虚拟仿真技术的优点范文

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辽宁建筑职业学院辽宁辽阳111000

摘要院近年来，虚拟仿真技术在高职实践教学中发挥着非常重要的作用。随着虚拟仿真技术的迅速发展，高职实践教学正向着校内虚拟仿真实践和校外顶岗实习相结合的教学模式转变，必将通过推动高职实践教学的改革发展来促进职业教育的发展。本文介绍了高职实践教学中应用虚拟仿真技术的原则及应注意问题。

关键词 院虚拟仿真技术；高职实践教学；原则；问题

高职院校的实践教学是实现其培养目标的重要途径，对提高毕业生的创新创业能力非常重要，也反应出院校的办学特色。近几年，全国高职院校正在进行着一场如火如荼的实践教学改革，虚拟仿真技术的发展又推动了将仿真技术应用到高职实践教学的发展进程。但是其发展的速度不是很快，由于虚拟仿真软件的有效性及先进程度严重制约着其发展的速度。怎样才能将虚拟仿真技术科学地、有效地应用到高职实践教学中去，充分发挥并优化实践教学在高职人才培养工作中的重要作用，全面提升高职毕业生的职业能力、就业创业能力及创新能力是摆在所有高职院校面前的新挑战。

1 实践教学中应用虚拟仿真技术的原则

虚拟仿真技术是应用计算机技术模拟出逼真的虚拟现实的场景，使用者通过应用设备与虚拟环境进行相互作用及影响来体验到一种身临其境的感觉。虚拟仿真技术能使人不受时间和空间的限制去接触非现实的环境，这样在不受条件和环境的限制下去探索和发现现象的本质。虚拟仿真技术给高职实践教学的改革提供了更广阔的空间，将虚拟仿真技术应用到高职实践教学中还要注意以下几个方面。

1.1 高职实践教学的目标是提高学生的岗位职业能力，这就要求学生在实践教学的过程中要深入到实际岗位，在一线进行实践操作学习。从而，实践教学中应用虚拟仿真技术的第一步就是要认真分析和调查学生的实践岗位的职业特点和要求，以实际工作过程和真实的工作任务为基础去设计和整合实践教学内容及任务，做到充分利用虚拟仿真技术去构造不受时间及空间限制的符合教学目标要求的立体化实践教学环境，实现对真实职业场景的模拟再现，使学生在具体的场景中完成学习任务，做到传授、学习、操作融为一体，能够在不同的场景中学习自如，做到职业性与场景性相结合。

1.2 当今随着市场经济的发展和科技的进步，高职院校越来越重视培养毕业生的职业岗位技能，高职院校不断进行教育教学方面的改革，更加注重提升毕业生的就业能力和适应整个职业生涯发展的要求。所以，高职院校设计的实践教学任务就要和企业生产一线的实际工作和学生参加工作后的实际岗位相适应，培养学生的职业岗位能力。在设计虚拟仿真的实践教学体系的过程里，要挑选具有代表性的，技术先进的设备及工艺技术等，应该注重体现与情境相关的基于工作过程的知识与技能的学习，使学生在完成一个学习任务之后能够对完整的工作流程、操作模式和岗位具体情况得以学习和掌握，从而能够与相关的职业实践活动联系起来，掌握完成工作任务的方法及解决相对复杂的综合问题的技巧，能够适应未来岗位对高职毕业生提出更高的职业能力要求。除此之外，应该重点开发设计那些以培养核心与关键技能为目标的实践教学项目，做到先进性与典型性相结合。

1.3 把虚拟仿真技术应用到高职实践教学的过程中，要充分抓住虚拟仿真技术构想性的特点，按照学生心理和认知方面的水平，根据教学内容来设计构思实践的教学场景，培养学生的学习兴趣，拓展学生的想象空间，使学生学习到知识，充分理解概念的含义，领会实践教学所传授的知识点，提高学生的创新创造能力。运用虚拟仿真技术选择适量的教学内容，把抽象的内容具体化，复杂的问题简单化，微观的内容宏观化，这样能够有助于学生理解和掌握操作方法，并达到熟练操作的程度，使得实践教学的效果达到预期的目标。

1.4 利用虚拟仿真技术来进行实践教学系统的设计过程中，应该抓住仿真技术交互性强的特点，设计出互动性强、协作性高的实践教学任务，使学生在虚拟现实的实践场景中完成自己的实践操作工作，在整个过程中要注重培训学生们共同解决实际问题的能力。并且，利用虚拟仿真技术设计的实践教学系统要突出其智能性的特点，该系统能够对学生的实践操作成果进行及时的跟踪与反馈，并且可以依据学生的操作情况给予合理的评价，还能够及时给予有针对性、个别化的指导，做到交互性与智能性相结合。

2 虚拟仿真技术在应用中应该注意的问题

2.1 虚拟实训不能替代实操实训。高职实践教学中利用虚拟仿真技术，实现了实训环境的改善，教学过程的优化，还解决了很多实训教学方面的难题。不过利用虚拟仿真技术来设计高职实践教学内容，不代表虚拟实训可以完全替代实操实训，两者存在着本质的区别。虚拟仿真技术只是通过去模仿一些实际的生产和工作实践过程，让学生在过程中学到一种间接的经验，而不能完全替代真实的现场操作。所以，在应用虚拟仿真技术的实践过程中，必须认清虚拟实训和实操实训的本质区别。设计虚拟实训的思路是：首先是把实操实训无法实现任务利用虚拟仿真技术来设计虚拟实训教学来实现；其次是要依据现代教育理论来设计实践教学任务，把虚拟仿真技术设计的虚拟实训教学内容放在前面进行，而把实操实训安排在后面，并将二者完美的结合在一起，获得最好的教学效果。

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1虚拟仿真技术能创造情景教学，充分调动学生学习的积极性

情景教学法是适合中职院校学生的一种教学方式，提升学生的学习兴趣，使学生可以更快的融入到课堂教学中，情景的设计可以和实际情况相结合。虚拟仿真技术就是实现可以在课堂上给学生模拟真实环境的平台，培养学生的实际操作能力，改变目前只能进行理论教学的现状。

电子技术教学中更多是进行电路的教学，虚拟仿真技术可以有效的将真实的电路工作情况给学生呈现出来，让学生可以亲自观察所有复杂的电路情况。使教学不再局限于苦思冥想的抽象理论教学中，而是能够更直观、更明了在虚拟平台上给学生展现出来，让学生直白的理解理论知識。例如利用flash动画将PN结的多子的扩散和少子的漂移直观的表现出来，以利于学生对PN结概念、形成过程以及导通条件的理解。

再如将电子技术教学中放大电路的电阻、电容、晶体管、电源通过虚拟技术multisim模拟出来，再采用multisim里模拟测量工具直观的测出电压、电流的关系，从而更好地理解晶体管的放大、饱和、截止，以及放大电路三种组态。有了直观的呈现，学生就会产生学习积极性，学习积极性得到提高就解决了学习的根本问题。

2虚拟仿真技术能架起理论与实践相结合的桥梁

课堂上学生的参与度直接影响着课堂气氛，虚拟仿真技术可以让学生有身临其境的感觉，让学生更主动的参与课堂教学，对知识的掌握更加牢固。中职院校进行电子技术教学时的重点就是电路教学，可以利用虚拟技术将实际的电路操作台在课堂上模拟出来，让学生可以真正的动手将电路中出现的各种问题进行解决，从实际操作中掌握知识点、理解理论知识，将理论教学和实践教学相结合，使学生毕业后更容易接手实际工作，达到出校园就有能力进入社会的培养目标。

3虚拟仿真技术中穿插小组探讨式教学，更有利于学生创造力的培养

探讨式教学可以培养学生的思考能力和自主学习的能力，电子技术教学仅仅依靠教师是不够的，更多的是需要学生自己进行探索，将教师讲授的知识自己实践、验证之后才能更好的掌握，虚拟仿真技术在课堂上的应用就是给学生提供一个自主学习、合作学习探讨的平台。

电子技术教学中对电路的分辨是所有教学的基础，对于电路的理解和学习，可以让学生以小组的形式利用仿真虚拟技术系统来进行自主学习，找到各种电路图之间的区别，加深学生的记忆，从而更好的掌握对电路图的分辨能力。例如同一个电路各组件可以有不同的取值，让学生一小组讨论各取值之间的理论情况，通过Multisim等仿真技术加以验证。

