计算机模拟仿真技术

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计算机模拟仿真技术范文第1篇

【关键词】计算机仿真 模拟电子技术 考试系统 研发

一、“模拟电子技术”考试系统的基本特征

在实际的教学与考试过程当中，采用教W与考试分离的模式不仅能对教学的质量进行客观与公平的检验，同时对教学质量的提高也有着重要的推动作用。而利用计算机进行考试则可以很好的实现教学与考试的分离，在现阶段的各种考试当中都有着广泛的运用，也受到了人们的热烈欢迎。但是利用计算机进行考试，相应的系统则是必不可少的。但是当前阶段的计算机考试系统存在着严重的不足，制约了计算机考试在大范围内的全面推广。计算机考试系统的主要特征包括以下几个方面的内容：第一，计算机考试系统内部所有的试题都是静态试题，其内容和答案都是唯一的，这尚不能完全达到高水平考试的要求。第二，计算机考试系统内部所包含的试题的数量明显偏低，同时由于这种系统并不是一种开放性的系统，如果学生在平时的模拟考试或者练习过程当中，将所有的题目都做完，而后再去参加考试，必然能获得较高的分数。因此，这种考试系统在运用的过程当中就失去了当初的目的，成为单纯评价教师工作与学生学习质量的一种工具，失去了其“以考助学”的初衷。在许多领域的考试当中，由于担心学生做完所有的题目并强行记录，计算机考试系统还不能完全对学生开放，从而限制了其应用。

“模拟电子技术”在多个专业都是重要的基础课程，“模拟电子技术”课程对学生的电路分析能力有着一定的要求，其中不仅涉及到大量的电路图，同时 也需要对相关的电路图进行编辑与重现，这就使得这门课程的计算机考试系统的研发难度加大许多。在项目的研究过程中，笔者通过查阅相关资料等方式对“模拟电子技术”计算机考试系统的研发进行了分析与研究，认为“模拟电子技术”计算机考试系统应该包含以下几个方面的特征：第一，该系统应该包含有电路图编辑功能，学生可以在该系统中实现电路图的编辑与重现。第二，应该设计出动态试题模块，例如，在试题当中，电路的连接方向、电压、电流、电阻等都可以产生一定的变化，而并非是一成不变的。第三，系统内含电路仿真模块，运行仿真模块即可计算电路节点电位和支路电流，从而获得不同参数条件下的试题标准答案，并实现考试自动评分。对于一题多变的动态类型题目，学生只有通过理解而非记忆的方式才能正确答题，因此，所开发的考试系统完全可以，且应该开放给学生练习。实践表明，“模拟电子技术”考试系统，极大地提高了学生练习的积极性，也提高了学生的学习成绩。

二、系统设计

“模拟电子技术”计算机考试系统主要包括题目开发模块、试卷编辑模块、考试模块、题库和试卷库。题目开发模块的主要功能是实现电路图的编辑功能，有了这个功能之后，既可以增加试题库当中的试题数量，也能够对试题库当中现有的试题进行编辑与修改。试卷编辑功能的主要作用是组建新的试卷或者修改已经存在的试卷。考试模块用来从试卷库选择试卷、调出试题、重现试题、仿真电路和自动评分，是考试系统的核心模块。

在考试模块当中可以实现从试题库选择试题组成试卷并分析试卷中所包含的信息等。从原始信息提取电路拓扑数据、随机参数代码和题目文本。随机参数代码和随机数种子送至随机数发生器，确定相关随机参数；电路图重绘单元利用电路拓扑数据和相关随机参数，重新绘制电路；电路仿真单元对电路仿真，获取电路的各节点电位和各支路电流；标准答案提取单元从仿真数据中提取出标准答案。题目文本在被从原始信息提取出来之后，可以由考试者输入相关的答案，考试者所输入的相关数据会被提取并送至答案比较单元，答案比较单元会将考试者所输入的答案与标准答案进行比较，最后完成相关的评分工作。

学生在进行练习的过程当中，系统时钟会随机产生对应题目的随机数种子，这就使得题目不再是静止不变的。而学生在参加考试的过程当中，随机数种子则是由教师指定的，这就使得每个学生的考试题目都是完全一样的，从而使得考试是公平与公正的。

三、电路仿真

在“模拟电子技术”计算机考试系统当中，由于题目是动态变化的，电路图的相关参数并不是一成不变的，而是会发生一定的变化，同时题目所对应的答案也会发生一定的变化。电路仿真单元的研发可以实现系统能够自动获取标准答案与自动评分功能。在电路仿真单元当中，可以实现对电路直流工作点的模拟，从而形成对应的标准答案。

