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關(guān)鍵詞：傳熱學(xué) 仿真實驗 探討

中圖分類號：G64 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（b）-0040-02

1 實驗教學(xué)存在的問題

實驗教學(xué)是工科類專業(yè)素質(zhì)教育的重要組成部分，是鞏固課堂所學(xué)知識、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究方法、實驗基本技能以及創(chuàng)新能力的重要途徑。加強實驗教學(xué)改革有助于提升整體教學(xué)水平。實驗室硬件水平是開展教學(xué)實驗的基本保障，但由于人力、物力、財力的限制，實驗室硬件通常不能滿足實際教學(xué)需求。比如，實驗室缺乏必要的專業(yè)實驗設(shè)備導(dǎo)致教學(xué)計劃中的一些教學(xué)實驗無法順利開展，或者部分教學(xué)設(shè)備陳舊老化、數(shù)量嚴(yán)重不足，無法為每個學(xué)生提供全程動手操作的機會，另外某些專業(yè)實驗設(shè)備價格昂貴甚至實驗過程存在一定的危險性也導(dǎo)致許多學(xué)校在開設(shè)實驗項目時常常有所保留。有些實驗受到場地和課時限制，在規(guī)定的時間內(nèi)無法完成實驗或?qū)嶒炐Ч焕硐?，這些都直接影響了實驗課的教學(xué)效果。上述問題除了通過合理的實驗室建設(shè)和設(shè)備購置來解決外，還可借助現(xiàn)代計算機仿真技術(shù)開展仿真實驗教學(xué)來解決。

2 仿真實驗

仿真實驗是指在交互狀態(tài)下，借助編程軟件、多媒體、仿真等技術(shù)在計算機上營造可輔助、部分替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，學(xué)生可以像在真實環(huán)境一樣完成各種實驗項目，所得的結(jié)果甚至優(yōu)于實際實驗結(jié)果。仿真實驗具有很多的優(yōu)點它營造了多樣化的教學(xué)環(huán)境，能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；將仿真實驗與網(wǎng)絡(luò)鏈接后，學(xué)生可以利用校園網(wǎng)進行實驗課程的學(xué)習(xí)，打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)時間和空間的限制；可以節(jié)省實驗經(jīng)費，實現(xiàn)多種實驗?zāi)康摹?/p>

一些高等院校和企業(yè)開發(fā)了適用于不同專業(yè)、實現(xiàn)不同功能的實驗仿真軟件，促進了仿真實驗在工科實驗教學(xué)中的應(yīng)用。如能實現(xiàn)離心泵測定、精餾、吸收等功能的化工原理仿真實驗、驗證電工基本定理的電工電子仿真實驗、大學(xué)物理仿真實驗、建筑工程仿真實訓(xùn)系統(tǒng)等。在熱能與動力工程專業(yè)中有西安交通大學(xué)[1]開發(fā)的制冷過程多媒體演示與模擬教學(xué)實驗，浙江大學(xué)[2]開發(fā)的基于web的小型冷庫教學(xué)系統(tǒng)，東南大學(xué)[3]開發(fā)的制冷空調(diào)綜合創(chuàng)新模擬實驗平臺，長沙理工大學(xué)[4]開發(fā)的能夠?qū)崿F(xiàn)二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、豎壁附近自然對流換熱和輻射角計算3個虛擬實驗的傳熱學(xué)虛擬實驗等。這些仿真實驗借助計算機仿真技術(shù)，通過聲音、動畫、彩色圖像等豐富的表現(xiàn)力為學(xué)生提供了內(nèi)容豐富、形象直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，取得了較好的教學(xué)效果。

3 傳熱學(xué)仿真實驗

傳熱學(xué)實驗教學(xué)是熱能與動力工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課實驗教學(xué)，與傳熱學(xué)理論課程互為補充，是課堂理論教學(xué)的繼續(xù)和深化，對于培養(yǎng)學(xué)生的解決工程實際問題能力和研究開發(fā)能力具有重要的作用。在傳熱學(xué)教學(xué)中引入仿真實驗，是為了更好地完成大綱中規(guī)定而實際無條件實現(xiàn)的實驗項目和內(nèi)容。以我校熱能與動力工程專業(yè)為例，目前本專業(yè)傳熱學(xué)實驗內(nèi)容主要包括隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測量（10臺）、外掠管束對流傳熱系數(shù)測量（2臺）、換熱器性能測試（3臺）等。實驗內(nèi)容相對較少且實驗臺數(shù)量太少遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際需要，導(dǎo)致實驗過程中無法保證每個同學(xué)的實際動手操作。另外，因?qū)嶒炘O(shè)備使用過于頻繁導(dǎo)致其老化加快，實驗中就曾出現(xiàn)因設(shè)備部件故障而無法繼續(xù)實驗的情況，如換熱器性能實驗中因熱電偶出錯影響了實驗的順利進行。因此，在不能保證足夠?qū)嶒炘O(shè)備數(shù)量前提下，借助計算機仿真實驗來輔助傳熱學(xué)實驗教學(xué)不僅能擴展本專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容，還能幫助學(xué)生深入了解實驗原理，保證實驗的順利進行。

3.1 傳熱學(xué)仿真實驗介紹

根據(jù)傳熱學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，我們對現(xiàn)有的硬件實驗設(shè)備進行了綜合分析，確定了這些設(shè)備能夠開展的實驗內(nèi)容，把無法開展的實驗內(nèi)容用計算機仿真實驗來代替。為此，我們開發(fā)了一套傳熱學(xué)實驗仿真軟件，下面就此軟件進行介紹。

傳熱學(xué)實驗仿真軟件采用的開發(fā)工具為Visual Basic 6.0軟件，該軟件可以很方便地實現(xiàn)用戶界面、菜單、操作按鈕和工具條的制作，能夠完成實驗過程需要的原理演示、實驗裝置構(gòu)成顯示、閥門開關(guān)與開度調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理、實驗幫助等功能，開發(fā)的軟件用戶容易上手，使用起來很方便。圖1為其中的水平圓管壁面自然對流傳熱關(guān)聯(lián)式仿真實驗主界面。界面主要由標(biāo)題欄、狀態(tài)條、實驗設(shè)備、操作按鈕組成。點擊操作按鈕可以實現(xiàn)加熱器的電壓調(diào)節(jié)，可以查看并學(xué)習(xí)實驗指導(dǎo)書的相關(guān)內(nèi)容，還可以查看實驗過程中的換熱量和溫度參數(shù)的動態(tài)變化情況以及確定讀取實驗數(shù)據(jù)。

傳熱學(xué)實驗仿真軟件的功能是能實現(xiàn)圓球法測導(dǎo)熱系數(shù)實驗、二維導(dǎo)熱溫度場的數(shù)值計算、非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱溫度場的數(shù)值計算、水平圓管壁面自然對流傳熱關(guān)聯(lián)式實驗、中溫輻射物體黑度測試和換熱器性能測試實驗等6項實驗內(nèi)容。與實驗室現(xiàn)有的硬件實驗教學(xué)設(shè)備形成互補后，基本上涵蓋了包括導(dǎo)熱、對流、輻射和換熱器在內(nèi)的所有傳熱學(xué)實驗內(nèi)容。

傳熱學(xué)實驗仿真軟件采用模塊化建模，開發(fā)過程中，將每部分實驗內(nèi)容作為一個單獨模塊。每個模塊中除了包括實驗臺系統(tǒng)動畫圖形外，還包括實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理方法和思考題等內(nèi)容。開發(fā)過程中采用了動態(tài)模擬技術(shù)，實驗過程中的實驗參數(shù)可以實現(xiàn)動態(tài)即時顯示，使模擬實驗更貼近于實際情形，學(xué)生可根據(jù)參數(shù)的動態(tài)變化隨時了解實驗進行情況并判斷數(shù)據(jù)讀取的時機。由于該仿真軟件詳細(xì)地介紹了每個實驗的原理、內(nèi)容、操作步驟、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，所以它也可作為傳熱學(xué)實驗的系統(tǒng)學(xué)習(xí)工具使用。

3.2 仿真實驗教學(xué)效果

通過使用該傳熱學(xué)實驗仿真軟件，取得了較好的實驗教學(xué)效果。首先，該傳熱學(xué)實驗仿真軟件能夠?qū)崿F(xiàn)因缺少相關(guān)實驗室硬件而無法進行的實驗項目，完成了傳熱學(xué)實驗教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生使用后，加深了對數(shù)值計算、對流傳熱、輻射、換熱器性能等實驗涉及的理論和實驗測試內(nèi)容的理解，豐富了學(xué)生的傳熱學(xué)實驗實踐，實現(xiàn)了學(xué)生對傳熱學(xué)知識的全面學(xué)習(xí)和理解。

