综合仿真实验

综合仿真实验（精选十篇）

综合仿真实验 篇1

内科护理学是临床护理专业课中的核心课程, 其教学质量的优劣对护理专业人才培养目标的实现有重要影响。传统的内科护理教学, 使护生在学习过程中普遍存在只注重局部, 而忽视整体、不能有效地把所学的知识系统地连贯起来, 缺乏理论联系实际、临床思维判断不够清晰、综合应用能力和临床实践能力欠缺等问题。这就需要对传统的教学方法和教学模式进行改革。因此, 我们改革传统的教学方法和教学模式, 进行内科护理仿真综合实验的构建研究, 并在我校护理系学生中实施、评价、完善、推广, 以提高护理教学质量和护生综合能力。

1 核心概念

综合性实验教学指实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关课程多个知识点的实验, 是对学生实验技能和实验方法进行综合训练的一种复合性实验, 是既体现专业特色又注意与实践应用接轨的实验教学方法。综合实验、模拟实验是近年来全球医学教育改革的重要内容[2]。建立综合模拟训练实验室, 发挥学生的创造性思维, 强调以学生教学活动为主体的教育理念已成为教学主流。培养既具有扎实护理基本技能, 又具备评判性思维能力和分析处理能力的学生是护理教育者应思考的问题。仿真综合实验是指模拟临床护理工作实际, 按医院护理工作流程编排实验内容和步骤的实验, 具有真实、生动、客观、针对性强等特点, 可使原本抽象、枯燥的理论变得生动和内涵丰富, 达到培养学生的知识、技能、执业态度、应急和管理能力等目标。2002年王瑾瑜[3]等率先开始在临床医学专业学生中开展综合实验, 课程教学质量和学生学习兴趣显著提高。2007年周瑾[4]等在护理学基础课程即将结束时设计开展了综合实验, 学生根据提供的病例, 查阅资料, 确定实验过程和处理方案, 设计情景并进行病情演变及处理的展示。教师只在关键处加以指导和启发。结果表明, 学生对开设该实验普遍持赞成态度, 并且大大提高了学生解决实际问题和综合应用能力。祝玉芳[5]等在护理学基础课程中开展综合实验的研究结果也显示综合实验教学能提高护生学习兴趣、发现问题和解决问题能力、创新能力、增强团队协作精神和沟通能力等综合素质。

2 初步构思

2.1 制订教学计划和教学大纲

在临床医院专家的指导下, 课程组教师讨论并制订符合高职高专的人才培养目标和护理专业特色的内科护理综合实验教学计划和教学大纲。在保持内科护理学总课时不变的情况下, 减少理论课时数, 具体办法是在每章节压缩出2~3学时, 加上原来的病例分析课时10学时, 基本能够完成。

2.2 确立教学目标和教学内容

仿真综合实验的开设将以“重专业、强能力、高素质”为教学目标, 以“岗位能力和综合素质的培养”为核心, 精选实验教学内容。从呼吸系统、循环系统、消化系统、内分泌系统、神经系统中各选1个具有代表性的疾病, 结合内科护理学教学重点、难点, 设计实验项目及内容, 并尽可能包含该系统常用的护理技能, 使学生在设立的临床情景中进行临床实践, 既能让学生熟悉内科相关科室的临床护理路径, 又能使其掌握常用的护理专业技能。

2.3 规范实验教学模式

借鉴国内外医学院校教学改革的成功经验, 结合自身的情况力求有所创新, 形成自己的特色, 通过设立病人患病的临床情景, 提出护理问题, 采用角色扮演法, 让学生参与临床护理实践, 感受病人的痛苦, 培养学生分析问题、解决问题的临床思维能力, 提高学生的综合实践能力。

2.4 改革实验教学方法

采用具有多样性、启发性、直观性和实体感等的多种教学形式, 提高学生的学习兴趣、动手能力, 激发学生的思维, 增强实验课效果。按以下3阶段进行, 既重视临床思维的训练, 又加强技能实践训练。

2.4.1 准备阶段

由教师根据教学大纲、学科特点及内科护理临床实践设计典型病例, 学生按实验分组, 查阅文献, 制造护理场景, 设计护理方案, 撰写方案报告。教师适时给予启发式引导。方案确定之后, 由师生共同讨论, 确定出最合理的可行方案。

2.4.2 实施阶段

学生根据设计方案, 模拟护理情景, 演示护理内容。教师的主要作用是解答学生各种问题, 引导学生独立思考, 并监控整个过程。

2.4.3 总结评价阶段

经过一段时间的模拟临床护理实战训练, 学生将所设计的内容演示给教师、学生, 由教师和学生根据考核标准对其训练内容进行评价。

2.5 编写实验指导教材

课程组教师讨论并编写符合护理专业特色的实验指导手册, 讨论并设计实验教学环节。在临床思维的训练环节中, 问题的设置要具有代表性、科学性、适度性。在临床技能的训练环节中, 操作的设置要具有实用性、先进性、可操作性。

2.6 构建考核评价标准

学生综合实践能力的考核应从多方面综合考查, 比如对待病人的态度、病情判断、护理诊断的提出、专科护理操作的实施、心理护理、健康教育效果、综合分析试题等各个方面, 应制订科学、合理的综合能力考核评价表。评价应不局限于教师, 要注重学生自我评价和小组互评, 结合实习医院、用人单位的评价, 进一步完善综合实验教学体系。

2.7 加强师资队伍建设

应加大“双师型”高素质教师的培养力度, 分批、多次安排教师到附属医院工作。对相关实验教师进行实验理论和方法培训, 必要时选派教师外出学习和培训。制订相应的激励及奖励制度, 完善医、教结合的管理机制, 聘请临床医院专家进行兼职带教, 进一步提升师资队伍水平。

2.8 建立综合实验室

整合优化各实验室资源, 采用计算机辅助实验室, 构建网络教学平台, 建立开放实验室。增加实验室的数量, 购置相应的设施和实验所需教学器材, 建立与临床医院环境基本一致的仿真综合实验室。

3 实施设计

根据现代护理教育教学目标的需要和内科护理学课程的特色, 综合护理专业学生的特点, 我们在内科护理教学中开设仿真综合实验课。

(1) 教师介绍综合实验课的教学目的、教学计划、教学方法。

(2) 在对每个章节的主要内容授课结束后, 教师根据事先设置的典型的综合病人情景, 让学生预先了解病人情景, 在综合实验课上由学生、教师一起扮演病人、医生和护士, 模拟医院护士上班情景开展护理工作。

(3) 引导学生进行充分讨论, 教师给予系统点评, 点评讨论情况, 进行全面总结, 帮助学生理清思路, 掌握重点。

(4) 对参与角色扮演的学生的表现, 如临床护理实践技能、与病人沟通交流能力、病人满意度等进行综合评价, 采取学生自评、小组互评、教师评价3个方面综合考评。

(5) 期末考核以平时实验课表现评价结果为主要依据, 结合小组讨论时学生的讨论情况, 对部分学生进行期末抽查考核, 选入抽查考核的学生的实验成绩综合平时实践课表现的评价和期末实践考核2部分, 进行全程评估。

内科护理仿真综合实验的设计与开展, 将单一的理论教学与操作训练、临床综合能力培养有机结合, 体现了观念创新和实验技术创新;以解决内科病人实际问题为主线, 完全按医院护理工作流程编排, 具有真实、生动、客观、针对性强等特点, 使得原本抽象、枯燥的理论变得生动和内涵丰富。通过综合实验教学, 达到了知识、技能、执业态度、应急和管理能力等多个教学目标, 实现教学与临床接轨。综合实验以学生的主动学习为中心, 充分发挥其想象力和创造力, 从不同角度, 不同方法, 找到解决问题的途径, 从而真正实现教、学一体化, 促进护生的学习兴趣和创新思维的发展。实验要求学生以原有知识、技能为基础, 广泛查阅资料, 自主设计实验过程, 并以小组合作的形式进行训练, 从而实现对学生自学能力、知识迁移能力、观察能力、动手操作能力、综合分析能力和解决实际问题的能力的综合演练, 培养学生的团队合作精神, 使学生学会正确认识自己和评价别人, 学会对他人的尊重、信任、理解和包容, 提高学生的社会适应能力和可持续发展能力。

摘要：内科护理学是护理专业的核心课程, 传统的实验教学已不能适应临床工作的需要。通过设计与构建内科护理仿真综合实验, 以实现教学与临床接轨, 提高学生的社会适应能力和可持续发展能力。

关键词：内科护理,综合实验,设计与构建

参考文献

[1]张晨峥, 汪晖, 胡清宇, 等.探索性实验对培养大学生创造能力的作用[J].中国高等医学教育, 2008, 6:11～12.