电路直流工作点的仿真需要解电路方程组，由于电路方程组大部分都是一些非线性的元器件，从而使得方程的建立与解方程都较为困难。解决这一问题的思路是用元器件的直流伴随模型，将非线性元件进行线性化，再建线性电路方程组和解电路方程组。通过反复迭代运算，最后获得电路方程组的数值解。

四、结语

基于计算机仿真技术的模拟电子技术考试系统的研发对当前高校关于模拟电子技术课程的教学与考试都有着重要的意义。由于模拟电子电路的虚拟性，通过该系统的使用能够使得整个学习的过程更加的生动，避免了当前高校采用的“PPT+教科书”的教学模式。

参考文献：

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[3]沐远.成圈型贾卡经编针织物计算机仿真研究[D].江南大学，2006.

[4]李焕哲.分布式计算机文化基础课程在线考试系统设计与实现[D].北京邮电大学，2007.

[5]周密.基于B/S结构的网络考试系统的设计与实现[D].中南大学，2013.

[6]翁剑鸣.散装化学品船液货装卸系统仿真软件的研究[D].大连海事大学，2014.

[7]苏军朝.基于OGRE的铁路集装箱起重机仿真操作系统的研究[D].西南交通大学，2012.

[9]杨彬楠.基于的昆明冶金高等专科学校网络考试系统设计[D].电子科技大学，2013.

计算机模拟仿真技术范文第2篇

SystemView通信仿真系统是针对现代电子通信科研和教学开放的一种专业的电子通信仿真系统，在实践应用中可以实现信号处理、滤波器设计以及复杂的通信系统数学模型建立等不同形式、不同层次的设计和仿真，在电子通信领域具有广阔的应用前景。从结构设计角度来看，SystemView通信仿真系统是在Windows平台基础上形成的一种动态仿真系统，在具象的实验应用中能够实现可视化的动态电子通信系统的动态设计、分析和仿真。在当前电子通信领域广泛存在的模拟、数字、数模混合，在各种多速率系统中的应用效果显著，仿真活动延续到各种线性、非线性控制系统领域，能够进行各种系统的时域与频域分析、谱分析，以及对各种逻辑电路、射频、模拟电路进行理论分析和失真分析等，这广泛应用于现代数字信号处理、通信系统以及控制系统的设计与仿真领域。

二、虚拟仿真实验的开展

1.软硬件实验环境的建设

虚拟仿真实验的开展是建立在对虚拟仪器技术和计算机模拟仿真技术的基础之上的，所以虚拟仿真实验在电子通信领域的应用一定要从电子通信的角度出发，对相应的虚拟仪器和计算机模拟仿真技术进行研究，并在电子通信技术的基础上以数据交换为主要手段实现二者的有机结合，提升虚拟仿真实验开展的水平和质量。同时，针对电子通信领域所特有的一些现象和规律，借助计算机模拟仿真软件进行模拟仿真，将电子通信的技术和理论环境模拟做到极致，为电子通信技术的虚拟仿真实验营造一个最大限度接近真实的实验环境。

2.虚拟仿真实验项目的合理选择

计算机模拟仿真技术范文第3篇

【关键词】计算机 仿真技术 发展 应用

1 计算机仿真技术简介

随着计算机技术的发展，计算机仿真成为可能，使用专门的软件，借助多媒体技术可以给人身临其境的感觉。仿真技术的发展，很大程度上得益于控制工程技术的发展，在控制工程中需要使用计算机进行仿真实验。计算机仿真技术的应用能够加快产品开发周期，提高产品质量，提高工作效率，减少经费开支。

2 计算机仿真技术原理

通常情况下，计算机不能够对外界信息进行认知，因此需要建立相应的数学模型来反映事物的本质特点。

通过数学模型能够清楚地反映出研究对象的特点，通过模型转换，使用计算机算法等将数学模型转化成计算机能够处理的形式，也即建立仿真模型。仿真模型是计算机仿真的关键，再进行仿真实验，通过仿真实验对之前设置好的模型进行模拟，获得仿真结果。对仿真实验的结果进行评价通常采用反向验证和置信通道法。

3 计算机仿真技术应用

随着信息技术的发展，计算机仿真技术得到了广泛的应用，改变着传统的生产生活方式。计算机仿真在交通工程、制造领域、教育领域等都得到了较好的应用。

3.1 交通领域

人和车辆是交通的主要组成部分，要考虑安全的前提下，提高交通效果。交通安全仿真通过虚拟技术，增加各种诱发因素，进而对某一路段的交通安全情况进行评价。

计算机仿真可以有效地对交通安全进性评价。仿真过程能够实现可视化操作，能够更加直观地进行分析，不同于传统的数值仿真。比如，对某路段进行交通安全评价时，传统的绝对数和事故率方法可以进行评价， 还可以在虚拟环境中设置不同的交通工具，考虑人的行为感知的情况下，进行评价。

