時間：2022-10-19 14:30:34
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇計算機仿真論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
根據(jù)多年的高校教學實踐研究表明，教學中把就業(yè)崗位對學生知識結(jié)構(gòu)的要求作為依據(jù)，重視培養(yǎng)學生的動手能力，以知識本位向能力本位的轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕耍M行教學內(nèi)容和方法的整合，對于增強學生的學習興趣、提高學生的實踐技能、增強職業(yè)競爭能力、提高教學質(zhì)量有重要意義。計算機仿真教學模式能夠真正激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，幫助學生構(gòu)建更靈活、更深層次的知識結(jié)構(gòu)體系。有試驗結(jié)果表明：仿真教學與傳統(tǒng)教學進行比較，多數(shù)學生在仿真教學環(huán)境中學習可以記憶整個課程多于2/3的內(nèi)容，而在傳統(tǒng)教學模式下只能記憶不到1/3的內(nèi)容。憑借云技術(shù)的強大存儲功能等，使用計算機仿真模式進行教學，教師引導，學生身臨其境，調(diào)動學生的積極性，學生自學并反復(fù)試驗，提高學習能動性，增強創(chuàng)新意識。基于云技術(shù)的計算機仿真教學將理論與實踐真正相結(jié)合，將為高校教學發(fā)展帶來新的方向。現(xiàn)代計算機技術(shù)的普及帶動了仿真技術(shù)的發(fā)展。仿真技術(shù)已經(jīng)能夠使用科學方法建構(gòu)復(fù)雜的物理模型提示真實世界的變化規(guī)律，在許多領(lǐng)域進行應(yīng)用。仿真技術(shù)已在世界范圍內(nèi)許多知名高校的研究等領(lǐng)域中應(yīng)用；計算機仿真教學在國內(nèi)外的許多課程中進行過使用；在我國高校中，應(yīng)用基于云技術(shù)的計算機仿真教學是一種新的教育理念，各高校正在進行積極的探索。2014年4月22日在北京召開了首屆京城高校虛擬仿真實踐教學研討會，提出成立首都高校虛擬仿真聯(lián)盟，建立推進虛擬仿真實踐教學和首都高校間資源和經(jīng)驗分享的平臺。在我省高校中，計算機仿真教學還處于比較落后的起步階段，這種新型的教學模式為學生及專業(yè)教師提供了教學和研究的新平臺，延展了創(chuàng)新的想象空間，有很大的發(fā)展空間和很好的發(fā)展前景。
2基于云技術(shù)的高校計算機仿真教學應(yīng)用
以電子商務(wù)課程為例(Theapplicationofcomputersimulationinteachingofcloudtechnology—acasestudyofECcourses)
2.1電子商務(wù)課程的教學現(xiàn)狀及存在的問題
電子商務(wù)專業(yè)雖然已經(jīng)出現(xiàn)多年，但國內(nèi)高校沒有形成系統(tǒng)完整的專業(yè)理論體系。當前高校電子商務(wù)專業(yè)的教學中然而存在一些不可忽視的問題：課程設(shè)置方面。因為缺乏對電子商務(wù)相關(guān)實際應(yīng)用的理解，在許多高校中相關(guān)課程設(shè)置具有極大的隨意性，多數(shù)只是把相關(guān)商務(wù)、管理和電子技術(shù)方面的課程進行簡單的羅列堆砌，不能適合電子商務(wù)專業(yè)實際需求。專業(yè)師資隊伍方面。國內(nèi)高校中從事電子商務(wù)教學的教師大多是抽調(diào)出來的經(jīng)管或計算機類教師，知識不夠系統(tǒng)專業(yè)，缺乏電子商務(wù)專業(yè)實踐經(jīng)驗，很少參與實際電商企業(yè)的項目運作，講授專業(yè)課程時不能達到專業(yè)知識的外延和拓展。專業(yè)實踐方面。電子商務(wù)專業(yè)是一個新型的跨學科的綜合專業(yè)；培養(yǎng)的是能系統(tǒng)掌握電子商務(wù)專業(yè)的理論知識和技能、熟悉電子商務(wù)業(yè)務(wù)流程并能從事電子商務(wù)活動的應(yīng)用型復(fù)合型人才。雖然許多高校正在加強實訓教學，但多數(shù)缺乏針對專業(yè)就業(yè)的連貫性，不能很好的達到針對專業(yè)就業(yè)的實訓目的。
2.2電子商務(wù)課程中基于云技術(shù)的計算機仿真教學模式的構(gòu)建
使用基于云技術(shù)的計算機仿真教學模式能夠為學生構(gòu)建一個虛擬的仿真模擬環(huán)境，模擬電子商務(wù)的各項活動，具有仿真性、可操作性和適應(yīng)性強的特點。學生借助于云端存儲的相關(guān)軟件環(huán)境模擬實際電子商務(wù)項目環(huán)境，模擬參與電子商務(wù)實務(wù)活動；計算機軟件的操作便捷人性化；仿真教學環(huán)境能夠作為與專業(yè)相關(guān)課程的實訓環(huán)境，提高實踐技能。根據(jù)崗位群開發(fā)仿真教學課件，根據(jù)專業(yè)實訓的培養(yǎng)要求進行課程設(shè)計，基于云技術(shù)開發(fā)仿真崗位模擬場景和符合教學需求的互動式教學應(yīng)用平臺，為培養(yǎng)學生的實踐動手能力提供更理想更完善的方案。從就業(yè)崗位對專業(yè)人才知識結(jié)構(gòu)的要求出發(fā)，以項目教學為主線進行課程實訓內(nèi)容的整合，采用情景模擬和計算機輔助教學為主要手段。借助于云的強大存儲功能平臺，針對專業(yè)課程內(nèi)容和特點遵循專業(yè)方向和教學內(nèi)容。計算機仿真和真實裝置相結(jié)合創(chuàng)建教學的仿真物理場所和軟件環(huán)境(存儲于云空間即用即取)，以就業(yè)為導向，用實驗、見習、實踐的方式進行實踐模擬，注重安全要求，集中管理，聯(lián)合開發(fā)，實現(xiàn)資源整合與優(yōu)化。考核上，仿真模擬教學完成整體項目的過程中，專業(yè)技能鑒定與考核等領(lǐng)域以學生的表現(xiàn)為主，附帶平時成績，最終作為評定等級的依據(jù)?；谠萍夹g(shù)的高校計算機仿真教學可以解決電子商務(wù)專業(yè)教學上存在的問題，教學系統(tǒng)平臺存儲于云端，使用三維建模方式模擬電子商務(wù)實踐環(huán)境，數(shù)據(jù)量小、速度快、精度高、互動性強。平臺提供了電子商務(wù)專業(yè)課程教學中真實模擬互動性的教學和實踐環(huán)境，讓學生在親身實踐的過程中提高學習效率。學生通過實際操作，認知并掌握相關(guān)專業(yè)知識，通過崗位角色扮演來體驗相關(guān)工作流程和崗位職責。憑借管理模塊任課教師可以掌控教學過程和學生操作情況，進行必要的控制和引導。通過教學系統(tǒng)平臺的考核模塊教師可以對每個學生進行跟蹤及考核評價。
2.3電子商務(wù)課程中基于云技術(shù)的計算機仿真教學的具體應(yīng)用
高校電子商務(wù)專業(yè)教學中使用基于云技術(shù)的計算機仿真教學，常見的方法包括：課堂演示，情景模擬，認識實踐等。以電子商務(wù)專業(yè)教學為對象，針對專業(yè)性質(zhì)和教學特點進行具體的規(guī)劃。憑借云技術(shù)的基于網(wǎng)絡(luò)的仿真教學系統(tǒng)平臺、課件、資料庫、仿真實訓的教學軟件(包括教學過程的多媒體課件；操作仿真技能的訓練；模擬實際專業(yè)崗位的各種學習和工作環(huán)境等)；教師和學生在網(wǎng)絡(luò)PC終端登錄使用云空間里存儲的相關(guān)教學資源；在同一個網(wǎng)絡(luò)多媒體機房，合法用戶可以進行不同的實訓練習；集中管理各種資源更安全，添加、修改、上傳、下載等使用更方便。構(gòu)建電子商務(wù)交易的真實過程和相應(yīng)的計算機仿真教學系統(tǒng)，多媒體網(wǎng)絡(luò)機房能滿足現(xiàn)有各種仿真培訓系統(tǒng)的要求(電商方、客戶方、物流配送方、第三方等)。實現(xiàn)仿真系統(tǒng)與真實電商系統(tǒng)在線連接，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)中，將系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息與真實數(shù)據(jù)信息進行比較，指導學生的操作。軟件技術(shù)和Internet支持平臺運行，教師與平臺中學生實時溝通，實現(xiàn)電子商務(wù)完整交易過程的各環(huán)節(jié)的實時動態(tài)信息和數(shù)據(jù)的交互。采用局域網(wǎng)和Internet結(jié)合使用的模式可以方便的對仿真平臺系統(tǒng)進行擴充和統(tǒng)一維護管理。包括進行用戶注冊、遠程登錄、調(diào)試等，所有資源以云技術(shù)在“云端”共享。以淘寶、天貓商城等作為實踐平臺進行仿真教學的案例，如以現(xiàn)有的已經(jīng)開設(shè)的淘寶商鋪作為仿真系統(tǒng)中的模擬電商方，學生分組形式進行仿真系統(tǒng)的崗位模擬：部分學生注冊淘寶會員并用賬戶和密碼登錄作為仿真系統(tǒng)中客戶方，部分學生登錄商鋪作為仿真系統(tǒng)中電商方的客服，部分學生作為仿真系統(tǒng)中電商方的庫存管理員，部分學生作為仿真系統(tǒng)中下訂單后的在線支付(經(jīng)過支付寶作)或者電子銀行系統(tǒng)(快捷支付)為第三方，部分學生作為模擬的仿真系統(tǒng)中的物流配送方，部分學生作為仿真系統(tǒng)中電商方的售后服務(wù)客服方等，模擬各個環(huán)節(jié)的進程，最終完成項目形式的電子商務(wù)完整交易。具體包括：收集相關(guān)資料，進行學生分組；申請并注冊開設(shè)電商方(如淘寶)店鋪，注冊客戶端用戶、注冊支付寶賬戶等；制定仿真電商交易完整方案；進行仿真系統(tǒng)進程，學生按部就班地進入崗位角色，展開電子商務(wù)過程；教師的總結(jié)點評，教學內(nèi)容的延伸等。
3結(jié)論(Conclusion)
1．1梯形圖指令解釋實現(xiàn)
在特殊指令解釋時，需要將起始和終止共兩次的掃描狀態(tài)進行對比，來最大限度地保證其正確性。具體操作時可選用兩個虛擬內(nèi)存條，并引入“備用堆棧”和“備用結(jié)果寄存器”來保存起始掃描的計算結(jié)果，以及“堆?！焙汀敖Y(jié)果寄存器”來保存結(jié)束掃描的算結(jié)果，以下進行具體說明:(1)常開(及常閉)觸點的實現(xiàn)流程。取出觸點內(nèi)存地址將結(jié)果寄存器中的現(xiàn)有數(shù)據(jù)放入堆棧將地址值(常閉觸點則取反)放入結(jié)果寄存器;(2)線圈作用的實現(xiàn)。將結(jié)果寄存器中的值輸出至分別起輸出、輔助、保持作用的“繼電器”內(nèi)存地址中。
1．2梯形圖程序運行實現(xiàn)
仿真系統(tǒng)通過梯形圖程序的運行并根據(jù)其轉(zhuǎn)化后的指令語句，即可實現(xiàn)對真實PLC控制系統(tǒng)的模擬。各輸入點的狀態(tài)被依次掃描，并由系統(tǒng)軟件中用戶編制的程序進行邏輯解算進一步轉(zhuǎn)化成指令進行執(zhí)行，指令的執(zhí)行結(jié)果可以被后續(xù)待掃描的指令所利用，然后依次對應(yīng)向各輸出點發(fā)出控制信號。梯形圖程序運行的流程為:在梯形圖編輯器中，用戶點擊“運行”按鈕觸發(fā)系統(tǒng)定時器系統(tǒng)初始化內(nèi)存地址(常開觸點置零，常閉觸點的定時器及計數(shù)器清空)逐一掃描各元器件并同時進行其指令解釋直至該條指令結(jié)束自動進入下一條指令的掃描直至用戶點擊“停止”按鈕。
2電路搭建部分仿真實現(xiàn)
