時(shí)間：2022-10-19 14:30:34
開(kāi)篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇計(jì)算機(jī)仿真論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
根據(jù)多年的高校教學(xué)實(shí)踐研究表明，教學(xué)中把就業(yè)崗位對(duì)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的要求作為依據(jù)，重視培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，以知識(shí)本位向能力本位的轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和方法的整合，對(duì)于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的實(shí)踐技能、增強(qiáng)職業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力、提高教學(xué)質(zhì)量有重要意義。計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)模式能夠真正激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，幫助學(xué)生構(gòu)建更靈活、更深層次的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。有試驗(yàn)結(jié)果表明：仿真教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)進(jìn)行比較，多數(shù)學(xué)生在仿真教學(xué)環(huán)境中學(xué)習(xí)可以記憶整個(gè)課程多于2/3的內(nèi)容，而在傳統(tǒng)教學(xué)模式下只能記憶不到1/3的內(nèi)容。憑借云技術(shù)的強(qiáng)大存儲(chǔ)功能等，使用計(jì)算機(jī)仿真模式進(jìn)行教學(xué)，教師引導(dǎo)，學(xué)生身臨其境，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，學(xué)生自學(xué)并反復(fù)試驗(yàn)，提高學(xué)習(xí)能動(dòng)性，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)。基于云技術(shù)的計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)將理論與實(shí)踐真正相結(jié)合，將為高校教學(xué)發(fā)展帶來(lái)新的方向。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及帶動(dòng)了仿真技術(shù)的發(fā)展。仿真技術(shù)已經(jīng)能夠使用科學(xué)方法建構(gòu)復(fù)雜的物理模型提示真實(shí)世界的變化規(guī)律，在許多領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。仿真技術(shù)已在世界范圍內(nèi)許多知名高校的研究等領(lǐng)域中應(yīng)用；計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)在國(guó)內(nèi)外的許多課程中進(jìn)行過(guò)使用；在我國(guó)高校中，應(yīng)用基于云技術(shù)的計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)是一種新的教育理念，各高校正在進(jìn)行積極的探索。2014年4月22日在北京召開(kāi)了首屆京城高校虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)研討會(huì)，提出成立首都高校虛擬仿真聯(lián)盟，建立推進(jìn)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)和首都高校間資源和經(jīng)驗(yàn)分享的平臺(tái)。在我省高校中，計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)還處于比較落后的起步階段，這種新型的教學(xué)模式為學(xué)生及專業(yè)教師提供了教學(xué)和研究的新平臺(tái)，延展了創(chuàng)新的想象空間，有很大的發(fā)展空間和很好的發(fā)展前景。
2基于云技術(shù)的高校計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)應(yīng)用
以電子商務(wù)課程為例(Theapplicationofcomputersimulationinteachingofcloudtechnology—acasestudyofECcourses)
2.1電子商務(wù)課程的教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題
電子商務(wù)專業(yè)雖然已經(jīng)出現(xiàn)多年，但國(guó)內(nèi)高校沒(méi)有形成系統(tǒng)完整的專業(yè)理論體系。當(dāng)前高校電子商務(wù)專業(yè)的教學(xué)中然而存在一些不可忽視的問(wèn)題：課程設(shè)置方面。因?yàn)槿狈?duì)電子商務(wù)相關(guān)實(shí)際應(yīng)用的理解，在許多高校中相關(guān)課程設(shè)置具有極大的隨意性，多數(shù)只是把相關(guān)商務(wù)、管理和電子技術(shù)方面的課程進(jìn)行簡(jiǎn)單的羅列堆砌，不能適合電子商務(wù)專業(yè)實(shí)際需求。專業(yè)師資隊(duì)伍方面。國(guó)內(nèi)高校中從事電子商務(wù)教學(xué)的教師大多是抽調(diào)出來(lái)的經(jīng)管或計(jì)算機(jī)類教師，知識(shí)不夠系統(tǒng)專業(yè)，缺乏電子商務(wù)專業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，很少參與實(shí)際電商企業(yè)的項(xiàng)目運(yùn)作，講授專業(yè)課程時(shí)不能達(dá)到專業(yè)知識(shí)的外延和拓展。專業(yè)實(shí)踐方面。電子商務(wù)專業(yè)是一個(gè)新型的跨學(xué)科的綜合專業(yè)；培養(yǎng)的是能系統(tǒng)掌握電子商務(wù)專業(yè)的理論知識(shí)和技能、熟悉電子商務(wù)業(yè)務(wù)流程并能從事電子商務(wù)活動(dòng)的應(yīng)用型復(fù)合型人才。雖然許多高校正在加強(qiáng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，但多數(shù)缺乏針對(duì)專業(yè)就業(yè)的連貫性，不能很好的達(dá)到針對(duì)專業(yè)就業(yè)的實(shí)訓(xùn)目的。
2.2電子商務(wù)課程中基于云技術(shù)的計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)模式的構(gòu)建
使用基于云技術(shù)的計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)模式能夠?yàn)閷W(xué)生構(gòu)建一個(gè)虛擬的仿真模擬環(huán)境，模擬電子商務(wù)的各項(xiàng)活動(dòng)，具有仿真性、可操作性和適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。學(xué)生借助于云端存儲(chǔ)的相關(guān)軟件環(huán)境模擬實(shí)際電子商務(wù)項(xiàng)目環(huán)境，模擬參與電子商務(wù)實(shí)務(wù)活動(dòng)；計(jì)算機(jī)軟件的操作便捷人性化；仿真教學(xué)環(huán)境能夠作為與專業(yè)相關(guān)課程的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，提高實(shí)踐技能。根據(jù)崗位群開(kāi)發(fā)仿真教學(xué)課件，根據(jù)專業(yè)實(shí)訓(xùn)的培養(yǎng)要求進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，基于云技術(shù)開(kāi)發(fā)仿真崗位模擬場(chǎng)景和符合教學(xué)需求的互動(dòng)式教學(xué)應(yīng)用平臺(tái)，為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力提供更理想更完善的方案。從就業(yè)崗位對(duì)專業(yè)人才知識(shí)結(jié)構(gòu)的要求出發(fā)，以項(xiàng)目教學(xué)為主線進(jìn)行課程實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的整合，采用情景模擬和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)為主要手段。借助于云的強(qiáng)大存儲(chǔ)功能平臺(tái)，針對(duì)專業(yè)課程內(nèi)容和特點(diǎn)遵循專業(yè)方向和教學(xué)內(nèi)容。計(jì)算機(jī)仿真和真實(shí)裝置相結(jié)合創(chuàng)建教學(xué)的仿真物理場(chǎng)所和軟件環(huán)境(存儲(chǔ)于云空間即用即取)，以就業(yè)為導(dǎo)向，用實(shí)驗(yàn)、見(jiàn)習(xí)、實(shí)踐的方式進(jìn)行實(shí)踐模擬，注重安全要求，集中管理，聯(lián)合開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)資源整合與優(yōu)化。考核上，仿真模擬教學(xué)完成整體項(xiàng)目的過(guò)程中，專業(yè)技能鑒定與考核等領(lǐng)域以學(xué)生的表現(xiàn)為主，附帶平時(shí)成績(jī)，最終作為評(píng)定等級(jí)的依據(jù)。基于云技術(shù)的高校計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)可以解決電子商務(wù)專業(yè)教學(xué)上存在的問(wèn)題，教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)存儲(chǔ)于云端，使用三維建模方式模擬電子商務(wù)實(shí)踐環(huán)境，數(shù)據(jù)量小、速度快、精度高、互動(dòng)性強(qiáng)。平臺(tái)提供了電子商務(wù)專業(yè)課程教學(xué)中真實(shí)模擬互動(dòng)性的教學(xué)和實(shí)踐環(huán)境，讓學(xué)生在親身實(shí)踐的過(guò)程中提高學(xué)習(xí)效率。學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作，認(rèn)知并掌握相關(guān)專業(yè)知識(shí)，通過(guò)崗位角色扮演來(lái)體驗(yàn)相關(guān)工作流程和崗位職責(zé)。憑借管理模塊任課教師可以掌控教學(xué)過(guò)程和學(xué)生操作情況，進(jìn)行必要的控制和引導(dǎo)。通過(guò)教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)的考核模塊教師可以對(duì)每個(gè)學(xué)生進(jìn)行跟蹤及考核評(píng)價(jià)。
2.3電子商務(wù)課程中基于云技術(shù)的計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)的具體應(yīng)用
高校電子商務(wù)專業(yè)教學(xué)中使用基于云技術(shù)的計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)，常見(jiàn)的方法包括：課堂演示，情景模擬，認(rèn)識(shí)實(shí)踐等。以電子商務(wù)專業(yè)教學(xué)為對(duì)象，針對(duì)專業(yè)性質(zhì)和教學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行具體的規(guī)劃。憑借云技術(shù)的基于網(wǎng)絡(luò)的仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)、課件、資料庫(kù)、仿真實(shí)訓(xùn)的教學(xué)軟件(包括教學(xué)過(guò)程的多媒體課件；操作仿真技能的訓(xùn)練；模擬實(shí)際專業(yè)崗位的各種學(xué)習(xí)和工作環(huán)境等)；教師和學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)PC終端登錄使用云空間里存儲(chǔ)的相關(guān)教學(xué)資源；在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)多媒體機(jī)房，合法用戶可以進(jìn)行不同的實(shí)訓(xùn)練習(xí)；集中管理各種資源更安全，添加、修改、上傳、下載等使用更方便。構(gòu)建電子商務(wù)交易的真實(shí)過(guò)程和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)系統(tǒng)，多媒體網(wǎng)絡(luò)機(jī)房能滿足現(xiàn)有各種仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的要求(電商方、客戶方、物流配送方、第三方等)。實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)與真實(shí)電商系統(tǒng)在線連接，將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)中，將系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息與真實(shí)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比較，指導(dǎo)學(xué)生的操作。軟件技術(shù)和Internet支持平臺(tái)運(yùn)行，教師與平臺(tái)中學(xué)生實(shí)時(shí)溝通，實(shí)現(xiàn)電子商務(wù)完整交易過(guò)程的各環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息和數(shù)據(jù)的交互。采用局域網(wǎng)和Internet結(jié)合使用的模式可以方便的對(duì)仿真平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充和統(tǒng)一維護(hù)管理。包括進(jìn)行用戶注冊(cè)、遠(yuǎn)程登錄、調(diào)試等，所有資源以云技術(shù)在“云端”共享。以淘寶、天貓商城等作為實(shí)踐平臺(tái)進(jìn)行仿真教學(xué)的案例，如以現(xiàn)有的已經(jīng)開(kāi)設(shè)的淘寶商鋪?zhàn)鳛榉抡嫦到y(tǒng)中的模擬電商方，學(xué)生分組形式進(jìn)行仿真系統(tǒng)的崗位模擬：部分學(xué)生注冊(cè)淘寶會(huì)員并用賬戶和密碼登錄作為仿真系統(tǒng)中客戶方，部分學(xué)生登錄商鋪?zhàn)鳛榉抡嫦到y(tǒng)中電商方的客服，部分學(xué)生作為仿真系統(tǒng)中電商方的庫(kù)存管理員，部分學(xué)生作為仿真系統(tǒng)中下訂單后的在線支付(經(jīng)過(guò)支付寶作)或者電子銀行系統(tǒng)(快捷支付)為第三方，部分學(xué)生作為模擬的仿真系統(tǒng)中的物流配送方，部分學(xué)生作為仿真系統(tǒng)中電商方的售后服務(wù)客服方等，模擬各個(gè)環(huán)節(jié)的進(jìn)程，最終完成項(xiàng)目形式的電子商務(wù)完整交易。具體包括：收集相關(guān)資料，進(jìn)行學(xué)生分組；申請(qǐng)并注冊(cè)開(kāi)設(shè)電商方(如淘寶)店鋪，注冊(cè)客戶端用戶、注冊(cè)支付寶賬戶等；制定仿真電商交易完整方案；進(jìn)行仿真系統(tǒng)進(jìn)程，學(xué)生按部就班地進(jìn)入崗位角色，展開(kāi)電子商務(wù)過(guò)程；教師的總結(jié)點(diǎn)評(píng)，教學(xué)內(nèi)容的延伸等。
3結(jié)論(Conclusion)
1．1梯形圖指令解釋實(shí)現(xiàn)
在特殊指令解釋時(shí)，需要將起始和終止共兩次的掃描狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)最大限度地保證其正確性。具體操作時(shí)可選用兩個(gè)虛擬內(nèi)存條，并引入“備用堆棧”和“備用結(jié)果寄存器”來(lái)保存起始掃描的計(jì)算結(jié)果，以及“堆棧”和“結(jié)果寄存器”來(lái)保存結(jié)束掃描的算結(jié)果，以下進(jìn)行具體說(shuō)明:(1)常開(kāi)(及常閉)觸點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)流程。取出觸點(diǎn)內(nèi)存地址將結(jié)果寄存器中的現(xiàn)有數(shù)據(jù)放入堆棧將地址值(常閉觸點(diǎn)則取反)放入結(jié)果寄存器;(2)線圈作用的實(shí)現(xiàn)。將結(jié)果寄存器中的值輸出至分別起輸出、輔助、保持作用的“繼電器”內(nèi)存地址中。
1．2梯形圖程序運(yùn)行實(shí)現(xiàn)
仿真系統(tǒng)通過(guò)梯形圖程序的運(yùn)行并根據(jù)其轉(zhuǎn)化后的指令語(yǔ)句，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)PLC控制系統(tǒng)的模擬。各輸入點(diǎn)的狀態(tài)被依次掃描，并由系統(tǒng)軟件中用戶編制的程序進(jìn)行邏輯解算進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成指令進(jìn)行執(zhí)行，指令的執(zhí)行結(jié)果可以被后續(xù)待掃描的指令所利用，然后依次對(duì)應(yīng)向各輸出點(diǎn)發(fā)出控制信號(hào)。梯形圖程序運(yùn)行的流程為:在梯形圖編輯器中，用戶點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕觸發(fā)系統(tǒng)定時(shí)器系統(tǒng)初始化內(nèi)存地址(常開(kāi)觸點(diǎn)置零，常閉觸點(diǎn)的定時(shí)器及計(jì)數(shù)器清空)逐一掃描各元器件并同時(shí)進(jìn)行其指令解釋直至該條指令結(jié)束自動(dòng)進(jìn)入下一條指令的掃描直至用戶點(diǎn)擊“停止”按鈕。