3.2 制造领域

制造业是国家的第二产业，对各行各业影响深远，汽车制造是制造业的重要组成部分。实验课题难度大，成本高。计算机仿真可以很好地解决这个问题，比如对碰撞试验来说，通过建立相应的数学模型，可以对实验过程进行模拟。

3.3 教育领域

使用计算机进行模拟仿真分析已经成为当前重要的研究方法，在教学模拟实验中，采用多媒体可以很好地提高教学水平。计算机模拟实验能够在相关实验设计思想和方法的指导下，改变传统教与学、理论与实践的关系，发挥研究人员的主动性。计算机仿真模拟可以加深对相关理论的理解，提高实验水平。

3.4 计算机仿真技术在其他领域的应用

计算机不仅仅在交通、制造、教育领域得到大量应用，在军事领域、消防、音乐等领域均有较广泛的应用。通过计算机仿真，可以使用模拟驾驶器进行模拟，从而降低战机、战车、燃油的损耗，在进行军事武器研发时，可以缩短研发周期，降低研发成本。计算机仿真在消防中的应用，可以对现场的温度、空气流动速度、火荷载、逃生路线等进行模拟，从而提高应对突发事件的能力，提高设计科学性。

4 计算机仿真技术的发展方向和趋势

4.1 计算机仿真技术发展方向

网络化仿真。仿真系统开发兼容性不强、开始周期长，费用昂贵，难以实现信息共享，随着计算机技术和网络技术的发展，计算机仿真技术取得了较大水平的提高。利用网络技术的优势，可以实现仿真系统共享。系统的网络共享能够提高资源的利用效率，避免不必要的重复开发，减少科研经费。

虚拟制造技术。虚拟制造技术发挥计算机仿真技术的虚拟现实技术的优势，使用计算机完成对产品的管理和控制，虚拟制造技术已经成为计算机仿真技术发展的重要方向。

4.2 计算机仿真技术发展趋势

随着计算机技术和仿真技术的发展，仿真技术很好地解决了各学科发展中的问题，很大程度上提高了工作效率，更加形象直观地进行仿真实验，节约了产品开发周期，降低了开发成本，提高了产品质量。计算机软硬件性能得到了较大水平的提高，进一步促进了仿真技术的发展。仿真技术主要朝着面向对象的仿真建模、分布式仿真、智能仿真等方向发展。

4.2.1 面向对象仿真建模

发挥计算机的符号处理能力，可以提高人们对仿真对象的认知速度，与传统的人工建模有着较大的进步。面向对象的仿真建模，可以最大程度提高系统的建模能力。此外，面向对象的仿真建模操作难度小，更容易使用，可以发挥仿真技术的优势。

4.2.2 分布式仿真

分布式仿真将不同分布位置的计算机通过网络进行连接，形成时间空间相互祸合虚拟仿真环境。分布式仿真系统由几个子模型组成。部分是仿真系统中，主要有动态、静态数据分割技术、功能分割技术等。

4.2.3 智能仿真

在仿真的不同阶段引入知识表达和处理技术，可以缩短仿真建模时间，提高模型效率，帮助用户做出最优决策，及时修正模型，界面更加智能化，增加仿真系统的寻优能力。

4.2.4 其他仿真

一些仿真可以实现高度的可视化，对仿真过程进行形象展示，便于研究人员真实地对仿真过程进行分析，易于理解。踊仿真能够将声音、视图等元素加入其中，交互性更强。

5 结语

计算机仿真伴随着其他学科的发展而快速发展，随着计算机技术的快速发展，计算机仿真技术很好滴解决了其他学科的问题。计算机仿真经历了从简单的原型到物理模型，再到今天的动态显示仿真过程，并可实现可视化操作。多媒体技术、人工智能、可视化等技术同仿真技术的结合，仿真技术的发展和应用将更加广泛。在不远的将来，计算机仿真技术在生产生活中会发挥更大的作用，促进社会经济的发展。

参考文献

[1]王莉.计算机仿真技术在自动化物流系统中的应用[J].自动化与仪器仪表，2015（04）：51-52+55.

[2]周杰.档案高仿真复制技术――档案馆应用传统手工复制和计算机高仿真技术的研究[J].档案学研究，2013（05）：54-57.

