)

從紅河學(xué)院工學(xué)院對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用情況看，部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用效果較好，顯示了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，彌補(bǔ)了儀器設(shè)備老化和不足的問(wèn)題。通過(guò)使用該類(lèi)虛擬實(shí)驗(yàn)，可增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，降低實(shí)驗(yàn)成本，在實(shí)驗(yàn)條件不足時(shí)，可部分代替實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程。結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和教育技術(shù)等，相信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

【注 釋】

［1］ 蔡衛(wèi)國(guó).虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011.28(8)76-78.

［2］ 郭桂蘋(píng),南岳松.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究現(xiàn)狀及問(wèn)題分析［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2010.13(5)175-178.

［3］ 魏蕓.虛擬實(shí)驗(yàn)的分析與研究［J］.科技信息，2010(35)5-6.

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篇7

關(guān)鍵詞：有限元 醫(yī)學(xué) 仿真實(shí)驗(yàn)

Research of experimental of medical's Finite Element Analysis（FEA） simulation

Niu Xiaodong， Lu Lirong

Shanxi Changzhi medical college， Changzhi， 046000， China

Abstract： It will solve many complex problems if apply FEA to medical research， and these problems are difficult to solve but need to be solved in the physics of medical applications. So that it can provides theoretical guidance and scientific foundation for medical research and clinical treatment. Have the experimental course of medical’s FEA simulation， medical colleges have a very important significance for student’s study， teacher’s teaching and research， cooperation of college and affiliated hospitals.

Key words： FEA； medical； experimental of simulation

有限元分析是一種廣泛應(yīng)用于工程科學(xué)技術(shù)的數(shù)學(xué)物理方法，用于模擬并解決各種工程力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等物理場(chǎng)問(wèn)題。1956年Turner等人提出有限元（Finite Element，F(xiàn)E）的概念。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過(guò)對(duì)離散體進(jìn)行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果替代對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實(shí)際工程需要解決而理論分析又無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到越來(lái)越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車(chē)到航天飛機(jī)大多數(shù)設(shè)計(jì)制造已離不開(kāi)有限元分析計(jì)算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車(chē)、土木建筑、電子電器、國(guó)防軍工、生物醫(yī)學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

1 醫(yī)學(xué)有限元國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

有限元方法最早應(yīng)用于骨科研究，開(kāi)始于脊柱生物力學(xué)[1]。幾十年來(lái)其在解決生物力學(xué)問(wèn)題上得到了廣泛應(yīng)用，尤其近年來(lái)，隨著數(shù)字及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，有限元法本身已不再是相對(duì)獨(dú)立地研究生物力學(xué)性質(zhì)，它越來(lái)越多地與各種動(dòng)力學(xué)模型、參數(shù)優(yōu)化選擇、臨床放射學(xué)與實(shí)物測(cè)量、有機(jī)化學(xué)、組織學(xué)與免疫組化等方法巧妙結(jié)合，使結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，成為生物力學(xué)研究中的一種重要工具。有限元方法在醫(yī)學(xué)上的研究主要包括以下四個(gè)方面。

1.1 有限元模型的建立

有限元模型的建立，直接影響有限元仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度、計(jì)算機(jī)計(jì)算過(guò)程、計(jì)算時(shí)間的長(zhǎng)短，且模型建立的優(yōu)劣與建模人員的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)和有限元知識(shí)分不開(kāi)。現(xiàn)有研究的模型包括：人眼[2]、牙齒及矯正器[3]、脊柱[4]、顱腦骨骼[5]、胃[6]等人體骨骼及器官的三維有限元模型。

1.2 力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真

A.Pandolfi，F(xiàn).Manganiello對(duì)所建立的人眼角膜模型進(jìn)行了力學(xué)分析[7]。Tammy L HD等對(duì)建立的脛股關(guān)節(jié)三維有限元模型分析了骨骼變形對(duì)關(guān)節(jié)面接觸行為的影響以及約束關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)對(duì)接觸應(yīng)力的影響等[8]。

脊柱生物力學(xué)仿真是有限元法在生物力學(xué)中研究最早、分析最多、臨床上應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。杜東鵬等則對(duì)腰椎間盤(pán)膨隆的力學(xué)機(jī)制與腰椎疲勞骨折分別進(jìn)行了探討[9]。

