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【關鍵詞】計算機仿真 模擬電子技術 考試系統 研發
一、“模擬電子技術”考試系統的基本特征
在實際的教學與考試過程當中,采用教W與考試分離的模式不僅能對教學的質量進行客觀與公平的檢驗,同時對教學質量的提高也有著重要的推動作用。而利用計算機進行考試則可以很好的實現教學與考試的分離,在現階段的各種考試當中都有著廣泛的運用,也受到了人們的熱烈歡迎。但是利用計算機進行考試,相應的系統則是必不可少的。但是當前階段的計算機考試系統存在著嚴重的不足,制約了計算機考試在大范圍內的全面推廣。計算機考試系統的主要特征包括以下幾個方面的內容:第一,計算機考試系統內部所有的試題都是靜態試題,其內容和答案都是唯一的,這尚不能完全達到高水平考試的要求。第二,計算機考試系統內部所包含的試題的數量明顯偏低,同時由于這種系統并不是一種開放性的系統,如果學生在平時的模擬考試或者練習過程當中,將所有的題目都做完,而后再去參加考試,必然能獲得較高的分數。因此,這種考試系統在運用的過程當中就失去了當初的目的,成為單純評價教師工作與學生學習質量的一種工具,失去了其“以考助學”的初衷。在許多領域的考試當中,由于擔心學生做完所有的題目并強行記錄,計算機考試系統還不能完全對學生開放,從而限制了其應用。
“模擬電子技術”在多個專業都是重要的基礎課程,“模擬電子技術”課程對學生的電路分析能力有著一定的要求,其中不僅涉及到大量的電路圖,同時 也需要對相關的電路圖進行編輯與重現,這就使得這門課程的計算機考試系統的研發難度加大許多。在項目的研究過程中,筆者通過查閱相關資料等方式對“模擬電子技術”計算機考試系統的研發進行了分析與研究,認為“模擬電子技術”計算機考試系統應該包含以下幾個方面的特征:第一,該系統應該包含有電路圖編輯功能,學生可以在該系統中實現電路圖的編輯與重現。第二,應該設計出動態試題模塊,例如,在試題當中,電路的連接方向、電壓、電流、電阻等都可以產生一定的變化,而并非是一成不變的。第三,系統內含電路仿真模塊,運行仿真模塊即可計算電路節點電位和支路電流,從而獲得不同參數條件下的試題標準答案,并實現考試自動評分。對于一題多變的動態類型題目,學生只有通過理解而非記憶的方式才能正確答題,因此,所開發的考試系統完全可以,且應該開放給學生練習。實踐表明,“模擬電子技術”考試系統,極大地提高了學生練習的積極性,也提高了學生的學習成績。
二、系統設計
“模擬電子技術”計算機考試系統主要包括題目開發模塊、試卷編輯模塊、考試模塊、題庫和試卷庫。題目開發模塊的主要功能是實現電路圖的編輯功能,有了這個功能之后,既可以增加試題庫當中的試題數量,也能夠對試題庫當中現有的試題進行編輯與修改。試卷編輯功能的主要作用是組建新的試卷或者修改已經存在的試卷??荚嚹K用來從試卷庫選擇試卷、調出試題、重現試題、仿真電路和自動評分,是考試系統的核心模塊。
在考試模塊當中可以實現從試題庫選擇試題組成試卷并分析試卷中所包含的信息等。從原始信息提取電路拓撲數據、隨機參數代碼和題目文本。隨機參數代碼和隨機數種子送至隨機數發生器,確定相關隨機參數;電路圖重繪單元利用電路拓撲數據和相關隨機參數,重新繪制電路;電路仿真單元對電路仿真,獲取電路的各節點電位和各支路電流;標準答案提取單元從仿真數據中提取出標準答案。題目文本在被從原始信息提取出來之后,可以由考試者輸入相關的答案,考試者所輸入的相關數據會被提取并送至答案比較單元,答案比較單元會將考試者所輸入的答案與標準答案進行比較,最后完成相關的評分工作。
學生在進行練習的過程當中,系統時鐘會隨機產生對應題目的隨機數種子,這就使得題目不再是靜止不變的。而學生在參加考試的過程當中,隨機數種子則是由教師指定的,這就使得每個學生的考試題目都是完全一樣的,從而使得考試是公平與公正的。
三、電路仿真
