時(shí)間：2022-11-30 22:28:33
導(dǎo)語：在仿真實(shí)驗(yàn)的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
關(guān)鍵詞： 玫瑰線； 軌跡； 仿真實(shí)驗(yàn)； Mathematica軟件
中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2013）04-01-03
Model of rose curve trajectory and simulation experiment
Wang Fugui1， Wang Jianwei2
（1. College of Arts and Sciences， Shanxi Agricultural University， Taigu， Shanxi 030801， China；
2. College of Information Science and Engineering， Shanxi Agricultural University）
Abstract： The model of rose curve trajectory is given in this paper in which it is proven theoretically. A simulation experiment has been done using mathematical software. Both the theory and experiment indicate that when ， ρ=acosnθ can be achieved. The formation rule of the rose curve is revealed based on motion. Theoretical evidence for related mechanical drawing is provided.
Key words： rose curve； trajectory； simulation experiment； Mathematical softwares
0 引言
玫瑰線的極坐標(biāo)方程為ρ（θ）=acosnθ，如ρ（θ）=acos3θ表示3葉玫瑰線，ρ（θ）=acos2θ表示4葉玫瑰線等[1，2]。由于玫瑰線的曲線美觀，所以使用玫瑰線可以設(shè)計(jì)出許多非常漂亮的幾何圖案[3]。許多學(xué)者對(duì)玫瑰線的幾何特性作了研究，熊作朝先生研究了玫瑰線的周長(zhǎng)[4]，潘陸益先生等研究了玫瑰線的花瓣數(shù)及周期性等[5，6]，李星秀先生等研究了逐點(diǎn)生成算法[7]。玫瑰線有許多實(shí)際應(yīng)用，如掃描瞬時(shí)視場(chǎng)[8]，安全底紋的設(shè)計(jì)[9]等。本文建立了玫瑰線的軌跡模型，并使用Mahtematica程序設(shè)計(jì)語言編寫了玫瑰線軌跡仿真程序[10，11]。
1 軌跡模型
1.1 模型描述
如圖1所示，設(shè)動(dòng)圓半徑為，動(dòng)圓圓心初始位置為A（，0），動(dòng)圓上的動(dòng)點(diǎn)Q的初始位置為B（a，0），動(dòng)圓的圓心P繞著原點(diǎn)O（0，0）勻速公轉(zhuǎn)，角速度為ω（ω>0時(shí)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，ω
1.2 模型證明
由于P點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角速度為ω，Q點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角速度為kω，故在t時(shí)刻時(shí)∠AOP=ωt，∠BPQ=kωt，如圖2所示。所以動(dòng)點(diǎn)Q在t時(shí)刻的直角坐標(biāo)為：
⑴
t時(shí)刻Q點(diǎn)與原點(diǎn)之間距離平方為：
⑵
假設(shè)t時(shí)刻Q點(diǎn)在極坐標(biāo)系下的極角為θ（t），則
⑶
當(dāng)t充分小時(shí)，與均位于第1或第4象限，故。
取，從而有：
⑷
下面驗(yàn)證對(duì)于任意的時(shí)刻t時(shí)，⑷式均成立。現(xiàn)把⑷式轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系下坐標(biāo)。
⑸
⑹
由⑸式與⑹式可知，Q運(yùn)動(dòng)軌跡的極坐標(biāo)方程為
⑺
1.3 模型應(yīng)用
從⑺式知，模型中的參數(shù)k取不同的值，將得到不同的玫瑰線軌跡。令，得，故當(dāng)模型中的參數(shù)時(shí)，即得到模型中Q點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為玫瑰線ρ（θ）=acos（nθ）（n≠1）。
2 仿真實(shí)驗(yàn)
2.1 仿真程序
我們?cè)贛athematica7.0環(huán)境下編寫了模型仿真函數(shù)roseLineTrajectory，函數(shù)roseLineTrajectory輸出動(dòng)點(diǎn)Q的運(yùn)動(dòng)軌跡。源代碼如下：
roseLineTrajectory[a_， k_， Dynamic[t_]] ：=
DynamicModule[{angleCalc， p， q， tt， g}，
g[] ：= （p = RotationMatrix[t].{a/2， 0}；
（*點(diǎn)P在t時(shí)刻位置*）
q=RotationMatrix[k t].{a/2， 0}；
（*點(diǎn)Q在t時(shí)刻相對(duì)于P點(diǎn)的偏移量*）
Show[Graphics[{{Dashed， Circle[{0， 0}， a/2]
（*P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡*）}，
{Dotted， Circle[p， a/2]}，
Circle[p， a/2， {Min[k t， 0]， Max[k t， 0]}]，
Circle[{0， 0}， a/2， {Min[0， t]， Max[0， t]}]，
PointSize[Medium]，
Point[p]，
Point[p+q]，
Arrow[{{0， 0}， p}]， Arrow[{p， p + q}]}，
PlotRange->{{-a-0.1， a+0.1}，{-a-0.1，a+0.1}}，
Axes -> True，
AxesLabel -> {x， y}]，
ParametricPlot[
RotationMatrix[u].{a/2， 0} +
RotationMatrix[k u].{a/2， 0}， {u， -10^-8， t}，
PlotStyle -> Thick，
PerformanceGoal -> "Quality"]]）；
LocatorPane[Dynamic[tt，
（angleCalc @@ Normalize /@ {#， tt}） &]，
Dynamic[g[]]， Appearance -> None]，
Initialization ：> （tt = {1， 0}； t = 0；
angleCalc[newp_， oldp_] ：= （t = t +
ArcCos[newp.oldp] Sign[Cross[newp].（newp-oldp）]；
tt={Cos[t]， Sin[t]}））
]
2.2 仿真程序測(cè)試
要得到3葉玫瑰線軌跡，可取參數(shù)k=-2，故調(diào)用模型仿真函數(shù)如下：
roseLineTrajectory[1， -2， Dynamic[t]]
輸出仿真交互界面如圖3所示。
使用鼠標(biāo)在圖3中拖動(dòng)點(diǎn)P，可使點(diǎn)P繞原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，程序?qū)?dòng)態(tài)地輸出動(dòng)點(diǎn)Q所劃過的軌跡，如圖4所示。
當(dāng)P點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一周以上時(shí)，得到Q點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條封閉的3葉玫瑰線ρ（θ）=cos（3θ），如圖5所示。
取參數(shù)時(shí)，輸入：
roseLineTrajectory[1， -4/3， Dynamic[t]]
可得到如圖6所示的7葉玫瑰線。
3 結(jié)束語
本文建立了玫瑰線的軌跡模型，對(duì)模型進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論的正確性。通過調(diào)整模型中參數(shù)k的值，可以得到不同的玫瑰線軌跡，故該模型可以應(yīng)用于機(jī)械繪制任意玫瑰線，可使玫瑰線的應(yīng)用更加廣泛。
參考文獻(xiàn)：
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隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，和信息技術(shù)的普及，一些并不是會(huì)計(jì)專業(yè)人員在進(jìn)行集中培訓(xùn)之后，對(duì)于一些常用的會(huì)計(jì)操作了解后，也是可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的會(huì)計(jì)操作的，非專業(yè)會(huì)計(jì)人員從事會(huì)計(jì)行業(yè)，在當(dāng)今社會(huì)此種現(xiàn)象非常普遍，此種現(xiàn)象造成社會(huì)對(duì)專業(yè)會(huì)計(jì)人員的要求越來越高，此種現(xiàn)象的出現(xiàn)也就相應(yīng)的需要培訓(xùn)學(xué)校的教學(xué)和實(shí)踐要和社會(huì)的需求相吻合。社會(huì)需求的增高，為了應(yīng)對(duì)此需求，需要培訓(xùn)學(xué)校建立起仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室。讓學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)過程中，把在實(shí)踐過程中可能遇到的問題都能夠?qū)嵺`到，把各個(gè)環(huán)節(jié)都了如指掌，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)即使不在社會(huì)中實(shí)習(xí)也能達(dá)到全面實(shí)踐的效果。會(huì)計(jì)電算化仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)會(huì)涉及到各個(gè)方面的建設(shè)，分別介紹如下：
1.實(shí)驗(yàn)室人員建設(shè)。
會(huì)計(jì)電算化仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室最直接、最重要的因素之一就是人員建設(shè)。通常情況下，一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里是要有兩到三人的，分別負(fù)責(zé)日常的工作，分工明確，這些人員并不需要非得是會(huì)計(jì)專業(yè)的，與之相關(guān)的計(jì)算機(jī)專業(yè)也是可以的。在此過程中，還要給學(xué)生配備實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師，為了能夠達(dá)到理想效果，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師也必須要定期進(jìn)行進(jìn)修。
2.軟件方面。