2電路搭建部分仿真實(shí)現(xiàn)
在仿真系統(tǒng)中，本文通過(guò)在軟件中設(shè)置元素來(lái)模擬元器件，這里以設(shè)置通用繼電器的模擬元件為例來(lái)進(jìn)行分析。在元器件編輯器中，用戶可以在兩個(gè)菜單中分別選擇元器件(如繼電器、開(kāi)關(guān)按鈕、接觸器、熔斷器、電磁閥、限位開(kāi)關(guān)、電鈴、傳感器以及聲光指示裝置)以及對(duì)應(yīng)的元器件元素(如線圈、接線柱、觸頭、連接線以及保險(xiǎn)絲等)。在通用繼電器設(shè)計(jì)初始，用戶須通過(guò)定義邊框確定元器件大小，然后設(shè)置線圈及接線柱并用連接線連接，并設(shè)置一動(dòng)一靜兩個(gè)觸頭以及若干開(kāi)關(guān)，設(shè)置完成后即可點(diǎn)擊生成一個(gè)通用繼電器。在對(duì)電路進(jìn)行仿真之前，還需要對(duì)電子元器件進(jìn)行解釋，這里仍以通用繼電器為例來(lái)說(shuō)明解釋的原理和過(guò)程，由于電路解釋時(shí)需要即時(shí)刷新，這會(huì)導(dǎo)致電路中元件的動(dòng)作之間產(chǎn)生相互影響，本文這里引入“樹(shù)”的概念來(lái)解釋電路，通過(guò)將電路中的元器件作為單個(gè)節(jié)點(diǎn)加入到“樹(shù)”中，用戶在設(shè)置時(shí)，可首先新建“樹(shù)”，接著清空“樹(shù)節(jié)點(diǎn)(元器件)”的狀態(tài)，然后對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)控制電路不通時(shí)停止循環(huán)，最后遍歷節(jié)點(diǎn)并給出各元器件輸出值。
3應(yīng)用實(shí)例分析
3．1實(shí)例情況說(shuō)明
基于以上論述，本文這里選擇水塔水位控制系統(tǒng)作為仿真實(shí)例，對(duì)仿真系統(tǒng)的建立過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，并通過(guò)在仿真環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試來(lái)論證仿真系統(tǒng)的實(shí)用性。水塔水位控制系統(tǒng)是通過(guò)PLC自動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)水塔自動(dòng)進(jìn)、出水，系統(tǒng)中主要的元器件包括液面?zhèn)鞲衅鳌㈦姶砰y、PLC控制器以及電動(dòng)機(jī)。圖4所示為水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖，其動(dòng)作流程為:當(dāng)水池水位低于水池低水界時(shí)，液面?zhèn)鞲衅魇筍3開(kāi)關(guān)接合(ON)，YV電磁閥門打開(kāi)，水池開(kāi)始蓄水。水位高于低水位界時(shí)，S3開(kāi)關(guān)斷開(kāi)(OFF)。當(dāng)水位升高到高于水池高水位界時(shí)，液面?zhèn)鞲衅魇归_(kāi)關(guān)S4開(kāi)關(guān)接合(ON)，YV閥門關(guān)閉，水池停止蓄水。水塔水位低于水塔低水位界，液面?zhèn)鞲衅魇筍2開(kāi)關(guān)接合(ON)，若此時(shí)S3為斷開(kāi)狀態(tài)，則電動(dòng)機(jī)M運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)水泵抽水。水塔水位上升到高于水塔高水界時(shí)，液面?zhèn)鞲衅魇筍1開(kāi)關(guān)接合(ON)，電動(dòng)機(jī)M停轉(zhuǎn)，水泵停止工作。
3．2系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)
從以上分析可見(jiàn)該控制系統(tǒng)的工作原理，可以看出系統(tǒng)可通過(guò)相關(guān)元器件實(shí)現(xiàn)水塔和水池上、下限水位調(diào)節(jié)和水塔放水等功能。基于此，本以下仿真設(shè)計(jì):
(1)將實(shí)例控制系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)并下載到仿真電路設(shè)計(jì)的PLC中。
(2)以實(shí)時(shí)水位、水位上限及水位下限作為變量，根據(jù)上節(jié)所述的系統(tǒng)工作原理對(duì)應(yīng)編制液位上升和下降函數(shù)，以模擬真實(shí)的水池和水塔液位變化。
(3)在仿真系統(tǒng)中設(shè)置6個(gè)可供用戶自行定義和更改的控制單位，并將它們分別與水塔和水池的高、低液位傳感器以及電動(dòng)機(jī)和電磁閥的開(kāi)關(guān)共6個(gè)元器件相對(duì)應(yīng)。在仿真系統(tǒng)的對(duì)話框中，首先設(shè)置水塔和水池的水位標(biāo)識(shí)，可分別用“L”、“M”、“H”對(duì)應(yīng)表示實(shí)時(shí)水位“低于低液位傳感器”、“高于低液位且低于高液位的傳感器”、“高于高液位傳感器”的三種狀態(tài)，在另外一個(gè)對(duì)話框中，用戶可在輸入框中點(diǎn)擊選擇已經(jīng)在電路編輯器中編輯好的輸入、輸出量與真實(shí)控制系統(tǒng)中的6個(gè)實(shí)際元器件相對(duì)應(yīng)。在完成所有的設(shè)置之后，既可以運(yùn)行仿真系統(tǒng)并通過(guò)觀察模擬結(jié)果判斷PLC的程序正確與否以及電路是否搭建正確。經(jīng)過(guò)觀察，在仿真系統(tǒng)運(yùn)行期間各環(huán)節(jié)控制動(dòng)作正確，基本能夠?qū)崿F(xiàn)水池水塔自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際功能。
4結(jié)語(yǔ)
摘要：在研究生的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)課程教學(xué)中，針對(duì)機(jī)械工程類研究生的專業(yè)方向、課程體系的設(shè)置以及工科研究生自身特點(diǎn)，為培養(yǎng)研究生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力以及增強(qiáng)其工程應(yīng)用意識(shí)，通過(guò)在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)課程教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)積累，逐步探索出以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為主要教學(xué)方法，通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用，取得良好的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：項(xiàng)目教學(xué)法；計(jì)算機(jī)仿真；創(chuàng)新；實(shí)踐
中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）24-0144-02
一、前言
研究生教學(xué)有其突出的特點(diǎn)，他們中多數(shù)人理論基礎(chǔ)扎實(shí)，獲取書本知識(shí)能力強(qiáng)。但同時(shí)也存在創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力不足、工程應(yīng)用背景不夠的缺點(diǎn)。本人通過(guò)十多年研究生教學(xué)的實(shí)踐，結(jié)合本學(xué)院研究生專業(yè)方向、課程內(nèi)容針對(duì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)如何在研究生教學(xué)改革中突出培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新能力，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與工程應(yīng)用能力等問(wèn)題進(jìn)行了一些改革創(chuàng)新。
二、課程定位及課程特點(diǎn)
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，科學(xué)研究的深入與計(jì)算機(jī)軟、硬件的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已成為分析、綜合各類系統(tǒng)，特別是大系統(tǒng)的一種有效研究方法和有力的研究工具，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各技術(shù)領(lǐng)域、各學(xué)科內(nèi)容和各工程部門。仿真技術(shù)已經(jīng)在國(guó)防軍事、國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生活的眾多領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者認(rèn)為，仿真技術(shù)“正在成為與理論、實(shí)驗(yàn)并列的第三種認(rèn)識(shí)和改造客觀世界以及科學(xué)研究的手段”，因此仿真技術(shù)
被認(rèn)為是“使能”技術(shù)。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是仿真科學(xué)與技術(shù)涉及到的有關(guān)具體仿真技術(shù)中最為基礎(chǔ)的部分，具有綜合性、多學(xué)科交叉等特點(diǎn)。
為了拓寬機(jī)械工程專業(yè)基礎(chǔ)，提高培養(yǎng)對(duì)象的整體素質(zhì)，更好地適應(yīng)社會(huì)對(duì)機(jī)械工程專業(yè)人才的需求，高校工科專業(yè)的研究生應(yīng)掌握一定的計(jì)算機(jī)仿真知識(shí)與技能。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)課程是我校機(jī)械工程學(xué)院面向所有研究生各專業(yè)方向的研究生開(kāi)設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，考慮專業(yè)應(yīng)用需求并結(jié)合教學(xué)實(shí)踐情況，課程目的是通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)方面的基本理論，基本知識(shí)和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，為今后分析、綜合各類工程系統(tǒng)或非工程系統(tǒng)提供一種有力的工具，以便能靈活應(yīng)用所學(xué)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為本專業(yè)工作服務(wù)。
一方面，基于仿真技術(shù)課程的內(nèi)容方法較多，實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)；另一方面，授課對(duì)象專業(yè)方向較多、授課學(xué)時(shí)有限等特點(diǎn)，如何解決在有限的教學(xué)課時(shí)內(nèi)講授內(nèi)容繁多的仿真內(nèi)容、對(duì)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)課程進(jìn)行教學(xué)方法和手段的改革探索和實(shí)踐，以達(dá)到計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)教學(xué)目標(biāo)。
三、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置和教學(xué)方法的選擇
課程開(kāi)設(shè)初期，由于只是機(jī)械電子工程專業(yè)方向的同學(xué)選修，所以所講內(nèi)容基本針對(duì)該專業(yè)方向進(jìn)行設(shè)置。隨著選修人數(shù)的不斷增加，以及選修學(xué)生所屬專業(yè)方向的擴(kuò)大，專業(yè)方向包括：機(jī)械制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子工程、機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、車輛工程、機(jī)械工程（專業(yè)學(xué)位）等，基本涵蓋了機(jī)械工程學(xué)院的所有專業(yè)方向。
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)課程涉及多個(gè)交叉學(xué)科，緊密相關(guān)的課程包括數(shù)值計(jì)算方法、計(jì)算機(jī)編程、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、高等數(shù)學(xué)、自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)等課程。如何講出本課程的特點(diǎn)，并充分結(jié)合相關(guān)課程內(nèi)容，必須在教學(xué)內(nèi)容的選排上下功夫。
項(xiàng)目教學(xué)法是一種以任務(wù)驅(qū)動(dòng)、以項(xiàng)目為基本教學(xué)單元，將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)融合在一起，強(qiáng)調(diào)綜合能力的培養(yǎng)在研究生教育中的重要性，突出學(xué)生在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中的主體地位。因此，為了滿足各個(gè)專業(yè)方向?qū)W生的要求，使他們能夠掌握一門工程分析技術(shù)，為后續(xù)的學(xué)術(shù)論文和碩士學(xué)位論文的撰寫提供計(jì)算、分析和仿真手段，本人在講授該門課程的過(guò)程中，逐年對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)考核方法等不斷進(jìn)行調(diào)整和完善。
1.采取項(xiàng)目專題方式進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的講授，調(diào)整授課內(nèi)容，采用專題教學(xué)方法使課程主題內(nèi)容分明，有利于將仿真方法講深、講透。
2.擴(kuò)展所授課程內(nèi)容涵蓋的范圍，包括數(shù)值計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)、圖形可視化、控制系統(tǒng)特性仿真、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及與外部軟件的接口等內(nèi)容，以滿足各專業(yè)方向?qū)W生的需求。
3.增加與課程相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)本來(lái)是實(shí)踐性很強(qiáng)的綜合性技術(shù)，仿真技術(shù)本身是在對(duì)控制系統(tǒng)分析的過(guò)程中不斷完善和發(fā)展起來(lái)的。因此并結(jié)合各個(gè)專業(yè)研究生的不同研究方向，靈活設(shè)計(jì)若干個(gè)專題實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生學(xué)以致用，培養(yǎng)學(xué)生將該門課程應(yīng)用于實(shí)際工程的能力。
4.采用多個(gè)工程應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行教學(xué)，從系統(tǒng)應(yīng)用、數(shù)學(xué)建模、仿真建模、模型求解以及特性分析等，使學(xué)生從生產(chǎn)實(shí)際認(rèn)知的研究對(duì)象，提升到理論高度的學(xué)習(xí)，應(yīng)用所學(xué)的各科理論知識(shí)和技術(shù)手段，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、仿真建模的建立，并對(duì)模型求解以及特性進(jìn)行分析，獲得直觀結(jié)果，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，最終解決實(shí)際工程問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)例問(wèn)題的能力。
5.結(jié)合學(xué)科前沿，進(jìn)行課堂討論。研究生在初步掌握了對(duì)系統(tǒng)的模型、仿真算法設(shè)計(jì)、仿真及結(jié)果分析這一流程后，為強(qiáng)化計(jì)算機(jī)仿真在實(shí)際工程的應(yīng)用概念，在此基礎(chǔ)上，以項(xiàng)目形式，開(kāi)展課程學(xué)科前沿以及⒏妹趴緯逃胂執(zhí)技術(shù)融合等專題討論。
6.增加實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)研究生工程實(shí)際應(yīng)用能力。利用各種平臺(tái)，擴(kuò)充計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)資料，提供最新的仿真案例，結(jié)合教學(xué)團(tuán)隊(duì)的科研課題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)研究生工程實(shí)際應(yīng)用能力。
四、項(xiàng)目教學(xué)法的教學(xué)效果