在“模擬電子技術”計算機考試系統當中,由于題目是動態變化的,電路圖的相關參數并不是一成不變的,而是會發生一定的變化,同時題目所對應的答案也會發生一定的變化。電路仿真單元的研發可以實現系統能夠自動獲取標準答案與自動評分功能。在電路仿真單元當中,可以實現對電路直流工作點的模擬,從而形成對應的標準答案。
電路直流工作點的仿真需要解電路方程組,由于電路方程組大部分都是一些非線性的元器件,從而使得方程的建立與解方程都較為困難。解決這一問題的思路是用元器件的直流伴隨模型,將非線性元件進行線性化,再建線性電路方程組和解電路方程組。通過反復迭代運算,最后獲得電路方程組的數值解。
四、結語
基于計算機仿真技術的模擬電子技術考試系統的研發對當前高校關于模擬電子技術課程的教學與考試都有著重要的意義。由于模擬電子電路的虛擬性,通過該系統的使用能夠使得整個學習的過程更加的生動,避免了當前高校采用的“PPT+教科書”的教學模式。
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SystemView通信仿真系統是針對現代電子通信科研和教學開放的一種專業的電子通信仿真系統,在實踐應用中可以實現信號處理、濾波器設計以及復雜的通信系統數學模型建立等不同形式、不同層次的設計和仿真,在電子通信領域具有廣闊的應用前景。從結構設計角度來看,SystemView通信仿真系統是在Windows平臺基礎上形成的一種動態仿真系統,在具象的實驗應用中能夠實現可視化的動態電子通信系統的動態設計、分析和仿真。在當前電子通信領域廣泛存在的模擬、數字、數?;旌?,在各種多速率系統中的應用效果顯著,仿真活動延續到各種線性、非線性控制系統領域,能夠進行各種系統的時域與頻域分析、譜分析,以及對各種邏輯電路、射頻、模擬電路進行理論分析和失真分析等,這廣泛應用于現代數字信號處理、通信系統以及控制系統的設計與仿真領域。
二、虛擬仿真實驗的開展
1.軟硬件實驗環境的建設
虛擬仿真實驗的開展是建立在對虛擬儀器技術和計算機模擬仿真技術的基礎之上的,所以虛擬仿真實驗在電子通信領域的應用一定要從電子通信的角度出發,對相應的虛擬儀器和計算機模擬仿真技術進行研究,并在電子通信技術的基礎上以數據交換為主要手段實現二者的有機結合,提升虛擬仿真實驗開展的水平和質量。同時,針對電子通信領域所特有的一些現象和規律,借助計算機模擬仿真軟件進行模擬仿真,將電子通信的技術和理論環境模擬做到極致,為電子通信技術的虛擬仿真實驗營造一個最大限度接近真實的實驗環境。
2.虛擬仿真實驗項目的合理選擇
【關鍵詞】計算機 仿真技術 發展 應用
1 計算機仿真技術簡介
隨著計算機技術的發展,計算機仿真成為可能,使用專門的軟件,借助多媒體技術可以給人身臨其境的感覺。仿真技術的發展,很大程度上得益于控制工程技術的發展,在控制工程中需要使用計算機進行仿真實驗。計算機仿真技術的應用能夠加快產品開發周期,提高產品質量,提高工作效率,減少經費開支。
2 計算機仿真技術原理
通常情況下,計算機不能夠對外界信息進行認知,因此需要建立相應的數學模型來反映事物的本質特點。
通過數學模型能夠清楚地反映出研究對象的特點,通過模型轉換,使用計算機算法等將數學模型轉化成計算機能夠處理的形式,也即建立仿真模型。仿真模型是計算機仿真的關鍵,再進行仿真實驗,通過仿真實驗對之前設置好的模型進行模擬,獲得仿真結果。對仿真實驗的結果進行評價通常采用反向驗證和置信通道法。
3 計算機仿真技術應用
隨著信息技術的發展,計算機仿真技術得到了廣泛的應用,改變著傳統的生產生活方式。計算機仿真在交通工程、制造領域、教育領域等都得到了較好的應用。
3.1 交通領域
人和車輛是交通的主要組成部分,要考慮安全的前提下,提高交通效果。交通安全仿真通過虛擬技術,增加各種誘發因素,進而對某一路段的交通安全情況進行評價。
