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摘要：在研究生的計算機仿真技術課程教學中，針對機械工程類研究生的專業方向、課程體系的設置以及工科研究生自身特點，為培養研究生的自主學習能力、創新能力以及增強其工程應用意識，通過在計算機仿真技術課程教學的經驗積累，逐步探索出以項目驅動為主要教學方法，通過實踐應用，取得良好的教學效果。
關鍵詞：項目教學法；計算機仿真；創新；實踐
中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）24-0144-02
一、前言
研究生教學有其突出的特點，他們中多數人理論基礎扎實，獲取書本知識能力強。但同時也存在創新意識和創新能力不足、工程應用背景不夠的缺點。本人通過十多年研究生教學的實踐，結合本學院研究生專業方向、課程內容針對性強等特點，對如何在研究生教學改革中突出培養學生的自學能力、創新能力，增強學生的創新意識與工程應用能力等問題進行了一些改革創新。
二、課程定位及課程特點
隨著現代工業的發展，科學研究的深入與計算機軟、硬件的發展，計算機仿真技術已成為分析、綜合各類系統，特別是大系統的一種有效研究方法和有力的研究工具，計算機仿真技術已經廣泛應用在各技術領域、各學科內容和各工程部門。仿真技術已經在國防軍事、國民經濟、社會生活的眾多領域發揮了重要的作用，國內外眾多學者認為，仿真技術“正在成為與理論、實驗并列的第三種認識和改造客觀世界以及科學研究的手段”，因此仿真技術
被認為是“使能”技術。計算機仿真技術是仿真科學與技術涉及到的有關具體仿真技術中最為基礎的部分，具有綜合性、多學科交叉等特點。
為了拓寬機械工程專業基礎，提高培養對象的整體素質，更好地適應社會對機械工程專業人才的需求，高校工科專業的研究生應掌握一定的計算機仿真知識與技能。計算機仿真技術課程是我校機械工程學院面向所有研究生各專業方向的研究生開設的一門專業基礎課程，考慮專業應用需求并結合教學實踐情況，課程目的是通過本課程的學習，要求學生掌握計算機仿真技術方面的基本理論，基本知識和基本技能，培養學生分析問題和解決問題的能力，為今后分析、綜合各類工程系統或非工程系統提供一種有力的工具，以便能靈活應用所學的計算機仿真技術為本專業工作服務。
一方面，基于仿真技術課程的內容方法較多，實踐性強的特點；另一方面，授課對象專業方向較多、授課學時有限等特點，如何解決在有限的教學課時內講授內容繁多的仿真內容、對計算機仿真技術課程進行教學方法和手段的改革探索和實踐，以達到計算機仿真技術教學目標。
三、教學內容的設置和教學方法的選擇
課程開設初期，由于只是機械電子工程專業方向的同學選修，所以所講內容基本針對該專業方向進行設置。隨著選修人數的不斷增加，以及選修學生所屬專業方向的擴大，專業方向包括：機械制造及其自動化、機械電子工程、機械設計及理論、車輛工程、機械工程（專業學位）等，基本涵蓋了機械工程學院的所有專業方向。
計算機仿真技術課程涉及多個交叉學科，緊密相關的課程包括數值計算方法、計算機編程、計算機圖形學、高等數學、自動控制原理、現代控制理論、優化設計等課程。如何講出本課程的特點，并充分結合相關課程內容，必須在教學內容的選排上下功夫。
項目教學法是一種以任務驅動、以項目為基本教學單元，將理論教學和實踐教學有機融合在一起，強調綜合能力的培養在研究生教育中的重要性，突出學生在整個教學過程中的主體地位。因此，為了滿足各個專業方向學生的要求，使他們能夠掌握一門工程分析技術，為后續的學術論文和碩士學位論文的撰寫提供計算、分析和仿真手段，本人在講授該門課程的過程中，逐年對教學內容、教學手段和教學考核方法等不斷進行調整和完善。
1.采取項目專題方式進行教學內容的講授，調整授課內容，采用專題教學方法使課程主題內容分明，有利于將仿真方法講深、講透。
2.擴展所授課程內容涵蓋的范圍，包括數值計算、優化設計、圖形可視化、控制系統特性仿真、控制系統設計以及與外部軟件的接口等內容，以滿足各專業方向學生的需求。
3.增加與課程相結合的實驗教學內容。計算機仿真技術本來是實踐性很強的綜合性技術，仿真技術本身是在對控制系統分析的過程中不斷完善和發展起來的。因此并結合各個專業研究生的不同研究方向，靈活設計若干個專題實驗，使學生學以致用，培養學生將該門課程應用于實際工程的能力。
4.采用多個工程應用實例進行教學，從系統應用、數學建模、仿真建模、模型求解以及特性分析等，使學生從生產實際認知的研究對象，提升到理論高度的學習，應用所學的各科理論知識和技術手段，進行數學建模、仿真建模的建立，并對模型求解以及特性進行分析，獲得直觀結果，提高學生學習興趣，最終解決實際工程問題，培養學生解決工程實例問題的能力。
5.結合學科前沿，進行課堂討論。研究生在初步掌握了對系統的模型、仿真算法設計、仿真及結果分析這一流程后，為強化計算機仿真在實際工程的應用概念，在此基礎上，以項目形式，開展課程學科前沿以及⒏妹趴緯逃胂執技術融合等專題討論。
6.增加實驗環節，培養研究生工程實際應用能力。利用各種平臺，擴充計算機仿真技術資料，提供最新的仿真案例，結合教學團隊的科研課題，設計實驗項目，培養研究生工程實際應用能力。
四、項目教學法的教學效果
基于項目教學法計算機仿真技術課程的教學方法改革與實踐，滿足機械工程學院各個專業方向研究生的需求，教學方法和手段的完善，使研究生自主學習能力、創新能力和工程應用能力等得到了進一步的提高。
計算機仿真技術作為工科研究生的必備研究手段和技術，使學生掌握一門工程分析技術，為后續的課題研究、學術論文和學位論文的撰寫提供計算、分析和仿真手段。
近五年的每年30―40人研究生選課，工程碩士每年20人左右選課，課程得到了各專業方向研究生的普遍認同。本人指導的研究生，發表與該課程相關的學術論文近20篇，撰寫的碩士論文均用到計算機仿真技術。
【關鍵詞】計算機仿真技術 物流實驗室 建設策略
物流專業最大的特點是實踐性強，加強相關設備的投入力度及構建相應的實驗室對學生實踐操作能力的提升具有重要意義。由于計算機仿真技術存在諸多的優勢如成本少、可控性高、可視化等，將其運用到物流實驗室中可以帶來意想不到的效果。
1 構建基于計算機仿真技術的物流實驗室的意義
1.1 教學方面
在物流教學過程中，除了要傳授學生相關的物流知識外，還必須培養其一定的實踐操作能力。通過將計算機仿真技術與物流實驗室有機結合，能緊跟物流技術的發展變化來及時更新所需的資源，能在并不廣闊的場所及資金少的情況下進行各種不同的實驗操作，完全達到了物流實踐教學的要求，并且學生能夠將課堂上所學的知識運用到實際生活中。
1.2 科研方面
對于具有豐富理論知識，想有進一步發展的學生來說，基本的理論教學與實踐操作很難達到他們的實際所需，特別渴望參與一些深層次的物流系統分析、高級實驗活動。為此，構建基于計算機仿真技術的物流實驗室是滿足學生要求的不二選擇，能夠為現代社會培養一批高級別的物流管理團隊。
1.3 社會服務方面
學校在完成培養綜合型人才隊伍的任務的同時，還肩負著服務社會的責任。由于目前缺乏實踐系統，基于計算機仿真技術的物流實驗室的建設，很大程度上幫助了教育者利用自身掌握的知識，通過實驗室豐富的軟硬件資源來承接相關的項目課題，促進企業物流系統的進一步升級，避免不必要的資金投入，綜合了物流與其他相關技術、信息技術，減少了社會資源的大量耗費。
2 基于計算機仿真技術的物流實驗室建設策略
2.1 明確具體的建設目標與指導思想
首先，基于計算機仿真技術的物流實驗室應配備具有開放性、綜合性特點的實驗體系，提高學生知識水平的同時，增強其實踐操作能力，制定詳細完善的教學計劃，注重學科發展，將學生創新意識及能力的養成作為教學目標。
