仿真实验范文
时间：2023-03-21 11:02:35
导语：如何才能写好一篇仿真实验，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）08（b）-0040-02
1 实验教学存在的问题
实验教学是工科类专业素质教育的重要组成部分，是巩固课堂所学知识、培养学生的科学研究方法、实验基本技能以及创新能力的重要途径。加强实验教学改革有助于提升整体教学水平。实验室硬件水平是开展教学实验的基本保障，但由于人力、物力、财力的限制，实验室硬件通常不能满足实际教学需求。比如，实验室缺乏必要的专业实验设备导致教学计划中的一些教学实验无法顺利开展，或者部分教学设备陈旧老化、数量严重不足，无法为每个学生提供全程动手操作的机会，另外某些专业实验设备价格昂贵甚至实验过程存在一定的危险性也导致许多学校在开设实验项目时常常有所保留。有些实验受到场地和课时限制，在规定的时间内无法完成实验或实验效果不理想，这些都直接影响了实验课的教学效果。上述问题除了通过合理的实验室建设和设备购置来解决外，还可借助现代计算机仿真技术开展仿真实验教学来解决。
2 仿真实验
仿真实验是指在交互状态下，借助编程软件、多媒体、仿真等技术在计算机上营造可辅助、部分替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，学生可以像在真实环境一样完成各种实验项目，所得的结果甚至优于实际实验结果。仿真实验具有很多的优点它营造了多样化的教学环境，能大大提高学生的学习兴趣；将仿真实验与网络链接后，学生可以利用校园网进行实验课程的学习，打破了传统实验教学时间和空间的限制；可以节省实验经费，实现多种实验目的。
一些高等院校和企业开发了适用于不同专业、实现不同功能的实验仿真软件，促进了仿真实验在工科实验教学中的应用。如能实现离心泵测定、精馏、吸收等功能的化工原理仿真实验、验证电工基本定理的电工电子仿真实验、大学物理仿真实验、建筑工程仿真实训系统等。在热能与动力工程专业中有西安交通大学[1]开发的制冷过程多媒体演示与模拟教学实验，浙江大学[2]开发的基于web的小型冷库教学系统，东南大学[3]开发的制冷空调综合创新模拟实验平台，长沙理工大学[4]开发的能够实现二维稳态导热、竖壁附近自然对流换热和辐射角计算3个虚拟实验的传热学虚拟实验等。这些仿真实验借助计算机仿真技术，通过声音、动画、彩色图像等丰富的表现力为学生提供了内容丰富、形象直观的学习环境，充分调动了学生的学习积极性，取得了较好的教学效果。
3 传热学仿真实验
传热学实验教学是热能与动力工程专业的专业基础课实验教学，与传热学理论课程互为补充，是课堂理论教学的继续和深化，对于培养学生的解决工程实际问题能力和研究开发能力具有重要的作用。在传热学教学中引入仿真实验，是为了更好地完成大纲中规定而实际无条件实现的实验项目和内容。以我校热能与动力工程专业为例，目前本专业传热学实验内容主要包括隔热材料导热系数测量（10台）、外掠管束对流传热系数测量（2台）、换热器性能测试（3台）等。实验内容相对较少且实验台数量太少远远不能满足实际需要，导致实验过程中无法保证每个同学的实际动手操作。另外，因实验设备使用过于频繁导致其老化加快，实验中就曾出现因设备部件故障而无法继续实验的情况，如换热器性能实验中因热电偶出错影响了实验的顺利进行。因此，在不能保证足够实验设备数量前提下，借助计算机仿真实验来辅助传热学实验教学不仅能扩展本专业实验教学内容，还能帮助学生深入了解实验原理，保证实验的顺利进行。
3.1 传热学仿真实验介绍
根据传热学实验教学内容和目标，我们对现有的硬件实验设备进行了综合分析，确定了这些设备能够开展的实验内容，把无法开展的实验内容用计算机仿真实验来代替。为此，我们开发了一套传热学实验仿真软件，下面就此软件进行介绍。
传热学实验仿真软件采用的开发工具为Visual Basic 6.0软件，该软件可以很方便地实现用户界面、菜单、操作按钮和工具条的制作，能够完成实验过程需要的原理演示、实验装置构成显示、阀门开关与开度调节、数据读取、数据处理、实验帮助等功能，开发的软件用户容易上手，使用起来很方便。图1为其中的水平圆管壁面自然对流传热关联式仿真实验主界面。界面主要由标题栏、状态条、实验设备、操作按钮组成。点击操作按钮可以实现加热器的电压调节，可以查看并学习实验指导书的相关内容，还可以查看实验过程中的换热量和温度参数的动态变化情况以及确定读取实验数据。
传热学实验仿真软件的功能是能实现圆球法测导热系数实验、二维导热温度场的数值计算、非稳态导热温度场的数值计算、水平圆管壁面自然对流传热关联式实验、中温辐射物体黑度测试和换热器性能测试实验等6项实验内容。与实验室现有的硬件实验教学设备形成互补后，基本上涵盖了包括导热、对流、辐射和换热器在内的所有传热学实验内容。
传热学实验仿真软件采用模块化建模，开发过程中，将每部分实验内容作为一个单独模块。每个模块中除了包括实验台系统动画图形外，还包括实验目的、实验原理、实验步骤、数据处理方法和思考题等内容。开发过程中采用了动态模拟技术，实验过程中的实验参数可以实现动态即时显示，使模拟实验更贴近于实际情形，学生可根据参数的动态变化随时了解实验进行情况并判断数据读取的时机。由于该仿真软件详细地介绍了每个实验的原理、内容、操作步骤、数据处理等内容，所以它也可作为传热学实验的系统学习工具使用。
3.2 仿真实验教学效果
通过使用该传热学实验仿真软件，取得了较好的实验教学效果。首先，该传热学实验仿真软件能够实现因缺少相关实验室硬件而无法进行的实验项目，完成了传热学实验教学大纲规定的教学内容。学生使用后，加深了对数值计算、对流传热、辐射、换热器性能等实验涉及的理论和实验测试内容的理解，丰富了学生的传热学实验实践，实现了学生对传热学知识的全面学习和理解。
其次，由于实验形式新颖，加上界面设计友好，学生学习兴趣较高，实验后普遍反映对所进行的实验尤其是原理和数据处理等相关内容有了更全面和深刻的了解。另外，由于该仿真软件具有完善的用户帮助功能，且可以直接在Blackboard教学平台上进行操作，学生实验时不受实验时间和空间限制，也可多次进行，使用起来相当方便，效果较好。
为了取得更好的教学效果，未来将在该传热学实验仿真软件中进一步增加测试与评分模块，实现用户仿真实验效果的即时测试与打分。还将在该实验仿真软件中增加更多的动态模拟内容，使其更喜迎并方便用户使用。
4 结论
针对现有实验教学中存在的问题，本文探讨了计算机仿真在实验教学中的应用，分析了仿真实验的优点。对我们开发的一套传热学实验仿真仿真软件进行了介绍，并概括描述了仿真实验的教学效果。
参考文献
[1] 晏刚，吴业正，厉彦忠，等.发挥实验室优势，完善实践教学改革[C].2004年制冷会议论文集，2004：135-137.