其次，由于實驗形式新穎，加上界面設(shè)計友好，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣較高，實驗后普遍反映對所進行的實驗尤其是原理和數(shù)據(jù)處理等相關(guān)內(nèi)容有了更全面和深刻的了解。另外，由于該仿真軟件具有完善的用戶幫助功能，且可以直接在Blackboard教學(xué)平臺上進行操作，學(xué)生實驗時不受實驗時間和空間限制，也可多次進行，使用起來相當(dāng)方便，效果較好。

為了取得更好的教學(xué)效果，未來將在該傳熱學(xué)實驗仿真軟件中進一步增加測試與評分模塊，實現(xiàn)用戶仿真實驗效果的即時測試與打分。還將在該實驗仿真軟件中增加更多的動態(tài)模擬內(nèi)容，使其更喜迎并方便用戶使用。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有實驗教學(xué)中存在的問題，本文探討了計算機仿真在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，分析了仿真實驗的優(yōu)點。對我們開發(fā)的一套傳熱學(xué)實驗仿真仿真軟件進行了介紹，并概括描述了仿真實驗的教學(xué)效果。

參考文獻

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物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，所謂物理實驗，就是根據(jù)物理學(xué)研究目的，選用適當(dāng)?shù)膶嶒瀮x器或?qū)嶒炑b置，用人為的方法讓實驗現(xiàn)象再現(xiàn)，并加以觀察和研究的一種科學(xué)活動"物理實驗的內(nèi)容包括力、熱、電、光等科學(xué)技術(shù)研究的各個方面，它是一切科學(xué)實驗的基礎(chǔ)。大學(xué)中的物理實驗課程已經(jīng)被設(shè)定為必修課程，這一規(guī)定既有助于幫助大學(xué)生進行科學(xué)實驗訓(xùn)練，同時也是訓(xùn)練大學(xué)生接受系統(tǒng)實驗的開端。大學(xué)中物理實驗不僅僅局限于某一領(lǐng)域，而是涉及各個領(lǐng)域，這說明，理工科個學(xué)科之間存在共性和普遍性，同時也說明了物理實驗在學(xué)科學(xué)習(xí)中的重要性。隨著課程改革目標(biāo)的出現(xiàn)，實驗教學(xué)改革也進一步的落實，實驗改革在落實上相比其他課程改革存在一定的難度，實驗教學(xué)主要依靠的是實驗室硬件設(shè)施的跟進，實驗改革最大的目標(biāo)就是放手給學(xué)生去動手實驗，然而很多學(xué)校存在最大的問題就是不敢放手讓學(xué)生去使用，限制實驗是開放的時間等等，學(xué)生操作難以進行，學(xué)習(xí)成果自然不會提高。立足于實驗改革中存在的若干問題，仿真實驗的誕生無疑能夠為這些問題的解決帶來福音。特別是作為計算機輔助物理實驗教學(xué)軟件的一個新的發(fā)展，仿真物理實驗已經(jīng)成為高校物理實驗改革的亮點。仿真物理實驗最大的優(yōu)勢就是能夠為學(xué)生提供一個預(yù)習(xí)準(zhǔn)備的學(xué)習(xí)環(huán)境，可以讓學(xué)生在進行實際的實驗操作之前，做得一切準(zhǔn)備工作。

2 對于仿真實驗的認(rèn)識

2.1 仿真實驗概述

所謂仿真實驗，是相對于真實實驗而存在的，兩者的主要差別在于：實驗過程中所觸及的對象與事物是否真實，在真實實驗中所采用的實驗工具、實驗對象都是以實物形態(tài)出現(xiàn)的，而在仿真實驗中，不存在實物形態(tài)的實驗工具與實驗對象，實驗過程主要是對虛擬的實驗儀器及設(shè)備進行操作。仿真物理實驗被作為一種計算機輔助教學(xué)軟件，應(yīng)用于現(xiàn)代教育中，主要是以技能訓(xùn)練為主的一種實驗技能領(lǐng)域的學(xué)習(xí)型軟件，能夠幫助教學(xué)對象進行思想的建構(gòu)，同時完成實時的操作，輔助學(xué)生在開始實際實驗操作之前進行實踐訓(xùn)練。仿真實驗主要提供了一種以教學(xué)理論、計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的一種非實在性的實驗空間，其本質(zhì)是由計算機模擬實現(xiàn)的一個虛擬的實驗環(huán)境。

2.2 仿真實驗的特征

⑴仿真性。仿真性這一特征從其名稱中就不難看出，作為一款輔助型軟件，其最大的特點就是模擬了真實的實驗過程，為學(xué)生虛擬一種真實實驗的環(huán)境，同時在仿真實驗中的一些實驗設(shè)施與實際中的實驗設(shè)施幾乎相同，學(xué)生在操作的過程中能夠真實的感受實驗的過程，如同置身真實的實驗環(huán)境一般。

⑵交互性。與真實的實驗環(huán)境不同，仿真實驗?zāi)軌蛱峁┙o學(xué)生更多的交流感，使其與計算機之間進行雙向的交流，同時可以自由的對實驗的設(shè)施進行操作和選擇，減少了了實際操中的一些束縛。

⑶靈活性。仿真實驗最大的特點，在教學(xué)改革過程中改變最大的就是他的靈活性，學(xué)生在進行傳統(tǒng)的物理實驗的過程中遇到了很多阻力，其中最常見的就是一些教師不敢放手將實驗室開放給學(xué)生，當(dāng)然這里有許多的原因，如設(shè)備的維護、購置、費用等等因素。仿真實驗的研發(fā)就大大解決了這一問題，仿真實驗易于擴充維護，操作方便，可以隨時開放，反復(fù)實踐，提高辦學(xué)效率，而且仿真實驗靈活方便，便于實現(xiàn)資源共享。

3 大學(xué)物理仿真實驗應(yīng)用于教學(xué)的優(yōu)勢

3.1 營造多樣化學(xué)習(xí)環(huán)境，打破了時間和空間的局限

與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比較，仿真物理實驗主要結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)，建構(gòu)了多媒體的教學(xué)平臺，為課堂的教學(xué)環(huán)境帶來了創(chuàng)新點，也大大提高了課堂的新鮮感。同時仿真物理實驗也在教學(xué)的時間和空間上得到了延伸，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，總是苦惱于課前的實驗準(zhǔn)備和課后的實驗復(fù)習(xí)，實驗室的短暫的學(xué)習(xí)時間，無法滿足學(xué)生對于實驗課的認(rèn)知需求，仿真實驗的出現(xiàn)，大大緩解了這些壓力，學(xué)生可以自由的選擇學(xué)習(xí)的時間和地點，對于提高自主學(xué)習(xí)有很大的幫助。

3.2 仿真實驗可以節(jié)省實驗經(jīng)費，保證實驗項目和數(shù)量

傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)，存在一些實驗經(jīng)費與實驗設(shè)備置購得難題，特別是一些近代的物理實驗，需要的實驗器材價格昂貴，同時在操作上也相對復(fù)雜，出于對資金的考慮，很多高校無力開設(shè)這些實驗，實驗課程的縮減必然會影響學(xué)生的一些正常的學(xué)習(xí)進度。仿真物理實驗的出現(xiàn)大大解決了這一難題，有了好的仿真實驗軟件，那些耗資大的實驗同樣可以開設(shè)，從而保證了實驗的項目和數(shù)量。

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【關(guān)鍵詞】proteus；仿真實驗室；構(gòu)建

一、proteus仿真實驗室概念

proteus仿真實驗室就是把計算機當(dāng)作實驗平臺和實驗中心，通過網(wǎng)絡(luò)進行電路分析、數(shù)字電路、嵌入式系統(tǒng)（單片機應(yīng)用系統(tǒng)、arm應(yīng)用系統(tǒng)）、模擬電路、微機原理與接口技術(shù)等課程，在計算機軟件上進行電路設(shè)計、仿真和調(diào)試等通常在實驗室完成的實驗。proteus仿真實驗室的實驗主要是電路分析、數(shù)字電路、模擬電路、嵌入式系統(tǒng)（單片機應(yīng)用系統(tǒng)、arm應(yīng)用系統(tǒng)）等課程的實驗和研究。

二、proteus虛擬仿真實驗室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

proteus虛擬仿真實驗室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，以建立在計算機網(wǎng)絡(luò)平臺上的proteus軟件平臺為基礎(chǔ)，構(gòu)建一個完整的proteus實驗系統(tǒng)的綜合設(shè)計與創(chuàng)新實訓(xùn)平臺。在proteus實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，從原理圖設(shè)計、單片機編程、系統(tǒng)仿真到pcb設(shè)計一氣呵成，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。