其次，基于計算機仿真技術的物流實驗室建設必須將系統性、先進性、經濟性、實用性作為主要指導思想。實驗室應時刻了解先進物流技術、相關教學手段的最新情況，盡可能的集網絡技術、多媒體技術、自動識別技術、信息管理與決策技術等為一體；從學科與專業的角度出發，合理使用實驗室建設費用，優化配置各類硬軟件、場地資源，建立健全物流仿真實驗工程體系，為專業設計及畢業設計提供幫助，真正實現涵蓋教學、科研、實驗、人才培養等內容的教學科研基地。
2.2 總體規劃
2.2.1 硬件設備
基于計算機仿真技術的物流實驗室應配置一定數量的電腦，方便學生利用電腦來構建仿真模型。另外，還需購置下列設備：投影機、弧形三維屏幕（籠罩整個實驗室，以創設虛擬的物流仿真系統氛圍）、在實驗室中間放置一臺服務器電腦與音響，并和投影機與弧形三維屏幕連接，這樣即完成操作平臺的設置。同時還要有具備無線遙控功能的激光筆，為相關操控提供便利。
基于計算機仿真技術的物流實驗室及其硬件的規劃與分配途徑是：將實驗室劃分為教學區與科研區兩個不同功能的區域，各自處于不同的空間中。教學區主要為學生的實踐教學提供服務，內部共配備了投影機、屏幕、服務器、音響、供學生操作的電腦、遙控激光筆。科研區中主要配備辦公桌椅、電腦以及教研人員，是教育者日常開展科研活動的場地。
2.2.2 軟件設備
軟件設施在物流仿真實驗室中屬于必不可少的工具。由于物理軟件的類型眾多，因此必須結合仿真系統選擇相匹配的軟件。比如Flexsim仿真軟件，此軟件具有通用性特點，在多個行業系統中得到應用。該軟件在物流仿真實驗中的應用涉及了配送中心揀選仿真、倉庫系統出入庫仿真、生產物流仿真、機場仿真等領域。由于當前運用的Flexsim軟件只涉及一些基本功能，所以還需對其進行升級，添進相配套的優化軟件包。
2.2.3 建設流程
基于計算機仿真技術的物流實驗室建設應遵循循序漸進、分階段的原則。舉例說明，選擇相應的實驗場所及設備，建設滿足教學要求的仿真物流系統及仿真生產物流系統；然后再建設另兩個仿真配送中心系統及仿真供應鏈系統。
在構建仿真物流各系統過程中，應通過委托開發與自行研發相結合的手段。由于對大型仿真物流系統進行開發時會耗費諸多的時間、精力，并且要求有豐富的計算機編程知識，所以應開展招投標活動，委托專業機構開發，同時自己與相關團隊協作開展二次研發。
3 結論
C上所述可知，在培養物流人才過程中，實驗教學環節發揮著不可忽視的作用，為高質量人才的培養提供了堅實的保障。從專業特色角度出發，制定系統完善的培養計劃，構建實踐性高的物流實驗室，致力于將計算機仿真技術與物流實驗室緊密結合，這不僅有助于進一步升華實驗教學，推動物流健康持續發展，而且還極大地增強了學生的實踐應用能力。
參考文獻
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作者簡介
阮文（1967-），女，福建省仙游縣人。工程碩士學位，畢業于哈爾濱理工大學，現為湖南工業職業技術學院講師。研究方向為計算機應用。
英文名稱：Computer Simulation
主管單位：中國航天科技科工集團公司
主辦單位：中國航天科工集團公司第十七研究所
出版周期：月刊
出版地址：北京市
語
種：中文
開
本：大16開
國際刊號：1006-9348
國內刊號：11-3724/TP
郵發代號：82-773
發行范圍：
創刊時間：1984
期刊收錄：
中國科學引文數據庫(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
期刊榮譽：
Caj-cd規范獲獎期刊
聯系方式
論文摘要：針對電子信息類專業實驗教學中存在的問題，結合實際的教學條件，對實驗教學提出了改革，將仿真技術應用到實驗體系中，避免了實驗條件的空間和時間限制，充分發揮了學生能動性，提高了實驗教學質量。
實驗是電子信息類專業學生課程教學的一個重要環節，是對理論教學的補充和深化，其開設方式關系到學生對理論知識的掌握和應用，直接影響著學生的操作技能、主觀能動性和實際動手能力的提高，也決定著理論和實驗的教學水平。因此，在教學過程中一定要加強實驗這個實踐性教學環節，充分利用實驗資源來培養和提高學生解決問題的能力和創新能力，使學生能夠更加快速地適應于將來的工作。加強實驗教學環節，最大限度地利用學校的實驗教學資源，對提高教學水平，培養學生的實際應用能力和綜合素質具有重要的意義。
1 實驗教學的傳統模式和問題
在我國高校工科教育中，實驗教學硬件條件普遍不足，或者是硬件實驗條件的發展跟不上技術的要求，同時各高校大幅度擴大招生，實驗教學硬件條件更顯不足。加大對實踐教學條件的投入，加強培養實踐教學科技人才，強化實踐教學內容和條件的改革與建設，在當前來說具有特殊重要性[1]。我國教育主管部門也在積極得進行著推進實踐教學的改革與建設。例如：在全國高校本科教學水平評估中，實驗室建設基地和建設經費以及實驗教學改革就是一項重要的指標內容。越來越多的高校開始響應教育部的號召，實行了“雙基”實驗室，并在此基礎上進一步建設“實驗教學示范中心”。
目前，實驗教學的傳統模式的缺點主要表現有：
1）實驗設備陳舊，實驗模式單一；
2）驗證性實驗分量大，與設計性、綜合性和創新性實驗之間的比例失調；
3）先進的實驗教學手段在實驗教學中的引入還不夠；等。
2 實驗教學方法改革勢在必行
隨著計算機的普及和應用，在教學中也越來越多地借助計算機來輔助設計方法，同樣，在實驗中借助計算機仿真技術具有很大優點：減少實驗中所需的耗材、降低對實驗器材的破壞性、完成更復雜更高難度的設計性實驗、更加全面地分析實驗對象以及結果的性能指標等，具有高效、快速、直觀、完整的優勢。開展仿真實驗作為一種新型的實驗教學方法是在現有實驗室設備的基礎上采用計算機新型軟件對實驗進行模擬，大大提高了學生對本專業知識的應用能力和科研創新能力。因此，在當今的實驗教學中，仿真實驗的引入勢在必行。
對當今高校來說，學生人數不斷增加，實驗室設備和資金滿足不了大學中學生的試驗要求，為了不斷提高實驗教學的質量，又進一步解決實驗設備少、不好維護、建設費用高等問題。將仿真技術引入實驗教學中來，學生一方面可以利用計算機實現實驗方案的設計，又可以直觀地驗證仿真過程和結果，不受實驗室條件和空間的限制，可將實驗設計帶入到課余生活中來進行，大大提高了學生對實驗的操作興趣。利用仿真實驗由于方法的靈活性可以充分發揮學生的想像力和創造力，比起傳統的實驗教學更利于培養科技創新人才，且有利于降低實驗成本，能夠使得實驗室的建設和發展進入一個良性循環中。
3 實驗教學改革方案
3.1 實驗中引入相應的仿真技術來進行虛擬實驗
在實驗教學中引入計算機仿真技術，一方面，充分發揮學生的主觀能動性，激發學生學習興趣，另一方面，老師可以利用計算機技術來觀察學生的實驗過程，采集學生的實驗結果，更好地跟蹤和指導學生，先進的教學理念和教學手段有助于提高實驗教學效果，提高教師的教學水平。而計算機的引入可把實驗設備、理論教學、教師指導和學生的思考、操作有機地融合為一體，克服了傳統實驗教學過程中受到課堂、課時、實驗設備等的限制，使實驗教學內容進一步靈活化，在時間和空間上得到延伸，也進一步激發了學生的實驗熱情。
在實驗中引入相應的仿真技術來進行虛擬實驗，可以使得學生在進行實驗的過程中培養獨立思考能力，激發學生的學習興趣，提高學生的創新意識，同時為學生提供了更加開放靈活的實驗條件。對實驗內容和實驗教材來說，采用仿真技術把將虛擬實驗和真實的電路實驗有機地整合起來，充實了實驗內容，增強了實驗的能動性和趣味性，有利于實現培養學生綜合實踐和探索創新能力[2]。目前，越來越多的高校重新對實驗室建設進行了規劃，利用計算機仿真技術改革實驗教學是一個新的發展方向。在高校實驗室中引入計算機以及相應的軟件技術不僅可改善實驗條件、改革實驗教學方法、充實實驗教學內容，還可大大提高實驗效率，降低實驗成本，增強學生學習的積極性和創新性，為實驗教學和科研提供良好的實驗平臺[3]。
