仿真實驗范文

導語：如何才能寫好一篇仿真實驗，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：傳熱學 仿真實驗 探討

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（b）-0040-02

1 實驗教學存在的問題

實驗教學是工科類專業素質教育的重要組成部分，是鞏固課堂所學知識、培養學生的科學研究方法、實驗基本技能以及創新能力的重要途徑。加強實驗教學改革有助于提升整體教學水平。實驗室硬件水平是開展教學實驗的基本保障，但由于人力、物力、財力的限制，實驗室硬件通常不能滿足實際教學需求。比如，實驗室缺乏必要的專業實驗設備導致教學計劃中的一些教學實驗無法順利開展，或者部分教學設備陳舊老化、數量嚴重不足，無法為每個學生提供全程動手操作的機會，另外某些專業實驗設備價格昂貴甚至實驗過程存在一定的危險性也導致許多學校在開設實驗項目時常常有所保留。有些實驗受到場地和課時限制，在規定的時間內無法完成實驗或實驗效果不理想，這些都直接影響了實驗課的教學效果。上述問題除了通過合理的實驗室建設和設備購置來解決外，還可借助現代計算機仿真技術開展仿真實驗教學來解決。

2 仿真實驗

仿真實驗是指在交互狀態下，借助編程軟件、多媒體、仿真等技術在計算機上營造可輔助、部分替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，學生可以像在真實環境一樣完成各種實驗項目，所得的結果甚至優于實際實驗結果。仿真實驗具有很多的優點它營造了多樣化的教學環境，能大大提高學生的學習興趣；將仿真實驗與網絡鏈接后，學生可以利用校園網進行實驗課程的學習，打破了傳統實驗教學時間和空間的限制；可以節省實驗經費，實現多種實驗目的。

一些高等院校和企業開發了適用于不同專業、實現不同功能的實驗仿真軟件，促進了仿真實驗在工科實驗教學中的應用。如能實現離心泵測定、精餾、吸收等功能的化工原理仿真實驗、驗證電工基本定理的電工電子仿真實驗、大學物理仿真實驗、建筑工程仿真實訓系統等。在熱能與動力工程專業中有西安交通大學[1]開發的制冷過程多媒體演示與模擬教學實驗，浙江大學[2]開發的基于web的小型冷庫教學系統，東南大學[3]開發的制冷空調綜合創新模擬實驗平臺，長沙理工大學[4]開發的能夠實現二維穩態導熱、豎壁附近自然對流換熱和輻射角計算3個虛擬實驗的傳熱學虛擬實驗等。這些仿真實驗借助計算機仿真技術，通過聲音、動畫、彩色圖像等豐富的表現力為學生提供了內容豐富、形象直觀的學習環境，充分調動了學生的學習積極性，取得了較好的教學效果。

3 傳熱學仿真實驗

傳熱學實驗教學是熱能與動力工程專業的專業基礎課實驗教學，與傳熱學理論課程互為補充，是課堂理論教學的繼續和深化，對于培養學生的解決工程實際問題能力和研究開發能力具有重要的作用。在傳熱學教學中引入仿真實驗，是為了更好地完成大綱中規定而實際無條件實現的實驗項目和內容。以我校熱能與動力工程專業為例，目前本專業傳熱學實驗內容主要包括隔熱材料導熱系數測量（10臺）、外掠管束對流傳熱系數測量（2臺）、換熱器性能測試（3臺）等。實驗內容相對較少且實驗臺數量太少遠遠不能滿足實際需要，導致實驗過程中無法保證每個同學的實際動手操作。另外，因實驗設備使用過于頻繁導致其老化加快，實驗中就曾出現因設備部件故障而無法繼續實驗的情況，如換熱器性能實驗中因熱電偶出錯影響了實驗的順利進行。因此，在不能保證足夠實驗設備數量前提下，借助計算機仿真實驗來輔助傳熱學實驗教學不僅能擴展本專業實驗教學內容，還能幫助學生深入了解實驗原理，保證實驗的順利進行。

3.1 傳熱學仿真實驗介紹

根據傳熱學實驗教學內容和目標，我們對現有的硬件實驗設備進行了綜合分析，確定了這些設備能夠開展的實驗內容，把無法開展的實驗內容用計算機仿真實驗來代替。為此，我們開發了一套傳熱學實驗仿真軟件，下面就此軟件進行介紹。

傳熱學實驗仿真軟件采用的開發工具為Visual Basic 6.0軟件，該軟件可以很方便地實現用戶界面、菜單、操作按鈕和工具條的制作，能夠完成實驗過程需要的原理演示、實驗裝置構成顯示、閥門開關與開度調節、數據讀取、數據處理、實驗幫助等功能，開發的軟件用戶容易上手，使用起來很方便。圖1為其中的水平圓管壁面自然對流傳熱關聯式仿真實驗主界面。界面主要由標題欄、狀態條、實驗設備、操作按鈕組成。點擊操作按鈕可以實現加熱器的電壓調節，可以查看并學習實驗指導書的相關內容，還可以查看實驗過程中的換熱量和溫度參數的動態變化情況以及確定讀取實驗數據。

傳熱學實驗仿真軟件的功能是能實現圓球法測導熱系數實驗、二維導熱溫度場的數值計算、非穩態導熱溫度場的數值計算、水平圓管壁面自然對流傳熱關聯式實驗、中溫輻射物體黑度測試和換熱器性能測試實驗等6項實驗內容。與實驗室現有的硬件實驗教學設備形成互補后，基本上涵蓋了包括導熱、對流、輻射和換熱器在內的所有傳熱學實驗內容。

傳熱學實驗仿真軟件采用模塊化建模，開發過程中，將每部分實驗內容作為一個單獨模塊。每個模塊中除了包括實驗臺系統動畫圖形外，還包括實驗目的、實驗原理、實驗步驟、數據處理方法和思考題等內容。開發過程中采用了動態模擬技術，實驗過程中的實驗參數可以實現動態即時顯示，使模擬實驗更貼近于實際情形，學生可根據參數的動態變化隨時了解實驗進行情況并判斷數據讀取的時機。由于該仿真軟件詳細地介紹了每個實驗的原理、內容、操作步驟、數據處理等內容，所以它也可作為傳熱學實驗的系統學習工具使用。

3.2 仿真實驗教學效果

通過使用該傳熱學實驗仿真軟件，取得了較好的實驗教學效果。首先，該傳熱學實驗仿真軟件能夠實現因缺少相關實驗室硬件而無法進行的實驗項目，完成了傳熱學實驗教學大綱規定的教學內容。學生使用后，加深了對數值計算、對流傳熱、輻射、換熱器性能等實驗涉及的理論和實驗測試內容的理解，豐富了學生的傳熱學實驗實踐，實現了學生對傳熱學知識的全面學習和理解。

其次，由于實驗形式新穎，加上界面設計友好，學生學習興趣較高，實驗后普遍反映對所進行的實驗尤其是原理和數據處理等相關內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教學平臺上進行操作，學生實驗時不受實驗時間和空間限制，也可多次進行，使用起來相當方便，效果較好。

為了取得更好的教學效果，未來將在該傳熱學實驗仿真軟件中進一步增加測試與評分模塊，實現用戶仿真實驗效果的即時測試與打分。還將在該實驗仿真軟件中增加更多的動態模擬內容，使其更喜迎并方便用戶使用。

4 結論

針對現有實驗教學中存在的問題，本文探討了計算機仿真在實驗教學中的應用，分析了仿真實驗的優點。對我們開發的一套傳熱學實驗仿真仿真軟件進行了介紹，并概括描述了仿真實驗的教學效果。

參考文獻

[1] 晏剛，吳業正，厲彥忠，等.發揮實驗室優勢，完善實踐教學改革[C].2004年制冷會議論文集，2004：135-137.