就軟件方面來講，會(huì)計(jì)電算化仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所具備軟件是較全的，要有用友軟件、金蝶軟件、office系統(tǒng)、windows系統(tǒng)、電子商務(wù)系統(tǒng)、會(huì)計(jì)綜合模擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)、會(huì)計(jì)電算化考試、遠(yuǎn)程教育軟件等等。在仿真教育環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師需要結(jié)合各個(gè)崗位實(shí)際工作所需，根據(jù)學(xué)生對(duì)于書本知識(shí)掌握程度，指引學(xué)生去學(xué)習(xí)新的實(shí)際性操作。這樣學(xué)生能夠體會(huì)到不同崗位工作流程，通過不同崗位的實(shí)訓(xùn)，能夠熟練的掌握所學(xué)知識(shí)。崗位所涉及到的資料，指導(dǎo)教書需要到企業(yè)去收集相關(guān)數(shù)據(jù)，不單單需要有會(huì)計(jì)用品印章、原始憑證，在收集資料過程中需要用心去選取，選擇較強(qiáng)代表性資料，將重復(fù)性的去掉。所收集到資料最好是包含原始憑證。就比如說，使用假發(fā)票，能夠增強(qiáng)學(xué)生審查假錯(cuò)賬的能力。
3.硬件方面。
會(huì)計(jì)電算化仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室建構(gòu)基礎(chǔ)為硬件建設(shè)。此方面要求計(jì)算機(jī)配置能夠符合實(shí)踐教學(xué)要求所需，但是對(duì)于建構(gòu)類別以及建構(gòu)場(chǎng)地也是有著相對(duì)嚴(yán)格的要求。就會(huì)計(jì)電算化仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室地理位置來講，需要選擇地址寬敞、明亮的。需要有專用的服務(wù)器以及多媒體職能工作站，要具備多媒體投影儀、穩(wěn)壓電源、教師筆記本、掃描儀、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、遠(yuǎn)程教育設(shè)備、除塵設(shè)備、防靜電接地設(shè)備、局域網(wǎng)、校園網(wǎng)等等輔助設(shè)施。電算化系統(tǒng)需要有升級(jí)以及擴(kuò)展備用容量空間，電壓設(shè)定在180到240伏之間。需要安裝UPS電源。需要合理性的安排機(jī)房?jī)?nèi)電力負(fù)荷。但是需要將UPS電源和主機(jī)分開放置。會(huì)計(jì)電算化仿真實(shí)驗(yàn)室工作環(huán)境要和真實(shí)環(huán)境相同，需要設(shè)置工商局、稅務(wù)局等相關(guān)機(jī)構(gòu)窗口，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中能夠按崗位分工，這樣能夠掌握每一個(gè)工作環(huán)節(jié)，能夠真實(shí)性的掌握不同崗位工作性質(zhì)。學(xué)生在后期進(jìn)入企業(yè)之后能夠很好的融入到各個(gè)的崗位中。
4.制度方面。
仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程管理過程中需要有健全的管理制度，此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)也是實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)行的基礎(chǔ)點(diǎn)。會(huì)計(jì)電算化仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室制度建設(shè)要將理工科計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理作為參考基礎(chǔ)，針對(duì)不同對(duì)象制定不同的管理制度。最終創(chuàng)建一個(gè)整潔干凈有序的仿真實(shí)驗(yàn)室。
二、結(jié)語
目前多數(shù)高校的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)課中都是多個(gè)學(xué)生共用一套儀器，大大影響了教學(xué)效果。已有的儀器“過期”現(xiàn)象嚴(yán)重，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池用上七八年很常見。像檢流計(jì)、示波器這些儀器基本上都是修了再修湊合使用。更不用說那些耗資較大、儀器昂貴的實(shí)驗(yàn)，根本就無法開設(shè)。[1]
開放性實(shí)驗(yàn)的重要性不言而喻，它對(duì)于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和獨(dú)立思考能力都有著積極的作用。但因受到經(jīng)費(fèi)、人力和管理上的限制，大多數(shù)院校都是小范圍開展或者不開展開放性實(shí)驗(yàn)。
基于以上原因，仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已逐漸地應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中，將來勢(shì)必會(huì)在所有高校普及。
1 仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)
1.1 仿真教學(xué)環(huán)境
大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)是用軟件對(duì)儀器形狀進(jìn)行建模，根據(jù)真實(shí)儀器的外形材質(zhì)蒙皮，制作動(dòng)畫，并通過編程使得儀器能與操作者進(jìn)行交互。它能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有：學(xué)習(xí)者可以以拖動(dòng)鼠標(biāo)的方法連接儀器，自行設(shè)定參數(shù)，調(diào)節(jié)儀器，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果?；旧夏軌?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)必須的步驟。
最重要的一點(diǎn)是它能夠再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室中，受課時(shí)限制，學(xué)生一般只能進(jìn)行一次完整實(shí)驗(yàn)過程。而仿真實(shí)驗(yàn)卻可以一直重復(fù)實(shí)驗(yàn)，提升教學(xué)效果。
另外，仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)認(rèn)錯(cuò)性很強(qiáng)，在模擬的過程中學(xué)生操作一旦出錯(cuò)，系統(tǒng)立即指出調(diào)節(jié)錯(cuò)誤，如果前一步調(diào)整不好就不允許進(jìn)行下一步，迫使學(xué)生反復(fù)演練直至成功。這樣就不用擔(dān)心元器件的損壞。
1.2 提高教學(xué)效率
學(xué)生在課前預(yù)習(xí)的時(shí)候，會(huì)感到書上一些儀器介紹和概念性的原理或現(xiàn)象介紹很抽象。對(duì)實(shí)驗(yàn)原理也只是一知半解。而且有一些調(diào)節(jié)難度比較大的實(shí)驗(yàn)如分光計(jì)等，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往課時(shí)不夠。所以我們可以把真實(shí)實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，先安排學(xué)生課前進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，熟悉儀器和實(shí)驗(yàn)過程后再進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)兩段式教學(xué)。
再者，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中很多儀器都是黑匣子，學(xué)生不明白儀器的內(nèi)部變化，不利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和儀器原理的理解應(yīng)用，仿真實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)儀器的內(nèi)部直觀化。
所以，仿真實(shí)驗(yàn)可以很好地提高教學(xué)效率。
1.3 豐富教學(xué)內(nèi)容
大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴。開設(shè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)目多的話對(duì)于多數(shù)院校來說是難以承受的。仿真物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能用相對(duì)低很多的價(jià)錢搭建出豐富的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目， 滿足新形勢(shì)下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求， 無疑是一個(gè)實(shí)用的方案。靈活性的解決了資源嚴(yán)重不足和教學(xué)需求量大這一矛盾。仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及力熱電光、近代物理和前沿領(lǐng)域攻擊70多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。滿足了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)需求。
1.4 突破時(shí)空限制
我們所用的網(wǎng)絡(luò)版仿真實(shí)驗(yàn)可以不受時(shí)間、地點(diǎn)、人次的限制。在辦公室安放一臺(tái)服務(wù)器，裝上大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)Online版，并通過IP將其綁定于校園網(wǎng)。學(xué)生在終端申請(qǐng)用戶名和密碼，就可以隨時(shí)隨地的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容在時(shí)間、空間上得到了延伸。因此，仿真實(shí)驗(yàn)是一個(gè)極好的輔學(xué)習(xí)資源。
1.5 便于開放實(shí)驗(yàn)
目前，建立開放實(shí)驗(yàn)室需要解決的問題很多，如：開放實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)選題多，教師要超時(shí)上課；學(xué)生自由操作儀器，損壞率會(huì)提高；為不斷提高學(xué)生興趣，根據(jù)實(shí)際情況須不斷地更新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和儀器；開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)行給實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理帶來了新的問題；開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目耗時(shí)長(zhǎng)，經(jīng)常使開放時(shí)間延長(zhǎng)到課余和節(jié)假日。這一系列的問題都給開放性實(shí)驗(yàn)造成了障礙。而仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)性、研究性，為學(xué)生提供了自由的教學(xué)環(huán)境，克服了面向大面積學(xué)生開設(shè)開放實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)課時(shí)等困難。
2 仿真實(shí)驗(yàn)的消極作用
模擬過程還比較僵化。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，多次測(cè)量取得的結(jié)果往往有一定的偏差。我們就會(huì)鼓勵(lì)學(xué)生排查錯(cuò)誤或回溯誤差來源，就比較有效的培養(yǎng)了學(xué)生解決問題的能力。而在仿真測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，只要按照實(shí)驗(yàn)過程來操作，同一個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)做多次得到的結(jié)果都是一致的，忽視了實(shí)驗(yàn)的不確定度。