再例如让学生通过学习整流电路理论的学习，各自设计整流电路，最后在Multisim实现出来，以小组的形式讨论谁的设计更成功，成功了，成功在哪？失败了，错在什么地方。通过小组的探讨，与其他同学设计结果的对比，学生能找到自己的问题所在，从而更好地培养学生的创造力。

而且虚拟仿真不需要耗材，在虚拟仿真软件上面可以随意设置原件参数，也不会把设备烧坏，这样更有利于学生大胆的尝试和创新。

4应用虚拟仿真技术存在一定的挑战

目前虚拟仿真技术并没有在所有院校的电子技术教学中得到应用，主要原因就是没有专门的教师对这项技术进行学习，还无法完全掌握这门技术以便应用到实际教学中，因此，想要更好的应用虚拟仿真技术，首要条件就是要在学校内组建一支教师队伍专门进行该技术的研究学习，熟练掌握是基础，还要有能力对其他教师进行指导，使虚拟仿真技术在电子技术教学中得到普及。进行电子技术教学的教师更应该积极主动的进行学习，使课堂教学的气氛更加轻松愉快，学生的学习效果得到提升。

5虚拟的模拟操作应该与实际操作结合起来进行教学

虚拟仿真技术虽然可以在课堂上让学生体会实际操作的感觉，但是却不可以完全代替实际操作，因为模拟操作系统是人工设置的，很多实际操作中会出现的情况在虚拟系统中并不能够完全体现，所以仿真虚拟系统的应用在电子技术教学中只是起到了辅助作用，实际的操作练习也是很重要的，绝不可以将实际操作的重要性忽略掉，而是应该将两者的优点结合起来，进行综合教学，有效的提高学生的电子技术操作水平。

6结束语

我国科技的进步发展在中职教学中得到了充分的体现，尤其在电子技术的教学上更是有着很大的意义，虚拟仿真技术在中职的电子技术教学中得到应用是提升学生实际操作能力的途径之一，使学生未来适应工作的能力得到加强，让学生走出校园就可以得到企业单位的认可，增加学生的就业概率，使学生在竞争力极强的社会上更容易站稳脚跟，获得更大的发展机会。

参考文献：

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[2]徐冬冬.中职电子技术教学中虚拟仿真技术的运用[J].大东方，2016（04）：195.

作者简介：李承玉（1983-），男，云南保山人，讲师，理学学士，研究方向：电气自动化。

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【关键词】电子电工 电子仿真技术 应用效果分析

仿真模型主要是指物理模型或者是数学模型，可以替代实际的教学手段开展实验和分析。随着计算机技术的飞速发展，应用计算机开展模拟仿真取得了非常好的效果，在实际应用中，主要通过实验形式开展各项实践课，其目的就是增强学生的动手操作能力和解决问题的能力。更为重要的是能够使教学内容变得丰富，学生分析问题以及解决问题的能力均得到增强。

1 电子仿真技术在理论教学中的应用

随着电子技术的飞速发展，电工教学中的理论教学是必不可少的。但是，电工教学注重的是学生实践能力的培养，为此，理论知识的学习都是在为实践的开展提供基础和前提条件。并且理论教学的目的也是为实践教学的开展提供依据，也为学生未来在工作岗位中工作提供了理论基础。但是，如今很多中职教育中，教师一旦讲述理论知识，学生就会感到枯燥，因为学生普遍存在基础知识差的现状，面对复杂的电工理论会更难以理解。对于教师来说也产生了非常大的困扰。

随着计算机技术的飞速发展，仿真虚拟技术逐渐出现在人们面前。将仿真软件技术配置到实验课堂中，在讲述理论知识的过程中，能够借助计算机做出多媒体演示，演示的内容可以有很多方面，比如，复杂线路的操作流程、注意事项等都可以直观的呈现在多媒体屏幕上，也可以运用多媒体展示电路的搭建过程、参数的设置等多方面内容。虚拟实验能够将实验结果直接呈现在显示屏幕上，使理论化的知识变得更加生动、直观和具体，降低了理论知识的抽象性。

比如，在电路放大中，静态工作点的选择要体现出合理效果，能够充分体现出放大器基本性能。如果设置的不合理就会出现程序上的失误和失真，理论课程的设置也可以运用仿真技术构建出来。因为在理论课堂上，学生往往会对一些公式或者是图像了解不够深入，并对教师的讲解吸收较少，为此，导致了学生对基本的放大电路知识掌握的不够明确。但是应用仿真软件可以做出EWB演示，给予学生一种非常直观的感觉。学习效果也能得到提高。

2 电子仿真技术在实践教学中的应用

通过上面的论述可以知道，电子仿真技术能够以实验的方式引入到理论课堂中，使学生能够以实验的方式展开对理论知识的学习。而电子仿真技术最为重要的作用是能够开展教学实验，而电子电工教学最重要的也是实践能力的培养，为此，该技术的重要性得以体现。此外，传统方式的实验课程危险性较大，学生鉴于理论知识的认知不足并缺少安全开展实验方面的知识，为此，教师在组织学生做实验过程中，会有所担忧，如果学生较多，将更容易突发安全事故；还有一方面，鉴于教学经费的限制，很多中职院校中都缺少实验工具或者实验场地，为了节省经费，学校则会终止很多实验。

而应用虚拟仿真技术可以避免上述问题的出现。只要中职院校中具备计算机，就可以在计算机房模拟各项实验，大大减少了安全问题的发生。这种虚拟形式的教学实验，可以使每一位学生都能加入到实验操作中来，对各种电路进行设计和仿真处理，发挥自己的创新思维对电路进行合理构建。提高了学生的动手操作能力，锻炼了思维，使教学效果得以大幅度改善。

比如，在数字化的电路实践课程中，学生可以应用仿真软件转换器开展实验，该转换器能够实现逻辑电表与阈值表之间的转换，还可以实现逻辑表达方式的转换。学生可以借助这一功能对逻辑电路进行设计。此外，在实训项目的开展过程中，可以应用仿真技术，对电路进行设计，可以有效降低电路元件的损耗，不同的电路元件都可以实现相互的转换和利用，使实验成本得以降低。再比如，在做滤波实验中，应用仿真技术开展实验过程为：在仪表中调节好示波器，仪表中的A通道为数值的输入端口，B通道为数值的输出端口，再将仪器接入到仿真电源中，在示波器中可以看到整流后的效果，也可以改变电路中的电容参数以及波形。通过仿真仪器设备的使用可以使仿真实验的开展更有效果，让学生能够对实验有深刻了解，比如，实验操作步骤、实验结果以及实验注意事项等，在对具体的实物进行操作时，可以大大提高实验效率。

虽然仿真实验有非常多的优点，但是在实践中不能完全借助仿真技术，可以在实物实验基础上融入适当的仿真技术实验，使仿真技术的功能得以充分发挥。

3 结语

仿真技术在电工教学中应用的较为广泛，可以大大提高教学效果和学习效果。首先，通过应用仿真教学能够使学生的学习兴趣得以激发，学生能够更容易理解教学中的难点。仿真技术在课堂中被广泛应用以后，对实验实施了动态演示，将复杂的内容变得简单，提高了学生的自主学习能力。其次，仿真教学的开展，可以提高资源的利用率，弥补了中职院校中设备不足的现状，可以通过模拟形式开展一些安全性低、不易操作的实验。但是，高校和学生要正确认知该技术，并要将其作为一种辅助教学手段，不能对其产生多度依赖，最重要的还是要提高学生的实际动手操作能力。

参考文献

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为了应对工业工程在有关工业系统设计、管理及优化等综合性实验课程开发难度较大的问题，该文提出将计算机仿真技术与项目教学、案例教学相结合，实现了“教、学、做”一体化，并且，在显著改善实验教学条件、提升实验教学效果的同时，减少了设备消耗，尤其是耗材的使用量，节省了实验经费，而且克服了时间与空间上的限制，使得工业工程综合实验课的开课率和学生的专业综合能力得到显著提升。