[2] 张华，刘楚芸，王勤.基于web的小型冷库教学系统的设计与开发[C].2004年制冷会议论文集，2004：142-144.
[3] 张小松，蔡亮，李舒宏，等.建立多功能开放实验台，培养学生创新科研能力[C].2004年制冷会议论文集，2004：148-153.
[4] 姜昌伟，傅俊萍，赵李铁.基于Matlab的传热学虚拟实验开发[J].中国电力教育，2008：316-317.
篇2
物理学是一门以实验为基础的自然科学，所谓物理实验，就是根据物理学研究目的，选用适当的实验仪器或实验装置，用人为的方法让实验现象再现，并加以观察和研究的一种科学活动"物理实验的内容包括力、热、电、光等科学技术研究的各个方面，它是一切科学实验的基础。大学中的物理实验课程已经被设定为必修课程，这一规定既有助于帮助大学生进行科学实验训练，同时也是训练大学生接受系统实验的开端。大学中物理实验不仅仅局限于某一领域，而是涉及各个领域，这说明，理工科个学科之间存在共性和普遍性，同时也说明了物理实验在学科学习中的重要性。随着课程改革目标的出现，实验教学改革也进一步的落实，实验改革在落实上相比其他课程改革存在一定的难度，实验教学主要依靠的是实验室硬件设施的跟进，实验改革最大的目标就是放手给学生去动手实验，然而很多学校存在最大的问题就是不敢放手让学生去使用，限制实验是开放的时间等等，学生操作难以进行，学习成果自然不会提高。立足于实验改革中存在的若干问题，仿真实验的诞生无疑能够为这些问题的解决带来福音。特别是作为计算机辅助物理实验教学软件的一个新的发展，仿真物理实验已经成为高校物理实验改革的亮点。仿真物理实验最大的优势就是能够为学生提供一个预习准备的学习环境，可以让学生在进行实际的实验操作之前，做得一切准备工作。
2 对于仿真实验的认识
2.1 仿真实验概述
所谓仿真实验，是相对于真实实验而存在的，两者的主要差别在于：实验过程中所触及的对象与事物是否真实，在真实实验中所采用的实验工具、实验对象都是以实物形态出现的，而在仿真实验中，不存在实物形态的实验工具与实验对象，实验过程主要是对虚拟的实验仪器及设备进行操作。仿真物理实验被作为一种计算机辅助教学软件，应用于现代教育中，主要是以技能训练为主的一种实验技能领域的学习型软件，能够帮助教学对象进行思想的建构，同时完成实时的操作，辅助学生在开始实际实验操作之前进行实践训练。仿真实验主要提供了一种以教学理论、计算机技术为基础的一种非实在性的实验空间，其本质是由计算机模拟实现的一个虚拟的实验环境。
2.2 仿真实验的特征
⑴仿真性。仿真性这一特征从其名称中就不难看出，作为一款辅助型软件，其最大的特点就是模拟了真实的实验过程，为学生虚拟一种真实实验的环境，同时在仿真实验中的一些实验设施与实际中的实验设施几乎相同，学生在操作的过程中能够真实的感受实验的过程，如同置身真实的实验环境一般。
⑵交互性。与真实的实验环境不同，仿真实验能够提供给学生更多的交流感，使其与计算机之间进行双向的交流，同时可以自由的对实验的设施进行操作和选择，减少了了实际操中的一些束缚。
⑶灵活性。仿真实验最大的特点，在教学改革过程中改变最大的就是他的灵活性，学生在进行传统的物理实验的过程中遇到了很多阻力，其中最常见的就是一些教师不敢放手将实验室开放给学生，当然这里有许多的原因，如设备的维护、购置、费用等等因素。仿真实验的研发就大大解决了这一问题，仿真实验易于扩充维护，操作方便，可以随时开放，反复实践，提高办学效率，而且仿真实验灵活方便，便于实现资源共享。
3 大学物理仿真实验应用于教学的优势
3.1 营造多样化学习环境，打破了时间和空间的局限
与传统的教学模式相比较，仿真物理实验主要结合了网络，建构了多媒体的教学平台，为课堂的教学环境带来了创新点，也大大提高了课堂的新鲜感。同时仿真物理实验也在教学的时间和空间上得到了延伸，在传统的教学模式中，学生在学习过程中，总是苦恼于课前的实验准备和课后的实验复习，实验室的短暂的学习时间，无法满足学生对于实验课的认知需求，仿真实验的出现，大大缓解了这些压力，学生可以自由的选择学习的时间和地点，对于提高自主学习有很大的帮助。
3.2 仿真实验可以节省实验经费，保证实验项目和数量
传统的大学物理实验教学，存在一些实验经费与实验设备置购得难题，特别是一些近代的物理实验，需要的实验器材价格昂贵，同时在操作上也相对复杂，出于对资金的考虑，很多高校无力开设这些实验，实验课程的缩减必然会影响学生的一些正常的学习进度。仿真物理实验的出现大大解决了这一难题，有了好的仿真实验软件，那些耗资大的实验同样可以开设，从而保证了实验的项目和数量。
篇3
【关键词】proteus；仿真实验室；构建
一、proteus仿真实验室概念
proteus仿真实验室就是把计算机当作实验平台和实验中心，通过网络进行电路分析、数字电路、嵌入式系统（单片机应用系统、arm应用系统）、模拟电路、微机原理与接口技术等课程，在计算机软件上进行电路设计、仿真和调试等通常在实验室完成的实验。proteus仿真实验室的实验主要是电路分析、数字电路、模拟电路、嵌入式系统（单片机应用系统、arm应用系统）等课程的实验和研究。
二、proteus虚拟仿真实验室系统结构。
proteus虚拟仿真实验室系统结构如图1所示，以建立在计算机网络平台上的proteus软件平台为基础，构建一个完整的proteus实验系统的综合设计与创新实训平台。在proteus实验系统结构中，从原理图设计、单片机编程、系统仿真到pcb设计一气呵成，真正实现了从概念到产品的完整设计。
（1）计算机网络平台。从图中可知，proteus实验系统是建立在计算机网络平台上的。为了使更多的模拟实验者参与到仿真实验中来，实现资源共享，要发挥proteus实验室的网络资源开放的作用，实现多人参与实验，以proteus服务器为网络中心，实现proteus仿真实验的全覆盖。（2）proteus软件平台。proteus是一种强大的计算机自动化设计软件，能够提供智能原理图设计系统，spic模拟电路、数字电路以及mcu器件混合仿真系统和pcb设计系统功能。（3）proteus实验系统。proteus实验系统是仿真实验室的核心，其系统能够在实验中直观的显示实验的过程，通过图形显现实验的每个细节，使参与实验操作的人员能够对实验的动态有个感官的过程。
三、单片机虚拟仿真实验的内容构成
proteus软件具有动态的模仿优势，在教学中可以通过《单片机原理与应用》这门课程的教学内容进行分析研究，对教学的知识点进行拆分和综合，可将proteus单片机仿真实验分为基础性试验、综合性试验和创新性实验。基础性试验是对单片机系统相关课程中的实验进行模拟设计及设计验证，实验设计的目的将学生在课堂上所学的知识进行消化，同时学会用pro