不能完全的模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在牛頓環(huán)法測(cè)量曲率半徑實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)陲@微鏡中看到的牛頓環(huán)中心會(huì)是暗斑或者亮斑，有時(shí)會(huì)是不規(guī)則環(huán)形。施與牛頓環(huán)裝置不同的壓力，環(huán)紋形狀會(huì)相應(yīng)改變。而仿真實(shí)驗(yàn)中看到的始終是標(biāo)準(zhǔn)的牛頓環(huán)圖。諸如此類，學(xué)生會(huì)忽視實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的因果關(guān)系。
仿真實(shí)驗(yàn)過于理想化。目前的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)多是理想化的：標(biāo)準(zhǔn)的儀器，正確的方法，理想的環(huán)境，完美的結(jié)果，一切都是無誤差的，即使有偏差也是人為設(shè)置。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程就是移動(dòng)鼠標(biāo)、敲擊鍵盤。而只有親自去操作真實(shí)的儀器，才能在實(shí)踐中提高實(shí)驗(yàn)技能和能力。因此仿真實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和能力、創(chuàng)造發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)與環(huán)境方面有所欠缺，用仿真實(shí)驗(yàn)替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)不合適。
3 對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的期待
綜上所述，大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)雖然有著很多的優(yōu)勢(shì)，但并不能帶來視覺、聽覺、觸覺和嗅覺全方位的真實(shí)感受。針對(duì)當(dāng)前仿真實(shí)驗(yàn)的不足，我們除了選擇合理的教學(xué)方法提高教學(xué)質(zhì)量外，還應(yīng)完善仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。作為教師，我們對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)有著以下的期待。
更好地虛擬實(shí)驗(yàn)的不確定性。目前部分仿真實(shí)驗(yàn)也能形成誤差，但相對(duì)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)中誤差的隨機(jī)性而言，仿真實(shí)驗(yàn)的誤差機(jī)制過于單一。這就要建立在大量實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，找出隨機(jī)誤差的分布規(guī)律，并考慮到一定的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差因素，添加各種隨機(jī)模擬測(cè)量程序代碼組合，合理生成數(shù)據(jù)誤差。
進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的仿真性。例如惠斯通電橋?qū)嶒?yàn)，在實(shí)驗(yàn)中我們著重訓(xùn)練學(xué)生的接線故障排除技巧。還要注意螺絲固定、檢查接觸是否良好等基本實(shí)驗(yàn)規(guī)范。但在仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生連接線路只需拖動(dòng)鼠標(biāo)即可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)順利接通，根本沒有犯錯(cuò)的機(jī)會(huì)。所以我們認(rèn)為，在仿真實(shí)驗(yàn)中是否可以隨機(jī)設(shè)置出一定的干擾，制造出不合理的測(cè)量現(xiàn)象或結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生去分析解決問題。
是否能在仿真系統(tǒng)中建立一個(gè)儀器設(shè)備庫。使得這些儀器設(shè)備能實(shí)現(xiàn)跨實(shí)驗(yàn)的完美組合，并且這里面的所有儀器能夠高度模擬真實(shí)儀器的每一個(gè)功能和每一塊細(xì)節(jié)。為開放性、探索性實(shí)驗(yàn)提供良好的平臺(tái)和交互界面。鼓勵(lì)學(xué)生選擇和組織不同的儀器，自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)方法。
仿真實(shí)驗(yàn)是一種虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，它借助計(jì)算機(jī)和仿真軟件完成實(shí)驗(yàn)．仿真實(shí)驗(yàn)使用虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，是一種比較理想的實(shí)驗(yàn)過程，它不但可以為學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)平臺(tái)，還能節(jié)約社會(huì)資源．針對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)在電工電子實(shí)驗(yàn)中的作用，筆者以自己學(xué)校2011級(jí)電子工程專業(yè)1班為例進(jìn)行了分析．該班正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課改革，學(xué)校已提出新的教學(xué)方案，且教學(xué)改革初見成效．具體如下:本學(xué)期共有6次電工電子實(shí)驗(yàn)，包括3次基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、1次綜合實(shí)驗(yàn)和2次創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)．基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)由教師確定實(shí)驗(yàn)題目，前者以教材中的各課程專題為理論基礎(chǔ)，后者以教材的綜合知識(shí)為基礎(chǔ)．創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)由學(xué)生擬定題目，經(jīng)教師確定其可行性后進(jìn)行．所有實(shí)驗(yàn)必須由學(xué)生進(jìn)行仿真，其中基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)還包括以小組為單位的實(shí)物實(shí)驗(yàn)．現(xiàn)分析仿真實(shí)驗(yàn)的作用．
1．1有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣
在上面的教學(xué)案例中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)必須由學(xué)生進(jìn)行仿真，由此可見仿真實(shí)驗(yàn)的重要性．在仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)電路圖完成實(shí)驗(yàn)，并在較短時(shí)間內(nèi)展示實(shí)驗(yàn)全過程．該過程不但能夠增強(qiáng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，更能增加學(xué)生的成就感和學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的興趣．
1．2有利于體現(xiàn)電工電子知識(shí)的實(shí)用價(jià)值
創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是電工電子知識(shí)實(shí)用價(jià)值的體現(xiàn)，學(xué)生通過尋找以實(shí)際應(yīng)用為背景的實(shí)驗(yàn)課題，結(jié)合電工電子理論知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容．該方法能夠引導(dǎo)學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合，將知識(shí)的能量最大化．
1．3有利于體現(xiàn)教師與學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)
在上面的案例中，教師與學(xué)生均參與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，該模式有利于提高師生的專業(yè)水平．在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)而學(xué)生驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，學(xué)生處于被動(dòng)狀態(tài)，該模式不利于提高學(xué)生的專業(yè)水平．因此只有師生共同參與設(shè)計(jì)學(xué)生感興趣的實(shí)驗(yàn)課題才能真正意義上體現(xiàn)兩者的專業(yè)素質(zhì)．
1．4傳統(tǒng)教學(xué)與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合有利于提高課堂效率
在多媒體教學(xué)中，教師需將傳統(tǒng)教學(xué)與仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，即實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)、仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)三者的統(tǒng)一，形成理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐驗(yàn)證理論的教學(xué)思維．在上面的案例中基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)便是傳統(tǒng)教學(xué)與仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它包括傳統(tǒng)教學(xué)中的理論教學(xué)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同時(shí)也包括仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)．將傳統(tǒng)教學(xué)與仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式有利于加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高課堂效率．
1．5傳統(tǒng)教學(xué)與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合更能體現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)和意義