[2]Core Committee.Institute for International Medical Education Globalminimum essential requirements in medical education[J].Med Teach, 2002, 24 (2) :130～135.

[3]王瑾瑜, 徐海, 赵亚莉, 等.开设医学综合性实验初探[J].医学教育, 2002, 2:57～58.

[4]周瑾, 陈小萍, 陈三妹, 等.综合性设计实验在《护理学基础》教学中的应用[J].中华护理杂志, 2007, 42 (3) :262～263.

大物仿真实验实验报告 篇2

1９05 年，年仅２6 岁得爱因斯坦提出光量子假说,发表了在物理学发展史上具有里程碑意义得光电效应理论，１0 年后被具有非凡才能得物理学家密里根用光辉得实验证实了。两位物理大师之间微妙得默契配合推动了物理学得发展，她们都因光电效应等方面得杰出贡献分别于 19２1 年与１92３年获得诺贝尔物理学奖.光电效应实验及其光量子理论得解释在量子理论得确立与发展上,在揭示光得波粒二象性等方面都具有划时代得深远意义。利用光电效应制成得光电器件在科学技术中得到广泛得应用，并且至今还在不断开辟新得应用领域，具有广阔得应用前景。

二、实验目得 （1）了解光电效应基本规律，加深对光量子论得认识与理解；(2）了解光电管得结构与性能，并测定其基本特性曲线;(3）验证爱因斯坦光电效应方程,并测量普朗克常量.三、实验原理

当光照在物体上时,光得能量仅部分地以热得形式被物体吸收，而另一部分则转换为物体中某些电子得能量,使电子逸出物体表面,这种现象称为光电效应，逸出得电子称为光电子.在光电效应中,光显示出它得粒子性质,所以这种现象对认识光得本性,具有极其重要得意义.光电效应实验原理如图 1 所示。其中 S 为真空光电管,Ｋ为阴极，A 为阳极。当无光照射阴极时，由于阳极与阴极就是断路,所以检流计Ｇ中无电流流过,当用一波长比较短得单色光照射到阴极 K 上时,形成光电流，光电流随加速电位差 U变化得伏安特性曲线如图 2 所示.1、光电流与入射光强度得关系 光电流随加速电位差 U 得增加而增加,加速电位差增加到一定量值后,光电流达到饱与值，饱与电流与光强成正比，而与入射光得频率无关。当变成负值时，光电流迅速减小。实验指出，有一个遏止电位差存在，当电位差达到这个值时,光电流为零。

2、光电子得初动能与入射光频率之间得关系 光电子从阴极逸出时,具有初动能.在减速电压下,光电子在逆着电场力方向由 K 极向 A 极运动.当 时,光电子不再能达到 A 极，光电流为零.所以电子得初动能等于它克服电场力所作得功。即

（1）

根据爱因斯坦关于光得本性得假设,光就是一粒一粒运动着得粒子流,这些光粒子称为光子。每一光子得能量为,其中为普朗克常量,为光波得频率。所以不同频率得光波对应光子得能量不同。光电子吸收了光子得能量之后,一部分消耗于克服电子得逸出功 A,另一部分转换为电子动能。由能量守恒定律可知

（２)式（2）称为爱因斯坦光电效应方程.由此可见，光电子得初动能与入射光频率成线性关系,而与入射光得强度无关.３、光电效应有光电阈存在 实验指出,当光得频率时,不论用多强得光照射到物质都不会产生光电效应,根据式(2),，称为红限。

爱因斯坦，光电效应方程同时提供了测普朗克常量得一种方法：由式（1）

与(2)可得：

。当用不同频率（）得单色光分别做光源时，就有

任意联立其中两个方程就可得到

由此若测定了两个不同频率得单色光所对应得遏止电位差即可算出普朗克常量,也可由直线得斜率求出 h。

因此，用光电效应方法测量普朗克常量得关键在于获得单色光、测得光电管得伏安特性曲线与确定遏止电位差值。

实验中，单色光可由水银灯光源经过单色仪选择谱线产生。水银灯就是一种气体放电光源，点燃稳定后,在可见光区域内有几条波长相差较远得强谱线，如表 1 所示。单色仪得鼓轮读数与出射光得波长存在一一对应关系,由单色仪得定标曲线,即可查出出射单色光得波长(有关单色仪得结构与使用方法请参阅有关说明书),也可用水银灯（或白炽灯)与滤光片联合作用产生单色光.为了获得准确得遏止电位差值，本实验用得光电管应该具备下列条件：

（1）对所有可见光谱都比较灵敏；

（2）阳极包围阴极,这样当阳极为负电位时,大部分光电子仍能射到阳极;

(3)阳极没有光电效应,不会产生反向电流；

（4）暗电流很小。

但就是实际使用得真空型光电管并不完全满足以上条件。由于存在阳极光电效应所引起得反向电流与暗电流（即无光照射时得电流），所以测得得电流值,实际上包括上述两种电流与由阴极光电效应所产生得正向电流三个部分,所以伏安曲线并不与 U 轴相切。由于暗电流就是由阴极得热电子发射及光电管管壳漏电等原因产生，与阴极正向光电流相比，其值很小，且基本上随电位差Ｕ呈线性变化，因此可忽略其对遏止电位差得影响。阳极反向光电流虽然在实验中较显著，但它服从一定规律.据此，确定遏止电位差值，可采用以下两种方法：

(１)交点法：

光电管阳极用逸出功较大得材料制作,制作过程中尽量防止阴极材料蒸发,实验前对光电管阳极通电，减少其上溅射得阴极材料,实验中避免入射光直接照射到阳极上，这样可使它得反向电流大大减少,其伏安特性曲线与图２十分接近,因此曲线与 U 轴交点得电位差近似等于遏止电位差,此即交点法。

(2)拐点法:

光电管阳极反向光电流虽然较大,但在结构设计上，若就是反向光电流能较快地饱与,则伏安特性曲线在反向电流进入饱与段后有着明显得拐点，如图 3 所示，此拐点得电位差即为遏止电位差。

四、实验仪器及使用方法 1、实验仪器 光电管，光源(汞灯），滤波片组(5７7、0ｎm,546、１nm，４3５、8nm,404、7nｍ，３65nm 滤波片)，５0％、25%、１0％得滤光片，直流电源、检流计（或微电流计)、直流电压计等。

２、仪器得使用方法 (1)光源（汞灯)：

双击实验桌上光源小图标弹出光源得调节窗体，单击调节窗体得光源开关可以关闭或打开光源.光电管：

双击实验桌上光电管得小图标，弹出光电管得调节窗体；再单击调节窗体中得光电管会弹出调节光电管得方向键。←键：光电管水平向左移动,→键,光电管水平向右移动，↑键:光电管垂直方向增加高度，↓键:光电管垂直方向减小高度.双击调节窗体中光电管得背面(侧面中得背面）,即可弹出显示光电管背面信息得窗体，以便完成实验中得线路连接。

(3)滤波片组盒子：

双击实验桌上得滤波片组盒子,弹出滤波片组盒子得调节窗体.盒子中存放有（５77、0nm，5４6、1nm，435、8nm，４０4、7ｎm,365nm 滤波片以及 50％，２５%,１0％得滤光片)。

(4)电源及测试系统：

双击实验桌上得电源及测试系统,弹出电源及测试系统得调节窗体.单击电源开关可以打开或关闭电源；左击电流档，电流调小,右击电流档，电流调大;左击电压档，电压调小,右击电压档，电压调大;单击电源极性按钮可以改变电源输出极性.五、实验内容 1、接线电路图如图 4 所示。

在 577、０nm、５４6、１nｍ、43５、8ｎm、４04、7nｍ四种单色光下分别测出光电管得伏安特性曲线，并根据此曲线确定遏止电位差值，计算普朗克常量。

实验中光电流比较微弱,其值与光电管类型,单色光强弱等因素有关,因此应根据实际情况选用合适得测量仪器。例如,选用 GD-4、GD-５、或 1977 型光电管，选用得检流计得分度值应在 A/分度左右。如果要测量更微弱得电流可用微电流计,可测量 A 得电流。