在仿真系統(tǒng)中，本文通過在軟件中設(shè)置元素來模擬元器件，這里以設(shè)置通用繼電器的模擬元件為例來進行分析。在元器件編輯器中，用戶可以在兩個菜單中分別選擇元器件(如繼電器、開關(guān)按鈕、接觸器、熔斷器、電磁閥、限位開關(guān)、電鈴、傳感器以及聲光指示裝置)以及對應(yīng)的元器件元素(如線圈、接線柱、觸頭、連接線以及保險絲等)。在通用繼電器設(shè)計初始，用戶須通過定義邊框確定元器件大小，然后設(shè)置線圈及接線柱并用連接線連接，并設(shè)置一動一靜兩個觸頭以及若干開關(guān)，設(shè)置完成后即可點擊生成一個通用繼電器。在對電路進行仿真之前，還需要對電子元器件進行解釋，這里仍以通用繼電器為例來說明解釋的原理和過程，由于電路解釋時需要即時刷新，這會導致電路中元件的動作之間產(chǎn)生相互影響，本文這里引入“樹”的概念來解釋電路，通過將電路中的元器件作為單個節(jié)點加入到“樹”中，用戶在設(shè)置時，可首先新建“樹”，接著清空“樹節(jié)點(元器件)”的狀態(tài)，然后對各節(jié)點進行循環(huán)檢查，當發(fā)現(xiàn)控制電路不通時停止循環(huán)，最后遍歷節(jié)點并給出各元器件輸出值。
3應(yīng)用實例分析
3．1實例情況說明
基于以上論述，本文這里選擇水塔水位控制系統(tǒng)作為仿真實例，對仿真系統(tǒng)的建立過程進行說明，并通過在仿真環(huán)境中進行測試來論證仿真系統(tǒng)的實用性。水塔水位控制系統(tǒng)是通過PLC自動控制來實現(xiàn)水塔自動進、出水，系統(tǒng)中主要的元器件包括液面?zhèn)鞲衅?、電磁閥、PLC控制器以及電動機。圖4所示為水塔水位自動控制系統(tǒng)示意圖，其動作流程為:當水池水位低于水池低水界時，液面?zhèn)鞲衅魇筍3開關(guān)接合(ON)，YV電磁閥門打開，水池開始蓄水。水位高于低水位界時，S3開關(guān)斷開(OFF)。當水位升高到高于水池高水位界時，液面?zhèn)鞲衅魇归_關(guān)S4開關(guān)接合(ON)，YV閥門關(guān)閉，水池停止蓄水。水塔水位低于水塔低水位界，液面?zhèn)鞲衅魇筍2開關(guān)接合(ON)，若此時S3為斷開狀態(tài)，則電動機M運轉(zhuǎn)，驅(qū)動水泵抽水。水塔水位上升到高于水塔高水界時，液面?zhèn)鞲衅魇筍1開關(guān)接合(ON)，電動機M停轉(zhuǎn)，水泵停止工作。
3．2系統(tǒng)仿真實現(xiàn)
從以上分析可見該控制系統(tǒng)的工作原理，可以看出系統(tǒng)可通過相關(guān)元器件實現(xiàn)水塔和水池上、下限水位調(diào)節(jié)和水塔放水等功能。基于此，本以下仿真設(shè)計:
(1)將實例控制系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計并下載到仿真電路設(shè)計的PLC中。
(2)以實時水位、水位上限及水位下限作為變量，根據(jù)上節(jié)所述的系統(tǒng)工作原理對應(yīng)編制液位上升和下降函數(shù)，以模擬真實的水池和水塔液位變化。
(3)在仿真系統(tǒng)中設(shè)置6個可供用戶自行定義和更改的控制單位，并將它們分別與水塔和水池的高、低液位傳感器以及電動機和電磁閥的開關(guān)共6個元器件相對應(yīng)。在仿真系統(tǒng)的對話框中，首先設(shè)置水塔和水池的水位標識，可分別用“L”、“M”、“H”對應(yīng)表示實時水位“低于低液位傳感器”、“高于低液位且低于高液位的傳感器”、“高于高液位傳感器”的三種狀態(tài)，在另外一個對話框中，用戶可在輸入框中點擊選擇已經(jīng)在電路編輯器中編輯好的輸入、輸出量與真實控制系統(tǒng)中的6個實際元器件相對應(yīng)。在完成所有的設(shè)置之后，既可以運行仿真系統(tǒng)并通過觀察模擬結(jié)果判斷PLC的程序正確與否以及電路是否搭建正確。經(jīng)過觀察，在仿真系統(tǒng)運行期間各環(huán)節(jié)控制動作正確，基本能夠?qū)崿F(xiàn)水池水塔自動控制系統(tǒng)的實際功能。
4結(jié)語
摘要：在研究生的計算機仿真技術(shù)課程教學中，針對機械工程類研究生的專業(yè)方向、課程體系的設(shè)置以及工科研究生自身特點，為培養(yǎng)研究生的自主學習能力、創(chuàng)新能力以及增強其工程應(yīng)用意識，通過在計算機仿真技術(shù)課程教學的經(jīng)驗積累，逐步探索出以項目驅(qū)動為主要教學方法，通過實踐應(yīng)用，取得良好的教學效果。
關(guān)鍵詞：項目教學法；計算機仿真；創(chuàng)新；實踐
中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）24-0144-02
一、前言
研究生教學有其突出的特點，他們中多數(shù)人理論基礎(chǔ)扎實，獲取書本知識能力強。但同時也存在創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力不足、工程應(yīng)用背景不夠的缺點。本人通過十多年研究生教學的實踐，結(jié)合本學院研究生專業(yè)方向、課程內(nèi)容針對性強等特點，對如何在研究生教學改革中突出培養(yǎng)學生的自學能力、創(chuàng)新能力，增強學生的創(chuàng)新意識與工程應(yīng)用能力等問題進行了一些改革創(chuàng)新。
二、課程定位及課程特點
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，科學研究的深入與計算機軟、硬件的發(fā)展，計算機仿真技術(shù)已成為分析、綜合各類系統(tǒng)，特別是大系統(tǒng)的一種有效研究方法和有力的研究工具，計算機仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各技術(shù)領(lǐng)域、各學科內(nèi)容和各工程部門。仿真技術(shù)已經(jīng)在國防軍事、國民經(jīng)濟、社會生活的眾多領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，國內(nèi)外眾多學者認為，仿真技術(shù)“正在成為與理論、實驗并列的第三種認識和改造客觀世界以及科學研究的手段”，因此仿真技術(shù)
被認為是“使能”技術(shù)。計算機仿真技術(shù)是仿真科學與技術(shù)涉及到的有關(guān)具體仿真技術(shù)中最為基礎(chǔ)的部分，具有綜合性、多學科交叉等特點。
為了拓寬機械工程專業(yè)基礎(chǔ)，提高培養(yǎng)對象的整體素質(zhì)，更好地適應(yīng)社會對機械工程專業(yè)人才的需求，高校工科專業(yè)的研究生應(yīng)掌握一定的計算機仿真知識與技能。計算機仿真技術(shù)課程是我校機械工程學院面向所有研究生各專業(yè)方向的研究生開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，考慮專業(yè)應(yīng)用需求并結(jié)合教學實踐情況，課程目的是通過本課程的學習，要求學生掌握計算機仿真技術(shù)方面的基本理論，基本知識和基本技能，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，為今后分析、綜合各類工程系統(tǒng)或非工程系統(tǒng)提供一種有力的工具，以便能靈活應(yīng)用所學的計算機仿真技術(shù)為本專業(yè)工作服務(wù)。
一方面，基于仿真技術(shù)課程的內(nèi)容方法較多，實踐性強的特點；另一方面，授課對象專業(yè)方向較多、授課學時有限等特點，如何解決在有限的教學課時內(nèi)講授內(nèi)容繁多的仿真內(nèi)容、對計算機仿真技術(shù)課程進行教學方法和手段的改革探索和實踐，以達到計算機仿真技術(shù)教學目標。
三、教學內(nèi)容的設(shè)置和教學方法的選擇
課程開設(shè)初期，由于只是機械電子工程專業(yè)方向的同學選修，所以所講內(nèi)容基本針對該專業(yè)方向進行設(shè)置。隨著選修人數(shù)的不斷增加，以及選修學生所屬專業(yè)方向的擴大，專業(yè)方向包括：機械制造及其自動化、機械電子工程、機械設(shè)計及理論、車輛工程、機械工程（專業(yè)學位）等，基本涵蓋了機械工程學院的所有專業(yè)方向。
計算機仿真技術(shù)課程涉及多個交叉學科，緊密相關(guān)的課程包括數(shù)值計算方法、計算機編程、計算機圖形學、高等數(shù)學、自動控制原理、現(xiàn)代控制理論、優(yōu)化設(shè)計等課程。如何講出本課程的特點，并充分結(jié)合相關(guān)課程內(nèi)容，必須在教學內(nèi)容的選排上下功夫。
項目教學法是一種以任務(wù)驅(qū)動、以項目為基本教學單元，將理論教學和實踐教學有機融合在一起，強調(diào)綜合能力的培養(yǎng)在研究生教育中的重要性，突出學生在整個教學過程中的主體地位。因此，為了滿足各個專業(yè)方向?qū)W生的要求，使他們能夠掌握一門工程分析技術(shù)，為后續(xù)的學術(shù)論文和碩士學位論文的撰寫提供計算、分析和仿真手段，本人在講授該門課程的過程中，逐年對教學內(nèi)容、教學手段和教學考核方法等不斷進行調(diào)整和完善。
1.采取項目專題方式進行教學內(nèi)容的講授，調(diào)整授課內(nèi)容，采用專題教學方法使課程主題內(nèi)容分明，有利于將仿真方法講深、講透。
2.擴展所授課程內(nèi)容涵蓋的范圍，包括數(shù)值計算、優(yōu)化設(shè)計、圖形可視化、控制系統(tǒng)特性仿真、控制系統(tǒng)設(shè)計以及與外部軟件的接口等內(nèi)容，以滿足各專業(yè)方向?qū)W生的需求。
3.增加與課程相結(jié)合的實驗教學內(nèi)容。計算機仿真技術(shù)本來是實踐性很強的綜合性技術(shù)，仿真技術(shù)本身是在對控制系統(tǒng)分析的過程中不斷完善和發(fā)展起來的。因此并結(jié)合各個專業(yè)研究生的不同研究方向，靈活設(shè)計若干個專題實驗，使學生學以致用，培養(yǎng)學生將該門課程應(yīng)用于實際工程的能力。
4.采用多個工程應(yīng)用實例進行教學，從系統(tǒng)應(yīng)用、數(shù)學建模、仿真建模、模型求解以及特性分析等，使學生從生產(chǎn)實際認知的研究對象，提升到理論高度的學習，應(yīng)用所學的各科理論知識和技術(shù)手段，進行數(shù)學建模、仿真建模的建立，并對模型求解以及特性進行分析，獲得直觀結(jié)果，提高學生學習興趣，最終解決實際工程問題，培養(yǎng)學生解決工程實例問題的能力。
5.結(jié)合學科前沿，進行課堂討論。研究生在初步掌握了對系統(tǒng)的模型、仿真算法設(shè)計、仿真及結(jié)果分析這一流程后，為強化計算機仿真在實際工程的應(yīng)用概念，在此基礎(chǔ)上，以項目形式，開展課程學科前沿以及⒏妹趴緯逃胂執(zhí)技術(shù)融合等專題討論。
6.增加實驗環(huán)節(jié)，培養(yǎng)研究生工程實際應(yīng)用能力。利用各種平臺，擴充計算機仿真技術(shù)資料，提供最新的仿真案例，結(jié)合教學團隊的科研課題，設(shè)計實驗項目，培養(yǎng)研究生工程實際應(yīng)用能力。
四、項目教學法的教學效果
基于項目教學法計算機仿真技術(shù)課程的教學方法改革與實踐，滿足機械工程學院各個專業(yè)方向研究生的需求，教學方法和手段的完善，使研究生自主學習能力、創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力等得到了進一步的提高。
計算機仿真技術(shù)作為工科研究生的必備研究手段和技術(shù)，使學生掌握一門工程分析技術(shù)，為后續(xù)的課題研究、學術(shù)論文和學位論文的撰寫提供計算、分析和仿真手段。
近五年的每年30―40人研究生選課，工程碩士每年20人左右選課，課程得到了各專業(yè)方向研究生的普遍認同。本人指導的研究生，發(fā)表與該課程相關(guān)的學術(shù)論文近20篇，撰寫的碩士論文均用到計算機仿真技術(shù)。
論文導讀：計算機仿真軟件在實踐中的應(yīng)用，使電路設(shè)計人員能夠在電路設(shè)計階段對所設(shè)計的電路電氣特性進行分析、判斷、校驗，從而大大減輕物理實驗驗證階段的工作量，是電子專業(yè)設(shè)計工作者提高工作效率的有效方法。本文利用protel99軟件,利用通用電子元件,對該電路參數(shù)賦值,仿真研究單管放大電路的工作過程。(1)從靜態(tài)工作點的分析可以看出計算機計算的放大電路的靜態(tài)工作點與估算法算得的靜態(tài)工作點的數(shù)值有一定的差別，但從兩者算得得結(jié)果可以得到相同的結(jié)論，即圖1所示的放大電路中的三極管工作在放大區(qū)。