學(xué)生通過仿真實(shí)驗(yàn)更能明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)．在仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需借助理論知識(shí)去解決遇到的問題，解決問題便是仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)．因此，只有結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)中的理論教學(xué)方法才能為學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，使問題得以盡快解決．
2電工電子實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意的問題
2．1鼓勵(lì)學(xué)生構(gòu)思實(shí)驗(yàn)課題
教師在教學(xué)過程中需跳出教師講學(xué)生聽的傳統(tǒng)教學(xué)模式．教學(xué)的主體是學(xué)生，教學(xué)的目的是培養(yǎng)學(xué)生的能力，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性．故在實(shí)際教學(xué)中，教師應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生參與構(gòu)思實(shí)驗(yàn)課題，發(fā)揮學(xué)生的主體地位．
2．2鼓勵(lì)學(xué)生參與以多媒體課件和仿真實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的輪流講課
在學(xué)習(xí)實(shí)踐能力較強(qiáng)的課程時(shí)，學(xué)生容易形成一種錯(cuò)誤的思想:學(xué)習(xí)能力與動(dòng)手能力比表達(dá)能力重要．因此，教師在教學(xué)過程中還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生注重培養(yǎng)自己的表達(dá)能力，即鼓勵(lì)學(xué)生參與以多媒體課件和仿真實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的輪流講課．在備課過程中，學(xué)生能夠提高自身的學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手能力，而講課過程能提高學(xué)生的表達(dá)能力和教學(xué)水平．
2．3增加學(xué)生到電力公司參觀實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)
當(dāng)今高校教育存在一個(gè)普遍問題———畢業(yè)生與社會(huì)所需人才具有一定差距．針對(duì)這一問題，學(xué)?？梢岳米陨淼纳鐣?huì)資源為學(xué)生創(chuàng)造更多的社會(huì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，縮小與社會(huì)所需人才的差距．在電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)校可以與電力公司合作，為學(xué)生提供到電力公司參觀實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)，增加學(xué)生將理論知識(shí)與社會(huì)實(shí)踐相結(jié)合的機(jī)會(huì)．同時(shí)，該政策有利于學(xué)生更快適應(yīng)社會(huì)，體現(xiàn)自身的社會(huì)價(jià)值．
3結(jié)語
關(guān)鍵詞：生物學(xué)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)
實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)人才的關(guān)鍵，是打造創(chuàng)新型國家的基石，國家根據(jù)科技發(fā)展和社會(huì)需求在不同時(shí)期提出了相應(yīng)的指導(dǎo)思想，“十一五”期間提出《高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)和評(píng)審》，“十二五”期間提出了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃》和《全面提高高等教育質(zhì)量的若干問題》，“十三五”又提出了《教育信息化“十三五”規(guī)劃》?？梢娭Υ蛟炀哂形覈厣慕逃畔⒒w系是當(dāng)前我國教育事業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。2013年8月13日，教育部高教司了《關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》，提出了“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點(diǎn)、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的20字指導(dǎo)思想[1]。自此開啟了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)，到目前為止全國共評(píng)建了300個(gè)虛擬仿真中心。
1國家級(jí)虛擬仿真中心建設(shè)分布情況
近年來，高等教育實(shí)驗(yàn)中心的信息化建設(shè)飛速發(fā)展，由最初的管理系統(tǒng)到中心工作網(wǎng)站，到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，再到信息化教學(xué)系統(tǒng)，直至發(fā)展到虛擬仿真系統(tǒng)。虛擬仿真中心建設(shè)集中在華東、華北地區(qū)，2013年到2015年3年2個(gè)地區(qū)共建設(shè)虛擬仿真中心160個(gè)，占據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的半壁江山，僅北京一地建設(shè)國家級(jí)虛擬仿真中心47個(gè)，占全國的15.7%，其中2013和2014年各17個(gè)，2015年13個(gè)。江蘇省，3年共建虛擬仿真中心31個(gè)，山東省、上海市各建設(shè)國家級(jí)虛擬仿真中心20個(gè)(如圖1所示)。截止到2015年，生物和食品學(xué)科組共評(píng)建12個(gè)國家做虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，其中6個(gè)中心是“一體兩翼”即同一個(gè)中心擁有虛擬中心和實(shí)體中心。
2生物學(xué)虛擬仿真中心建設(shè)
《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中指出：構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、個(gè)性化、終身化的教育體系，建設(shè)“人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時(shí)時(shí)可學(xué)”的學(xué)習(xí)型社會(huì)[2]。教育部還聯(lián)合財(cái)政部、國家發(fā)改委、工業(yè)和信息化部、中國人民銀行共同了《構(gòu)建利用信息化手段擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)教育資源覆蓋面有效機(jī)制的實(shí)施方案》。如何構(gòu)建學(xué)習(xí)型社會(huì)？如何擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)教育資源覆蓋面？如何共建共享？這些都是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。為此生物學(xué)虛擬仿真中心在秉承科學(xué)規(guī)劃、突出重點(diǎn)、共享資源、服務(wù)全局、深化應(yīng)用、提高效益等幾方面不斷探索。
2.1科學(xué)規(guī)劃突出重點(diǎn)
虛擬仿真是對(duì)實(shí)體中心的一個(gè)很好的補(bǔ)充，生物學(xué)科在建設(shè)時(shí)應(yīng)依據(jù)學(xué)校和地域的不同，根據(jù)學(xué)校學(xué)科特點(diǎn)、專業(yè)特色等進(jìn)行自我設(shè)計(jì)與規(guī)劃，突出重點(diǎn)，突破制約實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的瓶頸問題。制約生物實(shí)體實(shí)驗(yàn)發(fā)展的瓶頸問題主要是六方面[3]，歸納為：極端環(huán)境或高危實(shí)驗(yàn)，微觀層面的實(shí)驗(yàn)，不可逆的實(shí)驗(yàn)，高成本、高消耗的實(shí)驗(yàn)，受條件制約的大型綜合實(shí)訓(xùn)，實(shí)驗(yàn)室安全管理和安全防御等方面。如部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)的蛇毒提取與凍干品制備虛擬實(shí)驗(yàn)、蛋白質(zhì)模擬與設(shè)計(jì)、植物野外調(diào)查與標(biāo)本采集、生產(chǎn)工藝等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)均是填補(bǔ)了實(shí)體實(shí)驗(yàn)的不足。生物學(xué)科應(yīng)著力建設(shè)能夠反映虛擬仿真實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，將科研成果切實(shí)轉(zhuǎn)化成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，建設(shè)更具有先進(jìn)性和原創(chuàng)性的虛擬實(shí)驗(yàn)。
2.2共享資源服務(wù)全局
生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)依據(jù)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)可分為認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)以及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)[4]。對(duì)于認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)除了服務(wù)于大學(xué)生，也可以在固定時(shí)間面向中小學(xué)生和一般的社會(huì)團(tuán)體開放，開展通識(shí)教育，提高全民素質(zhì)；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)主要是面向大學(xué)生和行業(yè)人員以及研究生，他們具有一定的專業(yè)知識(shí)，能夠更好地理解與使用這類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；而創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)主要面向大學(xué)生、研究生和科研人員進(jìn)行開放使用。生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心在資源共享、公益培訓(xùn)等方面一直努力前行，探索資源共享，服務(wù)全局。2015年12月12日，在南京召開的“第一屆全國生物類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)研討會(huì)”就提出了“成立虛擬仿真中心聯(lián)席會(huì)，共謀資源共享，避免重復(fù)建設(shè)”的理念。2016年10月29日，“第二屆全國生物類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)研討會(huì)”在長(zhǎng)沙召開，成立“生物和食品類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享聯(lián)盟”，有來自全國35個(gè)虛擬仿真中心加入。同時(shí)部分中心嘗試以二維動(dòng)畫、數(shù)字化課程等先期施行共享，探索共享模式與方法。只有進(jìn)一步豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，擴(kuò)大覆蓋面，構(gòu)建完整的共享平臺(tái)，才能真正做到共享資源、服務(wù)全局，才能逐步縮小區(qū)域、城鄉(xiāng)、校際之間的差距，促進(jìn)教育公平，提高教育質(zhì)量，建設(shè)學(xué)習(xí)型社會(huì)[5]。