由于光电管得内阻很高，光电流如此之微弱,因此测量中要注意抗外界电磁干扰。并避免光直接照射阳极与防止杂散光干扰。

作得关系曲线，用一元线性回归法计算光电管阴极材料得红限频率、逸出功及值，并与公认值比较.2、测定光电管得光电特性曲线，即饱与光电流与照射光强度得关系，实验室提供有透光率５0%，25％ ,1０%得滤光片,请用 5７7、0nm 波长为光源，在光电管、光源位置固定时,测光电管得正向伏安特性曲线，验证饱与电流与光强关系。

六、实验数据记录 1、２、

七、实验数据处理 １、在四种单色光下光电管得伏安特性曲线如图

得到普朗克常量为.得关系曲线如图

得到光电管阴极材料得红限频率； 逸出功;； 公认值，故相对误差为。

2、

光电管得光电特性曲线如图

综合仿真实验 篇3

关键词：轨道交通；综合调度；分散自律调度集中系统；实验教学仿真平台

摘要：随着计算机等技术在交通运输领域的应用，要求交通运输专业人才必须掌握综合调度的技术。为了方便学生实际操作，西南交通大学建设了数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台。它以分散自律调度集中系统为核心，由调度中心系统、车站仿真系统和网络传输系统三部分构成。并以教学平台框架结构为基础。将教学、科研与社会服务集成为一体，构建了数字化轨道交通列车调度员、助理调度员、综合维修调度员、车站值班员等综合调度指挥系统的仿真平台。实践表明，数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台分散自律调度集中系统方便了学生的现场实际演练，提高了学生动手能力，具有完善的教学、科研功能和良好的社会效益，对于培养交通运输创新型、工程型专业人才具有重要作用。

中图分类号：G642文献标志码：A文章编号：1009－4474(2009)02－0035－04

一、综合调度实验教学仿真平台建设的意义

综合调度是轨道交通日常管理和行车指挥的核心。但在日常生活中，运输生产过程由于受各种不确定因素的影响，列车运行及铁路运输生产活动经常偏离运输计划。为了使运输生产运行状态正常化，我们必须经常分析运输生产指标的完成情况，进行车流分布预测，并根据具体的运输工作条件，调整车辆分布及列车运行。通过制定日、班计划贯彻运输调整措施，预防或消除运输生产过程中可能或已经发生的一些问题，保证车流正常分布，运输设备使用经济合理，从而使铁路运输部门按时完成或超额完成运输生产任务。

由于综合调度在轨道交通中具有重要地位和作用，使得调度指挥专业技能成为交通运输专业特色人才实践动手能力的重要组成部分。因此，在竞争日益激烈的市场中，轨道交通企业需要高校培养具有调度指挥能力的人员，这就给交通运输专业特色人才培养提出了新的要求，即要求培养的特色人才能对综合调度各方面的内容及具体实施细节有全面、深刻的认识，而要实现这一目标，仅靠课堂教学是难以完成的。这是因为综合调度过程与生产实际联系紧密，只有通过日常调度指挥训练，才能增强学生对综合调度的认识，使学生掌握调度指挥的本领。然而，在现实中运输生产单位出于安全和作业效率的考虑，学生即使在现场实习也很难有机会参与调度指挥方面的实际操作。为了解决上述问题，我们认为构建数字化综合调度实验教学仿真平台将是一种较为理想的选择。因为，数字化综合调度实验教学仿真平台不仅成本较低，所占空间较小，更为重要的是可以方便地仿真综合调度的全部过程，能为学生提供一个实践综合调度指挥的场所；它不仅可以帮助学生理解和领悟综合调度的相关理论知识，还可以满足学生动手的需求，适应了交通运输专业特色人才培养的需要。

同时，随着信息技术的发展，计算机、网络、多媒体等技术在交通运输领域的应用也越来越广泛，它将逐渐改变传统的铁路运输生产模式。这就要求交通运输专业人才应适应科技的发展，熟练地掌握先进的科学技术，特别是在运输生产中处于核心地位的综合调度指挥系统的相关信息技术，在此基础上熟练操作调度指挥系统。而综合调度实验教学仿真平台的建设为学生掌握、应用这些信息化技术提供了有利条件。同时，也为交通运输专业实验教学条件的改善和教师科学研究提供了技术保障。

二、综合调度实验教学仿真平台的基本原理与框架结构

1实验教学仿真平台的基本原理

数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台是以国内外最先进的调度指挥系统——分散自律调度集中系统为核心，根据轨道交通调度指挥的基础理论，将轨道交通综合调度指挥系统模块化、数字化，并利用计算机技术、网络技术和多媒体等信息技术建立的。而车站设备、列车运行则采用虚拟仿真技术实现。综合调度实验教学平台主要集成了车站列车接发、调车作业、轨道交通综合调度指挥，其中包括行车调度指挥、综合维修调度指挥、车站作业统计分析等功能。通过综合调度实验教学仿真平台可以让学生参与对轨道运输的组织、协调与决策的模拟仿真实训。

综合调度实验教学仿真平台设置与铁路运输生产现场保持高度一致，以达到对现场运输生产的高质量模拟和仿真。该系统采用了先进的计算机通讯技术、网络通信技术和现代控制技术，利用智能化分散自律设计原则，将同一调度区段内、同一联锁控制范围内所有车站(车场、线路所)的信号、联锁、闭塞设备纳入控制范围，通过计算机网络完成调度计划和调度命令的下达，由车站自律机按照调度计划进行自律执行，并由相应的外围设备采集铁路沿线的各种实时信息，再传送到调度集中的中央服务器，实现了列车跟踪、监督报警、运行图自动绘制、列车编组信息管理、调车作业管理、综合维修管理、列／调车进路人工和计划自动选排、分散自律控制等功能。系统具有较高的智能性，能够自动生成调度计划并依据计划自动选择适当的进路，控制相应的联锁设备动作。它能在列车运行调整计划的基础上，自动解决列车作业与调车作业在时间与空间上的冲突，实现列车和调车作业的统一控制。

2实验教学仿真平台的框架结构

数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台由综合调度中心系统、车站仿真系统和网络传输系统三部分构成(见图1)。

(1)综合调度中心系统

综合调度中心系统主要由数据库服务器、调度集中服务器、通信前置服务器、大屏显示系统、行车调度员工作站、助理调度员工作站、综合维修工作站以及局域网等设备组成。其主要功能包括：①实时监控管辖范围内列车运行状态，制定、调整和下达列车阶段计划，查阅实际运行图，下达调度命令以及与相邻区段列车调度员交换信息；②编制、调整无人值守车站的调车作业计划以及领导调车工作，根据阶段计划和调度员的口头指令进行车站调车进路的排列；③具有直接遥控车站进路和其他信号设备的按钮操作界面；④掌握线路运营情况，仿真生产和运输指挥过程；⑤具有站场和运行图显示功能，辅助计划调度完成日班计划的生成和下达。

(2)车站仿真系统

车站仿真系统主要设备包括车站自律机、车务终端、综合维修终端、电务维护终端等。其中，车站自律机是分散自律调度集中的关键设备，其主要功能包括：①接收存储调度中心的列车运行计划、调车作业计划等，并自动按计划进行进路排列，驱动联锁系统执行；②接收调度中心和本地值班员(信号员)的直接控制操作指令，经检查确认无冲突后驱动联锁系统执行；③确认进路的完整性和信号的正确性，并能对不正常情况进行处理；④能对列车及调车作业进行跟踪；⑤接收邻站的实际和计划运行图，接收调度中心和本站值班员的人工干预，调整进路及内部处理流程；⑥能对列车车次进行跟踪显示处理，可形成本站的自动报点信息。车站仿真系统不仅在纵向上能与调度中心有信息的交互，而且在横向上能与相邻车站有信息的交互。

(3)网络传输系统

网络传输系统为综合调度中心与各调度台的信息交换、车站与车站的信息交换，以及调度中心与车站之间的信息交换提供通道。因此，在实验教学仿真平台中一般采用局域网来实现。

三、综合调度实验教学仿真平台的设置

根据数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台的基本原理和框架结构，实验教学仿真平台分为综合调度指挥中心和基层车站两级调度指挥层。调度指挥中心设置列车调度员仿真平台、助理调度员仿真平台、综合维修调度员仿真平台；车站仿真系统主要设置车站值班员仿真平台及车务终端等。