以單片機實驗教學為例，在實驗過程中我們引入proteus仿真軟件，用它來模擬單片機硬件系統。由于軟件的靈活性，可以克服實驗箱硬件電路固定、實驗內容難于改動等局限。整個實驗設計都是基于計算機仿真技術的，除了計算機外不再需要任何硬件即可進行實驗，這樣有利于促成課程和教學改革，更有利于人才的培養。仿真技術的另一應用表現在學生的業余愛好上，比如目前的電子設計大賽，挑戰杯等，學生完全可以利用計算機來進行仿真，先用計算機仿真出相應的實驗模型，在計算機上進行模擬調試，最后用硬件實現。在整個過程中，學生可充分發揮自己的才能，通過大量仿真對比，達到設計目的，學生也可以大膽地反復調試，避免了損壞器件。在電子設計競賽中，我們使用proteus開發環境對學生進行培訓，在不需要硬件投入的條件下，學生普遍反映，對單片機的學習比單純學習書本知識更容易接受，更容易提高。實踐證明，在使用proteus進行系統仿真開發成功之后再進行實際制作，能極大提高單片機系統設計效率。
另外，開展仿真教學對于我國的遠程教學也是一種很好的嘗試，有著重要的意義。
3.2 重新安排各類性質的實驗，適量增加綜合性、設計性實驗
驗證性實驗是實驗中最基本的，可以使學生鞏固理論知識，它的實驗內容相對簡單，重點培養學生的基本操作、數據處理和計算技能，驗證和加深對課本知識的掌握和理解。綜合性實驗則要求學生必須具有一定的專業基礎知識和基本操作技能，能夠運用某一課程或多門課程的綜合知識，進而對實驗技能和實驗方法進行綜合訓練的一種復合性實驗。目前工科高校中越來越多地提出課程設計也是為了加強學生對綜合知識的運用。為充分調動學生的學習積極性和主觀能動性，設計性實驗也必不可少。設計性實驗能加深學生對理論知識的認識，由學生自己負責計劃和執行，充分提高了學生的思維能力、動手能力、分析和解決工程實際問題的能力[3]，發揮了學生的主觀能動性，設計性實驗的完成可以充分借助于計算機仿真技術來完成。
驗證性、綜合性、設計性實驗相結合，培養了學生基本的實驗技能和方法，同時又促進了學生的創新思維，打破了原有實驗教學附屬于理論教學的模式，建立與理論教學并行的，既相對獨立、又相互聯系的實驗教學體系。在某些應用性強的實驗教學中，綜合性和設計性實驗的比例至少要達到60%以上，同時設計性實驗最好要跟得上科學技術的發展。一方面保證基本實驗技能訓練，另一方面，實驗內容應與當今先進技術的發展相結合，適應社會發展的需要，將科研成果轉化為實驗內容，提高實驗的先進性和代表性。那么，工科院校中一方面加大實驗器材的投入，提高實驗教學條件，開設先進的實驗內容，提高學生的積極性，使學生適應當今社會的發展；另一方面，要充分利用現有的條件，引進先進的仿真技術，使得實驗條件進一步升華，充分發揮教師和學生的主觀能動性和創新能力。
3.3 硬件軟件都要抓，都要硬
計算機仿真實驗雖然可以準確地反映整個實驗過程， 是一種新型的應用技術，十分有效，但是仿真技術不是萬能的，它畢竟不是真正的實驗，在許多場合仿真只能起輔助作用。也就是說不能用仿真實驗來全部代替硬件電路實驗，而是將仿真試驗和傳統的硬件實驗相互結合，根據學校的實際情況和實驗的情況靈活運用，虛擬實驗不是萬能的，如果所有的實驗都用虛擬實驗替代的話，學生在虛擬環境中實驗會產生或多或少的不踏實的虛擬感，實踐能力也不可能得到真正的提高。
3.4 加強對實驗課教師的培訓，通過培訓交流更多地了解新的實驗技術
在實驗教學改革的同時，必然對教師提出更高的要求：一是教師也應加強專業知識和技能的學習，來提高自己的業務能力和綜合素質，另外，不斷更新專業知識的結構，了解前沿技術的發展也是必需的；二是高校中要大力創造條件促進教師經常參加基礎理論知識的培訓和實驗的培訓以及學術研討會，從而擴大視野，更新教學觀念，及時了解嵌入式系統發展趨勢和動態，促進電子類實驗技術的發展；三是要大力組織專業教師去積極申報相關的創新實驗和科研項目，提倡以科研資金來促進實驗室的建設，用科研成果去改進實驗內容，同時可以提高教師的科研能力，在科研中更好地去鍛煉自己，為實驗教學服務。
4 結論
隨著社會對人才要求的提高，大力推進實驗教學改革迫在眉睫，而大學實驗教學的改革又直接影響到學生的動手和創新能力。實驗教學必須能夠跟得上時代的腳步，將仿真技術應用到實驗教學中可以充分調動學生的主觀能動性，激發學生的創新能力，加快學生適應社會的能力，同時學習了先進的新技術。
參考文獻：
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論文摘 要:實驗室擔負著向學生傳播知識與技術、培養學生動手的能力和創新能力的重要使命。隨著社會經濟的發展及教學改革地不斷深入, 實驗教學在整個教學體系中的地位越來越突出,實驗教學模式的改革已經迫在眉睫。本文主要分析了實驗教學的傳統模式與存在的問題,并提出了提高電子信息類專業實驗教學質量的方法[1]。
0 引 言
實驗教學是學校教學活動的重要組成,教學質量的好壞是對學校人才培養層次與質量的直接體現。實驗作為實驗教學活動的主要內容, 在改善教學質量方面發揮著不可替代的作用。實驗室在傳播知識的同時,更重要的作用體現在對學生的創造性思維與想象力的培養上。通過實驗教學,學生分析解決問題以及動手能力明顯提高。伴隨教學改革的日益深入, 實驗教學的改革也越來越引起人們的關注,以往的教師灌輸式的理論教授方式,學生被動接受的教學模式,已無法滿足社會經濟發展的要求。當前,社會需要的是主動型、能力為主的人才培養。加強學生創新能力的培養,必須切實轉變以往重理論教學輕實驗教學的錯誤觀念,重新認識實驗教學在學校教學活動中的地位與作用,根據當前社會經濟對人才的要求, 改革傳統的實驗教學模式,改革實驗教學手段,優化更新實驗教學的內容,切實提高實驗教學質量。
1 實驗教學的傳統模式與存在的問題
國內高校工科教育當中,實驗教學存在著硬件條件不足、硬件實驗條件的發展與技術要求不相符[2],加上近幾年高校擴招,實驗教學的硬件條件更是供不應求。進一步加大對教學硬件條件的投入,豐富實踐教學的內容、加強實驗條件的改革及建設,在目看來具有特殊的重要性。面對這種情況,我國的教育主管部門采取了一些推進實踐教學改革及建設的措施。如:在全國高校本科的教學水平評估中,實驗室基地建設與建設投資及其實驗教學改革被列為一項重要的指標。并且,各高校也逐漸開始響應教育部的的這一舉動,紛紛實行了“雙基”型實驗室[2],與此同時,建設了“實驗教學示范中心”。當前,傳統實驗教學模式的缺點主要有以下幾點:驗證性的實驗所占比例較大,與綜合性、設計性、創新性實驗之間的比例失調;實驗模式單一、實驗室設備陳舊;實驗教學中缺乏先進的實驗教學手段。
2 提高電子信息類專業實驗教學質量的方法
2.1 實驗中引入相應的仿真技術來進行虛擬實驗
在實驗教學中引入計算機仿真技術,能夠充分調動學生主動學習的積極性,培養學生的學習興趣。同時,教師能夠通過計算機技術對學生的實驗操作的全過程進行觀察,對學生進行良好的跟蹤與指導,更好地進行學生實驗結果的采集工作,先進科學的教學理念與教學手段對于提升實驗教學效果,提高實驗教學水平具有重要作用。引入計算機技術后,理論與實驗教學,教師教學指導與學生操作、思考融合成一個有機整體。以往傳統實驗教學中課堂、課時以及實驗設備因素的限制作用得到了解決,實驗教學更加靈活化,教學內容在時空上得到進一步的延伸,更好地激發了學生進行實驗的熱情。