2.3深化應(yīng)用提高效益
應(yīng)用是信息技術(shù)與教學(xué)管理的結(jié)合點(diǎn)，是教育信息化的生命力。通過應(yīng)用帶動(dòng)環(huán)境營(yíng)造，支撐核心業(yè)務(wù)，構(gòu)建以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)和學(xué)習(xí)方式。部分高校探索將虛擬實(shí)驗(yàn)細(xì)化分工，以項(xiàng)目分小組建設(shè)，學(xué)生深度參與，加強(qiáng)院系聯(lián)手，在建設(shè)中全方位培養(yǎng)人才。生物學(xué)專業(yè)教師根據(jù)教學(xué)要求，設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)方案，分設(shè)不同的小組，由學(xué)生自由組合，搜集素材，參與項(xiàng)目完成；同時(shí)以院系聯(lián)手方式，聯(lián)合計(jì)算機(jī)學(xué)院、動(dòng)漫或藝術(shù)學(xué)院的教師共同完成，這些教師也以此形式組織學(xué)生參與；不同專業(yè)的學(xué)生形成任務(wù)小組，共同完成項(xiàng)目中的一部分(如圖2所示)。在這種組合中教師將科研項(xiàng)目更好地轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生深度參與，緩解了教師在精力體力方面的不足，使教師科研與教學(xué)改革得以兼顧。同時(shí)學(xué)生在項(xiàng)目的開展中加深了學(xué)科知識(shí)的理解，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)意識(shí)、合作精神，并豐富了學(xué)生交叉學(xué)科知識(shí)，達(dá)到全方位的人才培養(yǎng)。
3結(jié)束語
培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需要的人才是實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)的核心，建設(shè)固然重要，但管理是中心持續(xù)發(fā)展的決定因素。科學(xué)化的管理將發(fā)揮各種資源的最大功效。做好虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的管理工作，利用好、保護(hù)好大數(shù)據(jù)是網(wǎng)絡(luò)管理的重點(diǎn)，確保網(wǎng)絡(luò)安全，營(yíng)造綠色環(huán)保、健康向上的校園文化?，F(xiàn)在的大學(xué)生是以“95后”為主體，他們生長(zhǎng)在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)眾多，如何增加虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源的趣味性、實(shí)用性，是虛擬仿真中心建設(shè)的最大問題。師資隊(duì)伍的組建，共享機(jī)制的建立，管理工作的加強(qiáng)，都是制約虛擬仿真中心發(fā)展的關(guān)鍵問題。讓我們攜手共建，打造可持續(xù)發(fā)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心。
參考文獻(xiàn)
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[3]劉亞豐,余龍江.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)理念及發(fā)展模式探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2016,33(4):108-110,114.
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關(guān)鍵詞:MATLAB/GUI;電機(jī)與拖動(dòng);實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
中圖分類號(hào):TM343 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
1 概述
MATLAB是Mathwors公司推出的當(dāng)今國際上最流行的軟件之一。它以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ),把計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)融合到了一個(gè)可交互的工作環(huán)境中。實(shí)現(xiàn)工程計(jì)算、算法研究、建模、仿真和數(shù)據(jù)分析,具有可視化、科學(xué)和工程繪圖、應(yīng)用程序開發(fā)(包括GUI)功能。
電機(jī)與拖動(dòng)是電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。它涉及電磁學(xué)、動(dòng)力學(xué)及數(shù)學(xué)等多門學(xué)科。課堂講授方式來講授這門課的最大問題在于:難以用清晰、簡(jiǎn)潔的各種波形、圖形來講授諸如旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、繞組結(jié)構(gòu)和電動(dòng)機(jī)過渡過程等問題。目前,有很多的實(shí)驗(yàn)裝置可以對(duì)電機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行較好地測(cè)試與觀察。但其價(jià)格昂貴,投資較大,在一些高校教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn)。
本文介紹采用MATLAB/GUIDE(圖形用戶界面設(shè)計(jì))設(shè)計(jì)電機(jī)與拖動(dòng)的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),以彌補(bǔ)高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏,也可以起到輔助教學(xué)的作用。
2 電拖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo),在界面中插入學(xué)校背景和電拖仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的標(biāo)題,并在系統(tǒng)界面中設(shè)計(jì)3個(gè)列表框:電機(jī)類型、實(shí)驗(yàn)特性及實(shí)驗(yàn)說明,兩個(gè)按鈕:運(yùn)行和退出,設(shè)計(jì)效果如下圖所示。
完成上述界面設(shè)計(jì)后,需實(shí)現(xiàn)如下功能:當(dāng)單擊電機(jī)的某個(gè)類型時(shí),在實(shí)驗(yàn)特性列表框中會(huì)顯示出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)種類以供選擇。以上功能的實(shí)現(xiàn)可設(shè)置列表框1(電機(jī)類型列表框)的回調(diào)函數(shù)如下:
function listbox1_Callback(hObject, eventdata, handles)
switch get(hObject,‘value’)
case{1,6,11,14},
set(handles.listbox2,‘string’,‘請(qǐng)選擇電機(jī)類型’);
case{2,3,4,5},
set(handles.listbox2,‘string’,‘起動(dòng)|串阻調(diào)速|(zhì)調(diào)壓調(diào)速|(zhì)弱磁調(diào)速|(zhì)機(jī)械特性’);
case{7,8},
set(handles.listbox2,‘string’,‘變極調(diào)速|(zhì)變頻調(diào)速|(zhì)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差能耗調(diào)速’);
end
set(handles.listbox2,‘value’,1)
2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中實(shí)例介紹
當(dāng)在界面中選擇他勵(lì)電動(dòng)機(jī)并選擇串阻調(diào)速時(shí)(如下圖所示),
可以啟動(dòng)simulink仿真界面,進(jìn)行他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的三級(jí)串阻起動(dòng)仿真模型。并于實(shí)驗(yàn)說明窗口中顯示該實(shí)驗(yàn)的有關(guān)說明。完成這種功能,這里編寫列表框2(實(shí)驗(yàn)特性列表框)的回調(diào)函數(shù)如下:
function listbox2_Callback(hObject, eventdata, handles)
global mdl;
mdltemp='';
switch get(handles.listbox1,‘value’)
case 4
switch get(hObject,‘value’)
case 2
mdltemp=‘startDCmotor.mdl’;%打開存儲(chǔ)于matlab的work中的預(yù)先設(shè)計(jì)好的仿真模型。
set(handles.listbox5,‘string’,‘此實(shí)驗(yàn)演示直流電動(dòng)機(jī)三級(jí)串阻調(diào)速的電壓、轉(zhuǎn)速等波形’);%設(shè)置實(shí)驗(yàn)說明內(nèi)容
……
%由于結(jié)構(gòu)類似,此處省略部分相關(guān)程序。
if mdltemp~=''
mdl=mdltemp;
mdltemp='';
set(handles.pushbutton1,‘enable’,‘off’);
end
if strcmp(get(handles.figure1,‘selectiontype’),‘open’)&(mdl~='')
open_system(mdl)
mdl='';
set(nandles.pushbutton1,‘enable’,‘off’);
end
打開了相應(yīng)的三級(jí)起動(dòng)simulink 模型如下圖所示,進(jìn)行仿真,打開轉(zhuǎn)速與電壓示波器,得到轉(zhuǎn)速與電壓波形。該simulink 模型為預(yù)先設(shè)計(jì)并存儲(chǔ)于work文件夾中的。
2.3 設(shè)置仿真界面的控制按鈕
設(shè)置“運(yùn)行” (pushbutton1)和“退出”(pushbutton2)按鈕的回調(diào)函數(shù)如下,實(shí)現(xiàn)單擊運(yùn)行時(shí)進(jìn)行選定實(shí)驗(yàn)的仿真。單擊“退出”時(shí)退出仿真界面。
“運(yùn)行”按鈕程序
function _Callback(hObject, eventdata, handles)
globle mdl
open_system(mdl);
mdl='';
set(handles.pushbutton1,‘enable’,‘off’)
“退出”按鈕程序
function _Callback(hObject, eventdata, handles)
close
3 小結(jié)
該系統(tǒng)將MATLAB與電機(jī)與拖動(dòng)聯(lián)系起來,建立了一個(gè)可交互的工作環(huán)境。從而實(shí)現(xiàn)仿真和數(shù)據(jù)分析,具有可視、簡(jiǎn)單、明了的特點(diǎn)。
