[摘 要]計算機仿真是指通過實驗模型去研究一個已經存在的或者正在設計的系統的過程。仿真實驗不僅是對實驗原型的再現,而且是按照實驗的側重點對模型進行研究,最終建立在模型系統上的實驗技術。
計算機仿真就是將一個描述實際系統的數學模型通過第二次模型化,變成一個能夠采用計算機運算求解的仿真模型,并在計算機內進行運轉的過程,以此獲得有關實際系統的定量信息、數據或資料,深化對實際系統的認識和研究。
計算機仿真的全過程:①建立描述實際系統的數學模型。②經二次模型化建立仿真模型。③仿真模型在計算機內運行,有必要再根據技術要求修改仿真模型并校驗。④分析仿真運行結果,為研究、分析,設計和調整所研究的實際系統提供可靠的信息、數據。
模擬仿真是采用模擬計算機作為仿真工具進行仿真,模擬計算機是一種連續變量的解算裝置。它將被研究系統的各種物理量用機器電壓來表示,通過由模擬電子器件構成的各種運算部件,進行模擬量的連續解算。
模擬仿真時,首先根據所研究系統的數學模型,用連續積分、降階求解的方法變成仿真模型——模擬結構圖,再選擇合適的變量幅值比例尺,使實際系統變量與機器電壓之間建立數量上的折算關系,然后將計算機中有關的運算部件按比例尺化后的模擬結構圖進行連接。通過上機調試、運行,獲得仿真結果。
模擬仿真的突出特點是仿真結果非常接近于實際系統的真實情況。這是因為模擬計算機采用機器電壓代表實際系統的變量參加運算和輸出結果,它是一個有正、負極性和連續變化的量,用它來描述連續系統的動態過程就顯得逼真,和真實系統在測試設備上觀察到的波形幾乎完全相同。此外,模擬計算機運算部件采用的電路及所用的信號很簡單,人們可以通過系數電位器的設置、調節和運算部件連接關系的改變,方便而迅速地改變系統的參數和修改系統的仿真模型,人機聯系很方便。
數字仿真是使用數字計算機作為仿真工具進行仿真。數字計算機是一種離散量的計算裝置,它將實際系統數學模型中連續變化的物理量離散成一組組二進制碼表示的數字量,經過機器碼的運算求得數學模型的解答,輸出一組組時間離散節點上的數值解答。
數字仿真的大致過程:①建立被仿真系統的數學模型。②將數學模型經數值計算方法改造成仿真模型。③編寫仿真程序。④鍵入并運行仿真程序,獲得仿真結果。
仿真實驗是開放式實驗教學的重要資源組成。所謂“仿真實驗”,是相對于實物實驗而言的,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。在實物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。仿真實驗雖然難以達到與實物實驗完全一樣的程度,但其良好的教學效果仍顯而易見,其表現如下。
對大多數學生來說,在預習實驗的時候,會感到書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。學生預習起來容易缺乏興趣,對實驗原理并不能真正理解。如果學生以前沒有接觸過該實驗的儀器,實驗中就有可能因使用方法不當而進行誤操作,造成實驗中斷、儀器損壞。仿真實驗可以提供形象直觀、內容豐富的學習環境,圖文并茂、動靜結合、節奏有序的實驗內容,并以聲音、圖像等豐富的表現力幫助學生進行多感官的學習,這樣無疑會增加學生的興趣,調動他們學習的積極性,促進學生對實驗儀器的熟悉和對實驗原理的理解。特別是一些對學生來說陌生而復雜的儀器,經過仿真實驗的練習,操作起來既輕松又胸有成竹,從而提高教學效率。同時,降低了大大了損壞率。
將仿真實驗與網絡相結合,以網絡為平臺開展仿真實驗教學。學生可以利用校園網或internet對實驗教學內容進行課前預習和課后復習,使教學內容在時間和空間上得到延伸,學生能夠充分的學習和掌握實驗教學內容。作為一個“開放的實驗室”,學生可以根據自己的時間,在任何地點自主學習,利于學生根據興趣選擇,并能滿足不同層次學生的學習需求。同時,給學生提供了自學實驗的環境,培養了學生對實驗的自學能力。
自然科學前沿領域的高新技術設備價格昂貴,目前伴隨著高校辦學規模的不斷擴大,受教育資金的限制,高校儀器設備的數量和種類相對匱乏,傳統單一的實驗教學模式已遠遠不能滿足實驗教學的需求。多媒體仿真實驗以較少的投入,更大靈活性的緩解了上述的矛盾。同時學生可以按自己的設想在多種實驗環境中搭建自己的實驗。另一方面,部分實驗還具有一定的危險性,因此許多學校在開設實驗項目時常有所保留,學生也不敢大膽嘗試實驗。這在很大程度上扼殺了學生創造能力的發展。仿真實驗系統認錯性很強,在模擬的過程中學生操作一旦出錯,系統立即指出調節錯誤,如果前一步調整不好就不允許進行下一步,迫使學生反復演練直至成功,學生的創造性思維會得到良好的發展。從而保證了實驗的項目和數量。
仿真實驗可以經過設置或再開發,作為理論教學的輔助工具。一些在學科發展中做出了歷史性貢獻的典型實驗都可以利用仿真實驗展現于課堂教學中,通過實驗的方法引入新的概念和規律,把理論教學與實驗教學有機的融為一體,按照科學探索和研究的過程進行教學,這樣可以開闊學生的視野,提高學生實驗的學習興趣。仿真實驗以仿真的儀器為主要器材,它所仿真的元器件、儀器儀表和系統功能與真實的硬件存在著必然的差異。仿真實驗雖然新穎有趣,但與真實實驗仍有距離感。并且,將仿真實驗應用于教學,它的整個教學過程都是在計算機上操作完成的,在教學應用中不可避免地具有一定的局限性。
[2]彭斌,崔益和.工科院?？鐚W科實驗教學示范中心的建設與實踐[j].實驗室研究與探索,2008,10.
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