关键词：

计算机仿真；工业工程；实验教学

计算机仿真技术是继数学推理与科学试验之后认识世界自然规律的第三类基础方法。基于计算机仿真技术的虚拟教学是指利用实物和计算机软件共同模拟出真实的情境，让学生在模拟的情境下进行探究和学习。这种教学方法生动形象，接近现实工作场景，有利于提高学习兴趣，使学生在短时间内进入相应情境，真实的体验如在现实中执行任务的感觉，以达到更快掌握技术手段的目的，而且这种教学方法可以利用计算机软件的优势创造出灵活多样的工作场景且不受行业限制，使学生对实践问题的认识更深入，采用的应对方法更灵活。由此“计算机仿真技术”便成为专业学习及实际应用中的重要方法和技术手段。工业工程作为管理科学与工程的二级学科，其人才培养目标是培养出面向生产、管理、服务的高级专业技术和管理人才，面向的工作岗位主要有制造业现场管理、产能计算、生产计划与控制、项目管理、精益生产等，以及服务业的流程优化、工作研究等。其中，制造业涉及行业范围广、产品种类多、工序过程各异，因此，在教学过程中需要通过一系列系统的实验项目培养学生专业的问题提炼能力及问题分析能力，并采用专业的技术方法和手段有针对性的对问题本质进行处理。然而，正是由于工业工程方法应用行业的广泛性及多样性，使得我们不可能如其他5类工程学科般拥有自己典型的实验实训设备，亟需我们在实践教学过程中探索新的教学方法与实验支撑技术。

1工业工程实验课程教学现状分析

工业工程类实验课程的教学，在传统的教学模式中，主要是以“理论课+实验室”的模式，强调学生对工业工程专业基本方法和技能的掌握与应用，如，工作研究、动素分析、人机工程、物流工程、流程优化、现场改善等基本技能与方法论。传统的实验教学过程中，基本上遵照如下流程：首先，引导学生进行以上理论课的学习，使学生知道、了解并掌握这些基本的专业手法与技能；其次，通过开设相关实验课程让学生对所学的这些技术方法展开实践，从而帮助学生达到训练并养成工业工程专业素养的目的。然而，目前所开设的相关实验课程均是就某一独立技术方法而展开的较为单纯的技能训练，如，工作研究的实验主要是针对动作研究、动素分析、生产节拍平衡开展具体分析过程实践，帮助学生深刻体会这些基本专业手法的实际应用场合；人因工程，主要是通过系列人因实验带领学生亲身体验，感受高度、亮度、颜色、频繁度、规律度等人因影响因素带给人视觉、听觉等感官的切实感受，从而探讨基于人因的合理化设计、布局及工作安排；设施规划布局则是基于物流分析方法，通过物流强度度量，分析部门间的相关性强度，从而为合理布局、物流优化提供有效参考。以上这些实验均对学生在工业工程专业基本方法技能的培训上起到了有效效果。然而，却并未在促进学生养成工业工程职业素养上发挥强化作用。原因在于，缺乏像物流工程、系统工程、系统建模及仿真优化等这类有关工业工程系统设计、管理及优化的主干课程的综合性实践项目，要设计出针对本专业基本技能方法的综合性实践项目，需要的制造业相关设备、产品品种等数量巨大，且耗费大、成本高，很难从实际操作入手，计算机仿真方法不失为解决此问题的一种有效方法。基于计算机仿真技术的虚拟教学则以其高效率、低成本、内容丰富、性能有效和安全等优势得到越来越多的应用和推广。因此，应该将“项目教学”“案例教学”“教、学、做”一体化和基于计算机仿真技术的虚拟教学的方法结合起来，充分发挥各自的优点，提升实践教学效果。基于计算机仿真技术的虚拟教学很容易与其它先进的教学方法相结合，因此，在工业工程类实验课程的教学中，将基于计算机仿真技术的虚拟教学与其它教学方法相结合，有助于提高实验课程教学效果，而且成本低、效率高，使学生可以不受场地、行业、设备与产品的限制，使学生更好的掌握专业技能和方法，并通过基于计算机仿真平台开发的综合性实践项目，锻炼学生的工业工程系统设计、管理及优化的综合能力，培养学生的专业素养，从而促进本专业人才培养效果的提升，计算机仿真技术在工业工程类实验课程的教学中具有重要的意义。

2计算机仿真技术在实验课程教学中的应用

计算机仿真技术为人们提供了一个理想的实践教学手段，目前国内外已经普遍将其应用于军事训练、课程教学、运动训练以及医学研究等方方面面。美国是计算机仿真技术虚拟现实的起源地，现在美国计算机虚拟仿真技术的发展水平也比较高，在这个领域代表了国际先进水平，也是第一个把虚拟仿真技术应用在教育教学中的国家，目前在感知、用户界面、后台软件和硬件等几个方面，形成了一个比较系统的虚拟仿真教学仪器架构。如，美国的卡罗莱纳州立大学利用Java技术建立了基于Web的探索式虚拟物理实验室，主要有以下几个模块：基于JavaApplet的虚拟实验设备和实验设施、相关的实验课程模块、实验结果评价模块、协作模块。在欧洲，英国在计算机仿真技术虚拟现实的相关领域处于领先地位，研究出了虚拟仿真软件包，并应用在教学仪器和工业安全培训等方面。如，英国的诺丁汉大学在教育和学术方面对虚拟仿真技术进行了研究与探索，其目标主要在于探索桌面虚拟仿真的输入设备应用上。此外，该小组还和其他学校紧密合作，将其仿真系统应用在了特殊学生教育中。在中国，目前各个大学和科研机构也广泛采用计算机仿真技术建立虚拟场景进行相关领域的教学与研究。例如：中国科技大学开发出第一套基于虚拟仿真的教学仪器系统——利用虚拟仿真技术进行几何光学实验平台的开发，系统将计算机辅助教学仪器的智能化仪器、计算机技术、虚拟仿真和物理教学仪器等有机结合，把物理教学仪器系统推进到了新的领域；北京润尼尔网络科技有限公司以北京邮电大学强势的网络、通讯、电子三门学科为基础，采用JavaApplet技术、B/S结构、J2EE框架，为解决高校日趋紧张的实验设备及实验场地等实验教学问题，由北京邮电大学网络教育技术研究所组织精英力量，经过多年研究，开发出了配套的虚拟实验系统。通过对国内、外的基于计算机仿真的虚拟现实教学应用情况进行对比，我们发现：当前，国外基于计算机仿真的虚拟实验比国内开发时间早，应用相对成熟，不管是在仿真器材还是仿真软件上都比较丰富、且功能较多；同时，国外很多成熟的仿真实验产品价格普遍偏高，且技术难度也不太适合本科学生，更适合研究所或工程师使用。尽管如此，我国还是有很多现行的成熟的计算机仿真软件供我们选择，这些成熟的仿真软件具有界面友好、可扩充性、支持二次开发等特性，甚至大多实现模块化利于定制化实验的开发，基本上能满足国内高等院校实验教学需要及丰富的仿真实验需求。因此，国内很多高校及科研院所普遍采用购买成熟的仿真软件产品，基于自身的仿真实验需求进行对应的二次开发，从而设计出适合自己的基于计算机仿真的虚拟实验平台，并得到了很好的应用发展。就工业工程类实验课程而言，现在市面上流行的仿真软件，如，Flexsim、witness、em-plan等都能提供给我们一个良好的仿真实验平台，供我们在这些平台上进行综合性实践项目的构建和开发。

3基于计算机仿真技术的实验教学模式开发

在深度分析学生学习特点和企业真实需求的基础上，基于建构主义学习理论和混合式学习理论，按照社会发展对人才培养的要求，结合计算机仿真实验教学设计的基本原则，借鉴信息化和项目教学、案例教学设计方法，探索出基于实践项目、真实案例和工作任务的计算机仿真实验教学模式，实现了“教、学、做”一体化的实验设计。该模式由“项目导入、制定计划、实施计划和成果展示与评价”4个环节组成，其中，计算机仿真实验教学贯穿了该模式的所有环节。下面简单介绍该模式的具体实施方案。

（1）在“项目导入”环节，专业教师的活动包括：借助选定的计算机仿真实验平台，导入项目任务及目标、展示项目结果，让学生对项目有一个直观的认识，然后再布置具体的实践任务；利用计算机仿真实验平台，让学生明确自己应当完成的具体任务和完成任务后可以获得哪些知识以及达到什么样的技能水平；在充分考虑学生的现有知识和能力水平的基础上，适当采取分工协作方式，安排具体的任务完成时间及成果的评定方法等。

（2）在“制定计划”环节，学生的活动包括：通过自主学习、分工协作等方式，对具体实践项目的目标、任务进行分析；确定任务所涉及的专业方法和技能手段，充分应用已掌握的专业知识和能力，借助计算机仿真实验平台，设计出仿真实验模型帮助决策与优化；确定仿真实验任务的实施步骤，为仿真实验任务的实施做好充分的准备。