關(guān)鍵詞：protel，三極管，計算機仿真
0.引言
計算機仿真軟件在實踐中的應(yīng)用，使電路設(shè)計人員能夠在電路設(shè)計階段對所設(shè)計的電路電氣特性進行分析、判斷、校驗，從而大大減輕物理實驗驗證階段的工作量，是電子專業(yè)設(shè)計工作者提高工作效率的有效方法。
Protel 99內(nèi)置了功能強大的SPICE 3f5電路仿真軟件，能提供連續(xù)的模擬信號和數(shù)字信號仿真。該軟件運行于Protel的EDA/Client進程環(huán)境下，與ProtelAdvanced Schematic原理圖設(shè)計程序協(xié)同工作，為用戶提供一個完整的從設(shè)計到仿真驗證的設(shè)計環(huán)境【1】。
單管放大電路是模擬電路設(shè)計中最基礎(chǔ)的電路。本文利用protel99軟件,利用通用電子元件,對該電路參數(shù)賦值,仿真研究單管放大電路的工作過程。理論分析了單管放大電路的靜態(tài)與動態(tài)參數(shù),研究基于protel99軟件仿真該電路的方法，并得到相關(guān)結(jié)論。
1.單管放大電路的理論計算
單管放大電路圖如圖1所示， 其中信號源的幅值為,頻率為，則由估算法【2】可得:
摘 要
隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，教研改革的不斷深化，形象生動的教學方法有必要應(yīng)用到實際教學活動中。而焊接熔滴過的形式，一般都要通過高速攝影方法對熔滴的過渡情況進行攝制，播放以后才能知道具體的熔滴過渡形式，所需的設(shè)備昂貴，攝制工藝相當?shù)膹?fù)雜并難以做到。通過對本課題的研究，不但可以有利于教學改革，提高學生的學習興趣，而且還不需要昂貴的設(shè)備，降低成本。
本課題通過查閱資料，根據(jù)熔滴過渡的受力情況和熔滴過渡的主要形式和特點，應(yīng)用3DS MAX 4.0繪制三維動畫，并且用Authorware制作演示界面。經(jīng)過對軟件的調(diào)試和修改，最終達到本課題的要求。
該軟件共制作了12個三維動畫，即大滴滴落過渡、大滴排斥過渡、細顆粒過渡、短路過渡、爆炸過渡、射滴過渡、射流過渡1（表現(xiàn)其跳弧現(xiàn)象）、射流過渡2（表現(xiàn)其高速過渡現(xiàn)象）、旋轉(zhuǎn)射流過渡、亞射流過渡、沿熔渣渣殼過渡、沿套筒過渡。演示界面包括歡迎界面、動畫選擇界面、退出界面、結(jié)束界面。在軟件制作期間，進行了大量的調(diào)試工作，并且該軟件的各環(huán)節(jié)運行正常。
結(jié)果表明，該軟件能夠?qū)附尤鄣芜^渡的過程提供很形象的模擬，并且與真實的熔滴過渡的過程相近。而且它在計算機模擬實際工藝等方面具有一定的實際意義，為以后的計算機仿真作出了初步探索。
關(guān)鍵詞：熔滴過渡，三維動畫，計算機仿真
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關(guān)鍵詞：鍋爐燃燒，計算機仿真，燃燒控制系統(tǒng)，蒸汽壓力，送風量
鍋爐的自動控制經(jīng)歷了三、四十年代的參數(shù)儀表控制，四、五十年代的單元組合儀表，綜合參數(shù)儀表控制，直到六十年代興起的計算機過程控制幾個階段。尤其是近一、二十年來，隨著先進控制理論和計算機技術(shù)的發(fā)展，加之計算機各項性能的不斷增強及價格的不斷下降使鍋爐應(yīng)用計算機控制很快得到普及和應(yīng)用。
電廠鍋爐利用煤的燃燒發(fā)熱，通過傳熱對水進行加熱，產(chǎn)生高壓蒸汽，推動汽輪機發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生強大的電能。在鍋爐燃燒系統(tǒng)中，給煤系統(tǒng)，送風系統(tǒng)，引風系統(tǒng)是燃燒控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。以主蒸汽壓力控制系統(tǒng)為主回路，燃燒率控制系統(tǒng)為內(nèi)回路，通過傳感器采集爐膛壓力，含氧量和爐膛負壓來調(diào)節(jié)鍋爐的給煤量，送風量和引風量從而達到最佳熱效率。
燃燒控制系統(tǒng)是電廠熱工控制的重要組成部分，目前大部分電廠的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)仍然采用PID控制。。燃燒控制系統(tǒng)由主蒸汽壓力控制和燃燒率控制組成控制系統(tǒng)，其中燃燒率控制由燃燒量控制、送風量控制、引風量控制三個子系統(tǒng)構(gòu)成。鍋爐生產(chǎn)燃燒系統(tǒng)自動控制的基本任務(wù)是使燃料所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負荷的需要，同事還要保證經(jīng)濟燃燒和鍋爐的安全運行。具體控制任務(wù)可分為三個方面：一要穩(wěn)定蒸汽母管壓力。二要維持鍋爐燃燒的最佳狀態(tài)和經(jīng)濟性。三要維持爐膛負壓在一定范圍。這三者是相互關(guān)聯(lián)的。
控制系統(tǒng)計算機仿真是對控制系統(tǒng)進行科學研究的一種重要手段，通過計算機仿真來對比各種控制策略和方案，優(yōu)化并確定相關(guān)參數(shù)，以獲得最佳控制效果是多年來控制系統(tǒng)設(shè)計尤其是新型控制策略與算法研究中心必不可少的技術(shù)。采用MatLab對鍋爐燃燒控制系統(tǒng)進行計算機仿真，可快速方便的實現(xiàn)多種規(guī)則和參數(shù)的控制仿真效果，極大地提高了調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的效率和準確性。
鍋爐燃燒過程是一個燃料的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，以蒸汽形式向設(shè)備提供熱量的能量轉(zhuǎn)換過程。燃燒過程控制的基本任務(wù)是調(diào)整燃燒率水平，使之適應(yīng)外界負荷的需要，穩(wěn)定蒸汽壓力，并確保燃燒過程在安全經(jīng)濟的工況下進行。能迅速改變爐膛燃燒率，適應(yīng)外界負荷變化。燃燒過程控制的主要任務(wù)之一是維持蒸汽壓力穩(wěn)定。由對象動態(tài)特性的分析可以看出，在外界負荷變化時，只有迅速改變鍋爐的燃燒率，維持燃燒過程的能量平衡，才能保持蒸汽壓力穩(wěn)定。。燃燒率的改變，主要是燃料量的改變，而蒸汽壓力對于燃料量變化的相應(yīng)，有一定的延遲時間，延遲時間的大小，受燃料系統(tǒng)的影響較大。因此對于變動負荷鍋爐，以及采用延遲時間大的燃燒系統(tǒng)鍋爐，如直吹式鍋爐，在設(shè)計燃燒控制系統(tǒng)時，如何迅速改變爐膛內(nèi)燃燒率是不容忽視的。
能迅速并消除燃燒率擾動。燃燒率的擾動通常是指燃料量的自發(fā)擾動，這不僅影響蒸汽壓力的穩(wěn)定，在并列運行方式下，還會引起其他鍋爐汽包壓力及鍋爐負荷的變化，改變各鍋爐運行工況。直接用燃燒量作為調(diào)節(jié)的信號是不準確的。經(jīng)研究得出用熱量信號來間接代替燃燒量信號。因為燃燒量發(fā)生變化后，爐內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的熱量就要變化，它不僅影響鍋爐的蒸發(fā)量，也將使汽壓發(fā)生變化，引起鍋爐的蓄熱量隨之發(fā)生變化。而蓄熱量的變化和汽壓的變化速度成正比。所以用蒸汽量和汽壓的變化速度適當?shù)鼐C合，就可以代替燃料量。
確保燃料、送風和引風等參數(shù)協(xié)調(diào)變化。當燃燒率改變時，只有保持送風量與燃料量成比例變化，才能保證燃燒的經(jīng)濟性。只有保持引風量與送風量協(xié)調(diào)變化，才能保證爐膛壓力穩(wěn)定。因此確保燃料、送風、引風等參數(shù)協(xié)調(diào)變化是確保燃燒工況穩(wěn)定必不可少的條件。燃燒控制系統(tǒng)整定原則要考慮到燃燒過程中引風量為送風量的從動流量，而送風量為燃燒量的從動量，因此為保證整定燃燒過程能安全經(jīng)濟運行，應(yīng)先整定從動量的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并按此順序?qū)⒏髯酉到y(tǒng)投入自動狀態(tài)。即燃燒控制系統(tǒng)的整定應(yīng)在送風和爐膛壓力控制系統(tǒng)投入自動的情況下進行整定。送風控制系統(tǒng)應(yīng)在爐膛壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入自動的情況下進行整定。。
控制系統(tǒng)中前饋信號的作用是作為送風量的給定值。加入前饋調(diào)節(jié)器后，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快了。而且前饋加入可以使系統(tǒng)提前動作，更好地改善系統(tǒng)的性能。因此加入前饋調(diào)節(jié)器后系統(tǒng)的波動比未加時小很多，說明了加前饋調(diào)節(jié)器后系統(tǒng)性能比未加時好。這樣如果當負荷階躍擾動成比例增加時，風量響應(yīng)曲線也成比例上升，但恢復(fù)穩(wěn)定的時間基本不變。
對以上幾點分析，在組成控制系統(tǒng)時，需要根據(jù)鍋爐本身特點及燃燒過程的具體情況，有所側(cè)重。如對于帶基本負荷鍋爐燃燒系統(tǒng)，比較側(cè)重提高經(jīng)濟性及運行工況的穩(wěn)定性；對于帶變動負荷的鍋爐，則比較側(cè)重對負荷變化的影響，而兼顧其它。主系統(tǒng)有輸入時，爐膛壓力控制系統(tǒng)會產(chǎn)生小范圍波動，并在短時間內(nèi)未能定下來，說明爐膛壓力控制系統(tǒng)的隨動性能較好。而送風控制系統(tǒng)在主系統(tǒng)階躍輸入時，波動較大，但最終達到穩(wěn)定，只是調(diào)節(jié)時間較長。由爐膛壓力控制系統(tǒng)和送風控制系統(tǒng)的應(yīng)急變化可以看出，主系統(tǒng)變化時，子系統(tǒng)一定會隨子系統(tǒng)，只是達到穩(wěn)定的時間長短不一致。
燃燒控制系統(tǒng)方法一般都是從燃燒量、送風量、爐膛壓力等幾個方面控制主蒸汽壓力，而它們彼此之間又相互影響。這里的系統(tǒng)基本做出燃燒控制系統(tǒng)基本方案和子系統(tǒng)的隨動變化研究，結(jié)果表明這種控制系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)機組負荷指令變化，有效克服鍋爐燃燒率擾動和汽輪機氣量的擾動影響，改善機組負荷跟蹤性能，提高機組運行經(jīng)濟性。而且結(jié)構(gòu)簡單，易于工程實現(xiàn)。相信是將來會成為先進控制方法使燃燒系統(tǒng)更加完善。
關(guān)鍵詞：離散事件；系統(tǒng)仿真；
Abstract: This paper introduces the simulation method ofdiscrete event system, combined with the marshalling station arrived at the station operation simulation system,the simulation research. In the simulation of discrete event system, introduces the entity, event and thesimulation clock concept, and the simulation clock pushing method of time step method and step method is described in detail. In the simulation, with the station at the field operation simulation system of marshalling,introduced the method of using computer to simulate theworking process.