1列车调度员仿真平台

列车运行是运输生产活动的重要环节。列车调度员负责指挥一个区段内与列车运行有关的生产活动，对列车运行进行指挥调整是其主要的职能，助理调度员和综合维修调度员均受列车调度员指挥。学生通过列车调度员仿真平台可以监控列车运行状况，负责组织和完成列车在车站到开、会让、通过等行车作业；同时，让学生学会合理地使用车站正线、到发线、调车线，实现日班计划。在列车运行紊乱的情况下，学生可通过仿真平台调整列车运行计划，控制列车、调车进路，尽可能使晚点列车恢复正常运行秩序。另外，学生还可以通过仿真平台向助理调度员下达中间站列车摘挂计划，同时指挥综合维修调度员及时、正确地发布调度命令。

2助理调度员仿真平台

助理调度员在列车调度员的领导下，根据列车调度员下达的列车运行计划，随时监控管辖各站列车进路和调车进路的排列情况。必要时助理调度员可以直接操纵车站信号、联锁、闭塞设备。学生可通过助理调度员仿真平台组织指挥调度工作，并根据日班计划、列车编组、车站站存车、装卸车进度等信息，及时编制调车作业计划，然后确认、修改列车编组顺序表、车站站存车等信息，并及时向车站仿真系统传送调车作业计划和列车摘挂计划。

3综合维修调度员仿真平台

综合维修调度员在列车调度员的领导下，加强与施工调度员、电力调度员的联系，按照月度施工方案和“天窗修”计划，及时编写施工、检修等调度命令。学生通过综合维修调度员仿真平台可以根据需要编写并下达施工、检修等调度命令，同时协助助理调度员监控管辖各站列车进路和调车进路的排列情况；遇到需要人工排列的进路时，应与助理调度员执行“二人确认制度”。

4车站值班员仿真平台

车站接发列车的工作，一般由车站值班员统一指挥。在调度集中模式下，综合调度中心是调度指挥的核心，行车调度员仿真平台是指挥行车的主要平台，助理调度员通过助理调度员仿真平台、综合维修调度员通过综合维修调度员仿真平台接收相关命令，并辅助行车调度员完成相应的行车、调车作业。因此，学生通过车站值班员仿真平台可以监控列车的运行。

当调度集中设备出现故障、发生危及行车安全的情况或设备需要维修时，调度指挥脱离分散自律系统控制转为车站传统控制模式，综合调度中心不再办理列车在站的行车作业。此时，学生可通过车站值班员仿真平台办理列车在站到开、会让、通过等行车作业，学会正确合理地使用车站正线、到发线，实现列车运行计划。

四、综合调度实验教学仿真平台效果分析

数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台自建成以来，已经为我校2003级、2004级和2005级的交通运输专业本科生260余人开设了“铁路行车仿真实验”课程。课程围绕该平台开设了8个实验，包括：电气集中条件下的接发列车实验、微机联锁条件下的接发列车实验、CTC设备原理实验、列车运行调整实验、CTC情况下调车作业计划的编制、调度命令的编发实验、车站技术设备运用及作业流程实验和阶段计划编制实验。学生通过开展基于数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台的相关实验，不仅掌握了综合调度指挥的基本原理，熟悉了分散自律调度集中指挥系统，而且在实际操作的过程中大大提高了他们的实践动手能力，这对培养学生的创新能力起到了一定的作用。另外，在学生外出进行现场生产实习之前，我们就先利用实验教学仿真平台进行演练，也解决了学生在现场实习时只能观看不能动手的难题，为学生日后走上工作岗位打下了一个良好的基础。

我校数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台不仅为交通运输专业本科生提供实验课教学，还为我国大批铁路相关工作人员、客运专线运营调度人员提供了实训平台，发挥了其强大的社会服务功能。同时，数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台还具有科研功能，为交通运输专业的研究生和教师深入科学研究、进一步开发轨道交通综合调度指挥系统提供了良好的研究条件。因此，数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台已经成为集教学、科研和社会服务于一体的多用专业平台。

综合仿真实验 篇4

目前,实现电路分析与实物仿真软件很多,如Multisim、Proteus等[1,2,5,7]。这里主要是利用英国Labcenter公司开发的,可运行于Windows操作系统上的Proteus ISIS。

1 Proteus应用简介

Proteus软件可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路,其特点有:实现单片机仿真和SPICE电路仿真相结合,具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能,有各种虚拟仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等;支持主流单片机系统的仿真;提供软件调试功能;具有强大的原理图绘制功能。

在Windows界面下,单击开始,进入所有程序,选择Proteus7 Professional→ISIS 7 Professional,启动Proteus 7,界面如图1。

2 理论仿真实验综合教学

针对目前我国高等教育现状及理工科学生的情况,结合我校多位常年工作在教学第一线的老教师的教学经验及心得,在教学过程中,我们试探着将有些实践性较强、应用广泛的知识点,如单管放大、差分放大、编码器、译码器、计数器、555时基电路等电子技术重要知识点[3,4],通过课前布置设计实例,要求同学们课余时间通过软件仿真来实现实例要求的方式,让学生主动预习并尝试设计来熟悉知识点;再结合课堂上针对性的理论讲解并启发学生思维,达到举一反三;然后再进行实物实验,验证学生的设计思想。这样不仅让学生的主动性得到发挥,激发他们的学习兴趣,同时也让授课老师有针对性的理论指导教学,还能让实验设备的效能得到更大的利用。

3 教学实例演示及考核

上述实例化启示教学法在实行时分为三个步骤:1)给定一个简单实用的应用设计要求,让学生主动预习课程内容,尝试软件仿真模拟设计;2)通过对学生设计的典型电路,进行分析讲解,并讲授理论知识,指出设计过程中需要注意的事项及可以发挥想象的内容;3)实验环节中,学生利用实物搭建自己设计的电路,可以加入自己发挥的部分,验证自己的设计思想并检验对知识点的掌握程度。下面通过一个简单的例子说明该教学法的实行过程。

在讲授计数器之前,我们给学生简单介绍了计数器的基本概念,要求同学们课后预习该部分的内容,并尝试设计一个简单的七进制计数器。在随后的课堂教学中,我们进行了部分抽查,发现基本都能实现所需要的功能,但也存在错误,主要体现在对计数清零的方法不能理解,只是根据书本上的例子照猫画虎。针对学生的设计,我们指出了初始计数值的装入有两种方法:置数法和清零法。两种方法的主要区别在于:置数法在计数到时,在下一个计数脉冲到来时,直接将初始值装入并输出;而清零法在计数到时,在下一个计数脉冲到来时,还有一个短暂的无效状态,紧接着在下几个计数脉冲到来之前,装入初始零值,再接着继续计数。例如:设计一个8进制计数器,若采用清零法:从0000开始计数,当计数到0111后,当下一个计数脉冲到来时有一个短暂1000的状态,接着在下一个脉冲到来前清零,输出0000,接着继续进行计数;若采用置数法:从0000开始计数,当计数到0111后,当下一个计数脉冲到来时,就直接输出预先设置的初始值,这里是0000。两者的区别是:前者通过清零回到计数初始状态,而后者通过直接输出初始值,且从描述中可以看出,由于后者直接回到初始状态,所以速度更快。

此外,我们还引导学生思考并举例日常生活中七进制计数的应用,以及还用到哪些计数进制。很显然,学生很快都指出了星期是采用七进制计数,以及十进制、十二进制、二十四进制、三十进制、六十进制等等。进一步引导学生思考如何设计这些进制,以及如何将这些进制计数器组合在一起构成如万年历等。自始至终,同学们的兴趣都很浓厚。在随后的实验教学环节,我们设置了二十四进制计数器,同学们的设计效果都很不错,说明该教学法效果明显。

图2是学生在Proteus环境下,选用74LS160分别采用清零法和置数法设计的七进制计数器,计数初始值为000。采用清零法时,判断当计数状态为111时,将计数值清为零。由于异步复位瞬间完成,所以状态111不显示。采用置数法时,计数到110时,同时将初始值装入计数器。

在理论教学中,我们引导学生思考:如果计数初值不从000开始,该如何设计?对于计数初始值到集成计数器最大计数状态之间的状态数不超过需要设计的计数状态个数时,同学们基本都能完成。但是,若计数初始值到集成计数器最大计数状态之间的状态数小于需要设计的计数状态个数时,同学们设计时就普遍存在不知该如何处理的问题。这时,我们通过耐心的讲解计数状态转换图,学生们就很容易理解、学会并掌握判断处理这类情况。如:计数初值为0111,则考虑到74LS160是可预置的同步BCD码十进制计数器,可异步复位,因此采用置数法设计时,可计数状态依次为:

设计时关键需要注意的是状态0011到0111,当计数到0011时需要将0111装入。而此时按照前面的设计方式,只判断某些输出位为1则会造成错误。因为0011中Q1Q0位与0111相同,当计数到0111时便始终将0111装入,而无法继续进行计数。因此,还需要判断Q2是否为0,设计结果如图3。

最后,我们设置了一个二十四进制的计数器,要求同学们通过实验来验证自己的设计思想,实验结果很理想。

在课程考核成绩的评定方面,并不完全以卷面考试成绩为唯一考核方式,而是综合考虑学生平时的预习、仿真设计及实验结果进行评定。从而,避免了学生只为考试而学习的考前突击现象。

4 总结

结合多位教师的教学经验和心得,在教学过程中,试探着以学生预习并运用EDA软件进行模拟设计、教师在课堂理论教学的同时针对学生预习设计的结果有针对性的讲解、实验和实践验证设计相综合的教学方式,取得了很好的教学效果。最后,通过教学实例演示了该教学法的教学过程,并改进了以往的以期终考试为考核依据的单一考核模式,避免了一考定成绩的方式。

参考文献

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[4]阎石.数字电子技术基础[M].5版.北京:高等教育出版社,2005.