[3]胡媛，吴正一，胡小峰，戴星.计算机仿真技术在优化就医序列中的应用研究[J].中国医院管理，2013（06）：33-35.

[4]李剑虹，涂赣峰，戚喜全，毛继红，吕定雄，冯乃祥.我国铝电解槽计算机仿真技术的研究发展及现状[J].材料与冶金学报，2010（03）：173-179.

[5]张祖鹰.浅谈计算机仿真技术在教学实训中的应用研究与实践[J].商场现代化，2007（21）：387.

计算机模拟仿真技术范文第4篇

本文介绍了应急疏散仿真技术提出的背景及其特点，阐述了所涉及到的疏散人员行为的研究、应急疏散的计算机仿真研究等，并对其发展趋势以及未来的研究方向进行了展望。

关键词：应急疏散；行为模式；计算机仿真

中图分类号：C35文献标识码： A

一、前言

火灾后室内人员的安全疏散是建筑防火设计的重要组成部分。在目前的技术条件下安全管理部门只能通过应急疏散演习来提高应急疏散能力，并对应急疏散设施进行安全评估。但应急疏散演习风险大、花费高，本身具有一定的破坏性和安全隐患，同时当前对应急疏散设施的安全评估缺乏有效的技术标准。同时，人的行为受外界和心理诸多因素的影响，不可能把人置于真正事故现象的混乱之中。在这样的背景下，有必要借助计算机仿真技术来模拟群体行为与应急疏散场景，借助计算机实现应急疏散模拟演练，并利用模拟结果对应急疏散指挥方案与应急疏散设施进行性能评估。在事前就找到建筑布局中疏散的瓶颈，疏散预案中的不足，从而对相应的地方加以改进。最终达到减少事故发生及事故损害的效果。

二、人的行为的探讨

人员作为疏散的主体，对于疏散具有决定性的影响，因此在进行人员疏散仿真研究时必须先要对疏散中的主体疏散人员进行研究。一般来讲，被疏散者在疏散过程中采取的行为与其所处的环境有复杂的关系。在疏散过程中，每个被疏散者都处于三种类型的相互作用之中，所有这些相互作用都涉及到复杂的决策。这些相互作用可以被分类如下：

人与人之间的相互作用：与其他被疏散者的作用。

人与建筑物的相互作用：与建筑物室内结构的作用。

人与环境的相互作用：与受火灾影响的大气和可能出现的碎片的作用。

这些相互作用影响被疏散者的行动，并且由此引发决策过程。根据这些相互作用发生的方式，这一过程可以变得越来越复杂。这些方式可以发生在三个不同的层次上：

心理学层次上：给定疏散者的特征和经历，基于可用的信息来做决定。在火灾威胁下的这一类型的相互作用可能会引起被疏散者远离火焰或者是响应疏散的号召。

社会学层次上：建立在一个被疏散者与其他被疏散者之间的相互作用之上的反应。在火灾中，这种类型的相互作用可能会引起被疏散者鼓动救援或者向其他被疏散者发出警告。

生理学层次上的：对所处环境做出的生理反应会以某种方式影响居住者的能力。在火灾中，这种相互作用可能会引起致幻烟雾的陶醉或者呼吸和感觉器官对刺激性气体的不适应。

根据上述观点，从组织行为学，把紧急疏散中人的行为模式分为个体行为模式、群体行为模式和决策者行为模式。

1 个体的行为模式

疏散过程中单个人员的行为主要体现在单个人员的移动行为上，包括移动方向上的前，后，左，右的移动表现。这种行为是疏散人员能够进行的最简单，最直接，最基本的行为。在疏散过程中采取什么样的基本行为可以是随机的，也可以按照一定的规则选取。另外，通过心理学的研究总结发现，个体人员行为一般有下面行为：

（1）随机行走。当然人员在一个疏散空间里面，而疏散空间没有出口的话，那么里面的人员将随机采取这种层次的行为。

（2）人员避碰。考虑到人员的避碰行为就可以在疏散过程中使得人员和人员不会相互碰撞，人员也不会跑入障碍物当中去。

（3）目标。当一个疏散人员确定了自己的目标点以后，他就会调整运动方向和速度朝着目标点行动，即使在疏散过程中运动方向有些小的调整，但还是会再一次调整朝着出口方向前进。