Keywords: discrete event system simulation;
中圖分類號： N945.13 文獻標識碼：A文章編號：2095-2104（2013）
運用模型研究客觀事物，是人類自古以來一直沿用的研究方法。這種方法是利用相似原理，運用物理模型模仿被研究的系統(tǒng)。對于一個系統(tǒng)來說，它與外部環(huán)境之間或其組成部分之間，存在一定的數(shù)學和邏輯關(guān)系。因此，可以運用定性和定量分析相結(jié)合的方法，建立數(shù)學邏輯模型，來對系統(tǒng)的規(guī)律進行研究。計算機系統(tǒng)仿真就是在系統(tǒng)模型上，通過計算機試驗，按照一定的原則對系統(tǒng)進行描述和分析。系統(tǒng)仿真有三種類型：離散型、連續(xù)型、離散——連續(xù)復(fù)合型。本論文將介紹離散事件系統(tǒng)仿真的方法。
1. 離散事件系統(tǒng)
離散事件系統(tǒng)是指系統(tǒng)內(nèi)事件的發(fā)生是由一系列離散的點構(gòu)成，通過這些離散點上的事件改變系統(tǒng)的狀態(tài)，因此離散事件仿真系統(tǒng)是由事件驅(qū)動的。離散事件系統(tǒng)，一般從實體、事件、活動、進程和仿真時鐘等方面進行描述。下面，對這些概念進行進一步的說明：
1.實體
在離散事件系統(tǒng)中的實體可分為臨時實體及永久實體。在系統(tǒng)中只存在一段時間的實體叫臨時實體，永久駐留系統(tǒng)中的實體稱為永久實體。
2.事件
它是引起系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的行為。離散系統(tǒng)由事件驅(qū)動，除了系統(tǒng)中固有事件，還有一類程序事件，它用于控制仿真進程。
3.活動
離散事件系統(tǒng)中的活動，表示引起系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的事件。
4.進程
指事件或活動的邏輯關(guān)系事件，通常由一系列有序活動構(gòu)成。
5.仿真時鐘
仿真時鐘用來表示仿真時間的進程，在一個仿真系統(tǒng)中，可以有多個仿真時鐘。
2. 系統(tǒng)仿真時鐘的推進
仿真系統(tǒng)的推進，靠的是仿真時鐘時間的變化，下面詳細介紹仿真時鐘的兩種推進方法。
1．等時間步長法
所謂等時間步長法，是指定一個時間增量為仿真單位，以它為前進的步長。每推進一個單位，對系統(tǒng)的狀態(tài)進行考察、修改。如果在單位時間里發(fā)生有i個事件，S1，S2，S3，… Si，則把這i個事件全部移至該單位時間的最后一刻，作為并發(fā)事件處理。
等時間步長法的時鐘推進如圖1-1所示：
圖1-1 等時間步長法時鐘推進示意圖
運用等時間步長法進行系統(tǒng)仿真的流程如圖1-2所示：
圖1-2 等時間步長法仿真過程示意圖
等時間步長法對系統(tǒng)仿真的過程為：對系統(tǒng)中的實體、屬性和活動設(shè)置初值，判斷模擬進程；若模擬未結(jié)束，則對實體或活動數(shù)的數(shù)量賦值1；對系統(tǒng)中的實體或活動進行考察，有事件發(fā)生，則處理該事件，若有并發(fā)事件，按一定的程序處理并發(fā)事件；記錄活動延續(xù)時間，然后改變系統(tǒng)狀態(tài)，同時，對實體或活動數(shù)加1；判斷模擬是否結(jié)束，若結(jié)束，則利用統(tǒng)計系統(tǒng)，輸出模擬結(jié)果，未結(jié)束，再進行以上流程，直到結(jié)束為止。
2．事件步長法
事件步長法是指在仿真過程中，時鐘的推進不是等時間間隔的，它以每一事件進行的時間作為步長，在每一事件發(fā)生時刻對系統(tǒng)進行考察，沒有事件發(fā)生的時間段則被跳過。對于同一時刻發(fā)生的多個事件，按一定規(guī)則進行并發(fā)事件處理。
事件步長法的時鐘推進方式如圖1-3所示：
圖1-3 事件步長法時鐘推進示意圖
使用事件步長法的時鐘推進對系統(tǒng)仿真的流程如圖1-4所示，
圖1-4 事件步長法模擬過程示意圖
仿真開始時，對仿真的系統(tǒng)的事件及屬性設(shè)置初始值，尋找最小時間事件，有并發(fā)事件時，按既定的規(guī)則處理。然后將時鐘推進到最小時間的事件，判斷該事件是哪類事件，調(diào)用該事件的模塊。若該事件的發(fā)生會產(chǎn)生條件事件，則對該條件事件進行處理，并記錄仿真數(shù)據(jù)。而后再尋找下一個最小時間事件，更新該事件子時鐘，判斷仿真是否結(jié)束，若未結(jié)束，則按上述步驟進行新一輪的仿真。
3. 系統(tǒng)仿真的研究方法
計算機仿真是指根據(jù)被研究真實對象的系統(tǒng)模型，在分析各要素間的相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立具有一定數(shù)量關(guān)系的仿真模型，并利用計算機進行試驗或定量分析，以獲得真實對象系統(tǒng)的信息，為正確決策服務(wù)。
為了對本文以到達場仿真系統(tǒng)的研究為例，結(jié)合到達場的作業(yè)實際，介紹計算機模擬的過程：
1．系統(tǒng)分析
在進行系統(tǒng)的仿真前，首先，必須對系統(tǒng)進行分析，清楚系統(tǒng)中各元素間的相關(guān)性；其次，明確對于各子系統(tǒng)元素研究的條件、層次、范圍；第三，明確研究的目的和達成的目標。對于本文的系統(tǒng)仿真研究，將把到達場作業(yè)系統(tǒng)按關(guān)聯(lián)性強弱分成若干子系統(tǒng)，再將子系統(tǒng)的實體變化情況進行進一步研究。研究的目的，是通過到達場仿真系統(tǒng)的結(jié)果，計算不同條件下到達場的咽喉區(qū)通過能力、到發(fā)線通過能力、駝峰解體能力等情況，并對各項能力數(shù)值和設(shè)備利用進行分析。
2．數(shù)據(jù)的收集和分析處理
要實現(xiàn)對到達場作業(yè)系統(tǒng)的仿真，必須對系統(tǒng)中實體的運動狀態(tài)進行量化。因此，在建立系統(tǒng)仿真模型前，必須對系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進行收集，通過擬合分析等方法，得出系統(tǒng)中實體的運動規(guī)律，研究其規(guī)律分布曲線。主要研究的數(shù)據(jù)有：到達車流的分布規(guī)律、到達場的各項技術(shù)作業(yè)的時間、駝峰調(diào)機的作業(yè)時間等。
3．應(yīng)用數(shù)學模型處理仿真系統(tǒng)
進行系統(tǒng)仿真時，對于某些作業(yè)過程，必須進行人工智能判斷。如，咽喉進路排列和到發(fā)線使用問題，因為變化情況是以幾何級數(shù)增長的，若用計算機窮舉的話，仿真系統(tǒng)很難實現(xiàn)。因此，必須建立數(shù)學模型解決這類問題。建模的方法為：在對系統(tǒng)進行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)子系統(tǒng)實體的作業(yè)過程，在合理界定研究范圍的條件下，分析各項作業(yè)間的邏輯關(guān)系，建立到發(fā)線應(yīng)用、咽喉區(qū)進路排列、駝峰調(diào)機使用等數(shù)學模型。為了使仿真系統(tǒng)更好的實現(xiàn)，對一些次要影響因素進行理想化設(shè)定。
4．建立計算機仿真模型，完成仿真程序
對于仿真模型的建立，要分析所研究系統(tǒng)的實體的特性，選擇合理的仿真方法，建立系統(tǒng)的仿真模型。在建立仿真模型中，最重要的是將仿真對象的變化過程、各實體間的邏輯關(guān)系分析清楚。例如，在對編組站到達場作業(yè)過程的仿真系統(tǒng)研究中，對于機車的作業(yè)過程和它觸發(fā)的其他作業(yè)進行分析，從而，合理的劃分了仿真的子系統(tǒng)。另外，對于仿真系統(tǒng)軟件的開發(fā)，要滿足仿真運行的速度和穩(wěn)定性。
5．仿真系統(tǒng)及結(jié)果的分析
對于仿真系統(tǒng)，要進行相應(yīng)的分析。首先，要確定仿真模型建立的是否正確；其次，要對仿真結(jié)果進行分析，評價仿真系統(tǒng)能否反映客觀現(xiàn)實模擬的系統(tǒng)。
對于到達場仿真系統(tǒng)的開發(fā)可以按上述思路，采用系統(tǒng)分析的方法，遵循由繁到簡、層層分析的原則，從對各個子系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對到達場作業(yè)仿真系統(tǒng)建模和軟件開發(fā)。
4. 結(jié)束語
現(xiàn)代計算機仿真模擬，具有在計算機上直接進行作業(yè)試驗，全面進行作業(yè)過程檢驗，詳細統(tǒng)計模擬細節(jié)，重復(fù)進行大量方案的比較和優(yōu)選的特點。因此，利用計算機手段對事物進行仿真研究,是一種有效的科學分析方法。本文利用編組站到達場的作業(yè)過程進行分析，仿真研究結(jié)果對于到達場的設(shè)計建設(shè)、運營組織工作有著重要的輔助作用，可以為管理者的決策提供參考。
參考文獻：
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關(guān)鍵詞 物理實驗 網(wǎng)絡(luò) 多媒體
中圖分類號：G424 文獻標識碼：A
On Physics Experiment Teaching Model
LI Zhengda[1]， XIE Lin[2]
（[1] Department of Electronics and Communication Engineering， Changsha University， Changsha， Hu'nan 410003；
[2] Nanya Middle School， Changsha， Hunan 410129）
Abstract College physics experiment has always been an important foundation course for science and engineering college students， as expand enrollment， and teaching methods instrument sets ploidy serious lag， how effective use of existing resources， through the Internet and multimedia， and other methods to more open teaching mode fully mobilize the enthusiasm of students， so that teaching can adapt to contemporary physics experiment teaching requirements.