設(shè)計(jì)電機(jī)與拖動(dòng)的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),從而彌補(bǔ)高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏,同時(shí)起到輔助教學(xué)的作用。
參考文獻(xiàn)
G122-4；G642.4
一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵和價(jià)值
1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵
虛擬實(shí)驗(yàn)一般是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn)效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。主要是利用虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等工具，幫助學(xué)生判別虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的主要指標(biāo)。在一個(gè)虛擬的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境之上，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作的模擬性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性。隨著虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的成熟，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在高校教育中的應(yīng)用價(jià)值日益凸顯，它不僅可以輔助高校的科研工作，同時(shí)在模擬實(shí)驗(yàn)課教學(xué)方面也具有突出的作用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，目前大多數(shù)高校都開設(shè)了模擬仿真實(shí)驗(yàn)課，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中采用虛擬模擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生感受真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的教學(xué)效果近似于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果，提高實(shí)際動(dòng)手能力，增強(qiáng)了就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。
2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的作用
（1）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室適度降低教學(xué)成本。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室主要采用桌面虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，這種教學(xué)能夠突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)“地域、時(shí)間、空間”的限制，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用研究就的重要載體，有效減輕學(xué)校在實(shí)訓(xùn)經(jīng)費(fèi)、實(shí)訓(xùn)基地、實(shí)訓(xùn)人員等的投入成本；同時(shí)也可以輔助高校的科研工作的投入成本。
（2）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)生動(dòng)形象，提高學(xué)習(xí)效率。模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)實(shí)踐可以生動(dòng)形象，超越設(shè)備、環(huán)境、地域和空間限制的新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，可以得到良好的教學(xué)效果和投資效益，從而提高學(xué)生實(shí)際感知和動(dòng)手能力。
（3）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室融合多樣教學(xué)手段。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室融合媒體課件，人機(jī)配合、仿真環(huán)境、仿真數(shù)據(jù)、仿真案例把把理論知識(shí)更形象、客觀、生動(dòng)、模擬出來，增強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的互動(dòng)性和真實(shí)感受性，讓學(xué)生深刻體會(huì)理論與知識(shí)相結(jié)合的學(xué)習(xí)手段，提高學(xué)習(xí)效率，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際最佳的教學(xué)效果。
二、獨(dú)立學(xué)院虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的存在的問題分析
1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的經(jīng)費(fèi)短缺，教育經(jīng)費(fèi)是獨(dú)立學(xué)院發(fā)展教育和提高教學(xué)質(zhì)量的一個(gè)重要條件，建立一個(gè)獨(dú)立學(xué)院虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是有效進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵，而要建立一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，首先要解決的是購買和建設(shè)的用的經(jīng)費(fèi)。
2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)不統(tǒng)一，實(shí)驗(yàn)室使用效率低。由于在獨(dú)立學(xué)院發(fā)展的過程中，各二級(jí)學(xué)院以本學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室發(fā)展為主要發(fā)展，通過本學(xué)院的專業(yè)課題的申報(bào)，建立適合本學(xué)院教學(xué)規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室，所以在實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)缺乏協(xié)調(diào)性，各自以自己的專業(yè)為主，存在重復(fù)建設(shè)，單獨(dú)使用，實(shí)驗(yàn)室使用效率低
3.擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，沒有提供全方位虛擬教學(xué)輔助功能。由于獨(dú)立學(xué)院經(jīng)費(fèi)、教務(wù)管理和技術(shù)問題的制約，沒有能力建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的綜合管理中心，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)一管理和整合教學(xué)資源，影響了實(shí)驗(yàn)室的使用功能。
4.缺乏專業(yè)的教師。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中需要教師既要有豐富的理論知識(shí)又要有實(shí)際的操作經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)楠?dú)立學(xué)院的教師大多數(shù)屬于年輕的教師，所以在仿真案例教學(xué)和實(shí)際操作等方面的教學(xué)缺乏經(jīng)驗(yàn)，可能出現(xiàn)嚴(yán)謹(jǐn)性不夠合流于形式的問題。
三、獨(dú)立學(xué)院虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)的思考
1.加強(qiáng)對(duì)獨(dú)立學(xué)院的高校經(jīng)費(fèi)投入。財(cái)政部、教育部應(yīng)加強(qiáng)對(duì)獨(dú)立學(xué)院的高校經(jīng)費(fèi)投入，同時(shí)應(yīng)為獨(dú)立學(xué)院適度提供更多的實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，給獨(dú)立學(xué)院的教務(wù)、科研、規(guī)劃等職能部門有足夠的資金從事教學(xué)改革的支出，有足夠的經(jīng)費(fèi)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)支出。
2.建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，設(shè)立專門的部門管理。整合各個(gè)學(xué)院的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的資源，由學(xué)校統(tǒng)一建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)“共建、共享、共A”，降低投入成本，提高使用效率和使用功能。
3.建設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和共享平臺(tái)。借鑒其他學(xué)校的經(jīng)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)具體包括虛擬實(shí)驗(yàn)中心門戶網(wǎng)站、實(shí)驗(yàn)前的理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)的開課管理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的自動(dòng)批改、實(shí)驗(yàn)成績(jī)統(tǒng)計(jì)查詢、數(shù)字化資源管理、師生互動(dòng)交流和系統(tǒng)管理等子系統(tǒng)建設(shè)一個(gè)開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理和共享平臺(tái)，然后再陸續(xù)把相關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)課程的資源統(tǒng)一放到該平臺(tái)來進(jìn)行管理，從而面向各個(gè)學(xué)科的相關(guān)課程開展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
4.加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教師的培訓(xùn)。學(xué)校需提供各種專業(yè)理論和實(shí)訓(xùn)的機(jī)會(huì)和平臺(tái)，幫助教師在后續(xù)的教育培訓(xùn)過程中不斷更新教育觀念，不斷提高自身實(shí)作能力，不斷發(fā)現(xiàn)和解決問題，不斷變革教學(xué)方式，調(diào)整自己的教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)專業(yè)教學(xué)水平的提高。
參考文獻(xiàn)：
[1]張紅霞，楊淵，王向前. 高校經(jīng)管類學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)[J].《高教學(xué)刊》， 2015（18）.