基于項(xiàng)目教學(xué)法計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)課程的教學(xué)方法改革與實(shí)踐，滿足機(jī)械工程學(xué)院各個(gè)專業(yè)方向研究生的需求，教學(xué)方法和手段的完善，使研究生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力等得到了進(jìn)一步的提高。
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)作為工科研究生的必備研究手段和技術(shù)，使學(xué)生掌握一門工程分析技術(shù)，為后續(xù)的課題研究、學(xué)術(shù)論文和學(xué)位論文的撰寫提供計(jì)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(yè)方向研究生的普遍認(rèn)同。本人指導(dǎo)的研究生，發(fā)表與該課程相關(guān)的學(xué)術(shù)論文近20篇，撰寫的碩士論文均用到計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。
論文導(dǎo)讀：計(jì)算機(jī)仿真軟件在實(shí)踐中的應(yīng)用，使電路設(shè)計(jì)人員能夠在電路設(shè)計(jì)階段對(duì)所設(shè)計(jì)的電路電氣特性進(jìn)行分析、判斷、校驗(yàn)，從而大大減輕物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段的工作量，是電子專業(yè)設(shè)計(jì)工作者提高工作效率的有效方法。本文利用protel99軟件,利用通用電子元件,對(duì)該電路參數(shù)賦值,仿真研究單管放大電路的工作過(guò)程。(1)從靜態(tài)工作點(diǎn)的分析可以看出計(jì)算機(jī)計(jì)算的放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)與估算法算得的靜態(tài)工作點(diǎn)的數(shù)值有一定的差別，但從兩者算得得結(jié)果可以得到相同的結(jié)論，即圖1所示的放大電路中的三極管工作在放大區(qū)。
關(guān)鍵詞：protel，三極管，計(jì)算機(jī)仿真
0.引言
計(jì)算機(jī)仿真軟件在實(shí)踐中的應(yīng)用，使電路設(shè)計(jì)人員能夠在電路設(shè)計(jì)階段對(duì)所設(shè)計(jì)的電路電氣特性進(jìn)行分析、判斷、校驗(yàn)，從而大大減輕物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段的工作量，是電子專業(yè)設(shè)計(jì)工作者提高工作效率的有效方法。
Protel 99內(nèi)置了功能強(qiáng)大的SPICE 3f5電路仿真軟件，能提供連續(xù)的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)仿真。該軟件運(yùn)行于Protel的EDA/Client進(jìn)程環(huán)境下，與ProtelAdvanced Schematic原理圖設(shè)計(jì)程序協(xié)同工作，為用戶提供一個(gè)完整的從設(shè)計(jì)到仿真驗(yàn)證的設(shè)計(jì)環(huán)境【1】。
單管放大電路是模擬電路設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的電路。本文利用protel99軟件,利用通用電子元件,對(duì)該電路參數(shù)賦值,仿真研究單管放大電路的工作過(guò)程。理論分析了單管放大電路的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)參數(shù),研究基于protel99軟件仿真該電路的方法，并得到相關(guān)結(jié)論。
1.單管放大電路的理論計(jì)算
單管放大電路圖如圖1所示， 其中信號(hào)源的幅值為,頻率為，則由估算法【2】可得:
摘 要
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，教研改革的不斷深化，形象生動(dòng)的教學(xué)方法有必要應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中。而焊接熔滴過(guò)的形式，一般都要通過(guò)高速攝影方法對(duì)熔滴的過(guò)渡情況進(jìn)行攝制，播放以后才能知道具體的熔滴過(guò)渡形式，所需的設(shè)備昂貴，攝制工藝相當(dāng)?shù)膹?fù)雜并難以做到。通過(guò)對(duì)本課題的研究，不但可以有利于教學(xué)改革，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且還不需要昂貴的設(shè)備，降低成本。
本課題通過(guò)查閱資料，根據(jù)熔滴過(guò)渡的受力情況和熔滴過(guò)渡的主要形式和特點(diǎn)，應(yīng)用3DS MAX 4.0繪制三維動(dòng)畫，并且用Authorware制作演示界面。經(jīng)過(guò)對(duì)軟件的調(diào)試和修改，最終達(dá)到本課題的要求。
該軟件共制作了12個(gè)三維動(dòng)畫，即大滴滴落過(guò)渡、大滴排斥過(guò)渡、細(xì)顆粒過(guò)渡、短路過(guò)渡、爆炸過(guò)渡、射滴過(guò)渡、射流過(guò)渡1（表現(xiàn)其跳弧現(xiàn)象）、射流過(guò)渡2（表現(xiàn)其高速過(guò)渡現(xiàn)象）、旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡、亞射流過(guò)渡、沿熔渣渣殼過(guò)渡、沿套筒過(guò)渡。演示界面包括歡迎界面、動(dòng)畫選擇界面、退出界面、結(jié)束界面。在軟件制作期間，進(jìn)行了大量的調(diào)試工作，并且該軟件的各環(huán)節(jié)運(yùn)行正常。
結(jié)果表明，該軟件能夠?qū)附尤鄣芜^(guò)渡的過(guò)程提供很形象的模擬，并且與真實(shí)的熔滴過(guò)渡的過(guò)程相近。而且它在計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際工藝等方面具有一定的實(shí)際意義，為以后的計(jì)算機(jī)仿真作出了初步探索。
關(guān)鍵詞：熔滴過(guò)渡，三維動(dòng)畫，計(jì)算機(jī)仿真
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關(guān)鍵詞：鍋爐燃燒，計(jì)算機(jī)仿真，燃燒控制系統(tǒng)，蒸汽壓力，送風(fēng)量
鍋爐的自動(dòng)控制經(jīng)歷了三、四十年代的參數(shù)儀表控制，四、五十年代的單元組合儀表，綜合參數(shù)儀表控制，直到六十年代興起的計(jì)算機(jī)過(guò)程控制幾個(gè)階段。尤其是近一、二十年來(lái)，隨著先進(jìn)控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，加之計(jì)算機(jī)各項(xiàng)性能的不斷增強(qiáng)及價(jià)格的不斷下降使鍋爐應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制很快得到普及和應(yīng)用。
電廠鍋爐利用煤的燃燒發(fā)熱，通過(guò)傳熱對(duì)水進(jìn)行加熱，產(chǎn)生高壓蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的電能。在鍋爐燃燒系統(tǒng)中，給煤系統(tǒng)，送風(fēng)系統(tǒng)，引風(fēng)系統(tǒng)是燃燒控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。以主蒸汽壓力控制系統(tǒng)為主回路，燃燒率控制系統(tǒng)為內(nèi)回路，通過(guò)傳感器采集爐膛壓力，含氧量和爐膛負(fù)壓來(lái)調(diào)節(jié)鍋爐的給煤量，送風(fēng)量和引風(fēng)量從而達(dá)到最佳熱效率。
燃燒控制系統(tǒng)是電廠熱工控制的重要組成部分，目前大部分電廠的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)仍然采用PID控制。。燃燒控制系統(tǒng)由主蒸汽壓力控制和燃燒率控制組成控制系統(tǒng)，其中燃燒率控制由燃燒量控制、送風(fēng)量控制、引風(fēng)量控制三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。鍋爐生產(chǎn)燃燒系統(tǒng)自動(dòng)控制的基本任務(wù)是使燃料所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，同事還要保證經(jīng)濟(jì)燃燒和鍋爐的安全運(yùn)行。具體控制任務(wù)可分為三個(gè)方面：一要穩(wěn)定蒸汽母管壓力。二要維持鍋爐燃燒的最佳狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)性。三要維持爐膛負(fù)壓在一定范圍。這三者是相互關(guān)聯(lián)的。
控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真是對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)研究的一種重要手段，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真來(lái)對(duì)比各種控制策略和方案，優(yōu)化并確定相關(guān)參數(shù)，以獲得最佳控制效果是多年來(lái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤其是新型控制策略與算法研究中心必不可少的技術(shù)。采用MatLab對(duì)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，可快速方便的實(shí)現(xiàn)多種規(guī)則和參數(shù)的控制仿真效果，極大地提高了調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的效率和準(zhǔn)確性。
鍋爐燃燒過(guò)程是一個(gè)燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽哉羝问较蛟O(shè)備提供熱量的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。燃燒過(guò)程控制的基本任務(wù)是調(diào)整燃燒率水平，使之適應(yīng)外界負(fù)荷的需要，穩(wěn)定蒸汽壓力，并確保燃燒過(guò)程在安全經(jīng)濟(jì)的工況下進(jìn)行。能迅速改變爐膛燃燒率，適應(yīng)外界負(fù)荷變化。燃燒過(guò)程控制的主要任務(wù)之一是維持蒸汽壓力穩(wěn)定。由對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的分析可以看出，在外界負(fù)荷變化時(shí)，只有迅速改變鍋爐的燃燒率，維持燃燒過(guò)程的能量平衡，才能保持蒸汽壓力穩(wěn)定。。燃燒率的改變，主要是燃料量的改變，而蒸汽壓力對(duì)于燃料量變化的相應(yīng)，有一定的延遲時(shí)間，延遲時(shí)間的大小，受燃料系統(tǒng)的影響較大。因此對(duì)于變動(dòng)負(fù)荷鍋爐，以及采用延遲時(shí)間大的燃燒系統(tǒng)鍋爐，如直吹式鍋爐，在設(shè)計(jì)燃燒控制系統(tǒng)時(shí)，如何迅速改變爐膛內(nèi)燃燒率是不容忽視的。
能迅速并消除燃燒率擾動(dòng)。燃燒率的擾動(dòng)通常是指燃料量的自發(fā)擾動(dòng)，這不僅影響蒸汽壓力的穩(wěn)定，在并列運(yùn)行方式下，還會(huì)引起其他鍋爐汽包壓力及鍋爐負(fù)荷的變化，改變各鍋爐運(yùn)行工況。直接用燃燒量作為調(diào)節(jié)的信號(hào)是不準(zhǔn)確的。經(jīng)研究得出用熱量信號(hào)來(lái)間接代替燃燒量信號(hào)。因?yàn)槿紵堪l(fā)生變化后，爐內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的熱量就要變化，它不僅影響鍋爐的蒸發(fā)量，也將使汽壓發(fā)生變化，引起鍋爐的蓄熱量隨之發(fā)生變化。而蓄熱量的變化和汽壓的變化速度成正比。所以用蒸汽量和汽壓的變化速度適當(dāng)?shù)鼐C合，就可以代替燃料量。
確保燃料、送風(fēng)和引風(fēng)等參數(shù)協(xié)調(diào)變化。當(dāng)燃燒率改變時(shí)，只有保持送風(fēng)量與燃料量成比例變化，才能保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性。只有保持引風(fēng)量與送風(fēng)量協(xié)調(diào)變化，才能保證爐膛壓力穩(wěn)定。因此確保燃料、送風(fēng)、引風(fēng)等參數(shù)協(xié)調(diào)變化是確保燃燒工況穩(wěn)定必不可少的條件。燃燒控制系統(tǒng)整定原則要考慮到燃燒過(guò)程中引風(fēng)量為送風(fēng)量的從動(dòng)流量，而送風(fēng)量為燃燒量的從動(dòng)量，因此為保證整定燃燒過(guò)程能安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，應(yīng)先整定從動(dòng)量的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并按此順序?qū)⒏髯酉到y(tǒng)投入自動(dòng)狀態(tài)。即燃燒控制系統(tǒng)的整定應(yīng)在送風(fēng)和爐膛壓力控制系統(tǒng)投入自動(dòng)的情況下進(jìn)行整定。送風(fēng)控制系統(tǒng)應(yīng)在爐膛壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入自動(dòng)的情況下進(jìn)行整定。。
控制系統(tǒng)中前饋信號(hào)的作用是作為送風(fēng)量的給定值。加入前饋調(diào)節(jié)器后，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快了。而且前饋加入可以使系統(tǒng)提前動(dòng)作，更好地改善系統(tǒng)的性能。因此加入前饋調(diào)節(jié)器后系統(tǒng)的波動(dòng)比未加時(shí)小很多，說(shuō)明了加前饋調(diào)節(jié)器后系統(tǒng)性能比未加時(shí)好。這樣如果當(dāng)負(fù)荷階躍擾動(dòng)成比例增加時(shí)，風(fēng)量響應(yīng)曲線也成比例上升，但恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間基本不變。
對(duì)以上幾點(diǎn)分析，在組成控制系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)鍋爐本身特點(diǎn)及燃燒過(guò)程的具體情況，有所側(cè)重。如對(duì)于帶基本負(fù)荷鍋爐燃燒系統(tǒng)，比較側(cè)重提高經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)行工況的穩(wěn)定性；對(duì)于帶變動(dòng)負(fù)荷的鍋爐，則比較側(cè)重對(duì)負(fù)荷變化的影響，而兼顧其它。主系統(tǒng)有輸入時(shí)，爐膛壓力控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生小范圍波動(dòng)，并在短時(shí)間內(nèi)未能定下來(lái)，說(shuō)明爐膛壓力控制系統(tǒng)的隨動(dòng)性能較好。而送風(fēng)控制系統(tǒng)在主系統(tǒng)階躍輸入時(shí)，波動(dòng)較大，但最終達(dá)到穩(wěn)定，只是調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。由爐膛壓力控制系統(tǒng)和送風(fēng)控制系統(tǒng)的應(yīng)急變化可以看出，主系統(tǒng)變化時(shí)，子系統(tǒng)一定會(huì)隨子系統(tǒng)，只是達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間長(zhǎng)短不一致。
燃燒控制系統(tǒng)方法一般都是從燃燒量、送風(fēng)量、爐膛壓力等幾個(gè)方面控制主蒸汽壓力，而它們彼此之間又相互影響。這里的系統(tǒng)基本做出燃燒控制系統(tǒng)基本方案和子系統(tǒng)的隨動(dòng)變化研究，結(jié)果表明這種控制系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷指令變化，有效克服鍋爐燃燒率擾動(dòng)和汽輪機(jī)氣量的擾動(dòng)影響，改善機(jī)組負(fù)荷跟蹤性能，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn)。相信是將來(lái)會(huì)成為先進(jìn)控制方法使燃燒系統(tǒng)更加完善。
關(guān)鍵詞：離散事件；系統(tǒng)仿真；
Abstract: This paper introduces the simulation method ofdiscrete event system, combined with the marshalling station arrived at the station operation simulation system,the simulation research. In the simulation of discrete event system, introduces the entity, event and thesimulation clock concept, and the simulation clock pushing method of time step method and step method is described in detail. In the simulation, with the station at the field operation simulation system of marshalling,introduced the method of using computer to simulate theworking process.