計算機仿真可以有效地對交通安全進性評價。仿真過程能夠實現可視化操作,能夠更加直觀地進行分析,不同于傳統的數值仿真。比如,對某路段進行交通安全評價時,傳統的絕對數和事故率方法可以進行評價, 還可以在虛擬環境中設置不同的交通工具,考慮人的行為感知的情況下,進行評價。
3.2 制造領域
制造業是國家的第二產業,對各行各業影響深遠,汽車制造是制造業的重要組成部分。實驗課題難度大,成本高。計算機仿真可以很好地解決這個問題,比如對碰撞試驗來說,通過建立相應的數學模型,可以對實驗過程進行模擬。
3.3 教育領域
使用計算機進行模擬仿真分析已經成為當前重要的研究方法,在教學模擬實驗中,采用多媒體可以很好地提高教學水平。計算機模擬實驗能夠在相關實驗設計思想和方法的指導下,改變傳統教與學、理論與實踐的關系,發揮研究人員的主動性。計算機仿真模擬可以加深對相關理論的理解,提高實驗水平。
3.4 計算機仿真技術在其他領域的應用
計算機不僅僅在交通、制造、教育領域得到大量應用,在軍事領域、消防、音樂等領域均有較廣泛的應用。通過計算機仿真,可以使用模擬駕駛器進行模擬,從而降低戰機、戰車、燃油的損耗,在進行軍事武器研發時,可以縮短研發周期,降低研發成本。計算機仿真在消防中的應用,可以對現場的溫度、空氣流動速度、火荷載、逃生路線等進行模擬,從而提高應對突發事件的能力,提高設計科學性。
4 計算機仿真技術的發展方向和趨勢
4.1 計算機仿真技術發展方向
網絡化仿真。仿真系統開發兼容性不強、開始周期長,費用昂貴,難以實現信息共享,隨著計算機技術和網絡技術的發展,計算機仿真技術取得了較大水平的提高。利用網絡技術的優勢,可以實現仿真系統共享。系統的網絡共享能夠提高資源的利用效率,避免不必要的重復開發,減少科研經費。
虛擬制造技術。虛擬制造技術發揮計算機仿真技術的虛擬現實技術的優勢,使用計算機完成對產品的管理和控制,虛擬制造技術已經成為計算機仿真技術發展的重要方向。
4.2 計算機仿真技術發展趨勢
隨著計算機技術和仿真技術的發展,仿真技術很好地解決了各學科發展中的問題,很大程度上提高了工作效率,更加形象直觀地進行仿真實驗,節約了產品開發周期,降低了開發成本,提高了產品質量。計算機軟硬件性能得到了較大水平的提高,進一步促進了仿真技術的發展。仿真技術主要朝著面向對象的仿真建模、分布式仿真、智能仿真等方向發展。
4.2.1 面向對象仿真建模
發揮計算機的符號處理能力,可以提高人們對仿真對象的認知速度,與傳統的人工建模有著較大的進步。面向對象的仿真建模,可以最大程度提高系統的建模能力。此外,面向對象的仿真建模操作難度小,更容易使用,可以發揮仿真技術的優勢。
4.2.2 分布式仿真
分布式仿真將不同分布位置的計算機通過網絡進行連接,形成時間空間相互禍合虛擬仿真環境。分布式仿真系統由幾個子模型組成。部分是仿真系統中,主要有動態、靜態數據分割技術、功能分割技術等。
4.2.3 智能仿真
在仿真的不同階段引入知識表達和處理技術,可以縮短仿真建模時間,提高模型效率,幫助用戶做出最優決策,及時修正模型,界面更加智能化,增加仿真系統的尋優能力。
4.2.4 其他仿真
一些仿真可以實現高度的可視化,對仿真過程進行形象展示,便于研究人員真實地對仿真過程進行分析,易于理解。踴仿真能夠將聲音、視圖等元素加入其中,交互性更強。
5 結語
計算機仿真伴隨著其他學科的發展而快速發展,隨著計算機技術的快速發展,計算機仿真技術很好滴解決了其他學科的問題。計算機仿真經歷了從簡單的原型到物理模型,再到今天的動態顯示仿真過程,并可實現可視化操作。多媒體技術、人工智能、可視化等技術同仿真技術的結合,仿真技術的發展和應用將更加廣泛。在不遠的將來,計算機仿真技術在生產生活中會發揮更大的作用,促進社會經濟的發展。
參考文獻
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本文介紹了應急疏散仿真技術提出的背景及其特點,闡述了所涉及到的疏散人員行為的研究、應急疏散的計算機仿真研究等,并對其發展趨勢以及未來的研究方向進行了展望。
關鍵詞:應急疏散;行為模式;計算機仿真