teus软件系统解决课堂上出现的问题，使课堂教学与实验相结合；综合性实验是在学生学习单片机系统模拟实验的基础上，增加实验的内容，在实验教师的指导下，运用mcu解决命题性实验的题目，学生按照拟定的题目内容进行电路图设计、仿真调试、代码的编写、pcb设计、制作pcb和验证pcb设计等一系列过程。由于在proteus软件平台上，一个产品项目可以做到从原理图设计、单片机编程、系统仿真到pcb设计的完整过程，实现从概念到产品的完整设计。而完整的工作过程包括资讯、计划、决策、实施、检查、评估6个环节，项目化实验主要有四个步骤：（1）工作任务的描述。包括工作任务在整个工作体系中所表现的出的作用、所处的地位，完成工作任务需要的设备、工具和材料等等；（2）现场演示与理论讲解。教师根据工作任务，进行现场作品演示，演示作品制作的过程，加深学生的感性认识，同时在演示文本的过程穿插理论的讲解，引导学生在proteus仿真实验中构建理论知识；（3）项目的实施。根据老师的讲解和工作任务对题目进行设计和制作，完成课题项目；（4）对仿真实验进行总结。教师对学生完成的作品进行评价，包括作品的外观、产品制作水平和质量等级等，在学生之间进行对比分析，找出优点和缺点。因此，引入proteus虚拟仿真实验系统后的单片机系统相关课程，非常适应于采用基于工作过程的项目式教学模式，利于单片机系统课程开展基于工作过程的项目化课程教学改革。
在教学实验中，充分的利用学校现有的计算机设备，购置proteus软件，帮助学生消化教学中的难点，加强学生的理解能力，提高学生的动手能力和创新能力。引入proteus虚拟仿真实验，有利于促成课程和教学改革，更有利于具备工程实践能力的应用性人才的培养。
参 考 文 献
[1]岳东海.基于proteus的虚拟实验室在实践性教学中的应用[j].常州信息职业技术学院学报.2007（3）：47～49
篇4
［关键词］实验室技术和方法；教学方法；仿生学；计算机通信网络
1虚拟仿真实验教学中心可持续发展的内涵与建设任务
虚拟仿真实验教学中心可持续发展的内涵包含2个方面：（1）具有智能发展性。虚拟仿真实验教学中心建设要根据学科的发展规划以及学科建设的新要求，在当前现有的资源基础上不断加入新的内容、新的知识和新的技术手段［3］。（2）具有可持续发展性。即保证发展的长远性和不间断性，这就要求虚拟仿真实验教学中心要立足学校的高度，打破学科的局限，整合各学科信息化实验教学资源，发挥企业开发实力强、支持服务能力好的优势，以培养学生扎实的综合实验设计能力与创新能力为出发点，创造性地建设与应用高水平软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等教学资源，提高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容，降低成本和风险，开展绿色实验教学［4］。具体应做到以下几点：（1）管理平台的建设。虚拟仿真实验教学中心不是单一学科专业的封闭式实验室，而应该是多学科、多学校、多地区的实验教学资源平台，需要一个兼容性强，且具备扩展性和前瞻性的共享管理平台来管理实验教学资源，以实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享。（2）保障持续性运行经费的投入。虚拟仿真实验教学中心的建设与发展需要虚拟仿真实验项目与软件的不断开发、维护与更新，必须要有持续性的经费支持，没有持续性的经费支持，虚拟仿真实验教学中心不可能得到良好持续的发展。（3）建立管理体制与运行机制。完善良好的管理体制和合理的运行机制是虚拟仿真实验教学中心高效运转的前提，多学科、多专业的实验教学资源融合平台需要有好的管理体制与运行机制以确保各项实验教学目标的实现［5］。（4）探索校企共建共管的新模式和新途径，建立可持续发展的虚拟仿真实验教学服务支撑体系。
2虚拟仿真实验教学中心建设的必要性
培养创新型和实用型的“一专多能”高素质检验人才离不开实验教学这一重要环节。医学虚拟仿真实验是针对医学实验的现象及过程，通过仿真、虚拟现实、多媒体等技术及相关设备将操作实践与实验材料、实验仪器、实验内容、实验方法步骤等相互结合构建高度仿真的虚拟实验对象，学生能在高仿真度的虚拟环境中开展实验，达到教学目标所要求的教学效果［6］。而医学检验技术是一门实践性和应用性均很强的学科。临床检验工作者要熟练掌握常用检验仪器的实验原理与操作技能，具备分析问题和解决问题的独立工作能力，这需要经历一个较漫长的过程。长期以来，检验专业的教学常以教师授课、学生听课及进行常规的实验操作和课后看书复习的传统教学模式为主，学生实操能力的培养受到一定实验条件的限制［7］。因此，可依托虚拟临床实验室系统与虚拟实验操作流程，让操作者可以通过计算机虚拟的实验环境，摆脱传统实验的种种限制，让学生“身临其境”地操作虚拟仪器和其他实验器材自主选择实验内容、模拟操作过程，通过对虚拟世界的体验和交互作用加快熟悉检验的相关内容，从而达到教学大纲的教学要求与学习效果。虚拟仿真教学作为实验教学的辅助有段可有效解决过去医学检验教学的难题：（1）为解决医学检验技术高、精、昂贵仪器培训难的困扰提供了条件。医学检验离不开高、精、昂贵的仪器设备（如全自动生化分析仪、高精酶标仪、流式细胞仪等），然而在学生上实操课、见习及各级各类培训过程中不可能拆分仪器和实时亲手操作这些仪器设备，而通过虚拟的仪器设备可很好地解决这一难题，实现对高、精、昂贵的仪器设备的操作，达到医学检验实验机能与培养学生综合实验思维的目的［8］。（2）规范检验技术的标准化操作培训。通过模拟操作检验过程（如细菌接种培养、静脉血标本和骨髓标本的采集等）规范学生的临床检验实验操作，掌握相关技术的标准化操作程序，提高临床实践能力。（3）规避检验技术培训的生物安全问题。在虚拟环境下进行仿真仪器操作与实验项目训练不需要接触真实的设备和疾病标本，避免了受感染、受伤的危险性。（4）节约检验技术培训的实验器械、试剂等耗材成本。在虚拟实验室中学习及操作虚拟实验可反复多次训练，不存在实验器械、耗材与试剂（如昂贵的抗体）的消耗，节省使用、维护成本。（5）解决临床检验中疑难罕见形态学资源短缺问题。在虚拟形态学图片库中可随时搜索并学习到一些在临床工作中少见的细菌（红斑丹毒丝状菌）、病毒（汉坦病毒）、寄生虫（环孢子虫）、白血病细胞及一些罕见的实验现象、结果等，可达到实际实验难以实现的效果，使操作者的学习事半功倍，大大缩短了学生进入临床检验工作的适应期。（6）增加学生对检验技术的学习兴趣和效果。在逼真的软件系统与丰富的数字化资源中自由寻觅，远比枯燥的课本、笨重的仪器、漫长的实验等待更能吸引学生的兴趣，从而提高学习效果。（7）临床检验人员的再教育也可充分利用虚拟仿真实验教学中心。让临床检验人员在工作之余根据自己的兴趣和爱好在逼真的软件系统与丰富的数字化资源中自由学习新知识、新技术、新进展，达到再次提升技能的目的。（8）在课余时间，学生可利用虚拟仿真实验教学中心进行科研设计和预实验。学生进入虚拟场景，根据实验要求自行设计实验并完成实验，这样不仅能锻炼学生的独立构思和设计能力，且能激发学生的科研兴趣，更有利于培养具有创新型和实用型人才。
3制约虚拟仿真实验教学中心可持续发展的问题