頭顱及顳下關(guān)節(jié)也是有限元在生物力學(xué)中研究的重點(diǎn)。呂長(zhǎng)生等對(duì)建立的足部骨組織模型進(jìn)行有限元分析，為運(yùn)動(dòng)損傷或運(yùn)動(dòng)鞋的評(píng)價(jià)等提供了依據(jù)[10]。王芳等建立并驗(yàn)證中國(guó)人全頸椎有限元模型，用于揮鞭樣損傷分析[11]。米那瓦爾?阿不都熱依木采用有限元方法，對(duì)頜面外科手術(shù)術(shù)后的顏面軟組織形態(tài)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)[12]。

1.3 醫(yī)療器械的力學(xué)性能評(píng)價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

牙科是有限元法在臨床應(yīng)用中的一大領(lǐng)域，相應(yīng)的各種牙科固定器材得以研制開(kāi)發(fā)，這些器材的力學(xué)性能又是研制過(guò)程中重點(diǎn)解決的問(wèn)題。蔡玉惠等研究了RPA卡環(huán)在游離端義齒應(yīng)用中支持組織的應(yīng)力分布狀況，對(duì)RPA卡環(huán)的臨床應(yīng)用具有力學(xué)上的指導(dǎo)作用[9]。

在內(nèi)固定鋼板方面，張美超等從臨床應(yīng)用出發(fā)，利用有限元法對(duì)頸前路蝶型鋼板進(jìn)行生物力學(xué)模擬分析，得到了與其一致的易斷裂部位預(yù)測(cè)[9]。

在人工關(guān)節(jié)方面，Heegaard JH等建立了髕骨的計(jì)算模型，并且模擬了在人工膝關(guān)節(jié)中去掉股骨假體對(duì)髕骨活動(dòng)的影響[13]。王永書(shū)等對(duì)患者胸腰椎爆裂性骨折節(jié)段（T12～L2）部位利用有限元進(jìn)行手術(shù)模擬，均與標(biāo)本模型及術(shù)后CT掃描基本相符[14]。

1.4 血流動(dòng)力學(xué)CFD應(yīng)用

Tarbell JM用FIDAP和Fluent軟件進(jìn)行了血管壁中組織液流動(dòng)的數(shù)值研究[15]。喬愛(ài)科等利用有限元分析方法得出冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)中對(duì)稱(chēng)雙路搭橋比單路搭橋具有更合理的血流動(dòng)力學(xué)，可以避免動(dòng)脈粥樣硬化的危險(xiǎn)性血流動(dòng)力學(xué)因素，從而減少手術(shù)再狹窄的發(fā)生[16]。楊金有應(yīng)用CFD計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行人體主動(dòng)脈內(nèi)血流數(shù)值模擬分析，為闡明血管疾病的發(fā)病機(jī)理提供理論依據(jù)[17]。姚偉用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent計(jì)算人體小腿骨間膜組織間隙中蛋白質(zhì)非均勻分布情況下組織液流動(dòng)[18]。

2 醫(yī)學(xué)有限元仿真實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)上述醫(yī)學(xué)有限元研究可得醫(yī)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)的方法主要分為四步：（1）通過(guò)螺旋CT技術(shù)，采集大量的樣本圖像。運(yùn)用現(xiàn)有醫(yī)用物理實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)對(duì)樣本圖像進(jìn)行建模處理，并進(jìn)行相關(guān)的有限元分析。（2）通過(guò)查閱相關(guān)國(guó)內(nèi)外資料，針對(duì)所需建立模型的生理、物理等參數(shù)特性，在幾種常用圖像處理軟件（Mimcs，Proe等）中選取較為合理準(zhǔn)確的有限元建模軟件。（3）在常用有限元分析軟件（ANSYS，F(xiàn)luent等）中選取較為合理準(zhǔn)確的軟件對(duì)模型進(jìn)行有限元分析。（4）將有限元分析結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析有限元模型的準(zhǔn)確性。

3 有限元法在醫(yī)學(xué)研究中的優(yōu)勢(shì)

有限元法在醫(yī)學(xué)研究中具有四個(gè)方面的突出優(yōu)勢(shì)：（1）可根據(jù)需要產(chǎn)生各種各樣的標(biāo)本，對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件仿真，模擬拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等各種力學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以在不同實(shí)驗(yàn)條件下模擬任意部位變形、應(yīng)力/應(yīng)變分布、內(nèi)部能量變化、極限破壞分析等情況。（2）標(biāo)本也可以進(jìn)行修正以模擬任何病理狀態(tài)。同一個(gè)標(biāo)本在虛擬計(jì)算中可進(jìn)行無(wú)數(shù)次加載或組合而不會(huì)被損壞。（3）其結(jié)果不受實(shí)驗(yàn)條件的影響，也排除了實(shí)驗(yàn)條件造成的誤差，而且可以重復(fù)計(jì)算，節(jié)約成本。（4）利用有限元法進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、費(fèi)用少、可模擬復(fù)雜條件、力學(xué)性能測(cè)試全面及可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