[2] 張華，劉楚蕓，王勤.基于web的小型冷庫教學系統的設計與開發[C].2004年制冷會議論文集，2004：142-144.

[3] 張小松，蔡亮，李舒宏，等.建立多功能開放實驗臺，培養學生創新科研能力[C].2004年制冷會議論文集，2004：148-153.

[4] 姜昌偉，傅俊萍，趙李鐵.基于Matlab的傳熱學虛擬實驗開發[J].中國電力教育，2008：316-317.

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物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，所謂物理實驗，就是根據物理學研究目的，選用適當的實驗儀器或實驗裝置，用人為的方法讓實驗現象再現，并加以觀察和研究的一種科學活動"物理實驗的內容包括力、熱、電、光等科學技術研究的各個方面，它是一切科學實驗的基礎。大學中的物理實驗課程已經被設定為必修課程，這一規定既有助于幫助大學生進行科學實驗訓練，同時也是訓練大學生接受系統實驗的開端。大學中物理實驗不僅僅局限于某一領域，而是涉及各個領域，這說明，理工科個學科之間存在共性和普遍性，同時也說明了物理實驗在學科學習中的重要性。隨著課程改革目標的出現，實驗教學改革也進一步的落實，實驗改革在落實上相比其他課程改革存在一定的難度，實驗教學主要依靠的是實驗室硬件設施的跟進，實驗改革最大的目標就是放手給學生去動手實驗，然而很多學校存在最大的問題就是不敢放手讓學生去使用，限制實驗是開放的時間等等，學生操作難以進行，學習成果自然不會提高。立足于實驗改革中存在的若干問題，仿真實驗的誕生無疑能夠為這些問題的解決帶來福音。特別是作為計算機輔助物理實驗教學軟件的一個新的發展，仿真物理實驗已經成為高校物理實驗改革的亮點。仿真物理實驗最大的優勢就是能夠為學生提供一個預習準備的學習環境，可以讓學生在進行實際的實驗操作之前，做得一切準備工作。

2 對于仿真實驗的認識

2.1 仿真實驗概述

所謂仿真實驗，是相對于真實實驗而存在的，兩者的主要差別在于：實驗過程中所觸及的對象與事物是否真實，在真實實驗中所采用的實驗工具、實驗對象都是以實物形態出現的，而在仿真實驗中，不存在實物形態的實驗工具與實驗對象，實驗過程主要是對虛擬的實驗儀器及設備進行操作。仿真物理實驗被作為一種計算機輔助教學軟件，應用于現代教育中，主要是以技能訓練為主的一種實驗技能領域的學習型軟件，能夠幫助教學對象進行思想的建構，同時完成實時的操作，輔助學生在開始實際實驗操作之前進行實踐訓練。仿真實驗主要提供了一種以教學理論、計算機技術為基礎的一種非實在性的實驗空間，其本質是由計算機模擬實現的一個虛擬的實驗環境。

2.2 仿真實驗的特征

⑴仿真性。仿真性這一特征從其名稱中就不難看出，作為一款輔助型軟件，其最大的特點就是模擬了真實的實驗過程，為學生虛擬一種真實實驗的環境，同時在仿真實驗中的一些實驗設施與實際中的實驗設施幾乎相同，學生在操作的過程中能夠真實的感受實驗的過程，如同置身真實的實驗環境一般。

⑵交互性。與真實的實驗環境不同，仿真實驗能夠提供給學生更多的交流感，使其與計算機之間進行雙向的交流，同時可以自由的對實驗的設施進行操作和選擇，減少了了實際操中的一些束縛。

⑶靈活性。仿真實驗最大的特點，在教學改革過程中改變最大的就是他的靈活性，學生在進行傳統的物理實驗的過程中遇到了很多阻力，其中最常見的就是一些教師不敢放手將實驗室開放給學生，當然這里有許多的原因，如設備的維護、購置、費用等等因素。仿真實驗的研發就大大解決了這一問題，仿真實驗易于擴充維護，操作方便，可以隨時開放，反復實踐，提高辦學效率，而且仿真實驗靈活方便，便于實現資源共享。

3 大學物理仿真實驗應用于教學的優勢

3.1 營造多樣化學習環境，打破了時間和空間的局限

與傳統的教學模式相比較，仿真物理實驗主要結合了網絡，建構了多媒體的教學平臺，為課堂的教學環境帶來了創新點，也大大提高了課堂的新鮮感。同時仿真物理實驗也在教學的時間和空間上得到了延伸，在傳統的教學模式中，學生在學習過程中，總是苦惱于課前的實驗準備和課后的實驗復習，實驗室的短暫的學習時間，無法滿足學生對于實驗課的認知需求，仿真實驗的出現，大大緩解了這些壓力，學生可以自由的選擇學習的時間和地點，對于提高自主學習有很大的幫助。

3.2 仿真實驗可以節省實驗經費，保證實驗項目和數量

傳統的大學物理實驗教學，存在一些實驗經費與實驗設備置購得難題，特別是一些近代的物理實驗，需要的實驗器材價格昂貴，同時在操作上也相對復雜，出于對資金的考慮，很多高校無力開設這些實驗，實驗課程的縮減必然會影響學生的一些正常的學習進度。仿真物理實驗的出現大大解決了這一難題，有了好的仿真實驗軟件，那些耗資大的實驗同樣可以開設，從而保證了實驗的項目和數量。

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【關鍵詞】proteus；仿真實驗室；構建

一、proteus仿真實驗室概念

proteus仿真實驗室就是把計算機當作實驗平臺和實驗中心，通過網絡進行電路分析、數字電路、嵌入式系統（單片機應用系統、arm應用系統）、模擬電路、微機原理與接口技術等課程，在計算機軟件上進行電路設計、仿真和調試等通常在實驗室完成的實驗。proteus仿真實驗室的實驗主要是電路分析、數字電路、模擬電路、嵌入式系統（單片機應用系統、arm應用系統）等課程的實驗和研究。

二、proteus虛擬仿真實驗室系統結構。

proteus虛擬仿真實驗室系統結構如圖1所示，以建立在計算機網絡平臺上的proteus軟件平臺為基礎，構建一個完整的proteus實驗系統的綜合設計與創新實訓平臺。在proteus實驗系統結構中，從原理圖設計、單片機編程、系統仿真到pcb設計一氣呵成，真正實現了從概念到產品的完整設計。

（1）計算機網絡平臺。從圖中可知，proteus實驗系統是建立在計算機網絡平臺上的。為了使更多的模擬實驗者參與到仿真實驗中來，實現資源共享，要發揮proteus實驗室的網絡資源開放的作用，實現多人參與實驗，以proteus服務器為網絡中心，實現proteus仿真實驗的全覆蓋。（2）proteus軟件平臺。proteus是一種強大的計算機自動化設計軟件，能夠提供智能原理圖設計系統，spic模擬電路、數字電路以及mcu器件混合仿真系統和pcb設計系統功能。（3）proteus實驗系統。proteus實驗系統是仿真實驗室的核心，其系統能夠在實驗中直觀的顯示實驗的過程，通過圖形顯現實驗的每個細節，使參與實驗操作的人員能夠對實驗的動態有個感官的過程。

