計算機模擬仿真技術(shù)

1、實驗7計算機模擬仿真技術(shù)7.1計算機模擬仿真技術(shù)計算機技術(shù)的高速發(fā)展，使人類社會進入了信息時代。教育作為社會發(fā)展的一個重要支柱，其現(xiàn)代化的實現(xiàn) 是必然趨勢。計算機多媒體教學(xué)近十年來在國際、國內(nèi)已經(jīng)有了很大的發(fā)展。計算機模擬實驗又稱計算機仿真實驗或計算機虛擬實驗，是近幾年在計算機多媒體教學(xué)中開辟的新領(lǐng)域。它 通過計算機把實驗設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容、教師指導(dǎo)和學(xué)生的操作有機地融合為一體，形成了一部活的、可操作的物理 實驗教科書和根據(jù)需要在瞬間建立的模擬實驗室。計算機模擬物理實驗的出現(xiàn)打破了教與學(xué)、理論與實驗、課內(nèi)與課外的界限，它更加強調(diào)實驗的設(shè)計思想和 實驗方法，更強調(diào)實驗者的主動學(xué)習(xí)；通過計算機模擬實驗

2、，學(xué)生對物理思想、方法、儀器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理的 理解，都可以達到訓(xùn)練實驗技能、學(xué)習(xí)物理知識的目的， 增強了學(xué)生對物理實驗的興趣，提高了物理實驗的水平。目前，模擬實驗已成為現(xiàn)代化物理實驗的重要手段。計算機模擬實驗系統(tǒng)運用了人工智能、控制理論和教師專家系統(tǒng)對物理實驗和物理儀器建立其內(nèi)在模型，用 計算機可操作的仿真方式，實現(xiàn)了物理實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)。計算機模擬實驗的系統(tǒng)設(shè)計如圖7-1-1所示。在主模塊下由系統(tǒng)簡介、實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗?nèi)容、數(shù)據(jù)處理、實驗思考題等六個模塊組成。每個模塊在主模塊后調(diào)用。圖7-1-1模擬實驗?zāi)K的設(shè)計圖7-1-2模擬實驗設(shè)計過程模擬實驗系統(tǒng)通過解剖教學(xué)過程，使用鍵盤和

3、鼠標(biāo)控制仿真儀器畫面動作，來模擬真實實驗儀器，完成各模 塊中相應(yīng)的內(nèi)容。在軟件設(shè)計上，把完成各模塊中的內(nèi)容看作是問題空間到目標(biāo)空間的一系列變化，從此變化中 找到一條達到目標(biāo)求解的途徑，從而完成仿真實驗過程。在此過程中，利用豐富教學(xué)經(jīng)驗編制而成的指導(dǎo)系統(tǒng)可 對學(xué)生進行啟發(fā)引導(dǎo)，系統(tǒng)可按照知識處理過程對模塊進行設(shè)計，其設(shè)計過程如圖7-1-2所示。系統(tǒng)給出需要求解的問題，即需要進行的操作。系統(tǒng)通過用戶接口給出相應(yīng)的圖像、文字和指導(dǎo)內(nèi)容，用戶 根據(jù)得到的信息進行判斷、輸入。輸入的信息由預(yù)處理部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)部命令，模型接收到指令后，在指導(dǎo)系統(tǒng)的 參與下，利用產(chǎn)生式的規(guī)則處理得到相應(yīng)的結(jié)果，并將結(jié)果傳輸?shù)綀D