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[6]王开宇,唐祯安.数字电子技术的多方位立体教学体验[J].电气电子教学学报,2009(5):12-13.

物理仿真实验报告 篇5

良导体热导率的动态法测量

日期

年 月 日

姓名

学号

班级

学院

评分

教师签名

实验简介：

在测量热导率的实验中，最普遍采用的方法是稳态法，即在保持被测样品各点温度不随时间变化的情况下测量热流，然后求出热导率，这种方法实验条件要求严格不易测准．而动态法就将难于测准的热学量的测量转变为容易测准的长度测量，从而显著降低测量误差．

实验原理：

实验采用热波法测量铜、铝等良导体的热导率。简化问题，令热量沿一维传播，周边隔热,如图1所示。根据热传导定律，单位时间内流过某垂直于传播方向上面积A的热量，即热流为为截面积，文中TxptkATx(1)，其中K为待测材料的热导率，A是温度对坐标x的梯度,负号表示热量流动方向与温度变化

qtqtTx22方向相反．dt时间内通过面积A流入的热量dq=[()x()xdx]dtkAdxdt

若没有其他热量来源或损耗，据能量守恒定律，dt时间内流入面积A的热量等于温度升高需要的热量。dq=(cAdxTt)dt,其中C，ρ分别为材料的比热容与密度。所以任一时刻棒元热TtkTx22平衡方程为Cdxdx(2)由此可得热流方程

Tt=D

Tx22(3)其中D=

kC称为热扩散系数．式（3）的解将把各点的温度随时间的变化表示出来，具体形式取决于边界条件，若令热端的温度按简谐变化，即T=T0Tmsint(4)其中Tm是热端最高温度，为热端温度变化的角频率。另一端用冷水冷却，保持恒定低温，则式（3）的解也就是棒中各点的温度为2DT=T0xTmexsin(t2Dx)(5), 其中T0是直流成分，是线性成分的斜率，从式（5）中可以看出：

1)热端(x=0)处温度按简谐方式变化时，这种变化将以衰减波的形式在棒内向冷端传播，称为热波．

2)热波波速：V=2D(6)3)热波波长：22D(7)因此在热端温度变化的角频率已知的情况下，只要测出波速或波长就可以计算出 D．然后再由D=2kC2计算出材料的热导率K．本实验采用.式（6）可得V22kC则k=VC4fVC4T(8)其中，f、T分别为热端温度按简谐变化的频率和周期．实现上述测量的关键是：1)热量在样品中一维传播．2)热端温度按简谐变化．

实验仪器：实验仪器结构框图见图2(a)，该仪器包括样品单元，控制单元和记录单元三大部分．实际仪器由两种工作方式：手动和程控．他们都含样品单元和控制单元，不同的只是记录单元．前者用高精度x-y记录仪，后者用微机实现对整个系统的控制、数据的采集、记录和绘图，仪器主机由用绝热材料紧裹侧表面的园棒状样品（实验取铜和铝两种样品）、热电偶列阵（传感器）、实现边界条件的脉动热源及冷却装置组成。

实验操作：

1． 打开水源，从出水口观察流量，要求水流稳定。2． 打开电源开关，主机进入工作状态。3． “程控”工作方式。

实验数据：

铜样品：铜的比热C：385

K 密度：8.92×103 Kg/m3

铝样品：铝的比热C：906J/KgK 密度:2.702×103Kg/m3

思考题：

1．如果想知道某一时刻t时材料棒上的热波，即T~t曲线，将如何做？请画出大概形状。答：观察测量状态显示中的运行时间，到待测时间，恩下操作栏中的暂停键即可得到某时刻材料棒上的热波。

2．为什么较后面测量点的T~t曲线振幅越来越小？

综合仿真实验 篇6

关键词：物流仿真实验 实验教学 改革

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）002-167-02

《物流仿真实验》是一门理论性和实践性都很强的课程，是物流管理专业的专业基础课，是培养学生工程控制设计与应用能力、创新能力的一门必修课。笔者依据普通本科院校学生的特点，结合教学实践，就《物流仿真实验》实验课教学内容、方法等方面的改革作如下探讨，旨在提高实践教学效果，加强对学生实践能力和创新能力的培养。

1 实验教学内容的改革

传统的《物流仿真实验》实验教学内容的特点传统的实验教学内容一般包括基础性实验、设计性实验和综合应用性实验三个部分，有以下特点：(1)验证性质的基础性实验比重大，设计性和综合应用性实验偏少；(2)基础性实验偏重于理论知识验证，缺乏新颖性和趣味性，且与实际工作联系不紧密，而设计性和综合应用性实验由于要求学生在相对不多的学时内完成，难度较大，收不到应有的教学效果；(3)由于高校扩招，使得普通本科院校的生源质量逐年降低，学生的基础薄弱，接受能力不强，加之《物流仿真实验》理论教学的知识点多，每次实验结束，尤其是一些设计性实验，学生感觉不到有任何收获，产生厌学情绪。

实验教学内容的改革思路为了克服传统实验内容的不足，突出实验课在整个教学过程中的重要地位，必须重新审定实验课的内容。既要保证实验课能够为理论教学提供支撑作用，又要实现培养学生实际设计能力的目的，从而使学生的综合实践能力在实验过程中得到有效的锻炼。

实验教学内容的重新定位在重新确定实验内容时，必须考虑到两个方面：(1)《物流仿真实验》课的知识体系结构和技能训练目标；(2)学生的兴趣和实验效果。经过认真的研讨，选用Flexsim软件作为实验教学的主要工具，实验内容仍然包括基础性实验、设计性实验和综合应用性实验三个部分，且做到循序渐进。在实际操作中，选定了托盘数据绑定、仓库布局设计、交通流量控制、货物包装控制、货物分拣控制、货物合并控制、多通道数据采集、数据分析等8个项目，并将这些项目分成若干个子模块。在每次单元实验时，从中选取1~2个子模块作为学生的实验内容。这样，将一些有实际意义的研究项目融入到单元实验中，一方面有效地激发了学生的学习兴趣，另一方面也使学生的感性认识大大增强，实验更具针对性，实验效果良好。在实验内容的组织形式上采用阶段式结构，即将实验教学过程分为三个阶段：单元实验阶段、小型设计性实验阶段和大型综合性设计实验阶段。单元实验阶段以选取项目的子模块为主，实验任务单一；小型设计性实验穿插在若干个单元实验之后，要求学生采用单元电路模块组合的设计方法，实现具有一定控制功能的简单物流系统建模。例如，交通流量控制实验就必须考虑到仓库布局以及货物处理速率。实验时学生很容易将之前所学的相关内容通过组合、调整与改进，完成相应的实验任务。大型综合性设计实验也可以称为课程设计，一般为期一周，安排在实验教学的后期阶段，选题主要围绕上述8个项目的相关子模块，但系统构成相对复杂些，如生产线仿真应用。这一阶段的目标是培养学生的综合设计能力。

2 实验教学方法的改革

在传统的实验教学方法中，一般先由实验指导教师详细地讲解实验原理、方法及步骤，然后让学生按照实验教材所列步骤一步步去完成，而且有些教材甚至把实验需要的程序、实体分布图、接线方法、参数设置、程序输入方法等都一一列了出来，使学生不需要动脑，直接动手按步骤输入就可以完成实验，若实验中出现问题也是立即去找教师解决，很少主动思考，这样的实验效果可想而知。为此，笔者在实践教学过程中进行了如下改革。