[2]李虹. 經(jīng)管類國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)踐[J]. 《實(shí)驗(yàn)室研究與探索》， 2016， 35（6）
[3]周世杰，吉家成，王華. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)踐[J]. 《計(jì)算機(jī)教育》， 2015（9）
關(guān)鍵詞：虛擬仿真 醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué) 教學(xué)改革
一、前言
眾所周知，醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生科研能力、創(chuàng)新意識(shí)與科學(xué)思維方法的有效途徑[1]。但受實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的限制，傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式主要為組織切片觀察，內(nèi)容較為單一，難以激發(fā)學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課的積極性和主動(dòng)性。因此，在當(dāng)前教育部“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略全面實(shí)施的新時(shí)代背景下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的探索和應(yīng)用已成為現(xiàn)代高等醫(yī)學(xué)教育教學(xué)改革研究的重要內(nèi)容。
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一種基于計(jì)算機(jī)模擬運(yùn)算的綜合集成技術(shù)[2]，利用虛擬現(xiàn)實(shí)手段模擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生在近似真實(shí)環(huán)境中運(yùn)用已掌握的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行各類體驗(yàn)和訓(xùn)練[3]。在這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)過程中，教師可利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開放性、交互性及共享性的特點(diǎn)，構(gòu)建以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心的教學(xué)體系，通過將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與線下實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和科研創(chuàng)新思維，從而真正提高形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。故本項(xiàng)目開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過線上和線下教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，為醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)課改革提供重要參考。
二、醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的必要性
（一）打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間、空間、人數(shù)上的局限，促使新的學(xué)習(xí)及教學(xué)模式的形成
一方面，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可擺脫傳統(tǒng)的貴重設(shè)備和昂貴耗損費(fèi)用的限制，很大程度上解決當(dāng)前師資和實(shí)訓(xùn)資源不足等問題；另一方面，該平臺(tái)的建設(shè)體現(xiàn)了以“學(xué)生為主、教師為輔”的教學(xué)理念，真正實(shí)現(xiàn)了“做中學(xué)，做中教”，加快促進(jìn)了教學(xué)模式的改變[4]。
（二）豐富教學(xué)內(nèi)容，擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)空
虛擬計(jì)算機(jī)技術(shù)通過創(chuàng)造出一個(gè)真實(shí)、形象、生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，不僅突破了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重點(diǎn)及難點(diǎn)[5]，還很好地改善了以往受限于實(shí)驗(yàn)設(shè)備而導(dǎo)致學(xué)生無法親自動(dòng)手操作或僅有少部分學(xué)生能夠參與實(shí)驗(yàn)的問題，提高了學(xué)生課堂的活躍度和參與感。
（三）減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)，提高教學(xué)質(zhì)量
虛擬仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)現(xiàn)了緊張醫(yī)療環(huán)境下的自主實(shí)驗(yàn)，減輕了學(xué)生的心理負(fù)擔(dān)，使枯燥的教學(xué)變得生動(dòng)，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和信心。同時(shí)，教師在授課過程中也不需要反復(fù)對(duì)相同的內(nèi)容進(jìn)行重復(fù)示教，可將更多的時(shí)間用于指導(dǎo)學(xué)生，通過“理論指導(dǎo)+虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”，雙管齊下，可使學(xué)生更好地掌握課程內(nèi)容的重難點(diǎn)，從而達(dá)到教學(xué)效率、教學(xué)質(zhì)量的雙提高[6]。
（四）節(jié)約實(shí)驗(yàn)資源，減少環(huán)境污染
在形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)中，尤其在解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)中，人體標(biāo)本資源較為稀缺，且消耗量大、重復(fù)使用率低，該問題一直困擾著老師和學(xué)生。此外，某些動(dòng)物標(biāo)本或者實(shí)驗(yàn)器械可能存在著環(huán)境污染和病原體感染的風(fēng)險(xiǎn)，需要通過專門途徑回收或焚燒、掩埋處理[5]；而虛擬仿真平臺(tái)正以其“清潔、高效、長(zhǎng)期使用”的優(yōu)勢(shì)完美地避免了以上問題。
三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)中的實(shí)踐
我校在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)方面起步較晚，但為有效應(yīng)對(duì)提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新發(fā)展的問題，我校引入了“醫(yī)學(xué)魔課MOEC”平臺(tái)的醫(yī)學(xué)虛擬仿真教學(xué)軟件，目前我校一共16名教師使用了該平臺(tái)，參與學(xué)生人數(shù)達(dá)到1313人。該平臺(tái)包括24門學(xué)科類別，覆蓋學(xué)科范圍廣，正初步應(yīng)用于我校醫(yī)學(xué)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中，如機(jī)能學(xué)、形態(tài)學(xué)、免疫學(xué)等。本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)講述“形態(tài)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用”，根據(jù)學(xué)生的測(cè)試成績(jī)和調(diào)查問卷結(jié)果，多方面對(duì)比分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)劣勢(shì)，從而提出改進(jìn)措施，促進(jìn)醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)的教學(xué)改革。
（一）我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用
選取本校本科新生班同年級(jí)同一錄取方式且入學(xué)平均成績(jī)相近的護(hù)理學(xué)的兩個(gè)班級(jí)，分別設(shè)置為對(duì)照班和實(shí)驗(yàn)班，保證兩個(gè)班級(jí)教材、授課內(nèi)容、進(jìn)度、學(xué)時(shí)及任課老師均一致。
對(duì)照班：采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，即“實(shí)驗(yàn)課切片觀察-實(shí)驗(yàn)試卷考核”。
實(shí)驗(yàn)班：在對(duì)照班級(jí)的基礎(chǔ)上融入線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上建有形態(tài)學(xué)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)，如大鼠手術(shù)操作實(shí)驗(yàn)、大鼠心肌缺血組織HE染色、人體組織切片制作等實(shí)驗(yàn)操作等。學(xué)生可事先進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，在線上學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)視頻及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，清楚原理后，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，平臺(tái)會(huì)根據(jù)操作步驟進(jìn)行打分并提醒某些錯(cuò)誤事項(xiàng)。以“鼠手術(shù)基本操作虛擬實(shí)驗(yàn)”為例，學(xué)生通過提前在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)學(xué)習(xí)鼠手術(shù)的基本操作，在培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)能力的同時(shí)也使其熟悉了整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作。之后增設(shè)動(dòng)物解剖實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過分組合作學(xué)習(xí)，親自動(dòng)手麻醉沙鼠、解剖沙鼠，并對(duì)解剖下的胃、腎、肺等不同系統(tǒng)的器官進(jìn)行細(xì)致的觀察和比較。通過在與大體老師尸體標(biāo)本的比較學(xué)習(xí)過程中，促進(jìn)學(xué)生整合能力的提高和專業(yè)解剖知識(shí)的深化理解。
（二）結(jié)果對(duì)比分析
通過對(duì)兩個(gè)班的期末考核成績(jī)綜合分析（表1），并采用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)處理，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)班期末成績(jī)總體高于對(duì)照班成績(jī)，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.01<0.05）。考試結(jié)束后，又對(duì)實(shí)驗(yàn)班發(fā)放50份虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用調(diào)查問卷（表2），全部回收。問卷結(jié)果顯示，幾乎全體學(xué)生都對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用給予了高度肯定的評(píng)價(jià)。此外，在交流心得的過程中，大部分學(xué)生表示，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)授課相比，新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可以積極調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，從而加深了知識(shí)的理解和內(nèi)化。