Key words physics experiment； network； multimedia
一般的科學實驗的過程包括：課題確定，收集資料，制定方案組織試驗程序，選擇和準備儀器，實驗操作（觀察、記錄、分析、驗證 ），撰寫實驗報告。但現(xiàn)在的問題確實很多，高校擴大招生政策對我們的實驗教學產(chǎn)生諸多不利影響，例如：實驗儀器臺套數(shù)跟不上，實驗儀器不足，有時甚至十來個學生圍著一臺儀器，而且學生的質(zhì)量也明顯下降很多，物理實驗儀器的更新?lián)Q代嚴重更不上科技的發(fā)展，有些儀器還是甚至是上世紀60～70年代的；有些高校對大學物理實驗教學也不重視，在課程設(shè)置和學時安排不能給予保障，為學生預(yù)留的獨立思考時間也不夠； 教師人員結(jié)構(gòu)性短缺相當突出，教師流動性也很大；教學內(nèi)容陳舊，教學手段單一落后，按部就班，所有這些都大大削弱學生的學習積極性和主動性。
因此，如何對大學物理實驗教育進行改革，使之適應(yīng)時代的發(fā)展，亟需我們在教學中摸索和嘗試。技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)給死氣沉沉的實驗教學帶來生機，尤其是現(xiàn)代教育技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合并引入大學物理實驗教學中，大大提高了學生的實驗的興趣，教學質(zhì)量和教學效果也明顯提高。
2001年9月28日，教育部已出臺《關(guān)于加強高等學校實驗室工作的若干意見（討論稿）》，簡稱實驗教學20條中指出：實驗教學是高等學校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的主要渠道和高等教學改革的突破口，對培養(yǎng)學生的實踐和科研能力起到至關(guān)重要的作用。其中要求實驗教學以學生為本實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化教學管理，以滿足學生自主選課，自助實驗。
首先，學生方面，通過現(xiàn)代教育技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合建立物理實驗預(yù)約，了解實驗內(nèi)容、概念、模型，從心理上滿足了學生的好奇心和求知欲；另外，教師方面，讓教師進一步轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)教學觀念，充分意識到：只有在真正意義上了解學生的基礎(chǔ)上，才能理清實驗教學的思路和實驗授課模式，不是盲目為實驗而實驗，才能有針對性地幫助學生從實驗中理解消化所學的物理理論知識，從而提高教學的質(zhì)量和效率。
1 充分開發(fā)利用網(wǎng)絡(luò)資源
物理實驗網(wǎng)絡(luò)教學平臺開發(fā)，物理教學實驗中心局域網(wǎng)擴大，豐富網(wǎng)絡(luò)課件資源。設(shè)計并開發(fā)與我們學生相適應(yīng)而又科學的開放教學管理系統(tǒng)，此系統(tǒng)應(yīng)該包括：（1）預(yù)約實驗項目名稱以及每個實驗項目的具體的信息情況。（2）網(wǎng)上學習的網(wǎng)絡(luò)課件、擴展性學習資料和網(wǎng)絡(luò)鏈接等。（3）在線或留言答疑平臺、學生討論系統(tǒng)。（4）教學視頻、仿真實驗演示以及錄像。（5）網(wǎng)上教學設(shè)備管理維護系統(tǒng)、實驗中心辦公軟件系統(tǒng)。各實驗房間配備微機終端，并安裝了“物理實驗輔導系統(tǒng)”即 “電子教師”，學生在實驗中遇到問題或碰到常見的實驗故障及操作問題時，可向“物理實驗輔導系統(tǒng)”請教，把實驗原理、操作示范、疑難解答、注意事項、技術(shù)應(yīng)用等內(nèi)容集于一體，而且每個實驗項目還有相關(guān)的實驗技術(shù)和方法以及參數(shù)的拓展知識，有利于擴大學生視野和領(lǐng)悟物理實驗研究方法之精髓；自主開發(fā)的“基于儀器庫的物理仿真實驗系統(tǒng)”，利用該軟件在儀器配置上的靈活性，可以很便利地開出物理設(shè)計性的實驗，極大地增強了仿真實驗的可操作性和網(wǎng)絡(luò)實驗的隨時性。
1.1 采用多媒體教學
注重多媒體開發(fā)與制作，要求每位教師都能制作圖文并茂的多媒體課件并用于教學中。多媒體具備聲音、動畫以及豐富的教學資源，有利于增加學生的學習興趣、提高學習效果。
1.2 采用計算機仿真手段
在物理實驗教學中實施以計算機仿真實驗為主的多種現(xiàn)代化教學手段，充分發(fā)揮仿真實驗的功能：（1）預(yù)習功能：儀器結(jié)構(gòu)及操作復(fù)雜的實驗可上機預(yù)習。（2）優(yōu)化實驗項目功能：某些簡單的實驗只做仿真實驗而不必實做。（3）知識擴展功能：實驗室不具備條件的實驗通過仿真完成，學生可憑興趣選做各種仿真實驗。
1.3 采用多種教學輔助手段
教學中配合使用其他現(xiàn)代化教學手段如CCD、實物圖像顯示系統(tǒng)（小型實物投影）、電視錄像、計算機實時數(shù)據(jù)采集、各種傳感技術(shù)、模擬實驗軟件進行實驗?zāi)M等，以增強教學效果。
2 開展豐富的課外活動
開展豐富的課外活動，如：（1）開放演示實驗室和物理科技館；（2）開展物理實驗競賽和科技制作競賽活動；（3）聘請專家和教師面向全校學生進行物理實驗方法技術(shù)、歷史知識、應(yīng)用講座；（4）組織學生科技活動沙龍、論文報告會，提供學生成果展示與科技作品宣傳場地。以上活動使學生拓展了知識面，開闊了視野，進一步激發(fā)了學習積極性。
3 科學全面地考核學生的實驗?zāi)芰?/p>
學生的實驗?zāi)芰Φ目己瞬扇∑綍r成績、隨堂口試、筆試、書寫小論文等多種模式相結(jié)合的方法進行?？荚嚪椒ǖ母母?，大大提高了學生對本課程的重視程度，綜合地評價了學生對實驗的掌握及運用能力，同時強化了學生科學素質(zhì)的培養(yǎng)。
在教學手段上，實驗中心重視先進教育技術(shù)的應(yīng)用，大力發(fā)展基于計算機和網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代教育技術(shù)手段，開發(fā)了豐富的網(wǎng)絡(luò)教學資源和仿真實驗，取得了顯著的效果。
“線性系統(tǒng)理論”是本校電氣信息類碩士研究生重要的學位課程，在第一學期開設(shè)。從課程角度看，該課程作為重要的學科基礎(chǔ)課，課程內(nèi)容在整個控制理論體系中占有非常重要的地位，是承接理論與應(yīng)用的紐帶，在培養(yǎng)研究生的系統(tǒng)概念、創(chuàng)新思維和科研能力方面具有重要的作用。從學生學習的角度看，學生處于從本科生到研究生學習的開始階段，無論對教學內(nèi)容，還是對教師的教學方法都還沒有完全適應(yīng)，多數(shù)學生還是沿用本科階段的學習方式，對教師結(jié)合課程布置的有關(guān)研究性學習的課題缺乏有效的、科學的研究方法。如何基于課程要求培養(yǎng)研究生科學的研究方法和理論結(jié)合實際的能力，為以后的學位論文研究及工程實踐奠定良好的基礎(chǔ)，是一個值得深思的問題。本課程目前存在的主要不足是對實踐教學不夠重視，對學生理論聯(lián)系實踐的能力培養(yǎng)不夠。鑒于此，筆者在該課程的教學中，注重在講授課程內(nèi)容的同時，有目的和針對性地把系統(tǒng)控制理論中的研究方法貫穿于教學中，對研究生進行了學習、研究問題方法的培養(yǎng)和熏陶；引入CDIO理念，編寫“線性系統(tǒng)理論”工程應(yīng)用案例，通過計算機仿真手段，開展基于項目的教學實踐，引導學生應(yīng)用所學理論知識解決工程控制問題。
筆者基于項目或問題組織實踐教學內(nèi)容，這些項目或問題都需要應(yīng)用線性系統(tǒng)理論的方法才能達到項目目標或使問題得到解決；通過計算機仿真手段，讓學生尋求解決問題的方案，驗證解決問題的效果；通過撰寫項目研究報告、答辯等環(huán)節(jié)提高學生表達和溝通能力；通過總結(jié)和討論，讓學生將具體項目中學到的知識，提升為一般化的解決工程問題的能力。教師編寫實踐教學案例以輔助講義的形式發(fā)給學生，在理論課程進行的同時，由學生利用課余時間完成實踐環(huán)節(jié)；每個學生必須選擇一個基本項目和一個綜合項目，基本項目需要獨立完成，綜合項目需要找一位同學合作完成；課程結(jié)束后教師組織一次答辯、演示并進行總結(jié)討論，同時讓學生提交項目研究報告。成績按照項目研究深度、答辯情況和書面報告綜合給出，作為平時成績按較大比例計入課程最后成績。
實踐教學輔助講義按照項目或案例進行組織。講義中給出每個項目的基本原理、主要參數(shù)和項目目標。項目來源于工程應(yīng)用原型，是一個實際的物理系統(tǒng)而不是數(shù)學模型。要求學生熟悉物理系統(tǒng)、建立數(shù)學模型、對模型進行線性化，進而應(yīng)用線性系統(tǒng)的理論和方法解決問題，并分析系統(tǒng)在工程實現(xiàn)中存在的問題，提出工程實現(xiàn)方案。輔助講義主要的案例有倒立擺的建模與控制、通信衛(wèi)星光暈軌道控制、磁盤讀寫系統(tǒng)的建模與控制、風力發(fā)電非線性系統(tǒng)的建模與控制、連續(xù)全返混式反應(yīng)釜非線性系統(tǒng)的建模與控制、發(fā)電廠鍋爐和氣機的建模與控制等。例如在風力發(fā)電非線性系統(tǒng)的建模與控制案例中，教師首先介紹該類系統(tǒng)的控制目標，對工作原理和主要物理關(guān)系進行簡要介紹，再提出具體控制要求。學生在此基礎(chǔ)上，需要翻閱參考資料，在進一步理解內(nèi)容的基礎(chǔ)上，通過運行機理分析建立風力發(fā)電系統(tǒng)的非線性模型；確定狀態(tài)變量、控制變量和輸出變量；選擇系統(tǒng)的工作點，并對工作點進行線性化；搭建仿真模型，采用線性系統(tǒng)中學習過的多種控制算法進行系統(tǒng)控制，并對控制算法中的參數(shù)進行設(shè)計；通過仿真對結(jié)果進行分析和驗證，撰寫項目研究報告并進行答辯和成果演示。
如2010年秋季學期，某同學對風力發(fā)電非線性系統(tǒng)的建模與控制問題進行了較全面的研究。首先通過工作原理分析，建立了機理模型。在最大風能跟蹤控制區(qū)域，選擇了合適的工作點，通過泰勒公式建立了線性三階狀態(tài)空間方程。通過查閱廠家的數(shù)據(jù)手冊，計算了模型參數(shù)設(shè)計了擾動風速模型。通過控制器設(shè)計，考察了風力機轉(zhuǎn)速對擾動風速的不同響應(yīng)，圖1為采用基本控制器時，風力機轉(zhuǎn)速對單位階躍擾動風速的響應(yīng)，圖2為采用改進控制器時風力機轉(zhuǎn)速對單位階躍擾動風速的響應(yīng)，圖3為對控制器參數(shù)進行優(yōu)化后，風力機轉(zhuǎn)速對單位階躍擾動風速的響應(yīng)?？梢钥闯?，隨著控制器地不斷改進，風力機轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)性能逐漸得到提高。通過撰寫研究報告、小組答辯等環(huán)節(jié)，該同學對課程所學知識產(chǎn)生了極大的興趣，課程考試成績不但優(yōu)秀，而且利用所學的知識，已參與完成了老師的三個科研項目。碩士學位論文也非常優(yōu)秀。
