基于Matlab语言的测试技术仿真实验教学系统开发

2011-10-23王新华邵海燕宋方臻马玉真

中国现代教育装备 2011年11期

关键词：幅频特性实验教学测试

王新华邵海燕宋方臻马玉真

济南大学机械工程学院山东济南 250022

基于Matlab语言的测试技术仿真实验教学系统开发

王新华邵海燕宋方臻马玉真

济南大学机械工程学院山东济南 250022

针对普通高校研究生教学尤其是实验教学中存在的问题，提出了开发以自主学习为主的仿真实验教学系统的思路，并以机械类课程测试技术为例，对仿真系统进行了详细的介绍。

Matlab语言；仿真；实验教学；测试技术

Abstract: Facing the existent problems in graduate teaching especially experimental teaching for general universities, we put forward a new idea of developing a simulation experimental teaching system for self-study, and taking the measuring and testing technique, one of the mechanical courses for example, we introduced the simulation system in detail.

Key words: Matlab language; simulation; experiment teaching; measuring and testing technique

多年来，我国高校实验室一直延续着以验证性实验为主的教学方法，新技术很难反映到实验教学中。由于各项实验要求在规定的时间内完成，且实验仪器短缺，学生只能机械地模仿或简单地得到数据，很难保证实验的质量与水平。按照传统的教学思想，教师尽量地多讲解，多传授，学生只能被动地接受教师的思想，在实验中模仿教师的实验过程得到实验结果，使学生失去了主动思考的机会。即使顺利完成的实验，印象也不会很深。

其实,学生的创造潜力是很大的,在近几年的研究生教学实践中,我们尝试了从教师安排实验内容到学生自己根据需要完成实验的过渡,结果发现,学生的兴趣大大增强了,积极思考并动手操作,很好地弥补了理论学习的不足。

现代科学技术，如激光、遥感和计算机技术等，其实验方法和实验技术正迅速发展，这是任何一门理论课都不能包括的内容。如果目前我们仍延续以前的实验教学方式，这些新技术很难反映到实验教学中。为了适应开放性实验的需要，我们实验人员应积极主动地开发新的实验项目，使实验内容不断上档次、上水平，把新技术、新材料应用于实验教学之中，更好地适应现代化的教学环境。

1 当前大学教育的特点

大学教育是培养我国社会主义现代化建设高层次人才的重要渠道，肩负着振兴中华的伟大历史使命。自主学习应逐渐成为学生学习的主要途径，随着学生人数的增加，教学资源的优化成为比较突出的问题。

在教学方法上，应摆脱以教师讲课为主的课堂灌输，采用启发式、讨论式等多种教学方法，鼓励师生互动，在争论和反思中一起研究、共同探讨。还要避免教学途径单一化，实现网络教学、实践教学和自我学习的有机结合。

在教学过程中要求学生参与具体的过程，进行体验，教师不仅传授知识，还要引导学生进行科学探索，不是把现成的知识告诉学生，而是让学生尝试去发现科学知识的内在规律。因此，为学生提供良好的自主学习机会和环境十分必要。

2 建立仿真实验教学系统的必要性

实验教学是保证课程整体教学效果的重要环节。在素质教育中，实验室建设显得极为重要。针对我院学科建设的需要，结合学校加强实验室建设意图，我们提出了实验教学的教改构想。

测试技术实验室是机械学院教学实验基地，承担学院各专业多门课程的实验教学任务。该实验室实行面对本科生、研究生、教师全面开放运行模式，为课程实验、学生课外科技活动、教师科研提供了良好的实验和科研场所，深受师生和专家的肯定和好评，但是，随着教改和学科建设的深入，对实验条件和实验方式提出了越来越高的要求，由于经费限制，该实验室的建设已经滞后于教改和学科建设的步伐。

目前，普通高校实践环节的实验器材相当匮乏，学生普遍反映，课程缺乏实践环节，过于抽象。以我校机械学院开设的机械类课程测试技术为例，课程涉及许多信号的分析，现有的实验设备大多是对理论知识的验证和再现，且各仪器都有一定的局限性，这不仅影响到课程教学质量、学生的学习积极性，也有悖于实验与教学相结合以及实事求是的教学方针。

为了给学生提供一个良好的自主学习、研究性学习环境，我们开发了基于Matlab语言的计算机仿真实验教学系统，利用实验室现有资源，发挥计算机硬件、软件的优势，将课程中涉及的信号以及实验过程进行仿真，给学生建立直观、形象的认识，为学生自主学习打下基础。学生在由仿真实验到具体实验的过程中，可以反复分析、挖掘相关知识点，同时可以自主安排实验内容，不受课时和仪器的限制。

3 仿真实验教学系统的内容

Matlab语言是集数学计算、图形处理和程序语言设计于一体的著名数学软件，可实现交互式的动态系统仿真，可以处理线性、非线性、连续、离散、多变量、多级系统。利用该软件与实验室现有的硬件设备，开发完成仿真实验教学系统，包括：一阶系统、二阶系统幅频特性的测试；周期信号的波形及特征参数、幅频特性；非周期信号的波形及幅频特性；随机信号及相关函数；理想滤波器、实际滤波器的特性及相关滤波；信号的调制、电桥放大与解调；窗函数与截断；采样定理及数字化过程。

以下是几个典型的仿真实例，图1为一阶系统和二阶系统对阶跃信号的响应，通过2个信号的输出可以看出一阶系统与二阶系统的特性区别，从中可以看出二阶系统的不平稳性。

图1 一阶及二阶系统阶跃信号的响应

图2(a)(b)为低通滤波器和高通滤波器的幅频特性，从中可以看出2种滤波器对不同频率信号的响应特性，图3为方波信号通过低通滤波器的输出响应，由于滤波器的截止频率fc=1Hz，方波信号的周期T=2s，因此，输出信号只有单一频率的正弦信号。

图2 低通滤波器和高通滤波器的幅频特性

图3 方波信号通过低通滤波器的输出响应

图4(a)(b)为2个不同频率的正弦信号进行叠加与相乘的结果，可以看出低频正弦信号与高频正弦信号叠加与被调制后的结果有明显的不同。

图4 正弦信号与正弦信号的叠加和相乘结果比较

从以上实例可以看出，该仿真实验系统不仅适用于测试技术课程的教学，也适合于其他相关课程的应用，从而实现了多专业课程实验共享，大大提高了设计实验的效率，并且学生可根据自己的实际情况进行不同程度的设计实验，可满足学生自拟目标的设计实验要求。

4 结束语

该系统在机械类课程教学和实验教学中起到了非常重要的作用，以往抽象的信号变得非常直观，学生可以根据需要点击相应的信号，对信号的形式、波形变化、响应结果都可以直接查看,在没有硬件资源的前提下，也可以形象地分析、处理，操作灵活、方便，尤其在综合性实验中，学生可以通过本实验系统，事先了解测试技术实验的综合内容，然后根据自己的想法设计、安排实验，起到了很好的指导作用。

为有效利用现有教学资源，进一步挖掘学生学习的潜力，提高其学习的自主性和兴趣，学校应该加大资金投入，教师应该加大精力投入，使研究生教学更上一个台阶。

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Development of simulation experiment teaching system of measuring and testing technique based on Matlab language

Wang Xinhua, Shao Haiyan, Song Fangzhen, Ma Yuzhen
School of mechanical engineering, University of Jinan, Jinan, 250022, China

2011-01-14 稿件编号：1101059

王新华，本科，工程师。