4、像模擬部分，最終以圖像和文字的形式顯示 在計算機屏幕上。同時，指導(dǎo)系統(tǒng)根據(jù)得到的相應(yīng)結(jié)果，在計算機屏幕上顯示出指導(dǎo)信息，用戶通過軟件中指導(dǎo) 系統(tǒng)和模型算法的交替作用過程，完成仿真實驗內(nèi)容。計算機模擬實驗具體操作說明，參見計算機中的模擬仿真實驗軟件。計算機模擬仿真物理實驗（即物理虛擬實驗）簡介：在虛擬實驗室內(nèi)提供了力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和近代物理實驗的平臺。并提供有相應(yīng)的虛擬儀器，如示 波器、干涉儀、分光計、單擺、三線擺、伏特表、安培表、滑線變阻器等，學(xué)生可根據(jù)實驗要求完成各類虛擬實 驗，并在實驗報告環(huán)節(jié)完成實驗報告，提交服務(wù)器或教師批改。1實驗預(yù)習(xí)實驗預(yù)習(xí)包括有對實驗內(nèi)容、實驗方法、實驗儀器

5、的了解。在這個環(huán)節(jié)中，將實驗相關(guān)的內(nèi)容以文字、圖像、 動畫、課件等方式通過網(wǎng)頁發(fā)布，或提過給教師審閱；學(xué)生可以先在計算機上熟悉儀器設(shè)備，模擬操作和預(yù)習(xí)實 驗，并可通過交互方式提出問題并解答。為了檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況和效果，對學(xué)生的實驗方案設(shè)計和預(yù)習(xí)思考題 解答，教室和實驗室管理人員可通過網(wǎng)絡(luò)（或課前）進行收集整理、審閱，以決定學(xué)生是否可以進行實驗。為了具體實驗的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，首先進入模擬仿真實驗（ “虛擬實驗” ）項目，在其中選擇相應(yīng)的實驗單元項目， 進入實驗內(nèi)容列表，選擇具體實驗項目。在具體實驗頁面中，有以下內(nèi)容可供選擇：（1）實驗內(nèi)容預(yù)習(xí) 實驗?zāi)康?、原理、方法等；?）異步授課 實驗之前和實驗當(dāng)

6、中教師講解；（3）儀器介紹 實驗儀器設(shè)備介紹；（4）實驗要求 實驗的具體要求及注意事項；（ 5）預(yù)習(xí)檢查 檢查預(yù)習(xí)情況及效果，以確定是否允許進行實驗。2. 教師講授學(xué)生可以在現(xiàn)場或通過網(wǎng)絡(luò)以視頻的方式觀看教學(xué)水平較高的教師針對具體實驗進行的講解?？梢越?學(xué)互動，提出相應(yīng)的問題，提交系統(tǒng)或教師解答。3. 虛擬實驗選擇虛擬實驗功能項，即可進行虛擬實驗的操作等內(nèi)容。力學(xué)、熱學(xué)實驗：首先按照實驗要求，選擇實驗類型，確定實驗參數(shù)，然后“開始實驗” ，系統(tǒng)將根據(jù)所設(shè) 定的參數(shù)進行實驗，并記錄實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果。電測學(xué)實驗：首先要進行儀器擺放和調(diào)整，從儀器庫中選擇必要的實驗儀器；然后根據(jù)實驗要求，連接實驗 線路

7、，調(diào)整儀器狀態(tài)；最后開通電源，系統(tǒng)即進行實驗，并記錄實驗數(shù)據(jù)。光學(xué)和近代物理實驗：首先選擇實驗儀器，并將其放置在適當(dāng)?shù)奈恢?，調(diào)整實驗光路及線路，然后“開始實 驗”，觀察實驗現(xiàn)象，并記錄實驗數(shù)據(jù)。4. 實驗檢查主要目的是對學(xué)生的實驗效果進行檢查、檢驗。學(xué)生操作完成一個具體實驗后，輸入必要的數(shù)據(jù)，將學(xué)生的 實驗數(shù)據(jù)進行自動分析，并根據(jù)具體情況對學(xué)生的實驗提出具體的建議和指導(dǎo)。具體的操作方法是：進入實驗數(shù) 據(jù)檢查頁面，輸入實驗記錄數(shù)據(jù)，即可在線得到實驗結(jié)果的評價以及對實驗的建議。5. 實驗報告實驗報告是學(xué)生完成實驗測量后的分析和總結(jié)，是學(xué)生實驗素質(zhì)培養(yǎng)的一個重要環(huán)節(jié)。學(xué)生的實驗報告應(yīng)獨 立完成，可通