4 醫(yī)學(xué)院校開(kāi)展醫(yī)學(xué)有限元仿真實(shí)驗(yàn)的意義

在醫(yī)學(xué)院校開(kāi)展醫(yī)學(xué)有限元仿真實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生將相關(guān)醫(yī)學(xué)、物理、生物等課程的知識(shí)綜合應(yīng)用于仿真實(shí)驗(yàn)中，給生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供更為廣闊的范圍，使研究具有更高的水平；激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和熱情，使學(xué)生在自主科研創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證、研究。同時(shí)，開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)要求教師不僅需要對(duì)本專(zhuān)業(yè)知識(shí)做到“了如指掌”，而且需要教師具有仿真實(shí)驗(yàn)相關(guān)的醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等非本專(zhuān)業(yè)學(xué)科的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，還要求教師必須掌握螺旋CT掃描技術(shù)，Mimics，ANSYS等建模、仿真軟件的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。這些知識(shí)對(duì)于教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研水平的提高具有十分重要而深遠(yuǎn)的意義。在開(kāi)展醫(yī)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建設(shè)醫(yī)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室，不僅可以為學(xué)生提供畢業(yè)實(shí)習(xí)條件，加強(qiáng)實(shí)習(xí)基地建設(shè)，而且與醫(yī)院相關(guān)科室進(jìn)行合作，可以在生物力學(xué)基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)手術(shù)中、長(zhǎng)期效果，對(duì)醫(yī)生手術(shù)具有較為科學(xué)的指導(dǎo)，加強(qiáng)了學(xué)校與醫(yī)院的合作。

5 結(jié)束語(yǔ)

建立醫(yī)學(xué)有限元實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：（1）醫(yī)用有限元模型快速準(zhǔn)確的建立。模型的快速準(zhǔn)確建立可以減少仿真實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間、降低費(fèi)用、增加仿真的準(zhǔn)確性和可信性。（2）建立通用的有限元模型庫(kù)，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此需要在具體實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中逐步探索和積累。

將工程有限元分析同醫(yī)學(xué)結(jié)合開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課，屬于多學(xué)科之間的交叉領(lǐng)域，不僅可以提高學(xué)生對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)與學(xué)習(xí)深造的競(jìng)爭(zhēng)力，而且可以加強(qiáng)多學(xué)科教師的教學(xué)和科研合作，提高教師的教學(xué)科研水平。同時(shí)提高相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的利用率，為學(xué)生自主開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供平臺(tái)，加強(qiáng)學(xué)校和附屬醫(yī)院的教學(xué)科研合作，為醫(yī)學(xué)院校提供更為廣闊的教學(xué)和科學(xué)研究領(lǐng)域。

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篇8

YenKa的主要功能及特點(diǎn)

YenKa是英國(guó)Crocodile Clips公司開(kāi)發(fā)的一款優(yōu)秀的虛擬仿真教學(xué)軟件，因?yàn)橹饕敲嫦蛴⒄Z(yǔ)國(guó)家銷(xiāo)售，沒(méi)有中文版，所以YenKa在中國(guó)的用戶并不多。其實(shí)它的操作很簡(jiǎn)單，盡管是英文界面，但一點(diǎn)都不復(fù)雜。老師們只要花幾個(gè)小時(shí)學(xué)習(xí)就可以上手了。

該軟件的官方下載地址為http：//，它分學(xué)校版和家庭版，其中家庭版可在家中免費(fèi)使用，打開(kāi)后的界面如下頁(yè)圖1所示。

它的功能強(qiáng)大，能進(jìn)行計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、科學(xué)和通用技術(shù)這四門(mén)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)，良好的用戶界面使得它在教室中使用起來(lái)很方便，特別適用于交互式電子白板。