从2013年启动国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作至今已有数年，全国已有300余家国家级虚拟仿真实验教学中心，但在管理机制和运行机制等方面尚不尽完善，存在一些问题：（1）资源利用不高及浪费严重。部分虚拟仿真实验中心利用率不高，加上新技术的快速发展，导致一些资源的折旧率很高。应将每个高校各自不同实验室的资源进行整合以提高利用率［9］。（2）后续投入的经费不足。大部分高校虚拟仿真实验中心建设模式为一次性建设，在建设完成后很少有经费的持续性投入，但虚拟仿真实验中心的建设是一个持续性过程，虚拟仿真教学实验项目的增设、软件的更新均需要后续的扩展与完善，均需要持续性的经费投入。（3）管理机制和运行机制尚不够完善。部分高校虚拟仿真实验教学中心无法发挥多学科的优势，缺乏统一的管理平台，在资源整合方面做得不够细致，从而导致利用率不高［10］。（4）知识产权的保护力度不够。在虚拟仿真实验教学的建设过程中每一个新的虚拟仿真实验教学项目与实验软件的开发均是工作人员智慧与汗水的结晶，应该对其进行知识产权的保护与奖励。但目前大部分高校仅将此当作其工作职责与工作义务看待。对知识产权保护和建设人员的效益激励力度不够，在一定程度上阻碍了虚拟仿真教学中心的可持续性发展［11］。
篇5
关键词 虚拟仿真；实验教学平台；教学资源
中图分类号：G642.423 文献标识码：B
文章编号：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
虚拟仿真实验教学依托现代计算机等手段，通过动画与计算机模拟构建高度仿真的虚拟实验模型，使学生在网络终端开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。虚拟仿真实验教学应根据专业教学大纲进行设计，发挥专业教师的主观能动性，进行虚拟实验的设计与编制。虚拟仿真实验教学平台的建设是一个多学科合作的项目，涉及专业教学、计算机设计、工程仿真等方面，需要学校进行统一规划，必要时可以和专业软件公司合作，共同完成虚拟仿真实验教学平台建设。
虚拟仿真实验教学中心应实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。在涉及高危或复杂、难以重复的实验项目等情况时，提供安全、可靠和经济的实验项目。虚拟仿真实验教学中心建设应充分体现专业实验教学特色，将教师的科研成果融入实验教学之中，注重对学生专业技能和专业创新技能的培养。虚拟仿真实验教学应发挥学校学科专业优势，整合学校实验教学仪器与设备，根据实验教学大纲进行虚拟仿真实验教学的统筹规划。
2 虚拟仿真实验教学中心功能
1）利用信息化的重要技术，如有限元模拟、实验动画、企业生产现场录像、人机交互、数据库和网络技术等，实现虚拟实验教学，通过虚拟实验模拟仿真，增强学生专业知识掌握和基本能力训练；
2）构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生通过网络终端设计实验方案，输入实验参数，获得实验结果与实验数据，验证实验方案的合理性；
3）虚拟仿真实验为车辆工程教学设计和实现服务，按照教学大纲的要求，合理安排实验资源，实现实验教学资源开放共享。
3 虚拟仿真实验教学中心效果
虚拟仿真实验平台按照教学大纲设计相关实验，包括实验大纲、实验目标、实验内容、实验指导、实验过程动态演示、实现操作视频、实验作业等，制作不同工艺参数的影响规律仿真动画，实现人机对话与实验资源共享。学生可以通过客户端直观地看到各种实验现象与实验过程的规律，深入理解相关专业知识，有更多机会参加高水平的实验，享用优质实验教学资源，实践能力和创新精神得到提升。同时使教师教学理念得到更新，教学能力得到提升，促进教学管理体系和能力现代化。
4 虚拟仿真实验教学中心平台
虚拟实验教学平台系统功能框架如图1所示。学生登录系统后，进入虚拟实验平台主界面，根据专业方向，选择希望学习的实验项目。用户通过虚拟实验教学平台可以查看对应项目的实验教学大纲、实验讲义（包括实验目标、实验原理、实验内容、实验作业）、实验操作规程与操作视频，进行虚拟实验。在虚拟实验界面下，用户自行确定实验参数，系统通过后台分析，确定与该实验参数对应的实验结果仿真动画，并提供实验现场照片对比分析。用户还可以进一步下载仿真结果后处理文件，利用有限元工具，进行后处理分析，获得各种实验数据，完成实验报告。
此外，系统还提供了BBS论坛功能，学生可以把实验过程遇到的问题提出来，与教师一起讨论，充分调动学生的学习主动性与积极性。系统管理功能可以实现实验项目查询、实验人员管理、实验设备管理、系统帮助与系统推出等功能。考虑到学生缺少企业生产现场的工作经验，系统还提供了生产现场仿真功能，学生可以以通过该功能了解企业生产一线设备与工艺情况，加深对本专业知识的理解深度与广度。
通过虚拟实验教学平台系统还可以实现：
1）帮助学生进一步认识和了解相关专业知识，掌握实验技能；
2）学生可以通过网络完成并提交实验作业与报告，及时和专业指导教师进行沟通；
3）学生可以根据自身实际情况合理安排实验时间，避免因故错过实验课程的训练环节；
4）实验教师可以及时掌握学生完成实验的情况，同时也可以为学生在真实环境下的实验进行预约安排。
5 结语
虚拟仿真实验教学是各教学单位实验课程建设的一个重要环节，也是未来实验教学的一个发展趋势。虚拟仿真实验教学平台的实现，有助于教师合理科学地安排专业实验课程，最大效率地发挥学校的实验教学能力，同时也有助于学生掌握本专业实验技能，灵活安排实验时间。■
参考文献
篇6
四、虚拟实验室建设的构想
据教育部“十二五”发展规划，工程实验室将在信息集成技术、虚拟仿真技术和敏捷制造技术等方面寻求重大突破，大力推广和应用虚拟仿真技术。为此，学校机械工程实验中心在现有的软硬件基础上，依托工学院计算机科学和教育技术等专业技术，积极筹划机械工程虚拟实验室的建设。建设虚拟实验、开展网络实验教学，既可丰富学习资源、缓解仪器设备的不足，又能体现个性化的学习环境，改进教学模式，提高教学效果。根据现有实验室的发展和实验项目情况，初步设想虚拟实验室结构如图1所示。主要为机构展示、虚拟仿真和性能测试三个方面，随着实验教学改革的不断深入，实验类型和数量都会逐步增加，最终形成完善的虚拟实验教学体系。
五、结语
从红河学院工学院对虚拟实验的应用情况看，部分虚拟仿真实验在实验教学中应用效果较好，显示了虚拟仿真实验的应用，弥补了仪器设备老化和不足的问题。通过使用该类虚拟实验，可增强学生实验兴趣，降低实验成本，在实验条件不足时，可部分代替实际实验过程。结合计算机技术、网络技术、数据库技术和教育技术等，相信虚拟仿真实验将具有更为广阔的应用前景。
【注 释】
［1］ 蔡卫国.虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用［J］.实验技术与管理,2011.28(8)76-78.