安排实验预习内容学生做好实验预习是完成实验的第一步。每次实验前，布置好预习的内容，要求学生必须结合自己所学的理论知识，通过查阅有关资料，获得实验的第一手资料，做到实验目的明确，实验原理清楚。

布置实验任务实验时，不向学生提供具体的、详细的实验参数，只提出具体的实验要求，让学生通过自己的预习以及对实验要求的理解和分析，自行设计实验方案，独立设计实验结构。

合理地安排实验方式在实验的组织形式上，采取学生分组实验的方式，即单元实验一人使用一台电脑，两人为一组，可相互交流；小型设计性实验是两人共用一台电脑，两人合作设计；大型综合设计性实验为4人共用一台电脑，共同讨论设计。实验过程中难免出现一些问题，这时教师应尽量要求学生自行提出解决方法，教师则帮助分析这些方法的合理性，通过学生为主，教师为辅的实验教学方法，逐步培养学生的独立工作能力。

在课堂上，教师首先要做好演示实验，演示实验内容并不等同于学生实验内容，但与学生的实验又有一定的关联，切不可让学生可以照搬照抄。其次，应着重讲演示实验的设计思想、设计方法，操作示范要细致，让学生能够从教师的示范中获得启发。

综合仿真实验 篇7

Multisim软件是加拿大Interactive Image Technologies公司(图像交互技术公司,简称IIT公司)在1998年推出EwB5.0(Electronics Workbench,称为“虚拟电子实验室”)的基础上推出的一款更高版本的电路设计与仿真软件。它具有强大的仿真元件库、仿真仪器和仿真分析能力,设计过程中可以随意更换元件,且不必担心元件和仪表的损毁问题,使设计者拥有充分发挥的形象空间。下面以电子秒表为内容介绍其在数字电子技术实验中的应用。

一、电子秒表的设计与仿真

电子秒表主要由基本RS触发电路、单稳态触发电路、时钟发生电路及计数译码显示电路等单元电路组成,该实验能够充分锻炼学生的综合实验能力,提高其分析、解决实际问题的能力。

1. 基本RS触发电路

采用集成与非门构成基本R S触发器,属于低电平触发的触发器,有直接复位、置位功能。首先用Multisim9绘制该单元原理图(如图1所示)。

当开关B按下时,万用表XMM2显示高电平,XMM1显示低电平,开关B复位后两与非门状态保持不变,再按下开关A则XMM1变为高电平,XMM2变为低电平。开关A复位后两与非门状态保持不变。该电路在电子秒表中的职能是启动和停止秒表的工作。

2. 单稳态触发电路

图2为由集成与非门构成的微分型单稳态触发器,单稳态触发器的输入负触发脉冲信号由基本RS触发器中与非门U4A输出端提供,U4D输出负脉冲通过非门U6A加到计数器的清零端R,在做动态测试时可在输入端输入1KHz连续脉冲源,用示波器观察A、B、C点的波形(如图3所示)。

静态时,门U4D应处于截止状态,故电阻R必须小于门的关门电阻Roff。定时元件RC取值不同,输出脉冲宽度也不同。单稳态触发器在电子秒表中的职能是为计数器提供清零信号。

3. 时钟发生电路

图4是由555定时器构成的多谐振荡器,调节电位器RW,使在输出端3获得频率为50Hz的矩形波信号(如图5所示)。当U4B与非门为高电平时,门U5A开启,此时50Hz脉冲信号通过门5作为计数脉冲加于计数器的计数输入端。

4. 计数及译码显示电路

这部分电路由3片二—五—十进制加法计数器74LS90构成。低位74LS90接成五进制形式,对频率为50H z的时钟脉冲进行5分频,在输出端Q D取得周期为0.1S的矩形脉冲,作为中位计数器的时钟输入,低位可不接数码显示,为观测更多实验效果本次测试时也接上了译码显示。中位和高位计数器接成十进制形式,可显示0.1~9.9S计时。

完整电路图如图6所示。将各单元电路连接后整体调试。当按下开关B时,计数器开始计时,开关B复位后保持计时状态;当按下开关A时停止计时并且保留计数值,开关A复位后此状态不变;当再次按下开关B时则计数器清零后又从零开始计时。

二、结束语

通过对电子秒表的设计可见,运用Multisim9软件可以非常方便地在计算机上设计电路并进行仿真,学生通过改变电路参数,可以观察不同电路参数对电路性能的影响,与实际电路设计和实验相比大大节省了元器件资金的投入,Multisim9软件具有丰富的元件库和仪器库,可以充分发挥每个设计者的想象力和创造力,大胆进行设计尝试,不必担心元器件被损坏。实践证明,用Multisim9软件设计电子电路改变了传统的基于实物的设计方法,大大缩短了设计时间,节约了开发费用,提高了设计效率,是广大电路设计爱好者的得力助手。

参考文献

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[2]胡继专.基于Multisim9.0汽车尾灯控制系统的设计[J].苏州科技学院学报,2007,20(3):83～86

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[4]李晶骅,刘竹林.谈“数字电子技术”设计型实验中仿真软件的应用[J].十堰职业技术学院学报,2007,20(5):107～109

[5]梁喜龙.关于高等学校综合性、设计性实验教学的思考[J].高等理科教育,2007,5:125～127

[6]陈建设.简单易制的三位电子秒表[J].电子制作,2005,3:29～29

综合仿真实验 篇8

关键词：虚拟仿真,专业综合实验,材料成型与控制,实践

一、前言

随着人类社会的发展和科学技术的进步, 传统的单一专业的技术型人才已经不能满足社会发展的需要, 而需要具备材料成型加工工艺及模具、成型加工设备及自动控制等知识和能力的应用型综合人才。加快材料科学与工程教育的改革, 培养能够适应社会快速发展, 并能持久地为我国材料技术和经济发展服务的创造性人才已迫在眉睫[1,2]。实验教学是教学活动中的关键环节之一, 它不仅是对理论教学的验证、补充和拓展, 而且还是培养学生的创新能力、实践动手能力和发现并解决实际问题能力的重要途径, 已经越来越受到人们的关注。传统的材料成型与控制专业教学中实验教学和实践环节严重滞后, 为此西南石油大学材料科学与工程学院调整教学计划, 让学生基本完成了专业基础理论课程的学习和专业方向课程实验的基础上进行专业综合实验, 通过专业综合实验的开展, 加深了学生对材料成型与控制专业理论知识的理解与掌握, 更为重要的是可以使学生将已学的各门课程的知识联系起来, 并加以综合运用。

二、材料成型与控制专业综合实验的实施

根据专业培养目标要求, 我校材料成型与控制专业建立了符合工程教育规律的教学体系, 构建了材料成型各专业方向所需知识和技能平台实验教学体系, 即专业课程基础实验、专业综合实验、研究与创新实验三层次的实验教学体系。其中专业综合实验是将专业基础理论及实验方法有效地融合后开设的实验, 学生在开展综合实验过程中不再孤立地进行各专业模块操作, 而是将专业模块有机地结合起来, 使材料成型与控制工程专业的学生具备进行合成制备工艺的初步设计、工艺与性能关系、结构与性能关系的综合训练[3]。

三、虚拟仿真技术在材控专业综合实验中的应用

1. 虚拟仿真技术应用的目的。

随着近年来材料工业的不断发展, 材料成型及控制专业也已经远远超出传统热加工的范畴, 已经形成了一个从材料加工的基础理论知识开始, 进而对材料成型的形状控制、组织结构控制、性能控制和生产过程控制, 能够完成模具计算机设计及制造、材料成型计算机仿真与控制、新材料、新产品工艺的开发等的完整体系。材料成型与控制专业是一个连接材料科学与实际工业应用的桥梁。正是由于这种“桥梁”的特点, 要求该专业的学生特别注重理论和实践相结合, 能够在学习的过程中做到多动脑, 多动手, 细体会。在专业综合实验教学中, 由于材料成形过程是极其复杂的高温、动态和瞬时过程, 难以直接观察, 材料成型与控制专业的虚拟仿真实验可以开展高危、高成本、极端条件下的材料制备、分析及加工的虚拟仿真实验, 可以使学生直观明了地了解材料成形的全过程, 形象具体, 相似度高, 起到理论联系实践的学习效果引导学生兴趣, 这样就比单纯理论和实验研究做得更深刻、更全面、更细致, 甚至还可以进行一些理论和实验目前暂时还做不到的研究。