（1）計算機網(wǎng)絡(luò)平臺。從圖中可知，proteus實驗系統(tǒng)是建立在計算機網(wǎng)絡(luò)平臺上的。為了使更多的模擬實驗者參與到仿真實驗中來，實現(xiàn)資源共享，要發(fā)揮proteus實驗室的網(wǎng)絡(luò)資源開放的作用，實現(xiàn)多人參與實驗，以proteus服務(wù)器為網(wǎng)絡(luò)中心，實現(xiàn)proteus仿真實驗的全覆蓋。（2）proteus軟件平臺。proteus是一種強大的計算機自動化設(shè)計軟件，能夠提供智能原理圖設(shè)計系統(tǒng)，spic模擬電路、數(shù)字電路以及mcu器件混合仿真系統(tǒng)和pcb設(shè)計系統(tǒng)功能。（3）proteus實驗系統(tǒng)。proteus實驗系統(tǒng)是仿真實驗室的核心，其系統(tǒng)能夠在實驗中直觀的顯示實驗的過程，通過圖形顯現(xiàn)實驗的每個細(xì)節(jié)，使參與實驗操作的人員能夠?qū)嶒灥膭討B(tài)有個感官的過程。

三、單片機虛擬仿真實驗的內(nèi)容構(gòu)成

proteus軟件具有動態(tài)的模仿優(yōu)勢，在教學(xué)中可以通過《單片機原理與應(yīng)用》這門課程的教學(xué)內(nèi)容進行分析研究，對教學(xué)的知識點進行拆分和綜合，可將proteus單片機仿真實驗分為基礎(chǔ)性試驗、綜合性試驗和創(chuàng)新性實驗?；A(chǔ)性試驗是對單片機系統(tǒng)相關(guān)課程中的實驗進行模擬設(shè)計及設(shè)計驗證，實驗設(shè)計的目的將學(xué)生在課堂上所學(xué)的知識進行消化，同時學(xué)會用pro

teus軟件系統(tǒng)解決課堂上出現(xiàn)的問題，使課堂教學(xué)與實驗相結(jié)合；綜合性實驗是在學(xué)生學(xué)習(xí)單片機系統(tǒng)模擬實驗的基礎(chǔ)上，增加實驗的內(nèi)容，在實驗教師的指導(dǎo)下，運用mcu解決命題性實驗的題目，學(xué)生按照擬定的題目內(nèi)容進行電路圖設(shè)計、仿真調(diào)試、代碼的編寫、pcb設(shè)計、制作pcb和驗證pcb設(shè)計等一系列過程。由于在proteus軟件平臺上，一個產(chǎn)品項目可以做到從原理圖設(shè)計、單片機編程、系統(tǒng)仿真到pcb設(shè)計的完整過程，實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。而完整的工作過程包括資訊、計劃、決策、實施、檢查、評估6個環(huán)節(jié)，項目化實驗主要有四個步驟：（1）工作任務(wù)的描述。包括工作任務(wù)在整個工作體系中所表現(xiàn)的出的作用、所處的地位，完成工作任務(wù)需要的設(shè)備、工具和材料等等；（2）現(xiàn)場演示與理論講解。教師根據(jù)工作任務(wù)，進行現(xiàn)場作品演示，演示作品制作的過程，加深學(xué)生的感性認(rèn)識，同時在演示文本的過程穿插理論的講解，引導(dǎo)學(xué)生在proteus仿真實驗中構(gòu)建理論知識；（3）項目的實施。根據(jù)老師的講解和工作任務(wù)對題目進行設(shè)計和制作，完成課題項目；（4）對仿真實驗進行總結(jié)。教師對學(xué)生完成的作品進行評價，包括作品的外觀、產(chǎn)品制作水平和質(zhì)量等級等，在學(xué)生之間進行對比分析，找出優(yōu)點和缺點。因此，引入proteus虛擬仿真實驗系統(tǒng)后的單片機系統(tǒng)相關(guān)課程，非常適應(yīng)于采用基于工作過程的項目式教學(xué)模式，利于單片機系統(tǒng)課程開展基于工作過程的項目化課程教學(xué)改革。

在教學(xué)實驗中，充分的利用學(xué)校現(xiàn)有的計算機設(shè)備，購置proteus軟件，幫助學(xué)生消化教學(xué)中的難點，加強學(xué)生的理解能力，提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。引入proteus虛擬仿真實驗，有利于促成課程和教學(xué)改革，更有利于具備工程實踐能力的應(yīng)用性人才的培養(yǎng)。

參 考 文 獻

[1]岳東海.基于proteus的虛擬實驗室在實踐性教學(xué)中的應(yīng)用[j].常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報.2007（3）：47～49

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［關(guān)鍵詞］實驗室技術(shù)和方法；教學(xué)方法；仿生學(xué)；計算機通信網(wǎng)絡(luò)

1虛擬仿真實驗教學(xué)中心可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵與建設(shè)任務(wù)

虛擬仿真實驗教學(xué)中心可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵包含2個方面：（1）具有智能發(fā)展性。虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)要根據(jù)學(xué)科的發(fā)展規(guī)劃以及學(xué)科建設(shè)的新要求，在當(dāng)前現(xiàn)有的資源基礎(chǔ)上不斷加入新的內(nèi)容、新的知識和新的技術(shù)手段［3］。（2）具有可持續(xù)發(fā)展性。即保證發(fā)展的長遠(yuǎn)性和不間斷性，這就要求虛擬仿真實驗教學(xué)中心要立足學(xué)校的高度，打破學(xué)科的局限，整合各學(xué)科信息化實驗教學(xué)資源，發(fā)揮企業(yè)開發(fā)實力強、支持服務(wù)能力好的優(yōu)勢，以培養(yǎng)學(xué)生扎實的綜合實驗設(shè)計能力與創(chuàng)新能力為出發(fā)點，創(chuàng)造性地建設(shè)與應(yīng)用高水平軟件共享虛擬實驗、儀器共享虛擬實驗和遠(yuǎn)程控制虛擬實驗等教學(xué)資源，提高教學(xué)能力，拓展實踐領(lǐng)域，豐富教學(xué)內(nèi)容，降低成本和風(fēng)險，開展綠色實驗教學(xué)［4］。具體應(yīng)做到以下幾點：（1）管理平臺的建設(shè)。虛擬仿真實驗教學(xué)中心不是單一學(xué)科專業(yè)的封閉式實驗室，而應(yīng)該是多學(xué)科、多學(xué)校、多地區(qū)的實驗教學(xué)資源平臺，需要一個兼容性強，且具備擴展性和前瞻性的共享管理平臺來管理實驗教學(xué)資源，以實現(xiàn)校內(nèi)外、本地區(qū)及更廣范圍內(nèi)的實驗教學(xué)資源共享。（2）保障持續(xù)性運行經(jīng)費的投入。虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)與發(fā)展需要虛擬仿真實驗項目與軟件的不斷開發(fā)、維護與更新，必須要有持續(xù)性的經(jīng)費支持，沒有持續(xù)性的經(jīng)費支持，虛擬仿真實驗教學(xué)中心不可能得到良好持續(xù)的發(fā)展。（3）建立管理體制與運行機制。完善良好的管理體制和合理的運行機制是虛擬仿真實驗教學(xué)中心高效運轉(zhuǎn)的前提，多學(xué)科、多專業(yè)的實驗教學(xué)資源融合平臺需要有好的管理體制與運行機制以確保各項實驗教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)［5］。（4）探索校企共建共管的新模式和新途徑，建立可持續(xù)發(fā)展的虛擬仿真實驗教學(xué)服務(wù)支撐體系。

2虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的必要性

培養(yǎng)創(chuàng)新型和實用型的“一專多能”高素質(zhì)檢驗人才離不開實驗教學(xué)這一重要環(huán)節(jié)。醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗是針對醫(yī)學(xué)實驗的現(xiàn)象及過程，通過仿真、虛擬現(xiàn)實、多媒體等技術(shù)及相關(guān)設(shè)備將操作實踐與實驗材料、實驗儀器、實驗內(nèi)容、實驗方法步驟等相互結(jié)合構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗對象，學(xué)生能在高仿真度的虛擬環(huán)境中開展實驗，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)所要求的教學(xué)效果［6］。而醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)是一門實踐性和應(yīng)用性均很強的學(xué)科。臨床檢驗工作者要熟練掌握常用檢驗儀器的實驗原理與操作技能，具備分析問題和解決問題的獨立工作能力，這需要經(jīng)歷一個較漫長的過程。長期以來，檢驗專業(yè)的教學(xué)常以教師授課、學(xué)生聽課及進行常規(guī)的實驗操作和課后看書復(fù)習(xí)的傳統(tǒng)教學(xué)模式為主，學(xué)生實操能力的培養(yǎng)受到一定實驗條件的限制［7］。因此，可依托虛擬臨床實驗室系統(tǒng)與虛擬實驗操作流程，讓操作者可以通過計算機虛擬的實驗環(huán)境，擺脫傳統(tǒng)實驗的種種限制，讓學(xué)生“身臨其境”地操作虛擬儀器和其他實驗器材自主選擇實驗內(nèi)容、模擬操作過程，通過對虛擬世界的體驗和交互作用加快熟悉檢驗的相關(guān)內(nèi)容，從而達(dá)到教學(xué)大綱的教學(xué)要求與學(xué)習(xí)效果。虛擬仿真教學(xué)作為實驗教學(xué)的輔助有段可有效解決過去醫(yī)學(xué)檢驗教學(xué)的難題：（1）為解決醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)高、精、昂貴儀器培訓(xùn)難的困擾提供了條件。醫(yī)學(xué)檢驗離不開高、精、昂貴的儀器設(shè)備（如全自動生化分析儀、高精酶標(biāo)儀、流式細(xì)胞儀等），然而在學(xué)生上實操課、見習(xí)及各級各類培訓(xùn)過程中不可能拆分儀器和實時親手操作這些儀器設(shè)備，而通過虛擬的儀器設(shè)備可很好地解決這一難題，實現(xiàn)對高、精、昂貴的儀器設(shè)備的操作，達(dá)到醫(yī)學(xué)檢驗實驗機能與培養(yǎng)學(xué)生綜合實驗思維的目的［8］。（2）規(guī)范檢驗技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化操作培訓(xùn)。通過模擬操作檢驗過程（如細(xì)菌接種培養(yǎng)、靜脈血標(biāo)本和骨髓標(biāo)本的采集等）規(guī)范學(xué)生的臨床檢驗實驗操作，掌握相關(guān)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化操作程序，提高臨床實踐能力。（3）規(guī)避檢驗技術(shù)培訓(xùn)的生物安全問題。在虛擬環(huán)境下進行仿真儀器操作與實驗項目訓(xùn)練不需要接觸真實的設(shè)備和疾病標(biāo)本，避免了受感染、受傷的危險性。（4）節(jié)約檢驗技術(shù)培訓(xùn)的實驗器械、試劑等耗材成本。在虛擬實驗室中學(xué)習(xí)及操作虛擬實驗可反復(fù)多次訓(xùn)練，不存在實驗器械、耗材與試劑（如昂貴的抗體）的消耗，節(jié)省使用、維護成本。（5）解決臨床檢驗中疑難罕見形態(tài)學(xué)資源短缺問題。在虛擬形態(tài)學(xué)圖片庫中可隨時搜索并學(xué)習(xí)到一些在臨床工作中少見的細(xì)菌（紅斑丹毒絲狀菌）、病毒（漢坦病毒）、寄生蟲（環(huán)孢子蟲）、白血病細(xì)胞及一些罕見的實驗現(xiàn)象、結(jié)果等，可達(dá)到實際實驗難以實現(xiàn)的效果，使操作者的學(xué)習(xí)事半功倍，大大縮短了學(xué)生進入臨床檢驗工作的適應(yīng)期。（6）增加學(xué)生對檢驗技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣和效果。在逼真的軟件系統(tǒng)與豐富的數(shù)字化資源中自由尋覓，遠(yuǎn)比枯燥的課本、笨重的儀器、漫長的實驗等待更能吸引學(xué)生的興趣，從而提高學(xué)習(xí)效果。（7）臨床檢驗人員的再教育也可充分利用虛擬仿真實驗教學(xué)中心。讓臨床檢驗人員在工作之余根據(jù)自己的興趣和愛好在逼真的軟件系統(tǒng)與豐富的數(shù)字化資源中自由學(xué)習(xí)新知識、新技術(shù)、新進展，達(dá)到再次提升技能的目的。（8）在課余時間，學(xué)生可利用虛擬仿真實驗教學(xué)中心進行科研設(shè)計和預(yù)實驗。學(xué)生進入虛擬場景，根據(jù)實驗要求自行設(shè)計實驗并完成實驗，這樣不僅能鍛煉學(xué)生的獨立構(gòu)思和設(shè)計能力，且能激發(fā)學(xué)生的科研興趣，更有利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新型和實用型人才。

3制約虛擬仿真實驗教學(xué)中心可持續(xù)發(fā)展的問題

從2013年啟動國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)工作至今已有數(shù)年，全國已有300余家國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，但在管理機制和運行機制等方面尚不盡完善，存在一些問題：（1）資源利用不高及浪費嚴(yán)重。部分虛擬仿真實驗中心利用率不高，加上新技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)致一些資源的折舊率很高。應(yīng)將每個高校各自不同實驗室的資源進行整合以提高利用率［9］。（2）后續(xù)投入的經(jīng)費不足。大部分高校虛擬仿真實驗中心建設(shè)模式為一次性建設(shè)，在建設(shè)完成后很少有經(jīng)費的持續(xù)性投入，但虛擬仿真實驗中心的建設(shè)是一個持續(xù)性過程，虛擬仿真教學(xué)實驗項目的增設(shè)、軟件的更新均需要后續(xù)的擴展與完善，均需要持續(xù)性的經(jīng)費投入。（3）管理機制和運行機制尚不夠完善。部分高校虛擬仿真實驗教學(xué)中心無法發(fā)揮多學(xué)科的優(yōu)勢，缺乏統(tǒng)一的管理平臺，在資源整合方面做得不夠細(xì)致，從而導(dǎo)致利用率不高［10］。（4）知識產(chǎn)權(quán)的保護力度不夠。在虛擬仿真實驗教學(xué)的建設(shè)過程中每一個新的虛擬仿真實驗教學(xué)項目與實驗軟件的開發(fā)均是工作人員智慧與汗水的結(jié)晶，應(yīng)該對其進行知識產(chǎn)權(quán)的保護與獎勵。但目前大部分高校僅將此當(dāng)作其工作職責(zé)與工作義務(wù)看待。對知識產(chǎn)權(quán)保護和建設(shè)人員的效益激勵力度不夠，在一定程度上阻礙了虛擬仿真教學(xué)中心的可持續(xù)性發(fā)展［11］。

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關(guān)鍵詞 虛擬仿真；實驗教學(xué)平臺；教學(xué)資源

中圖分類號：G642.423 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：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

虛擬仿真實驗教學(xué)依托現(xiàn)代計算機等手段，通過動畫與計算機模擬構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗?zāi)Ｐ?，使學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)終端開展實驗，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。虛擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)根據(jù)專業(yè)教學(xué)大綱進行設(shè)計，發(fā)揮專業(yè)教師的主觀能動性，進行虛擬實驗的設(shè)計與編制。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)是一個多學(xué)科合作的項目，涉及專業(yè)教學(xué)、計算機設(shè)計、工程仿真等方面，需要學(xué)校進行統(tǒng)一規(guī)劃，必要時可以和專業(yè)軟件公司合作，共同完成虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)。

虛擬仿真實驗教學(xué)中心應(yīng)實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能。在涉及高?；驈?fù)雜、難以重復(fù)的實驗項目等情況時，提供安全、可靠和經(jīng)濟的實驗項目。虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)專業(yè)實驗教學(xué)特色，將教師的科研成果融入實驗教學(xué)之中，注重對學(xué)生專業(yè)技能和專業(yè)創(chuàng)新技能的培養(yǎng)。虛擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)發(fā)揮學(xué)校學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，整合學(xué)校實驗教學(xué)儀器與設(shè)備，根據(jù)實驗教學(xué)大綱進行虛擬仿真實驗教學(xué)的統(tǒng)籌規(guī)劃。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)中心功能

1）利用信息化的重要技術(shù)，如有限元模擬、實驗動畫、企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場錄像、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，實現(xiàn)虛擬實驗教學(xué)，通過虛擬實驗?zāi)M仿真，增強學(xué)生專業(yè)知識掌握和基本能力訓(xùn)練；

2）構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)計實驗方案，輸入實驗參數(shù)，獲得實驗結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)，驗證實驗方案的合理性；

3）虛擬仿真實驗為車輛工程教學(xué)設(shè)計和實現(xiàn)服務(wù)，按照教學(xué)大綱的要求，合理安排實驗資源，實現(xiàn)實驗教學(xué)資源開放共享。

3 虛擬仿真實驗教學(xué)中心效果

虛擬仿真實驗平臺按照教學(xué)大綱設(shè)計相關(guān)實驗，包括實驗大綱、實驗?zāi)繕?biāo)、實驗內(nèi)容、實驗指導(dǎo)、實驗過程動態(tài)演示、實現(xiàn)操作視頻、實驗作業(yè)等，制作不同工藝參數(shù)的影響規(guī)律仿真動畫，實現(xiàn)人機對話與實驗資源共享。學(xué)生可以通過客戶端直觀地看到各種實驗現(xiàn)象與實驗過程的規(guī)律，深入理解相關(guān)專業(yè)知識，有更多機會參加高水平的實驗，享用優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源，實踐能力和創(chuàng)新精神得到提升。同時使教師教學(xué)理念得到更新，教學(xué)能力得到提升，促進教學(xué)管理體系和能力現(xiàn)代化。

