導(dǎo)語(yǔ)：試論計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)法特點(diǎn)一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

[摘要]計(jì)算機(jī)仿真是指通過(guò)實(shí)驗(yàn)模型去研究一個(gè)已經(jīng)存在的或者正在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的過(guò)程。仿真實(shí)驗(yàn)不僅是對(duì)實(shí)驗(yàn)原型的再現(xiàn)，而且是按照實(shí)驗(yàn)的側(cè)重點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行研究，最終建立在模型系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

一、計(jì)算機(jī)仿真

計(jì)算機(jī)仿真就是將一個(gè)描述實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通過(guò)第二次模型化，變成一個(gè)能夠采用計(jì)算機(jī)運(yùn)算求解的仿真模型，并在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程，以此獲得有關(guān)實(shí)際系統(tǒng)的定量信息、數(shù)據(jù)或資料，深化對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和研究。

計(jì)算機(jī)仿真的全過(guò)程：①建立描述實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。②經(jīng)二次模型化建立仿真模型。③仿真模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)運(yùn)行，有必要再根據(jù)技術(shù)要求修改仿真模型并校驗(yàn)。④分析仿真運(yùn)行結(jié)果，為研究、分析，設(shè)計(jì)和調(diào)整所研究的實(shí)際系統(tǒng)提供可靠的信息、數(shù)據(jù)。

根據(jù)仿真中所采用的計(jì)算機(jī)類型的不同，計(jì)算機(jī)仿真可分為模擬仿真和數(shù)字仿真。

1.模擬仿真

模擬仿真是采用模擬計(jì)算機(jī)作為仿真工具進(jìn)行仿真，模擬計(jì)算機(jī)是一種連續(xù)變量的解算裝置。它將被研究系統(tǒng)的各種物理量用機(jī)器電壓來(lái)表示，通過(guò)由模擬電子器件構(gòu)成的各種運(yùn)算部件，進(jìn)行模擬量的連續(xù)解算。

模擬仿真時(shí)，首先根據(jù)所研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用連續(xù)積分、降階求解的方法變成仿真模型——模擬結(jié)構(gòu)圖，再選擇合適的變量幅值比例尺，使實(shí)際系統(tǒng)變量與機(jī)器電壓之間建立數(shù)量上的折算關(guān)系，然后將計(jì)算機(jī)中有關(guān)的運(yùn)算部件按比例尺化后的模擬結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行連接。通過(guò)上機(jī)調(diào)試、運(yùn)行，獲得仿真結(jié)果。

模擬仿真的突出特點(diǎn)是仿真結(jié)果非常接近于實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)情況。這是因?yàn)槟M計(jì)算機(jī)采用機(jī)器電壓代表實(shí)際系統(tǒng)的變量參加運(yùn)算和輸出結(jié)果，它是一個(gè)有正、負(fù)極性和連續(xù)變化的量，用它來(lái)描述連續(xù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程就顯得逼真，和真實(shí)系統(tǒng)在測(cè)試設(shè)備上觀察到的波形幾乎完全相同。此外，模擬計(jì)算機(jī)運(yùn)算部件采用的電路及所用的信號(hào)很簡(jiǎn)單，人們可以通過(guò)系數(shù)電位器的設(shè)置、調(diào)節(jié)和運(yùn)算部件連接關(guān)系的改變，方便而迅速地改變系統(tǒng)的參數(shù)和修改系統(tǒng)的仿真模型，人機(jī)聯(lián)系很方便。

2.數(shù)字仿真

數(shù)字仿真是使用數(shù)字計(jì)算機(jī)作為仿真工具進(jìn)行仿真。數(shù)字計(jì)算機(jī)是一種離散量的計(jì)算裝置，它將實(shí)際系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中連續(xù)變化的物理量離散成一組組二進(jìn)制碼表示的數(shù)字量，經(jīng)過(guò)機(jī)器碼的運(yùn)算求得數(shù)學(xué)模型的解答，輸出一組組時(shí)間離散節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值解答。

數(shù)字仿真的大致過(guò)程：①建立被仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。②將數(shù)學(xué)模型經(jīng)數(shù)值計(jì)算方法改造成仿真模型。③編寫(xiě)仿真程序。④鍵入并運(yùn)行仿真程序，獲得仿真結(jié)果。

二、仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用

仿真實(shí)驗(yàn)是開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要資源組成。所謂“仿真實(shí)驗(yàn)”，是相對(duì)于實(shí)物實(shí)驗(yàn)而言的，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)。在實(shí)物實(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。仿真實(shí)驗(yàn)雖然難以達(dá)到與實(shí)物實(shí)驗(yàn)完全一樣的程度，但其良好的教學(xué)效果仍顯而易見(jiàn)，其表現(xiàn)如下。