（3）在“实施计划”环节，学生的活动包括：在计算机仿真实验平台上，按照拟定的计划，逐步完成实践项目的仿真任务；在完成实践项目仿真任务的过程中，学生通过应用所学专业知识和技能，建构自己的专业知识，从而帮助自己养成专业素养。

（4）在“展示与评价”环节，学生的工作包括：在计算机仿真实验平台上展示自己的实践项目仿真成果；参与讨论和评价；通过对比分析，学生对自己的实践项目展开进一步的仿真优化处理。

4结语

将计算机仿真技术与项目教学、案例教学更加紧密的结合起来，能够更好的实现“教、学、做”一体化，并且，在显著改善实验教学条件、提升实验教学效果的同时，减少了设备消耗，尤其是耗材的使用量，节省了实验经费，而且克服了时间与空间上的限制，使工业工程综合实验课的开课率和学生的专业综合能力得到显著提升。计算机仿真技术在专业实验教学方面的应用前景广泛,值得深入研究。

作者：赵灿灿 单位：首都经济贸易大学安全与环境工程学院

参考文献

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【关键词】节能降耗 仿真技术

中图分类号：G6 文献标识码：A 文章编号：1003-8809（2010）12-0123-01

传统的技校实习模式，要求学校提供充足的资金来保障实习工位和材料消耗，但实习消耗过大，一直是困扰学校实习教学的因素之一，为此，许多技校想出了多种办法来降低实习消耗，比如高消耗性实习课题不开或尽量少开、或者减少学生实习时间和实习工位，或者在材料的重复利用上做文章，或者尽可能把学生实习内容与某个企业生产结合在一起，这些方法都益弊相兼。近年来，随着仿真技术的日益提高和计算机在技校教学的普及，把仿真技术引入技校实习教学，不但可以进一步提高和完善实习教学，而且做为节能降耗的另一种新手段已成为可能。

一、仿真技术应用于技校实习教学的可行性

仿真，即逼真模仿研究对象。仿真可以分为物理仿真和计算机仿真两大类。物理仿真的优点是直接、形象、易信，但模型受限、易破坏、难以重用。而计算机仿真是将研究对象进行数学描述，建模编程，且在计算机中运行实现。它不怕破坏、易修改、可重用。其实，仿真很早就应用于科研和诸多领域包括技校实习教学在内。作为技校实习教学，一些常设专业，如电工、数控、汽驾、服装、化工等，在常规实习开设的同时，完全可以逐步引入仿真实习训练。

二、仿真实习的优点

仿真技术应用于技校实习教学，至少在以下几个方面拥有明显的优点：

1、形象性：

仿真实习能创造一个与实际近乎相同的特性环境。如南京数控仿真研究所研制的三维机床仿真软件，仿真操作面板与机床实际操作面板可以完全吻合，仿真操作与实际机床操作在面板控制部分近乎完全一致，通过软件，学生可以从任意角度观察数控机床加工过程，加工的毛坯变为成品的过程历历在目，仿真过程形象生动。再如化学仿真，仿真过程对化学变化前后物质的形态、颜色、温度的改变都可以模拟得非常逼真。

2、交互性

仿真实习不同于电化教学，因为电化教学学生是被动式、单向式，虽然直观但不具备交互性。仿真实习过程中，学生与实习对象能进行交互，可以大大激发学生学习兴趣。学生参与仿真，建立起使人感到身临其境的“交互式虚拟现实世界”。

3、全面性

仿真实习软件可充分考虑实际环境中的各种因素，避免由于特定条件而导致的操作结果的单一取向。如电气仿真，可对过压、欠压、过载、短路、缺相、电路调节进行多因素全面仿真。

4、安全性

仿真实习不会对操作对象如仪表、元件、工件、刀具等造成实质性损害，更不会因操作失误对学生造成人身危害。如数控机床仿真，不会因为学生操作失误，造成设备本身损坏，如撞刀、毛坏报废等；而且，仿真中的声、光、文字警报，完全可以对学生操作错误进行提醒和纠正。

5、全天候性

仿真实习不受天气、气候制约。无论刮风下雨都可进行，仿真实习具有全天候性。

6、节约性

技校引入仿真实习，最根本的好处是对原材料、工卡量具、仪表设备的节约。如电工机床电气模拟配盘实习，一次实习课下来，学生不但要消耗导线、镙钉、而且可能损坏接触器、继电器等，同时由于接线错误，还可能引起短路等严重事故。而仿真配盘实习其操作过程可以完全脱离导线消耗；避免设备和元件损坏，即使短路也不会造成实际电器损坏。再如数控仿真，虚拟毛坏替代实际材料，虚拟冷却液替代实际冷却液，极大降低实习消耗。

7、高效性

仿真实习可缩短材料、仪器或工卡量具的准备过程，实习完成后，也节省了回收时间。在仿真实习过程中，学生可以轻松对实习过程初始化，对未能完成的实习进行状态存贮，对已完成的实习进行调入回顾，极大提高了实习效率。

三、技校实习如何引入仿真实习

技校引入仿真实习特别是计算机仿真应具备两个条件：一是选择合适的仿真软件，二是配备一定数量的微机。其实几乎技工学校所有工种专业都可以引入仿真实习。但各工种适用仿真实习的程度目前还不同，这主要制约于各工种的技能特点和仿真软件的发展状况。比如，技校电工专业可以引入电工基础实验仿真、电气元件性能仿真、电子线路测量仿真、PLC控制仿真、高压值班运行仿真、机床电气故障排除仿真、单片机仿真等等。

四、引入仿真实习后的注意事项

仿真实习，做为一种新的教学模式，可给实习教学带来许多变改和效益，但必须指出的是，仿真实习毕竟不是真正的实际对象的操作，本身有不可替代的局限性。必须注意，采用仿真实习后，可缩短但决不能完全抛开真实的实习过程。这表现在以下几个方面：一是无论采用物理仿真还是计算机仿真，其原理只是逼近，而不是等同于客观过程；二是由于仿真软件的在技工教学领域的发展还处于起步阶段,仿真水平还有待进一步提高。三是部分工种专业仿真难度大，仿真过程难以达到实习训练要求。所以，技校引入仿真实习，应做为节能降耗的手段，在一定工种范围内进行。无论哪个工种专业采用仿真辅助实习，都要给学生安排必须的实际操作实习，一方面让学生掌握实际操作，另一方面也是对仿真实习的检验和提高。同时，仿真实习对学生所生成的安全观念淡簿的影响，只有通过实际操作才能加以纠正。

五、技校仿真实习软件目前现状

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关键词：实验教学改革　仿真技术　实验整合 

 

实验是电子信息类专业学生课程教学的一个重要环节，是对理论教学的补充和深化，其开设方式关系到学生对理论知识的掌握和应用，直接影响着学生的操作技能、主观能动性和实际动手能力的提高，也决定着理论和实验的教学水平。因此，在教学过程中一定要加强实验这个实践性教学环节，充分利用实验资源来培养和提高学生解决问题的能力和创新能力，使学生能够更加快速地适应于将来的工作。加强实验教学环节，最大限度地利用学校的实验教学资源，对提高教学水平，培养学生的实际应用能力和综合素质具有重要的意义。 

1 实验教学的传统模式和问题 

在我国高校工科教育中，实验教学硬件条件普遍不足，或者是硬件实验条件的发展跟不上技术的要求，同时各高校大幅度扩大招生，实验教学硬件条件更显不足。加大对实践教学条件的投入，加强培养实践教学科技人才，强化实践教学内容和条件的改革与建设，在当前来说具有特殊重要性[1]。我国教育主管部门也在积极得进行着推进实践教学的改革与建设。例如：在全国高校本科教学水平评估中，实验室建设基地和建设经费以及实验教学改革就是一项重要的指标内容。越来越多的高校开始响应教育部的号召，实行了“双基”实验室，并在此基础上进一步建设“实验教学示范中心”。 

目前，实验教学的传统模式的缺点主要表现有： 

1）实验设备陈旧，实验模式单一； 

2）验证性实验分量大，与设计性、综合性和创新性实验之间的比例失调； 

3）先进的实验教学手段在实验教学中的引入还不够；等。 

2 实验教学方法改革势在必行 

随着计算机的普及和应用，在教学中也越来越多地借助计算机来辅助设计方法，同样，在实验中借助计算机仿真技术具有很大优点：减少实验中所需的耗材、降低对实验器材的破坏性、完成更复杂更高难度的设计性实验、更加全面地分析实验对象以及结果的性能指标等，具有高效、快速、直观、完整的优势。开展仿真实验作为一种新型的实验教学方法是在现有实验室设备的基础上采用计算机新型软件对实验进行模拟，大大提高了学生对本专业知识的应用能力和科研创新能力。因此，在当今的实验教学中，仿真实验的引入势在必行。 