2群体的行为模式

群体行为在紧急疏散中的行为是一个极其复杂的现象，人在紧急疏散中的各种心理和行为可以考虑以下几种因素：

（a）群集性。人群是因为有共同关心的问题而聚集在一起，该团体是偶然的、临时产生的，是一个没有任务分担的团体，易于受周围人的感情所影响。

（b）交互性。由于某种原困，人们汇集到一起，这些汇集起来的人群的心理又起到相乘的作用。

（c）跟随性。不是自己来判断逃生的方向，而是跟在前面的人或是大多数人的后面，胡乱跟随。

（d）冲突性。疏散过程中成员之间容易发生冲突。

3决策者行为模式

决策者根据现场的情况，将会对疏散采取指导性措施。现场情况主要有：是否有冲突；冲突的大小；各出口的人流量等。采取的措施通常有：派出引导员，加强现场的疏导；通过大屏幕，向观众发出疏散信息；派出安全员，现场处理冲突等等。

综上所述，疏散人群的行为是一个极其复杂的物理过程。在整个运动的过程中，其动态要受许多因素的直接或间接的影响。而群体中个体间的相互作用，甚至人的心理状态也都是影响运动过程的重要因素。为了从大量的观测数据中得到其背后的规律，指导实践，需要以计算机仿真技术作为主要的研究手段。通过计算机仿真，可以将在现实中难于实行的实验放到计算机生成的虚拟空间中去进行，而不受试验场景、规模和经费的限制，也不存在事故发生的可能。另外，由于计算机仿真技术的发展，在建立仿真模型时并不需要对人群的行为建立方程，所需要的只是一些观测所得的行为特征和数据。这样，就绕开了对疏散人群行为数学建模的这一难题。由此可见，对火灾应急疏散的研究，采用计算机仿真(或称为疏散仿真)，是其最重要的研究手段。

三、应急疏散仿真的研究现状

应急疏散仿真作为对人群疏散研究的一个重要的组成部分，其发展与疏散研究的发展密不可分。只有将其纳入疏散研究这一学科中阐述，才能理解其发展的历程和最新的进展。

人群疏散的仿真研究始于20多年前，这个领域的研究内容主要有三大部分：第一，对行人、人群以及疏散的观察和试验。主要目的是得到具体的数据以给建筑设计、疏散方案的指定提供参考；第二，对人群行为的数学模型的建立。这方面的研究主要是将人群假想为流体，用流体力学和热力学的公式建立人群运动的模型；第三，对人群行为和疏散过程的计算机仿真，这方面的研究由于计算机的普及，在最近逐渐成为这个领域的研究重点。

目前的应急疏散仿真模型可分成两类，一类是以元胞自动机模型(Cellular Automata Model)为代表的离散仿真模型，另一类是以社会力量模型(Social Force Model)为代表的连续仿真模型。

元胞自动机是由大量简单一致的个体通过局部联系组成的离散、分散及空间可扩展系统。其基本思想是将建筑物平面进行均匀网格划分，每个网格有三种状态：被墙壁或障碍物占据、被人员占据或为空。模型中的人员占据一个网格(元胞)，同时模型中人员的运动将遵循一定的局部规则并具有一定的智能性。

社会力量模型是一种多粒子自驱动的连续模型，人员被表示成具有一定质量和大小的自驱动的粒子。所谓的社会力是指人员之间或人员与环境之间的社会心理交互或物理接触。每个人员都试图以一定的期望速度运动，而人员的实际运动速度最终由一个牛顿力学方程组所决定。类似于社会力量模型的心理学模型还被应用于计算机群体动画的应用中。

离散仿真模型省去了建立群体行为微分方程组这一过程，在仿真速度上得到提高。但是离散仿真模型在对群体行为的模拟真实程度上，不如以社会力量模型为代表的连续仿真模型。连续仿真模型的缺点是计算成本较大。但是笔者认为，计算成本的降低和速度的提高并不是应急疏散仿真研究的重点，仿真结果是否真实反映了客观现实是这一研究的关键，因为这是涉及到公共安全的一项研究。

总体上讲，现有研究主要侧重于群体行为的物理模型，一种研究趋势是将心理变量引入到群体行为物理模型中，但缺乏对群体行为控制模型的研究。考虑到应急疏散演习风险高、花费大，有必要开发应急疏散演练平台，这就需要研究群体交互控制技术，如用户化身技术在应急疏散仿真中的应用。同时，需要将这些技术成果真正用于公共设施应急疏散性能评估和应急疏散指挥中。