三、單片機虛擬仿真實驗的內容構成

proteus軟件具有動態的模仿優勢，在教學中可以通過《單片機原理與應用》這門課程的教學內容進行分析研究，對教學的知識點進行拆分和綜合，可將proteus單片機仿真實驗分為基礎性試驗、綜合性試驗和創新性實驗?；A性試驗是對單片機系統相關課程中的實驗進行模擬設計及設計驗證，實驗設計的目的將學生在課堂上所學的知識進行消化，同時學會用pro

teus軟件系統解決課堂上出現的問題，使課堂教學與實驗相結合；綜合性實驗是在學生學習單片機系統模擬實驗的基礎上，增加實驗的內容，在實驗教師的指導下，運用mcu解決命題性實驗的題目，學生按照擬定的題目內容進行電路圖設計、仿真調試、代碼的編寫、pcb設計、制作pcb和驗證pcb設計等一系列過程。由于在proteus軟件平臺上，一個產品項目可以做到從原理圖設計、單片機編程、系統仿真到pcb設計的完整過程，實現從概念到產品的完整設計。而完整的工作過程包括資訊、計劃、決策、實施、檢查、評估6個環節，項目化實驗主要有四個步驟：（1）工作任務的描述。包括工作任務在整個工作體系中所表現的出的作用、所處的地位，完成工作任務需要的設備、工具和材料等等；（2）現場演示與理論講解。教師根據工作任務，進行現場作品演示，演示作品制作的過程，加深學生的感性認識，同時在演示文本的過程穿插理論的講解，引導學生在proteus仿真實驗中構建理論知識；（3）項目的實施。根據老師的講解和工作任務對題目進行設計和制作，完成課題項目；（4）對仿真實驗進行總結。教師對學生完成的作品進行評價，包括作品的外觀、產品制作水平和質量等級等，在學生之間進行對比分析，找出優點和缺點。因此，引入proteus虛擬仿真實驗系統后的單片機系統相關課程，非常適應于采用基于工作過程的項目式教學模式，利于單片機系統課程開展基于工作過程的項目化課程教學改革。

在教學實驗中，充分的利用學?，F有的計算機設備，購置proteus軟件，幫助學生消化教學中的難點，加強學生的理解能力，提高學生的動手能力和創新能力。引入proteus虛擬仿真實驗，有利于促成課程和教學改革，更有利于具備工程實踐能力的應用性人才的培養。

參 考 文 獻

[1]岳東海.基于proteus的虛擬實驗室在實踐性教學中的應用[j].常州信息職業技術學院學報.2007（3）：47～49

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［關鍵詞］實驗室技術和方法；教學方法；仿生學；計算機通信網絡

1虛擬仿真實驗教學中心可持續發展的內涵與建設任務

虛擬仿真實驗教學中心可持續發展的內涵包含2個方面：（1）具有智能發展性。虛擬仿真實驗教學中心建設要根據學科的發展規劃以及學科建設的新要求，在當前現有的資源基礎上不斷加入新的內容、新的知識和新的技術手段［3］。（2）具有可持續發展性。即保證發展的長遠性和不間斷性，這就要求虛擬仿真實驗教學中心要立足學校的高度，打破學科的局限，整合各學科信息化實驗教學資源，發揮企業開發實力強、支持服務能力好的優勢，以培養學生扎實的綜合實驗設計能力與創新能力為出發點，創造性地建設與應用高水平軟件共享虛擬實驗、儀器共享虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗等教學資源，提高教學能力，拓展實踐領域，豐富教學內容，降低成本和風險，開展綠色實驗教學［4］。具體應做到以下幾點：（1）管理平臺的建設。虛擬仿真實驗教學中心不是單一學科專業的封閉式實驗室，而應該是多學科、多學校、多地區的實驗教學資源平臺，需要一個兼容性強，且具備擴展性和前瞻性的共享管理平臺來管理實驗教學資源，以實現校內外、本地區及更廣范圍內的實驗教學資源共享。（2）保障持續性運行經費的投入。虛擬仿真實驗教學中心的建設與發展需要虛擬仿真實驗項目與軟件的不斷開發、維護與更新，必須要有持續性的經費支持，沒有持續性的經費支持，虛擬仿真實驗教學中心不可能得到良好持續的發展。（3）建立管理體制與運行機制。完善良好的管理體制和合理的運行機制是虛擬仿真實驗教學中心高效運轉的前提，多學科、多專業的實驗教學資源融合平臺需要有好的管理體制與運行機制以確保各項實驗教學目標的實現［5］。（4）探索校企共建共管的新模式和新途徑，建立可持續發展的虛擬仿真實驗教學服務支撐體系。

2虛擬仿真實驗教學中心建設的必要性

培養創新型和實用型的“一專多能”高素質檢驗人才離不開實驗教學這一重要環節。醫學虛擬仿真實驗是針對醫學實驗的現象及過程，通過仿真、虛擬現實、多媒體等技術及相關設備將操作實踐與實驗材料、實驗儀器、實驗內容、實驗方法步驟等相互結合構建高度仿真的虛擬實驗對象，學生能在高仿真度的虛擬環境中開展實驗，達到教學目標所要求的教學效果［6］。而醫學檢驗技術是一門實踐性和應用性均很強的學科。臨床檢驗工作者要熟練掌握常用檢驗儀器的實驗原理與操作技能，具備分析問題和解決問題的獨立工作能力，這需要經歷一個較漫長的過程。長期以來，檢驗專業的教學常以教師授課、學生聽課及進行常規的實驗操作和課后看書復習的傳統教學模式為主，學生實操能力的培養受到一定實驗條件的限制［7］。因此，可依托虛擬臨床實驗室系統與虛擬實驗操作流程，讓操作者可以通過計算機虛擬的實驗環境，擺脫傳統實驗的種種限制，讓學生“身臨其境”地操作虛擬儀器和其他實驗器材自主選擇實驗內容、模擬操作過程，通過對虛擬世界的體驗和交互作用加快熟悉檢驗的相關內容，從而達到教學大綱的教學要求與學習效果。虛擬仿真教學作為實驗教學的輔助有段可有效解決過去醫學檢驗教學的難題：（1）為解決醫學檢驗技術高、精、昂貴儀器培訓難的困擾提供了條件。醫學檢驗離不開高、精、昂貴的儀器設備（如全自動生化分析儀、高精酶標儀、流式細胞儀等），然而在學生上實操課、見習及各級各類培訓過程中不可能拆分儀器和實時親手操作這些儀器設備，而通過虛擬的儀器設備可很好地解決這一難題，實現對高、精、昂貴的儀器設備的操作，達到醫學檢驗實驗機能與培養學生綜合實驗思維的目的［8］。（2）規范檢驗技術的標準化操作培訓。通過模擬操作檢驗過程（如細菌接種培養、靜脈血標本和骨髓標本的采集等）規范學生的臨床檢驗實驗操作，掌握相關技術的標準化操作程序，提高臨床實踐能力。（3）規避檢驗技術培訓的生物安全問題。在虛擬環境下進行仿真儀器操作與實驗項目訓練不需要接觸真實的設備和疾病標本，避免了受感染、受傷的危險性。（4）節約檢驗技術培訓的實驗器械、試劑等耗材成本。在虛擬實驗室中學習及操作虛擬實驗可反復多次訓練，不存在實驗器械、耗材與試劑（如昂貴的抗體）的消耗，節省使用、維護成本。（5）解決臨床檢驗中疑難罕見形態學資源短缺問題。在虛擬形態學圖片庫中可隨時搜索并學習到一些在臨床工作中少見的細菌（紅斑丹毒絲狀菌）、病毒（漢坦病毒）、寄生蟲（環孢子蟲）、白血病細胞及一些罕見的實驗現象、結果等，可達到實際實驗難以實現的效果，使操作者的學習事半功倍，大大縮短了學生進入臨床檢驗工作的適應期。（6）增加學生對檢驗技術的學習興趣和效果。在逼真的軟件系統與豐富的數字化資源中自由尋覓，遠比枯燥的課本、笨重的儀器、漫長的實驗等待更能吸引學生的興趣，從而提高學習效果。（7）臨床檢驗人員的再教育也可充分利用虛擬仿真實驗教學中心。讓臨床檢驗人員在工作之余根據自己的興趣和愛好在逼真的軟件系統與豐富的數字化資源中自由學習新知識、新技術、新進展，達到再次提升技能的目的。（8）在課余時間，學生可利用虛擬仿真實驗教學中心進行科研設計和預實驗。學生進入虛擬場景，根據實驗要求自行設計實驗并完成實驗，這樣不僅能鍛煉學生的獨立構思和設計能力，且能激發學生的科研興趣，更有利于培養具有創新型和實用型人才。