通過在碩士研究生“線性系統(tǒng)理論”課程教學中引入案例性實踐環(huán)節(jié)，引導學生思考課程中蘊涵的科學方法，加深學生對所學理論知識的理解，較全面地鍛煉學生的科研實踐能力，收到了良好的效果。（本文作者：王曉蘭、王志文 單位：蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院）
關(guān)鍵詞：LDPC碼 信道編碼 差錯控制 糾錯編碼 計算機仿真
中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00
低密度奇偶校驗碼（LDPC）是一種線性分組糾錯碼，當其采用迭代譯碼算法時，如和積（sum-product） 譯碼算法，具有逼近Shannon限的良好性能，其譯碼算法復(fù)雜度隨碼長呈線性增長，非常適合并行實現(xiàn)。正因如此，LDPC碼受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，已廣泛應(yīng)用于移動通信、光纖通信、衛(wèi)星測控通信和數(shù)字視頻等領(lǐng)域[1] [2]。
構(gòu)造LDPC碼時，其校驗矩陣中的非零元素往往很少，正是由于校驗矩陣具有這種稀疏的特性，因此出現(xiàn)了多種高效的譯碼算法，且糾錯能力較強。LDPC譯碼采用的是消息傳遞（MP）算法，其基本算法有比特翻轉(zhuǎn)（BF）算法和置信傳播（BP）算法。BF算法只進行比特位的翻轉(zhuǎn)等幾種簡單的運算，復(fù)雜度較低，因此硬件實現(xiàn)簡單，但其性能相對較低，適用于硬件條件受限而性能要求較低的場合；而BP算法是將接收到的信息在變量節(jié)點和校驗節(jié)點之間進行迭代運算，從而獲得最大編碼增益，因此具有很好的性能，同時復(fù)雜度也較高，廣泛應(yīng)用于對性能有較高要求的場合。
本文在介紹低密度校驗編碼的基礎(chǔ)上，研究了置信傳播（BP）算法、對數(shù)似然率（LLR-BP）算法、最小和（Min-sum）算法等三種譯碼算法，并對各種算法的復(fù)雜度、工程實現(xiàn)的難易度和優(yōu)缺點進行分析，并對分析結(jié)果進行仿真驗證。
1 低密度校驗編碼
LDPC編碼的首要條件是構(gòu)造一個符合條件的稀疏校驗矩陣。根據(jù)校驗矩陣結(jié)構(gòu)不同，通常把LDPC碼分為規(guī)則LDPC碼和不規(guī)則LDPC碼。規(guī)則LDPC碼的校驗矩陣每行每列的非零元素相同，而不規(guī)則LDPC碼不受此規(guī)則限制。無論哪種，好的LDPC碼，必須圍繞無短環(huán)、無低碼重碼字、碼間最小距離盡可能大的原則構(gòu)造校驗矩陣[3]。
傳統(tǒng)的編碼方法是將稀疏奇偶校驗矩陣H經(jīng)過高斯消元處理轉(zhuǎn)換為生成矩陣G，再根據(jù)G來進行編碼。如此的編碼方法其生成矩陣的稀疏性難以保證，且會導致編碼的運算和存儲復(fù)雜性大大增加。對于線性編碼來說，校驗矩陣為H，編碼后碼字為c，則由校驗等式性質(zhì)H?c’=0，所以可以用校驗矩陣直接編碼，主要的編碼方法有高斯消去的直接編碼，LU分解編碼，部分迭代編碼算法等。本文仿真采用高斯消去的直接編碼，將m?n校驗矩陣H通過高斯消元和列變換改成如下形式H=[I|P]，I為m?m單位矩陣，P為m?（n-m）矩陣，編碼后碼字c寫成c=[s|u]形式，u為輸入碼字，s為校驗碼字，由校驗等式H?c’=0得，I?s’+P?u’=0，即s’=P?u’，則由c=[u s]可得編碼后碼字。
2 LDPC碼譯碼算法
LDPC譯碼算法是以迭代運算為主，主要是基于二分圖[6]結(jié)構(gòu)的消息傳遞算法。二分圖與校驗矩陣H相對應(yīng)，包含三種元素，方形節(jié)點、圓形節(jié)點及連接方形節(jié)點和圓形節(jié)點之間的邊，對于M×N的校驗矩陣H，方形節(jié)點Vc=（c0，c1，…，cM-1）稱為校驗節(jié)點，對應(yīng)于校驗矩陣中的列，圓形節(jié)點Vs=（s0，s1，…，sN-1）稱為變量節(jié)點，對應(yīng)于校驗矩陣中的行。如果校驗矩陣中的非零位于第i行第j列，則校驗節(jié)點ci和變量節(jié)點sj之間存在一條邊，如圖1所示，為5×10的校驗矩陣二分圖表示。LDPC譯碼時各個節(jié)點的置信消息需要在變量節(jié)點和校驗節(jié)點之間互相傳遞。
3 譯碼算法性能分析及計算機仿真
從第二節(jié)對三種譯碼算法的分析來看，LLR-BP譯碼算法雖然與BP算法接近，但是，由于其運算是在對數(shù)域進行，因此復(fù)雜度有所降低；而MIN_SUM算法則通過采用近似運算來降低復(fù)雜度，但是，近似運算導致了該算法性能會有所損耗。
3.1三種譯碼算法復(fù)雜度比較
文獻[6]對概率域BP譯碼算法、LLR_BP譯碼算法和Min-sum譯碼算法的計算復(fù)雜度進行了對比，各種算法都是針對碼率為1/2的（n，2p，p）規(guī)則LDPC碼進行分析的。如表1所示。
由表1可以看出，在計算復(fù)雜度方面，BP算法最為復(fù)雜，LLR-BP算法次之，Min-sum算法計算量是最小的。
3.2三種譯碼算法性能比較
為了對BP算法、LLR_BP算法和MIN_SUM三種譯碼算法的性能進行分析，本文建立了BPSK系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示，并以此模型為基礎(chǔ)，分析三種譯碼算法在仿真系統(tǒng)中的性能。
基于圖2的系統(tǒng)仿真模型，對三種譯碼算法性能進行分析。信源部分隨機生成，生成的數(shù)據(jù)u={u1，u2， …，uk}經(jīng)基于刪除信道的迭代算法進行LDPC編碼，碼長為512，碼率為1/2，最大迭代次數(shù)為100，編碼后得到的碼字c={c1，c2， …，cn }進行BPSK調(diào)制，調(diào)制后將碼字c映射成傳輸碼字x={x1，x2， …，xn }。
若信噪比取值為SNR = （0：0.2：2），運行系統(tǒng)，可以繪制出采取三種不同譯碼算法解碼后系統(tǒng)的誤碼率曲線。圖3給出了在加性高斯白噪聲信道下系統(tǒng)誤碼率圖。
從圖3可以看出，BP譯碼算法和LLR_BP譯碼算法誤碼率基本一致，最小和譯碼算法誤碼率相對較差。由此可以看出，三種算法中BP算法是基礎(chǔ)算法，其譯碼復(fù)雜度最高，但具有最優(yōu)的譯碼性能。LLR-BP算法是由BP算法簡化而來，通過將原來的運算簡化到對數(shù)域進行，從而降低了譯碼復(fù)雜度。就譯碼性能來說，LLR-BP算法最接近BP算法，從圖中也可以看出，BP算法與LLR-BP算法的曲線幾乎一致。Min-sum算法復(fù)雜度最低，與其它兩種算法比較譯碼性能較差，但性能損失不大。所以Min-sum算法復(fù)雜度降低，易于硬件實現(xiàn)，實用性較強。因此在實際運用中，我們需要在性能和復(fù)雜度上進行整體考慮。
4 結(jié)語
低密度校驗編碼在高速數(shù)據(jù)傳輸中有著較好的應(yīng)用，但是其采用不同譯碼算法所表現(xiàn)出的譯碼性能有著較大差異。為此，本文討論了置信傳播（BP）譯碼算法和在該譯碼算法基礎(chǔ)上衍生的兩種譯碼算法，對數(shù)似然率（LLR-BP）算法和最小和（Min-sum）算法；分析了三種譯碼算法的性能，并對分析結(jié)果進行了仿真驗證。雖然LLR-BP算法譯碼性能與BP算法相當，但簡化了算法，Min-sum算法雖然較BP和LLR-BP算法相比，損失了一定誤碼性能，但易于硬件實現(xiàn)，實用性較強。因此，在實際應(yīng)用中，要根據(jù)系統(tǒng)性能要求和硬件條件等因素綜合考慮，在譯碼性能和復(fù)雜度之間需要全面衡量，選擇合適的LDPC碼譯碼方法，開發(fā)相應(yīng)的硬件產(chǎn)品。本文只是對LDPC碼的基礎(chǔ)譯碼算法進行了分析，對不同碼長的選擇，以及在不同的調(diào)制方式和通信環(huán)境下系統(tǒng)性能的比較分析未曾考慮，因此還需要進一步完善。
參考文獻
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關(guān)鍵詞：進氣系統(tǒng)；有限元法；亥姆霍茲共振器；傳遞損失
中圖分類號：U464.3 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2013）03-0005-05
工程車輛在工作時會產(chǎn)生諸多噪聲，其中發(fā)動機的進氣噪聲是主要噪聲源之一。因此，降低發(fā)動機進氣噪聲對于控制整車噪聲有著重要作用。文中對某工程車輛的進氣系統(tǒng)進行了實驗測試分析和仿真分析，獲得該進氣噪聲優(yōu)勢頻率及傳遞損失等數(shù)據(jù)，并根據(jù)分析結(jié)果，提出改進意見。改進后的進氣系統(tǒng)降噪效果滿足標準要求，驗證了設(shè)計理論及方案。
1 實驗分析
1.1 噪聲信號采集及分析
1.2 進氣系統(tǒng)傳遞損失測量
傳遞損失是消聲元件和簡單系統(tǒng)消聲效果的重要評價指標之一，只取決于該元件的結(jié)構(gòu)、介質(zhì)的阻抗率和截面面積，與源特性和尾端輻射特性沒有關(guān)系，計算簡單精確。
根據(jù)測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算后得到系統(tǒng)傳遞損失曲線，如圖7。從曲線上可以看到系統(tǒng)對較低頻段消聲效果很差，并且在200～250 Hz頻段存在低谷，消聲量不足10 dB，與進氣口噪聲頻譜和駕駛室左耳處噪聲頻譜相對應(yīng)，所以有必要優(yōu)化進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為方便優(yōu)化設(shè)計和快速了解系統(tǒng)中的不合理結(jié)構(gòu)，故采用計算機仿真方法對進氣系統(tǒng)進行分析，針對進氣噪聲頻譜優(yōu)勢頻率和聲壓值較強的結(jié)構(gòu)提出改進方法。
2 進氣系統(tǒng)CAE分析
4 總結(jié)
（1）對某工程車輛進氣系統(tǒng)進行試驗分析和仿真計算，了解系統(tǒng)的消聲性能，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。
（2）綜合分析后，針對進氣噪聲優(yōu)勢頻率和聲壓值較高的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提出改進方案。
（3）采用優(yōu)化方案后，實車測試中進氣系統(tǒng)消聲性能符合預(yù)期值，滿足項目要求，也為工程車輛方面降噪提供了參考。
參考文獻：
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【關(guān)鍵詞】計算機模型；科學教育；研究進展
【中圖分類號】G40-057