［2］ 郭桂苹,南岳松.虚拟实验教学研究现状及问题分析［J］.实验室科学，2010.13(5)175-178.
［3］ 魏芸.虚拟实验的分析与研究［J］.科技信息，2010(35)5-6.
［4］ 郭德伟,柯建宏.基于Flash ActionScript的机构运动简图测绘实验设计与开发［J］.计算机与数字工程,2012.40(2)105-107.
篇7
关键词：有限元 医学 仿真实验
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
有限元分析是一种广泛应用于工程科学技术的数学物理方法，用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学等物理场问题。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结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。
随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到越来越广泛的重视，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机大多数设计制造已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、生物医学研究等各个领域的广泛应用已使设计水平发生了质的飞跃。
1 医学有限元国内外研究现状分析
有限元方法最早应用于骨科研究，开始于脊柱生物力学[1]。几十年来其在解决生物力学问题上得到了广泛应用，尤其近年来，随着数字及计算机技术的不断进步，有限元法本身已不再是相对独立地研究生物力学性质，它越来越多地与各种动力学模型、参数优化选择、临床放射学与实物测量、有机化学、组织学与免疫组化等方法巧妙结合，使结果更加准确可靠，成为生物力学研究中的一种重要工具。有限元方法在医学上的研究主要包括以下四个方面。
1.1 有限元模型的建立
有限元模型的建立，直接影响有限元仿真实验结果的精度、计算机计算过程、计算时间的长短，且模型建立的优劣与建模人员的专业素质和有限元知识分不开。现有研究的模型包括：人眼[2]、牙齿及矫正器[3]、脊柱[4]、颅脑骨骼[5]、胃[6]等人体骨骼及器官的三维有限元模型。
1.2 力学实验仿真
A.Pandolfi，F.Manganiello对所建立的人眼角膜模型进行了力学分析[7]。Tammy L HD等对建立的胫股关节三维有限元模型分析了骨骼变形对关节面接触行为的影响以及约束关节运动对接触应力的影响等[8]。
脊柱生物力学仿真是有限元法在生物力学中研究最早、分析最多、临床上应用最广泛的领域。杜东鹏等则对腰椎间盘膨隆的力学机制与腰椎疲劳骨折分别进行了探讨[9]。
头颅及颞下关节也是有限元在生物力学中研究的重点。吕长生等对建立的足部骨组织模型进行有限元分析，为运动损伤或运动鞋的评价等提供了依据[10]。王芳等建立并验证中国人全颈椎有限元模型，用于挥鞭样损伤分析[11]。米那瓦尔・阿不都热依木采用有限元方法，对颌面外科手术术后的颜面软组织形态变化进行预测[12]。
1.3 医疗器械的力学性能评价及优化设计
牙科是有限元法在临床应用中的一大领域，相应的各种牙科固定器材得以研制开发，这些器材的力学性能又是研制过程中重点解决的问题。蔡玉惠等研究了RPA卡环在游离端义齿应用中支持组织的应力分布状况，对RPA卡环的临床应用具有力学上的指导作用[9]。
在内固定钢板方面，张美超等从临床应用出发，利用有限元法对颈前路蝶型钢板进行生物力学模拟分析，得到了与其一致的易断裂部位预测[9]。
在人工关节方面，Heegaard JH等建立了髌骨的计算模型，并且模拟了在人工膝关节中去掉股骨假体对髌骨活动的影响[13]。王永书等对患者胸腰椎爆裂性骨折节段（T12～L2）部位利用有限元进行手术模拟，均与标本模型及术后CT扫描基本相符[14]。
1.4 血流动力学CFD应用
Tarbell JM用FIDAP和Fluent软件进行了血管壁中组织液流动的数值研究[15]。乔爱科等利用有限元分析方法得出冠状动脉搭桥术中对称双路搭桥比单路搭桥具有更合理的血流动力学，可以避免动脉粥样硬化的危险性血流动力学因素，从而减少手术再狭窄的发生[16]。杨金有应用CFD计算流体力学软件进行人体主动脉内血流数值模拟分析，为阐明血管疾病的发病机理提供理论依据[17]。姚伟用计算流体力学软件Fluent计算人体小腿骨间膜组织间隙中蛋白质非均匀分布情况下组织液流动[18]。
2 医学有限元仿真实验方法
通过上述医学有限元研究可得医学仿真实验的方法主要分为四步：（1）通过螺旋CT技术，采集大量的样本图像。运用现有医用物理实验室计算机对样本图像进行建模处理，并进行相关的有限元分析。（2）通过查阅相关国内外资料，针对所需建立模型的生理、物理等参数特性，在几种常用图像处理软件（Mimcs，Proe等）中选取较为合理准确的有限元建模软件。（3）在常用有限元分析软件（ANSYS，Fluent等）中选取较为合理准确的软件对模型进行有限元分析。（4）将有限元分析结果与实际测量数据进行对比，分析有限元模型的准确性。
3 有限元法在医学研究中的优势
有限元法在医学研究中具有四个方面的突出优势：（1）可根据需要产生各种各样的标本，对模型进行实验条件仿真，模拟拉伸、弯曲、扭转等各种力学实验，可以在不同实验条件下模拟任意部位变形、应力/应变分布、内部能量变化、极限破坏分析等情况。（2）标本也可以进行修正以模拟任何病理状态。同一个标本在虚拟计算中可进行无数次加载或组合而不会被损坏。（3）其结果不受实验条件的影响，也排除了实验条件造成的误差，而且可以重复计算，节约成本。（4）利用有限元法进行的模拟实验具有实验时间短、费用少、可模拟复杂条件、力学性能测试全面及可重复性好等优点。
4 医学院校开展医学有限元仿真实验的意义
在医学院校开展医学有限元仿真实验，可以使学生将相关医学、物理、生物等课程的知识综合应用于仿真实验中，给生物医学工程专业学生的毕业设计提供更为广阔的范围，使研究具有更高的水平；激发学生的创新思维和热情，使学生在自主科研创新的基础上，设计相关仿真实验加以验证、研究。同时，开展仿真实验要求教师不仅需要对本专业知识做到“了如指掌”，而且需要教师具有仿真实验相关的医学、物理学、生物学等非本专业学科的专业知识，还要求教师必须掌握螺旋CT扫描技术，Mimics，ANSYS等建模、仿真软件的计算机应用技术。这些知识对于教师实验教学、科研水平的提高具有十分重要而深远的意义。在开展医学仿真实验的基础上，建设医学仿真实验室，不仅可以为学生提供毕业实习条件，加强实习基地建设，而且与医院相关科室进行合作，可以在生物力学基础上预测手术中、长期效果，对医生手术具有较为科学的指导，加强了学校与医院的合作。