3制約虛擬仿真實驗教學中心可持續發展的問題

從2013年啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作至今已有數年，全國已有300余家國家級虛擬仿真實驗教學中心，但在管理機制和運行機制等方面尚不盡完善，存在一些問題：（1）資源利用不高及浪費嚴重。部分虛擬仿真實驗中心利用率不高，加上新技術的快速發展，導致一些資源的折舊率很高。應將每個高校各自不同實驗室的資源進行整合以提高利用率［9］。（2）后續投入的經費不足。大部分高校虛擬仿真實驗中心建設模式為一次性建設，在建設完成后很少有經費的持續性投入，但虛擬仿真實驗中心的建設是一個持續性過程，虛擬仿真教學實驗項目的增設、軟件的更新均需要后續的擴展與完善，均需要持續性的經費投入。（3）管理機制和運行機制尚不夠完善。部分高校虛擬仿真實驗教學中心無法發揮多學科的優勢，缺乏統一的管理平臺，在資源整合方面做得不夠細致，從而導致利用率不高［10］。（4）知識產權的保護力度不夠。在虛擬仿真實驗教學的建設過程中每一個新的虛擬仿真實驗教學項目與實驗軟件的開發均是工作人員智慧與汗水的結晶，應該對其進行知識產權的保護與獎勵。但目前大部分高校僅將此當作其工作職責與工作義務看待。對知識產權保護和建設人員的效益激勵力度不夠，在一定程度上阻礙了虛擬仿真教學中心的可持續性發展［11］。

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關鍵詞 虛擬仿真；實驗教學平臺；教學資源

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：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

虛擬仿真實驗教學依托現代計算機等手段，通過動畫與計算機模擬構建高度仿真的虛擬實驗模型，使學生在網絡終端開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果。虛擬仿真實驗教學應根據專業教學大綱進行設計，發揮專業教師的主觀能動性，進行虛擬實驗的設計與編制。虛擬仿真實驗教學平臺的建設是一個多學科合作的項目，涉及專業教學、計算機設計、工程仿真等方面，需要學校進行統一規劃，必要時可以和專業軟件公司合作，共同完成虛擬仿真實驗教學平臺建設。

虛擬仿真實驗教學中心應實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。在涉及高?；驈碗s、難以重復的實驗項目等情況時，提供安全、可靠和經濟的實驗項目。虛擬仿真實驗教學中心建設應充分體現專業實驗教學特色，將教師的科研成果融入實驗教學之中，注重對學生專業技能和專業創新技能的培養。虛擬仿真實驗教學應發揮學校學科專業優勢，整合學校實驗教學儀器與設備，根據實驗教學大綱進行虛擬仿真實驗教學的統籌規劃。

2 虛擬仿真實驗教學中心功能

1）利用信息化的重要技術，如有限元模擬、實驗動畫、企業生產現場錄像、人機交互、數據庫和網絡技術等，實現虛擬實驗教學，通過虛擬實驗模擬仿真，增強學生專業知識掌握和基本能力訓練；

2）構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生通過網絡終端設計實驗方案，輸入實驗參數，獲得實驗結果與實驗數據，驗證實驗方案的合理性；

3）虛擬仿真實驗為車輛工程教學設計和實現服務，按照教學大綱的要求，合理安排實驗資源，實現實驗教學資源開放共享。

3 虛擬仿真實驗教學中心效果

虛擬仿真實驗平臺按照教學大綱設計相關實驗，包括實驗大綱、實驗目標、實驗內容、實驗指導、實驗過程動態演示、實現操作視頻、實驗作業等，制作不同工藝參數的影響規律仿真動畫，實現人機對話與實驗資源共享。學生可以通過客戶端直觀地看到各種實驗現象與實驗過程的規律，深入理解相關專業知識，有更多機會參加高水平的實驗，享用優質實驗教學資源，實踐能力和創新精神得到提升。同時使教師教學理念得到更新，教學能力得到提升，促進教學管理體系和能力現代化。

4 虛擬仿真實驗教學中心平臺

虛擬實驗教學平臺系統功能框架如圖1所示。學生登錄系統后，進入虛擬實驗平臺主界面，根據專業方向，選擇希望學習的實驗項目。用戶通過虛擬實驗教學平臺可以查看對應項目的實驗教學大綱、實驗講義（包括實驗目標、實驗原理、實驗內容、實驗作業）、實驗操作規程與操作視頻，進行虛擬實驗。在虛擬實驗界面下，用戶自行確定實驗參數，系統通過后臺分析，確定與該實驗參數對應的實驗結果仿真動畫，并提供實驗現場照片對比分析。用戶還可以進一步下載仿真結果后處理文件，利用有限元工具，進行后處理分析，獲得各種實驗數據，完成實驗報告。

此外，系統還提供了BBS論壇功能，學生可以把實驗過程遇到的問題提出來，與教師一起討論，充分調動學生的學習主動性與積極性。系統管理功能可以實現實驗項目查詢、實驗人員管理、實驗設備管理、系統幫助與系統推出等功能。考慮到學生缺少企業生產現場的工作經驗，系統還提供了生產現場仿真功能，學生可以以通過該功能了解企業生產一線設備與工藝情況，加深對本專業知識的理解深度與廣度。

通過虛擬實驗教學平臺系統還可以實現：

1）幫助學生進一步認識和了解相關專業知識，掌握實驗技能；

2）學生可以通過網絡完成并提交實驗作業與報告，及時和專業指導教師進行溝通；

3）學生可以根據自身實際情況合理安排實驗時間，避免因故錯過實驗課程的訓練環節；

4）實驗教師可以及時掌握學生完成實驗的情況，同時也可以為學生在真實環境下的實驗進行預約安排。

5 結語

虛擬仿真實驗教學是各教學單位實驗課程建設的一個重要環節，也是未來實驗教學的一個發展趨勢。虛擬仿真實驗教學平臺的實現，有助于教師合理科學地安排專業實驗課程，最大效率地發揮學校的實驗教學能力，同時也有助于學生掌握本專業實驗技能，靈活安排實驗時間?！?/p>

