时间：2022-10-19 14:30:34
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇计算机仿真论文，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
负控系统在电力网络中有两个重要的应用,首先是数据采集节点,通过部署在各个电力网络节点的负控终端来实时的采集电力负荷的运行数据,并且通过中继站上传到负控中心。由于中继站的成本较高,因此在中继站的部署过程中也要通过仿真分析来确定一个优化的部署方案。在中继站的部署过程中要考虑到本区域的电力负荷、地形等因素,以便能够更好的规划部署,消除盲区。在负控系统的规划阶段,可以使用现有的智能算法来确定最优化的方案,在本节剩下的部分中将会根据人工鱼群基本算法提出一个适用于负控系统规划的人工鱼群算法模型。在负控系统中,为了避免负控终端的资源浪费,规划的目标应该是使目标函数达到最大值,因此也就是使人工鱼群向食物浓度较大的方向移动。
1.1参数设定
根据负控系统的特性对参数进行设定,根据指定区域中预先估计的负控中心的规模、中继站的数量负控终端的数量,结合该区域中的用户数量和电力负荷来确定人工鱼群的规模,根据负控系统需要覆盖的区域的大小来确定鱼群的移动范围,根据中继站的覆盖范围和负控终端的覆盖范围来确定鱼群的视野,最后根据指定中继站所管理的负控终端数来确定迭代参数和密度参数。
1.2初始化人工鱼群
根据指定区域中的用电负荷和用户数来生成n个数,为每条人工鱼的初始位置，人工鱼的初始位置要根据指定区域中电力负荷来确定。
1.3执行算法
根据预先设定的参数,使用人工鱼群基本算法对人工鱼群的追尾行为、聚群行为进行模拟,人工鱼根据自己的所在区域中鱼群密度较大而且食物浓度较高的区域移动。如果无法确定移动方向,则根据自己当前位置的食物浓度选择一个比当前浓度高的方向进行移动或者随机移动一步。如果达到最大迭代次数,输出鱼群密度最高的区域,即得到最佳的部署位置。
1.4方案分析
根据算法执行结果来设定负控终端和中继站的部署方案,根据地形等因素适当的进行调整。最后根据指定区域的实际用电数据对方案进行仿真测试,根据测试结果在进行方案的优化和修改。人工鱼群的基本算法提出后,学术界根据不同的需求对该算法模型进行了大量的优化,并且在电力系统中有很多的应用研究,例如齐志华将人工鱼群算法应用于电力控制系统,吴杰对人工鱼群算法在输电网络规划中的应用进行了分析。
2结语
1．1梯形图指令解释实现
在特殊指令解释时，需要将起始和终止共两次的扫描状态进行对比，来最大限度地保证其正确性。具体操作时可选用两个虚拟内存条，并引入“备用堆栈”和“备用结果寄存器”来保存起始扫描的计算结果，以及“堆栈”和“结果寄存器”来保存结束扫描的算结果，以下进行具体说明:(1)常开(及常闭)触点的实现流程。取出触点内存地址将结果寄存器中的现有数据放入堆栈将地址值(常闭触点则取反)放入结果寄存器;(2)线圈作用的实现。将结果寄存器中的值输出至分别起输出、辅助、保持作用的“继电器”内存地址中。
1．2梯形图程序运行实现
仿真系统通过梯形图程序的运行并根据其转化后的指令语句，即可实现对真实PLC控制系统的模拟。各输入点的状态被依次扫描，并由系统软件中用户编制的程序进行逻辑解算进一步转化成指令进行执行，指令的执行结果可以被后续待扫描的指令所利用，然后依次对应向各输出点发出控制信号。梯形图程序运行的流程为:在梯形图编辑器中，用户点击“运行”按钮触发系统定时器系统初始化内存地址(常开触点置零，常闭触点的定时器及计数器清空)逐一扫描各元器件并同时进行其指令解释直至该条指令结束自动进入下一条指令的扫描直至用户点击“停止”按钮。
2电路搭建部分仿真实现
在仿真系统中，本文通过在软件中设置元素来模拟元器件，这里以设置通用继电器的模拟元件为例来进行分析。在元器件编辑器中，用户可以在两个菜单中分别选择元器件(如继电器、开关按钮、接触器、熔断器、电磁阀、限位开关、电铃、传感器以及声光指示装置)以及对应的元器件元素(如线圈、接线柱、触头、连接线以及保险丝等)。在通用继电器设计初始，用户须通过定义边框确定元器件大小，然后设置线圈及接线柱并用连接线连接，并设置一动一静两个触头以及若干开关，设置完成后即可点击生成一个通用继电器。在对电路进行仿真之前，还需要对电子元器件进行解释，这里仍以通用继电器为例来说明解释的原理和过程，由于电路解释时需要即时刷新，这会导致电路中元件的动作之间产生相互影响，本文这里引入“树”的概念来解释电路，通过将电路中的元器件作为单个节点加入到“树”中，用户在设置时，可首先新建“树”，接着清空“树节点(元器件)”的状态，然后对各节点进行循环检查，当发现控制电路不通时停止循环，最后遍历节点并给出各元器件输出值。