5 结束语
建立医学有限元实验有两个关键的问题：（1）医用有限元模型快速准确的建立。模型的快速准确建立可以减少仿真实验所需时间、降低费用、增加仿真的准确性和可信性。（2）建立通用的有限元模型库，为进一步的实验教学和科研打下坚实的基础。因此需要在具体实验实践中逐步探索和积累。
将工程有限元分析同医学结合开设实验课，属于多学科之间的交叉领域，不仅可以提高学生对所学专业知识的综合运用能力，增强学生就业与学习深造的竞争力，而且可以加强多学科教师的教学和科研合作，提高教师的教学科研水平。同时提高相关实验室的利用率，为学生自主开展创新实验提供平台，加强学校和附属医院的教学科研合作，为医学院校提供更为广阔的教学和科学研究领域。
参考文献
[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] 杨浩.人眼球物理建模及结合青光眼的生物力学分析初探[D].厦门：厦门大学，2006.
[3] 傅晓峰.上颌牙列及MBT直丝弓矫治器三维有限元模型的建立[J].口腔医学，2006，26（5）：354-355.
[4] 刘耀升.腰椎L4～L5活动节段有限元模型的建立与验证[J].第二军医大学学报，2006，27（6）：665-669.
[5] 何叶松.利用快速成型技术制造仿真人颅脑骨骼模型[J].中国医科大学学报，2008，37（6）：828-830.
[6] 李悦溪.人体胃部三维有限元模型的建立[D].浙江：浙江大学，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] 张美超.国内生物力学中有限元的应用研究进展[J].解剖科学进展，2003，9（1）：53-56.
[10] 吕长生.计算机辅助活体足建模生物力学方法研究[J].光学技术，2008（34）：236-237.
[11] 王芳.挥鞭样仿真全颈椎有限元模型的建立和验证[J].生物医学工程与临床，2008，12（1）：13-16.
[12] 米那瓦尔・阿不都热依木.计算机辅助颌面外科手术患者的面部软组织有限元模型研究[D].新疆：新疆医科大学，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] 王永书.严重胸腰椎三柱损伤后路270°减压内固定术的数字三维可视化手术模型研究[J].浙江创伤外科，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] 乔爱科.单路和双路CABG中血流动力学的比较[J].生物医学工程学杂志，2006，23（2）：295-299.
篇8
YenKa的主要功能及特点
YenKa是英国Crocodile Clips公司开发的一款优秀的虚拟仿真教学软件，因为主要是面向英语国家销售，没有中文版，所以YenKa在中国的用户并不多。其实它的操作很简单，尽管是英文界面，但一点都不复杂。老师们只要花几个小时学习就可以上手了。
该软件的官方下载地址为http：//，它分学校版和家庭版，其中家庭版可在家中免费使用，打开后的界面如下页图1所示。
它的功能强大，能进行计算机、数学、科学和通用技术这四门学科的实验，良好的用户界面使得它在教室中使用起来很方便，特别适用于交互式电子白板。
YenKa的导航菜单简洁清晰，主要有：新建实验（New）、打开网络实验（Open-online）、打开本地实验（Open-local）、变换实验平台（Change Product）、系统设置（Settings）等。在网络上及本地已有制作好的实验模型，老师们可直接打开使用。利用软件里面的内置组件，可轻松地制作一个模拟实验。
通过YenKa软件的功能及特点可以看出，目前国外教学工具软件“课程化”的趋势非常明显，即按照课程体系为每个教学点提供互动学习支持，提供配套的学习任务和学习指导。而国内同类产品大都只提供软件和使用说明，很少根据课程体系和教学内容进行细致的配套加工、提供细致的在线服务。
利用YenKa进行虚拟仿真实验
利用YenKa能制作出中学各学科大多数的实验，所制作的虚拟实验与现实中进行的实验高度仿真，老师们可以通过实验在创设情境、验证或猜想结论等环节中引导学生进行探究性学习。引导学生通过实验去发现和探究解决问题的方法，充分发挥学生的主体作用。下面将通过几个有代表性的例子说明它在教学中的简单应用。
1.利用YenKa进行数学仿真实验
利用YenKa能进行统计学、3D模型和坐标实验。统计学中包含有抛骰子、抛硬币、盒子抽球和转盘等常用的实验，3D模型主要是进行空间立体图形的各种边角等测量和表面积展开等实验，坐标实验则是进行判断坐标位置的游戏。下面进行一个有趣的统计学实验。
案例1：甲乙两人在玩一个抛掷两个普通正方体骰子的游戏，游戏规则如下：掷出两个骰子的点数之和为6时，甲赢；掷出两个骰子点数之和为4时，乙赢。请回答：①请写出两点数之和的所有可能性；②这个游戏规则对双方公平吗？③若不公平，请你修改游戏规则，使它成为一个公平游戏。
实验制作起来很简单。首先，进入数学学科实验平台，新建一个数学统计学文件；其次，单击左下角的“Objects”按钮，进入内置组件库，找到“Dice”组件，把它拖到场景中，就会出现一个骰子，选中骰子，右击骰子后进入骰子属性对话框，把它修改成两个骰子；再次，按上一步相同的方法，在组件库中拖出统计直方图或是统计饼图（内置有10多种统计图）；最后，拖出并设置好操作按钮组件就完成了。这里设置掷骰子的次数是1000次，单击“开始”按钮后进行实验，单击“清除重来”按钮重新进行实验，结果如图2所示。
通过实验会让学生发现实验是不公平的，和为6的有5种情况，和为4的有3种情况，所以不公平。要使和出现概率相同，可以修改游戏规则为“掷出两个骰子的点数之和为6时，甲赢；掷出两个骰子点数之和为8时，乙赢”。
2.利用YenKa进行计算机仿真实验
在中小学计算机基础课教学当中，由于程序语言的各种命令、语法极其枯燥与乏味，程序运行过程抽象，因此很多学生提不起学习的兴趣。此时，可以利用YenKa进行仿真教学，它能把抽象的编程过程转化为具体的生活场景。例如，通过设计人跳舞、冲咖啡等生活场景的方式把抽象的知识形象化，从而激发学生的能动性与挑战欲，使学生能轻松地掌握程序语言。