对当今高校来说，学生人数不断增加，实验室设备和资金满足不了大学中学生的试验要求，为了不断提高实验教学的质量，又进一步解决实验设备少、不好维护、建设费用高等问题。将仿真技术引入实验教学中来，学生一方面可以利用计算机实现实验方案的设计，又可以直观地验证仿真过程和结果，不受实验室条件和空间的限制，可将实验设计带入到课余生活中来进行，大大提高了学生对实验的操作兴趣。利用仿真实验由于方法的灵活性可以充分发挥学生的想像力和创造力，比起传统的实验教学更利于培养科技创新人才，且有利于降低实验成本，能够使得实验室的建设和发展进入一个良性循环中。 

3 实验教学改革方案 

3.1 实验中引入相应的仿真技术来进行虚拟实验 

在实验教学中引入计算机仿真技术，一方面，充分发挥学生的主观能动性，激发学生学习兴趣，另一方面，老师可以利用计算机技术来观察学生的实验过程，采集学生的实验结果，更好地跟踪和指导学生，先进的教学理念和教学手段有助于提高实验教学效果，提高教师的教学水平。而计算机的引入可把实验设备、理论教学、教师指导和学生的思考、操作有机地融合为一体，克服了传统实验教学过程中受到课堂、课时、实验设备等的限制，使实验教学内容进一步灵活化，在时间和空间上得到延伸，也进一步激发了学生的实验热情。 

在实验中引入相应的仿真技术来进行虚拟实验，可以使得学生在进行实验的过程中培养独立思考能力，激发学生的学习兴趣，提高学生的创新意识，同时为学生提供了更加开放灵活的实验条件。对实验内容和实验教材来说，采用仿真技术把将虚拟实验和真实的电路实验有机地整合起来，充实了实验内容，增强了实验的能动性和趣味性，有利于实现培养学生综合实践和探索创新能力[2]。目前，越来越多的高校重新对实验室建设进行了规划，利用计算机仿真技术改革实验教学是一个新的发展方向。在高校实验室中引入计算机以及相应的软件技术不仅可改善实验条件、改革实验教学方法、充实实验教

学内容，还可大大提高实验效率，降低实验成本，增强学生学习的积极性和创新性，为实验教学和科研提供良好的实验平台[3]。 

以单片机实验教学为例，在实验过程中我们引入proteus仿真软件，用它来模拟单片机硬件系统。由于软件的灵活性，可以克服实验箱硬件电路固定、实验内容难于改动等局限。整个实验设计都是基于计算机仿真技术的，除了计算机外不再需要任何硬件即可进行实验，这样有利于促成课程和教学改革，更有利于人才的培养。仿真技术的另一应用表现在学生的业余爱好上，比如目前的电子设计大赛，挑战杯等，学生完全可以利用计算机来进行仿真，先用计算机仿真出相应的实验模型，在计算机上进行模拟调试，最后用硬件实现。在整个过程中，学生可充分发挥自己的才能，通过大量仿真对比，达到设计目的，学生也可以大胆地反复调试，避免了损坏器件。在电子设计竞赛中，我们使用proteus开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。

另外，开展仿真教学对于我国的远程教学也是一种很好的尝试，有着重要的意义。 

3.2 重新安排各类性质的实验，适量增加综合性、设计性实验 

验证性实验是实验中最基本的，可以使学生巩固理论知识，它的实验内容相对简单，重点培养学生的基本操作、数据处理和计算技能，验证和加深对课本知识的掌握和理解。综合性实验则要求学生必须具有一定的专业基础知识和基本操作技能，能够运用某一课程或多门课程的综合知识，进而对实验技能和实验方法进行综合训练的一种复合性实验。目前工科高校中越来越多地提出课程设计也是为了加强学生对综合知识的运用。为充分调动学生的学习积极性和主观能动性，设计性实验也必不可少。设计性实验能加深学生对理论知识的认识，由学生自己负责计划和执行，充分提高了学生的思维能力、动手能力、分析和解决工程实际问题的能力[3]，发挥了学生的主观能动性，设计性实验的完成可以充分借助于计算机仿真技术来完成。 

验证性、综合性、设计性实验相结合，培养了学生基本的实验技能和方法，同时又促进了学生的创新思维，打破了原有实验教学附属于理论教学的模式，建立与理论教学并行的，既相对独立、又相互联系的实验教学体系。在某些应用性强的实验教学中，综合性和设计性实验的比例至少要达到60%以上，同时设计性实验最好要跟得上科学技术的发展。一方面保证基本实验技能训练，另一方面，实验内容应与当今先进技术的发展相结合，适应社会发展的需要，将科研成果转化为实验内容，提高实验的先进性和代表性。那么，工科院校中一方面加大实验器材的投入，提高实验教学条件，开设先进的实验内容，提高学生的积极性，使学生适应当今社会的发展；另一方面，要充分利用现有的条件，引进先进的仿真技术，使得实验条件进一步升华，充分发挥教师和学生的主观能动性和创新能力。 

3.3 硬件软件都要抓，都要硬 

计算机仿真实验虽然可以准确地反映整个实验过程， 是一种新型的应用技术，十分有效，但是仿真技术不是万能的，它毕竟不是真正的实验，在许多场合仿真只能起辅助作用。也就是说不能用仿真实验来全部代替硬件电路实验，而是将仿真试验和传统的硬件实验相互结合，根据学校的实际情况和实验的情况灵活运用，虚拟实验不是万能的，如果所有的实验都用虚拟实验替代的话，学生在虚拟环境中实验会产生或多或少的不踏实的虚拟感，实践能力也不可能得到真正的提高。 

3.4 加强对实验课教师的培训，通过培训交流更多地了解新的实验技术 

在实验教学改革的同时，必然对教师提出更高的要求：一是教师也应加强专业知识和技能的学习，来提高自己的业务能力和综合素质，另外，不断更新专业知识的结构，了解前沿技术的发展也是必需的；二是高校中要大力创造条件促进教师经常参加基础理论知识的培训和实验的培训以及学术研讨会，从而扩大视野，更新教学观念，及时了解嵌入式系统发展趋势和动态，促进电子类实验技术的发展；三是要大力组织专业教师去积极申报相关的创新实验和科研项目，提倡以科研资金来促进实验室的建设，用科研成果去改进实验内容，同时可以提高教师的科研能力，在科研中更好地去锻炼自己，为实验教学服务。 

4 结论 

随着社会对人才要求的提高，大力推进实验教学改革迫在眉睫，而大学实验教学的改革又直接影响到学生的动手和创新能力。实验教学必须能够跟得上时代的脚步，将仿真技术应用到实验教学中可以充分调动学生的主观能动性，激发学生的创新能力

，加快学生适应社会的能力，同时学习了先进的新技术。 

参考文献： 

[1] 丁美荣,柴少明.基于虚拟实验与真实实验整合的计算机网络实验教学改革[j].现代教育技术,2007,7(17):99-102. 

[2] 孙晓明.土力学实验课程教学方法的研究与改革[j].黑龙江教育,2006(11):59-60. 

[3] 高金辉,杨军平,邱爱中.虚拟仪器技术及虚拟实验室的构建[j].河南师范大学学报:自然科学版,2008,36(2):63-66. 