8、過網(wǎng)路（或當(dāng)面）提交給教師，類似傳統(tǒng)教學(xué)的環(huán)節(jié)，教師批改后，可將批改結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)（或當(dāng) 面）發(fā)還給學(xué)生。教師也可根據(jù)實際情況，在網(wǎng)上進行實驗講評。7.2 計算機數(shù)值模擬與數(shù)據(jù)處理實驗計算機數(shù)值模擬方法是從基本的物理定律出發(fā)，用離散化變量描述物理體系的狀態(tài)，然后利用電子計算機計 算這些離散變量在基本物理定律制約下的演變，從而體現(xiàn)物理過程的規(guī)律。計算機數(shù)據(jù)處理是應(yīng)用計算機強大的 計算能力，通過編寫一定的程序，處理實驗中得出的大量復(fù)雜數(shù)據(jù)，從而達到提高實驗效率與實驗精度。計算機數(shù)值模擬實驗是在計算機中進行的實驗，雖然它不能代替真實的物理實驗過程，但確實是一種極其重 要的實驗方法。它是通過大量“個例”

9、來研究特定的物理過程，能夠反復(fù)進行，而且能方便地控制和調(diào)整參數(shù)， 在理論研究和實驗之間搭起了一座“橋梁” 。數(shù)值模擬可以研究一些非常復(fù)雜的過程，而理論研究必須做出許多 簡化假設(shè)才能處理這些過程，簡化則意味著可能丟失許多重要的因素，這就使得數(shù)值模擬可以更全面地了解一個 物理過程，而且還可能發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象。另一方面，數(shù)值模擬也能夠為實現(xiàn)觀測方案提供理論的支持，對大型 實驗裝置進行評估，對實驗條件或?qū)嶒瀰?shù)進行優(yōu)化選擇，以避免造成極大的經(jīng)濟損失和人力浪費。隨著計算機 性能的高速發(fā)展，數(shù)值模擬在各門學(xué)科的研究中應(yīng)用將更加廣泛，起到越來越重要的作用。在實驗過程中，我們會得到大量的數(shù)據(jù)，如何找出這些數(shù)據(jù)

10、之間的聯(lián)系及繪制出相應(yīng)的函數(shù)圖形是我們在處 理實驗結(jié)果時經(jīng)常遇到的問題。傳統(tǒng)的方法中，一般采取手工計算數(shù)據(jù)及用坐標(biāo)繪圖。這種情況下，不僅耗費了 大量的人力資源，而且實驗結(jié)論的精度遠遠達不到要求，實驗效率極低。目前，計算機已大量普及，而且高級編 程語言也易于掌握。引入計算機編程進行實驗數(shù)據(jù)處理，一方面可以提高實驗效果，另一方面可以促使學(xué)生將所 學(xué)的計算機知識應(yīng)用到解決具體的物理問題中來，提高其綜合能力。一、實驗?zāi)康暮鸵螅?參考有關(guān)文獻資料，了解和掌握通過計算機編程和實驗的方法；2學(xué)習(xí)和掌握計算機數(shù)值模擬與計算及處理數(shù)據(jù)的基本方法和步驟。二、數(shù)值模擬的基本方法：1建立物理模型：導(dǎo)出適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方程；給出切合物理實際的初值條件和初始條件；2方程和初值、邊值條件的離散化：選擇合適的數(shù)值方法；將方程的初值、邊值條件化為網(wǎng)格點上的代 數(shù)方程；3選擇適當(dāng)?shù)拇鷶?shù)方程組求解方法； 4在計算機上實現(xiàn)數(shù)值求解：設(shè)計流程圖；編寫計算機程序；調(diào)試程序； 5計算結(jié)果的診斷。將數(shù)值模擬結(jié)果以一定的（如圖形）形式表達出來。數(shù)值模擬實例： （略）自行參考有關(guān)文獻，進行實踐。三、計算機數(shù)據(jù)處理基本方法1建立模型：分析