將計算機仿真技術引入到實驗教學中,通過相應技術進行的虛擬實驗,為學生提供了更為靈活開放的實驗環境,能夠更好地培養學生在實驗過程中獨立思考能力,增強學生的的學習創新意識。對于實驗教學內容,仿真技術的應用,將虛擬性實驗與真實的電路實驗整合成有機整體,實驗的能動性與趣味性明顯提高,同時實驗內容的充實,有利于學生綜合實踐以及探索創新能力的培養。當前,已經有越來越多的高校重新進行了實驗室的規劃建設,通過計算機仿真技術進行虛擬實驗是實驗教學改革發展的新方向。將與實驗教學相關的計算機軟件技術引入到高校實驗室中,為實驗科研提供了良好的平臺,對于激發學生學習的主動性與積極性,培養創新能力具有重要作用。計算機仿真技術的應用,一方面能夠改善實驗教學條件、充實實驗教學的內容,另一方面,還能夠明顯降低實驗成本,提高實驗教學的效率。通過單片機的實驗教學,能夠發現,教學過程中引入proteus仿真軟,通過該軟件對單片機的硬件系統進行模擬,克服了實際實驗過程中硬件電路固定以及實驗內容不易改動等因素的限制。實驗設計全過程,除計算機外不用再進行任何硬件的添加即可實驗,這有力地推動了實驗課程教學改革,更有利于學生創新能力的培養。仿真技術的另一重要應用主要表現在學生的業余愛好上,如挑戰杯、電子設計大賽等等,學生就能夠用計算機來實現仿真,首先用計算機仿真出實驗的模型,再在計算機上進行相應的模擬調試,最終用硬件來實現。在整個仿真的過程中,學生可以自由發揮自己的潛能,通過大量的仿真對比,來達到設計目的,也可大膽反復地調試,避免了器件的損壞。電子設計競賽中,由于proteus開發環的運用,培訓過程中不需投入任何硬件的條件下,學生卻普遍反映,對于單片機的學習比單純理論知識的學習更易接受也更易得到提高。事實證明,運用proteus進行系統仿真成功后進行的實際制作,可明顯的提高單片機系統的設計效率。此外,遠程教學中仿真教學的運用具體重要的意義,對于教學改革是一種很好的嘗試[2]。
2.2 實驗中引入Matlab軟件內建的Simulink組件技術
目前,我國開設了電子信息類專業的高校中,大部分都將Matlab軟件作為重要的實驗教學平臺,對定理以及算法進行仿真和驗證實驗。Simulink組件作為Matlab的重要組成,能夠為用戶提供一個仿真分析與動態建模的集成系統環境。該環境下,只需利用鼠標進行簡單直觀的操作,就能夠完成復雜系統模型的構建,在此過程中避免了大量繁雜的書寫程序。由于 Simulink組件具有適應性強、效率高,結構仿真精細、流程清晰且貼近實際、效率高、使用靈活等諸多優點,Simulink組件技術已經被廣泛地運用于處理數字信號與控制理論等復雜的仿真設計之中。同時Simulink能夠通過連續、離散采樣時間以及兩種采樣時間混合的的方式進行建模,該組件還可支持多速率系統,不同的系統組成部分的采樣速率不同。此外,Simulink為動態系統模型的創建,提供的圖形用戶接口(GUI) ,使在進行模型方塊圖的創建時只需通過鼠標單擊與拖動鼠等簡單操作即可完成,為用戶提供了一種更便捷、更直接的創建方式,同時能夠立即獲得系統仿真結果。
該組件的這一特性,一方面可以使算法的驗證更為簡單,減少學生投入在驗證性實驗中所用的時間,而將大部分精力投入到設計性、綜合性試驗中;另一方面,可以使學生更快捷的驗證新思路、新算法,而不會由于代碼調試方面的問題影響了創新實驗的開展。以自適應濾波中的經典RLS 算法為例,如果直接采用Matlab編程方式,在進行代碼調試時,就會消耗掉大量的精力,代碼長度將達到200 行以上。而如果采用Simulink組件模塊化設計的思想,只需要鼠標對模型的拖拽,就能以流程圖的形式將濾波器搭建起來。由于Simulink提供了豐富的元件庫,采用圖形化的表示方法,學生在進行算法驗證的時候只需調用成熟的模塊進行參數設計即可。這樣的實驗方法事半功倍,思路清晰,參數的調整也十分便捷,廣受學生歡迎。由此可見,引入Simulink組件后的實驗,既不會影響實驗效果,又能夠提高實驗效率,對學生模塊化編程的思想也有較好的促進作用。
3 結 語
當前,社會對人才綜合素質的要求不斷提高,進行實驗教學改革已經迫在眉睫,而大學實驗教學的改革又直接影響到學生的動手和創新能力。實驗教學必須能夠跟得上時代的腳步,把計算機仿真技術與Simulink組件技術應用到實驗教學中可以充分調動學生主動學習的積極性,充分發掘學生的創造能力,在學習到先進技術的同時,提高學生對社會的適應能力。
參考文獻
論文摘 要：實驗室擔負著向學生傳播知識與技術、培養學生動手的能力和創新能力的重要使命。隨著社會經濟的發展及教學改革地不斷深入, 實驗教學在整個教學體系中的地位越來越突出，實驗教學模式的改革已經迫在眉睫。本文主要分析了實驗教學的傳統模式與存在的問題，并提出了提高電子信息類專業實驗教學質量的方法[1]。
0 引 言
實驗教學是學校教學活動的重要組成，教學質量的好壞是對學校人才培養層次與質量的直接體現。實驗作為實驗教學活動的主要內容, 在改善教學質量方面發揮著不可替代的作用。實驗室在傳播知識的同時，更重要的作用體現在對學生的創造性思維與想象力的培養上。通過實驗教學，學生分析解決問題以及動手能力明顯提高。伴隨教學改革的日益深入, 實驗教學的改革也越來越引起人們的關注，以往的教師灌輸式的理論教授方式，學生被動接受的教學模式，已無法滿足社會經濟發展的要求。當前，社會需要的是主動型、能力為主的人才培養。加強學生創新能力的培養，必須切實轉變以往重理論教學輕實驗教學的錯誤觀念，重新認識實驗教學在學校教學活動中的地位與作用，根據當前社會經濟對人才的要求， 改革傳統的實驗教學模式，改革實驗教學手段，優化更新實驗教學的內容，切實提高實驗教學質量。
1 實驗教學的傳統模式與存在的問題
國內高校工科教育當中，實驗教學存在著硬件條件不足、硬件實驗條件的發展與技術要求不相符[2]，加上近幾年高校擴招，實驗教學的硬件條件更是供不應求。進一步加大對教學硬件條件的投入，豐富實踐教學的內容、加強實驗條件的改革及建設，在目看來具有特殊的重要性。面對這種情況，我國的教育主管部門采取了一些推進實踐教學改革及建設的措施。如：在全國高校本科的教學水平評估中，實驗室基地建設與建設投資及其實驗教學改革被列為一項重要的指標。并且，各高校也逐漸開始響應教育部的的這一舉動，紛紛實行了“雙基”型實驗室[2]，與此同時，建設了“實驗教學示范中心”。當前，傳統實驗教學模式的缺點主要有以下幾點：驗證性的實驗所占比例較大，與綜合性、設計性、創新性實驗之間的比例失調；實驗模式單一、實驗室設備陳舊；實驗教學中缺乏先進的實驗教學手段。
2 提高電子信息類專業實驗教學質量的方法
2.1 實驗中引入相應的仿真技術來進行虛擬實驗
在實驗教學中引入計算機仿真技術，能夠充分調動學生主動學習的積極性，培養學生的學習興趣。同時，教師能夠通過計算機技術對學生的實驗操作的全過程進行觀察，對學生進行良好的跟蹤與指導，更好地進行學生實驗結果的采集工作，先進科學的教學理念與教學手段對于提升實驗教學效果，提高實驗教學水平具有重要作用。引入計算機技術后，理論與實驗教學，教師教學指導與學生操作、思考融合成一個有機整體。以往傳統實驗教學中課堂、課時以及實驗設備因素的限制作用得到了解決，實驗教學更加靈活化，教學內容在時空上得到進一步的延伸，更好地激發了學生進行實驗的熱情。