中圖分類號:C35文獻標識碼: A
一、前言
火災后室內人員的安全疏散是建筑防火設計的重要組成部分。在目前的技術條件下安全管理部門只能通過應急疏散演習來提高應急疏散能力,并對應急疏散設施進行安全評估。但應急疏散演習風險大、花費高,本身具有一定的破壞性和安全隱患,同時當前對應急疏散設施的安全評估缺乏有效的技術標準。同時,人的行為受外界和心理諸多因素的影響,不可能把人置于真正事故現象的混亂之中。在這樣的背景下,有必要借助計算機仿真技術來模擬群體行為與應急疏散場景,借助計算機實現應急疏散模擬演練,并利用模擬結果對應急疏散指揮方案與應急疏散設施進行性能評估。在事前就找到建筑布局中疏散的瓶頸,疏散預案中的不足,從而對相應的地方加以改進。最終達到減少事故發生及事故損害的效果。
二、人的行為的探討
人員作為疏散的主體,對于疏散具有決定性的影響,因此在進行人員疏散仿真研究時必須先要對疏散中的主體疏散人員進行研究。一般來講,被疏散者在疏散過程中采取的行為與其所處的環境有復雜的關系。在疏散過程中,每個被疏散者都處于三種類型的相互作用之中,所有這些相互作用都涉及到復雜的決策。這些相互作用可以被分類如下:
人與人之間的相互作用:與其他被疏散者的作用。
人與建筑物的相互作用:與建筑物室內結構的作用。
人與環境的相互作用:與受火災影響的大氣和可能出現的碎片的作用。
這些相互作用影響被疏散者的行動,并且由此引發決策過程。根據這些相互作用發生的方式,這一過程可以變得越來越復雜。這些方式可以發生在三個不同的層次上:
心理學層次上:給定疏散者的特征和經歷,基于可用的信息來做決定。在火災威脅下的這一類型的相互作用可能會引起被疏散者遠離火焰或者是響應疏散的號召。
社會學層次上:建立在一個被疏散者與其他被疏散者之間的相互作用之上的反應。在火災中,這種類型的相互作用可能會引起被疏散者鼓動救援或者向其他被疏散者發出警告。
生理學層次上的:對所處環境做出的生理反應會以某種方式影響居住者的能力。在火災中,這種相互作用可能會引起致幻煙霧的陶醉或者呼吸和感覺器官對刺激性氣體的不適應。
根據上述觀點,從組織行為學,把緊急疏散中人的行為模式分為個體行為模式、群體行為模式和決策者行為模式。
1 個體的行為模式
疏散過程中單個人員的行為主要體現在單個人員的移動行為上,包括移動方向上的前,后,左,右的移動表現。這種行為是疏散人員能夠進行的最簡單,最直接,最基本的行為。在疏散過程中采取什么樣的基本行為可以是隨機的,也可以按照一定的規則選取。另外,通過心理學的研究總結發現,個體人員行為一般有下面行為:
(1)隨機行走。當然人員在一個疏散空間里面,而疏散空間沒有出口的話,那么里面的人員將隨機采取這種層次的行為。
(2)人員避碰。考慮到人員的避碰行為就可以在疏散過程中使得人員和人員不會相互碰撞,人員也不會跑入障礙物當中去。
(3)目標。當一個疏散人員確定了自己的目標點以后,他就會調整運動方向和速度朝著目標點行動,即使在疏散過程中運動方向有些小的調整,但還是會再一次調整朝著出口方向前進。
2群體的行為模式
群體行為在緊急疏散中的行為是一個極其復雜的現象,人在緊急疏散中的各種心理和行為可以考慮以下幾種因素:
(a)群集性。人群是因為有共同關心的問題而聚集在一起,該團體是偶然的、臨時產生的,是一個沒有任務分擔的團體,易于受周圍人的感情所影響。
(b)交互性。由于某種原困,人們匯集到一起,這些匯集起來的人群的心理又起到相乘的作用。
(c)跟隨性。不是自己來判斷逃生的方向,而是跟在前面的人或是大多數人的后面,胡亂跟隨。
(d)沖突性。疏散過程中成員之間容易發生沖突。
3決策者行為模式
決策者根據現場的情況,將會對疏散采取指導性措施。現場情況主要有:是否有沖突;沖突的大小;各出口的人流量等。采取的措施通常有:派出引導員,加強現場的疏導;通過大屏幕,向觀眾發出疏散信息;派出安全員,現場處理沖突等等。