YenKa的導(dǎo)航菜單簡(jiǎn)潔清晰，主要有：新建實(shí)驗(yàn)（New）、打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)（Open-online）、打開(kāi)本地實(shí)驗(yàn)（Open-local）、變換實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（Change Product）、系統(tǒng)設(shè)置（Settings）等。在網(wǎng)絡(luò)上及本地已有制作好的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停蠋焸兛芍苯哟蜷_(kāi)使用。利用軟件里面的內(nèi)置組件，可輕松地制作一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)YenKa軟件的功能及特點(diǎn)可以看出，目前國(guó)外教學(xué)工具軟件“課程化”的趨勢(shì)非常明顯，即按照課程體系為每個(gè)教學(xué)點(diǎn)提供互動(dòng)學(xué)習(xí)支持，提供配套的學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)指導(dǎo)。而國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品大都只提供軟件和使用說(shuō)明，很少根據(jù)課程體系和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行細(xì)致的配套加工、提供細(xì)致的在線服務(wù)。

利用YenKa進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

利用YenKa能制作出中學(xué)各學(xué)科大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)，所制作的虛擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)高度仿真，老師們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)在創(chuàng)設(shè)情境、驗(yàn)證或猜想結(jié)論等環(huán)節(jié)中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)。引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)和探究解決問(wèn)題的方法，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用。下面將通過(guò)幾個(gè)有代表性的例子說(shuō)明它在教學(xué)中的簡(jiǎn)單應(yīng)用。

1.利用YenKa進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)

利用YenKa能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)、3D模型和坐標(biāo)實(shí)驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)學(xué)中包含有拋骰子、拋硬幣、盒子抽球和轉(zhuǎn)盤(pán)等常用的實(shí)驗(yàn)，3D模型主要是進(jìn)行空間立體圖形的各種邊角等測(cè)量和表面積展開(kāi)等實(shí)驗(yàn)，坐標(biāo)實(shí)驗(yàn)則是進(jìn)行判斷坐標(biāo)位置的游戲。下面進(jìn)行一個(gè)有趣的統(tǒng)計(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)。

案例1：甲乙兩人在玩一個(gè)拋擲兩個(gè)普通正方體骰子的游戲，游戲規(guī)則如下：擲出兩個(gè)骰子的點(diǎn)數(shù)之和為6時(shí)，甲贏；擲出兩個(gè)骰子點(diǎn)數(shù)之和為4時(shí)，乙贏。請(qǐng)回答：①請(qǐng)寫(xiě)出兩點(diǎn)數(shù)之和的所有可能性；②這個(gè)游戲規(guī)則對(duì)雙方公平嗎？③若不公平，請(qǐng)你修改游戲規(guī)則，使它成為一個(gè)公平游戲。

實(shí)驗(yàn)制作起來(lái)很簡(jiǎn)單。首先，進(jìn)入數(shù)學(xué)學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，新建一個(gè)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)文件；其次，單擊左下角的“Objects”按鈕，進(jìn)入內(nèi)置組件庫(kù)，找到“Dice”組件，把它拖到場(chǎng)景中，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)骰子，選中骰子，右擊骰子后進(jìn)入骰子屬性對(duì)話框，把它修改成兩個(gè)骰子；再次，按上一步相同的方法，在組件庫(kù)中拖出統(tǒng)計(jì)直方圖或是統(tǒng)計(jì)餅圖（內(nèi)置有10多種統(tǒng)計(jì)圖）；最后，拖出并設(shè)置好操作按鈕組件就完成了。這里設(shè)置擲骰子的次數(shù)是1000次，單擊“開(kāi)始”按鈕后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，單擊“清除重來(lái)”按鈕重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)會(huì)讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)是不公平的，和為6的有5種情況，和為4的有3種情況，所以不公平。要使和出現(xiàn)概率相同，可以修改游戲規(guī)則為“擲出兩個(gè)骰子的點(diǎn)數(shù)之和為6時(shí)，甲贏；擲出兩個(gè)骰子點(diǎn)數(shù)之和為8時(shí)，乙贏”。

2.利用YenKa進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)

在中小學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教學(xué)當(dāng)中，由于程序語(yǔ)言的各種命令、語(yǔ)法極其枯燥與乏味，程序運(yùn)行過(guò)程抽象，因此很多學(xué)生提不起學(xué)習(xí)的興趣。此時(shí)，可以利用YenKa進(jìn)行仿真教學(xué)，它能把抽象的編程過(guò)程轉(zhuǎn)化為具體的生活場(chǎng)景。例如，通過(guò)設(shè)計(jì)人跳舞、沖咖啡等生活場(chǎng)景的方式把抽象的知識(shí)形象化，從而激發(fā)學(xué)生的能動(dòng)性與挑戰(zhàn)欲，使學(xué)生能輕松地掌握程序語(yǔ)言。