將計算機仿真技術引入到實驗教學中，通過相應技術進行的虛擬實驗，為學生提供了更為靈活開放的實驗環境，能夠更好地培養學生在實驗過程中獨立思考能力，增強學生的的學習創新意識。對于實驗教學內容，仿真技術的應用，將虛擬性實驗與真實的電路實驗整合成有機整體，實驗的能動性與趣味性明顯提高，同時實驗內容的充實，有利于學生綜合實踐以及探索創新能力的培養。當前，已經有越來越多的高校重新進行了實驗室的規劃建設，通過計算機仿真技術進行虛擬實驗是實驗教學改革發展的新方向。將與實驗教學相關的計算機軟件技術引入到高校實驗室中，為實驗科研提供了良好的平臺，對于激發學生學習的主動性與積極性，培養創新能力具有重要作用。計算機仿真技術的應用，一方面能夠改善實驗教學條件、充實實驗教學的內容，另一方面，還能夠明顯降低實驗成本，提高實驗教學的效率。通過單片機的實驗教學，能夠發現，教學過程中引入proteus仿真軟，通過該軟件對單片機的硬件系統進行模擬，克服了實際實驗過程中硬件電路固定以及實驗內容不易改動等因素的限制。實驗設計全過程，除計算機外不用再進行任何硬件的添加即可實驗，這有力地推動了實驗課程教學改革，更有利于學生創新能力的培養。仿真技術的另一重要應用主要表現在學生的業余愛好上，如挑戰杯、電子設計大賽等等，學生就能夠用計算機來實現仿真，首先用計算機仿真出實驗的模型，再在計算機上進行相應的模擬調試，最終用硬件來實現。在整個仿真的過程中，學生可以自由發揮自己的潛能，通過大量的仿真對比，來達到設計目的，也可大膽反復地調試，避免了器件的損壞。電子設計競賽中，由于proteus開發環的運用，培訓過程中不需投入任何硬件的條件下，學生卻普遍反映，對于單片機的學習比單純理論知識的學習更易接受也更易得到提高。事實證明，運用proteus進行系統仿真成功后進行的實際制作，可明顯的提高單片機系統的設計效率。此外，遠程教學中仿真教學的運用具體重要的意義，對于教學改革是一種很好的嘗試[2]。
2.2 實驗中引入matlab軟件內建的simulink組件技術
目前，我國開設了電子信息類專業的高校中，大部分都將matlab軟件作為重要的實驗教學平臺，對定理以及算法進行仿真和驗證實驗。simulink組件作為matlab的重要組成，能夠為用戶提供一個仿真分析與動態建模的集成系統環境。該環境下，只需利用鼠標進行簡單直觀的操作，就能夠完成復雜系統模型的構建，在此過程中避免了大量繁雜的書寫程序。由于 simulink組件具有適應性強、效率高，結構仿真精細、流程清晰且貼近實際、效率高、使用靈活等諸多優點，simulink組件技術已經被廣泛地運用于處理數字信號與控制理論等復雜的仿真設計之中。同時simulink能夠通過連續、離散采樣時間以及兩種采樣時間混合的的方式進行建模，該組件還可支持多速率系統，不同的系統組成部分的采樣速率不同。此外，simulink為動態系統模型的創建，提供的圖形用戶接口(gui) ，使在進行模型方塊圖的創建時只需通過鼠標單擊與拖動鼠等簡單操作即可完成，為用戶提供了一種更便捷、更直接的創建方式，同時能夠立即獲得系統仿真結果。
該組件的這一特性，一方面可以使算法的驗證更為簡單，減少學生投入在驗證性實驗中所用的時間，而將大部分精力投入到設計性、綜合性試驗中；另一方面，可以使學生更快捷的驗證新思路、新算法，而不會由于代碼調試方面的問題影響了創新實驗的開展。以自適應濾波中的經典rls 算法為例，如果直接采用matlab編程方式，在進行代碼調試時，就會消耗掉大量的精力，代碼長度將達到200 行以上。而如果采用simulink組件模塊化設計的思想，只需要鼠標對模型的拖拽，就能以流程圖的形式將濾波器搭建起來。由于simulink提供了豐富的元件庫，采用圖形化的表示方法，學生在進行算法驗證的時候只需調用成熟的模塊進行參數設計即可。這樣的實驗方法事半功倍，思路清晰，參數的調整也十分便捷，廣受學生歡迎。由此可見，引入simulink組件后的實驗，既不會影響實驗效果，又能夠提高實驗效率，對學生模塊化編程的思想也有較好的促進作用。
3 結 語
當前，社會對人才綜合素質的要求不斷提高，進行實驗教學改革已經迫在眉睫，而大學實驗教學的改革又直接影響到學生的動手和創新能力。實驗教學必須能夠跟得上時代的腳步，把計算機仿真技術與simulink組件技術應用到實驗教學中可以充分調動學生主動學習的積極性，充分發掘學生的創造能力，在學習到先進技術的同時，提高學生對社會的適應能力。
參考文獻
本文介紹了應急疏散仿真技術提出的背景及其特點，闡述了所涉及到的疏散人員行為的研究、應急疏散的計算機仿真研究等，并對其發展趨勢以及未來的研究方向進行了展望。
關鍵詞：應急疏散；行為模式；計算機仿真
中圖分類號：C35文獻標識碼： A
一、前言
火災后室內人員的安全疏散是建筑防火設計的重要組成部分。在目前的技術條件下安全管理部門只能通過應急疏散演習來提高應急疏散能力，并對應急疏散設施進行安全評估。但應急疏散演習風險大、花費高，本身具有一定的破壞性和安全隱患，同時當前對應急疏散設施的安全評估缺乏有效的技術標準。同時，人的行為受外界和心理諸多因素的影響，不可能把人置于真正事故現象的混亂之中。在這樣的背景下，有必要借助計算機仿真技術來模擬群體行為與應急疏散場景，借助計算機實現應急疏散模擬演練，并利用模擬結果對應急疏散指揮方案與應急疏散設施進行性能評估。在事前就找到建筑布局中疏散的瓶頸，疏散預案中的不足，從而對相應的地方加以改進。最終達到減少事故發生及事故損害的效果。
二、人的行為的探討
人員作為疏散的主體，對于疏散具有決定性的影響，因此在進行人員疏散仿真研究時必須先要對疏散中的主體疏散人員進行研究。一般來講，被疏散者在疏散過程中采取的行為與其所處的環境有復雜的關系。在疏散過程中，每個被疏散者都處于三種類型的相互作用之中，所有這些相互作用都涉及到復雜的決策。這些相互作用可以被分類如下：
人與人之間的相互作用：與其他被疏散者的作用。
人與建筑物的相互作用：與建筑物室內結構的作用。
人與環境的相互作用：與受火災影響的大氣和可能出現的碎片的作用。
這些相互作用影響被疏散者的行動，并且由此引發決策過程。根據這些相互作用發生的方式，這一過程可以變得越來越復雜。這些方式可以發生在三個不同的層次上：
心理學層次上：給定疏散者的特征和經歷，基于可用的信息來做決定。在火災威脅下的這一類型的相互作用可能會引起被疏散者遠離火焰或者是響應疏散的號召。
社會學層次上：建立在一個被疏散者與其他被疏散者之間的相互作用之上的反應。在火災中，這種類型的相互作用可能會引起被疏散者鼓動救援或者向其他被疏散者發出警告。
生理學層次上的：對所處環境做出的生理反應會以某種方式影響居住者的能力。在火災中，這種相互作用可能會引起致幻煙霧的陶醉或者呼吸和感覺器官對刺激性氣體的不適應。
根據上述觀點，從組織行為學，把緊急疏散中人的行為模式分為個體行為模式、群體行為模式和決策者行為模式。
1 個體的行為模式
疏散過程中單個人員的行為主要體現在單個人員的移動行為上，包括移動方向上的前，后，左，右的移動表現。這種行為是疏散人員能夠進行的最簡單，最直接，最基本的行為。在疏散過程中采取什么樣的基本行為可以是隨機的，也可以按照一定的規則選取。另外，通過心理學的研究總結發現，個體人員行為一般有下面行為：
（1）隨機行走。當然人員在一個疏散空間里面，而疏散空間沒有出口的話，那么里面的人員將隨機采取這種層次的行為。
（2）人員避碰。考慮到人員的避碰行為就可以在疏散過程中使得人員和人員不會相互碰撞，人員也不會跑入障礙物當中去。
（3）目標。當一個疏散人員確定了自己的目標點以后，他就會調整運動方向和速度朝著目標點行動，即使在疏散過程中運動方向有些小的調整，但還是會再一次調整朝著出口方向前進。
2群體的行為模式
群體行為在緊急疏散中的行為是一個極其復雜的現象，人在緊急疏散中的各種心理和行為可以考慮以下幾種因素：
（a）群集性。人群是因為有共同關心的問題而聚集在一起，該團體是偶然的、臨時產生的，是一個沒有任務分擔的團體，易于受周圍人的感情所影響。
（b）交互性。由于某種原困，人們匯集到一起，這些匯集起來的人群的心理又起到相乘的作用。
（c）跟隨性。不是自己來判斷逃生的方向，而是跟在前面的人或是大多數人的后面，胡亂跟隨。
（d）沖突性。疏散過程中成員之間容易發生沖突。
3決策者行為模式
決策者根據現場的情況，將會對疏散采取指導性措施。現場情況主要有：是否有沖突；沖突的大小；各出口的人流量等。采取的措施通常有：派出引導員，加強現場的疏導；通過大屏幕，向觀眾發出疏散信息；派出安全員，現場處理沖突等等。