綜上所述,疏散人群的行為是一個極其復雜的物理過程。在整個運動的過程中,其動態要受許多因素的直接或間接的影響。而群體中個體間的相互作用,甚至人的心理狀態也都是影響運動過程的重要因素。為了從大量的觀測數據中得到其背后的規律,指導實踐,需要以計算機仿真技術作為主要的研究手段。通過計算機仿真,可以將在現實中難于實行的實驗放到計算機生成的虛擬空間中去進行,而不受試驗場景、規模和經費的限制,也不存在事故發生的可能。另外,由于計算機仿真技術的發展,在建立仿真模型時并不需要對人群的行為建立方程,所需要的只是一些觀測所得的行為特征和數據。這樣,就繞開了對疏散人群行為數學建模的這一難題。由此可見,對火災應急疏散的研究,采用計算機仿真(或稱為疏散仿真),是其最重要的研究手段。
三、應急疏散仿真的研究現狀
應急疏散仿真作為對人群疏散研究的一個重要的組成部分,其發展與疏散研究的發展密不可分。只有將其納入疏散研究這一學科中闡述,才能理解其發展的歷程和最新的進展。
人群疏散的仿真研究始于20多年前,這個領域的研究內容主要有三大部分:第一,對行人、人群以及疏散的觀察和試驗。主要目的是得到具體的數據以給建筑設計、疏散方案的指定提供參考;第二,對人群行為的數學模型的建立。這方面的研究主要是將人群假想為流體,用流體力學和熱力學的公式建立人群運動的模型;第三,對人群行為和疏散過程的計算機仿真,這方面的研究由于計算機的普及,在最近逐漸成為這個領域的研究重點。
目前的應急疏散仿真模型可分成兩類,一類是以元胞自動機模型(Cellular Automata Model)為代表的離散仿真模型,另一類是以社會力量模型(Social Force Model)為代表的連續仿真模型。
元胞自動機是由大量簡單一致的個體通過局部聯系組成的離散、分散及空間可擴展系統。其基本思想是將建筑物平面進行均勻網格劃分,每個網格有三種狀態:被墻壁或障礙物占據、被人員占據或為空。模型中的人員占據一個網格(元胞),同時模型中人員的運動將遵循一定的局部規則并具有一定的智能性。
社會力量模型是一種多粒子自驅動的連續模型,人員被表示成具有一定質量和大小的自驅動的粒子。所謂的社會力是指人員之間或人員與環境之間的社會心理交互或物理接觸。每個人員都試圖以一定的期望速度運動,而人員的實際運動速度最終由一個牛頓力學方程組所決定。類似于社會力量模型的心理學模型還被應用于計算機群體動畫的應用中。
離散仿真模型省去了建立群體行為微分方程組這一過程,在仿真速度上得到提高。但是離散仿真模型在對群體行為的模擬真實程度上,不如以社會力量模型為代表的連續仿真模型。連續仿真模型的缺點是計算成本較大。但是筆者認為,計算成本的降低和速度的提高并不是應急疏散仿真研究的重點,仿真結果是否真實反映了客觀現實是這一研究的關鍵,因為這是涉及到公共安全的一項研究。
總體上講,現有研究主要側重于群體行為的物理模型,一種研究趨勢是將心理變量引入到群體行為物理模型中,但缺乏對群體行為控制模型的研究??紤]到應急疏散演習風險高、花費大,有必要開發應急疏散演練平臺,這就需要研究群體交互控制技術,如用戶化身技術在應急疏散仿真中的應用。同時,需要將這些技術成果真正用于公共設施應急疏散性能評估和應急疏散指揮中。
四、應急疏散仿真的發展趨勢
從國際范圍內人員疏散計算機模擬技術的研究現狀來看,主要存在以下問題:
A.因為人的行為具有很大的隨機性,在同樣條件下的重復演習很難得到一致的結果,所以至今還缺乏全面可靠的疏散演習數據以驗證模型(沒有一套所謂的標準數據);
B.在人員疏散模擬中考慮和利用災害動態模擬的詳細結果(災害發展和人員疏散實際上是同時進行的兩個交互過程,而目前絕大多數疏散模型在模擬過程中沒有考慮火災發展和煙氣蔓延的動態影響);
C.綜合離散型模型和連續型模型的優點,加強復雜行為的模擬功能(如疏散過程中的自動休息)。
從目前國外人員疏散計算機模擬技術的研究發展趨勢來看,復雜行為的模擬是當前人員疏散計算機模擬研究的一個熱點,另外如何在人員疏散模擬中充分考慮火災發生發展和煙氣蔓延的動態影響也是研究人員十分關注的問題。