四、应急疏散仿真的发展趋势

从国际范围内人员疏散计算机模拟技术的研究现状来看，主要存在以下问题：

A.因为人的行为具有很大的随机性，在同样条件下的重复演习很难得到一致的结果，所以至今还缺乏全面可靠的疏散演习数据以验证模型(没有一套所谓的标准数据)；

B.在人员疏散模拟中考虑和利用灾害动态模拟的详细结果(灾害发展和人员疏散实际上是同时进行的两个交互过程，而目前绝大多数疏散模型在模拟过程中没有考虑火灾发展和烟气蔓延的动态影响)；

C.综合离散型模型和连续型模型的优点，加强复杂行为的模拟功能(如疏散过程中的自动休息)。

从目前国外人员疏散计算机模拟技术的研究发展趋势来看，复杂行为的模拟是当前人员疏散计算机模拟研究的一个热点，另外如何在人员疏散模拟中充分考虑火灾发生发展和烟气蔓延的动态影响也是研究人员十分关注的问题。

就国内目前的情况而言，在中国人群心理行为特点等基础数据的匾乏，严重制约了人员疏散计算机模拟技术的应用和发展。所以国内目前应主要侧重于(1)疏散模型的研究改进及专业软件开发和完善 (2)中国典型人群行为特点的汇总分析，而且后者要比前者任务更艰巨。

尽管迄今为止，所有人员疏散模型和软件都有这样或那样的缺陷，但人员疏散计算机模拟技术的意义和应用前景正以越来越快的速度显现出来，只要我们能够充分认识和理解各种模型的特点，根据不同的场合和要求选择合适的模型，我们就一定能够最大限度地发挥人员疏散模拟技术应有的作用，并在不断应用的过程中检验和改进各种模型，促进人员疏散模拟技术的发展。

参考文献

[1] 温丽敏,陈全,陈宝智. 火灾中群聚疏散的设计方法及计算机仿真.东北大学学报,19.NO.15，1998

[2] 杨立中，李健，赵道亮，方伟峰，范维登.基于个体行为的人员疏散微观离散模烈.中国科学，2004，E34(11):1264―1270

[3] Gabriel S，Benigno E A． A critical review of emergency evacuation simulation models［A］． NIST Workshop on Building Occupant Movement during Fire Emergencies［C］． Gaithersburg，MD，2004: 25 － 50．

[4] 吕春杉，翁文国，杨锐，等． 基于运动模式和元胞自动机的火灾环境下人员疏散模型［J］． 清华大学学报(自然科学版)，2007，47(12):2 163 － 2 167．

计算机模拟仿真技术范文第5篇

关键词：计算机；大学物理；模拟仿真；理论教学

一、前言

在大学物理课堂教学中，计算机可以快速完成常规的计算并仿真模拟物理过程，强化教学效果，对培养学生的学习兴趣、科学思维能力、探索发现和创新精神等能起到积极的作用[1]。

计算机仿真技术是一门基于计算机建立的系统模型进行动态研究的综合性技术。20世纪初，仿真技术就已得到初步应用。20世纪40年代至50年代，航空航天和原子能技术的发展推动了仿真实验技术的发展和应用。20世纪60年代之后计算机技术的发展，为仿真实验提供了先进的平台，加速了仿真技术的发展和应用[2][3]。

随着仿真技术的发展，计算机仿真实验应运而生。20世纪90年代初，国内部分高校和机构开始着手于计算机仿真实验的研发。其中由科大奥瑞首创开发的计算机仿真实验教学软件大学物理仿真实验，是国内最具权威的大学物理仿真实验教学系统，已在国内外多所高校获得应用。仿真物理实验作为计 算机辅助物理实验教学的一个发展方向，已经成为了大学物理实验的一个新亮点。

二、仿真教学的研究

大学物理的理论教学与实验教学同等重要。对于计算机专业的大学物理课程而言，仿真教学既可以成为教学内容也可以作为一种教学手段。仿真教学是利用计算机仿真技术，实现大学物理课程知识和计算机专业能力并重培养的过程。这样，仿真教学拓宽了大学物理教学内容，把以教授知识为主的课堂教学转变为教授知识和能力培养并重的课堂教学。

笔者结合近两年在安徽信息工程学院（原安徽工程大学机电学院）计算机专业的大学物理教学实践，总结其中存在的以下问题，也是促使课堂进一步实行仿真教学的原因。

（1）学生理科基础薄弱。在工科专业中，计算机专业的学生的知识基础相对较差，尤其是对数学、物理等理科基础知识的掌握。仿真教学基于软件平台，其中核心的算法需要一定的数学基础。而算法需要的基础知识是应用层面的，比纯粹的理论知识更容易接受，这也符合“通过做数学来学数学”的思想。因此，仿真教学反过来还可以巩固和增强理科基础知识的理解和应用。