1.營(yíng)造多樣化教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)習(xí)興趣

對(duì)大多數(shù)學(xué)生來(lái)說(shuō)，在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，會(huì)感到書(shū)上一些概念性的介紹很抽象。雖然有些儀器附有圖片，但是仍然顯得很單調(diào)。學(xué)生預(yù)習(xí)起來(lái)容易缺乏興趣，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理并不能真正理解。如果學(xué)生以前沒(méi)有接觸過(guò)該實(shí)驗(yàn)的儀器，實(shí)驗(yàn)中就有可能因使用方法不當(dāng)而進(jìn)行誤操作，造成實(shí)驗(yàn)中斷、儀器損壞。仿真實(shí)驗(yàn)可以提供形象直觀、內(nèi)容豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境，圖文并茂、動(dòng)靜結(jié)合、節(jié)奏有序的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并以聲音、圖像等豐富的表現(xiàn)力幫助學(xué)生進(jìn)行多感官的學(xué)習(xí)，這樣無(wú)疑會(huì)增加學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)的積極性，促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的熟悉和對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解。特別是一些對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)陌生而復(fù)雜的儀器，經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的練習(xí)，操作起來(lái)既輕松又胸有成竹，從而提高教學(xué)效率。同時(shí)，降低了大大了損壞率。

2.打破時(shí)間和空間的局限，確保開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施

將仿真實(shí)驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，以網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生可以利用校園網(wǎng)或Internet對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，使教學(xué)內(nèi)容在時(shí)間和空間上得到延伸，學(xué)生能夠充分的學(xué)習(xí)和掌握實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。作為一個(gè)“開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)室”，學(xué)生可以根據(jù)自己的時(shí)間，在任何地點(diǎn)自主學(xué)習(xí)，利于學(xué)生根據(jù)興趣選擇，并能滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。同時(shí)，給學(xué)生提供了自學(xué)實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的自學(xué)能力。

3.節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，提供無(wú)懼環(huán)境，保證實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目和數(shù)量

自然科學(xué)前沿領(lǐng)域的高新技術(shù)設(shè)備價(jià)格昂貴，目前伴隨著高校辦學(xué)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，受教育資金的限制，高校儀器設(shè)備的數(shù)量和種類相對(duì)匱乏，傳統(tǒng)單一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。多媒體仿真實(shí)驗(yàn)以較少的投入，更大靈活性的緩解了上述的矛盾。同時(shí)學(xué)生可以按自己的設(shè)想在多種實(shí)驗(yàn)環(huán)境中搭建自己的實(shí)驗(yàn)。另一方面，部分實(shí)驗(yàn)還具有一定的危險(xiǎn)性，因此許多學(xué)校在開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)常有所保留，學(xué)生也不敢大膽嘗試實(shí)驗(yàn)。這在很大程度上扼殺了學(xué)生創(chuàng)造能力的發(fā)展。仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)認(rèn)錯(cuò)性很強(qiáng)，在模擬的過(guò)程中學(xué)生操作一旦出錯(cuò)，系統(tǒng)立即指出調(diào)節(jié)錯(cuò)誤，如果前一步調(diào)整不好就不允許進(jìn)行下一步，迫使學(xué)生反復(fù)演練直至成功，學(xué)生的創(chuàng)造性思維會(huì)得到良好的發(fā)展。從而保證了實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目和數(shù)量。

4.真正實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合

仿真實(shí)驗(yàn)可以經(jīng)過(guò)設(shè)置或再開(kāi)發(fā)，作為理論教學(xué)的輔助工具。一些在學(xué)科發(fā)展中做出了歷史性貢獻(xiàn)的典型實(shí)驗(yàn)都可以利用仿真實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)于課堂教學(xué)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法引入新的概念和規(guī)律，把理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)的融為一體，按照科學(xué)探索和研究的過(guò)程進(jìn)行教學(xué)，這樣可以開(kāi)闊學(xué)生的視野，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣。仿真實(shí)驗(yàn)以仿真的儀器為主要器材，它所仿真的元器件、儀器儀表和系統(tǒng)功能與真實(shí)的硬件存在著必然的差異。仿真實(shí)驗(yàn)雖然新穎有趣，但與真實(shí)實(shí)驗(yàn)仍有距離感。并且，將仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于教學(xué)，它的整個(gè)教學(xué)過(guò)程都是在計(jì)算機(jī)上操作完成的，在教學(xué)應(yīng)用中不可避免地具有一定的局限性。

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