參考文獻

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四、虛擬實驗室建設的構想

據教育部“十二五”發展規劃，工程實驗室將在信息集成技術、虛擬仿真技術和敏捷制造技術等方面尋求重大突破，大力推廣和應用虛擬仿真技術。為此，學校機械工程實驗中心在現有的軟硬件基礎上，依托工學院計算機科學和教育技術等專業技術，積極籌劃機械工程虛擬實驗室的建設。建設虛擬實驗、開展網絡實驗教學，既可豐富學習資源、緩解儀器設備的不足，又能體現個性化的學習環境，改進教學模式，提高教學效果。根據現有實驗室的發展和實驗項目情況，初步設想虛擬實驗室結構如圖1所示。主要為機構展示、虛擬仿真和性能測試三個方面，隨著實驗教學改革的不斷深入，實驗類型和數量都會逐步增加，最終形成完善的虛擬實驗教學體系。

五、結語

從紅河學院工學院對虛擬實驗的應用情況看，部分虛擬仿真實驗在實驗教學中應用效果較好，顯示了虛擬仿真實驗的應用，彌補了儀器設備老化和不足的問題。通過使用該類虛擬實驗，可增強學生實驗興趣，降低實驗成本，在實驗條件不足時，可部分代替實際實驗過程。結合計算機技術、網絡技術、數據庫技術和教育技術等，相信虛擬仿真實驗將具有更為廣闊的應用前景。

【注 釋】

［1］ 蔡衛國.虛擬仿真技術在機械工程實驗教學中的應用［J］.實驗技術與管理,2011.28(8)76-78.

［2］ 郭桂蘋,南岳松.虛擬實驗教學研究現狀及問題分析［J］.實驗室科學，2010.13(5)175-178.

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

［4］ 郭德偉,柯建宏.基于Flash ActionScript的機構運動簡圖測繪實驗設計與開發［J］.計算機與數字工程,2012.40(2)105-107.

篇7

關鍵詞：有限元 醫學 仿真實驗

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用于工程科學技術的數學物理方法，用于模擬并解決各種工程力學、熱學、電磁學等物理場問題。1956年Turner等人提出有限元（Finite Element，FE）的概念。有限元的核心思想是結構的離散化，就是將實際結構假想地離散為有限數目的規則單元組合體，實際結構的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結果替代對實際結構的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復雜問題。

隨著計算機技術的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設計和分析中得到越來越廣泛的重視，已經成為解決復雜工程分析計算問題的有效途徑，現在從汽車到航天飛機大多數設計制造已離不開有限元分析計算，其在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、生物醫學研究等各個領域的廣泛應用已使設計水平發生了質的飛躍。

1 醫學有限元國內外研究現狀分析

有限元方法最早應用于骨科研究，開始于脊柱生物力學[1]。幾十年來其在解決生物力學問題上得到了廣泛應用，尤其近年來，隨著數字及計算機技術的不斷進步，有限元法本身已不再是相對獨立地研究生物力學性質，它越來越多地與各種動力學模型、參數優化選擇、臨床放射學與實物測量、有機化學、組織學與免疫組化等方法巧妙結合，使結果更加準確可靠，成為生物力學研究中的一種重要工具。有限元方法在醫學上的研究主要包括以下四個方面。

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驗結果的精度、計算機計算過程、計算時間的長短，且模型建立的優劣與建模人員的專業素質和有限元知識分不開。現有研究的模型包括：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 力學實驗仿真

A.Pandolfi，F.Manganiello對所建立的人眼角膜模型進行了力學分析[7]。Tammy L HD等對建立的脛股關節三維有限元模型分析了骨骼變形對關節面接觸行為的影響以及約束關節運動對接觸應力的影響等[8]。

脊柱生物力學仿真是有限元法在生物力學中研究最早、分析最多、臨床上應用最廣泛的領域。杜東鵬等則對腰椎間盤膨隆的力學機制與腰椎疲勞骨折分別進行了探討[9]。

頭顱及顳下關節也是有限元在生物力學中研究的重點。呂長生等對建立的足部骨組織模型進行有限元分析，為運動損傷或運動鞋的評價等提供了依據[10]。王芳等建立并驗證中國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，對頜面外科手術術后的顏面軟組織形態變化進行預測[12]。

1.3 醫療器械的力學性能評價及優化設計

牙科是有限元法在臨床應用中的一大領域，相應的各種牙科固定器材得以研制開發，這些器材的力學性能又是研制過程中重點解決的問題。蔡玉惠等研究了RPA卡環在游離端義齒應用中支持組織的應力分布狀況，對RPA卡環的臨床應用具有力學上的指導作用[9]。

在內固定鋼板方面，張美超等從臨床應用出發，利用有限元法對頸前路蝶型鋼板進行生物力學模擬分析，得到了與其一致的易斷裂部位預測[9]。

在人工關節方面，Heegaard JH等建立了髕骨的計算模型，并且模擬了在人工膝關節中去掉股骨假體對髕骨活動的影響[13]。王永書等對患者胸腰椎爆裂性骨折節段（T12～L2）部位利用有限元進行手術模擬，均與標本模型及術后CT掃描基本相符[14]。

1.4 血流動力學CFD應用

Tarbell JM用FIDAP和Fluent軟件進行了血管壁中組織液流動的數值研究[15]。喬愛科等利用有限元分析方法得出冠狀動脈搭橋術中對稱雙路搭橋比單路搭橋具有更合理的血流動力學，可以避免動脈粥樣硬化的危險性血流動力學因素，從而減少手術再狹窄的發生[16]。楊金有應用CFD計算流體力學軟件進行人體主動脈內血流數值模擬分析，為闡明血管疾病的發病機理提供理論依據[17]。姚偉用計算流體力學軟件Fluent計算人體小腿骨間膜組織間隙中蛋白質非均勻分布情況下組織液流動[18]。

2 醫學有限元仿真實驗方法

通過上述醫學有限元研究可得醫學仿真實驗的方法主要分為四步：（1）通過螺旋CT技術，采集大量的樣本圖像。運用現有醫用物理實驗室計算機對樣本圖像進行建模處理，并進行相關的有限元分析。（2）通過查閱相關國內外資料，針對所需建立模型的生理、物理等參數特性，在幾種常用圖像處理軟件（Mimcs，Proe等）中選取較為合理準確的有限元建模軟件。（3）在常用有限元分析軟件（ANSYS，Fluent等）中選取較為合理準確的軟件對模型進行有限元分析。（4）將有限元分析結果與實際測量數據進行對比，分析有限元模型的準確性。

3 有限元法在醫學研究中的優勢

有限元法在醫學研究中具有四個方面的突出優勢：（1）可根據需要產生各種各樣的標本，對模型進行實驗條件仿真，模擬拉伸、彎曲、扭轉等各種力學實驗，可以在不同實驗條件下模擬任意部位變形、應力/應變分布、內部能量變化、極限破壞分析等情況。（2）標本也可以進行修正以模擬任何病理狀態。同一個標本在虛擬計算中可進行無數次加載或組合而不會被損壞。（3）其結果不受實驗條件的影響，也排除了實驗條件造成的誤差，而且可以重復計算，節約成本。（4）利用有限元法進行的模擬實驗具有實驗時間短、費用少、可模擬復雜條件、力學性能測試全面及可重復性好等優點。