（2）学生缺乏学习动机和学习兴趣。大学物理作为高校理工科专业基础课程，其重要性可见一斑。学生对基础课程的认识不足，直接导致学习动机降低。仿真教学作为一种教学手段，既体现了大学物理的实用性，也加强了计算机专业实践，能有效发挥学生的主观能动性，增强学习动机和提高学习兴趣。教学内容、方法和考核方式也会影响学生学习的动机和兴趣。

（3）教学内容陈旧。大学物理的基本内容是几十年甚至几百年前就建立起来的，课本中研究的更是简化了的、能用解析方法求解的典型问题。而实际问题是复杂的，且随着科学技术的发展，人类对问题的认识也会发生改变。仿真教学具有交互性，可以开拓教学内容。因为物理仿真对象来源于实际，需要学生去生活中寻找和探究对应应用，然后结合大学物理理论知识进行模拟仿真，达到深化教学内容的目的。由于仿真需要一定计算机专业知识，这样仿真教学也侧面增强了专业知识的运用。

（4）教学方法传统、考核评价方式单一。在教学中，笔者所在学校的大学物理依旧采用传统的教学方法，即教师的单方面讲授。即便采用了多媒体辅助教学手段，也仅仅停留在展示物理模型或过程的阶段。一方面是由于大班教学的限制；另一方面，由于课时数量的缩减，使得讲授成为一种高效传授知识的方式。但这种教学方法效果不理想，课堂上普遍出现学生睡觉和玩手机的现象。针对计算机专业学生采取的课堂仿真教学，需要学生及时参与，结合一定的专业基础理解和应用物理知识。仿真教学要求教师布置电子作业，需要学生投入更多课后时间去实践，且由于作业加强了与专业课程知识的联系，这样就简化了作业的操作性，但提高了作业的挑战性、趣味性和创造性。

由于实际物理问题的复杂性，许多问题都要用到精确的数学计算。仿真教学充分利用了计算机的强大功能，丰富计算机辅助教学的内涵，使计算机不仅是教师的辅助教学工具，也是学生W习的工具和内容。笔者在课堂仿真教学上还参考了美国大学的多种教学方法。因为课堂教学不是一言堂，而是多言堂；不是单向灌输，而是双向甚至多向互动；不是单调、乏味的，而是生动、活泼，充满生机活力的[4][5][6]。

三、仿真教学的改进措施

传统大学物理的考核方式比较单一，针对计算机专业实施的仿真教学，笔者在考核方式上也进行了一系列改革。

传统的大学物理教学内容、教学方法和考核评价形式均存在一定问题，对于计算机这种工科专业，学生会很难从大学物理这门基础课程中受益，那么大学物理打基础、搭桥梁的重要功能也就得不到体现。因此必须通过教学改革来改善这种局面，结合计算机专业特点进行的大学物理课堂仿真教学是一种有效尝试。

1.仿真教学软件

仿真教学基于软件，以下是在大学物理课堂仿真教学中使用到的软件。

（1）Flash。Flash是由Macromedia公司推出的交互式矢量图和Web 动画的标准，广泛应用于创建应用程序，可以包含视频、声音、图形和动画。课堂教学中可使用Flash来创建多媒体课件中的动画、视频内容，也可以通过添加图片、声音、视频和特殊效果，单独构建Flash应用程序。在仿真教学中，Flash可以用来制作精美的动画，添加到课件中，可形象模拟物理现象和过程[7]。

（2）Java。Java是一种面向对象的程序设计语言，具有通用性、高效性、平台移植性和安全性等特点。目前，很多国家和机构都建立了基于Java技术的仿真实验系统。如美国俄勒冈大学物理系主办的物理仿真实验网站和科罗拉多大学波德分校（University of Colorado Boulder）创办的PhET网站，网站中的仿真项目均是基于Java语言编写的。国内的华中科技大学李元杰教授组织构建的DTP（digital teaching of physics）也是基于Java语言的（如图1所示）。

相对于Flash，Java_发更具交互性。对于计算机专业学生，Java更是一门需要学习和运用的语言。

（3）MATLAB。MATLAB是MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB的处理单元是矩阵，比用C、FORTRAN等语言完成相同的事情更简便。Simulink提供了一个系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需编写大量程序，只需通过简单的鼠标操作，即可构造出复杂的系统。比如在演示振动和波动的叠加时，用Simulink演示就比较直接方便。

Flash可以制作出精美的动画，而MATLAB也有多种方式实现动画效果[8]。因此，在仿真教学中，MATLAB不仅可以进行数值计算，也可以进行可视化模拟仿真（如图2所示）。