4 虛擬仿真實驗教學(xué)中心平臺

虛擬實驗教學(xué)平臺系統(tǒng)功能框架如圖1所示。學(xué)生登錄系統(tǒng)后，進入虛擬實驗平臺主界面，根據(jù)專業(yè)方向，選擇希望學(xué)習(xí)的實驗項目。用戶通過虛擬實驗教學(xué)平臺可以查看對應(yīng)項目的實驗教學(xué)大綱、實驗講義（包括實驗?zāi)繕?biāo)、實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗作業(yè)）、實驗操作規(guī)程與操作視頻，進行虛擬實驗。在虛擬實驗界面下，用戶自行確定實驗參數(shù)，系統(tǒng)通過后臺分析，確定與該實驗參數(shù)對應(yīng)的實驗結(jié)果仿真動畫，并提供實驗現(xiàn)場照片對比分析。用戶還可以進一步下載仿真結(jié)果后處理文件，利用有限元工具，進行后處理分析，獲得各種實驗數(shù)據(jù)，完成實驗報告。

此外，系統(tǒng)還提供了BBS論壇功能，學(xué)生可以把實驗過程遇到的問題提出來，與教師一起討論，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性與積極性。系統(tǒng)管理功能可以實現(xiàn)實驗項目查詢、實驗人員管理、實驗設(shè)備管理、系統(tǒng)幫助與系統(tǒng)推出等功能?？紤]到學(xué)生缺少企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的工作經(jīng)驗，系統(tǒng)還提供了生產(chǎn)現(xiàn)場仿真功能，學(xué)生可以以通過該功能了解企業(yè)生產(chǎn)一線設(shè)備與工藝情況，加深對本專業(yè)知識的理解深度與廣度。

通過虛擬實驗教學(xué)平臺系統(tǒng)還可以實現(xiàn)：

1）幫助學(xué)生進一步認(rèn)識和了解相關(guān)專業(yè)知識，掌握實驗技能；

2）學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)完成并提交實驗作業(yè)與報告，及時和專業(yè)指導(dǎo)教師進行溝通；

3）學(xué)生可以根據(jù)自身實際情況合理安排實驗時間，避免因故錯過實驗課程的訓(xùn)練環(huán)節(jié)；

4）實驗教師可以及時掌握學(xué)生完成實驗的情況，同時也可以為學(xué)生在真實環(huán)境下的實驗進行預(yù)約安排。

5 結(jié)語

虛擬仿真實驗教學(xué)是各教學(xué)單位實驗課程建設(shè)的一個重要環(huán)節(jié)，也是未來實驗教學(xué)的一個發(fā)展趨勢。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的實現(xiàn)，有助于教師合理科學(xué)地安排專業(yè)實驗課程，最大效率地發(fā)揮學(xué)校的實驗教學(xué)能力，同時也有助于學(xué)生掌握本專業(yè)實驗技能，靈活安排實驗時間。■

參考文獻

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四、虛擬實驗室建設(shè)的構(gòu)想

據(jù)教育部“十二五”發(fā)展規(guī)劃，工程實驗室將在信息集成技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和敏捷制造技術(shù)等方面尋求重大突破，大力推廣和應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)。為此，學(xué)校機械工程實驗中心在現(xiàn)有的軟硬件基礎(chǔ)上，依托工學(xué)院計算機科學(xué)和教育技術(shù)等專業(yè)技術(shù)，積極籌劃機械工程虛擬實驗室的建設(shè)。建設(shè)虛擬實驗、開展網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)，既可豐富學(xué)習(xí)資源、緩解儀器設(shè)備的不足，又能體現(xiàn)個性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，改進教學(xué)模式，提高教學(xué)效果。根據(jù)現(xiàn)有實驗室的發(fā)展和實驗項目情況，初步設(shè)想虛擬實驗室結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要為機構(gòu)展示、虛擬仿真和性能測試三個方面，隨著實驗教學(xué)改革的不斷深入，實驗類型和數(shù)量都會逐步增加，最終形成完善的虛擬實驗教學(xué)體系。

五、結(jié)語

從紅河學(xué)院工學(xué)院對虛擬實驗的應(yīng)用情況看，部分虛擬仿真實驗在實驗教學(xué)中應(yīng)用效果較好，顯示了虛擬仿真實驗的應(yīng)用，彌補了儀器設(shè)備老化和不足的問題。通過使用該類虛擬實驗，可增強學(xué)生實驗興趣，降低實驗成本，在實驗條件不足時，可部分代替實際實驗過程。結(jié)合計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和教育技術(shù)等，相信虛擬仿真實驗將具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

【注 釋】

［1］ 蔡衛(wèi)國.虛擬仿真技術(shù)在機械工程實驗教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實驗技術(shù)與管理,2011.28(8)76-78.

［2］ 郭桂蘋,南岳松.虛擬實驗教學(xué)研究現(xiàn)狀及問題分析［J］.實驗室科學(xué)，2010.13(5)175-178.

［3］ 魏蕓.虛擬實驗的分析與研究［J］.科技信息，2010(35)5-6.

［4］ 郭德偉,柯建宏.基于Flash ActionScript的機構(gòu)運動簡圖測繪實驗設(shè)計與開發(fā)［J］.計算機與數(shù)字工程,2012.40(2)105-107.

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關(guān)鍵詞：有限元 醫(yī)學(xué) 仿真實驗

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

有限元分析是一種廣泛應(yīng)用于工程科學(xué)技術(shù)的數(shù)學(xué)物理方法，用于模擬并解決各種工程力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等物理場問題。1956年Turner等人提出有限元（Finite Element，F(xiàn)E）的概念。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果替代對實際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。

隨著計算機技術(shù)的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計和分析中得到越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析計算問題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機大多數(shù)設(shè)計制造已離不開有限元分析計算，其在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、生物醫(yī)學(xué)研究等各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用已使設(shè)計水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

1 醫(yī)學(xué)有限元國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

有限元方法最早應(yīng)用于骨科研究，開始于脊柱生物力學(xué)[1]。幾十年來其在解決生物力學(xué)問題上得到了廣泛應(yīng)用，尤其近年來，隨著數(shù)字及計算機技術(shù)的不斷進步，有限元法本身已不再是相對獨立地研究生物力學(xué)性質(zhì)，它越來越多地與各種動力學(xué)模型、參數(shù)優(yōu)化選擇、臨床放射學(xué)與實物測量、有機化學(xué)、組織學(xué)與免疫組化等方法巧妙結(jié)合，使結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，成為生物力學(xué)研究中的一種重要工具。有限元方法在醫(yī)學(xué)上的研究主要包括以下四個方面。

1.1 有限元模型的建立

有限元模型的建立，直接影響有限元仿真實驗結(jié)果的精度、計算機計算過程、計算時間的長短，且模型建立的優(yōu)劣與建模人員的專業(yè)素質(zhì)和有限元知識分不開。現(xiàn)有研究的模型包括：人眼[2]、牙齒及矯正器[3]、脊柱[4]、顱腦骨骼[5]、胃[6]等人體骨骼及器官的三維有限元模型。

1.2 力學(xué)實驗仿真

A.Pandolfi，F(xiàn).Manganiello對所建立的人眼角膜模型進行了力學(xué)分析[7]。Tammy L HD等對建立的脛股關(guān)節(jié)三維有限元模型分析了骨骼變形對關(guān)節(jié)面接觸行為的影響以及約束關(guān)節(jié)運動對接觸應(yīng)力的影響等[8]。

脊柱生物力學(xué)仿真是有限元法在生物力學(xué)中研究最早、分析最多、臨床上應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。杜東鵬等則對腰椎間盤膨隆的力學(xué)機制與腰椎疲勞骨折分別進行了探討[9]。

頭顱及顳下關(guān)節(jié)也是有限元在生物力學(xué)中研究的重點。呂長生等對建立的足部骨組織模型進行有限元分析，為運動損傷或運動鞋的評價等提供了依據(jù)[10]。王芳等建立并驗證中國人全頸椎有限元模型，用于揮鞭樣損傷分析[11]。米那瓦爾?阿不都熱依木采用有限元方法，對頜面外科手術(shù)術(shù)后的顏面軟組織形態(tài)變化進行預(yù)測[12]。

1.3 醫(yī)療器械的力學(xué)性能評價及優(yōu)化設(shè)計

牙科是有限元法在臨床應(yīng)用中的一大領(lǐng)域，相應(yīng)的各種牙科固定器材得以研制開發(fā)，這些器材的力學(xué)性能又是研制過程中重點解決的問題。蔡玉惠等研究了RPA卡環(huán)在游離端義齒應(yīng)用中支持組織的應(yīng)力分布狀況，對RPA卡環(huán)的臨床應(yīng)用具有力學(xué)上的指導(dǎo)作用[9]。

在內(nèi)固定鋼板方面，張美超等從臨床應(yīng)用出發(fā)，利用有限元法對頸前路蝶型鋼板進行生物力學(xué)模擬分析，得到了與其一致的易斷裂部位預(yù)測[9]。