Keywords: discrete event system simulation;
中圖分類號(hào)： N945.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-2104（2013）
運(yùn)用模型研究客觀事物，是人類自古以來(lái)一直沿用的研究方法。這種方法是利用相似原理，運(yùn)用物理模型模仿被研究的系統(tǒng)。對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它與外部環(huán)境之間或其組成部分之間，存在一定的數(shù)學(xué)和邏輯關(guān)系。因此，可以運(yùn)用定性和定量分析相結(jié)合的方法，建立數(shù)學(xué)邏輯模型，來(lái)對(duì)系統(tǒng)的規(guī)律進(jìn)行研究。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真就是在系統(tǒng)模型上，通過(guò)計(jì)算機(jī)試驗(yàn)，按照一定的原則對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述和分析。系統(tǒng)仿真有三種類型：離散型、連續(xù)型、離散——連續(xù)復(fù)合型。本論文將介紹離散事件系統(tǒng)仿真的方法。
1. 離散事件系統(tǒng)
離散事件系統(tǒng)是指系統(tǒng)內(nèi)事件的發(fā)生是由一系列離散的點(diǎn)構(gòu)成，通過(guò)這些離散點(diǎn)上的事件改變系統(tǒng)的狀態(tài)，因此離散事件仿真系統(tǒng)是由事件驅(qū)動(dòng)的。離散事件系統(tǒng)，一般從實(shí)體、事件、活動(dòng)、進(jìn)程和仿真時(shí)鐘等方面進(jìn)行描述。下面，對(duì)這些概念進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明：
1.實(shí)體
在離散事件系統(tǒng)中的實(shí)體可分為臨時(shí)實(shí)體及永久實(shí)體。在系統(tǒng)中只存在一段時(shí)間的實(shí)體叫臨時(shí)實(shí)體，永久駐留系統(tǒng)中的實(shí)體稱為永久實(shí)體。
2.事件
它是引起系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的行為。離散系統(tǒng)由事件驅(qū)動(dòng)，除了系統(tǒng)中固有事件，還有一類程序事件，它用于控制仿真進(jìn)程。
3.活動(dòng)
離散事件系統(tǒng)中的活動(dòng)，表示引起系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的事件。
4.進(jìn)程
指事件或活動(dòng)的邏輯關(guān)系事件，通常由一系列有序活動(dòng)構(gòu)成。
5.仿真時(shí)鐘
仿真時(shí)鐘用來(lái)表示仿真時(shí)間的進(jìn)程，在一個(gè)仿真系統(tǒng)中，可以有多個(gè)仿真時(shí)鐘。
2. 系統(tǒng)仿真時(shí)鐘的推進(jìn)
仿真系統(tǒng)的推進(jìn)，靠的是仿真時(shí)鐘時(shí)間的變化，下面詳細(xì)介紹仿真時(shí)鐘的兩種推進(jìn)方法。
1．等時(shí)間步長(zhǎng)法
所謂等時(shí)間步長(zhǎng)法，是指定一個(gè)時(shí)間增量為仿真單位，以它為前進(jìn)的步長(zhǎng)。每推進(jìn)一個(gè)單位，對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行考察、修改。如果在單位時(shí)間里發(fā)生有i個(gè)事件，S1，S2，S3，… Si，則把這i個(gè)事件全部移至該單位時(shí)間的最后一刻，作為并發(fā)事件處理。
等時(shí)間步長(zhǎng)法的時(shí)鐘推進(jìn)如圖1-1所示：
圖1-1 等時(shí)間步長(zhǎng)法時(shí)鐘推進(jìn)示意圖
運(yùn)用等時(shí)間步長(zhǎng)法進(jìn)行系統(tǒng)仿真的流程如圖1-2所示：
圖1-2 等時(shí)間步長(zhǎng)法仿真過(guò)程示意圖
等時(shí)間步長(zhǎng)法對(duì)系統(tǒng)仿真的過(guò)程為：對(duì)系統(tǒng)中的實(shí)體、屬性和活動(dòng)設(shè)置初值，判斷模擬進(jìn)程；若模擬未結(jié)束，則對(duì)實(shí)體或活動(dòng)數(shù)的數(shù)量賦值1；對(duì)系統(tǒng)中的實(shí)體或活動(dòng)進(jìn)行考察，有事件發(fā)生，則處理該事件，若有并發(fā)事件，按一定的程序處理并發(fā)事件；記錄活動(dòng)延續(xù)時(shí)間，然后改變系統(tǒng)狀態(tài)，同時(shí)，對(duì)實(shí)體或活動(dòng)數(shù)加1；判斷模擬是否結(jié)束，若結(jié)束，則利用統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，輸出模擬結(jié)果，未結(jié)束，再進(jìn)行以上流程，直到結(jié)束為止。
2．事件步長(zhǎng)法
事件步長(zhǎng)法是指在仿真過(guò)程中，時(shí)鐘的推進(jìn)不是等時(shí)間間隔的，它以每一事件進(jìn)行的時(shí)間作為步長(zhǎng)，在每一事件發(fā)生時(shí)刻對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行考察，沒(méi)有事件發(fā)生的時(shí)間段則被跳過(guò)。對(duì)于同一時(shí)刻發(fā)生的多個(gè)事件，按一定規(guī)則進(jìn)行并發(fā)事件處理。
事件步長(zhǎng)法的時(shí)鐘推進(jìn)方式如圖1-3所示：
圖1-3 事件步長(zhǎng)法時(shí)鐘推進(jìn)示意圖
使用事件步長(zhǎng)法的時(shí)鐘推進(jìn)對(duì)系統(tǒng)仿真的流程如圖1-4所示，
圖1-4 事件步長(zhǎng)法模擬過(guò)程示意圖
仿真開(kāi)始時(shí)，對(duì)仿真的系統(tǒng)的事件及屬性設(shè)置初始值，尋找最小時(shí)間事件，有并發(fā)事件時(shí)，按既定的規(guī)則處理。然后將時(shí)鐘推進(jìn)到最小時(shí)間的事件，判斷該事件是哪類事件，調(diào)用該事件的模塊。若該事件的發(fā)生會(huì)產(chǎn)生條件事件，則對(duì)該條件事件進(jìn)行處理，并記錄仿真數(shù)據(jù)。而后再尋找下一個(gè)最小時(shí)間事件，更新該事件子時(shí)鐘，判斷仿真是否結(jié)束，若未結(jié)束，則按上述步驟進(jìn)行新一輪的仿真。
3. 系統(tǒng)仿真的研究方法
計(jì)算機(jī)仿真是指根據(jù)被研究真實(shí)對(duì)象的系統(tǒng)模型，在分析各要素間的相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立具有一定數(shù)量關(guān)系的仿真模型，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)或定量分析，以獲得真實(shí)對(duì)象系統(tǒng)的信息，為正確決策服務(wù)。
為了對(duì)本文以到達(dá)場(chǎng)仿真系統(tǒng)的研究為例，結(jié)合到達(dá)場(chǎng)的作業(yè)實(shí)際，介紹計(jì)算機(jī)模擬的過(guò)程：
1．系統(tǒng)分析
在進(jìn)行系統(tǒng)的仿真前，首先，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，清楚系統(tǒng)中各元素間的相關(guān)性；其次，明確對(duì)于各子系統(tǒng)元素研究的條件、層次、范圍；第三，明確研究的目的和達(dá)成的目標(biāo)。對(duì)于本文的系統(tǒng)仿真研究，將把到達(dá)場(chǎng)作業(yè)系統(tǒng)按關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱分成若干子系統(tǒng)，再將子系統(tǒng)的實(shí)體變化情況進(jìn)行進(jìn)一步研究。研究的目的，是通過(guò)到達(dá)場(chǎng)仿真系統(tǒng)的結(jié)果，計(jì)算不同條件下到達(dá)場(chǎng)的咽喉區(qū)通過(guò)能力、到發(fā)線通過(guò)能力、駝峰解體能力等情況，并對(duì)各項(xiàng)能力數(shù)值和設(shè)備利用進(jìn)行分析。
2．?dāng)?shù)據(jù)的收集和分析處理
要實(shí)現(xiàn)對(duì)到達(dá)場(chǎng)作業(yè)系統(tǒng)的仿真，必須對(duì)系統(tǒng)中實(shí)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行量化。因此，在建立系統(tǒng)仿真模型前，必須對(duì)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，通過(guò)擬合分析等方法，得出系統(tǒng)中實(shí)體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究其規(guī)律分布曲線。主要研究的數(shù)據(jù)有：到達(dá)車流的分布規(guī)律、到達(dá)場(chǎng)的各項(xiàng)技術(shù)作業(yè)的時(shí)間、駝峰調(diào)機(jī)的作業(yè)時(shí)間等。
3．應(yīng)用數(shù)學(xué)模型處理仿真系統(tǒng)
進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí)，對(duì)于某些作業(yè)過(guò)程，必須進(jìn)行人工智能判斷。如，咽喉進(jìn)路排列和到發(fā)線使用問(wèn)題，因?yàn)樽兓闆r是以幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)的，若用計(jì)算機(jī)窮舉的話，仿真系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)。因此，必須建立數(shù)學(xué)模型解決這類問(wèn)題。建模的方法為：在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)子系統(tǒng)實(shí)體的作業(yè)過(guò)程，在合理界定研究范圍的條件下，分析各項(xiàng)作業(yè)間的邏輯關(guān)系，建立到發(fā)線應(yīng)用、咽喉區(qū)進(jìn)路排列、駝峰調(diào)機(jī)使用等數(shù)學(xué)模型。為了使仿真系統(tǒng)更好的實(shí)現(xiàn)，對(duì)一些次要影響因素進(jìn)行理想化設(shè)定。
4．建立計(jì)算機(jī)仿真模型，完成仿真程序
對(duì)于仿真模型的建立，要分析所研究系統(tǒng)的實(shí)體的特性，選擇合理的仿真方法，建立系統(tǒng)的仿真模型。在建立仿真模型中，最重要的是將仿真對(duì)象的變化過(guò)程、各實(shí)體間的邏輯關(guān)系分析清楚。例如，在對(duì)編組站到達(dá)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程的仿真系統(tǒng)研究中，對(duì)于機(jī)車的作業(yè)過(guò)程和它觸發(fā)的其他作業(yè)進(jìn)行分析，從而，合理的劃分了仿真的子系統(tǒng)。另外，對(duì)于仿真系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)，要滿足仿真運(yùn)行的速度和穩(wěn)定性。
5．仿真系統(tǒng)及結(jié)果的分析
對(duì)于仿真系統(tǒng)，要進(jìn)行相應(yīng)的分析。首先，要確定仿真模型建立的是否正確；其次，要對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)仿真系統(tǒng)能否反映客觀現(xiàn)實(shí)模擬的系統(tǒng)。
對(duì)于到達(dá)場(chǎng)仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)可以按上述思路，采用系統(tǒng)分析的方法，遵循由繁到簡(jiǎn)、層層分析的原則，從對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)到達(dá)場(chǎng)作業(yè)仿真系統(tǒng)建模和軟件開(kāi)發(fā)。
4. 結(jié)束語(yǔ)
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真模擬，具有在計(jì)算機(jī)上直接進(jìn)行作業(yè)試驗(yàn)，全面進(jìn)行作業(yè)過(guò)程檢驗(yàn)，詳細(xì)統(tǒng)計(jì)模擬細(xì)節(jié)，重復(fù)進(jìn)行大量方案的比較和優(yōu)選的特點(diǎn)。因此，利用計(jì)算機(jī)手段對(duì)事物進(jìn)行仿真研究,是一種有效的科學(xué)分析方法。本文利用編組站到達(dá)場(chǎng)的作業(yè)過(guò)程進(jìn)行分析，仿真研究結(jié)果對(duì)于到達(dá)場(chǎng)的設(shè)計(jì)建設(shè)、運(yùn)營(yíng)組織工作有著重要的輔助作用，可以為管理者的決策提供參考。
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關(guān)鍵詞 物理實(shí)驗(yàn) 網(wǎng)絡(luò) 多媒體
中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
On Physics Experiment Teaching Model
LI Zhengda[1]， XIE Lin[2]
（[1] Department of Electronics and Communication Engineering， Changsha University， Changsha， Hu'nan 410003；
[2] Nanya Middle School， Changsha， Hunan 410129）
Abstract College physics experiment has always been an important foundation course for science and engineering college students， as expand enrollment， and teaching methods instrument sets ploidy serious lag， how effective use of existing resources， through the Internet and multimedia， and other methods to more open teaching mode fully mobilize the enthusiasm of students， so that teaching can adapt to contemporary physics experiment teaching requirements.