（4）VRML。VRML即虚拟现实建模语言，可用于建立动态的虚拟世界。目前，国内有高校成功开发了基于VRML技术的三维仿真实验中心。比如，华中科技大学开发的液压元件装拆实验，学生可以在仿真的环境中认识和操作各零部件。虚拟现实技术作为第二代互联网技术的重要基础，已经引起越来越广泛的关注和应用。比如，当前火热的VR（虚拟现实）和AR（增强现实），对于计算机专业的学生，接触并了解这类技术对专业学习是有益处的。

以上是大学物理仿真教学中可以运用和接触了解的软件，其他专业学科类的仿真软件暂未涉及。

2.仿真教学内容

大学物理理论教学内容较多，但教学课时是有限的（笔者所在学院一学年安排96课时）。作为专业基础课，大学物理还必须为后续专业课程学习打好基础，因此仿真教学内容必须是精简的、与专业紧密相关的内容。

物理研究的对象是物质（包括能量和场），因此仿真教学的内容也是客观的物质。物理中关于物质运动的规律是经过抽象概括的，主要通过模型来描述。物理模型可以分为心理模型和概念模型。心理模型是学生脑海中建立的关于物理现象认识的模型，而概念模型是建立在物理概念之上的模型。学生的学习就是不断克服和打破心理模型，接受概念模型的过程。而大学物理仿真教学的主要内容就是基本物理概念模型的仿真。

在仿真教学中，笔者把物理模型分为：运动类、能量类、振动类、波动类、热学类、电磁场类和光学类等。根据仿真教学要求编制的教学大纲包含了具体的仿真教学模型和实现方式。

3.仿真教学实施

课堂仿真教学的实施，需要学生和教师双方的参与。教学中，教师和学生均会面临一些新的困难和挑战，包括假设生成、模型设计、数据解释以及对发现过程的自我监控等。因此，仿真教学需要建立有效的反馈机制，包括仿真教学在内容选择以及过程设计上应该针对学习者的困难提供相应的学习支持，只有这样才能真正发挥计算机模拟在学习中的优势。

仿真教学的教学效果还需要建立评价机制，包括学生对教师的评价和教师对学生的评价。课程评价“本质上是一个确定课程与教学计划实际达到教育目标的程度的过程”，是贯穿于课程实施全程并推进课程进展的内在动力， 也是连接课程目标与课程实施的桥梁。教师应根据教学评价结果，及时反复修改教学大纲，达到教学目的。

4.教学评价

教学的中心是学生，因此需要学生参与到教学评价中来。从学生角度，学生需要知道自己是否达到了学习的要求以及是否需要改进学习方法。因此需要教师对教学中学生学习情况进行评估，除了学校教务系统必须完成的学生对教师的评测以及平时的面谈等形式外，还可以通过以下形式完成对仿真教学的评估。

（1）调查形式。调查是一种直接有效的检验学习效果的形式。包括：物理期望调查，对物理科学的认识信心的调查，科学观点的调查以及其他内容调查。

（2）反馈形式。首先是组长收集组内成员（大约十名）对教师的测评表（结合由笔者制订的教学目标），经过整理分析后，交给学习委员；其次是学习委员结合组长平时的表现，给组长收集的信息打可信度系数；最后把有系数的测评表交到笔者手里，完成学期反馈评估。

（3）作业形式。作业包括纸质作业和电子作业，且安排了分组。纸质作业主要是对课本习题的思考，对于有一定难度的习题，要求学生写上自己对课堂仿真的思考、疑问或者对老师上课的意见等。电子作业是要求组内完成课堂上某个仿真程序的编写和运行，其中均包含对仿真教学的反馈。

（4）报告形式。在每一学期教学中，安排PPT报告。根据课堂上的仿真教学，结合课本未讲述的内容制作PPT并进行报告。报告要求分工合作， 其中包含对课堂仿真教学和教师的评价。

根据以上教学评估结果，对学生和教师学期表现进行综合评价。

笔者针对计算机专业理科基础薄弱、物理学习动机和兴趣的缺乏、教学和考核方式单一、教学内容陈旧、理论与实践脱节等问题，在大学物理课堂教学实施了仿真教学，同时改革了教学内容、教学方式和评价机制等。教学实践表明，仿真教学精简了大学物理理论知识内容，减轻了学生学习负担；增强学生学习的动机，提高学生学习的兴趣，参与课堂教学；加强了与专业的关联性， 提高了学生的专业实践能力。此教学研究将大学物理理论知识与计算机专业应相结合，强调了学科的实用性，推进应用型本科高校的改革。

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