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一、工程施工实习实训教学的现状

工程施工实习实训主要包括施工技术的模板工程、钢筋工程、混凝土工程、砌体工程的操作性实训和现场管理的单位工程施工组织设计两大部分，它是土木工程专业培养方案中的专业关键必修课，是实践性、综合性都很强的课程，有别于其他选修类别的课程。然而，目前我国土木工程施工类课程教学普遍存在着较大的困难和问题，主要表现为如下几方面。

1.教学内容滞后于现行规范、工程实践。土木工程施工教材内容陈旧，技术落后，没有与时俱进，紧跟现行法律和规范，贴近工程实践，没有形成较好的课内课外相结合的有层次的互动式的施工类课程教学体系。例如，2009年国家出台了《建筑施工组织设计规范》（GB/T50502-2009），尽管是推荐性规范，但是在《土木工程施工》教材中讲述的仍然是50年代施工组织设计内容。

2.在课堂教学方法和教学手段方面。由于土木工程施工课程的实践性、综合性和理论跨度大等特点。施工课基本是采用课堂教学方式，以教师讲授为主，这样传统的教学模式非常陈旧，没有调动起学生的学习积极性，教学效果一般较差。尽管有的教师运用多媒体教学手段，收集大量的图片、动画资料，然而，由于时间与空间的限制，学生也很难观察到施工的全过程。

3.施工生产管理实训方法和手段方面。土木工程专业是一个实践性很强的工科类专业，实践教学环节效果的好坏对毕业后学生适应社会工作及动手操作能力尤为重要。现在全国高校土木类院校的培养方案实习分为施工生产实习3周，毕业实习3周，条件好的学校有3周的实训，以老师根据教学安排事先联系好实习单位，在规定时间内集中组织学生到工地去参观、见习，由现场技术人员和老师对工程概况及施工技术进行讲解，然后由学生自己去寻找实习单位，这种放羊式的教学方法，使得实践环节流于形式，效果极差。

4.在实习实训教学环境方面。实习实训教学资源的不足是长期困绕《土木工程施工》实践教学质量提高的难题。时代的发展和科技的进步对实验教学提出越来越高的要求，对学生创新思维和实践能力的培养需要一种趋于个性化的教学，需要占用更多的实验、实习实训教学资源。而这种矛盾可通过仿真技术的应用得以缓解，运用计算机仿真技术软件，可模拟环境情境，学生通过仿真实习实训后，对实训的整体到局部建立起直观感性认识，学生可不受实际实训条件和时间限制进行实验、实习实训方案设计。虚拟仿真技术和实际情境实验结合的模式可合理有效配置教学资源，解决实践课时少的问题，改善教学条件，形成多元化的教学环境[4]。

二、土木工程施工实习实训教学内容和方法

针对以上土木工程施工教学的现状，对土木类学生进行市场调研，采取一系列教学措施，利用仿真技术在施工实习实训中的3D技术和教学调研取得的成果带到课堂上，采取“理论实践一体化”教学方法，以实践技能教学为主线，重视理论联系实际的教学原则，是提高学生综合执业能力和技能的有效的教学方法。

1.加快虚拟仿真实训教学的规范化和标准化建设。2003年我系申报了我校教学科研项目《以软手段模拟硬设备开展多媒体辅助混凝土结构实验教学的研究》，现已获批。该项目研究的主要目的就是要研制一个适合土木工程专业实训教学的实验教学软件，越来越注重虚拟仿真技术实训教学的应用研究。基于虚拟仿真技术具有人机交互，寓教于乐，直观形象，便于记忆，实现互联网，场景逼真体验等优点，规范化、标准化的实训教学引入虚拟现实将大大激发学生的学习兴趣，增强求知的渴望和好奇心，避免传统教学模式课程教学机械、沉闷的现象[5]。

2.利用虚拟仿真技术进行施工安全控制。由于土木工程施工过程的复杂性和危险性，建筑企业从业人员流动性大、安全意识差等情况已经成为建筑企业保证工程质量、安全施工、安全管理的一个十分棘手的问题。土木类施工实训实习多数高等院校都是把实习生安排到与建筑施工企业校企结合的工程项目。而工程项目现场安全隐患较多，一般建筑企业都不愿意学生在现场实训过程中的亲自动手操作，加上目前法律法规不够完善，最害怕实习生在建筑施工现场出现安全事故。目前虚拟现实技术主要应用在课堂讲解演示与试验实践教学环节中，而利用它进行施工过程安全控制，规范施工企业安全生产管理，提高建筑施工企业安全生产管理水平，预防和减少减少安全事故的发生，实现标准化安全管理，这也是将虚拟现实技术用于安全管理的基础[6]。

3.注重VR系统设计和实训师资培养。虚拟仿真技术（Virtualreality，简称VR）又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。VR系统的建设和发展，师资队伍建设是关键，讲授土木工程施工这门实践性极强的专业课，除了需要系统的专业理论外，还要有一定的施工实践经验。而培养出既熟悉工程施工专业知识，又有较好的计算机应用能力的实训指导教师是开展虚拟仿真技术的必要条件。开展虚拟仿真实训实验，在实训之前要做好充分的准备工作，进行实训教学科学周密的策划设计过程，更需要实训指导教师在教学理念和教学能力上具备创新能力。利用学校青年教师工程实践培训机会，首先安排拟讲授施工课的青年教师到施工企业信息管理中心兼职锻炼，时间不少于一年，弥补实践经验的不足。与此同时，可考虑与企业合作进行虚拟仿真实训教学软件开发和设计，力争构建具有工程特色的土木工程施工课程教师队伍，即双师型的施工课教师队伍，以满足施工授课的需要。

4.实习实训前做好充分准备。施工生产实习实训前由教研室充分论证做好实施方案，采用集中和散点方式，时间安排从大三第六学期末的倒数第三周开始，至第七学期第二周结束，其问包含一个暑假，共计十周左右时间，学生可在此期间灵活安排完成生产实习任务。在实习之前，除了实习指导教师会安排学生按照实纲的要求完成实习各项任务外，土木工程施工任课教师还会专门为学生布置部分工作，即要求每个实习实训小组（3～5人），根据自己的实习内容制作一份多媒体课件，内容主要是在施工实习过程中，学生认为比较新的施工材料、工艺以及施工管理方法和措施。开课前提交给任课教师，并随时准备在土木工程施工理论授课时讲授。通过此种形式锻炼了学生总结工程实践经验的能力，培养了学生的团队意识，同时学生提交的多媒体课件还丰富了任课教师的教学素材和内容，及时更新的案例会更加吸引学生的注意力，有利于改善教学效果。

5.改革后的实训实习成绩评定方法。考核也是激发学生学习潜能的重要方式，考核既是学生学习的压力也是动力，为了保证日常教学效果，激发学生参与课堂教学的积极性，对土木工程施工理论教学的考核进行了局部调整，将实习实训成果的课堂展示作为评判课程平时成绩的重要依据。为了取得较好的成绩，学生在施工生产实习实训中，非常注重对施工细节的观察，对施工中的某些做法会有更深入的思考，使实习实训不再流于形式，施工实习实训的质量也有所改善[7]。因此，应用虚拟仿真技术实训实习后的成绩评定方法划分为优良、合格、不合格三个等级。实训实纲中要求的保证项目应全数检查，动手操作评分值达到80分及以上者评定为优良；评分值应在80分以下，70分及以上者评定为合格；当考核汇总表得分值不足70分时，当有一分项检查评分表为零时，评定为不合格。当实训实习考核评定的等级为不合格时，必须限期整改达到合格。

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关键词：实验教学；虚拟仿真；计算机网络

一、在计算机网络课程中运用虚拟仿真技术的必要性分析

（一）虚拟仿真实验可以弥补硬件不能随时更换的局限由于计算机的发展速度快，而实验室的设备不可能随时更换，在计算机网络的实验教学中往往会出现硬件条件不能及时更新或购置更多的设备，不能满足实际实验需要的现象。例如：计算机网络课程中的路由器的配置实验，要是每个学生使用一台路由器是不太现实的。如果将虚拟仿真实验融入计算机教学，学生只需要在电脑上进行实验就可以完成实验任务，这样不仅缓解了设备条件的不足，节省了实验资金的投入，而且学生也能进行实际操作能力的锻炼。

（二）减少实验教学的经费投入在现实的实验教学中，通常需要大量的经费购置设备，采用虚拟仿真实验教学方式可以大大缩减实验教学经费。例如：计算机网络的实验教学中，学生进行网线制作实验，经常会出现不正确的线序排列、水晶头与线接触不良等情况发生，从而导致实验的失败。重复实验，就会造成实验用品的大量浪费，加大购置实验用品，这样势必会增加实验经费的投入。倘若采用虚拟仿真实验代替真实的实验，接水晶头和网线发生错误时，重新来做实验，不存在材料浪费的情况，这样可以大大缩减实验经费的投入，将更多的经费投入到其他教学工作和科研工作中。