3应用实例分析
3．1实例情况说明
基于以上论述，本文这里选择水塔水位控制系统作为仿真实例，对仿真系统的建立过程进行说明，并通过在仿真环境中进行测试来论证仿真系统的实用性。水塔水位控制系统是通过PLC自动控制来实现水塔自动进、出水，系统中主要的元器件包括液面传感器、电磁阀、PLC控制器以及电动机。图4所示为水塔水位自动控制系统示意图，其动作流程为:当水池水位低于水池低水界时，液面传感器使S3开关接合(ON)，YV电磁阀门打开，水池开始蓄水。水位高于低水位界时，S3开关断开(OFF)。当水位升高到高于水池高水位界时，液面传感器使开关S4开关接合(ON)，YV阀门关闭，水池停止蓄水。水塔水位低于水塔低水位界，液面传感器使S2开关接合(ON)，若此时S3为断开状态，则电动机M运转，驱动水泵抽水。水塔水位上升到高于水塔高水界时，液面传感器使S1开关接合(ON)，电动机M停转，水泵停止工作。
3．2系统仿真实现
从以上分析可见该控制系统的工作原理，可以看出系统可通过相关元器件实现水塔和水池上、下限水位调节和水塔放水等功能。基于此，本以下仿真设计:
(1)将实例控制系统的PLC程序设计并下载到仿真电路设计的PLC中。
(2)以实时水位、水位上限及水位下限作为变量，根据上节所述的系统工作原理对应编制液位上升和下降函数，以模拟真实的水池和水塔液位变化。
(3)在仿真系统中设置6个可供用户自行定义和更改的控制单位，并将它们分别与水塔和水池的高、低液位传感器以及电动机和电磁阀的开关共6个元器件相对应。在仿真系统的对话框中，首先设置水塔和水池的水位标识，可分别用“L”、“M”、“H”对应表示实时水位“低于低液位传感器”、“高于低液位且低于高液位的传感器”、“高于高液位传感器”的三种状态，在另外一个对话框中，用户可在输入框中点击选择已经在电路编辑器中编辑好的输入、输出量与真实控制系统中的6个实际元器件相对应。在完成所有的设置之后，既可以运行仿真系统并通过观察模拟结果判断PLC的程序正确与否以及电路是否搭建正确。经过观察，在仿真系统运行期间各环节控制动作正确，基本能够实现水池水塔自动控制系统的实际功能。
4结语
摘要：在研究生的计算机仿真技术课程教学中，针对机械工程类研究生的专业方向、课程体系的设置以及工科研究生自身特点，为培养研究生的自主学习能力、创新能力以及增强其工程应用意识，通过在计算机仿真技术课程教学的经验积累，逐步探索出以项目驱动为主要教学方法，通过实践应用，取得良好的教学效果。
关键词：项目教学法；计算机仿真；创新；实践
中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）24-0144-02
一、前言
研究生教学有其突出的特点，他们中多数人理论基础扎实，获取书本知识能力强。但同时也存在创新意识和创新能力不足、工程应用背景不够的缺点。本人通过十多年研究生教学的实践，结合本学院研究生专业方向、课程内容针对性强等特点，对如何在研究生教学改革中突出培养学生的自学能力、创新能力，增强学生的创新意识与工程应用能力等问题进行了一些改革创新。
二、课程定位及课程特点
随着现代工业的发展，科学研究的深入与计算机软、硬件的发展，计算机仿真技术已成为分析、综合各类系统，特别是大系统的一种有效研究方法和有力的研究工具，计算机仿真技术已经广泛应用在各技术领域、各学科内容和各工程部门。仿真技术已经在国防军事、国民经济、社会生活的众多领域发挥了重要的作用，国内外众多学者认为，仿真技术“正在成为与理论、实验并列的第三种认识和改造客观世界以及科学研究的手段”，因此仿真技术
被认为是“使能”技术。计算机仿真技术是仿真科学与技术涉及到的有关具体仿真技术中最为基础的部分，具有综合性、多学科交叉等特点。