就國內目前的情況而言,在中國人群心理行為特點等基礎數據的匾乏,嚴重制約了人員疏散計算機模擬技術的應用和發展。所以國內目前應主要側重于(1)疏散模型的研究改進及專業軟件開發和完善 (2)中國典型人群行為特點的匯總分析,而且后者要比前者任務更艱巨。
盡管迄今為止,所有人員疏散模型和軟件都有這樣或那樣的缺陷,但人員疏散計算機模擬技術的意義和應用前景正以越來越快的速度顯現出來,只要我們能夠充分認識和理解各種模型的特點,根據不同的場合和要求選擇合適的模型,我們就一定能夠最大限度地發揮人員疏散模擬技術應有的作用,并在不斷應用的過程中檢驗和改進各種模型,促進人員疏散模擬技術的發展。
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關鍵詞:計算機;大學物理;模擬仿真;理論教學
一、前言
在大學物理課堂教學中,計算機可以快速完成常規的計算并仿真模擬物理過程,強化教學效果,對培養學生的學習興趣、科學思維能力、探索發現和創新精神等能起到積極的作用[1]。
計算機仿真技術是一門基于計算機建立的系統模型進行動態研究的綜合性技術。20世紀初,仿真技術就已得到初步應用。20世紀40年代至50年代,航空航天和原子能技術的發展推動了仿真實驗技術的發展和應用。20世紀60年代之后計算機技術的發展,為仿真實驗提供了先進的平臺,加速了仿真技術的發展和應用[2][3]。
隨著仿真技術的發展,計算機仿真實驗應運而生。20世紀90年代初,國內部分高校和機構開始著手于計算機仿真實驗的研發。其中由科大奧瑞首創開發的計算機仿真實驗教學軟件大學物理仿真實驗,是國內最具權威的大學物理仿真實驗教學系統,已在國內外多所高校獲得應用。仿真物理實驗作為計 算機輔助物理實驗教學的一個發展方向,已經成為了大學物理實驗的一個新亮點。
二、仿真教學的研究
大學物理的理論教學與實驗教學同等重要。對于計算機專業的大學物理課程而言,仿真教學既可以成為教學內容也可以作為一種教學手段。仿真教學是利用計算機仿真技術,實現大學物理課程知識和計算機專業能力并重培養的過程。這樣,仿真教學拓寬了大學物理教學內容,把以教授知識為主的課堂教學轉變為教授知識和能力培養并重的課堂教學。
筆者結合近兩年在安徽信息工程學院(原安徽工程大學機電學院)計算機專業的大學物理教學實踐,總結其中存在的以下問題,也是促使課堂進一步實行仿真教學的原因。
(1)學生理科基礎薄弱。在工科專業中,計算機專業的學生的知識基礎相對較差,尤其是對數學、物理等理科基礎知識的掌握。仿真教學基于軟件平臺,其中核心的算法需要一定的數學基礎。而算法需要的基礎知識是應用層面的,比純粹的理論知識更容易接受,這也符合“通過做數學來學數學”的思想。因此,仿真教學反過來還可以鞏固和增強理科基礎知識的理解和應用。
(2)學生缺乏學習動機和學習興趣。大學物理作為高校理工科專業基礎課程,其重要性可見一斑。學生對基礎課程的認識不足,直接導致學習動機降低。仿真教學作為一種教學手段,既體現了大學物理的實用性,也加強了計算機專業實踐,能有效發揮學生的主觀能動性,增強學習動機和提高學習興趣。教學內容、方法和考核方式也會影響學生學習的動機和興趣。
(3)教學內容陳舊。大學物理的基本內容是幾十年甚至幾百年前就建立起來的,課本中研究的更是簡化了的、能用解析方法求解的典型問題。而實際問題是復雜的,且隨著科學技術的發展,人類對問題的認識也會發生改變。仿真教學具有交互性,可以開拓教學內容。因為物理仿真對象來源于實際,需要學生去生活中尋找和探究對應應用,然后結合大學物理理論知識進行模擬仿真,達到深化教學內容的目的。由于仿真需要一定計算機專業知識,這樣仿真教學也側面增強了專業知識的運用。
