试论计算机仿真实验教学法特点

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[摘要]计算机仿真是指通过实验模型去研究一个已经存在的或者正在设计的系统的过程。仿真实验不仅是对实验原型的再现，而且是按照实验的侧重点对模型进行研究，最终建立在模型系统上的实验技术。

[关键词]仿真实验实验教学

一、计算机仿真

计算机仿真就是将一个描述实际系统的数学模型通过第二次模型化，变成一个能够采用计算机运算求解的仿真模型，并在计算机内进行运转的过程，以此获得有关实际系统的定量信息、数据或资料，深化对实际系统的认识和研究。

计算机仿真的全过程：①建立描述实际系统的数学模型。②经二次模型化建立仿真模型。③仿真模型在计算机内运行，有必要再根据技术要求修改仿真模型并校验。④分析仿真运行结果，为研究、分析，设计和调整所研究的实际系统提供可靠的信息、数据。

根据仿真中所采用的计算机类型的不同，计算机仿真可分为模拟仿真和数字仿真。

1.模拟仿真

模拟仿真是采用模拟计算机作为仿真工具进行仿真，模拟计算机是一种连续变量的解算装置。它将被研究系统的各种物理量用机器电压来表示，通过由模拟电子器件构成的各种运算部件，进行模拟量的连续解算。

模拟仿真时，首先根据所研究系统的数学模型，用连续积分、降阶求解的方法变成仿真模型——模拟结构图，再选择合适的变量幅值比例尺，使实际系统变量与机器电压之间建立数量上的折算关系，然后将计算机中有关的运算部件按比例尺化后的模拟结构图进行连接。通过上机调试、运行，获得仿真结果。

模拟仿真的突出特点是仿真结果非常接近于实际系统的真实情况。这是因为模拟计算机采用机器电压代表实际系统的变量参加运算和输出结果，它是一个有正、负极性和连续变化的量，用它来描述连续系统的动态过程就显得逼真，和真实系统在测试设备上观察到的波形几乎完全相同。此外，模拟计算机运算部件采用的电路及所用的信号很简单，人们可以通过系数电位器的设置、调节和运算部件连接关系的改变，方便而迅速地改变系统的参数和修改系统的仿真模型，人机联系很方便。

2.数字仿真

数字仿真是使用数字计算机作为仿真工具进行仿真。数字计算机是一种离散量的计算装置，它将实际系统数学模型中连续变化的物理量离散成一组组二进制码表示的数字量，经过机器码的运算求得数学模型的解答，输出一组组时间离散节点上的数值解答。

数字仿真的大致过程：①建立被仿真系统的数学模型。②将数学模型经数值计算方法改造成仿真模型。③编写仿真程序。④键入并运行仿真程序，获得仿真结果。

二、仿真实验在教学中的应用

仿真实验是开放式实验教学的重要资源组成。所谓“仿真实验”，是相对于实物实验而言的，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。在实物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。仿真实验虽然难以达到与实物实验完全一样的程度，但其良好的教学效果仍显而易见，其表现如下。

1.营造多样化教学环境，提高学习兴趣

对大多数学生来说，在预习实验的时候，会感到书上一些概念性的介绍很抽象。虽然有些仪器附有图片，但是仍然显得很单调。学生预习起来容易缺乏兴趣，对实验原理并不能真正理解。如果学生以前没有接触过该实验的仪器，实验中就有可能因使用方法不当而进行误操作，造成实验中断、仪器损坏。仿真实验可以提供形象直观、内容丰富的学习环境，图文并茂、动静结合、节奏有序的实验内容，并以声音、图像等丰富的表现力帮助学生进行多感官的学习，这样无疑会增加学生的兴趣，调动他们学习的积极性，促进学生对实验仪器的熟悉和对实验原理的理解。特别是一些对学生来说陌生而复杂的仪器，经过仿真实验的练习，操作起来既轻松又胸有成竹，从而提高教学效率。同时，降低了大大了损坏率。

2.打破时间和空间的局限，确保开放式实验教学的实施

将仿真实验与网络相结合，以网络为平台开展仿真实验教学。学生可以利用校园网或Internet对实验教学内容进行课前预习和课后复习，使教学内容在时间和空间上得到延伸，学生能够充分的学习和掌握实验教学内容。作为一个“开放的实验室”，学生可以根据自己的时间，在任何地点自主学习，利于学生根据兴趣选择，并能满足不同层次学生的学习需求。同时，给学生提供了自学实验的环境，培养了学生对实验的自学能力。

3.节省实验经费，提供无惧环境，保证实验的项目和数量

自然科学前沿领域的高新技术设备价格昂贵，目前伴随着高校办学规模的不断扩大，受教育资金的限制，高校仪器设备的数量和种类相对匮乏，传统单一的实验教学模式已远远不能满足实验教学的需求。多媒体仿真实验以较少的投入，更大灵活性的缓解了上述的矛盾。同时学生可以按自己的设想在多种实验环境中搭建自己的实验。另一方面，部分实验还具有一定的危险性，因此许多学校在开设实验项目时常有所保留，学生也不敢大胆尝试实验。这在很大程度上扼杀了学生创造能力的发展。仿真实验系统认错性很强，在模拟的过程中学生操作一旦出错，系统立即指出调节错误，如果前一步调整不好就不允许进行下一步，迫使学生反复演练直至成功，学生的创造性思维会得到良好的发展。从而保证了实验的项目和数量。

4.真正实现理论教学与实验教学的结合

仿真实验可以经过设置或再开发，作为理论教学的辅助工具。一些在学科发展中做出了历史性贡献的典型实验都可以利用仿真实验展现于课堂教学中，通过实验的方法引入新的概念和规律，把理论教学与实验教学有机的融为一体，按照科学探索和研究的过程进行教学，这样可以开阔学生的视野，提高学生实验的学习兴趣。仿真实验以仿真的仪器为主要器材，它所仿真的元器件、仪器仪表和系统功能与真实的硬件存在着必然的差异。仿真实验虽然新颖有趣，但与真实实验仍有距离感。并且，将仿真实验应用于教学，它的整个教学过程都是在计算机上操作完成的，在教学应用中不可避免地具有一定的局限性。

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