表1 實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班期末成績(jī)比較（x±s)
表2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用調(diào)查問卷結(jié)果n/（%）
四、醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的不足和改進(jìn)之處
（一）不足之處
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)雖然在輔助實(shí)驗(yàn)操作教學(xué)上頗有成效，但在實(shí)踐過程中仍存在著一些問題：（1）過多的以虛擬替代現(xiàn)實(shí)的操作將會(huì)造成學(xué)生避實(shí)就虛、眼高手低等弊端。（2）教師隊(duì)伍的建設(shè)仍待加強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)專職人員信息技能的培訓(xùn)有待提高，故增加青年教師技能培訓(xùn)機(jī)會(huì)是改革醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的關(guān)鍵。（3）實(shí)體實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)尚未深度融合：虛擬實(shí)驗(yàn)受到線上平臺(tái)如實(shí)驗(yàn)素材缺乏、視頻質(zhì)量欠佳、虛擬實(shí)驗(yàn)操作不可控性等問題的制約；一些高端、精細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊較為局限。這些導(dǎo)致學(xué)生容易存在知識(shí)盲點(diǎn)，從而不利于高層次精密型醫(yī)學(xué)人才的培養(yǎng)。
（二）改進(jìn)之處
(1）遵循“以實(shí)為主”“虛實(shí)結(jié)合”“相互補(bǔ)充”的原則，完善運(yùn)行制度、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)體系，從而實(shí)現(xiàn)資源的整合與共享[7]。（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員實(shí)行量化考核，充分調(diào)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室人員的工作積極性和主動(dòng)性，建設(shè)一支理論知識(shí)豐富、專業(yè)實(shí)踐能力過硬的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)[8]，加快實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化進(jìn)程。（3）建立課前、課后一體化學(xué)習(xí)體系，教師可根據(jù)學(xué)生的完成程度進(jìn)行打分，從而積極調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與度。
五、總結(jié)
綜上所述，盡管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)際操作和應(yīng)用中還存在一些不足和有待完善之處，但不可否認(rèn)其對(duì)于輔助醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重大意義。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在形態(tài)學(xué)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用將有效推動(dòng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法的改革，寓教于學(xué)、寓學(xué)于練、寓練于做，為醫(yī)學(xué)生實(shí)踐操作創(chuàng)造了更多的機(jī)會(huì)，為傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入新的活力，從而培養(yǎng)具有優(yōu)秀科研素質(zhì)和積極創(chuàng)新能力的新時(shí)代醫(yī)學(xué)人才。
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關(guān)鍵詞：MATLAB；GUI；二級(jí)倒立擺；仿真；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
中圖分類號(hào)：TM359.4
倒立擺是一種典型的復(fù)雜被控對(duì)象，具有非線性、多變量、強(qiáng)耦合和自然不穩(wěn)定的特性[1]。在控制過程中倒立擺系統(tǒng)能有效地反映可控性、魯棒性、隨動(dòng)性以及跟蹤性等許多控制中的關(guān)鍵問題[2]，很多新的控制算法都是通過倒立擺系統(tǒng)來進(jìn)行檢驗(yàn)的。在控制理論教學(xué)中，倒立擺系統(tǒng)是一種重要的輔助教學(xué)工具，將控制算法應(yīng)用于倒立擺系統(tǒng)，觀察其控制效果，可以使學(xué)生更加生動(dòng)形象地學(xué)習(xí)理解各種控制算法原理及其特性。然而，由于倒立擺實(shí)驗(yàn)設(shè)備體積大，不便于搬運(yùn)，并且需要專門的計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)際教學(xué)中很難在課堂中直接利用倒立擺實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行演示。針對(duì)這個(gè)問題，本文利用MATLAB/GUI設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了直線二級(jí)倒立擺仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)可集成多個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，具有很強(qiáng)的可拓展性，并且能夠在界面中修改仿真參數(shù)并方便地調(diào)用仿真文件進(jìn)行仿真，可用于課堂教學(xué)演示。除此之外，該平臺(tái)還可作為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用。
1 選用MATLAB/GUI進(jìn)行開發(fā)的原因
之所以選用MATLAB/GUI進(jìn)行直線二級(jí)倒立擺仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)，原因如下：
（1）對(duì)于自動(dòng)控制等專業(yè)的人員，經(jīng)常使用MATLAB進(jìn)行仿真而缺乏軟件開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，利用MATLAB/GUI進(jìn)行界面開發(fā)更容易上手。
（2）MATLAB將所有GUI支持的用戶控件都集成在GUIDE（Graphical User Interface Development Environment）中，并向用戶提供一系列的用戶圖形界面工具，這些工具可大大簡(jiǎn)化GUI設(shè)計(jì)和生成的過程[3]。
（3）直線二級(jí)倒立擺仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要調(diào)用MATLAB的.mdl文件，MATLAB的GUI不脫離MATLAB的開發(fā)環(huán)境，調(diào)用自身的仿真文件更加方便。
（4）MATLAB的優(yōu)勢(shì)之一就是它的數(shù)據(jù)處理能力，直線二級(jí)倒立擺仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并畫出相應(yīng)圖形，如果選用VC來實(shí)現(xiàn)這些功能，困難很大，而選用MATLAB/GUI可能只需要簡(jiǎn)單的幾條語句。
2 直線二級(jí)倒立擺仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)
2.1 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)
本文針對(duì)五種算法：PID（Proportional Integral Differential）算法、LQR[4][9]（Linear Quadratic Regulator-LQR）算法、變量融合模糊控制算法[5]、BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和ANFIS[6][7][8]（Adaptive Neural Network-Based Fuzzy Interface System）算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，這四種方法是直線二級(jí)倒立擺常用的四種控制算法，分屬于經(jīng)典控制（PID），現(xiàn)代控制（LQR）以及智能控制，具有代表性，算法的仿真都已提前在MATLAB/Simulation中完成，不在本文介紹范圍之內(nèi)。
2.1.1 界面設(shè)計(jì)
仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過主界面調(diào)用不同的實(shí)驗(yàn)界面，其主控界面如圖1所示。
在界面中，有五個(gè)單選框，選中其中某個(gè)實(shí)驗(yàn)，單擊“進(jìn)入”即可進(jìn)入相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的界面，單擊“退出”則退出仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
變量融合模糊控制算法的界面如圖2，所示，其它實(shí)驗(yàn)界面與它類似，風(fēng)格一致。界面中主要包括仿真框圖、仿真曲線以及參數(shù)部分。
2.1.2 界面按鍵功能實(shí)現(xiàn)方法
以主界面中的“進(jìn)入”鍵為例。如果選擇“變量融合模糊控制算法”，回調(diào)函數(shù)為：
2.2 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)詳細(xì)設(shè)計(jì)
以仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的第三個(gè)實(shí)驗(yàn)為例。
2.2.1 主要功能
“變量融合模糊控制算法”仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)界面如圖3所示，它的主要功能包括：
（1）在axes1中顯示仿真框圖，該功能通過調(diào)用imread函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
（2）在編輯框中顯示各參數(shù)的默認(rèn)值，該功能通過set函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
（3）在界面中可以修改參數(shù)。
（4）單擊“開始”按鈕后，將界面中的參數(shù)傳遞給仿真文件。
（5）調(diào)用仿真文件進(jìn)行仿真。
（6）在axes2中顯示本次仿真的仿真曲線。
2.2.2 主要功能實(shí)現(xiàn)方法
上一小節(jié)中所描述的前3個(gè)功能是顯示時(shí)實(shí)現(xiàn)的，后3個(gè)功能需要通過“開始”按鈕的回調(diào)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，流程如圖4所示：
3 結(jié)束語
本文利用MATLAB/GUI設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了直線二級(jí)倒立擺的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)可集成多個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)并且可以根據(jù)需要，增加其它仿真實(shí)驗(yàn)，具有很強(qiáng)的可拓展性。通過該平臺(tái)，可以方便地修改仿真系統(tǒng)中的參數(shù)并進(jìn)行仿真。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的正確性和實(shí)用性，該平臺(tái)可方便的應(yīng)用于自動(dòng)控制理論教學(xué)中。
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