案例2：冲咖啡实验，让学生通过编程序制作一杯咖啡。
制作过程和案例1基本相同。进入计算机学科实验平台后，打开内置组件库，里面有现成的供编程用的各种组件，把它们拖到场景中并放在适当位置即可。完成后的实验场景如图3所示。接着开始实验，让学生自己通过拖动对象到流程图中，尝试制作一杯咖啡。完成流程图后，单击“Start”按钮就可以运行程序了，每当程序运行到其中的一个步骤时，场景则会播放相应的动画，如当程序运行到加水步骤时会播放加水动画，非常形象和直观（如图4）。
3.利用YenKa进行物理和化学仿真实验
YenKa的科学实验平台包含物理和化学这两门学科，包含有无机化学、电化学、光与声、运动、电磁学、模拟电子和数字电子这七大类实验。软件已内置有大量现成的实验，师生们只要打开就可直接进行实验了。
案例3：水力发电站模拟实验。
在生活中，像发电站、电磁等模型是比较危险或不好直接做实验的，此时我们就可利用虚拟仿真模型进行实验，本例是一个水力发电站模型，在这个模型中将会学习到一个水电站的工作原理。
进入科学实验平台中的“Electricity&Magnetism”（电磁学），在菜单中找到“Hydro-electric power”（水电）实验。进入实验场景后，见到的只是水电站的外观图，单击“内部构造”按钮，就会出现电站的内部结构图。把两个电力开关闭合，电站开始工作，场景开始播放发电的整个过程动画。你可以单击电站，改变里面的参数属性，如果改变的有效值电压不符合条件，那么电网线路会烧坏，烧坏后可以修复电网重新实验。运行效果如图5所示。
在软件中还内置有大量类似的实验，限于篇幅不在此一一举例，这里只再提一下有关YenKa的通用技术平台。通用技术平台里包含有基本电路、电子、电子线路板、PIC单片机和传动装置这五类实验。其操作过程和前面的实验基本一样，差别在于内置的组件类型和功能不一样而已。
篇9
[关键词]虚拟仿真；网络教育；手机App
[DOI]10.13939/ki.zgsc.2016.36.156
随着计算机技术和网络技术的蓬勃发展，人们已无时无刻离不开网络。[1]在国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，如上海复旦大学、上海交通大学、华中理工大学、广州暨南大学等。未来的几年内，我国将有50%的仪器为虚拟仪器。随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。
1 技术路线
随着互联网的发展，信息、消费、生产和智慧互联，它给我们提供一种伟大精神，这种精神叫作合作共赢、共建共享。2016年某日，笔者在自助银行遇见几个外国人在那里按来按去，不时发出各种疑问的声音，似乎完不成他们想要的操作。想到他们一定是不会使用自动取款机，笔者便主动关切地问“Can I help you（需要帮忙吗）？”，没想到他们的回答让笔者感到意外：“We are looking for restaurant（我们正在找饭店）。”帮他们找到想要的饭店后，笔者禁不住反思：既然自动取款机是联网的，是不是也可以充分利用网络技术，进一步延伸其功能，查询到附近的饭店、宾馆等。甚至可以查询到附近的学校，登录它们的实验中心。图1为虚拟仿真实验中心登录页面。
通过虚拟实验教学管理系统，教师既可搭建典型实验或调取实验案例。方便地向学生布置实验任务，还可在实验结束后查看学生的实验结果，给出实验成绩和评价。[2]
虚拟仿真实验教学中心的建设，将部分单纯演示性、验证性的实验教学内容以学生开展虚拟实验为主；基本技能训练和基础实验项目以虚拟实验辅助实体实验的开展，压缩实体实验室中有关实验原理、实验步骤、仪器设备使用、注意事项等的讲授时间，进一步节约有限的实验学时，将更多的时间给学生动手实践，节省下来的学时可以用来开设一些综合性、设计性实验和研究性实验。典型实验通常是由精通相关课程的教师设计的。要求学生在此基础上进行实验。可满足教师对各层次实验教学的需求。实验仿真平台也为学生自由搭建实验模拟提供了可能。学生既可通过实验仿真平台动手操作，又可自主设计实验，有利于培养设计能力和创新意识。与器材库（或仪器、设备、材料库）类似，虚拟实验平台通常拥有一个器材栏。用于各类虚拟实验器材的管理。学生可以把器材从器材栏中移到实验台上，或者从实验台上把器材收回到器材栏。
2 研究方法
行动研究法。严格地说，行动研究并不是一种独立的研究方法，而是一种教育研究活动，是一种教师和教育管理人员密切结合本职工作综合运用各种有效研究的方法，以直接推动教育工作的改进为目的的教育研究活动。课题组的成员来自学校一线工作者和学校的管理者，研究做到了学习、实践、反思三者的结合，增强了课题成果的实际意义。[3]
调查研究法。调查国内外虚拟仿真实验室的建立和使用情况，从中学习先进经验和技术，避免在研究过程中走弯路。撰写了调查研究报告。
文献研究法。研究过程中，查阅大量文献，借鉴同类课题的经验和做法，为实验得出定性结论起到重要作用。
比较研究法。本课题研究过程中，对资料的收集和分析进行了多方面的比较。一是学校的比较，各学段的比较等；二是类型的比较，智力与创造力的比较等；三是实验效果的比较，例如在筛选材料过程中取舍的比较，同类统计资料在数据上的对比、推断等。
个案研究法。科学地确定和研究典型个案进行研究是课题研究的捷径，研究中，课题组提供多个成功的个案，比较各种优缺点，用以应用到本课题。[4]
3 仿真实例
单片机是电子信息类专业的必修课，其应用已涉及生活的方方面面。要想真正学以致用，需多学多练，掌握其编程技巧。以AT89C52单片机实现模拟电子琴为例，单片机扩展无源蜂鸣器实现电子琴功能。7个按键KEY1、KEY2、KEY3、KEY4、KEY5、KEY6和KEY7，分别对应7个音符，图2为单片机模拟电子琴硬件电路。按下时蜂鸣器发出对应音调；还可以设计一个音乐自动播放功能，根据存入的乐谱进行循环播放。
4 结 论
建立开放式网上虚拟实验室，运用虚拟现实技术模拟真实实验。采用多媒体技术在计算机上建立虚拟实验室环境，提供可操作的虚拟实验仪器，使学生在互联网上通过接近真实的人机交互界面完成实验，同时提供网络实验教学一体化的管理功能。这将是未来实验教学的新方式。
参考文献：
[1]张旭，章韵.普通高校公共音乐鉴赏网络教育平台建设的思考[J].电子科技大学学报：社科版，2016（3）：1-4.