（三）改善学生进行实验的操作的复杂性，培养学生动手实验的兴趣计算机网络课程中虚拟仿真实验的开设，一方面可以方便学生进行反复的实验练习，不用因为害怕因误操作损坏设备，害怕实验结果出不来，而不敢动手去做。在计算机网络课程中开展虚拟仿真实验，不用担心学生自身及实验设备的安全问题，使得学生可以放心大胆地进行实验，在反复的实验操作中归纳总结出一些实验规律，从而提高了学生动脑和思考能力，大大激发了学生动手操作的兴趣。另一方面，通过仿真实验系统有助于学生熟悉实验过程，对实验室的实验环境，实验设备进行详细的了解。学生可以很直观地观察到演示性实验的操作方法、步骤，甚至可以看到错误操作的实验结果，提高实验效果。在计算机网络课程中开展虚拟仿真实验，可以解决实验设备昂贵，购买设备的困难，经费不足等问题；可以解决落后的硬件条件无法满足实验需求的状况。虚拟仿真实验不仅丰富了计算机网络的实验教学内容，而且拓宽学生学术视野，同时使得学生在虚拟仿真实验中大胆进行创新、研究，从而开发学生创造性思维。

二、应用实例———利用三层交换机实现VLAN间路由

这个实验在现实中需要为每位学生配置一台三层交换机，连接键盘和网线，进行三层交换机的配置，或者一台交换机，所有的学生轮着使用，这样不是增加设备购置的负担，就是延长了做实验的时间。假若将真实实验和虚拟仿真软件相结合，所有的学生共用一台三层交换机，每位学生都可以从自己的电脑上完成这个实验，实验实施过程如下。

（一）技术原理1.启用三层的路由功能。由于三层交换机不仅带有部分的路由功能，还兼具三层路由功能和二层交换功能，而三层交换机的默认端口是二层口，因此必须使用noswitchport命令在相应端口启用三层的路由功能。2.实现VLAN相互访问。具有路由功能的三层交换机，在一个区域单位内可以通过直连路由来实现不同VLAN之间的相互访问；对于非直连路由，通过获取数据包的IP地址，然后根据路由表选择端口进行转发。三层交换机为每个接口配置相应IP地址，VLAN间的互连是利用SVI（交换虚拟接口）的方式来实现的，SVI为交换机中的接口分配适当的IP地址，并创建虚拟接口。

（二）实验说明在同一个局域网中，在交换机划分VLAN的基础上，PC0、PC2和PC1、PC3分别属于同一个VLAN分组（PC0、PC1和PC2、PC3分别归属同一个交换机），但同时还要实现两个分组之间可以相互访问；使用三层交换机代替原来的交换机，首先在三层交换机上分别设置各VLAN的接口IP地址。就像路由器上的接口一样，三层交换机将VLAN作为一种接口对待，再在各接入VLAN的计算机上设置与所属VLAN的网络地址一致的IP地址，然后把默认网关设置为该VLAN的接口地址。这样，所有的VLAN也可以互访了。

（三）实验过程1.在二层交换机上创建VLAN4、VLAN5，将端口4分配给VLAN4、端口5分配给VLAN5。2.将二层交换机与三层交换机相连的端口F0/2都定义为TagVLAN模式。3.在三层交换机上配置VLAN4、VLAN5，然后需要使用命令验证二层交换机VLAN4、VLAN5下的各PC间是不能相互通信的。4.设置三层交换机VLAN间的通信，创建VLAN4，VLAN5的虚拟接口，分别配置虚拟接口VLAN4、VLAN5各自的IP地址。5.使用命令查询三层交换机的路由表。6.将二层交换机VLAN4、VLAN5下的各个主机默认网关分别设置为相应虚拟接口的IP地址。7.使用命令来验证二层交换机VLAN4，VALN5下的各个主机之间是可以相互通信。

（四）实验设备Switch_29601台；Swithc_35601台；PC4台；直连线

（五）实验设备的配置PC0：IP地址：192.168.31.12子网掩码：255.255.255.0网关：192.168.31.1PC1：IP地址：192.168.32.34子网掩码：255.255.255.0网关：192.168.32.1PC2：IP地址：192.168.31.56子网掩码：255.255.255.0网关：192.168.31.1PC3：IP地址：192.168.32.78子网掩码：255.255.255.0网关：192.168.32.1将PC0、PC2和PC1、PC3划分到不同网关，此时两个网关分组无法相互连通PC1PingPC3replyPC1PingPC2timeout

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分析化学是关于研究物质的组成、含量、结构和形态等化学信息的分析方法及理论的一门科学。分析化学的主要任务是鉴定物质的化学组成、测定物质的有关组分的含量等，是药学专业的一门重要课程。同时，分析实验技能也是药学专业学生需要掌握的一门重要技能。目前的化学实验基本上是在实验室中进行的，该运作方式存在着投入大、损耗大、效率低、周期长、维护困难等缺点。而且，分析化学实验课时的多少也是制约学生熟练掌握该技能的一大因素。由此导致理论与实训课程不能及时有效地结合起来，学生练习时间少，缺乏创新和学以致用的能力。仿真实训系统的使用，既解决了实验实训室与实验实训设备引发的问题，又可以增加学生实训的课时。将仿真技术引入到分析化学实验课的教学当中，使教学更为生动形象，实验设计更加灵活，既培养了学生的创造能力，又提高了教学质量。该分析化学虚拟实验室平台主要包括基本仪器、仪器的使用和经典实验三大板块，包括了各种分析化学实验中可能用到的量器及仪器的介绍和基本使用方法的介绍，还包括了6类经典分析化学实验，在每一类实验中，都分别筛选了一些重要的实验。每个代表性实验的实验步骤均配有文字及相应的动画演示，常用仪器也有相应的视频讲解。通过虚拟演示实验不仅可以提高学生学习分析化学实验的兴趣，培养学生分析问题及实际操作的能力，还可以使学生在进行实际动手操作前对实验内容、步骤等方面有更为充分的认识，获得身临其境的体验和感受。

2仿真实验在药学其他专业课程教学中的应用

药学专业的很多课程都与化学相关，除了分析化学以外，还有众多化学课程也已经开始应用仿真实验来辅助教学，如有机化学、物理化学、生物化学等。信息技术深刻影响了高等教育，仿真实验弥补了传统实验教学的不足。对于生物化学来说，仿真技术深入地展现了生物化学与分子生物学实验的微观机制，加深了学生对该学科的了解，对生物化学实验教学的发展起到了推动作用。而对于物理化学来说，传统物理化学实验教学模式存在诸多弊病，将计算机仿真实验应用于物理化学实验教学中后，充分体现了仿真技术在化学学科领域中的优势，极大地提高了学生的学习积极性。这种教学方式与实际实验操作有机结合之后，能够更好地构建出一个合理、有效的化学实验教学体系。实践也已证明，通过进入有机化学虚拟实验室学习，学生的学习兴趣得到了很大提高，学生的实验动手能力和实践能力也得到了加强，仿真实训有力地推动了有机化学实验教学的改革和教学质量的提高。

3仿真实验在药学专业教学中的应用展望

随着现代化技术的发展和教育理念的更新，仿真技术正一步一步地拓展着传统实验教学领域。传统的实验教学方法通常是在学生自己动手操作前，教师花费时间对实验原理及步骤进行讲解，然后再进行实验操作示范，教学手段单调，实验操作过程的演示也不够全面，有的学生甚至看不到教师的演示，对其理解整个实验过程及掌握规范的分析操作技术有很大的影响，因而学生的学习效果不够理想。仿真模拟实验作为一种现代化的教学手段，具有形象直观、生动便捷、经济省时等多种优点。目前，越来越多的专业课程已经开始利用各种现代化技术来辅助教学，如中药鉴定、药物化学等。中药鉴定的主要任务是研究和鉴定中药的品种和质量。中药的品种繁多，我国现有中药资源达12807种，在这些种类中，传统中药约1200种，其中常用中药约500余种，就算是选择一些常用的中药来学习也是一项繁重的任务，对教学资源来说更是一个严峻的考验。因此，建立丰富的仿真资源库，利用仿真技术对各种中药鉴别进行剖析、模拟并应用于教学将是未来教学发展的一大方向。而对于药物化学来说，药物的合成实验也是一项繁琐的实践，不同的合成工艺有不同的合成结果，目前，仿真技术已经广泛应用于药物化学中的合成工艺研究，相信不久的将来也能广泛应用于药物化学的教学中去。

4结语

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【关键词】工程仿真机；DCS level 1；DCS level 2

