仿真实验在实践教学中的应用

张 瑶 刘树青 吴金娇

南京工程学院工业中心 江苏南京 211167

仿真实验在实践教学中的应用

张 瑶 刘树青 吴金娇

南京工程学院工业中心 江苏南京 211167

仿真实验是目前高校实践教学的重要环节和发展方向，它弥补了传统实践教学中存在的诸多问题，如教学仪器易损坏、不安全等。通过厦门创壹软件和 Matlab软件在实践教学中的应用表明，仿真实验在提高教学能力，丰富教学内容，降低风险等方面具有重要意义。

仿真实验；实践教学；教学

实验是帮助学生或科研人员理解知识，培养动手能力，设计能力和创新意识的重要手段，然而，传统实验无论在时间、空间都对学生实验有所限制［1，2］。同时，高校实验室还存在实验仪器昂贵，数量少，操作风险大等因素，使得实践教学质量难以得到保障。随着高校信息化建设的发展，仿真实验成了实践教学发展的一个重要方向，弥补了传统实践教学存在的不足。针对高校的各种课程，特别是工科课程，一些科研公司或科研人员，已经开发出了相应的仿真实验系统，例如Matlab，CAD，UG等，设计高度仿真的实验设备和工具等，学生可以像在真实的实验室中一样完成各种实验项目，同时可以做一些创新性的实验，达到“学习-研究”一体的教学效果。

仿真实验是将网络技术、计算机技术、软件技术和实验仪器结合起来，将传统实验以虚拟的形式展现出来。包括实验前相关知识的预习，实验过程指导，实验后自动批改和实验过程管理等［3，4］。

1 仿真实验在实践教学中的应用

南京工程学院工业中心围绕“学以致用”和“培养应用型人才”的目标，建立虚拟数控机床实验室，该实验室涵盖机械和电气方面的多种教学软件，如机械方面的UG， Solidworks，Proe等，电气方面的Protel99，Dxp等，还有创壹公司的创壹数控软件，数控原理软件等。学生可以利用这些软件设计各种机械模型和电路，学习多种数控机床的知识，对提升学生的动手能力，自主创新能力和就业方面具有非常重要的作用。下面以创壹公司的虚拟数控软件和Matlab软件为例，分别从预习、实践、理论三方面教学为例，阐述这些软件对教学带来的便利。

1.1 仿真实验在学生预习中应用

在传统的实验里，学生获得实验原理和步骤需要教材和实验指导书，若应用仿真实验系统，学生则在实验系统里即可获得，同时教师把实验的要求，习题等上传到系统，学生可以根据要求和问题，自己选择虚拟仿真仪器、零件、工具等先做一遍，将遇到的问题记下来，上传到系统，教师看到后给出解答。学生在完成预习报告时对整个实验重点就会基本的掌握，对做真实的实验起到非常重要的作用。在这个过程中学生会不断地发现问题，解决问题，这样学生就会产生成就感，从而将以往被动式学习变为主动式学习，充分发挥学生的主观能动性，激发学生的学习兴趣［5］。

1.2 仿真实验在实物教学中的应用

数控机床是集电气、机械、伺服控制等为一体的复杂工业设备，数控专业的教师需要从机械结构和控制系统两方面给学生讲授，数控仿真软件可以辅助教师将教学内容以三维互动形式展示给学生，让学生深刻的理解机床的构造［6］。如图1所示，车床刀盘可以任意角度拉伸、放大等。实验部分包括机床装拆、电气连接、故障诊断、编程、加工等，若让学生在机床上亲自完成这些实验，不但耗材损耗大，实验复杂，而且十分危险。应用创壹仿真软件，学生可以按照实验要求的步骤装拆机床，按照系统或教师给的电路原理图接线，进行机床故障排查等。学生可以按照所给电路图自己接线（如图2所示），图3是FANUC的故障排除，通过仿真操作，可以减少实际实验操作中出现的错误次数。通过现实的教学体验，仿真数控软件具有经济，安全及可分析性，是提高教学效果的有效途径。

图1 车床刀盘

图2 伺服接线图

图3 FANUC系统故障排查

1.3 仿真实验在理论教学中的应用

日常实验中的实验仪器，学生可以想象到，但如曲线信号一类的抽象事物，学生就很难想象，也不容易理解，必须借助软件进行演示和分析。下面以机械工程控制基础这门课为例，举例应用Matlab软件对控制系统进行分析［7-8］。

（1）频率响应分析

Matlab中建立M文件如下：

（2）稳定性分析

% K 的取值

图4 奈奎斯特图

图5 不同k值的阶跃响应曲线

从以上例子可以看出，Matlab软件能生成各种直观图形，而且可以灵活的改变参数，反复观察实验结果，从而加深对各类函数和信号的理解，提高学生理论分析能力。

2 结束语

在教学中应用仿真软件，打破了传统实验对学生在时空以及器材的限制，能满足不同知识层次学生的要求，为实际环境的实验做好准备。实践教学表明，仿真实验对激发学生学习的热情，培养学生分析问题和解决问题的能力，完善了教学模式，提高教学质量具有非常重要的意义。

［1］ 张智焕，张惠娣.机械工程控制的虚拟仿真实验教学实践［J］.实验技术与管理2014，7（31）：102-111.

［2］ 段中兴，稽启春.网上虚拟实验教学系统的开发与应用［J］.实验室技术与管理，2008，7（25）：84-87.

［3］ 文福安.虚拟实验教学系统的研究与应用［J］.中国教育信息化.2008（21）：37-39.

［4］ 李玲，王非.基于网络的虚拟现实技术在高校教学中的应用［J］.实验室科学与技术.2014，12（3）：37-46.

［5］ 罗朝明，吴祥营.虚拟实验在《信号与系统》教学中的应用［J］.电子技术.2014（1）：61-63.

［6］ 吴金娇，刘树青.虚拟数控机床在数控维修教学中的应用［J］.中国现代教育装备，2011（1）：75-77.

［7］ 张之敬.机械控制工程基础［M］.北京：北京理工大学出版社，2011.

［8］ 马向国.刘同娟.基于Matlab的自动控制原理虚拟实验仿真平台［J］.中国现代教育装备，2010（1）：45-47.

Application of Simulation Experiment in Practical Teaching

Zhang Yao， Liu Shuqing ，Wu Jinjiao
Nanjing institute of technology， industrial center， Nanjing， 211167， China

The simulation experiment is an important link and development direction of college practice teaching at present， which makes up for the deficiency of the traditional practice teaching， such as teaching instrument is easy to damage， not security etc. The practical application of one soft and Matlab indicates that simulation experiment has an important signifcance to improve the teaching ability， enrich the teaching content， and reduce risk.

simulation experiment； practical teaching； teaching

2015-03-23

张瑶，硕士，实验师。刘树青，博士，副教授。吴金娇，硕士，讲师。