(4)教學方法傳統、考核評價方式單一。在教學中,筆者所在學校的大學物理依舊采用傳統的教學方法,即教師的單方面講授。即便采用了多媒體輔助教學手段,也僅僅停留在展示物理模型或過程的階段。一方面是由于大班教學的限制;另一方面,由于課時數量的縮減,使得講授成為一種高效傳授知識的方式。但這種教學方法效果不理想,課堂上普遍出現學生睡覺和玩手機的現象。針對計算機專業學生采取的課堂仿真教學,需要學生及時參與,結合一定的專業基礎理解和應用物理知識。仿真教學要求教師布置電子作業,需要學生投入更多課后時間去實踐,且由于作業加強了與專業課程知識的聯系,這樣就簡化了作業的操作性,但提高了作業的挑戰性、趣味性和創造性。
由于實際物理問題的復雜性,許多問題都要用到精確的數學計算。仿真教學充分利用了計算機的強大功能,豐富計算機輔助教學的內涵,使計算機不僅是教師的輔助教學工具,也是學生W習的工具和內容。筆者在課堂仿真教學上還參考了美國大學的多種教學方法。因為課堂教學不是一言堂,而是多言堂;不是單向灌輸,而是雙向甚至多向互動;不是單調、乏味的,而是生動、活潑,充滿生機活力的[4][5][6]。
三、仿真教學的改進措施
傳統大學物理的考核方式比較單一,針對計算機專業實施的仿真教學,筆者在考核方式上也進行了一系列改革。
傳統的大學物理教學內容、教學方法和考核評價形式均存在一定問題,對于計算機這種工科專業,學生會很難從大學物理這門基礎課程中受益,那么大學物理打基礎、搭橋梁的重要功能也就得不到體現。因此必須通過教學改革來改善這種局面,結合計算機專業特點進行的大學物理課堂仿真教學是一種有效嘗試。
1.仿真教學軟件
仿真教學基于軟件,以下是在大學物理課堂仿真教學中使用到的軟件。
(1)Flash。Flash是由Macromedia公司推出的交互式矢量圖和Web 動畫的標準,廣泛應用于創建應用程序,可以包含視頻、聲音、圖形和動畫。課堂教學中可使用Flash來創建多媒體課件中的動畫、視頻內容,也可以通過添加圖片、聲音、視頻和特殊效果,單獨構建Flash應用程序。在仿真教學中,Flash可以用來制作精美的動畫,添加到課件中,可形象模擬物理現象和過程[7]。
(2)Java。Java是一種面向對象的程序設計語言,具有通用性、高效性、平臺移植性和安全性等特點。目前,很多國家和機構都建立了基于Java技術的仿真實驗系統。如美國俄勒岡大學物理系主辦的物理仿真實驗網站和科羅拉多大學波德分校(University of Colorado Boulder)創辦的PhET網站,網站中的仿真項目均是基于Java語言編寫的。國內的華中科技大學李元杰教授組織構建的DTP(digital teaching of physics)也是基于Java語言的(如圖1所示)。
相對于Flash,Java_發更具交互性。對于計算機專業學生,Java更是一門需要學習和運用的語言。
(3)MATLAB。MATLAB是MathWorks公司出品的商業數學軟件,用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算,主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB的處理單元是矩陣,比用C、FORTRAN等語言完成相同的事情更簡便。Simulink提供了一個系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。在該環境中,無需編寫大量程序,只需通過簡單的鼠標操作,即可構造出復雜的系統。比如在演示振動和波動的疊加時,用Simulink演示就比較直接方便。
Flash可以制作出精美的動畫,而MATLAB也有多種方式實現動畫效果[8]。因此,在仿真教學中,MATLAB不僅可以進行數值計算,也可以進行可視化模擬仿真(如圖2所示)。
(4)VRML。VRML即虛擬現實建模語言,可用于建立動態的虛擬世界。目前,國內有高校成功開發了基于VRML技術的三維仿真實驗中心。比如,華中科技大學開發的液壓元件裝拆實驗,學生可以在仿真的環境中認識和操作各零部件。虛擬現實技術作為第二代互聯網技術的重要基礎,已經引起越來越廣泛的關注和應用。比如,當前火熱的VR(虛擬現實)和AR(增強現實),對于計算機專業的學生,接觸并了解這類技術對專業學習是有益處的。