案例2：沖咖啡實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過(guò)編程序制作一杯咖啡。

制作過(guò)程和案例1基本相同。進(jìn)入計(jì)算機(jī)學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，打開(kāi)內(nèi)置組件庫(kù)，里面有現(xiàn)成的供編程用的各種組件，把它們拖到場(chǎng)景中并放在適當(dāng)位置即可。完成后的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖3所示。接著開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自己通過(guò)拖動(dòng)對(duì)象到流程圖中，嘗試制作一杯咖啡。完成流程圖后，單擊“Start”按鈕就可以運(yùn)行程序了，每當(dāng)程序運(yùn)行到其中的一個(gè)步驟時(shí)，場(chǎng)景則會(huì)播放相應(yīng)的動(dòng)畫(huà)，如當(dāng)程序運(yùn)行到加水步驟時(shí)會(huì)播放加水動(dòng)畫(huà)，非常形象和直觀（如圖4）。

3.利用YenKa進(jìn)行物理和化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)

YenKa的科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含物理和化學(xué)這兩門(mén)學(xué)科，包含有無(wú)機(jī)化學(xué)、電化學(xué)、光與聲、運(yùn)動(dòng)、電磁學(xué)、模擬電子和數(shù)字電子這七大類(lèi)實(shí)驗(yàn)。軟件已內(nèi)置有大量現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)，師生們只要打開(kāi)就可直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)了。

案例3：水力發(fā)電站模擬實(shí)驗(yàn)。

在生活中，像發(fā)電站、電磁等模型是比較危險(xiǎn)或不好直接做實(shí)驗(yàn)的，此時(shí)我們就可利用虛擬仿真模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本例是一個(gè)水力發(fā)電站模型，在這個(gè)模型中將會(huì)學(xué)習(xí)到一個(gè)水電站的工作原理。

進(jìn)入科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的“Electricity&Magnetism”（電磁學(xué)），在菜單中找到“Hydro-electric power”（水電）實(shí)驗(yàn)。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景后，見(jiàn)到的只是水電站的外觀圖，單擊“內(nèi)部構(gòu)造”按鈕，就會(huì)出現(xiàn)電站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。把兩個(gè)電力開(kāi)關(guān)閉合，電站開(kāi)始工作，場(chǎng)景開(kāi)始播放發(fā)電的整個(gè)過(guò)程動(dòng)畫(huà)。你可以單擊電站，改變里面的參數(shù)屬性，如果改變的有效值電壓不符合條件，那么電網(wǎng)線路會(huì)燒壞，燒壞后可以修復(fù)電網(wǎng)重新實(shí)驗(yàn)。運(yùn)行效果如圖5所示。

在軟件中還內(nèi)置有大量類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)，限于篇幅不在此一一舉例，這里只再提一下有關(guān)YenKa的通用技術(shù)平臺(tái)。通用技術(shù)平臺(tái)里包含有基本電路、電子、電子線路板、PIC單片機(jī)和傳動(dòng)裝置這五類(lèi)實(shí)驗(yàn)。其操作過(guò)程和前面的實(shí)驗(yàn)基本一樣，差別在于內(nèi)置的組件類(lèi)型和功能不一樣而已。

篇9

[關(guān)鍵詞]虛擬仿真；網(wǎng)絡(luò)教育；手機(jī)App

[DOI]10.13939/ki.zgsc.2016.36.156

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們已無(wú)時(shí)無(wú)刻離不開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。[1]在國(guó)內(nèi)已有部分院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，如上海復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、華中理工大學(xué)、廣州暨南大學(xué)等。未來(lái)的幾年內(nèi)，我國(guó)將有50%的儀器為虛擬儀器。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流。

1 技術(shù)路線

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，信息、消費(fèi)、生產(chǎn)和智慧互聯(lián)，它給我們提供一種偉大精神，這種精神叫作合作共贏、共建共享。2016年某日，筆者在自助銀行遇見(jiàn)幾個(gè)外國(guó)人在那里按來(lái)按去，不時(shí)發(fā)出各種疑問(wèn)的聲音，似乎完不成他們想要的操作。想到他們一定是不會(huì)使用自動(dòng)取款機(jī)，筆者便主動(dòng)關(guān)切地問(wèn)“Can I help you（需要幫忙嗎）？”，沒(méi)想到他們的回答讓筆者感到意外：“We are looking for restaurant（我們正在找飯店）。”幫他們找到想要的飯店后，筆者禁不住反思：既然自動(dòng)取款機(jī)是聯(lián)網(wǎng)的，是不是也可以充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進(jìn)一步延伸其功能，查詢(xún)到附近的飯店、賓館等。甚至可以查詢(xún)到附近的學(xué)校，登錄它們的實(shí)驗(yàn)中心。圖1為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心登錄頁(yè)面。