0 前言

计算机仿真技术在核动力领域的应用已经非常广泛，包含核电严重事故分析，核设备设计、核电设计验证、核电培训、核电机组调试、核动力相关实验等等。在这些应用中各有特点：核电严重事故分析方面要求仿真精度高；核设备设计注重力学分析、传热计算等；核电设计验证强调灵活性高、适应性强；核电培训要求逼真度高，范围全、实时性好；核电机组调试可用到仿真技术代替实际设备，以实现对仪控系统的调试；核相关实验利用了软件模拟各种现实情景，为实物实验增添了扩展空间。

用于核电设计验证工程仿真机在核电验证中的应用已经有了多个实例（如方家山、福清、昌江核电机组中的仪控设计验证）。用工程仿真机来辅助设计、验证设计已经是目前成熟的技术手段。它可以是全范围工程仿真机，也可以是小范围的桌面型仿真机。可用于仪控系统的操作和信息管理层设计验证、仪控系统的控制和保护层设计验证、工艺系统改进验证、运行规程验证等等。本文主要收集和分析实现工程仿真机的仿真技术。

1 工程仿真机的架构

工程仿真机就仿真技术可以分为两个部分，工艺系统部分和仪控系统。工艺系统，包括现场重要设备（如反应堆，蒸汽发生器）、泵阀通用设备、管道、测试仪表等。仪控系统又可以分为两层，仪控系统的控制和保护层（DCS level 1），包括设备控制、安全保护等仪控系统的控制和保护层；仪控系统的操作和信息管理层（DCS level 2），包含DCS人机交互的操作界面、信息监视界面等。

工艺系统基本上是用仿真工具进行建模，实现方式大同小异。目前主流的方法较过去的进步就是实现了图形化，将设备、管道在建模工具上作为部件使用，按照电厂系统流程图绘制，然后生成代码。

仪控系统的控制和保护层差异较大，实现方法目前可分为如下几种方式：手动建模、翻译仿真、DCS虚拟机、实物仿真。

仪控系统的操作和信息管理层的实现一般有两条途径：实物仿真或用其它软件进行模拟开发，完成与实际人机交互软件相同功能的软件开发。

2 工程仿真机的实现方式

工程仿真机的实现方式从仿真构架上来说就是将上述提到的工艺系统、DCS level 1、DCS level 2分别实现。同时在整个构架中需考虑三层之间的实时数据交换及命令的传递与执行等，下面分别介绍工艺系统、DCS level 1、DCS level 2的实现方式。

2.1 工艺系统实现

底层工艺系统一般用仿真工具进行建模，目前主流的方法基本上是图形化建模，按照电厂系统流程图绘制成流网图，然后生成代码。本文举一个建模平台的例子以说明：

通用仿真平台包含多个子软件，这里介绍其中较核心的三个：

仿真支撑软件是模拟机开发和运行的基础，它包括以全局共享数据库为核心的多个进程，提供对仿真模型软件开发与调试、系统集成、仿真机实时运行与维护等仿真机全寿期的支持。仿真支撑软件的主同步程序用于各实时执行程序（模型软件）的调度和共享内存数据交换机制的维护，包括实现对控制集合和I/O读写进程的调度，以及与通讯进程间的数据交换。工程仿真机的模型软件基于主同步程序进行调度。

通过对电厂流程图的简单分析，可以绘制为对应的流网图，图中各部件根据设计资料填入参数，完成后生成执行码。将所有要模拟的范围照这个方式完成流网图即完成了工艺系统层仿真的主要工作。

2.2 仪控系统的控制和保护层（DCS level 1）实现

工程仿真机仪控系统的控制和保护层（DCS level 1）的实现方法比较多样，目前可分为如下几种方式：手动建模、翻译仿真、DCS虚拟机、实物仿真。

2.2.1 手动建模

正向控制逻辑建模所参考的数据是由设计单位提供的图纸，设计图纸并是不是组态图，只反映了控制原理。

设计图上使用到的控制部件仅包含单一的功能，且没有详细规定算法的变量名，部件和部件间的数据传递也仅仅标注了方向。设计图纸是一种示意图，用于传达基本的控制设计，工程仿真机的实现方需要根据自身对于设计图纸的理解，使用仿真平台的通用基本部件来实现控制设计。

控制模型工程师对于控制设计理解的正确性会直接影响到最终的控制逻辑的正确性。τ诜锹呒部件，则需要根据经验进行调试，方能确定合适的参数。

2.2.2 虚拟机实现方法

虚拟机实现方法的优点在于能够直接使用DCS组态的文件，能够和DCS组态保持完全的一致性，具有相同的响应，模拟精确度是最高的，而且也节省了二次开发的工作量。但是采用虚拟机的方法实现工程仿真机的模拟有其局限性，一般来说虚拟机的模拟方式只能由DCS厂商自己实现。因为不同的DCS厂商进行组态后下装的文件是不一样的，文件的内容和格式都是由厂商自定义的，对于其他使用者来说是基本无法解析的黑匣子。DCS厂商的组态下装文件只能被其自主开发的平台所解析并调用，很难与其他的平台相融合，也就很难做到在其他的仿真平台上正常运行。而且考虑到新建电厂DCS完成的时间进度要求远远晚于工程仿真机完成的时间要求，所以如果要满足工程仿真机用于设计验证，则要求DCS组态时间必须提前，这样是不合理的，会造成正确性和完整性降低等一系列问题。

2.2.3 实物仿真实现方法

实物仿真即采购与仿真对象完全一致的软硬件，型号和个数需要达到一一对应的关系。相当于将实际DCS的设备用于制造工程仿真机，这种方式实现的工程仿真机最接近实际核电站，最具有说服力。控制逻辑、操作界面完全一致，仅现场设备和流网需用传统的仿真平台进行模拟，并与实际DCS进行数据传输。但其造价很高，且实现冻结、重演等仿真机的重要功能也比较困难，核电站的工程仿真机很少采用实物仿真的实现方法。

2.2.4 翻译仿真的实现方法

除了三种主流的工程仿真机实现方法，在特定条件下，可以采用翻译的实现方式。翻译是介于正向全仿和拟机之前的实现方法，用翻译的方法进行模拟的首要条件是翻译源文件的获取。翻译源文件并不是DCS组态下装的文件，但是其包含了DCS组态的所有信息，且能够被正确的解析。因为翻译没有正向组态的过程，所以采用翻译方法能够模拟的范围取决于翻译源文件所包含内容的范围。如果要实现全范围仿真，则必须得到核电站进行了完整的DCS组态之后。

2.3 仪控系统的操作和信息管理层（DCS level 2）实现

仪控系统的操作和信息管理层的实现一般有两条途径：实物仿真或进行软件开发。

2.3.1 DCS level 2实物仿真

DCS level 2实物仿真与DCS level 1的实物仿真方式一样，由DCS供应商直接对软件进行适应性开发，使其可以与DCS level 1及底层工艺系统进行数据传递和命令执行。

实物仿真方式优点是界面和操作感受完全一致，功能验证可信度很高。但因其供货的单一性，造价通常比较高，且多因商业动作存在一定的技术壁垒。

2.3.2 DCS level 2软件开发

DCS level 2软件开发就是对已知的界面、功能进行开发，达到设计要求或与已有的实际DCS level 2一致。这里就存在两种情况，一种是在实际DCS还未出现时，仅有设计理念或设计文件支撑，另一种情况就是已经有了目标DCS level 2，对它进行依照开发。这两种情况从技术手段来说没有本质区别。

软件开发方式实现的优点是灵活性较高，在DCS level 2尚在设计阶段就可以实施，不同的阶段逐步变化，对DCS level 2设计前期有较大的作用。缺点是在实际DCS level 2成形后，开发出来的版本与实际版本不可避免有一些细微的差别，用于验证的可信度稍欠。

下面就DCS level 2的软件开发架构进行简要说明。DCS level 2软件可分为三个基本层次，定义为：

1）界面层：为运行在OWP（Operator Work Panel，操作员工作台）上的软件，主要为操作员人机交互界面。

2）功能层：运行在OWP上，作为界面和数据服务、通信服务的接口，解除了系统服务软件和界面的耦合性。

3）数据服务层：为各种DCS功能提供全局服务，例如DCS level 1的数据接口软件为level 2提供Level 1的实时数据。

3 小结

用于验证的仿真技术多种多样，主流方法也各有优缺点，适用于验证的各种目的、时期、场合。下表是各技术方法的分析总结。

表1 仿真方法总结

【参考文献】

[1]曲鸣.数字化仪控系统设计验证平台总体设计说明书[S].

[2]鲁星言.基于翻译技术的压水堆核电站DCS level 1仿真实现[J].