2. 虚拟仿真技术应用的条件。

在当今计算机技术的快速发展及大范围推广应用的条件下, 学生日常生活、学习、科研工作中越来越离不开计算机这个重要的工具。为了让学生能够更充分有效地利用计算机, 近年来, 西南石油大学材料科学与工程学院逐步开设了有限元理论和数值模拟类课程, 使学生理解虚拟仿真解决问题的基本思想, 购买了大型有限元软件DE-FORM、JSCAST和SYSWELD等软件, 形成了完善的教学体系, 取得了很好的教学效果。针对材料学科特点材料成型与控制专业开设了计算机相关教学内容:

(1) 计算机辅助工程。随着计算机技术及应用的迅速发展, 使计算机图形学、计算机辅助设计与计算机辅助制造等新技术得以十分迅猛地发展。计算机辅助工程可以包括工程和制造业信息化的所有方面, 对材料成型加工过程进行模拟, 能及早发现工艺及模具的设计缺陷, 并能对加工产品运行的可靠性进行模拟及评估。开设的计算机辅助工程的相关实验, 把CAD与CAE技术结合起来, 通过这些实验, 让学生亲身体会到计算机在工程实际中的应用, 学生可以完成相关材料成型工艺设计, 并通过有限元分析等手段校核设计结果, 并通过结果分析进而进行工艺及模具的优化设计。

(2) 材料加工过程的数值模拟。通过上机模拟实验, 学生利用掌握的有限元理论进行对材料加工过程进行相关物理场的分析计算。

液态金属充型过程的计算机模拟:液态成形过程的计算机模拟已由形状尺寸的宏观模拟进入微观模拟阶段。通过对液态金属凝固过程的建模与分析, 可以模拟得出凝固组织相形态、凝固过程中晶粒度的变化、凝固过程中微观缺陷的种类及出现的位置, 最终可以依据这些内容对铸造工艺进行优化设计。铸造仿真软件JSCAST可进行几乎所有的铸造工艺过程模拟, 包括:压铸、重力砂铸、金属型铸造、半固态铸造等。可以对铸件成形过程中流场、温度场进行模拟, 并能够预测铸造过程中的缺陷;从而对铸造过程中所涉及的工艺参数和工艺方案等做出评价和优化, 达到降低试生产次数、减少模具费用, 提高批量生产的产品品质和成品率, 最大可能地节省能源、降低成本。

塑性成形的计算机模拟:金属塑性加工的变形过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程。对金属塑性变形过程中金属流动特点、组织转变规律、缺陷的种类及产生部位的判断往往是依据工程师经验的积累, 因而一些复杂的产品的成型加工质量难以保证。随着金属塑性成形技术的日益发展, 人们意识到金属材料的塑性变形规律、模具与工件之间的摩擦现象、材料中温度的变化和微观组织的变化对产品质量都有很大影响, 人们对金属塑性成形过程中的变形规律、变形力学的分析越来越重视。塑性成形过程的计算机模拟是利用计算机技术上对金属塑性成形过程进行多物理场的分析, 并通过计算机图形系统将求解的各物理场结果进行演示, 如图1所示。用塑性加工过程模拟可以实现的功能很多, 例如揭示塑性加工过程, 建立变形、力学参数和温度等的函数关系, 制定最佳工艺过程及制度, 设计最佳设备结构和参数, 用于求解金属变形过程中各物理场的分布规律, 进行模具受力分析及寿命预测, 预测金属的成形缺陷类型及产生部位。

焊接过程的计算机模拟:焊接是两种或两种以上同种或异种材料通过原子或分子之间的结合和扩散连接成一体的工艺过程, 该过程是涉及传热传质及力学等的复杂过程, 实际生产过程的影响因素也非常多, 单纯进行理论分析很难准确地解决生产实际问题。通过焊接过程计算机模拟技术, 可以定量分析焊接过程中各因素对焊接质量的影响规律。通过焊接过程的计算机模拟可以分析焊接热传导、焊接熔池中的流体动力学、焊接电弧的传热传质过程、焊接变形和残余应力的预测分析等。焊接模拟软件SYSWELD完全实现了机械、热传导和金属冶金的耦合计算, 考虑晶相转变及同一时间晶相转变潜热和晶相组织对温度的影响。

四、效果

通过将虚拟仿真技术应用到专业综合实验中, 使学生对本专业的专业技能、加工设备及工艺等方面的情况有较为全面的了解, 能将课堂所学的理论知识付之实践中, 取得了良好的效果。

1. 综合素质得到提升。

不仅锻炼了学生的观察能力、分析能力、动手能力, 提高了综合应用知识的能力, 而且让学生领会了分工合作的团队精神和锻炼了协调处理技术问题和人际关系的能力, 使学生得到了真正意义上的综合锻炼。

2. 积极性和主动性得到加强。

综合实验增强了他们吃苦耐劳的精神、克服困难的勇气和对专业的兴趣和自信心。

3. 教学相长。

学生在实验中会遇到各种各样的问题, 有些问题需要教师深入思考来解决。因此, 这使得教学与实践更紧密地结合, 促进教师专业知识的提高。

五、结论

将虚拟仿真技术用于材料成型与控制专业的综合实验中, 可以很好地解决实验教学、科研项目方面的一些问题, 使材料成型与控制专业的学生在学习相关专业理论知识的基础上, 将工业生产实际与理论很好地结合起来, 使学生在综合应用基础理论知识、独立解决工程问题和提高自身创新等能力方面得到系统训练和提高, 通过近几年的教学实践证明, 实验教学特色、实验教学成果和效果、学生第二课堂活动等方面取得了丰硕的成果。利用计算机虚拟仿真技术为材料成型与控制专业实验教学服务是今后各个高校研究的重要课题。

参考文献

[1]贾俐俐, 孔凡新.材料成型及控制工程专业教学改革的探索与实践[J].南京工程学院学报:社会科学版, 2007, 4 (7) :50-55.

[2]黄贞益.材料成型及控制专业建设探讨[J].安徽工业大学学报:社会科学版, 2005, (1) :107-108.

网络虚拟实验室仿真实验平台的设计 篇9

所谓虚拟仪器, 就是在通用计算机平台上, 用户根据需求来定义和设计仪器的测试功能, 其实质是充分利用计算机的最新技术来实现和扩展传统仪器的功能[1]。虚拟仪器系统的构成有多种方式, 主要取决于系统所采用的硬件和接口方式, 其基本构成如图1所示[2]。

虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素。硬件的主要功能是获取真实世界中的被测信号, 可分为两类[3]:一类是满足一般科学研究与工程领域测试任务要求的虚拟仪器, 最简单的是基于PC总线的插卡式仪器, 也包括带GPIB接口和串行接口的仪器;另一类是用于高可靠性的关键任务, 如航空、航天、国防等应用的高端VXI仪器。

Lab VIEW是美国国家仪器公司 (NI) 的产品, 是一种基于图形编程语言的开发环境G语言, 主要用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域[6]。Lab VIEW是一个开放式的开发环境, 用户可以将其与任何测量硬件轻松连接。

虚拟实验就是指利用计算机技术与网络通讯技术, 以Web为实现平台, 将一系列软件和硬件有机结合起来, 通过鼠标的点击、拖动和键盘操作等, 按照实验要求和实验过程组装成一个完整的实验系统。

2. 网络虚拟实验系统

网络虚拟实验系统是基于网络的仿真现实中现场操作实验的计算机应用系统, 它实现的基础是计算机技术、网络技术与仪器技术的结合。网络虚拟实验系统降低了科研成本, 节省了研究经费并且提高了使用效率。它突破了传统教学模式受时间、地点的限制, 提高教学效率。

2.1 网络虚拟实验系统的体系结构

基于网络的虚拟实验室一般采用C/S (Client/Server) 结构式构建, 其主要分为两类———基于Internet的C/S结构以及基于Web的C/S结构。

针对虚拟实验室应用于高校教育上的特点, 我们采用了基于Web的分布式C/S结构。Web的C/S模式, 也即通常意义上的B/S (Browser/Server) 模式, 客户机上无需安装专门的客户端软件, 只要有标准的Web浏览器就可以实现对虚拟实验室的访问, 不过其缺点在于不适合大量数据的传输。由于将实验系统的主体部分集中到了服务器端, 对系统的维护以及实验项目的增加也只需在服务器端进行。这样不仅使系统的维护工作大大减轻, 而且当实验项目增加时, 只需要对服务器端进行更新, 使系统具有高扩展性和适应性[3]。