通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)，教師既可搭建典型實(shí)驗(yàn)或調(diào)取實(shí)驗(yàn)案例。方便地向?qū)W生布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，還可在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出實(shí)驗(yàn)成績(jī)和評(píng)價(jià)。[2]

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，將部分單純演示性、驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以學(xué)生開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)為主；基本技能訓(xùn)練和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以虛擬實(shí)驗(yàn)輔助實(shí)體實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，壓縮實(shí)體實(shí)驗(yàn)室中有關(guān)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、儀器設(shè)備使用、注意事項(xiàng)等的講授時(shí)間，進(jìn)一步節(jié)約有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，將更多的時(shí)間給學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，節(jié)省下來(lái)的學(xué)時(shí)可以用來(lái)開(kāi)設(shè)一些綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)。典型實(shí)驗(yàn)通常是由精通相關(guān)課程的教師設(shè)計(jì)的。要求學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。可滿足教師對(duì)各層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)也為學(xué)生自由搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)M提供了可能。學(xué)生既可通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)動(dòng)手操作，又可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)。與器材庫(kù)（或儀器、設(shè)備、材料庫(kù)）類(lèi)似，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通常擁有一個(gè)器材欄。用于各類(lèi)虛擬實(shí)驗(yàn)器材的管理。學(xué)生可以把器材從器材欄中移到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，或者從實(shí)驗(yàn)臺(tái)上把器材收回到器材欄。

2 研究方法

行動(dòng)研究法。嚴(yán)格地說(shuō)，行動(dòng)研究并不是一種獨(dú)立的研究方法，而是一種教育研究活動(dòng)，是一種教師和教育管理人員密切結(jié)合本職工作綜合運(yùn)用各種有效研究的方法，以直接推動(dòng)教育工作的改進(jìn)為目的的教育研究活動(dòng)。課題組的成員來(lái)自學(xué)校一線工作者和學(xué)校的管理者，研究做到了學(xué)習(xí)、實(shí)踐、反思三者的結(jié)合，增強(qiáng)了課題成果的實(shí)際意義。[3]

調(diào)查研究法。調(diào)查國(guó)內(nèi)外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建立和使用情況，從中學(xué)習(xí)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，避免在研究過(guò)程中走彎路。撰寫(xiě)了調(diào)查研究報(bào)告。

文獻(xiàn)研究法。研究過(guò)程中，查閱大量文獻(xiàn)，借鑒同類(lèi)課題的經(jīng)驗(yàn)和做法，為實(shí)驗(yàn)得出定性結(jié)論起到重要作用。

比較研究法。本課題研究過(guò)程中，對(duì)資料的收集和分析進(jìn)行了多方面的比較。一是學(xué)校的比較，各學(xué)段的比較等；二是類(lèi)型的比較，智力與創(chuàng)造力的比較等；三是實(shí)驗(yàn)效果的比較，例如在篩選材料過(guò)程中取舍的比較，同類(lèi)統(tǒng)計(jì)資料在數(shù)據(jù)上的對(duì)比、推斷等。

個(gè)案研究法。科學(xué)地確定和研究典型個(gè)案進(jìn)行研究是課題研究的捷徑，研究中，課題組提供多個(gè)成功的個(gè)案，比較各種優(yōu)缺點(diǎn)，用以應(yīng)用到本課題。[4]

3 仿真實(shí)例

單片機(jī)是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的必修課，其應(yīng)用已涉及生活的方方面面。要想真正學(xué)以致用，需多學(xué)多練，掌握其編程技巧。以AT89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬電子琴為例，單片機(jī)擴(kuò)展無(wú)源蜂鳴器實(shí)現(xiàn)電子琴功能。7個(gè)按鍵KEY1、KEY2、KEY3、KEY4、KEY5、KEY6和KEY7，分別對(duì)應(yīng)7個(gè)音符，圖2為單片機(jī)模擬電子琴硬件電路。按下時(shí)蜂鳴器發(fā)出對(duì)應(yīng)音調(diào)；還可以設(shè)計(jì)一個(gè)音樂(lè)自動(dòng)播放功能，根據(jù)存入的樂(lè)譜進(jìn)行循環(huán)播放。