【文獻標識碼】A
【論文編號】1009-8097（2013）02-0120-07
一 計算機模型及其建模工具
模型是人們對客觀事物、現(xiàn)象、事件、過程或系統(tǒng)的簡約化、抽象化表征。計算機模型是以計算機為媒介，應(yīng)用特定的工具（程序、軟件、建模環(huán)境）可視化、簡約化地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)象（尤其是對象的抽象成分、因果關(guān)系以及隨時間演變的復(fù)雜系統(tǒng)），從而描述、解釋、預(yù)測現(xiàn)象。圖1、圖2呈現(xiàn)的是兩個計算機模型實例。“理想氣體”是由美國西北大學Uri Wilensky教授開發(fā)的系列NetLogo模型之一，“光電效應(yīng)”是由美國科羅拉多大學PhET項目組開發(fā)的系列仿真實驗之一。每個模型的界面包含現(xiàn)象、變量、控制、數(shù)據(jù)、符號等內(nèi)容。它們從宏觀、微觀、符號、圖形層面表征物質(zhì)的性質(zhì)、現(xiàn)象、變化。通過設(shè)置、改變計算機模型中的參數(shù)，可以觀測不同條件下的現(xiàn)象，從而把握、預(yù)測事物的性質(zhì)、變化規(guī)律。人們還可以根據(jù)需要，改編程序語言，修改模型。計算機模型可存儲于硬盤、光盤、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等介質(zhì)中，因而人們可以自由復(fù)制或下載。由于計算機模型相對于物理模型具有獨特的優(yōu)勢，近年來被廣泛運用于科學研究、生產(chǎn)生活及學校教育中。
基于計算機建模的技術(shù)豐富多樣，包括數(shù)據(jù)庫、語義網(wǎng)絡(luò)、電子表格、專家系統(tǒng)、系統(tǒng)及種群動態(tài)工具、可教人和直接操作環(huán)境、可視化工具、超媒體、結(jié)構(gòu)化計算機會議等。不同領(lǐng)域、不同目的，建模的工具通常有所差別?？茖W教育中，計算機模型主要表現(xiàn)為可視化模型、仿真、動畫、系統(tǒng)、圖形、關(guān)系等形式，目前國外比較流行的建模工具（或環(huán)境）有eChem、Genetics Construction Kit、Model-It、NetLogo、PhET、Pedagogica，Stella，Thinker tool，Molecular Workbench、4M：Chem等，這些技術(shù)有各自的特點和側(cè)重。
二 科學教育中計算機模型研究若干課題
自上世紀90年代，國外學者廣泛運用計算機模型于科學教育中，相關(guān)研究十分繁榮，主要涉及如下幾個方面：
1 基于計算機模型的學習研究
（1）計算機模型與多重表征
表征是學習的核心。Johnstone認為，無論是物理、化學還是生物，都建立在三重表征之上，存在思維三角（圖3）；科學家可以暢行于三角之間，然而學生常常擱淺在宏觀一角，這造成了科學學習困難。計算機模型充分整合宏觀、微觀、符號層面信息，呈現(xiàn)同一現(xiàn)象不同層面的表征以及不同表征之間的相互聯(lián)系、作用，從而有效促進學生建構(gòu)事物的多重表征及其聯(lián)系。
Wu等以eChem為主要建模工具（圖4），在11年級化學課中開展教學實驗研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在實施6個星期的研究后，學生的化學表征學習得以實質(zhì)性提高。絕大多數(shù)學生在宏觀、微觀水平能很好地掌握有關(guān)概念知識，深刻理解相關(guān)表征和化學概念；學生在表征轉(zhuǎn)換題目上的得分明顯高于其他題目，表明學生在不同的表征之間相互轉(zhuǎn)換的能力得到顯著提高；積極參與模型學習的學生花更多時間討論化學表征背后的相關(guān)概念，對物質(zhì)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、概念等相關(guān)知識的理解更精確，對化學表征的理解更深刻。Wu等強調(diào)，計算機模型對學生化學學習具有累積性、長效性的影響。
Williamson研究表明，計算機動態(tài)模擬比靜態(tài)圖片更能提高學生對信息的深刻編碼，同時激活形象和語義雙重編碼，有助學生形成關(guān)于現(xiàn)象的動態(tài)心智模型；而僅觀察透視圖或粉筆繪制圖，學生難以建立對現(xiàn)象的充分理解以及形成物質(zhì)微粒性的心智表征，而僅僅停留在宏觀現(xiàn)象的認識上。Snir等開發(fā)、實施了物質(zhì)微粒性計算機模型工具的教學研究。他們發(fā)現(xiàn)，學生對物質(zhì)的宏觀理解和微觀理解是相輔相成的，計算機模型工具能夠幫助中學生持久地內(nèi)化物質(zhì)的微粒觀，同時增強了對科學模型的理解。
Ardac和Akaygun對59名九年級學生進行實驗研究，實驗組學生除了常規(guī)教學還接受基于媒體的教學，該教學突出強調(diào)宏觀、微觀和符號的同時三重表征。研究表明，媒體教學組學習成績明顯優(yōu)于常規(guī)組，他們更容易在分子層面表征物質(zhì)。隨后，Ardac和Akaygun比較了56名八年級學生關(guān)于化學變化三種教學條件下（動態(tài)一個體、動態(tài)一全班、靜態(tài)一全班）的學習效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，動態(tài)視覺表征組的成績顯著高于靜態(tài)視覺表征組，個體學生動態(tài)視覺學習組分子表征成績優(yōu)于以全班性動態(tài)視覺學習組和靜態(tài)一全班學習組。作者建議，當向?qū)W生呈現(xiàn)分子表征時，盡可能運用動態(tài)視覺方式。
計算機模型之所以能促進學習表征，Wu以“烷烴”表征為例，作如下解釋。學生在理解化學表征時，需要形成解釋、轉(zhuǎn)譯和心智轉(zhuǎn)換操作。由于化學表征既有形象性、又有抽象性特征，學生要建立對化學表征的充分理解、獲得表征技能需要具有牢固的概念化知識與視覺空間能力。根據(jù)Paivio（1991，1986）的“雙重編碼”理論，Wu提出了表征學習需要建立涉及可視化和概念化信息的三重基本認知聯(lián)結(jié)（如圖5）：（a）外界所呈現(xiàn)的信息與個體內(nèi)部表征的信息之間建立表征聯(lián)結(jié)，如將“烷烴是一種碳氫化合物，它們只含單鍵”（外部刺激）與“如果碳原子數(shù)為n，那么氫原子數(shù)是2n+2”（個體言語表征）之間建立聯(lián)系（聯(lián)系1）；（b）外界所呈現(xiàn)的可視化信息與個體內(nèi)部表征的信息之間建立表征性聯(lián)系，如將（可視化刺激） 與烷烴的心智圖像（可視化表征）之間建立聯(lián)系（聯(lián)系2）；（c）可視化系統(tǒng)與概念化系統(tǒng)之間的對照聯(lián)結(jié)（聯(lián)系3）。在化學表征過程中，學生需要激活上述一個或多個聯(lián)結(jié)。例如，要將化學式轉(zhuǎn)譯為物質(zhì)結(jié)構(gòu)，學生需要提取有關(guān)可視化和概念化信息，激活化學鍵與分子形狀之間的聯(lián)結(jié)。計算機模型可以為學生充分提供可視化刺激，強化不同信息之間的相互聯(lián)結(jié)，增強學生的表征理解與轉(zhuǎn)換能力。
（2）計算機模型與概念學習
概念形成與發(fā)展是科學學習的重要組成部分。大量研究表明，計算機模型能有效促進學生科學概念的理解，轉(zhuǎn)變錯誤概念、模糊觀念。例如，Russell等運用4M：CHEM在500名大學生中實施研究。該模型整合了宏觀現(xiàn)象、微粒運動及有關(guān)圖形、圖表、化學符號、方程式等內(nèi)容。結(jié)果顯示，學生在后測中化學成績顯著提高；56%的學生（前測中則只有32%）能對科學概念（“化學平衡體系”）進行準確的描述和定義；學生在錯誤概念題上的得分從前測的0.5減少到后測的0.2。Ozmen等整合了計算機微觀動畫模擬與概念轉(zhuǎn)變學習材料，研究它們對學生化學鍵模糊概念矯正的影響。他們總共設(shè)計了16個計算機模型和7份概念轉(zhuǎn)變學習材料，在11年級展開準實驗研究，發(fā)現(xiàn)在化學鍵概念后測中實驗組學生的成績顯著高于控制組，而前測中兩者沒有顯著差異。Ozmen等指出，整合計算機模型與概念轉(zhuǎn)變學習材料的教學方法，能有效促進學生對化學概念的理解和模糊觀念的矯正。
Vosniadout從心智模型視角解釋了計算機模型促進概念轉(zhuǎn)變的內(nèi)在機制。形成心智模型是人類認知的最基本特征，人類通過建構(gòu)心智模型來認識、理解世界。心智模型對概念發(fā)展和轉(zhuǎn)變具有重要意義，強烈、實質(zhì)性的概念轉(zhuǎn)變需要心智模型的根本重構(gòu)。心智模型的轉(zhuǎn)變是學生科學概念轉(zhuǎn)變3種主要形式之一。心智模型（內(nèi)部模型，即人頭腦中的模型）和外部模型（物質(zhì)世界中的模型）之間是動態(tài)、相輔相成的關(guān)系。心智模型是外部模型的基礎(chǔ)，外部模型反過來制約、規(guī)定心智模型，提供概念轉(zhuǎn)變的意義。計算機模型可以使學生的心智模型與外部模型發(fā)生耦合。一方面，計算機模型幫助學生連接現(xiàn)象與模型，內(nèi)化、建構(gòu)、精致或重構(gòu)心智模型；另一方面，學生的心智模型可以通過計算機模型進行外化、表達；在雙向互動過程中，促進概念的理解和轉(zhuǎn)變。
（3）計算機模型與建模學習
近年來，越來越多學者意識到模型與建模對學生科學學習的重要意義，各國現(xiàn)行科學教育（課程）標準突出強調(diào)學生對科學模型的理解和運用。與此同時，大量研究證實基于計算機模型的學習和教學能有效發(fā)展學生模型理解與建模技能。例如，F(xiàn)retz等研究發(fā)現(xiàn)，建模工具（Model-It）作為支架能有效支持學生完成絕大多數(shù)建?；顒?，促進建模技能的發(fā)展。Snir、Smith和Raz開發(fā)了物質(zhì)微粒性計算機模型，該模型包含了4個窗口：（a）化學實驗，即實驗?zāi)M，提供宏觀現(xiàn)象；（b）問題與思考，設(shè)計一些問題要求學生回答，旨在引發(fā)學生對宏觀現(xiàn)象的思考；（c）模型，提供不同模型，它們分別從不同視角解釋同一現(xiàn)象，學生可以比較、選擇自己更為滿意的微觀解釋模型；（d）模型探索，允許學生用所選擇的具體模型來探索現(xiàn)象，檢驗自己的想法與假設(shè)。該研究表明，這些計算機模型不僅幫助學生內(nèi)化物質(zhì)微粒性假設(shè)，同時幫助學生建立“一個好的模型可以在更大范圍上解釋事實，而非僅展示某個現(xiàn)象”的認識論觀點。Sins等進一步研究發(fā)現(xiàn)，學生對計算機模型、建模的認識論理解（即模型的性質(zhì)、模型的目的、建模過程以及模型的評估）與思維深加工具有顯著正相關(guān)，而與思維淺加工顯著負相關(guān)。