4 醫學院校開展醫學有限元仿真實驗的意義

在醫學院校開展醫學有限元仿真實驗，可以使學生將相關醫學、物理、生物等課程的知識綜合應用于仿真實驗中，給生物醫學工程專業學生的畢業設計提供更為廣闊的范圍，使研究具有更高的水平；激發學生的創新思維和熱情，使學生在自主科研創新的基礎上，設計相關仿真實驗加以驗證、研究。同時，開展仿真實驗要求教師不僅需要對本專業知識做到“了如指掌”，而且需要教師具有仿真實驗相關的醫學、物理學、生物學等非本專業學科的專業知識，還要求教師必須掌握螺旋CT掃描技術，Mimics，ANSYS等建模、仿真軟件的計算機應用技術。這些知識對于教師實驗教學、科研水平的提高具有十分重要而深遠的意義。在開展醫學仿真實驗的基礎上，建設醫學仿真實驗室，不僅可以為學生提供畢業實習條件，加強實習基地建設，而且與醫院相關科室進行合作，可以在生物力學基礎上預測手術中、長期效果，對醫生手術具有較為科學的指導，加強了學校與醫院的合作。

5 結束語

建立醫學有限元實驗有兩個關鍵的問題：（1）醫用有限元模型快速準確的建立。模型的快速準確建立可以減少仿真實驗所需時間、降低費用、增加仿真的準確性和可信性。（2）建立通用的有限元模型庫，為進一步的實驗教學和科研打下堅實的基礎。因此需要在具體實驗實踐中逐步探索和積累。

將工程有限元分析同醫學結合開設實驗課，屬于多學科之間的交叉領域，不僅可以提高學生對所學專業知識的綜合運用能力，增強學生就業與學習深造的競爭力，而且可以加強多學科教師的教學和科研合作，提高教師的教學科研水平。同時提高相關實驗室的利用率，為學生自主開展創新實驗提供平臺，加強學校和附屬醫院的教學科研合作，為醫學院校提供更為廣闊的教學和科學研究領域。

參考文獻

[1] Brekelmans WAM，Rybicki EF， Burdeaux BD. A new method to analysis the mechanical behavior ofskeletal parts[J].Acta Ortho Scand，1972，43（5）：301-317.

[2] 楊浩.人眼球物理建模及結合青光眼的生物力學分析初探[D].廈門：廈門大學，2006.

[3] 傅曉峰.上頜牙列及MBT直絲弓矯治器三維有限元模型的建立[J].口腔醫學，2006，26（5）：354-355.

[4] 劉耀升.腰椎L4～L5活動節段有限元模型的建立與驗證[J].第二軍醫大學學報，2006，27（6）：665-669.

[5] 何葉松.利用快速成型技術制造仿真人顱腦骨骼模型[J].中國醫科大學學報，2008，37（6）：828-830.

[6] 李悅溪.人體胃部三維有限元模型的建立[D].浙江：浙江大學，2007.

[7] A.Pandolfi，F.Manganiello.A model for the human cornea：constitutive formulation and numerical analysis[J]. Biomechan Model Mechanobiol（2006） DOI10.1007/s10237-005-0014-x.

[8] Tammy L HD，Hull M L. A finite element model of the human knee joint for the study of tibia： femoral contact[J].Journal of Biomechanical Engineering，2002，124（3）：273-280.

[9] 張美超.國內生物力學中有限元的應用研究進展[J].解剖科學進展，2003，9（1）：53-56.

[10] 呂長生.計算機輔助活體足建模生物力學方法研究[J].光學技術，2008（34）：236-237.

[11] 王芳.揮鞭樣仿真全頸椎有限元模型的建立和驗證[J].生物醫學工程與臨床，2008，12（1）：13-16.

[12] 米那瓦爾?阿不都熱依木.計算機輔助頜面外科手術患者的面部軟組織有限元模型研究[D].新疆：新疆醫科大學，2008.

[13] Heegaard J H， Leyvraz P E， Hovey C B. A computer model to simulate patellar biomechanics following total knee replacement：the effects of femoral component alignment[J].Clinical Biomechanics， 2001，16（5）：415-423.

[14] 王永書.嚴重胸腰椎三柱損傷后路270°減壓內固定術的數字三維可視化手術模型研究[J].浙江創傷外科，2009，14（1）：1-3.

[15] Tada S， Tarbell JM. Internal elastic lamina affects the distribution of macromolecules in the arterial wall： a computational study[J].American J Physiology-heart and Circulatory Physiology，2004，287（2）：905-913.

[16] 喬愛科.單路和雙路CABG中血流動力學的比較[J].生物醫學工程學雜志，2006，23（2）：295-299.

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YenKa的主要功能及特點

YenKa是英國Crocodile Clips公司開發的一款優秀的虛擬仿真教學軟件，因為主要是面向英語國家銷售，沒有中文版，所以YenKa在中國的用戶并不多。其實它的操作很簡單，盡管是英文界面，但一點都不復雜。老師們只要花幾個小時學習就可以上手了。

該軟件的官方下載地址為http：//，它分學校版和家庭版，其中家庭版可在家中免費使用，打開后的界面如下頁圖1所示。

它的功能強大，能進行計算機、數學、科學和通用技術這四門學科的實驗，良好的用戶界面使得它在教室中使用起來很方便，特別適用于交互式電子白板。

YenKa的導航菜單簡潔清晰，主要有：新建實驗（New）、打開網絡實驗（Open-online）、打開本地實驗（Open-local）、變換實驗平臺（Change Product）、系統設置（Settings）等。在網絡上及本地已有制作好的實驗模型，老師們可直接打開使用。利用軟件里面的內置組件，可輕松地制作一個模擬實驗。

通過YenKa軟件的功能及特點可以看出，目前國外教學工具軟件“課程化”的趨勢非常明顯，即按照課程體系為每個教學點提供互動學習支持，提供配套的學習任務和學習指導。而國內同類產品大都只提供軟件和使用說明，很少根據課程體系和教學內容進行細致的配套加工、提供細致的在線服務。

利用YenKa進行虛擬仿真實驗

利用YenKa能制作出中學各學科大多數的實驗，所制作的虛擬實驗與現實中進行的實驗高度仿真，老師們可以通過實驗在創設情境、驗證或猜想結論等環節中引導學生進行探究性學習。引導學生通過實驗去發現和探究解決問題的方法，充分發揮學生的主體作用。下面將通過幾個有代表性的例子說明它在教學中的簡單應用。

1.利用YenKa進行數學仿真實驗

利用YenKa能進行統計學、3D模型和坐標實驗。統計學中包含有拋骰子、拋硬幣、盒子抽球和轉盤等常用的實驗，3D模型主要是進行空間立體圖形的各種邊角等測量和表面積展開等實驗，坐標實驗則是進行判斷坐標位置的游戲。下面進行一個有趣的統計學實驗。

案例1：甲乙兩人在玩一個拋擲兩個普通正方體骰子的游戲，游戲規則如下：擲出兩個骰子的點數之和為6時，甲贏；擲出兩個骰子點數之和為4時，乙贏。請回答：①請寫出兩點數之和的所有可能性；②這個游戲規則對雙方公平嗎？③若不公平，請你修改游戲規則，使它成為一個公平游戲。

實驗制作起來很簡單。首先，進入數學學科實驗平臺，新建一個數學統計學文件；其次，單擊左下角的“Objects”按鈕，進入內置組件庫，找到“Dice”組件，把它拖到場景中，就會出現一個骰子，選中骰子，右擊骰子后進入骰子屬性對話框，把它修改成兩個骰子；再次，按上一步相同的方法，在組件庫中拖出統計直方圖或是統計餅圖（內置有10多種統計圖）；最后，拖出并設置好操作按鈕組件就完成了。這里設置擲骰子的次數是1000次，單擊“開始”按鈕后進行實驗，單擊“清除重來”按鈕重新進行實驗，結果如圖2所示。