4 結(jié) 論

建立開(kāi)放式網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)。采用多媒體技術(shù)在計(jì)算機(jī)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，提供可操作的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，使學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上通過(guò)接近真實(shí)的人機(jī)交互界面完成實(shí)驗(yàn)，同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一體化的管理功能。這將是未來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]張旭，章韻.普通高校公共音樂(lè)鑒賞網(wǎng)絡(luò)教育平臺(tái)建設(shè)的思考[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)：社科版，2016（3）：1-4.

[2]王墨林，羅樂(lè).“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012（12）：170-174.

篇10

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)仿真；OPNET仿真軟件；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)09-2131-02

Summary of Network Simulation Experiments on OPNET

YANG Hong-xue, CHEN Han

（School of Telecom Munication Engineering,Beijing Vocational College of Electronic Science and Technology,Beijing100029,China）

Abstract: In teaching of university computer network technology, due to the abstract principle, large-scale network, the complexity of the network business and other factors, many experiments can not be implemented in a real network environment. This paper presents the OPNET simulation technology used in computer network technology courses teaching ideas, and discusses the OPNET-based technology and typical simulation development methods and steps.

Key words: network simulation; simulation software on OPNET; experimental teaching

根據(jù)國(guó)家權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)人才市場(chǎng)的分析，人才需求量最大的是計(jì)算機(jī)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)生，約占市場(chǎng)總需求的30%，其中計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人才占到40%。但是，在高校網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類(lèi)課程教學(xué)中，由于抽象深?yuàn)W的網(wǎng)絡(luò)原理、規(guī)模龐大的網(wǎng)絡(luò)工程、豐富多樣的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，根本無(wú)法讓學(xué)生在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使得高校網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生缺乏網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目的實(shí)踐技能和工作經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法滿足企業(yè)的人才需求，造成網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技能型人才十分短缺。基于上述問(wèn)題，提出了將OPNET仿真技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類(lèi)課程教學(xué)中的設(shè)計(jì)思想，重點(diǎn)論述了基于OPNET技術(shù)的典型仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)方法和步驟。

1 OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是一種利用數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)行為進(jìn)行模擬，建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)鏈路的模擬網(wǎng)絡(luò)模型，從而獲得網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)的仿真技術(shù)。OPNET是一款功能強(qiáng)大的專(zhuān)業(yè)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。

1.1 OPNET功能組成

OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真能夠準(zhǔn)確的分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為，探頭可以入到網(wǎng)絡(luò)模型中的任意位置，用來(lái)采集仿真數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，仿真結(jié)果即可以數(shù)字、圖形、動(dòng)畫(huà)方式顯示，也可以被輸出到第三方軟件。OPNET主要由三個(gè)層層嵌套的模塊和仿真模型庫(kù)組成，兩者彼此是分離的，方便模型的修改和升級(jí)。三個(gè)嵌套的模塊由內(nèi)向外分別是：核心網(wǎng)絡(luò)仿真模塊、建庫(kù)功能模塊和移動(dòng)通信衛(wèi)星模塊。仿真模型庫(kù)包括標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)和特殊模型庫(kù)兩類(lèi)，為用戶提供一系列的仿真模型。

1.2 OPNET仿真顯著特點(diǎn)

OPNET支持面向?qū)ο蟮慕７绞?提供圖形化的編輯界面,方便用戶使用。主要特點(diǎn):（1）提供三層嵌套的仿真建模機(jī)制，依次是網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型，進(jìn)程模型，與實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議一一對(duì)應(yīng)，再現(xiàn)了一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。（2）利用離散事件驅(qū)動(dòng)和混合建模機(jī)制，大幅度提高了計(jì)算效率。（3）通過(guò)強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)收集和分析功能，獲得了精確的仿真結(jié)果。（4）通過(guò)仿真預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的性能，為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供可靠的決策依據(jù)，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)工程方案，決定多個(gè)不同設(shè)計(jì)方案的取舍。

1.3 OPNET仿真步驟

OPNET仿真包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑渲谩I(yè)務(wù)配置、統(tǒng)計(jì)量結(jié)果收集、運(yùn)行仿真、調(diào)試再仿真、結(jié)果等六個(gè)步驟，具體如圖1所示。