Taylor認為計算機運用于教育主要有兩種模式：指導一訓練模式、工具一探究模式；前者是計算機控制教學內(nèi)容，計算機用來呈現(xiàn)有關(guān)事實信息、訓練學生；后者是學生控制學習環(huán)境、內(nèi)容，計算機作為一種工具讓學生探究計算機屏幕上所展現(xiàn)的世界。計算機建模環(huán)境偏向后者，可以充分給學生提供機會探究模型工具上所展現(xiàn)的現(xiàn)象、特征以及背后所隱含的科學模型與概念，更重要的是理解科學模型的本質(zhì)以及訓練建模的基本技能。
（4）計算機模型與科學探究
Geban等通過對200名九年級學生長達9周的計算機仿真實驗研究，發(fā)現(xiàn)基于計算機的仿真實驗及問題解決活動能顯著提高學生的科學過程技能。de Jong和van Joolingen在大量文獻研究基礎(chǔ)上歸納出計算機模型能有效支持學生科學探究的5個方面：（a）提供科學探究所必需的學科背景知識；（b）支持猜想與假設(shè)的形成；（c）支持實驗設(shè)計；（d）支持作出預(yù)測；（e）支持自我調(diào)節(jié)學習過程。Quintana等建構(gòu)了支持科學探究活動的計算機模型支架性設(shè)計框架，該框架圍繞科學探究過程的三個成分展開（即意義建構(gòu)、過程管理、表達與反思），包含了模型任務(wù)、障礙、支架原則與策略、建模工具樣例等要素。實踐證明，該框架為如何運用計算機建模軟件作為腳手架支持學習者科學探究活動提供了理論基礎(chǔ)和方法論依據(jù)。不少學者研究了基于計算機模型（仿真）探究活動中學生的學習特征、影響因素。Lazonder等對55名大學新生進行基于計算機仿真科學探究活動的實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于前知識較為缺乏的學生，在探究活動之前及之中提供相關(guān)學科知識信息，有助于學生進行科學推理和科學知識的獲得。Mulder等比較了基于計算機模型的探究性學習環(huán)境下兩類建模進程，即模型序列進程（即一開始呈現(xiàn)理想模型，包含所有變量，變量關(guān)系逐漸深化，學生逐步建構(gòu)完整、特殊模型）、模型精致進程（即隨著建模進程逐個增加變量，學生從簡單到復(fù)雜、低級到高級、單一到綜合進行建模）。結(jié)果表明，計算機模型探究性學習環(huán)境下，模型進程方式有助于學生任務(wù)的完成、提高探究技能，其中模型序列進程優(yōu)勢更明顯?？梢姡谟嬎銠C模型的探究活動有助于學生獲得科學知識、提高探究技能、發(fā)展科學過程與方法。
（5）計算機模型與認知發(fā)展
Ogbors提出，相當一部分人在邏輯、數(shù)學、抽象思維等方面十分欠缺，而計算機在某種程度上可以促進這些高級認知技能的發(fā)展。他以WordMake、LinkIt為主要工具，進一步證實了計算機模型有助于發(fā)展學生的定性推理（即利用對物體、事件的想象進行推理）、半定量推理能力。Pallant和Tinker以計算機建模環(huán)境Molecular Workbench和Pedagogica中的分子運動模型為主要工具研究學生微觀水平的推理。研究發(fā)現(xiàn)，學生通過探究分子運動水平上的物質(zhì)模型，可以較好地建構(gòu)物質(zhì)狀態(tài)心智模型，精確地再現(xiàn)不同狀態(tài)下物質(zhì)微粒的排列情況，并進行原子間相互作用思維推理。Sins等研究揭示，計算機模型環(huán)境下學生要完成較為復(fù)雜的任務(wù)，需要進行深度認知活動，如建立觀點之間的聯(lián)系、尋找規(guī)律和原則、整合新信息與先前知識經(jīng)驗等，從而發(fā)展深刻思維加工能力。
2 基于計算機模型的教學研究
計算機模型在教學中的應(yīng)用十分廣泛，相關(guān)研究文獻也相當豐富。Stieff以ConnectedChemistry為例，總結(jié)出計算機模型在化學課堂中的幾種應(yīng)用方式：（a）作為可視化工具用于教師演示和討論；（b）作為實驗仿真讓學生進行實驗；（c）作為反饋工具，用于家庭作業(yè)，讓學生自學和問題解決；（d）模型修改、建?；顒?。PhET項目組所開發(fā)的仿真科學實驗大量運用于實驗室實驗、家庭作業(yè)、可視化輔助、小組活動及演示中。Khan以化學平衡為例，提出了基于模型教學的五個原理：（a）基于已有心智模型對化學平衡作出預(yù)測：（b）在兩個變量間建立關(guān)系；（c）提供背后機理的解釋；（d）運用類比支持關(guān)于模型的解釋；（e）評估初始模型；（f）修改模型。price等運用計算機模型于學生討論活動，從“交際法”、“基于模型的共同建構(gòu)法”兩種理論視角提出了系列教學策略：現(xiàn)象觀察-計算機仿真-極端案例-狀態(tài)圖形。每一策略包含若干“驅(qū)動”方式，如計算機仿真涉及向?qū)W生介紹計算機模型所代表的意義、使學生專注于計算機模型（如情境化、預(yù)測、強調(diào)、批判）。研究發(fā)現(xiàn)討論和仿真的協(xié)同作用能提升學生的參與、促進理解以及思維推理。此外，Ozmen實證了計算機模型與概念轉(zhuǎn)變學習材料相互整合的教學方法；Liu強調(diào)計算機模型與真實實驗相結(jié)合的教學形式比單一教學（計算機模型或?qū)嶒灒└行?。Wei、Liu提出了基于計算機模型的形成性評價教學策略。
3 基于計算機模型的評價研究
隨著計算機模型廣泛運用于科學教學中，如何測量、評價學生基于計算機模型的學習效果則顯得十分必要，然而目前這方面的研究較為欠缺。本文第一作者曾以Rasch測量理論為指導，開發(fā)了基于NetLogo模型的物質(zhì)概念理解測驗量表，包含3個理解水平，由15道選擇題、3道開放題組成，這些題目針對作者基于NetLogo設(shè)計的“化學反應(yīng)”模型。例如，“程序界面右側(cè)的圖形中，曲線的變化意味著_____。A.物理變化B.化學變化C.溫度變化”（選擇題）、“請用相應(yīng)的文字及圖畫描述本活動中所發(fā)生的化學反應(yīng)”（開放題）。學生先用10～15分鐘操作計算機模型，然后獨立回答問題，測試數(shù)據(jù)運用Rasch模型進行建模和分析。Liu等開發(fā)了10套計算機模型形成性評價量表，每個量表涉及三個維度（物質(zhì)、能量、模型），包含24道等級選擇題（即備選項高低不同的理解水平而非對錯）、1道開放題。研究結(jié)果顯示，這些量表具有良好的信效度，能有效揭示學生基于計算機模型的學習特征與發(fā)展規(guī)律。
4 基于計算機模型的教師研究
Stylianidou等曾對8位科學教師進行個案研究，發(fā)現(xiàn)教師還不能充分、自覺地運用信息工具于教學中，但他們面臨的這些壓力正日益增加；制約教師順利實施教學改革的因素是多方面的，其中認識因素很重要；教師越是能充分意識到計算機建模在具體實施中以何種方式變革課程以及不同的因素如何影響教師的轉(zhuǎn)變，他們就越能選擇實施新的想法。Valanides等研究顯示，小學職前教師進行基于計算機模型的學習與教學之后，能夠十分清晰地認識到科學模型對科學教與學的重要意義，能正確建構(gòu)科學模型，并積極利用它們作為教學支架應(yīng)用于教學設(shè)計中；而在此之前，這些教師完全忽視了模型和建模在科學教學與學習中的作用；然而他們?nèi)孕枰獜V泛學習以充分理解科學模型的建構(gòu)過程。盡管教師意識到計算機模型對學生科學學習的作用，但他們關(guān)于模型、建模、計算機模型、教學法（PCK）以及技術(shù)的使用知識仍十分缺乏，這直接影響著計算機模型的教學成效；而教師這些方面的發(fā)展較為復(fù)雜和非線性，僅僅接觸、意向是不夠的，教師需要更多的體驗、練習以及更深入地實踐與反思。
三 啟示
當今世界，科技飛速發(fā)展，現(xiàn)代信息技術(shù)正猛烈沖擊、深刻變革著教育領(lǐng)域，成為人們獲取和運用知識的重要途徑。計算機模型與建模具有獨特的教育意義，開辟了信息技術(shù)與學科教學整合的新范式，勢將成為教育領(lǐng)域的一個重要趨勢。中國這些方面的研究與實踐仍顯得相對滯后?，F(xiàn)有文獻仍主要集中在對國外計算機建模工具的介紹與評析，少有研究深入探討這些計算機模型如何與學科教學整合以及該學習環(huán)境下多種教學要素的特質(zhì)與規(guī)律。適合我國科學教學的計算機模型開發(fā)的討論也并不多見。曾有機構(gòu)開發(fā)了少數(shù)中學科學仿真實驗，但并未得以充分推廣、普及。無疑，國外先進的經(jīng)驗對我國相關(guān)領(lǐng)域研究具有重要啟示。
1 計算機模型的設(shè)計應(yīng)基于一定的理論與實證研究
D.H.喬納森論及技術(shù)與學習的關(guān)系時強調(diào)，學習者不是從技術(shù)中獲得知識，而是從思考中學習；應(yīng)該將技術(shù)作為一種能夠幫助學習者闡釋和重組個人知識的思維工具，利用技術(shù)來幫助學習者更為有效的思考；教育者與其費盡心思分析如何讓技術(shù)教得更好，不如考慮學生如何思考才能獲得更富有意義的學習。因而，在開發(fā)、運用計算機模型時，應(yīng)當把學生如何學習作為根本出發(fā)點和依據(jù)。本文述及的計算機模型及其相關(guān)研究，大都基于一定的學習、心理理論，如表征、概念形成與轉(zhuǎn)變、心智模型、認知加工等。此外，要使計算機模型最大限度幫助學生學習，需要基于大量的實證研究。例如，PhET項目組建立了基于研究的設(shè)計思路，通過反復(fù)實踐、評價、反饋、改進，使得仿真實驗最大程度上達到課堂教學需求、體現(xiàn)教學價值。
2 開發(fā)優(yōu)質(zhì)的計算機模型需要多個領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c
事實上，一個完美的計算機模型是多種智慧的集合體，包括學科知識、學習科學、計算機技術(shù)、藝術(shù)、教學論等?？v觀現(xiàn)今較為流行的計算機建模工具、平臺或環(huán)境，其團隊成員常常來自不同領(lǐng)域。例如NetLogo項目組包括課程開發(fā)者、認知科學家、學習與教學設(shè)計專家、程序員、學科人員、中小學教師、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)員、管理者等。不同領(lǐng)域人員可以從各個角度對計算機模型的設(shè)計、運用提供專業(yè)化支持，從而保證其科學、合理、美觀、實效等。
3 教學中計算機模型的運用要注重適切性、實效性
計算機模型設(shè)計者往往基于不同的目的、立場進行設(shè)計，然而教學實際總是豐富多樣甚至迥然不同的，體現(xiàn)在課程標準、教材內(nèi)容、學生思維特點與水平、學習環(huán)境、教學條件等方面。因此，教師需要篩選、二次加工或者根據(jù)教學實際進行重新設(shè)計。有些現(xiàn)成的模型過于復(fù)雜、綜合，教師要根據(jù)學生認知水平或教學需要把握好計算機模型的難度。一些建模工具會提供程序代碼（如NetLogo、PhET），可以通過改編程序修改模型。由于計算機模型在我國起步較晚，現(xiàn)行大多數(shù)模型都是英文界面，如果要用于我國課堂中，需要進行翻譯或者向?qū)W生提供中英文對照輔助材料。