在人工關(guān)節(jié)方面，Heegaard JH等建立了髕骨的計算模型，并且模擬了在人工膝關(guān)節(jié)中去掉股骨假體對髕骨活動的影響[13]。王永書等對患者胸腰椎爆裂性骨折節(jié)段（T12～L2）部位利用有限元進行手術(shù)模擬，均與標(biāo)本模型及術(shù)后CT掃描基本相符[14]。

1.4 血流動力學(xué)CFD應(yīng)用

Tarbell JM用FIDAP和Fluent軟件進行了血管壁中組織液流動的數(shù)值研究[15]。喬愛科等利用有限元分析方法得出冠狀動脈搭橋術(shù)中對稱雙路搭橋比單路搭橋具有更合理的血流動力學(xué)，可以避免動脈粥樣硬化的危險性血流動力學(xué)因素，從而減少手術(shù)再狹窄的發(fā)生[16]。楊金有應(yīng)用CFD計算流體力學(xué)軟件進行人體主動脈內(nèi)血流數(shù)值模擬分析，為闡明血管疾病的發(fā)病機理提供理論依據(jù)[17]。姚偉用計算流體力學(xué)軟件Fluent計算人體小腿骨間膜組織間隙中蛋白質(zhì)非均勻分布情況下組織液流動[18]。

2 醫(yī)學(xué)有限元仿真實驗方法

通過上述醫(yī)學(xué)有限元研究可得醫(yī)學(xué)仿真實驗的方法主要分為四步：（1）通過螺旋CT技術(shù)，采集大量的樣本圖像。運用現(xiàn)有醫(yī)用物理實驗室計算機對樣本圖像進行建模處理，并進行相關(guān)的有限元分析。（2）通過查閱相關(guān)國內(nèi)外資料，針對所需建立模型的生理、物理等參數(shù)特性，在幾種常用圖像處理軟件（Mimcs，Proe等）中選取較為合理準(zhǔn)確的有限元建模軟件。（3）在常用有限元分析軟件（ANSYS，F(xiàn)luent等）中選取較為合理準(zhǔn)確的軟件對模型進行有限元分析。（4）將有限元分析結(jié)果與實際測量數(shù)據(jù)進行對比，分析有限元模型的準(zhǔn)確性。

3 有限元法在醫(yī)學(xué)研究中的優(yōu)勢

有限元法在醫(yī)學(xué)研究中具有四個方面的突出優(yōu)勢：（1）可根據(jù)需要產(chǎn)生各種各樣的標(biāo)本，對模型進行實驗條件仿真，模擬拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等各種力學(xué)實驗，可以在不同實驗條件下模擬任意部位變形、應(yīng)力/應(yīng)變分布、內(nèi)部能量變化、極限破壞分析等情況。（2）標(biāo)本也可以進行修正以模擬任何病理狀態(tài)。同一個標(biāo)本在虛擬計算中可進行無數(shù)次加載或組合而不會被損壞。（3）其結(jié)果不受實驗條件的影響，也排除了實驗條件造成的誤差，而且可以重復(fù)計算，節(jié)約成本。（4）利用有限元法進行的模擬實驗具有實驗時間短、費用少、可模擬復(fù)雜條件、力學(xué)性能測試全面及可重復(fù)性好等優(yōu)點。

4 醫(yī)學(xué)院校開展醫(yī)學(xué)有限元仿真實驗的意義

在醫(yī)學(xué)院校開展醫(yī)學(xué)有限元仿真實驗，可以使學(xué)生將相關(guān)醫(yī)學(xué)、物理、生物等課程的知識綜合應(yīng)用于仿真實驗中，給生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計提供更為廣闊的范圍，使研究具有更高的水平；激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和熱情，使學(xué)生在自主科研創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，設(shè)計相關(guān)仿真實驗加以驗證、研究。同時，開展仿真實驗要求教師不僅需要對本專業(yè)知識做到“了如指掌”，而且需要教師具有仿真實驗相關(guān)的醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等非本專業(yè)學(xué)科的專業(yè)知識，還要求教師必須掌握螺旋CT掃描技術(shù)，Mimics，ANSYS等建模、仿真軟件的計算機應(yīng)用技術(shù)。這些知識對于教師實驗教學(xué)、科研水平的提高具有十分重要而深遠(yuǎn)的意義。在開展醫(yī)學(xué)仿真實驗的基礎(chǔ)上，建設(shè)醫(yī)學(xué)仿真實驗室，不僅可以為學(xué)生提供畢業(yè)實習(xí)條件，加強實習(xí)基地建設(shè)，而且與醫(yī)院相關(guān)科室進行合作，可以在生物力學(xué)基礎(chǔ)上預(yù)測手術(shù)中、長期效果，對醫(yī)生手術(shù)具有較為科學(xué)的指導(dǎo)，加強了學(xué)校與醫(yī)院的合作。

5 結(jié)束語

建立醫(yī)學(xué)有限元實驗有兩個關(guān)鍵的問題：（1）醫(yī)用有限元模型快速準(zhǔn)確的建立。模型的快速準(zhǔn)確建立可以減少仿真實驗所需時間、降低費用、增加仿真的準(zhǔn)確性和可信性。（2）建立通用的有限元模型庫，為進一步的實驗教學(xué)和科研打下堅實的基礎(chǔ)。因此需要在具體實驗實踐中逐步探索和積累。

將工程有限元分析同醫(yī)學(xué)結(jié)合開設(shè)實驗課，屬于多學(xué)科之間的交叉領(lǐng)域，不僅可以提高學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的綜合運用能力，增強學(xué)生就業(yè)與學(xué)習(xí)深造的競爭力，而且可以加強多學(xué)科教師的教學(xué)和科研合作，提高教師的教學(xué)科研水平。同時提高相關(guān)實驗室的利用率，為學(xué)生自主開展創(chuàng)新實驗提供平臺，加強學(xué)校和附屬醫(yī)院的教學(xué)科研合作，為醫(yī)學(xué)院校提供更為廣闊的教學(xué)和科學(xué)研究領(lǐng)域。

參考文獻

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篇8

YenKa的主要功能及特點

YenKa是英國Crocodile Clips公司開發(fā)的一款優(yōu)秀的虛擬仿真教學(xué)軟件，因為主要是面向英語國家銷售，沒有中文版，所以YenKa在中國的用戶并不多。其實它的操作很簡單，盡管是英文界面，但一點都不復(fù)雜。老師們只要花幾個小時學(xué)習(xí)就可以上手了。

該軟件的官方下載地址為http：//，它分學(xué)校版和家庭版，其中家庭版可在家中免費使用，打開后的界面如下頁圖1所示。

它的功能強大，能進行計算機、數(shù)學(xué)、科學(xué)和通用技術(shù)這四門學(xué)科的實驗，良好的用戶界面使得它在教室中使用起來很方便，特別適用于交互式電子白板。

YenKa的導(dǎo)航菜單簡潔清晰，主要有：新建實驗（New）、打開網(wǎng)絡(luò)實驗（Open-online）、打開本地實驗（Open-local）、變換實驗平臺（Change Product）、系統(tǒng)設(shè)置（Settings）等。在網(wǎng)絡(luò)上及本地已有制作好的實驗?zāi)Ｐ?，老師們可直接打開使用。利用軟件里面的內(nèi)置組件，可輕松地制作一個模擬實驗。

通過YenKa軟件的功能及特點可以看出，目前國外教學(xué)工具軟件“課程化”的趨勢非常明顯，即按照課程體系為每個教學(xué)點提供互動學(xué)習(xí)支持，提供配套的學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)指導(dǎo)。而國內(nèi)同類產(chǎn)品大都只提供軟件和使用說明，很少根據(jù)課程體系和教學(xué)內(nèi)容進行細(xì)致的配套加工、提供細(xì)致的在線服務(wù)。

利用YenKa進行虛擬仿真實驗

利用YenKa能制作出中學(xué)各學(xué)科大多數(shù)的實驗，所制作的虛擬實驗與現(xiàn)實中進行的實驗高度仿真，老師們可以通過實驗在創(chuàng)設(shè)情境、驗證或猜想結(jié)論等環(huán)節(jié)中引導(dǎo)學(xué)生進行探究性學(xué)習(xí)。引導(dǎo)學(xué)生通過實驗去發(fā)現(xiàn)和探究解決問題的方法，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用。下面將通過幾個有代表性的例子說明它在教學(xué)中的簡單應(yīng)用。

1.利用YenKa進行數(shù)學(xué)仿真實驗

利用YenKa能進行統(tǒng)計學(xué)、3D模型和坐標(biāo)實驗。統(tǒng)計學(xué)中包含有拋骰子、拋硬幣、盒子抽球和轉(zhuǎn)盤等常用的實驗，3D模型主要是進行空間立體圖形的各種邊角等測量和表面積展開等實驗，坐標(biāo)實驗則是進行判斷坐標(biāo)位置的游戲。下面進行一個有趣的統(tǒng)計學(xué)實驗。