綜上所述，疏散人群的行為是一個極其復雜的物理過程。在整個運動的過程中，其動態要受許多因素的直接或間接的影響。而群體中個體間的相互作用，甚至人的心理狀態也都是影響運動過程的重要因素。為了從大量的觀測數據中得到其背后的規律，指導實踐，需要以計算機仿真技術作為主要的研究手段。通過計算機仿真，可以將在現實中難于實行的實驗放到計算機生成的虛擬空間中去進行，而不受試驗場景、規模和經費的限制，也不存在事故發生的可能。另外，由于計算機仿真技術的發展，在建立仿真模型時并不需要對人群的行為建立方程，所需要的只是一些觀測所得的行為特征和數據。這樣，就繞開了對疏散人群行為數學建模的這一難題。由此可見，對火災應急疏散的研究，采用計算機仿真(或稱為疏散仿真)，是其最重要的研究手段。
三、應急疏散仿真的研究現狀
應急疏散仿真作為對人群疏散研究的一個重要的組成部分，其發展與疏散研究的發展密不可分。只有將其納入疏散研究這一學科中闡述，才能理解其發展的歷程和最新的進展。
人群疏散的仿真研究始于20多年前，這個領域的研究內容主要有三大部分：第一，對行人、人群以及疏散的觀察和試驗。主要目的是得到具體的數據以給建筑設計、疏散方案的指定提供參考；第二，對人群行為的數學模型的建立。這方面的研究主要是將人群假想為流體，用流體力學和熱力學的公式建立人群運動的模型；第三，對人群行為和疏散過程的計算機仿真，這方面的研究由于計算機的普及，在最近逐漸成為這個領域的研究重點。
目前的應急疏散仿真模型可分成兩類，一類是以元胞自動機模型(Cellular Automata Model)為代表的離散仿真模型，另一類是以社會力量模型(Social Force Model)為代表的連續仿真模型。
元胞自動機是由大量簡單一致的個體通過局部聯系組成的離散、分散及空間可擴展系統。其基本思想是將建筑物平面進行均勻網格劃分，每個網格有三種狀態：被墻壁或障礙物占據、被人員占據或為空。模型中的人員占據一個網格(元胞)，同時模型中人員的運動將遵循一定的局部規則并具有一定的智能性。
社會力量模型是一種多粒子自驅動的連續模型，人員被表示成具有一定質量和大小的自驅動的粒子。所謂的社會力是指人員之間或人員與環境之間的社會心理交互或物理接觸。每個人員都試圖以一定的期望速度運動，而人員的實際運動速度最終由一個牛頓力學方程組所決定。類似于社會力量模型的心理學模型還被應用于計算機群體動畫的應用中。
離散仿真模型省去了建立群體行為微分方程組這一過程，在仿真速度上得到提高。但是離散仿真模型在對群體行為的模擬真實程度上，不如以社會力量模型為代表的連續仿真模型。連續仿真模型的缺點是計算成本較大。但是筆者認為，計算成本的降低和速度的提高并不是應急疏散仿真研究的重點，仿真結果是否真實反映了客觀現實是這一研究的關鍵，因為這是涉及到公共安全的一項研究。
總體上講，現有研究主要側重于群體行為的物理模型，一種研究趨勢是將心理變量引入到群體行為物理模型中，但缺乏對群體行為控制模型的研究。考慮到應急疏散演習風險高、花費大，有必要開發應急疏散演練平臺，這就需要研究群體交互控制技術，如用戶化身技術在應急疏散仿真中的應用。同時，需要將這些技術成果真正用于公共設施應急疏散性能評估和應急疏散指揮中。
四、應急疏散仿真的發展趨勢
從國際范圍內人員疏散計算機模擬技術的研究現狀來看，主要存在以下問題：
A.因為人的行為具有很大的隨機性，在同樣條件下的重復演習很難得到一致的結果，所以至今還缺乏全面可靠的疏散演習數據以驗證模型(沒有一套所謂的標準數據)；
B.在人員疏散模擬中考慮和利用災害動態模擬的詳細結果(災害發展和人員疏散實際上是同時進行的兩個交互過程，而目前絕大多數疏散模型在模擬過程中沒有考慮火災發展和煙氣蔓延的動態影響)；
C.綜合離散型模型和連續型模型的優點，加強復雜行為的模擬功能(如疏散過程中的自動休息)。
從目前國外人員疏散計算機模擬技術的研究發展趨勢來看，復雜行為的模擬是當前人員疏散計算機模擬研究的一個熱點，另外如何在人員疏散模擬中充分考慮火災發生發展和煙氣蔓延的動態影響也是研究人員十分關注的問題。
就國內目前的情況而言，在中國人群心理行為特點等基礎數據的匾乏，嚴重制約了人員疏散計算機模擬技術的應用和發展。所以國內目前應主要側重于(1)疏散模型的研究改進及專業軟件開發和完善 (2)中國典型人群行為特點的匯總分析，而且后者要比前者任務更艱巨。
盡管迄今為止，所有人員疏散模型和軟件都有這樣或那樣的缺陷，但人員疏散計算機模擬技術的意義和應用前景正以越來越快的速度顯現出來，只要我們能夠充分認識和理解各種模型的特點，根據不同的場合和要求選擇合適的模型，我們就一定能夠最大限度地發揮人員疏散模擬技術應有的作用，并在不斷應用的過程中檢驗和改進各種模型，促進人員疏散模擬技術的發展。
參考文獻
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【關鍵詞】 仿真技術 高技術 產業化 知識經濟
引言
盡管仿真技術已經很快發展,但在若干問題上仍然存在不同的見解。
比如,有人說仿真技術是要花費很多錢,所以它的成果只是榮譽性的。這種看法與當今把每臺核電站仿真機以1000多萬美金,飛機仿真機以1500~2000萬美金的價格從美國、加拿大引進到中國的現實相矛盾,也具體說明了仿真技術的成果仍然形成了一個高價位的高科技產品和產業。
又如,有人說在市場經濟的環境里,仿真技術的產值搞不大,相關的市場在萎縮;也有人認為仿真技術是21世紀戰略性技術,仿真技術肯定會大發展。
當前,一場以高技術為中心的新的科技革命正在蓬勃發展,對整個社會經濟發展將產生重大影響。世界的經濟向知識(智力)經濟過渡,信息技術迅猛發展與知識經濟來臨之際,對仿真技術將有什么作用,仿真技術將會有什么地位,如何迎接機遇,都應盡快考慮,這是業界的大事。
鑒于上述,作者經過幾年的反復觀察、研究、分析和思考寫下本文。
1. 從仿真技術定義變化中考查
自從仿真概念出現以來,仿真的定義隨著技術和應用的發展不斷深化。
比如,牛津英文字典中初期的仿真定義是:"To imitate conditions of situation with a model for convenience or training"。后來變為:"The technique of imitating the
behavior of some situation or system (economic, mechanical, etc.) by means of an analogous model,
situation, or apparatus, either to gain information more conveniently or to train personnel"。
1993年7月,國內在《火炬計劃基本概念及相關名詞術語解釋》中,對仿真技術作了很詳細的定義,見參考文獻[7]。關于仿真技術的定義,到目前為止,就很難用簡單的語言描述。國內外學者從不同角度作了描述,可歸納如下幾點:
仿真技術是出自對系統的研究,是通過用系統模型對真實系統或設計中的系統進行試驗,以達到分析、研究和設計該系統的目的;
仿真技術是以計算機為基礎,計算機能力提高了,仿真技術水平也提高,使之有能力去描述更復雜的系統;
仿真技術隨需求發展,提出了大量共同性的理論、方法和技術問題,致使仿真逐步形成了一門獨立的學科;
仿真技術已成為計算機應用的一個重要的領域;
仿真技術應用范圍十分廣泛,無孔不入的一門綜合性學科,已廣泛應用于航空、航天、通信、船舶、交通運輸、軍事、化工、生物 、醫學、社會經濟系統等自然科學與社會科學的各個領域,其重要性已廣為人知;