Key words physics experiment； network； multimedia
一般的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程包括：課題確定，收集資料，制定方案組織試驗(yàn)程序，選擇和準(zhǔn)備儀器，實(shí)驗(yàn)操作（觀察、記錄、分析、驗(yàn)證 ），撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。但現(xiàn)在的問(wèn)題確實(shí)很多，高校擴(kuò)大招生政策對(duì)我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)生諸多不利影響，例如：實(shí)驗(yàn)儀器臺(tái)套數(shù)跟不上，實(shí)驗(yàn)儀器不足，有時(shí)甚至十來(lái)個(gè)學(xué)生圍著一臺(tái)儀器，而且學(xué)生的質(zhì)量也明顯下降很多，物理實(shí)驗(yàn)儀器的更新?lián)Q代嚴(yán)重更不上科技的發(fā)展，有些儀器還是甚至是上世紀(jì)60～70年代的；有些高校對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)也不重視，在課程設(shè)置和學(xué)時(shí)安排不能給予保障，為學(xué)生預(yù)留的獨(dú)立思考時(shí)間也不夠； 教師人員結(jié)構(gòu)性短缺相當(dāng)突出，教師流動(dòng)性也很大；教學(xué)內(nèi)容陳舊，教學(xué)手段單一落后，按部就班，所有這些都大大削弱學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。
因此，如何對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教育進(jìn)行改革，使之適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，亟需我們?cè)诮虒W(xué)中摸索和嘗試。技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)給死氣沉沉的實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)生機(jī)，尤其是現(xiàn)代教育技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合并引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，大大提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)的興趣，教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果也明顯提高。
2001年9月28日，教育部已出臺(tái)《關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室工作的若干意見(jiàn)（討論稿）》，簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)教學(xué)20條中指出：實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的主要渠道和高等教學(xué)改革的突破口，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和科研能力起到至關(guān)重要的作用。其中要求實(shí)驗(yàn)教學(xué)以學(xué)生為本實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化教學(xué)管理，以滿足學(xué)生自主選課，自助實(shí)驗(yàn)。
首先，學(xué)生方面，通過(guò)現(xiàn)代教育技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合建立物理實(shí)驗(yàn)預(yù)約，了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、概念、模型，從心理上滿足了學(xué)生的好奇心和求知欲；另外，教師方面，讓教師進(jìn)一步轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)教學(xué)觀念，充分意識(shí)到：只有在真正意義上了解學(xué)生的基礎(chǔ)上，才能理清實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思路和實(shí)驗(yàn)授課模式，不是盲目為實(shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)，才能有針對(duì)性地幫助學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中理解消化所學(xué)的物理理論知識(shí)，從而提高教學(xué)的質(zhì)量和效率。
1 充分開(kāi)發(fā)利用網(wǎng)絡(luò)資源
物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心局域網(wǎng)擴(kuò)大，豐富網(wǎng)絡(luò)課件資源。設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)與我們學(xué)生相適應(yīng)而又科學(xué)的開(kāi)放教學(xué)管理系統(tǒng)，此系統(tǒng)應(yīng)該包括：（1）預(yù)約實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱以及每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體的信息情況。（2）網(wǎng)上學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)課件、擴(kuò)展性學(xué)習(xí)資料和網(wǎng)絡(luò)鏈接等。（3）在線或留言答疑平臺(tái)、學(xué)生討論系統(tǒng)。（4）教學(xué)視頻、仿真實(shí)驗(yàn)演示以及錄像。（5）網(wǎng)上教學(xué)設(shè)備管理維護(hù)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)中心辦公軟件系統(tǒng)。各實(shí)驗(yàn)房間配備微機(jī)終端，并安裝了“物理實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)系統(tǒng)”即 “電子教師”，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到問(wèn)題或碰到常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)故障及操作問(wèn)題時(shí)，可向“物理實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)系統(tǒng)”請(qǐng)教，把實(shí)驗(yàn)原理、操作示范、疑難解答、注意事項(xiàng)、技術(shù)應(yīng)用等內(nèi)容集于一體，而且每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法以及參數(shù)的拓展知識(shí)，有利于擴(kuò)大學(xué)生視野和領(lǐng)悟物理實(shí)驗(yàn)研究方法之精髓；自主開(kāi)發(fā)的“基于儀器庫(kù)的物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，利用該軟件在儀器配置上的靈活性，可以很便利地開(kāi)出物理設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，極大地增強(qiáng)了仿真實(shí)驗(yàn)的可操作性和網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的隨時(shí)性。
1.1 采用多媒體教學(xué)
注重多媒體開(kāi)發(fā)與制作，要求每位教師都能制作圖文并茂的多媒體課件并用于教學(xué)中。多媒體具備聲音、動(dòng)畫以及豐富的教學(xué)資源，有利于增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)習(xí)效果。
1.2 采用計(jì)算機(jī)仿真手段
在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施以計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)為主的多種現(xiàn)代化教學(xué)手段，充分發(fā)揮仿真實(shí)驗(yàn)的功能：（1）預(yù)習(xí)功能：儀器結(jié)構(gòu)及操作復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)可上機(jī)預(yù)習(xí)。（2）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目功能：某些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)只做仿真實(shí)驗(yàn)而不必實(shí)做。（3）知識(shí)擴(kuò)展功能：實(shí)驗(yàn)室不具備條件的實(shí)驗(yàn)通過(guò)仿真完成，學(xué)生可憑興趣選做各種仿真實(shí)驗(yàn)。
1.3 采用多種教學(xué)輔助手段
教學(xué)中配合使用其他現(xiàn)代化教學(xué)手段如CCD、實(shí)物圖像顯示系統(tǒng)（小型實(shí)物投影）、電視錄像、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、各種傳感技術(shù)、模擬實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M等，以增強(qiáng)教學(xué)效果。
2 開(kāi)展豐富的課外活動(dòng)
開(kāi)展豐富的課外活動(dòng)，如：（1）開(kāi)放演示實(shí)驗(yàn)室和物理科技館；（2）開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽和科技制作競(jìng)賽活動(dòng)；（3）聘請(qǐng)專家和教師面向全校學(xué)生進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)方法技術(shù)、歷史知識(shí)、應(yīng)用講座；（4）組織學(xué)生科技活動(dòng)沙龍、論文報(bào)告會(huì)，提供學(xué)生成果展示與科技作品宣傳場(chǎng)地。以上活動(dòng)使學(xué)生拓展了知識(shí)面，開(kāi)闊了視野，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)習(xí)積極性。
3 科學(xué)全面地考核學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/p>
學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目己瞬扇∑綍r(shí)成績(jī)、隨堂口試、筆試、書寫小論文等多種模式相結(jié)合的方法進(jìn)行。考試方法的改革，大大提高了學(xué)生對(duì)本課程的重視程度，綜合地評(píng)價(jià)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握及運(yùn)用能力，同時(shí)強(qiáng)化了學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)。
在教學(xué)手段上，實(shí)驗(yàn)中心重視先進(jìn)教育技術(shù)的應(yīng)用，大力發(fā)展基于計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代教育技術(shù)手段，開(kāi)發(fā)了豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源和仿真實(shí)驗(yàn)，取得了顯著的效果。
“線性系統(tǒng)理論”是本校電氣信息類碩士研究生重要的學(xué)位課程，在第一學(xué)期開(kāi)設(shè)。從課程角度看，該課程作為重要的學(xué)科基礎(chǔ)課，課程內(nèi)容在整個(gè)控制理論體系中占有非常重要的地位，是承接理論與應(yīng)用的紐帶，在培養(yǎng)研究生的系統(tǒng)概念、創(chuàng)新思維和科研能力方面具有重要的作用。從學(xué)生學(xué)習(xí)的角度看，學(xué)生處于從本科生到研究生學(xué)習(xí)的開(kāi)始階段，無(wú)論對(duì)教學(xué)內(nèi)容，還是對(duì)教師的教學(xué)方法都還沒(méi)有完全適應(yīng)，多數(shù)學(xué)生還是沿用本科階段的學(xué)習(xí)方式，對(duì)教師結(jié)合課程布置的有關(guān)研究性學(xué)習(xí)的課題缺乏有效的、科學(xué)的研究方法。如何基于課程要求培養(yǎng)研究生科學(xué)的研究方法和理論結(jié)合實(shí)際的能力，為以后的學(xué)位論文研究及工程實(shí)踐奠定良好的基礎(chǔ)，是一個(gè)值得深思的問(wèn)題。本課程目前存在的主要不足是對(duì)實(shí)踐教學(xué)不夠重視，對(duì)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力培養(yǎng)不夠。鑒于此，筆者在該課程的教學(xué)中，注重在講授課程內(nèi)容的同時(shí)，有目的和針對(duì)性地把系統(tǒng)控制理論中的研究方法貫穿于教學(xué)中，對(duì)研究生進(jìn)行了學(xué)習(xí)、研究問(wèn)題方法的培養(yǎng)和熏陶；引入CDIO理念，編寫“線性系統(tǒng)理論”工程應(yīng)用案例，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真手段，開(kāi)展基于項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)理論知識(shí)解決工程控制問(wèn)題。
筆者基于項(xiàng)目或問(wèn)題組織實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，這些項(xiàng)目或問(wèn)題都需要應(yīng)用線性系統(tǒng)理論的方法才能達(dá)到項(xiàng)目目標(biāo)或使問(wèn)題得到解決；通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真手段，讓學(xué)生尋求解決問(wèn)題的方案，驗(yàn)證解決問(wèn)題的效果；通過(guò)撰寫項(xiàng)目研究報(bào)告、答辯等環(huán)節(jié)提高學(xué)生表達(dá)和溝通能力；通過(guò)總結(jié)和討論，讓學(xué)生將具體項(xiàng)目中學(xué)到的知識(shí)，提升為一般化的解決工程問(wèn)題的能力。教師編寫實(shí)踐教學(xué)案例以輔助講義的形式發(fā)給學(xué)生，在理論課程進(jìn)行的同時(shí)，由學(xué)生利用課余時(shí)間完成實(shí)踐環(huán)節(jié)；每個(gè)學(xué)生必須選擇一個(gè)基本項(xiàng)目和一個(gè)綜合項(xiàng)目，基本項(xiàng)目需要獨(dú)立完成，綜合項(xiàng)目需要找一位同學(xué)合作完成；課程結(jié)束后教師組織一次答辯、演示并進(jìn)行總結(jié)討論，同時(shí)讓學(xué)生提交項(xiàng)目研究報(bào)告。成績(jī)按照項(xiàng)目研究深度、答辯情況和書面報(bào)告綜合給出，作為平時(shí)成績(jī)按較大比例計(jì)入課程最后成績(jī)。