案例1：甲乙兩人在玩一個拋擲兩個普通正方體骰子的游戲，游戲規(guī)則如下：擲出兩個骰子的點數(shù)之和為6時，甲贏；擲出兩個骰子點數(shù)之和為4時，乙贏。請回答：①請寫出兩點數(shù)之和的所有可能性；②這個游戲規(guī)則對雙方公平嗎？③若不公平，請你修改游戲規(guī)則，使它成為一個公平游戲。

實驗制作起來很簡單。首先，進入數(shù)學(xué)學(xué)科實驗平臺，新建一個數(shù)學(xué)統(tǒng)計學(xué)文件；其次，單擊左下角的“Objects”按鈕，進入內(nèi)置組件庫，找到“Dice”組件，把它拖到場景中，就會出現(xiàn)一個骰子，選中骰子，右擊骰子后進入骰子屬性對話框，把它修改成兩個骰子；再次，按上一步相同的方法，在組件庫中拖出統(tǒng)計直方圖或是統(tǒng)計餅圖（內(nèi)置有10多種統(tǒng)計圖）；最后，拖出并設(shè)置好操作按鈕組件就完成了。這里設(shè)置擲骰子的次數(shù)是1000次，單擊“開始”按鈕后進行實驗，單擊“清除重來”按鈕重新進行實驗，結(jié)果如圖2所示。

通過實驗會讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗是不公平的，和為6的有5種情況，和為4的有3種情況，所以不公平。要使和出現(xiàn)概率相同，可以修改游戲規(guī)則為“擲出兩個骰子的點數(shù)之和為6時，甲贏；擲出兩個骰子點數(shù)之和為8時，乙贏”。

2.利用YenKa進行計算機仿真實驗

在中小學(xué)計算機基礎(chǔ)課教學(xué)當(dāng)中，由于程序語言的各種命令、語法極其枯燥與乏味，程序運行過程抽象，因此很多學(xué)生提不起學(xué)習(xí)的興趣。此時，可以利用YenKa進行仿真教學(xué)，它能把抽象的編程過程轉(zhuǎn)化為具體的生活場景。例如，通過設(shè)計人跳舞、沖咖啡等生活場景的方式把抽象的知識形象化，從而激發(fā)學(xué)生的能動性與挑戰(zhàn)欲，使學(xué)生能輕松地掌握程序語言。

案例2：沖咖啡實驗，讓學(xué)生通過編程序制作一杯咖啡。

制作過程和案例1基本相同。進入計算機學(xué)科實驗平臺后，打開內(nèi)置組件庫，里面有現(xiàn)成的供編程用的各種組件，把它們拖到場景中并放在適當(dāng)位置即可。完成后的實驗場景如圖3所示。接著開始實驗，讓學(xué)生自己通過拖動對象到流程圖中，嘗試制作一杯咖啡。完成流程圖后，單擊“Start”按鈕就可以運行程序了，每當(dāng)程序運行到其中的一個步驟時，場景則會播放相應(yīng)的動畫，如當(dāng)程序運行到加水步驟時會播放加水動畫，非常形象和直觀（如圖4）。

3.利用YenKa進行物理和化學(xué)仿真實驗

YenKa的科學(xué)實驗平臺包含物理和化學(xué)這兩門學(xué)科，包含有無機化學(xué)、電化學(xué)、光與聲、運動、電磁學(xué)、模擬電子和數(shù)字電子這七大類實驗。軟件已內(nèi)置有大量現(xiàn)成的實驗，師生們只要打開就可直接進行實驗了。

案例3：水力發(fā)電站模擬實驗。

在生活中，像發(fā)電站、電磁等模型是比較危險或不好直接做實驗的，此時我們就可利用虛擬仿真模型進行實驗，本例是一個水力發(fā)電站模型，在這個模型中將會學(xué)習(xí)到一個水電站的工作原理。

進入科學(xué)實驗平臺中的“Electricity&Magnetism”（電磁學(xué)），在菜單中找到“Hydro-electric power”（水電）實驗。進入實驗場景后，見到的只是水電站的外觀圖，單擊“內(nèi)部構(gòu)造”按鈕，就會出現(xiàn)電站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。把兩個電力開關(guān)閉合，電站開始工作，場景開始播放發(fā)電的整個過程動畫。你可以單擊電站，改變里面的參數(shù)屬性，如果改變的有效值電壓不符合條件，那么電網(wǎng)線路會燒壞，燒壞后可以修復(fù)電網(wǎng)重新實驗。運行效果如圖5所示。

在軟件中還內(nèi)置有大量類似的實驗，限于篇幅不在此一一舉例，這里只再提一下有關(guān)YenKa的通用技術(shù)平臺。通用技術(shù)平臺里包含有基本電路、電子、電子線路板、PIC單片機和傳動裝置這五類實驗。其操作過程和前面的實驗基本一樣，差別在于內(nèi)置的組件類型和功能不一樣而已。

篇9

[關(guān)鍵詞]虛擬仿真；網(wǎng)絡(luò)教育；手機App

[DOI]10.13939/ki.zgsc.2016.36.156

隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們已無時無刻離不開網(wǎng)絡(luò)。[1]在國內(nèi)已有部分院校的實驗室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，如上海復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、華中理工大學(xué)、廣州暨南大學(xué)等。未來的幾年內(nèi)，我國將有50%的儀器為虛擬儀器。隨著微型計算機的發(fā)展，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流。

1 技術(shù)路線

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，信息、消費、生產(chǎn)和智慧互聯(lián)，它給我們提供一種偉大精神，這種精神叫作合作共贏、共建共享。2016年某日，筆者在自助銀行遇見幾個外國人在那里按來按去，不時發(fā)出各種疑問的聲音，似乎完不成他們想要的操作。想到他們一定是不會使用自動取款機，筆者便主動關(guān)切地問“Can I help you（需要幫忙嗎）？”，沒想到他們的回答讓筆者感到意外：“We are looking for restaurant（我們正在找飯店）?！睅退麄冋业较胍娘埖旰螅P者禁不住反思：既然自動取款機是聯(lián)網(wǎng)的，是不是也可以充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進一步延伸其功能，查詢到附近的飯店、賓館等。甚至可以查詢到附近的學(xué)校，登錄它們的實驗中心。圖1為虛擬仿真實驗中心登錄頁面。

通過虛擬實驗教學(xué)管理系統(tǒng)，教師既可搭建典型實驗或調(diào)取實驗案例。方便地向?qū)W生布置實驗任務(wù)，還可在實驗結(jié)束后查看學(xué)生的實驗結(jié)果，給出實驗成績和評價。[2]

虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)，將部分單純演示性、驗證性的實驗教學(xué)內(nèi)容以學(xué)生開展虛擬實驗為主；基本技能訓(xùn)練和基礎(chǔ)實驗項目以虛擬實驗輔助實體實驗的開展，壓縮實體實驗室中有關(guān)實驗原理、實驗步驟、儀器設(shè)備使用、注意事項等的講授時間，進一步節(jié)約有限的實驗學(xué)時，將更多的時間給學(xué)生動手實踐，節(jié)省下來的學(xué)時可以用來開設(shè)一些綜合性、設(shè)計性實驗和研究性實驗。典型實驗通常是由精通相關(guān)課程的教師設(shè)計的。要求學(xué)生在此基礎(chǔ)上進行實驗?？蓾M足教師對各層次實驗教學(xué)的需求。實驗仿真平臺也為學(xué)生自由搭建實驗?zāi)M提供了可能。學(xué)生既可通過實驗仿真平臺動手操作，又可自主設(shè)計實驗，有利于培養(yǎng)設(shè)計能力和創(chuàng)新意識。與器材庫（或儀器、設(shè)備、材料庫）類似，虛擬實驗平臺通常擁有一個器材欄。用于各類虛擬實驗器材的管理。學(xué)生可以把器材從器材欄中移到實驗臺上，或者從實驗臺上把器材收回到器材欄。

2 研究方法

行動研究法。嚴(yán)格地說，行動研究并不是一種獨立的研究方法，而是一種教育研究活動，是一種教師和教育管理人員密切結(jié)合本職工作綜合運用各種有效研究的方法，以直接推動教育工作的改進為目的的教育研究活動。課題組的成員來自學(xué)校一線工作者和學(xué)校的管理者，研究做到了學(xué)習(xí)、實踐、反思三者的結(jié)合，增強了課題成果的實際意義。[3]

調(diào)查研究法。調(diào)查國內(nèi)外虛擬仿真實驗室的建立和使用情況，從中學(xué)習(xí)先進經(jīng)驗和技術(shù)，避免在研究過程中走彎路。撰寫了調(diào)查研究報告。