仿真技術用于揭示已知對象和未知對象的內在特性、分系統之間的關系和運作規律,以研究已知和預測未知;
仿真技術是高技術領域中的關鍵技術之一。
2. 仿真技術主要研究的內容和成果分析
2.1 仿真技術主要研究的內容
仿真技術雖是計算機應用的一個重要的領域,但也有其自身作為一門專有技術的研究內容,有問題和難點,也有發展方向和規律,形成了仿真技術的主體技術。這些技術又在廣泛而豐富的需求中深化和發展。仿真技術的研究內容最少應包括總體技術、仿真支撐軟件技術與工具、建模技術和應用技術,表1歸納了這些仿真技術的研究內容:
表1:仿真技術的研究內容 總體技術 ①學科的理論研究;②仿真技術的發展與開拓;③仿真技術與支撐技術的關系;④系統的分析與劃分;⑤仿真技術在信息技術和產業中的地位研究;⑥大型仿真系統研究
仿真支撐軟件技術與工具 ①支撐軟件理論與方法;②仿真支撐軟件技術;③面向對象支撐技術;④面向各項領域的共性工具軟件;⑤專用的工具軟件;⑥軟件系統結構;⑦實時數據庫
建模技術 ①仿真對象與系統分析;②建模理論與方法;③仿真算法與語言;④驗證方法與標準
應用技術 ①應用領域開拓研究;②應用軟件系統;③應用的相關技術;④應用系統實現方法
2.2 從仿真技術的成果分析
近幾年來,國內外仿真技術領域取得了豐碩的成果,體現出重大的社會效益和經濟效益。主要的成果例舉如下:
2.2.1 仿真支撐系統的發展
70年代末,國際上一些國家在實現仿真技術產業化過程中,強化了仿真支持系統的概念。因此,仿真支撐系統已經不僅是仿真領域關鍵的技術之一,而且是"解放"仿真系統開發者和使用者的最重要手段。它不僅賦予仿真系統以生命力,同時也是實現仿真技術產業化的基礎。在應用過程中,它是實現仿真目標和解決問題的概括和總結,它支撐了仿真系統的整個生命周期,包括對仿真對象分析、仿真模型的表達、仿真模型的生成和運行、仿真過程的調試和修改、實時運行、仿真數據的存儲、恢復及跨平臺的聯合運行。因此,近幾年來,國內外已經十分重視對仿真支撐系統的研究,也出現了不少成果。從科技進步角度來分析,主要表現為:
(1)開放性和構件概念,包括:構件命名服務(Component Name Services)、構 件對象服務(Component Object Services)等為構件客戶服務。
(2)提供通用數據表示方法,讓集成工具之間共享信息。
(3)支撐范圍擴大,表示在支撐仿真應用在網絡上的實現。
(4)支撐多媒體技術的應用,使仿真系統的人機界面得以改善。
2.2.2 面向對象的仿真技術
近十幾年來,面向對象仿真(Object Oriented Simulation,簡稱OOS)研究、開 發和應用有很大的進展,在廣泛的領域里,各種各樣的模型是由OOS語言(或稱編程工具)和開發環境中出現。由于OOS為系統建模提供了靈活的方法,它的基本
特性使之不同于傳統的仿真方法,而且適用于大型的更為復雜更分散的仿真系統,以及基于網絡的仿真系統。而且,支撐OOS的工具已不少實現商品化了。例如:
(1)由于國際間多國合作的出現,對共享仿真環境的需求擴大,網絡仿真技術被用在基于共享的仿真環境,如虛擬工廠教學系統,它允許學生單獨工作或組成虛擬的隊、建造工廠、預測產品需求、計劃生產、制定日程進度等
(2)面向對象仿真在處理復雜系統模型時,是一個極好的工具。將這類模型分成幾個子模型,做到仿真程序結構與真實系統結構相似。如解決互相聯系的異步電動機組的仿真控制問題等。
3. 仿真技術應用領域的快速擴大
近幾年世界上應用仿真技術去解決科技、生產、社會各方面問題的事例層出不窮,使仿真技術的應用能力拓展,滲透性增加,無處不在,無孔不入。例舉幾項:
(1)仿真技術在工業系統的多種應用取得了巨大的社會和經濟效益;
(2)利用仿真技術來模擬人們不斷增加對海港、船舶的到達方式,海港運作方式的變化需求,用于實現海港現代化管理或新建海港選擇和投資考察;
(3)應用質量工程及仿真提高巨型計算機系統的性能。性能評估在計算機的設計、開發、配置、調節中是一個重要環節,應用質量工程和仿真技術來提高巨型計算機系統性能;
(4)應用仿真技術,開展語言系統研究,取得重要成果;
(5)仿真技術在制造業中應用和發展近幾年來在國內也取得很好的成果,仿真技術在制造業的應用是從產品設計到制造,以至測試維護的整個生命周期中,計算機仿真技術貫穿始終;
(6)虛擬現實技術的應用范圍擴大。它在醫療領域中開始應用,虛擬教學、虛擬會議系統等取得一定效果,虛擬現實技術與娛樂的結合更有廣泛市場。
4. 從軟科學技術發展展望仿真技術的作為
軟科學技術是為管理和決策服務的科學技術,或者可以定義為幫助人更直接、有效、全面和系統地使用迅速發展的各類科學技術知識,并進行科學管理和科學決策的科學。從軟科學技術的應用性表現來說,如果說科學的研究是基礎研究的話,軟科學技術則是應用研究,產生的專家系統則是技術開發。
醫學和工程領域管理決策的專家系統的研究成果幾年后將被投入使用。例如美國許多大公司都開始用人軟件,幫助做許多種經營工作。這意味著類似"仿真腦"的系列產品將要出現,仿真技術在管理和決策方面的應用將推向各個領域。在仿真各種管理與決策系統的過程中,仿真技術將快速發展,產業化的步伐將加快。
軟科學技術是有前途的。在人類知識每5年翻一番的情況下,任何人如果不*電腦處理事務,也就是說不*"看不見的頭",是無法妥善、有效處理的。如果說軟科學技術會成為21世紀的先導和骨干高科技,推動軟科學技術發展的仿真技術也是分析復雜問題,提示相互關系,仿真人腦管理和決策的骨干高科技之一。5. 仿真技術發展的特點和趨勢
近幾年,以計算機技術、通訊技術與傳感技術為主導的信息技術的飛快發展,為仿真技術的發展進入一個嶄新的環境打下了良好基礎。仿真技術的發展將出現新概念、新應用和新的地位。由目前發展情況分析,有如下值得注意的特點:
(1)仿真技術是一門獨立的學科,但它離不開計算機技術。只要計算機技術在飛快地發展,仿真技術就一定隨之快速發展;
(2)仿真技術作為信息技術族內的成員,它不僅自身發展快,而且與信息技術各項發展結合也快,它們永遠面對新問題、組織新技術、形成新的系統工程。因此,仿真技術是不斷研究新現象、分析新規律、揭示相關系統、找出解決方法的強有力工具;
(3)在知識經濟來臨、知識管理的形成和發展中,仿真技術是最好的工具。它將被更多人了解和掌握。美國很多大公司開始用"人軟件"代替人類做多種經營工作。預計類同"仿真腦"系列的產品將會被成批生產,用以代替人們進行管理和決策;
(4)仿真技術的應用領域越來越廣,在信息技術發展中,將出現獨特的地位;
(5)目前,在全世界軟件產業快速進展的環境中,仿真支撐軟件,各種工具軟件(包括專用仿真語言),乃至于通用的應用軟件、商品化的周期縮短;
(6)面向對象的技術和應用發展較快,一方面推動仿真概念變化,另一方面適應復雜、非線性應用的能力增大;
(7)由于網絡技術的發展,為異地、異國應用提供了可能,將對仿真技術提出新的挑戰,也推動了發展。預計仿真技術和網絡技術的結合,將出現新的概念,并擴大應用范圍;
(8)仿真技術在培訓領域中已有了豐碩的成果,比如:核電站、飛機的仿真機等都是培訓所必需的仿真系統產品。
6. 知識經濟的特征和仿真技術的地位
人類在經歷了漫長的農業經濟、工業經濟時代后,正迎接著知識經濟時代的來臨。1997年,人們第一次提出知識經濟的概念,大家認為它是建筑在知識和信息基礎上的經濟;以知識和信息的生產、分配和使用為直接依據的經濟;知識是提高生產率和實現經濟增長的驅動器。國內外學者對此也有各種說法。如:知識經濟是以智力資源的占有、配置,以科學技術為主的知識生產、分配和使用為最重要因素的經濟。又如:知識經濟所要表述的是一種新的復雜的經濟狀態,它是指以現代科學技術為核心,建立在知識和信息的生產、存儲、使用和消費之上的經濟。它有豐富的內涵和明顯的特征。只有通過對其內涵和特征的分析并與仿真技術及其應用、產業化社會效益、經濟效益比較,才能充分看到仿真技術在知識經濟環境中的地位。