通過實驗會讓學生發現實驗是不公平的，和為6的有5種情況，和為4的有3種情況，所以不公平。要使和出現概率相同，可以修改游戲規則為“擲出兩個骰子的點數之和為6時，甲贏；擲出兩個骰子點數之和為8時，乙贏”。

2.利用YenKa進行計算機仿真實驗

在中小學計算機基礎課教學當中，由于程序語言的各種命令、語法極其枯燥與乏味，程序運行過程抽象，因此很多學生提不起學習的興趣。此時，可以利用YenKa進行仿真教學，它能把抽象的編程過程轉化為具體的生活場景。例如，通過設計人跳舞、沖咖啡等生活場景的方式把抽象的知識形象化，從而激發學生的能動性與挑戰欲，使學生能輕松地掌握程序語言。

案例2：沖咖啡實驗，讓學生通過編程序制作一杯咖啡。

制作過程和案例1基本相同。進入計算機學科實驗平臺后，打開內置組件庫，里面有現成的供編程用的各種組件，把它們拖到場景中并放在適當位置即可。完成后的實驗場景如圖3所示。接著開始實驗，讓學生自己通過拖動對象到流程圖中，嘗試制作一杯咖啡。完成流程圖后，單擊“Start”按鈕就可以運行程序了，每當程序運行到其中的一個步驟時，場景則會播放相應的動畫，如當程序運行到加水步驟時會播放加水動畫，非常形象和直觀（如圖4）。

3.利用YenKa進行物理和化學仿真實驗

YenKa的科學實驗平臺包含物理和化學這兩門學科，包含有無機化學、電化學、光與聲、運動、電磁學、模擬電子和數字電子這七大類實驗。軟件已內置有大量現成的實驗，師生們只要打開就可直接進行實驗了。

案例3：水力發電站模擬實驗。

在生活中，像發電站、電磁等模型是比較危險或不好直接做實驗的，此時我們就可利用虛擬仿真模型進行實驗，本例是一個水力發電站模型，在這個模型中將會學習到一個水電站的工作原理。

進入科學實驗平臺中的“Electricity&Magnetism”（電磁學），在菜單中找到“Hydro-electric power”（水電）實驗。進入實驗場景后，見到的只是水電站的外觀圖，單擊“內部構造”按鈕，就會出現電站的內部結構圖。把兩個電力開關閉合，電站開始工作，場景開始播放發電的整個過程動畫。你可以單擊電站，改變里面的參數屬性，如果改變的有效值電壓不符合條件，那么電網線路會燒壞，燒壞后可以修復電網重新實驗。運行效果如圖5所示。

在軟件中還內置有大量類似的實驗，限于篇幅不在此一一舉例，這里只再提一下有關YenKa的通用技術平臺。通用技術平臺里包含有基本電路、電子、電子線路板、PIC單片機和傳動裝置這五類實驗。其操作過程和前面的實驗基本一樣，差別在于內置的組件類型和功能不一樣而已。

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[關鍵詞]虛擬仿真；網絡教育；手機App

[DOI]10.13939/ki.zgsc.2016.36.156

隨著計算機技術和網絡技術的蓬勃發展，人們已無時無刻離不開網絡。[1]在國內已有部分院校的實驗室引入了虛擬儀器系統，如上海復旦大學、上海交通大學、華中理工大學、廣州暨南大學等。未來的幾年內，我國將有50%的儀器為虛擬儀器。隨著微型計算機的發展，虛擬儀器將會逐步取代傳統的測試儀器而成為測試儀器的主流。

1 技術路線

隨著互聯網的發展，信息、消費、生產和智慧互聯，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幾個外國人在那里按來按去，不時發出各種疑問的聲音，似乎完不成他們想要的操作。想到他們一定是不會使用自動取款機，筆者便主動關切地問“Can I help you（需要幫忙嗎）？”，沒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）?！睅退麄冋业较胍娘埖旰螅P者禁不住反思：既然自動取款機是聯網的，是不是也可以充分利用網絡技術，進一步延伸其功能，查詢到附近的飯店、賓館等。甚至可以查詢到附近的學校，登錄它們的實驗中心。圖1為虛擬仿真實驗中心登錄頁面。

通過虛擬實驗教學管理系統，教師既可搭建典型實驗或調取實驗案例。方便地向學生布置實驗任務，還可在實驗結束后查看學生的實驗結果，給出實驗成績和評價。[2]

虛擬仿真實驗教學中心的建設，將部分單純演示性、驗證性的實驗教學內容以學生開展虛擬實驗為主；基本技能訓練和基礎實驗項目以虛擬實驗輔助實體實驗的開展，壓縮實體實驗室中有關實驗原理、實驗步驟、儀器設備使用、注意事項等的講授時間，進一步節約有限的實驗學時，將更多的時間給學生動手實踐，節省下來的學時可以用來開設一些綜合性、設計性實驗和研究性實驗。典型實驗通常是由精通相關課程的教師設計的。要求學生在此基礎上進行實驗。可滿足教師對各層次實驗教學的需求。實驗仿真平臺也為學生自由搭建實驗模擬提供了可能。學生既可通過實驗仿真平臺動手操作，又可自主設計實驗，有利于培養設計能力和創新意識。與器材庫（或儀器、設備、材料庫）類似，虛擬實驗平臺通常擁有一個器材欄。用于各類虛擬實驗器材的管理。學生可以把器材從器材欄中移到實驗臺上，或者從實驗臺上把器材收回到器材欄。

2 研究方法

行動研究法。嚴格地說，行動研究并不是一種獨立的研究方法，而是一種教育研究活動，是一種教師和教育管理人員密切結合本職工作綜合運用各種有效研究的方法，以直接推動教育工作的改進為目的的教育研究活動。課題組的成員來自學校一線工作者和學校的管理者，研究做到了學習、實踐、反思三者的結合，增強了課題成果的實際意義。[3]

調查研究法。調查國內外虛擬仿真實驗室的建立和使用情況，從中學習先進經驗和技術，避免在研究過程中走彎路。撰寫了調查研究報告。

文獻研究法。研究過程中，查閱大量文獻，借鑒同類課題的經驗和做法，為實驗得出定性結論起到重要作用。

比較研究法。本課題研究過程中，對資料的收集和分析進行了多方面的比較。一是學校的比較，各學段的比較等；二是類型的比較，智力與創造力的比較等；三是實驗效果的比較，例如在篩選材料過程中取舍的比較，同類統計資料在數據上的對比、推斷等。

個案研究法?？茖W地確定和研究典型個案進行研究是課題研究的捷徑，研究中，課題組提供多個成功的個案，比較各種優缺點，用以應用到本課題。[4]

3 仿真實例

單片機是電子信息類專業的必修課，其應用已涉及生活的方方面面。要想真正學以致用，需多學多練，掌握其編程技巧。以AT89C52單片機實現模擬電子琴為例，單片機擴展無源蜂鳴器實現電子琴功能。7個按鍵KEY1、KEY2、KEY3、KEY4、KEY5、KEY6和KEY7，分別對應7個音符，圖2為單片機模擬電子琴硬件電路。按下時蜂鳴器發出對應音調；還可以設計一個音樂自動播放功能，根據存入的樂譜進行循環播放。

4 結 論

建立開放式網上虛擬實驗室，運用虛擬現實技術模擬真實實驗。采用多媒體技術在計算機上建立虛擬實驗室環境，提供可操作的虛擬實驗儀器，使學生在互聯網上通過接近真實的人機交互界面完成實驗，同時提供網絡實驗教學一體化的管理功能。這將是未來實驗教學的新方式。

參考文獻：

[1]張旭，章韻.普通高校公共音樂鑒賞網絡教育平臺建設的思考[J].電子科技大學學報：社科版，2016（3）：1-4.

