计算机模拟教学改革中的问题研究

陈天凯

引言：随着高职院校的不断发展，职业教育规模不断扩大，教育水平不断提高。但由于经费投入、设备更新、场地限制和扩招等因素，许多高职院校仍存在设备资源紧张，学生操作技能练习不足等问题，极大地降低了学生的动手能力和就业竞争力。模拟技术的出现可以说为计算机教学的实施与信息化建设带来了革命性的变化及意义。

计算机模拟教学是近年来流行起来的一种新型的教学模式，它不仅要求学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体，而且要求教师要由知识的传授者、灌输者转变为学生的帮助者、促进者。这就要求教师应当在教学过程中采用全新的教学模式、教学方法和教学设计思想、着重强调要为学生提供模拟的仿真情景，为学生创设一种开放的、主动的、发现式的探索式的学习环境，发展学生的高级思维能力和问题的解决能力。

一、高职院校课程特点对模拟教学的需求

目前高职院校课程普遍具有概念多、专业术语多及体系复杂等特点，归纳为以下几个方而：

1、课程的内容多，课时少。教师几乎要利用全部时间来讲授新内容，没有多少时间重复和练习，传统的花费时间较多的交互式教学环节可能不适用学生对操作类课程的知识和技能的掌握。

2、教学内容枯燥，内容抽象，专业术语和概念多。从教学上来看，其内容显得抽象乏味。传统教学教师难以提炼出精彩的讲述内容，学生难以理解。

3、高职院校理工类课程大多具有实践性强，以传统的课堂教学形式难以理解。

4、绝大多数高职院校教学实验设备不完善，即使有部分设备，也难以达到较理想的实验效果。高职院校专业教学很有必要采取新的教育模式和教学方式，将计算机模拟与仿真技术用于工科课程的理论与实践教学中，解决工科专业课程中存在的诸多问题。

二、模拟技术引入计算机教学中的优势

模拟技术可以根据不同的需要应用于不同的地方，实现一机多用，同时节省了维护的费用。模拟技术给教学实验提供了一种有效的工具，不仅可以缓解当前实验设备和场地不足的问题，而且在模拟系统上的操作不影响实体机，可在一定程度上提高设备的安全性，减少实验室的管理难度，提高教学效率，既节约资源又降低了成本。

模拟教学，可以弥补网络实验教学过程中的许多不足：在无法接触实际物理设备的情况下，仍能开展教学和学习活动；模拟软件能模拟出尽可能齐全的网络设备和实验环境，而这恰恰是真实环境下由于资金和条件的限制不可能完全做到的；模拟仿真教学，设备不存在损坏问题，能反复进行实验操作，能有效地解决设备损耗问题；环境制约不大，学生可以把实验软件安装在自己的电脑上，得用课余时间进行实验，更好理解课堂教学内容；有益于学生自然地完成从理论到实践的过渡。

使用灵活，利于学生自主学习。不论实物仪器设备有多么笨重，采用仿真教学，都可以把它装在电脑里，可以装在笔记本电脑中随时带到任何一个地方，因此使用起来很灵活。并且，在学校安排学生实验或实训时，也很方便，教师上课演示也达到了前所未有的便利。

有些仿真软件是综合多个相关学科的功能与一身，一个软件可以适用于多个学科来使用，比如FLOTHERM软件采用先进的有限体积法求解器，可以在三维结构模型中全面分析电子系统的热辐射、热传导、热对流以及流体温度、流体压力、流体速度和运动矢量等。FLOTHERM软件可以应用在通信行业、计算机、半导体/集成电路/元器件、航空航天、国防电子、电力与能源、汽车电子、仪器仪表、消费电子。

提高学习效率。在使用仿真软件后，原先需要很长时间才能做好的事情，可以在短时间内高效的完成，比如电路图的连接，在实际操作中不论是用面包板插元件连接还是焊锡焊接，效率都不高，在电脑中，只需用鼠标轻点需要连接的对象即可，大大提高效率。而且在仪器仪表的使用上，仿真软件直观的获得测量的结果，而在实物试验中，要调整、校对、读数，占用大量时间。在一般的仿真软件中，会提供技术参数或文档生成功能，需要的一些文字材料可以直接生成，大大节约了文字输入的时间。

提高实验安全。高职院校的专业课程教学中，有时候需要进行破坏性实验或模拟故障实验，例如电子电器中的极限电压实验、电子制作完成后加电实验、电器故障模拟实验等。这些实验有些将破坏实习元件，有些具有安全隐患。这时候，我们采用计算机系统配合仿真软件进行演示实验和观察，无疑将带来很大的方便。

三、模拟教学设计中的技术应用

1、计算机动画模拟软件技术

计算机动画模拟软件主要是通过计算机以及专业软件辅助制作动画作品。使用计算机动画模拟软件与传统动画设计原理基本相同，主要是采用图形与图像的数字处理技术，再加上动画制作软件生成动态的静物画面，其中当前帧画面是对前一帧的部分修改。计算机动画模拟软件是由计算机专业人员开发的制作动画的工具，使用这一工具不需要用户编程，通过简单的交互操作就能实现计算记得各种动画功能不同的动画效果，取决不同的计算机动画软硬件的功能，虽然制作的复杂程度不同。现阶段常用的动画制作软件包括：Softimage3D，Alias/Wave front MAYA，3DStudio Max。其中Softimage 3D是一个综合运行于SGT工作站和Windows NT平台的高端三维动画制作系统；Alias/Wave front MAYA具有最先进的动画及数字效果技术，该软件不仅包括一般三维以及视觉效果制作的功能，而且还与最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染、运动匹配技术相结合。

2、碰撞检测与分类

所谓碰撞检测就是判断2个对象是否发生重叠，一般碰撞检测大致分二维（2D）碰撞与三维（3D）碰撞的检测。一开始的时候碰撞测试是运用在模拟和机器人技术上的。这些工业上的碰撞检测要求非常高，而碰撞以后的响应也是需要符合现实生活的，是需要符合人类常规认识的。目前二维碰撞算法比较成熟，种类也比较多，在游戏中，二维碰撞检测运用的比较多。而三维碰撞的算法目前还没有比较好的解决方案。

判断操作对象与目标对象是否发生重叠，常见的碰撞有以下几种：矩形碰撞、像素碰撞、坐标轴分离检测、圆形碰撞、线性碰撞等。其中矩形碰撞和圆形碰撞碰撞的检测效率是最高的，但是精度不高，误差很大，其他几种检测的精确度比较高。

总之，模拟技术不仅仅是一种新的教学方法，而且是一种将理论与实践相结合的新的教学手段，模拟教学是具有综合作用的教育手段，学生置身于仿真环境中，可以充分调动感觉，运动和思维，极大地提高了学习效率，可以肯定的说，模拟教学也是高职教学的一个发展方向，它最终会对高职教学实践产生重大深远的影响。

参考文献

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[2]许世传.浅谈计算机组装与维修课程教学改革.新课程（上）.2012年第1期.

[3]郑伟.基于B/S架构的《计算机组装与维护》课程虚拟实训平台的开发.2013年.

[4]李建军，吴志平.高校工科专业课程计算机模拟与仿真教学研究.中南林业科技大学学报（社会科学版），2008年7月.

（作者单位：黑龙江职业学院）