以上是大學物理仿真教學中可以運用和接觸了解的軟件,其他專業學科類的仿真軟件暫未涉及。
2.仿真教學內容
大學物理理論教學內容較多,但教學課時是有限的(筆者所在學院一學年安排96課時)。作為專業基礎課,大學物理還必須為后續專業課程學習打好基礎,因此仿真教學內容必須是精簡的、與專業緊密相關的內容。
物理研究的對象是物質(包括能量和場),因此仿真教學的內容也是客觀的物質。物理中關于物質運動的規律是經過抽象概括的,主要通過模型來描述。物理模型可以分為心理模型和概念模型。心理模型是學生腦海中建立的關于物理現象認識的模型,而概念模型是建立在物理概念之上的模型。學生的學習就是不斷克服和打破心理模型,接受概念模型的過程。而大學物理仿真教學的主要內容就是基本物理概念模型的仿真。
在仿真教學中,筆者把物理模型分為:運動類、能量類、振動類、波動類、熱學類、電磁場類和光學類等。根據仿真教學要求編制的教學大綱包含了具體的仿真教學模型和實現方式。
3.仿真教學實施
課堂仿真教學的實施,需要學生和教師雙方的參與。教學中,教師和學生均會面臨一些新的困難和挑戰,包括假設生成、模型設計、數據解釋以及對發現過程的自我監控等。因此,仿真教學需要建立有效的反饋機制,包括仿真教學在內容選擇以及過程設計上應該針對學習者的困難提供相應的學習支持,只有這樣才能真正發揮計算機模擬在學習中的優勢。
仿真教學的教學效果還需要建立評價機制,包括學生對教師的評價和教師對學生的評價。課程評價“本質上是一個確定課程與教學計劃實際達到教育目標的程度的過程”,是貫穿于課程實施全程并推進課程進展的內在動力, 也是連接課程目標與課程實施的橋梁。教師應根據教學評價結果,及時反復修改教學大綱,達到教學目的。
4.教學評價
教學的中心是學生,因此需要學生參與到教學評價中來。從學生角度,學生需要知道自己是否達到了學習的要求以及是否需要改進學習方法。因此需要教師對教學中學生學習情況進行評估,除了學校教務系統必須完成的學生對教師的評測以及平時的面談等形式外,還可以通過以下形式完成對仿真教學的評估。
(1)調查形式。調查是一種直接有效的檢驗學習效果的形式。包括:物理期望調查,對物理科學的認識信心的調查,科學觀點的調查以及其他內容調查。
(2)反饋形式。首先是組長收集組內成員(大約十名)對教師的測評表(結合由筆者制訂的教學目標),經過整理分析后,交給學習委員;其次是學習委員結合組長平時的表現,給組長收集的信息打可信度系數;最后把有系數的測評表交到筆者手里,完成學期反饋評估。
(3)作業形式。作業包括紙質作業和電子作業,且安排了分組。紙質作業主要是對課本習題的思考,對于有一定難度的習題,要求學生寫上自己對課堂仿真的思考、疑問或者對老師上課的意見等。電子作業是要求組內完成課堂上某個仿真程序的編寫和運行,其中均包含對仿真教學的反饋。
(4)報告形式。在每一學期教學中,安排PPT報告。根據課堂上的仿真教學,結合課本未講述的內容制作PPT并進行報告。報告要求分工合作, 其中包含對課堂仿真教學和教師的評價。
根據以上教學評估結果,對學生和教師學期表現進行綜合評價。
筆者針對計算機專業理科基礎薄弱、物理學習動機和興趣的缺乏、教學和考核方式單一、教學內容陳舊、理論與實踐脫節等問題,在大學物理課堂教學實施了仿真教學,同時改革了教學內容、教學方式和評價機制等。教學實踐表明,仿真教學精簡了大學物理理論知識內容,減輕了學生學習負擔;增強學生學習的動機,提高學生學習的興趣,參與課堂教學;加強了與專業的關聯性, 提高了學生的專業實踐能力。此教學研究將大學物理理論知識與計算機專業應相結合,強調了學科的實用性,推進應用型本科高校的改革。
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