實(shí)踐教學(xué)輔助講義按照項(xiàng)目或案例進(jìn)行組織。講義中給出每個(gè)項(xiàng)目的基本原理、主要參數(shù)和項(xiàng)目目標(biāo)。項(xiàng)目來(lái)源于工程應(yīng)用原型，是一個(gè)實(shí)際的物理系統(tǒng)而不是數(shù)學(xué)模型。要求學(xué)生熟悉物理系統(tǒng)、建立數(shù)學(xué)模型、對(duì)模型進(jìn)行線性化，進(jìn)而應(yīng)用線性系統(tǒng)的理論和方法解決問(wèn)題，并分析系統(tǒng)在工程實(shí)現(xiàn)中存在的問(wèn)題，提出工程實(shí)現(xiàn)方案。輔助講義主要的案例有倒立擺的建模與控制、通信衛(wèi)星光暈軌道控制、磁盤讀寫系統(tǒng)的建模與控制、風(fēng)力發(fā)電非線性系統(tǒng)的建模與控制、連續(xù)全返混式反應(yīng)釜非線性系統(tǒng)的建模與控制、發(fā)電廠鍋爐和氣機(jī)的建模與控制等。例如在風(fēng)力發(fā)電非線性系統(tǒng)的建模與控制案例中，教師首先介紹該類系統(tǒng)的控制目標(biāo)，對(duì)工作原理和主要物理關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，再提出具體控制要求。學(xué)生在此基礎(chǔ)上，需要翻閱參考資料，在進(jìn)一步理解內(nèi)容的基礎(chǔ)上，通過(guò)運(yùn)行機(jī)理分析建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的非線性模型；確定狀態(tài)變量、控制變量和輸出變量；選擇系統(tǒng)的工作點(diǎn)，并對(duì)工作點(diǎn)進(jìn)行線性化；搭建仿真模型，采用線性系統(tǒng)中學(xué)習(xí)過(guò)的多種控制算法進(jìn)行系統(tǒng)控制，并對(duì)控制算法中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；通過(guò)仿真對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和驗(yàn)證，撰寫項(xiàng)目研究報(bào)告并進(jìn)行答辯和成果演示。
如2010年秋季學(xué)期，某同學(xué)對(duì)風(fēng)力發(fā)電非線性系統(tǒng)的建模與控制問(wèn)題進(jìn)行了較全面的研究。首先通過(guò)工作原理分析，建立了機(jī)理模型。在最大風(fēng)能跟蹤控制區(qū)域，選擇了合適的工作點(diǎn)，通過(guò)泰勒公式建立了線性三階狀態(tài)空間方程。通過(guò)查閱廠家的數(shù)據(jù)手冊(cè)，計(jì)算了模型參數(shù)設(shè)計(jì)了擾動(dòng)風(fēng)速模型。通過(guò)控制器設(shè)計(jì)，考察了風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)擾動(dòng)風(fēng)速的不同響應(yīng)，圖1為采用基本控制器時(shí)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)單位階躍擾動(dòng)風(fēng)速的響應(yīng)，圖2為采用改進(jìn)控制器時(shí)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)單位階躍擾動(dòng)風(fēng)速的響應(yīng)，圖3為對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)單位階躍擾動(dòng)風(fēng)速的響應(yīng)。可以看出，隨著控制器地不斷改進(jìn)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能逐漸得到提高。通過(guò)撰寫研究報(bào)告、小組答辯等環(huán)節(jié)，該同學(xué)對(duì)課程所學(xué)知識(shí)產(chǎn)生了極大的興趣，課程考試成績(jī)不但優(yōu)秀，而且利用所學(xué)的知識(shí)，已參與完成了老師的三個(gè)科研項(xiàng)目。碩士學(xué)位論文也非常優(yōu)秀。
通過(guò)在碩士研究生“線性系統(tǒng)理論”課程教學(xué)中引入案例性實(shí)踐環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生思考課程中蘊(yùn)涵的科學(xué)方法，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，較全面地鍛煉學(xué)生的科研實(shí)踐能力，收到了良好的效果。（本文作者：王曉蘭、王志文 單位：蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院）
關(guān)鍵詞：LDPC碼 信道編碼 差錯(cuò)控制 糾錯(cuò)編碼 計(jì)算機(jī)仿真
中圖分類號(hào)：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）05-0000-00
低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）是一種線性分組糾錯(cuò)碼，當(dāng)其采用迭代譯碼算法時(shí)，如和積（sum-product） 譯碼算法，具有逼近Shannon限的良好性能，其譯碼算法復(fù)雜度隨碼長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)，非常適合并行實(shí)現(xiàn)。正因如此，LDPC碼受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，已廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、光纖通信、衛(wèi)星測(cè)控通信和數(shù)字視頻等領(lǐng)域[1] [2]。
構(gòu)造LDPC碼時(shí)，其校驗(yàn)矩陣中的非零元素往往很少，正是由于校驗(yàn)矩陣具有這種稀疏的特性，因此出現(xiàn)了多種高效的譯碼算法，且糾錯(cuò)能力較強(qiáng)。LDPC譯碼采用的是消息傳遞（MP）算法，其基本算法有比特翻轉(zhuǎn)（BF）算法和置信傳播（BP）算法。BF算法只進(jìn)行比特位的翻轉(zhuǎn)等幾種簡(jiǎn)單的運(yùn)算，復(fù)雜度較低，因此硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但其性能相對(duì)較低，適用于硬件條件受限而性能要求較低的場(chǎng)合；而BP算法是將接收到的信息在變量節(jié)點(diǎn)和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行迭代運(yùn)算，從而獲得最大編碼增益，因此具有很好的性能，同時(shí)復(fù)雜度也較高，廣泛應(yīng)用于對(duì)性能有較高要求的場(chǎng)合。
本文在介紹低密度校驗(yàn)編碼的基礎(chǔ)上，研究了置信傳播（BP）算法、對(duì)數(shù)似然率（LLR-BP）算法、最小和（Min-sum）算法等三種譯碼算法，并對(duì)各種算法的復(fù)雜度、工程實(shí)現(xiàn)的難易度和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
1 低密度校驗(yàn)編碼
LDPC編碼的首要條件是構(gòu)造一個(gè)符合條件的稀疏校驗(yàn)矩陣。根據(jù)校驗(yàn)矩陣結(jié)構(gòu)不同，通常把LDPC碼分為規(guī)則LDPC碼和不規(guī)則LDPC碼。規(guī)則LDPC碼的校驗(yàn)矩陣每行每列的非零元素相同，而不規(guī)則LDPC碼不受此規(guī)則限制。無(wú)論哪種，好的LDPC碼，必須圍繞無(wú)短環(huán)、無(wú)低碼重碼字、碼間最小距離盡可能大的原則構(gòu)造校驗(yàn)矩陣[3]。
傳統(tǒng)的編碼方法是將稀疏奇偶校驗(yàn)矩陣H經(jīng)過(guò)高斯消元處理轉(zhuǎn)換為生成矩陣G，再根據(jù)G來(lái)進(jìn)行編碼。如此的編碼方法其生成矩陣的稀疏性難以保證，且會(huì)導(dǎo)致編碼的運(yùn)算和存儲(chǔ)復(fù)雜性大大增加。對(duì)于線性編碼來(lái)說(shuō)，校驗(yàn)矩陣為H，編碼后碼字為c，則由校驗(yàn)等式性質(zhì)H?c’=0，所以可以用校驗(yàn)矩陣直接編碼，主要的編碼方法有高斯消去的直接編碼，LU分解編碼，部分迭代編碼算法等。本文仿真采用高斯消去的直接編碼，將m?n校驗(yàn)矩陣H通過(guò)高斯消元和列變換改成如下形式H=[I|P]，I為m?m單位矩陣，P為m?（n-m）矩陣，編碼后碼字c寫成c=[s|u]形式，u為輸入碼字，s為校驗(yàn)碼字，由校驗(yàn)等式H?c’=0得，I?s’+P?u’=0，即s’=P?u’，則由c=[u s]可得編碼后碼字。
2 LDPC碼譯碼算法
LDPC譯碼算法是以迭代運(yùn)算為主，主要是基于二分圖[6]結(jié)構(gòu)的消息傳遞算法。二分圖與校驗(yàn)矩陣H相對(duì)應(yīng)，包含三種元素，方形節(jié)點(diǎn)、圓形節(jié)點(diǎn)及連接方形節(jié)點(diǎn)和圓形節(jié)點(diǎn)之間的邊，對(duì)于M×N的校驗(yàn)矩陣H，方形節(jié)點(diǎn)Vc=（c0，c1，…，cM-1）稱為校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于校驗(yàn)矩陣中的列，圓形節(jié)點(diǎn)Vs=（s0，s1，…，sN-1）稱為變量節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于校驗(yàn)矩陣中的行。如果校驗(yàn)矩陣中的非零位于第i行第j列，則校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)ci和變量節(jié)點(diǎn)sj之間存在一條邊，如圖1所示，為5×10的校驗(yàn)矩陣二分圖表示。LDPC譯碼時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的置信消息需要在變量節(jié)點(diǎn)和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)之間互相傳遞。
3 譯碼算法性能分析及計(jì)算機(jī)仿真
從第二節(jié)對(duì)三種譯碼算法的分析來(lái)看，LLR-BP譯碼算法雖然與BP算法接近，但是，由于其運(yùn)算是在對(duì)數(shù)域進(jìn)行，因此復(fù)雜度有所降低；而MIN_SUM算法則通過(guò)采用近似運(yùn)算來(lái)降低復(fù)雜度，但是，近似運(yùn)算導(dǎo)致了該算法性能會(huì)有所損耗。
3.1三種譯碼算法復(fù)雜度比較
文獻(xiàn)[6]對(duì)概率域BP譯碼算法、LLR_BP譯碼算法和Min-sum譯碼算法的計(jì)算復(fù)雜度進(jìn)行了對(duì)比，各種算法都是針對(duì)碼率為1/2的（n，2p，p）規(guī)則LDPC碼進(jìn)行分析的。如表1所示。
由表1可以看出，在計(jì)算復(fù)雜度方面，BP算法最為復(fù)雜，LLR-BP算法次之，Min-sum算法計(jì)算量是最小的。
3.2三種譯碼算法性能比較
為了對(duì)BP算法、LLR_BP算法和MIN_SUM三種譯碼算法的性能進(jìn)行分析，本文建立了BPSK系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示，并以此模型為基礎(chǔ)，分析三種譯碼算法在仿真系統(tǒng)中的性能。
基于圖2的系統(tǒng)仿真模型，對(duì)三種譯碼算法性能進(jìn)行分析。信源部分隨機(jī)生成，生成的數(shù)據(jù)u={u1，u2， …，uk}經(jīng)基于刪除信道的迭代算法進(jìn)行LDPC編碼，碼長(zhǎng)為512，碼率為1/2，最大迭代次數(shù)為100，編碼后得到的碼字c={c1，c2， …，cn }進(jìn)行BPSK調(diào)制，調(diào)制后將碼字c映射成傳輸碼字x={x1，x2， …，xn }。
若信噪比取值為SNR = （0：0.2：2），運(yùn)行系統(tǒng)，可以繪制出采取三種不同譯碼算法解碼后系統(tǒng)的誤碼率曲線。圖3給出了在加性高斯白噪聲信道下系統(tǒng)誤碼率圖。
從圖3可以看出，BP譯碼算法和LLR_BP譯碼算法誤碼率基本一致，最小和譯碼算法誤碼率相對(duì)較差。由此可以看出，三種算法中BP算法是基礎(chǔ)算法，其譯碼復(fù)雜度最高，但具有最優(yōu)的譯碼性能。LLR-BP算法是由BP算法簡(jiǎn)化而來(lái)，通過(guò)將原來(lái)的運(yùn)算簡(jiǎn)化到對(duì)數(shù)域進(jìn)行，從而降低了譯碼復(fù)雜度。就譯碼性能來(lái)說(shuō)，LLR-BP算法最接近BP算法，從圖中也可以看出，BP算法與LLR-BP算法的曲線幾乎一致。Min-sum算法復(fù)雜度最低，與其它兩種算法比較譯碼性能較差，但性能損失不大。所以Min-sum算法復(fù)雜度降低，易于硬件實(shí)現(xiàn)，實(shí)用性較強(qiáng)。因此在實(shí)際運(yùn)用中，我們需要在性能和復(fù)雜度上進(jìn)行整體考慮。
4 結(jié)語(yǔ)
低密度校驗(yàn)編碼在高速數(shù)據(jù)傳輸中有著較好的應(yīng)用，但是其采用不同譯碼算法所表現(xiàn)出的譯碼性能有著較大差異。為此，本文討論了置信傳播（BP）譯碼算法和在該譯碼算法基礎(chǔ)上衍生的兩種譯碼算法，對(duì)數(shù)似然率（LLR-BP）算法和最小和（Min-sum）算法；分析了三種譯碼算法的性能，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。雖然LLR-BP算法譯碼性能與BP算法相當(dāng)，但簡(jiǎn)化了算法，Min-sum算法雖然較BP和LLR-BP算法相比，損失了一定誤碼性能，但易于硬件實(shí)現(xiàn)，實(shí)用性較強(qiáng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)系統(tǒng)性能要求和硬件條件等因素綜合考慮，在譯碼性能和復(fù)雜度之間需要全面衡量，選擇合適的LDPC碼譯碼方法，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的硬件產(chǎn)品。本文只是對(duì)LDPC碼的基礎(chǔ)譯碼算法進(jìn)行了分析，對(duì)不同碼長(zhǎng)的選擇，以及在不同的調(diào)制方式和通信環(huán)境下系統(tǒng)性能的比較分析未曾考慮，因此還需要進(jìn)一步完善。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：進(jìn)氣系統(tǒng)；有限元法；亥姆霍茲共振器；傳遞損失
中圖分類號(hào)：U464.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2013）03-0005-05
工程車輛在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生諸多噪聲，其中發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣噪聲是主要噪聲源之一。因此，降低發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲對(duì)于控制整車噪聲有著重要作用。文中對(duì)某工程車輛的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析和仿真分析，獲得該進(jìn)氣噪聲優(yōu)勢(shì)頻率及傳遞損失等數(shù)據(jù)，并根據(jù)分析結(jié)果，提出改進(jìn)意見(jiàn)。改進(jìn)后的進(jìn)氣系統(tǒng)降噪效果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論及方案。
1 實(shí)驗(yàn)分析
1.1 噪聲信號(hào)采集及分析
1.2 進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失測(cè)量
傳遞損失是消聲元件和簡(jiǎn)單系統(tǒng)消聲效果的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，只取決于該元件的結(jié)構(gòu)、介質(zhì)的阻抗率和截面面積，與源特性和尾端輻射特性沒(méi)有關(guān)系，計(jì)算簡(jiǎn)單精確。
根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到系統(tǒng)傳遞損失曲線，如圖7。從曲線上可以看到系統(tǒng)對(duì)較低頻段消聲效果很差，并且在200～250 Hz頻段存在低谷，消聲量不足10 dB，與進(jìn)氣口噪聲頻譜和駕駛室左耳處噪聲頻譜相對(duì)應(yīng)，所以有必要優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為方便優(yōu)化設(shè)計(jì)和快速了解系統(tǒng)中的不合理結(jié)構(gòu)，故采用計(jì)算機(jī)仿真方法對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行分析，針對(duì)進(jìn)氣噪聲頻譜優(yōu)勢(shì)頻率和聲壓值較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)方法。
2 進(jìn)氣系統(tǒng)CAE分析
4 總結(jié)
（1）對(duì)某工程車輛進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)分析和仿真計(jì)算，了解系統(tǒng)的消聲性能，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。
（2）綜合分析后，針對(duì)進(jìn)氣噪聲優(yōu)勢(shì)頻率和聲壓值較高的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出改進(jìn)方案。