文獻研究法。研究過程中，查閱大量文獻，借鑒同類課題的經(jīng)驗和做法，為實驗得出定性結(jié)論起到重要作用。

比較研究法。本課題研究過程中，對資料的收集和分析進行了多方面的比較。一是學(xué)校的比較，各學(xué)段的比較等；二是類型的比較，智力與創(chuàng)造力的比較等；三是實驗效果的比較，例如在篩選材料過程中取舍的比較，同類統(tǒng)計資料在數(shù)據(jù)上的對比、推斷等。

個案研究法?？茖W(xué)地確定和研究典型個案進行研究是課題研究的捷徑，研究中，課題組提供多個成功的個案，比較各種優(yōu)缺點，用以應(yīng)用到本課題。[4]

3 仿真實例

單片機是電子信息類專業(yè)的必修課，其應(yīng)用已涉及生活的方方面面。要想真正學(xué)以致用，需多學(xué)多練，掌握其編程技巧。以AT89C52單片機實現(xiàn)模擬電子琴為例，單片機擴展無源蜂鳴器實現(xiàn)電子琴功能。7個按鍵KEY1、KEY2、KEY3、KEY4、KEY5、KEY6和KEY7，分別對應(yīng)7個音符，圖2為單片機模擬電子琴硬件電路。按下時蜂鳴器發(fā)出對應(yīng)音調(diào)；還可以設(shè)計一個音樂自動播放功能，根據(jù)存入的樂譜進行循環(huán)播放。

4 結(jié) 論

建立開放式網(wǎng)上虛擬實驗室，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬真實實驗。采用多媒體技術(shù)在計算機上建立虛擬實驗室環(huán)境，提供可操作的虛擬實驗儀器，使學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上通過接近真實的人機交互界面完成實驗，同時提供網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)一體化的管理功能。這將是未來實驗教學(xué)的新方式。

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關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)仿真；OPNET仿真軟件；實驗教學(xué)

中圖分類號：TP391文獻標(biāo)識碼：A文章編號：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

根據(jù)國家權(quán)威機構(gòu)對人才市場的分析，人才需求量最大的是計算機應(yīng)用專業(yè)的畢業(yè)生，約占市場總需求的30%，其中計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人才占到40%。但是，在高校網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類課程教學(xué)中，由于抽象深奧的網(wǎng)絡(luò)原理、規(guī)模龐大的網(wǎng)絡(luò)工程、豐富多樣的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，根本無法讓學(xué)生在真實的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行實驗，使得高校網(wǎng)絡(luò)專業(yè)畢業(yè)生缺乏網(wǎng)絡(luò)工程項目的實踐技能和工作經(jīng)驗，無法滿足企業(yè)的人才需求，造成網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技能型人才十分短缺?；谏鲜鰡栴}，提出了將OPNET仿真技術(shù)應(yīng)用于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類課程教學(xué)中的設(shè)計思想，重點論述了基于OPNET技術(shù)的典型仿真實驗開發(fā)方法和步驟。

1 OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是一種利用數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計分析方法對網(wǎng)絡(luò)行為進行模擬，建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)鏈路的模擬網(wǎng)絡(luò)模型，從而獲得網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計所需的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)的仿真技術(shù)。OPNET是一款功能強大的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。

1.1 OPNET功能組成

OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真能夠準(zhǔn)確的分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為，探頭可以入到網(wǎng)絡(luò)模型中的任意位置，用來采集仿真數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計分析，仿真結(jié)果即可以數(shù)字、圖形、動畫方式顯示，也可以被輸出到第三方軟件。OPNET主要由三個層層嵌套的模塊和仿真模型庫組成，兩者彼此是分離的，方便模型的修改和升級。三個嵌套的模塊由內(nèi)向外分別是：核心網(wǎng)絡(luò)仿真模塊、建庫功能模塊和移動通信衛(wèi)星模塊。仿真模型庫包括標(biāo)準(zhǔn)模型庫和特殊模型庫兩類，為用戶提供一系列的仿真模型。

1.2 OPNET仿真顯著特點

OPNET支持面向?qū)ο蟮慕７绞?提供圖形化的編輯界面,方便用戶使用。主要特點:（1）提供三層嵌套的仿真建模機制，依次是網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點模型，進程模型，與實際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議一一對應(yīng)，再現(xiàn)了一個完整的計算機網(wǎng)絡(luò)。（2）利用離散事件驅(qū)動和混合建模機制，大幅度提高了計算效率。（3）通過強大的統(tǒng)計收集和分析功能，獲得了精確的仿真結(jié)果。（4）通過仿真預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的性能，為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計提供可靠的決策依據(jù)，驗證網(wǎng)絡(luò)工程方案，決定多個不同設(shè)計方案的取舍。

1.3 OPNET仿真步驟

OPNET仿真包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑渲?、業(yè)務(wù)配置、統(tǒng)計量結(jié)果收集、運行仿真、調(diào)試再仿真、結(jié)果等六個步驟，具體如圖1所示。

2 OPNET在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仿真實驗中的運用

在計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類課程的教學(xué)中，可以充分利用OPNET仿真技術(shù)輔助教學(xué),通過仿真深入理解抽象網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作原理,分 析和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能，對學(xué)生設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)方案評價也有據(jù)可依。

圖1OPNET仿真過程

2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真實驗

在講解計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)中的環(huán)型、星型、總線型等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，通常都是介紹概念、工作原理和優(yōu)缺點等，非?？菰?，難于理解。利用OPNET的網(wǎng)絡(luò)模型庫，借助網(wǎng)絡(luò)編輯器，通過拖放鼠標(biāo)從物件托盤中選取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，快速地建立起網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),還可以進行參數(shù)配置。不僅可以快速地組建各種網(wǎng)絡(luò)，并且能夠充分比較各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點。

另外，OPNET的網(wǎng)絡(luò)建模完全符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的開放系統(tǒng)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)（OSI）,其節(jié)點模型的層次關(guān)系是:應(yīng)用層、TCP層、IP層、IP封裝層、ARP層、MAC層、物理層。借助于OPNET的仿真網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),學(xué)生們可以直觀地了解開放系統(tǒng)互聯(lián)模型,加深對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)的理解。

2.2網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的仿真實驗

對于網(wǎng)絡(luò)的初學(xué)者來說，面對CSMA/CD、TCP、IP、FTP、UDP、RIP、OSPF等大量抽象的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，一般只能機械記憶，很難深入理解。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真中,可以利用OPNET的節(jié)點編輯器來學(xué)習(xí)協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的位置,利用進程模型編輯器來學(xué)習(xí)和研究各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作原理和執(zhí)行過程。圖2顯示了典型的進程模型結(jié)構(gòu)。

圖2典型的進程模型結(jié)構(gòu)

在OPNET三層嵌套模型中,進程模型是最重要最難實現(xiàn)的部分。進程模型主要由狀態(tài)和轉(zhuǎn)移線構(gòu)成。狀態(tài)分為兩類，強迫狀態(tài)和非強迫狀態(tài)。每個狀態(tài)包含的處理使用內(nèi)嵌的C/C++代碼段來表示。狀態(tài)上的執(zhí)行代碼也分為兩部分，上面部分稱為進入代碼，是進程進入該狀念時執(zhí)行的動作；下面部分稱為離開代碼，是進程離開狀態(tài)時執(zhí)行的動作。轉(zhuǎn)移線描述了進程模型從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移的過程和條件?？梢岳眠M程模型設(shè)計和開發(fā)自定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

2.3網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計仿真實驗

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計是根據(jù)原有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、業(yè)務(wù)需求、經(jīng)費預(yù)算等各方面情況,構(gòu)建一個既能滿足用戶需求又能達(dá)到技術(shù)要求的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在教學(xué)中,在真實的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計、實施等綜合技能訓(xùn)練是不現(xiàn)實的，但是使用OPNET仿真測試網(wǎng)絡(luò)性能,能夠直觀快速地看到性能參數(shù)，如網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)延時等，對于不符合需求的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可以調(diào)整網(wǎng)絡(luò)配置，再運行仿真，直至達(dá)到最佳為止。除此之外，利用OPNET還可以進行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)管理方面的仿真實驗，通過仿真分析加深學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)QoS的認(rèn)識和理解，提高學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)故障診斷和流量分析能力等,從而為網(wǎng)絡(luò)管理提供重要的依據(jù)。

3結(jié)論

應(yīng)用OPNET可以模擬計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類課程中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析、網(wǎng)絡(luò)工程規(guī)劃設(shè)計等網(wǎng)絡(luò)實驗,具有面向?qū)ο?、形象直觀等特點，彌補真實環(huán)境中無法進行的網(wǎng)絡(luò)實驗缺陷，提高教學(xué)質(zhì)量。同時，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)可為優(yōu)化和擴容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)提供定量的分析數(shù)據(jù)，為新網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計進行網(wǎng)絡(luò)性能預(yù)測，定量評估網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，是一種新興有效的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計技術(shù)。

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