计算机辅助实验教学研究

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1、计算机辅助实验教学研究罗兵、陈恒法、杨滨、邓虹华南师范大学大学南海学院E-mail:luobing8888@163.com【摘要】将计算机及网络应用于实验教学辅助可以分为三类：演示性实验采用Flash动画演示并由插件嵌入网页传输，可以迅速发布、共享、及时更新；基于计算的模拟仿真实验，通过建立反映对象规律的数学模型，可科学地计算、客观仿真现实模型；基于远程控制的设备共享实验采用基于Web的编程技术使学生通过Internet运行服务器端程序、远程使用实验设备。具体应用中建立的大学物理演示实验网站可以演示该课程全部教学演示实验；用Matlab开

2、发的基于计算的桥梁结构应力仿真分析软件可以根据学生设计的桥梁结构和负荷计算输出应力结果和模拟变形和跨塌效果；远程微机原理实验则形成了开放远程实验室。计算机和网络的辅助大大提高了实验教学效果，成为实验教学的新途径。【关键词】实验教学；计算机辅助教学；仿真，虚拟现实；Web编程51引言计算机技术的迅速发展，特别是网络技术的发展和广泛应用给我们的生活、学习带来了便捷，开辟了新的广阔空间。另一方面，高等教育中的实验教学一直是困扰我们的难题。于是有了将计算机技术特别是网络技术应用于实验教学的尝试和研究。计算机辅助实验教学涉及软件技术、多媒体技术、虚

3、拟现实技术、网络技术和远程控制技术等[1]。根据采用的技术类型我认为可以将它们分为三类：（1）演示性实验的网络演示；（2）基于计算的虚拟仿真实验；（3）设备共享的远程控制实验。下面分别讨论它们的技术和应用。2演示性实验的网络演示高等教育中许多理论和技术应用的教学需要实验演示以增强形象性效果和形象性验证。但很多实验实际操作比较困难，效果不理想，甚至有危险性。比如化学教学中的浓硫酸加水演示就非常危险，物理教学中的波的干涉、合成等演示效果不好。而采用计算机多媒体技术重现这些实验过程，可以具有很好的演示效果。计算机演示实验最简单的方法是采用视频拍

4、摄，然后播放。视频演示比较真实，但视频文件一般太大，占用空间多、网络传输速度慢、一些需要放大、仪器测量等观测的实验就拍摄困难。而且视频演示无法控制参数、交互性差。因此目前更多的是采用计算机制作矢量动画来演示实验过程和效果。5矢量动画主要是使用美国Macromedia公司的Flash软件制作。动画文件小但画面清晰、美观，可程序控制交互，Flash动画可嵌入网页、PPT演示文稿等。采用B/S即浏览器/服务器结构是计算机辅助演示性实验系统的结构特点。它比传统的软件结构或C/S结构具有发布快、传播广泛、资源共享、内容更新方便、用户界面统一、不必安

5、装等优点。我们制作的模拟电子、微机原理等课程的实验演示网站[6]，采用ASP动态网页中嵌入Flash动画，系统演示了这些课程的全部演示性实验，演示参数可调，具有交互性。Flash演示性实验的不足是缺乏物理现实的真实形象感，可以将它与视频演示相结合，并作为学生自己真实设备实验的辅助，可以取得帮助理解、加快掌握的良好效果。3基于计算的模拟仿真实验演示性实验虽然是真实实验的反映，但它的过程、效果是人为确定的。更加复杂的实验则无法简单的人为确定效果。比如空间飞行器的真实运动轨迹、桥梁的结构应力和变形、复杂系统的信号输出等。而基于计算的仿真模拟则具

6、有科学性、形象性，能模拟许多不易真实进行的实验[2]。基于计算的模拟仿真实验的关键是建立正确反映实验对象特性的客观数学模型，然后通过对模型的计算得到输出，然后用图形或三维动画显示输出结果。用于计算机模拟仿真的软件比较多，但性能突出的主要是美国MathWorks公司的Matlab计算演示软件和NI公司的LabVIEW虚拟仪器软件。Matlab具有丰富的专用软件工具包和强大的图形功能，用于理工科各专业领域的计算、仿真实验和研究，目前可以说是理工科专业学习和研究的必不可少的工具[3]。例如桥梁应力实验。由于该实验具有破坏性，对于某种结构结构可承

7、受的应力极限，不可能到真正的桥梁上进行。但由结构得到的桥梁受力数学模型是已知的，根据受力分析，我们用软件计算可以仿真得到该结构下的负荷极限、变形。并仿真显示变形效果和超极限的跨塌情形。如图1是用Matlab开发的桥梁营利仿真实验界面，通过点击可以由学生自行设计桥梁结构。然后加上负荷。图1学生构建的桥梁结构如图2是点击计算按钮后得到的图2所示的桥梁结构的各节点的受力情况结果，点击动态情形可以得到变形和跨塌效果图。5图2桥梁结构应力仿真实验结果NI公司的LabVIEW则主要擅长于基于计算的虚拟仪器，然后由虚拟仪器可以构件虚拟实验室。目前这两个

8、软件公司都在中国各高校建立了应用基地，为各高校的实验教学和研究提供方案、技术支持，更是为宣传、推广其软件。基于计算的仿真模拟还应用在大量的科学研究和工程技术上，如建筑和机械的应力实验、航空航天