（3）采用優(yōu)化方案后，實(shí)車測(cè)試中進(jìn)氣系統(tǒng)消聲性能符合預(yù)期值，滿足項(xiàng)目要求，也為工程車輛方面降噪提供了參考。
參考文獻(xiàn)：
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【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)模型；科學(xué)教育；研究進(jìn)展
【中圖分類號(hào)】G40-057
【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
【論文編號(hào)】1009-8097（2013）02-0120-07
一 計(jì)算機(jī)模型及其建模工具
模型是人們對(duì)客觀事物、現(xiàn)象、事件、過(guò)程或系統(tǒng)的簡(jiǎn)約化、抽象化表征。計(jì)算機(jī)模型是以計(jì)算機(jī)為媒介，應(yīng)用特定的工具（程序、軟件、建模環(huán)境）可視化、簡(jiǎn)約化地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)象（尤其是對(duì)象的抽象成分、因果關(guān)系以及隨時(shí)間演變的復(fù)雜系統(tǒng)），從而描述、解釋、預(yù)測(cè)現(xiàn)象。圖1、圖2呈現(xiàn)的是兩個(gè)計(jì)算機(jī)模型實(shí)例。“理想氣體”是由美國(guó)西北大學(xué)Uri Wilensky教授開(kāi)發(fā)的系列NetLogo模型之一，“光電效應(yīng)”是由美國(guó)科羅拉多大學(xué)PhET項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)的系列仿真實(shí)驗(yàn)之一。每個(gè)模型的界面包含現(xiàn)象、變量、控制、數(shù)據(jù)、符號(hào)等內(nèi)容。它們從宏觀、微觀、符號(hào)、圖形層面表征物質(zhì)的性質(zhì)、現(xiàn)象、變化。通過(guò)設(shè)置、改變計(jì)算機(jī)模型中的參數(shù)，可以觀測(cè)不同條件下的現(xiàn)象，從而把握、預(yù)測(cè)事物的性質(zhì)、變化規(guī)律。人們還可以根據(jù)需要，改編程序語(yǔ)言，修改模型。計(jì)算機(jī)模型可存儲(chǔ)于硬盤、光盤、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等介質(zhì)中，因而人們可以自由復(fù)制或下載。由于計(jì)算機(jī)模型相對(duì)于物理模型具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)被廣泛運(yùn)用于科學(xué)研究、生產(chǎn)生活及學(xué)校教育中。
基于計(jì)算機(jī)建模的技術(shù)豐富多樣，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)、電子表格、專家系統(tǒng)、系統(tǒng)及種群動(dòng)態(tài)工具、可教人和直接操作環(huán)境、可視化工具、超媒體、結(jié)構(gòu)化計(jì)算機(jī)會(huì)議等。不同領(lǐng)域、不同目的，建模的工具通常有所差別。科學(xué)教育中，計(jì)算機(jī)模型主要表現(xiàn)為可視化模型、仿真、動(dòng)畫、系統(tǒng)、圖形、關(guān)系等形式，目前國(guó)外比較流行的建模工具（或環(huán)境）有eChem、Genetics Construction Kit、Model-It、NetLogo、PhET、Pedagogica，Stella，Thinker tool，Molecular Workbench、4M：Chem等，這些技術(shù)有各自的特點(diǎn)和側(cè)重。
二 科學(xué)教育中計(jì)算機(jī)模型研究若干課題
自上世紀(jì)90年代，國(guó)外學(xué)者廣泛運(yùn)用計(jì)算機(jī)模型于科學(xué)教育中，相關(guān)研究十分繁榮，主要涉及如下幾個(gè)方面：
1 基于計(jì)算機(jī)模型的學(xué)習(xí)研究
（1）計(jì)算機(jī)模型與多重表征
表征是學(xué)習(xí)的核心。Johnstone認(rèn)為，無(wú)論是物理、化學(xué)還是生物，都建立在三重表征之上，存在思維三角（圖3）；科學(xué)家可以暢行于三角之間，然而學(xué)生常常擱淺在宏觀一角，這造成了科學(xué)學(xué)習(xí)困難。計(jì)算機(jī)模型充分整合宏觀、微觀、符號(hào)層面信息，呈現(xiàn)同一現(xiàn)象不同層面的表征以及不同表征之間的相互聯(lián)系、作用，從而有效促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)事物的多重表征及其聯(lián)系。
Wu等以eChem為主要建模工具（圖4），在11年級(jí)化學(xué)課中開(kāi)展教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在實(shí)施6個(gè)星期的研究后，學(xué)生的化學(xué)表征學(xué)習(xí)得以實(shí)質(zhì)性提高。絕大多數(shù)學(xué)生在宏觀、微觀水平能很好地掌握有關(guān)概念知識(shí)，深刻理解相關(guān)表征和化學(xué)概念；學(xué)生在表征轉(zhuǎn)換題目上的得分明顯高于其他題目，表明學(xué)生在不同的表征之間相互轉(zhuǎn)換的能力得到顯著提高；積極參與模型學(xué)習(xí)的學(xué)生花更多時(shí)間討論化學(xué)表征背后的相關(guān)概念，對(duì)物質(zhì)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、概念等相關(guān)知識(shí)的理解更精確，對(duì)化學(xué)表征的理解更深刻。Wu等強(qiáng)調(diào)，計(jì)算機(jī)模型對(duì)學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)具有累積性、長(zhǎng)效性的影響。
Williamson研究表明，計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬比靜態(tài)圖片更能提高學(xué)生對(duì)信息的深刻編碼，同時(shí)激活形象和語(yǔ)義雙重編碼，有助學(xué)生形成關(guān)于現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)心智模型；而僅觀察透視圖或粉筆繪制圖，學(xué)生難以建立對(duì)現(xiàn)象的充分理解以及形成物質(zhì)微粒性的心智表征，而僅僅停留在宏觀現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)上。Snir等開(kāi)發(fā)、實(shí)施了物質(zhì)微粒性計(jì)算機(jī)模型工具的教學(xué)研究。他們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)物質(zhì)的宏觀理解和微觀理解是相輔相成的，計(jì)算機(jī)模型工具能夠幫助中學(xué)生持久地內(nèi)化物質(zhì)的微粒觀，同時(shí)增強(qiáng)了對(duì)科學(xué)模型的理解。
Ardac和Akaygun對(duì)59名九年級(jí)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生除了常規(guī)教學(xué)還接受基于媒體的教學(xué)，該教學(xué)突出強(qiáng)調(diào)宏觀、微觀和符號(hào)的同時(shí)三重表征。研究表明，媒體教學(xué)組學(xué)習(xí)成績(jī)明顯優(yōu)于常規(guī)組，他們更容易在分子層面表征物質(zhì)。隨后，Ardac和Akaygun比較了56名八年級(jí)學(xué)生關(guān)于化學(xué)變化三種教學(xué)條件下（動(dòng)態(tài)一個(gè)體、動(dòng)態(tài)一全班、靜態(tài)一全班）的學(xué)習(xí)效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)視覺(jué)表征組的成績(jī)顯著高于靜態(tài)視覺(jué)表征組，個(gè)體學(xué)生動(dòng)態(tài)視覺(jué)學(xué)習(xí)組分子表征成績(jī)優(yōu)于以全班性動(dòng)態(tài)視覺(jué)學(xué)習(xí)組和靜態(tài)一全班學(xué)習(xí)組。作者建議，當(dāng)向?qū)W生呈現(xiàn)分子表征時(shí)，盡可能運(yùn)用動(dòng)態(tài)視覺(jué)方式。
計(jì)算機(jī)模型之所以能促進(jìn)學(xué)習(xí)表征，Wu以“烷烴”表征為例，作如下解釋。學(xué)生在理解化學(xué)表征時(shí)，需要形成解釋、轉(zhuǎn)譯和心智轉(zhuǎn)換操作。由于化學(xué)表征既有形象性、又有抽象性特征，學(xué)生要建立對(duì)化學(xué)表征的充分理解、獲得表征技能需要具有牢固的概念化知識(shí)與視覺(jué)空間能力。根據(jù)Paivio（1991，1986）的“雙重編碼”理論，Wu提出了表征學(xué)習(xí)需要建立涉及可視化和概念化信息的三重基本認(rèn)知聯(lián)結(jié)（如圖5）：（a）外界所呈現(xiàn)的信息與個(gè)體內(nèi)部表征的信息之間建立表征聯(lián)結(jié)，如將“烷烴是一種碳?xì)浠衔铮鼈冎缓瑔捂I”（外部刺激）與“如果碳原子數(shù)為n，那么氫原子數(shù)是2n+2”（個(gè)體言語(yǔ)表征）之間建立聯(lián)系（聯(lián)系1）；（b）外界所呈現(xiàn)的可視化信息與個(gè)體內(nèi)部表征的信息之間建立表征性聯(lián)系，如將（可視化刺激） 與烷烴的心智圖像（可視化表征）之間建立聯(lián)系（聯(lián)系2）；（c）可視化系統(tǒng)與概念化系統(tǒng)之間的對(duì)照聯(lián)結(jié)（聯(lián)系3）。在化學(xué)表征過(guò)程中，學(xué)生需要激活上述一個(gè)或多個(gè)聯(lián)結(jié)。例如，要將化學(xué)式轉(zhuǎn)譯為物質(zhì)結(jié)構(gòu)，學(xué)生需要提取有關(guān)可視化和概念化信息，激活化學(xué)鍵與分子形狀之間的聯(lián)結(jié)。計(jì)算機(jī)模型可以為學(xué)生充分提供可視化刺激，強(qiáng)化不同信息之間的相互聯(lián)結(jié)，增強(qiáng)學(xué)生的表征理解與轉(zhuǎn)換能力。
（2）計(jì)算機(jī)模型與概念學(xué)習(xí)
概念形成與發(fā)展是科學(xué)學(xué)習(xí)的重要組成部分。大量研究表明，計(jì)算機(jī)模型能有效促進(jìn)學(xué)生科學(xué)概念的理解，轉(zhuǎn)變錯(cuò)誤概念、模糊觀念。例如，Russell等運(yùn)用4M：CHEM在500名大學(xué)生中實(shí)施研究。該模型整合了宏觀現(xiàn)象、微粒運(yùn)動(dòng)及有關(guān)圖形、圖表、化學(xué)符號(hào)、方程式等內(nèi)容。結(jié)果顯示，學(xué)生在后測(cè)中化學(xué)成績(jī)顯著提高；56%的學(xué)生（前測(cè)中則只有32%）能對(duì)科學(xué)概念（“化學(xué)平衡體系”）進(jìn)行準(zhǔn)確的描述和定義；學(xué)生在錯(cuò)誤概念題上的得分從前測(cè)的0.5減少到后測(cè)的0.2。Ozmen等整合了計(jì)算機(jī)微觀動(dòng)畫模擬與概念轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)材料，研究它們對(duì)學(xué)生化學(xué)鍵模糊概念矯正的影響。他們總共設(shè)計(jì)了16個(gè)計(jì)算機(jī)模型和7份概念轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)材料，在11年級(jí)展開(kāi)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在化學(xué)鍵概念后測(cè)中實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的成績(jī)顯著高于控制組，而前測(cè)中兩者沒(méi)有顯著差異。Ozmen等指出，整合計(jì)算機(jī)模型與概念轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)材料的教學(xué)方法，能有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)概念的理解和模糊觀念的矯正。
Vosniadout從心智模型視角解釋了計(jì)算機(jī)模型促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變的內(nèi)在機(jī)制。形成心智模型是人類認(rèn)知的最基本特征，人類通過(guò)建構(gòu)心智模型來(lái)認(rèn)識(shí)、理解世界。心智模型對(duì)概念發(fā)展和轉(zhuǎn)變具有重要意義，強(qiáng)烈、實(shí)質(zhì)性的概念轉(zhuǎn)變需要心智模型的根本重構(gòu)。心智模型的轉(zhuǎn)變是學(xué)生科學(xué)概念轉(zhuǎn)變3種主要形式之一。心智模型（內(nèi)部模型，即人頭腦中的模型）和外部模型（物質(zhì)世界中的模型）之間是動(dòng)態(tài)、相輔相成的關(guān)系。心智模型是外部模型的基礎(chǔ)，外部模型反過(guò)來(lái)制約、規(guī)定心智模型，提供概念轉(zhuǎn)變的意義。計(jì)算機(jī)模型可以使學(xué)生的心智模型與外部模型發(fā)生耦合。一方面，計(jì)算機(jī)模型幫助學(xué)生連接現(xiàn)象與模型，內(nèi)化、建構(gòu)、精致或重構(gòu)心智模型；另一方面，學(xué)生的心智模型可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行外化、表達(dá)；在雙向互動(dòng)過(guò)程中，促進(jìn)概念的理解和轉(zhuǎn)變。
（3）計(jì)算機(jī)模型與建模學(xué)習(xí)
近年來(lái)，越來(lái)越多學(xué)者意識(shí)到模型與建模對(duì)學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的重要意義，各國(guó)現(xiàn)行科學(xué)教育（課程）標(biāo)準(zhǔn)突出強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)科學(xué)模型的理解和運(yùn)用。與此同時(shí)，大量研究證實(shí)基于計(jì)算機(jī)模型的學(xué)習(xí)和教學(xué)能有效發(fā)展學(xué)生模型理解與建模技能。例如，F(xiàn)retz等研究發(fā)現(xiàn)，建模工具（Model-It）作為支架能有效支持學(xué)生完成絕大多數(shù)建模活動(dòng)，促進(jìn)建模技能的發(fā)展。Snir、Smith和Raz開(kāi)發(fā)了物質(zhì)微粒性計(jì)算機(jī)模型，該模型包含了4個(gè)窗口：（a）化學(xué)實(shí)驗(yàn)，即實(shí)驗(yàn)?zāi)M，提供宏觀現(xiàn)象；（b）問(wèn)題與思考，設(shè)計(jì)一些問(wèn)題要求學(xué)生回答，旨在引發(fā)學(xué)生對(duì)宏觀現(xiàn)象的思考；（c）模型，提供不同模型，它們分別從不同視角解釋同一現(xiàn)象，學(xué)生可以比較、選擇自己更為滿意的微觀解釋模型；（d）模型探索，允許學(xué)生用所選擇的具體模型來(lái)探索現(xiàn)象，檢驗(yàn)自己的想法與假設(shè)。該研究表明，這些計(jì)算機(jī)模型不僅幫助學(xué)生內(nèi)化物質(zhì)微粒性假設(shè)，同時(shí)幫助學(xué)生建立“一個(gè)好的模型可以在更大范圍上解釋事實(shí)，而非僅展示某個(gè)現(xiàn)象”的認(rèn)識(shí)論觀點(diǎn)。Sins等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)模型、建模的認(rèn)識(shí)論理解（即模型的性質(zhì)、模型的目的、建模過(guò)程以及模型的評(píng)估）與思維深加工具有顯著正相關(guān)，而與思維淺加工顯著負(fù)相關(guān)。
Taylor認(rèn)為計(jì)算機(jī)運(yùn)用于教育主要有兩種模式：指導(dǎo)一訓(xùn)練模式、工具一探究模式；前者是計(jì)算機(jī)控制教學(xué)內(nèi)容，計(jì)算機(jī)用來(lái)呈現(xiàn)有關(guān)事實(shí)信息、訓(xùn)練學(xué)生；后者是學(xué)生控制學(xué)習(xí)環(huán)境、內(nèi)容，計(jì)算機(jī)作為一種工具讓學(xué)生探究計(jì)算機(jī)屏幕上所展現(xiàn)的世界。計(jì)算機(jī)建模環(huán)境偏向后者，可以充分給學(xué)生提供機(jī)會(huì)探究模型工具上所展現(xiàn)的現(xiàn)象、特征以及背后所隱含的科學(xué)模型與概念，更重要的是理解科學(xué)模型的本質(zhì)以及訓(xùn)練建模的基本技能。