(1) 知識經濟特征與仿真技術特點的切合。
(2) 仿真技術是推動知識經濟發展的關鍵技術。
(3) 仿真技術及其應用,形成知識產品和服務,以及產業化的效益推動知識經濟的增長。
7. 結論
通過考察和分析,我們看到知識經濟時代的來臨給仿真業界帶來了新的挑戰和機遇,仿真技術將因自身的特點而在知識經濟環境中快速發展,反之也推動知識經濟的發展。仿真技術與軟科學及其它相關技術的結合將加快高附加值產品的產業化進程,給整個社會帶來新的經濟增長點,仿真技術大有可為。
參考文獻
[1] 游景玉,實時仿真技術及其應用,珠海出版社,1997年
[2] 游景玉,論文"論仿真技術及其產業化", 珠海出版社,1999年
[3] 游景玉 吳芳輝,論文"仿真支撐系統技術的研究與發展",珠海出版社,1999年
[4] 游景玉 吳芳輝,論文"新世紀仿真技術展望", 珠海出版社,1999年
[5] 游景玉,論文"論仿真技術在高技術發展中的地位", 珠海出版社,1999年
論文摘要：高等職業教育實踐教學對于促進學生知識理解和掌握、培養學生分析問題和解決問題的能力方面發揮著非常重要的作用。但是由于我國高等職業教育教學條件相對不足，實踐教學不能最大限度的實現，利用虛擬現實技術來仿真模擬現場可以使學生產生身臨其境進行實踐教學的效果。
實踐教學在高等職業教育教學活動中占有非常重要的位置，對于深化學生對知識的理解和掌握、培養學生分析問題和解決問題的能力具有重要的作用。但是我國高等職業學校實踐教學特點及條件的限制，阻礙了學生的動手能力和創新能力的培養。不能最大程度的激發學生的求知欲望，在一定程度上影響了學習的效果，而用虛擬現實技術來進行實踐教學卻可以解決這些難題。
1 虛擬現實技術的內涵及特征
虛擬現實(Virtual Reality，VR)又稱臨境技術，是一種利用計算機系統來創建和體驗虛擬世界(Virtual World)的技術。虛擬現實技術是綜合應用各種技術來制造逼真的人工模擬環境，并能有效地模擬人在 自然環境中的各種感知系統行為的高級的人機交互技術，使用戶身臨其境地感知虛擬環境中的物體，通過虛擬現實的三維設備與物體接觸，從而真正地實現人機交互。可以說人處在虛擬環境之中跟現實環境是沒有差別的。
VR技術是計算機技術、計算機圖形學、計算機視覺、視覺生理學、視覺心理學、仿真技術、微電子技術、多媒體技術、信息技術、立體顯示技術、傳感與測量技術、軟件工程、語音識別與合成技術、人機接口技術、網絡技術及人工智能技術等多種高新技術集成之結晶。其逼真性和實時交互性為系統仿真技術提供有力的支撐。它同時具有沉浸性(immersion)、交互性(interacdon)和構想性(imagination)L2 J，VR技術的發展始終圍繞這三個特征而前進。沉浸性是指用戶對虛擬世界中的真實感，此種真實感將使用戶難以覺察、分辨出其自身正處于一個由計算機生成的虛擬環境中；交互性是指用戶對虛擬世界中的物體的可操作性；構想性是指用戶沉浸在虛擬世界的多維信息空間中，依靠自身的感知和認知能力獲取新的知識，提高感性和理性認識，從而深化概念并萌發新意 J。因而可以說 ，虛擬現實可以啟發人的創造性思維。VR技術的實質是一種采用計算機技術制作仿真的假想世界的技術 J，采用計算機產生一個被仿真世界的動態、三維視覺環境，使操作者產生一種身臨其境的感覺。實現的方式主要是戴上特制的頭盔顯示器、數據手套以及身體部位跟蹤器，通過聽覺、觸覺和視覺在虛擬場景中進行體驗。
2 虛擬現實技術在高等職業教育實踐教學中的應用
2．1 高等職業學校實踐教學的現狀
我國正處于社會、經濟的快速發展時期，時代需要大量應用型人才、高技能人才。“加快培養高質量技能型人才，是當前我國職業教育面臨的緊迫任務；加強實踐教學的建設和改革，是提高技能型人才培養質量的關鍵環節”[5]。因此，高等職業教育要將學生職業技能的培養工作落到實處，實踐教學起著不可替代的作用，加強實踐性教學可提高教學效果和開發學生創造能力，進而達到鞏固理論知識、提高綜合素質和實踐能力的目的。可見，加強實踐性教學，是當前高等職業教育改革與發展的重中之重。幫助學生形成實踐操作技能和職業能力，滿足就業的需要是職業技術教育普遍的教學終端目標。
高等職業教育實踐教學通常存在的問題：(1)專業實訓設備體積較大而實訓教學的場地有限，教師在講授設備操作、使用、注意事項時，只有在設備附近的少數學生能看清楚。(2)專業實訓設備結構比較復雜、單價較高，為實訓教學增加設備的臺數勢必大幅度增加購置經費，而且每次使用機器成本較大(包括原材料、電力、機器損耗和設備維修費用，而實驗產品是不能投放市場產生經濟效益的)。(3)實驗設備更新速度相對滯后于技術更新的速度。如果按照現在的技術更新速度同步進行實驗設備的更新，投入將是非常巨大的，由此造成的浪費也是非常嚴重的。(4)由于實驗故障等原因導致的設備損耗較為嚴重。對實驗過程指導不力或實驗過程中的失誤，易導致設備非正常損耗。(5)對于沒有實踐經歷的學生在真實實驗或生產車間進行操作存在一定的危險性。因而在現實教學中，一般采用教師演示或組織學生看錄像的方式，但學生很難獲得感性認識，實驗效果大打折扣。(6)教師只能對機械外表進行講授，而機器的運作原理及內部運作無法了解，當機器運轉時內部結構無法講授(機器運轉時不能拆開機殼)；(7)在財經、管理等文科專業教學中存在單純依靠語言講授，實踐不足的現象；旅游等專業的學生實踐教學要專程到旅游景點進行，費用太高等問題。
2．2 虛擬現實技術在實踐教學中的應用特點
2．2．1 教學手段先進 用現代化計算機仿真技術展示設備，學生能真實的對虛擬設備進行操作，且操作過程清晰易懂。同時，在立體投影屏幕上顯示相應的圖像和交互操作的效果，坐在虛擬現實教室的其余近百名學生則可帶上立體眼鏡進行觀摩學習，課堂氣氛活躍，參與度高，有利于學生的正確理解和掌握。
2．2．2 降低辦學成本 用現代化計算機仿真技術，減少設備臺數，沒有原材料消耗，旅游等專業減少了異地實踐的費用，可大大降低辦學成本。
2．2．3 學習效果明顯提高 用現代化計算機仿真技術，將設備三維“虛擬”出來，并可產生互動，學生通過在計算機反復操作練習后，掌握基本操作技能的時間比以前大大減少，提高了教學質量。
2．2．4 學習興趣增強 用現代化計算機仿真技術，學生可使用計算機進行仿真操作，使一些比較枯燥難于操作的實驗、實訓變得有趣和便于掌握。
2．3 利用虛擬現實技術加強高職學校理工科學生實踐能力的培養
對于高等職業教育理工科專業的實踐教學，通過了解實驗儀器的結構、原理及使用，科學驗證或展開演繹課程的理論，從而加深學生對理論的認識。而對于專業方面的實踐課程，培養學生的動手能力是十分重要的。傳統實踐教學專業實訓設備結構比較復雜、單價較高，設備損耗較為嚴重，且存在設備非正常損耗現象，有的專業實踐操作還有一定的危險性，并且存在設備更新速度在很大程度上滯后于技術發展速度的現象。采用虛擬現實技術可減少資金投入并保持設備更新。通過虛擬現實技術可保護昂貴的真實設備，減少誤操作的危險，縮短占用設備的時間。特別對于一些本來具有一定危險性的實驗實訓教學活動，毫無危險性的虛擬現實 VR教學系統的應用尤為重要。例如，虛擬的化學實驗，通過模擬現實世界真實場景，營造一個虛擬的三維實習實驗環境，這個環境的真實感尤為重要。對于化學專業的實踐教學來說，應盡量精確逼真地表現化學實驗的操作內容、過程和現象。學習者可以通過虛擬操作獲得直觀的親歷體驗，從而在獲得安全操作方面知識的同時，提高他們在不同的復雜環境下的推理判斷和瞬間決策能力。以這種方式獲得的經驗也會成功的轉移到學習者現實生活的實踐中。