[2]王墨林，罗乐.“大学物理实验”网络教学系统的设计[J].实验室研究与探索，2012（12）：170-174.
篇10
关键词：网络仿真；OPNET仿真软件；实验教学
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：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
根据国家权威机构对人才市场的分析，人才需求量最大的是计算机应用专业的毕业生，约占市场总需求的30%，其中计算机网络技术人才占到40%。但是，在高校网络技术类课程教学中，由于抽象深奥的网络原理、规模庞大的网络工程、丰富多样的网络业务，根本无法让学生在真实的网络环境中进行实验，使得高校网络专业毕业生缺乏网络工程项目的实践技能和工作经验，无法满足企业的人才需求，造成网络应用技能型人才十分短缺。基于上述问题，提出了将OPNET仿真技术应用于计算机网络技术类课程教学中的设计思想，重点论述了基于OPNET技术的典型仿真实验开发方法和步骤。
1 OPNET网络仿真技术
网络仿真技术是一种利用数学建模和统计分析方法对网络行为进行模拟，建立网络设备、网络协议、网络链路的模拟网络模型，从而获得网络优化设计所需的网络性能数据的仿真技术。OPNET是一款功能强大的专业网络仿真软件。
1.1 OPNET功能组成
OPNET网络仿真能够准确的分析复杂网络的性能和行为，探头可以入到网络模型中的任意位置，用来采集仿真数据并进行统计分析，仿真结果即可以数字、图形、动画方式显示，也可以被输出到第三方软件。OPNET主要由三个层层嵌套的模块和仿真模型库组成，两者彼此是分离的，方便模型的修改和升级。三个嵌套的模块由内向外分别是：核心网络仿真模块、建库功能模块和移动通信卫星模块。仿真模型库包括标准模型库和特殊模型库两类，为用户提供一系列的仿真模型。
1.2 OPNET仿真显著特点
OPNET支持面向对象的建模方式,提供图形化的编辑界面,方便用户使用。主要特点:（1）提供三层嵌套的仿真建模机制，依次是网络模型、节点模型，进程模型，与实际的网络、设备、协议一一对应，再现了一个完整的计算机网络。（2）利用离散事件驱动和混合建模机制，大幅度提高了计算效率。（3）通过强大的统计收集和分析功能，获得了精确的仿真结果。（4）通过仿真预测网络的性能，为网络的规划设计提供可靠的决策依据，验证网络工程方案，决定多个不同设计方案的取舍。
1.3 OPNET仿真步骤
OPNET仿真包括网络拓扑配置、业务配置、统计量结果收集、运行仿真、调试再仿真、结果等六个步骤，具体如图1所示。
2 OPNET在网络技术仿真实验中的运用
在计算机网络技术类课程的教学中，可以充分利用OPNET仿真技术辅助教学,通过仿真深入理解抽象网络协议的工作原理,分 析和优化网络的性能，对学生设计的网络方案评价也有据可依。
图1OPNET仿真过程
2.1网络拓扑结构仿真实验
在讲解计算机网络基础中的环型、星型、总线型等网络拓扑结构时，通常都是介绍概念、工作原理和优缺点等，非常枯燥，难于理解。利用OPNET的网络模型库，借助网络编辑器，通过拖放鼠标从物件托盘中选取网络设备，快速地建立起网络的拓扑结构,还可以进行参数配置。不仅可以快速地组建各种网络，并且能够充分比较各种拓扑结构的特点。
另外，OPNET的网络建模完全符合国际标准化组织（ISO）的开放系统互联标准（OSI）,其节点模型的层次关系是:应用层、TCP层、IP层、IP封装层、ARP层、MAC层、物理层。借助于OPNET的仿真网络体系结构,学生们可以直观地了解开放系统互联模型,加深对网络协议层次结构的理解。
2.2网络协议的仿真实验
对于网络的初学者来说，面对CSMA/CD、TCP、IP、FTP、UDP、RIP、OSPF等大量抽象的网络协议，一般只能机械记忆，很难深入理解。在网络协议仿真中,可以利用OPNET的节点编辑器来学习协议在网络体系结构中的位置,利用进程模型编辑器来学习和研究各种网络协议的工作原理和执行过程。图2显示了典型的进程模型结构。
图2典型的进程模型结构
在OPNET三层嵌套模型中,进程模型是最重要最难实现的部分。进程模型主要由状态和转移线构成。状态分为两类，强迫状态和非强迫状态。每个状态包含的处理使用内嵌的C/C++代码段来表示。状态上的执行代码也分为两部分，上面部分称为进入代码，是进程进入该状念时执行的动作；下面部分称为离开代码，是进程离开状态时执行的动作。转移线描述了进程模型从一个状态向另一个状态转移的过程和条件。可以利用进程模型设计和开发自定义的网络协议。
2.3网络规划设计仿真实验
网络规划设计是根据原有网络基础、业务需求、经费预算等各方面情况,构建一个既能满足用户需求又能达到技术要求的网络系统。在教学中,在真实的网络环境中进行网络规划、设计、实施等综合技能训练是不现实的，但是使用OPNET仿真测试网络性能,能够直观快速地看到性能参数，如网络负载、网络延时等，对于不符合需求的网络参数可以调整网络配置，再运行仿真，直至达到最佳为止。除此之外，利用OPNET还可以进行网络应用、网络管理方面的仿真实验，通过仿真分析加深学生对网络性能和网络QoS的认识和理解，提高学生对网络故障诊断和流量分析能力等,从而为网络管理提供重要的依据。
3结论
应用OPNET可以模拟计算机网络技术类课程中的网络协议分析、网络工程规划设计等网络实验,具有面向对象、形象直观等特点，弥补真实环境中无法进行的网络实验缺陷，提高教学质量。同时，网络仿真技术可为优化和扩容现有网络提供定量的分析数据，为新网络的设计进行网络性能预测，定量评估网络设计方案，是一种新兴有效的网络规划和设计技术。
参考文献：
[1]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004.
[2]畅卫功,张爱华.计算机网络实验教学的研究与探讨[J].实验室科学,2009( 4):108.
[3]林瑜华,莫家庆.基于OPNET的网络仿真实验教学研究[J].实验科学与技术,2011(8):40.
[4]浦江,焦炳连,华钢. OPNET在网络技术仿真实验中的应用[J].教育信息化,2006(9):69.