2.2 Remote Panels技术

从Lab VIEW 6.1开始, Lab VIEW集成了Remote Panels技术, 允许用户直接在客户端计算机上打开并操作位于服务器端计算机上的VI的前面板, 甚至可以将Lab VIEW VIs的前面板窗口嵌入到一个网页中并在网页中直接操作它, 这是一种软件操作界面共享方式。

Lab VIEW的Remote Panels不仅可以观看, 而且可以在Lab VIEW的环境中或浏览器上加以控制。这个强大的功能让开发人员可以轻松地创建远程应用程序, 使用户在周末的时候坐在家中的计算机前轻松地监控办公室、实验室甚至生产线上的各种情况。

2.3 远程访问原理

网络实验室仿真实验平台, 主要针对大学物理、数字电子, 模拟电子、电学、磁学、传感器原理等方面。学生利用网络登陆本仿真实验平台, 可以在线做理工类仿真实验。在网络仿真平台上, 学生自己动手设置实验参数, 运行在服务器端的平台仿真程序根据实验原理进行仿真, 并实时返回仿真结果。主要原理图如图2:

实验者可以通过浏览器观察模拟实验过程, 通过鼠标的点击以及拖曳动作来操作和控制虚拟的实验过程。在本文所介绍的过程控制虚拟实验室系统中, 学生通过浏览器就可以观察到参数的调节对控制过程产生的各种影响, 使得他们很方便的观察到不同的控制效果并很容易地掌握控制原理, 极大地提高了他们的学习兴趣和效率。本系统的开发为用户访问远程虚拟实验室提供了技术支持, 通过计算机网络把实验过程、方法, 以及实验结果迅速而直观的展示给远程用户。

下面以磁化曲线为例介绍仿真实验平台的设计。

3. 磁化曲线

3.1 基本原理

如果在由电流产生的磁场中放入铁磁物质, 则磁场将明显增强, 此时铁磁物质中的磁感应强度比没放入铁磁物质时电流产生的磁感应强度增大百倍, 甚至在千倍以上。铁磁物质内部的磁场强度H与磁感应强度B有如下的关系:B=μH

对于铁磁物质而言, 磁导率μ并非常数, 而是随的变化而变化的物理量, 即μ=f (H) , 为非线性函数。所以B与H也是非线性关系, 如图3所示:

铁磁材料的磁化过程为:其未被磁化时的状态称为去磁状态, 这时若在铁磁材料上加一由小到大变化的磁化场, 则铁磁材料内部的磁场强度H与磁感应强度B也随之变大。但当H增加到一定值 (Hs) 后, B几乎不再随着H的增加而增加, 说明磁化达到饱和, 如图3中的OS段曲线所示。从未磁化到饱和磁化的这段磁化曲线称为材料的起始磁化曲线。可以看出, 铁磁材料的B和H不是直线, 即铁磁材料的磁导率μ=B/H不是常数。

3.2 设计思想及实现

当U=0, 0.2, 0.4, 0.6...3.0 V时, 根据前面板中的电路图计算出Ux, Uy, H和B, 作出B-H曲线即磁化曲线, 如图4。

由磁化曲线的程序框图, 即图5可知, 本设计主要是由两个公式节点、各种运算控件, Build XY Graph控件和图形控件XY Graph组成。与Waveform Graph一样, XY Graph也是一次性完成波形显示刷新。不同的是, XY波形记录控件在波形显示的同时还反映测量点X、Y值的变化, 所以它的输入数据结构是由两组数据大包 (bundle) 构成的簇, 簇的每一对数据都对应一个显示数据点的X坐标和Y坐标[4]。

由数组控件得到一串数组U, 经过公式节点中运算处理后得到B的一串数组以及H的一串数组。经Build XY Graph捆绑后由XY Graph输出波形。

4. 基于Web的交互型虚拟实验室设计

4.1 Web服务器设置

发布一个站点基本上是将站点上的文件提制到一个目的地, 让其他人可以访问站点[5]。在发布站点之前, 应该测试站点的各项操作都能正常工作, 来确认站点已准备好发布。有一个好的方法可以确认您的站点已准备就绪, 那就是在Web浏览器上进行预览并且浏览站点, 检查所有文件的状态。这就需要通过配置IIS服务器来构建测试Web应用程序的环境。最后, 将测试成功的Web应用程序发布到Internet上[6]。

IIS默认的Web文件存放于系统根目录中的%system%%Inetpubwwroot中, 如果主页就放在这个目录下, 出于安全考虑, 微软建议用NTFS格式化使用IIS的驱动器。

4.2 主页及仿真实验页面设计

主页界面如下图6所示, 页面右下角是在线聊天程序。访问此张页面的人都可以进行相互地聊天, 教师也可以在线指导学生更好地完成实验以及在线答疑, 使网络虚拟实验室的交互性有了很大的提高。

在各个实验网页中也可加入另一些美化框图或程序来完善页面, 具体方法与设计网页一样。

教师要介绍虚拟实验室在网络部分的构建方法, 包括Web服务器和Lab VIEW服务器的设置, 以及VI的嵌套实现和网页设计。

5. 结语

本文设计主要分为两个部分:一部分是仿真平台的设计, 另一部分是通过Web的网页形式来调用此仿真平台。

虚拟实验室虽然能很大程度地辅助教学, 但并不代表可以代替真的实验室。若学生要有真实的控制仪器的经验, 便需要在真实的实验室里做实验。如果某项实验只是集中于设计、解决问题的过程, 而不是要求学生对仪器的亲自控制, 这时就可以利用虚拟实验室。

参考文献

[1]李莉玲, 方康玲, 周波.LabVIEW在远程虚拟平台中的应用[J].武汉科技大学学报, 2004, (7) :34-36.

[2]马宏斌, 杨波.虚拟实验室管理系统实现技术.信息技术报[J].2005, (2) :78-81.

[3]蒋英.对虚拟现实技术构建虚拟实验室的初浅认识.实验室科学[J].2006, (3) :67.

[4]吴晓男.高校虚拟实验室的构建[J].国外电子测量技术, 2006, (10) :23-25.

[5]袁太文, 罗世勇, 李迅波.Web分布式虚拟实验室的研究与实现[J].中国测试技术, 2005, (6) :34.

综合仿真实验 篇10

该软件主要是研究仿真技术如何改进物理及其他理科教学, 通过趣味互动帮助学生理解深涩难懂的概念以及蕴藏的数理关系, 提高学生学习的兴趣;研究如何使用仿真软件更加有效, 并听取各地师生的反馈不断改进。因此, 在同类软件中更具优势, 现以物理学科中的几个例子加以说明。

●气球和浮力

该仿真实验研究气体的性质、压强、体积和温度的关系, 在箱体中设置一个气球, 学生可以向箱体打气提高压强, 滑动箱体封盖减小压强, 推动挡板改变箱体体积以及给箱体加热, 察看各种参数的变化和气球的运动情况。

学生既可以仅控制一个变量, 也可以控制多个变量, 体会控制变量法的真实含义, 还可以变气球为氦气球、热气球等, 在趣味、轻松同时又能启发思考的环境下愉快地研究气体的性质。

●直流电路组装套件

电路是电磁学教学的难点, 直流电路是电路的基础, 学生学习的难点之一是书本上简化的电路图无法指导实际中的电路应用, 而Ph ET的直流电路组装套件中所有的仪器和元件都和实际非常接近, 在连接上也可随意摆放, 元件还可以在实际图形和图符之间转换。另外, 学生还可以改变各个元件的参数大小, 例如电阻的阻值大小、灯泡的电阻大小、电池的电压大小等, 灵活地组织各种电路, 仿真模拟现实中的各种情况, 即刻察看电路的运行, 通过仿真模拟实验, 学生接触实际电路时便很容易理解。

●交流发电机原理

该仿真实验充分考虑学生的认知规律, 由五个小实验组成, 分别是棒状磁铁、感应线圈、电磁铁、变压器和发电机。从磁铁、磁力线、磁场、运动切割磁力线产生感应电流, 到电流产生磁场等, 一步步帮助学生将知识融合, 综合运用到最后理解发电机的原理。

●波的形成演示

可直观地看到波如何在一根绳子上产生并传播。

以上实例是Ph ET网站上几个具有代表性的仿真实验, 文字难以描述其逼真性和互动性, 读者可从网站上下载运行体验其魅力。需要说明的是, 用户的计算机需要安装Java运行环境, 该软件可从http://www.java.com/zh_CN/网站上免费下载安装。