[2]王墨林，羅樂.“大學物理實驗”網絡教學系統的設計[J].實驗室研究與探索，2012（12）：170-174.

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關鍵詞：網絡仿真；OPNET仿真軟件；實驗教學

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：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

根據國家權威機構對人才市場的分析，人才需求量最大的是計算機應用專業的畢業生，約占市場總需求的30%，其中計算機網絡技術人才占到40%。但是，在高校網絡技術類課程教學中，由于抽象深奧的網絡原理、規模龐大的網絡工程、豐富多樣的網絡業務，根本無法讓學生在真實的網絡環境中進行實驗，使得高校網絡專業畢業生缺乏網絡工程項目的實踐技能和工作經驗，無法滿足企業的人才需求，造成網絡應用技能型人才十分短缺?；谏鲜鰡栴}，提出了將OPNET仿真技術應用于計算機網絡技術類課程教學中的設計思想，重點論述了基于OPNET技術的典型仿真實驗開發方法和步驟。

1 OPNET網絡仿真技術

網絡仿真技術是一種利用數學建模和統計分析方法對網絡行為進行模擬，建立網絡設備、網絡協議、網絡鏈路的模擬網絡模型，從而獲得網絡優化設計所需的網絡性能數據的仿真技術。OPNET是一款功能強大的專業網絡仿真軟件。

1.1 OPNET功能組成

OPNET網絡仿真能夠準確的分析復雜網絡的性能和行為，探頭可以入到網絡模型中的任意位置，用來采集仿真數據并進行統計分析，仿真結果即可以數字、圖形、動畫方式顯示，也可以被輸出到第三方軟件。OPNET主要由三個層層嵌套的模塊和仿真模型庫組成，兩者彼此是分離的，方便模型的修改和升級。三個嵌套的模塊由內向外分別是：核心網絡仿真模塊、建庫功能模塊和移動通信衛星模塊。仿真模型庫包括標準模型庫和特殊模型庫兩類，為用戶提供一系列的仿真模型。

1.2 OPNET仿真顯著特點

OPNET支持面向對象的建模方式,提供圖形化的編輯界面,方便用戶使用。主要特點:（1）提供三層嵌套的仿真建模機制，依次是網絡模型、節點模型，進程模型，與實際的網絡、設備、協議一一對應，再現了一個完整的計算機網絡。（2）利用離散事件驅動和混合建模機制，大幅度提高了計算效率。（3）通過強大的統計收集和分析功能，獲得了精確的仿真結果。（4）通過仿真預測網絡的性能，為網絡的規劃設計提供可靠的決策依據，驗證網絡工程方案，決定多個不同設計方案的取舍。

1.3 OPNET仿真步驟

OPNET仿真包括網絡拓撲配置、業務配置、統計量結果收集、運行仿真、調試再仿真、結果等六個步驟，具體如圖1所示。

2 OPNET在網絡技術仿真實驗中的運用

在計算機網絡技術類課程的教學中，可以充分利用OPNET仿真技術輔助教學,通過仿真深入理解抽象網絡協議的工作原理,分 析和優化網絡的性能，對學生設計的網絡方案評價也有據可依。

圖1OPNET仿真過程

2.1網絡拓撲結構仿真實驗

在講解計算機網絡基礎中的環型、星型、總線型等網絡拓撲結構時，通常都是介紹概念、工作原理和優缺點等，非?？菰?，難于理解。利用OPNET的網絡模型庫，借助網絡編輯器，通過拖放鼠標從物件托盤中選取網絡設備，快速地建立起網絡的拓撲結構,還可以進行參數配置。不僅可以快速地組建各種網絡，并且能夠充分比較各種拓撲結構的特點。

另外，OPNET的網絡建模完全符合國際標準化組織（ISO）的開放系統互聯標準（OSI）,其節點模型的層次關系是:應用層、TCP層、IP層、IP封裝層、ARP層、MAC層、物理層。借助于OPNET的仿真網絡體系結構,學生們可以直觀地了解開放系統互聯模型,加深對網絡協議層次結構的理解。

2.2網絡協議的仿真實驗

對于網絡的初學者來說，面對CSMA/CD、TCP、IP、FTP、UDP、RIP、OSPF等大量抽象的網絡協議，一般只能機械記憶，很難深入理解。在網絡協議仿真中,可以利用OPNET的節點編輯器來學習協議在網絡體系結構中的位置,利用進程模型編輯器來學習和研究各種網絡協議的工作原理和執行過程。圖2顯示了典型的進程模型結構。

圖2典型的進程模型結構

在OPNET三層嵌套模型中,進程模型是最重要最難實現的部分。進程模型主要由狀態和轉移線構成。狀態分為兩類，強迫狀態和非強迫狀態。每個狀態包含的處理使用內嵌的C/C++代碼段來表示。狀態上的執行代碼也分為兩部分，上面部分稱為進入代碼，是進程進入該狀念時執行的動作；下面部分稱為離開代碼，是進程離開狀態時執行的動作。轉移線描述了進程模型從一個狀態向另一個狀態轉移的過程和條件?？梢岳眠M程模型設計和開發自定義的網絡協議。

2.3網絡規劃設計仿真實驗

網絡規劃設計是根據原有網絡基礎、業務需求、經費預算等各方面情況,構建一個既能滿足用戶需求又能達到技術要求的網絡系統。在教學中,在真實的網絡環境中進行網絡規劃、設計、實施等綜合技能訓練是不現實的，但是使用OPNET仿真測試網絡性能,能夠直觀快速地看到性能參數，如網絡負載、網絡延時等，對于不符合需求的網絡參數可以調整網絡配置，再運行仿真，直至達到最佳為止。除此之外，利用OPNET還可以進行網絡應用、網絡管理方面的仿真實驗，通過仿真分析加深學生對網絡性能和網絡QoS的認識和理解，提高學生對網絡故障診斷和流量分析能力等,從而為網絡管理提供重要的依據。

3結論

應用OPNET可以模擬計算機網絡技術類課程中的網絡協議分析、網絡工程規劃設計等網絡實驗,具有面向對象、形象直觀等特點，彌補真實環境中無法進行的網絡實驗缺陷，提高教學質量。同時，網絡仿真技術可為優化和擴容現有網絡提供定量的分析數據，為新網絡的設計進行網絡性能預測，定量評估網絡設計方案，是一種新興有效的網絡規劃和設計技術。

參考文獻：

[1]陳敏.OPNET網絡仿真[M].北京:清華大學出版社,2004.

[2]暢衛功,張愛華.計算機網絡實驗教學的研究與探討[J].實驗室科學,2009( 4):108.

[3]林瑜華,莫家慶.基于OPNET的網絡仿真實驗教學研究[J].實驗科學與技術,2011(8):40.

[4]浦江,焦炳連,華鋼. OPNET在網絡技術仿真實驗中的應用[J].教育信息化,2006(9):69.