2 OPNET在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類(lèi)課程的教學(xué)中，可以充分利用OPNET仿真技術(shù)輔助教學(xué),通過(guò)仿真深入理解抽象網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作原理,分 析和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能，對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)方案評(píng)價(jià)也有據(jù)可依。

圖1OPNET仿真過(guò)程

2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真實(shí)驗(yàn)

在講解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)中的環(huán)型、星型、總線型等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，通常都是介紹概念、工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)等，非常枯燥，難于理解。利用OPNET的網(wǎng)絡(luò)模型庫(kù)，借助網(wǎng)絡(luò)編輯器，通過(guò)拖放鼠標(biāo)從物件托盤(pán)中選取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，快速地建立起網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),還可以進(jìn)行參數(shù)配置。不僅可以快速地組建各種網(wǎng)絡(luò)，并且能夠充分比較各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

另外，OPNET的網(wǎng)絡(luò)建模完全符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)（OSI）,其節(jié)點(diǎn)模型的層次關(guān)系是:應(yīng)用層、TCP層、IP層、IP封裝層、ARP層、MAC層、物理層。借助于OPNET的仿真網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),學(xué)生們可以直觀地了解開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型,加深對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)的理解。

2.2網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的仿真實(shí)驗(yàn)

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的初學(xué)者來(lái)說(shuō)，面對(duì)CSMA/CD、TCP、IP、FTP、UDP、RIP、OSPF等大量抽象的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，一般只能機(jī)械記憶，很難深入理解。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真中,可以利用OPNET的節(jié)點(diǎn)編輯器來(lái)學(xué)習(xí)協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的位置,利用進(jìn)程模型編輯器來(lái)學(xué)習(xí)和研究各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作原理和執(zhí)行過(guò)程。圖2顯示了典型的進(jìn)程模型結(jié)構(gòu)。

圖2典型的進(jìn)程模型結(jié)構(gòu)

在OPNET三層嵌套模型中,進(jìn)程模型是最重要最難實(shí)現(xiàn)的部分。進(jìn)程模型主要由狀態(tài)和轉(zhuǎn)移線構(gòu)成。狀態(tài)分為兩類(lèi)，強(qiáng)迫狀態(tài)和非強(qiáng)迫狀態(tài)。每個(gè)狀態(tài)包含的處理使用內(nèi)嵌的C/C++代碼段來(lái)表示。狀態(tài)上的執(zhí)行代碼也分為兩部分，上面部分稱(chēng)為進(jìn)入代碼，是進(jìn)程進(jìn)入該狀念時(shí)執(zhí)行的動(dòng)作；下面部分稱(chēng)為離開(kāi)代碼，是進(jìn)程離開(kāi)狀態(tài)時(shí)執(zhí)行的動(dòng)作。轉(zhuǎn)移線描述了進(jìn)程模型從一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的過(guò)程和條件。可以利用進(jìn)程模型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)自定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

2.3網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)是根據(jù)原有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、業(yè)務(wù)需求、經(jīng)費(fèi)預(yù)算等各方面情況,構(gòu)建一個(gè)既能滿足用戶需求又能達(dá)到技術(shù)要求的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在教學(xué)中,在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施等綜合技能訓(xùn)練是不現(xiàn)實(shí)的，但是使用OPNET仿真測(cè)試網(wǎng)絡(luò)性能,能夠直觀快速地看到性能參數(shù)，如網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等，對(duì)于不符合需求的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可以調(diào)整網(wǎng)絡(luò)配置，再運(yùn)行仿真，直至達(dá)到最佳為止。除此之外，利用OPNET還可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)管理方面的仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)仿真分析加深學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)QoS的認(rèn)識(shí)和理解，提高學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障診斷和流量分析能力等,從而為網(wǎng)絡(luò)管理提供重要的依據(jù)。

3結(jié)論

應(yīng)用OPNET可以模擬計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類(lèi)課程中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析、網(wǎng)絡(luò)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)等網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn),具有面向?qū)ο蟆⑿蜗笾庇^等特點(diǎn)，彌補(bǔ)真實(shí)環(huán)境中無(wú)法進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)缺陷，提高教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)可為優(yōu)化和擴(kuò)容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)提供定量的分析數(shù)據(jù)，為新網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能預(yù)測(cè)，定量評(píng)估網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，是一種新興有效的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)技術(shù)。

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