（4）計(jì)算機(jī)模型與科學(xué)探究
Geban等通過(guò)對(duì)200名九年級(jí)學(xué)生長(zhǎng)達(dá)9周的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)基于計(jì)算機(jī)的仿真實(shí)驗(yàn)及問(wèn)題解決活動(dòng)能顯著提高學(xué)生的科學(xué)過(guò)程技能。de Jong和van Joolingen在大量文獻(xiàn)研究基礎(chǔ)上歸納出計(jì)算機(jī)模型能有效支持學(xué)生科學(xué)探究的5個(gè)方面：（a）提供科學(xué)探究所必需的學(xué)科背景知識(shí)；（b）支持猜想與假設(shè)的形成；（c）支持實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；（d）支持作出預(yù)測(cè)；（e）支持自我調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)過(guò)程。Quintana等建構(gòu)了支持科學(xué)探究活動(dòng)的計(jì)算機(jī)模型支架性設(shè)計(jì)框架，該框架圍繞科學(xué)探究過(guò)程的三個(gè)成分展開(kāi)（即意義建構(gòu)、過(guò)程管理、表達(dá)與反思），包含了模型任務(wù)、障礙、支架原則與策略、建模工具樣例等要素。實(shí)踐證明，該框架為如何運(yùn)用計(jì)算機(jī)建模軟件作為腳手架支持學(xué)習(xí)者科學(xué)探究活動(dòng)提供了理論基礎(chǔ)和方法論依據(jù)。不少學(xué)者研究了基于計(jì)算機(jī)模型（仿真）探究活動(dòng)中學(xué)生的學(xué)習(xí)特征、影響因素。Lazonder等對(duì)55名大學(xué)新生進(jìn)行基于計(jì)算機(jī)仿真科學(xué)探究活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于前知識(shí)較為缺乏的學(xué)生，在探究活動(dòng)之前及之中提供相關(guān)學(xué)科知識(shí)信息，有助于學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理和科學(xué)知識(shí)的獲得。Mulder等比較了基于計(jì)算機(jī)模型的探究性學(xué)習(xí)環(huán)境下兩類建模進(jìn)程，即模型序列進(jìn)程（即一開(kāi)始呈現(xiàn)理想模型，包含所有變量，變量關(guān)系逐漸深化，學(xué)生逐步建構(gòu)完整、特殊模型）、模型精致進(jìn)程（即隨著建模進(jìn)程逐個(gè)增加變量，學(xué)生從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、低級(jí)到高級(jí)、單一到綜合進(jìn)行建模）。結(jié)果表明，計(jì)算機(jī)模型探究性學(xué)習(xí)環(huán)境下，模型進(jìn)程方式有助于學(xué)生任務(wù)的完成、提高探究技能，其中模型序列進(jìn)程優(yōu)勢(shì)更明顯。可見(jiàn)，基于計(jì)算機(jī)模型的探究活動(dòng)有助于學(xué)生獲得科學(xué)知識(shí)、提高探究技能、發(fā)展科學(xué)過(guò)程與方法。
（5）計(jì)算機(jī)模型與認(rèn)知發(fā)展
Ogbors提出，相當(dāng)一部分人在邏輯、數(shù)學(xué)、抽象思維等方面十分欠缺，而計(jì)算機(jī)在某種程度上可以促進(jìn)這些高級(jí)認(rèn)知技能的發(fā)展。他以WordMake、LinkIt為主要工具，進(jìn)一步證實(shí)了計(jì)算機(jī)模型有助于發(fā)展學(xué)生的定性推理（即利用對(duì)物體、事件的想象進(jìn)行推理）、半定量推理能力。Pallant和Tinker以計(jì)算機(jī)建模環(huán)境Molecular Workbench和Pedagogica中的分子運(yùn)動(dòng)模型為主要工具研究學(xué)生微觀水平的推理。研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生通過(guò)探究分子運(yùn)動(dòng)水平上的物質(zhì)模型，可以較好地建構(gòu)物質(zhì)狀態(tài)心智模型，精確地再現(xiàn)不同狀態(tài)下物質(zhì)微粒的排列情況，并進(jìn)行原子間相互作用思維推理。Sins等研究揭示，計(jì)算機(jī)模型環(huán)境下學(xué)生要完成較為復(fù)雜的任務(wù)，需要進(jìn)行深度認(rèn)知活動(dòng)，如建立觀點(diǎn)之間的聯(lián)系、尋找規(guī)律和原則、整合新信息與先前知識(shí)經(jīng)驗(yàn)等，從而發(fā)展深刻思維加工能力。
2 基于計(jì)算機(jī)模型的教學(xué)研究
計(jì)算機(jī)模型在教學(xué)中的應(yīng)用十分廣泛，相關(guān)研究文獻(xiàn)也相當(dāng)豐富。Stieff以ConnectedChemistry為例，總結(jié)出計(jì)算機(jī)模型在化學(xué)課堂中的幾種應(yīng)用方式：（a）作為可視化工具用于教師演示和討論；（b）作為實(shí)驗(yàn)仿真讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；（c）作為反饋工具，用于家庭作業(yè)，讓學(xué)生自學(xué)和問(wèn)題解決；（d）模型修改、建模活動(dòng)。PhET項(xiàng)目組所開(kāi)發(fā)的仿真科學(xué)實(shí)驗(yàn)大量運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、家庭作業(yè)、可視化輔助、小組活動(dòng)及演示中。Khan以化學(xué)平衡為例，提出了基于模型教學(xué)的五個(gè)原理：（a）基于已有心智模型對(duì)化學(xué)平衡作出預(yù)測(cè)：（b）在兩個(gè)變量間建立關(guān)系；（c）提供背后機(jī)理的解釋；（d）運(yùn)用類比支持關(guān)于模型的解釋；（e）評(píng)估初始模型；（f）修改模型。price等運(yùn)用計(jì)算機(jī)模型于學(xué)生討論活動(dòng)，從“交際法”、“基于模型的共同建構(gòu)法”兩種理論視角提出了系列教學(xué)策略：現(xiàn)象觀察-計(jì)算機(jī)仿真-極端案例-狀態(tài)圖形。每一策略包含若干“驅(qū)動(dòng)”方式，如計(jì)算機(jī)仿真涉及向?qū)W生介紹計(jì)算機(jī)模型所代表的意義、使學(xué)生專注于計(jì)算機(jī)模型（如情境化、預(yù)測(cè)、強(qiáng)調(diào)、批判）。研究發(fā)現(xiàn)討論和仿真的協(xié)同作用能提升學(xué)生的參與、促進(jìn)理解以及思維推理。此外，Ozmen實(shí)證了計(jì)算機(jī)模型與概念轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)材料相互整合的教學(xué)方法；Liu強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)模型與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)形式比單一教學(xué)（計(jì)算機(jī)模型或?qū)嶒?yàn)）更有效。Wei、Liu提出了基于計(jì)算機(jī)模型的形成性評(píng)價(jià)教學(xué)策略。
3 基于計(jì)算機(jī)模型的評(píng)價(jià)研究
隨著計(jì)算機(jī)模型廣泛運(yùn)用于科學(xué)教學(xué)中，如何測(cè)量、評(píng)價(jià)學(xué)生基于計(jì)算機(jī)模型的學(xué)習(xí)效果則顯得十分必要，然而目前這方面的研究較為欠缺。本文第一作者曾以Rasch測(cè)量理論為指導(dǎo)，開(kāi)發(fā)了基于NetLogo模型的物質(zhì)概念理解測(cè)驗(yàn)量表，包含3個(gè)理解水平，由15道選擇題、3道開(kāi)放題組成，這些題目針對(duì)作者基于NetLogo設(shè)計(jì)的“化學(xué)反應(yīng)”模型。例如，“程序界面右側(cè)的圖形中，曲線的變化意味著_____。A.物理變化B.化學(xué)變化C.溫度變化”（選擇題）、“請(qǐng)用相應(yīng)的文字及圖畫描述本活動(dòng)中所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)”（開(kāi)放題）。學(xué)生先用10～15分鐘操作計(jì)算機(jī)模型，然后獨(dú)立回答問(wèn)題，測(cè)試數(shù)據(jù)運(yùn)用Rasch模型進(jìn)行建模和分析。Liu等開(kāi)發(fā)了10套計(jì)算機(jī)模型形成性評(píng)價(jià)量表，每個(gè)量表涉及三個(gè)維度（物質(zhì)、能量、模型），包含24道等級(jí)選擇題（即備選項(xiàng)高低不同的理解水平而非對(duì)錯(cuò)）、1道開(kāi)放題。研究結(jié)果顯示，這些量表具有良好的信效度，能有效揭示學(xué)生基于計(jì)算機(jī)模型的學(xué)習(xí)特征與發(fā)展規(guī)律。
4 基于計(jì)算機(jī)模型的教師研究
Stylianidou等曾對(duì)8位科學(xué)教師進(jìn)行個(gè)案研究，發(fā)現(xiàn)教師還不能充分、自覺(jué)地運(yùn)用信息工具于教學(xué)中，但他們面臨的這些壓力正日益增加；制約教師順利實(shí)施教學(xué)改革的因素是多方面的，其中認(rèn)識(shí)因素很重要；教師越是能充分意識(shí)到計(jì)算機(jī)建模在具體實(shí)施中以何種方式變革課程以及不同的因素如何影響教師的轉(zhuǎn)變，他們就越能選擇實(shí)施新的想法。Valanides等研究顯示，小學(xué)職前教師進(jìn)行基于計(jì)算機(jī)模型的學(xué)習(xí)與教學(xué)之后，能夠十分清晰地認(rèn)識(shí)到科學(xué)模型對(duì)科學(xué)教與學(xué)的重要意義，能正確建構(gòu)科學(xué)模型，并積極利用它們作為教學(xué)支架應(yīng)用于教學(xué)設(shè)計(jì)中；而在此之前，這些教師完全忽視了模型和建模在科學(xué)教學(xué)與學(xué)習(xí)中的作用；然而他們?nèi)孕枰獜V泛學(xué)習(xí)以充分理解科學(xué)模型的建構(gòu)過(guò)程。盡管教師意識(shí)到計(jì)算機(jī)模型對(duì)學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的作用，但他們關(guān)于模型、建模、計(jì)算機(jī)模型、教學(xué)法（PCK）以及技術(shù)的使用知識(shí)仍十分缺乏，這直接影響著計(jì)算機(jī)模型的教學(xué)成效；而教師這些方面的發(fā)展較為復(fù)雜和非線性，僅僅接觸、意向是不夠的，教師需要更多的體驗(yàn)、練習(xí)以及更深入地實(shí)踐與反思。
三 啟示
當(dāng)今世界，科技飛速發(fā)展，現(xiàn)代信息技術(shù)正猛烈沖擊、深刻變革著教育領(lǐng)域，成為人們獲取和運(yùn)用知識(shí)的重要途徑。計(jì)算機(jī)模型與建模具有獨(dú)特的教育意義，開(kāi)辟了信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)整合的新范式，勢(shì)將成為教育領(lǐng)域的一個(gè)重要趨勢(shì)。中國(guó)這些方面的研究與實(shí)踐仍顯得相對(duì)滯后。現(xiàn)有文獻(xiàn)仍主要集中在對(duì)國(guó)外計(jì)算機(jī)建模工具的介紹與評(píng)析，少有研究深入探討這些計(jì)算機(jī)模型如何與學(xué)科教學(xué)整合以及該學(xué)習(xí)環(huán)境下多種教學(xué)要素的特質(zhì)與規(guī)律。適合我國(guó)科學(xué)教學(xué)的計(jì)算機(jī)模型開(kāi)發(fā)的討論也并不多見(jiàn)。曾有機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了少數(shù)中學(xué)科學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，但并未得以充分推廣、普及。無(wú)疑，國(guó)外先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域研究具有重要啟示。
1 計(jì)算機(jī)模型的設(shè)計(jì)應(yīng)基于一定的理論與實(shí)證研究
D.H.喬納森論及技術(shù)與學(xué)習(xí)的關(guān)系時(shí)強(qiáng)調(diào)，學(xué)習(xí)者不是從技術(shù)中獲得知識(shí)，而是從思考中學(xué)習(xí)；應(yīng)該將技術(shù)作為一種能夠幫助學(xué)習(xí)者闡釋和重組個(gè)人知識(shí)的思維工具，利用技術(shù)來(lái)幫助學(xué)習(xí)者更為有效的思考；教育者與其費(fèi)盡心思分析如何讓技術(shù)教得更好，不如考慮學(xué)生如何思考才能獲得更富有意義的學(xué)習(xí)。因而，在開(kāi)發(fā)、運(yùn)用計(jì)算機(jī)模型時(shí)，應(yīng)當(dāng)把學(xué)生如何學(xué)習(xí)作為根本出發(fā)點(diǎn)和依據(jù)。本文述及的計(jì)算機(jī)模型及其相關(guān)研究，大都基于一定的學(xué)習(xí)、心理理論，如表征、概念形成與轉(zhuǎn)變、心智模型、認(rèn)知加工等。此外，要使計(jì)算機(jī)模型最大限度幫助學(xué)生學(xué)習(xí)，需要基于大量的實(shí)證研究。例如，PhET項(xiàng)目組建立了基于研究的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)反復(fù)實(shí)踐、評(píng)價(jià)、反饋、改進(jìn)，使得仿真實(shí)驗(yàn)最大程度上達(dá)到課堂教學(xué)需求、體現(xiàn)教學(xué)價(jià)值。
2 開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)的計(jì)算機(jī)模型需要多個(gè)領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c
事實(shí)上，一個(gè)完美的計(jì)算機(jī)模型是多種智慧的集合體，包括學(xué)科知識(shí)、學(xué)習(xí)科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、藝術(shù)、教學(xué)論等。縱觀現(xiàn)今較為流行的計(jì)算機(jī)建模工具、平臺(tái)或環(huán)境，其團(tuán)隊(duì)成員常常來(lái)自不同領(lǐng)域。例如NetLogo項(xiàng)目組包括課程開(kāi)發(fā)者、認(rèn)知科學(xué)家、學(xué)習(xí)與教學(xué)設(shè)計(jì)專家、程序員、學(xué)科人員、中小學(xué)教師、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)員、管理者等。不同領(lǐng)域人員可以從各個(gè)角度對(duì)計(jì)算機(jī)模型的設(shè)計(jì)、運(yùn)用提供專業(yè)化支持，從而保證其科學(xué)、合理、美觀、實(shí)效等。
3 教學(xué)中計(jì)算機(jī)模型的運(yùn)用要注重適切性、實(shí)效性
計(jì)算機(jī)模型設(shè)計(jì)者往往基于不同的目的、立場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然而教學(xué)實(shí)際總是豐富多樣甚至迥然不同的，體現(xiàn)在課程標(biāo)準(zhǔn)、教材內(nèi)容、學(xué)生思維特點(diǎn)與水平、學(xué)習(xí)環(huán)境、教學(xué)條件等方面。因此，教師需要篩選、二次加工或者根據(jù)教學(xué)實(shí)際進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。有些現(xiàn)成的模型過(guò)于復(fù)雜、綜合，教師要根據(jù)學(xué)生認(rèn)知水平或教學(xué)需要把握好計(jì)算機(jī)模型的難度。一些建模工具會(huì)提供程序代碼（如NetLogo、PhET），可以通過(guò)改編程序修改模型。由于計(jì)算機(jī)模型在我國(guó)起步較晚，現(xiàn)行大多數(shù)模型都是英文界面，如果要用于我國(guó)課堂中，需要進(jìn)行翻譯或者向?qū)W生提供中英文對(duì)照輔助材料。