为了拓宽机械工程专业基础，提高培养对象的整体素质，更好地适应社会对机械工程专业人才的需求，高校工科专业的研究生应掌握一定的计算机仿真知识与技能。计算机仿真技术课程是我校机械工程学院面向所有研究生各专业方向的研究生开设的一门专业基础课程，考虑专业应用需求并结合教学实践情况，课程目的是通过本课程的学习，要求学生掌握计算机仿真技术方面的基本理论，基本知识和基本技能，培养学生分析问题和解决问题的能力，为今后分析、综合各类工程系统或非工程系统提供一种有力的工具，以便能灵活应用所学的计算机仿真技术为本专业工作服务。
一方面，基于仿真技术课程的内容方法较多，实践性强的特点；另一方面，授课对象专业方向较多、授课学时有限等特点，如何解决在有限的教学课时内讲授内容繁多的仿真内容、对计算机仿真技术课程进行教学方法和手段的改革探索和实践，以达到计算机仿真技术教学目标。
三、教学内容的设置和教学方法的选择
课程开设初期，由于只是机械电子工程专业方向的同学选修，所以所讲内容基本针对该专业方向进行设置。随着选修人数的不断增加，以及选修学生所属专业方向的扩大，专业方向包括：机械制造及其自动化、机械电子工程、机械设计及理论、车辆工程、机械工程（专业学位）等，基本涵盖了机械工程学院的所有专业方向。
计算机仿真技术课程涉及多个交叉学科，紧密相关的课程包括数值计算方法、计算机编程、计算机图形学、高等数学、自动控制原理、现代控制理论、优化设计等课程。如何讲出本课程的特点，并充分结合相关课程内容，必须在教学内容的选排上下功夫。
项目教学法是一种以任务驱动、以项目为基本教学单元，将理论教学和实践教学有机融合在一起，强调综合能力的培养在研究生教育中的重要性，突出学生在整个教学过程中的主体地位。因此，为了满足各个专业方向学生的要求，使他们能够掌握一门工程分析技术，为后续的学术论文和硕士学位论文的撰写提供计算、分析和仿真手段，本人在讲授该门课程的过程中，逐年对教学内容、教学手段和教学考核方法等不断进行调整和完善。
1.采取项目专题方式进行教学内容的讲授，调整授课内容，采用专题教学方法使课程主题内容分明，有利于将仿真方法讲深、讲透。
2.扩展所授课程内容涵盖的范围，包括数值计算、优化设计、图形可视化、控制系统特性仿真、控制系统设计以及与外部软件的接口等内容，以满足各专业方向学生的需求。
3.增加与课程相结合的实验教学内容。计算机仿真技术本来是实践性很强的综合性技术，仿真技术本身是在对控制系统分析的过程中不断完善和发展起来的。因此并结合各个专业研究生的不同研究方向，灵活设计若干个专题实验，使学生学以致用，培养学生将该门课程应用于实际工程的能力。
4.采用多个工程应用实例进行教学，从系统应用、数学建模、仿真建模、模型求解以及特性分析等，使学生从生产实际认知的研究对象，提升到理论高度的学习，应用所学的各科理论知识和技术手段，进行数学建模、仿真建模的建立，并对模型求解以及特性进行分析，获得直观结果，提高学生学习兴趣，最终解决实际工程问题，培养学生解决工程实例问题的能力。
5.结合学科前沿，进行课堂讨论。研究生在初步掌握了对系统的模型、仿真算法设计、仿真及结果分析这一流程后，为强化计算机仿真在实际工程的应用概念，在此基础上，以项目形式，开展课程学科前沿以及⒏妹趴纬逃胂执技术融合等专题讨论。
6.增加实验环节，培养研究生工程实际应用能力。利用各种平台，扩充计算机仿真技术资料，提供最新的仿真案例，结合教学团队的科研课题，设计实验项目，培养研究生工程实际应用能力。
四、项目教学法的教学效果
基于项目教学法计算机仿真技术课程的教学方法改革与实践，满足机械工程学院各个专业方向研究生的需求，教学方法和手段的完善，使研究生自主学习能力、创新能力和工程应用能力等得到了进一步的提高。
计算机仿真技术作为工科研究生的必备研究手段和技术，使学生掌握一门工程分析技术，为后续的课题研究、学术论文和学位论文的撰写提供计算、分析和仿真手段。
近五年的每年30―40人研究生选课，工程硕士每年20人左右选课，课程得到了各专业方向研究生的普遍认同。本人指导的研究生，发表与该课程相关的学术论文近20篇，撰写的硕士论文均用到计算机仿真技术。
论文导读：计算机仿真软件在实践中的应用，使电路设计人员能够在电路设计阶段对所设计的电路电气特性进行分析、判断、校验，从而大大减轻物理实验验证阶段的工作量，是电子专业设计工作者提高工作效率的有效方法。本文利用protel99软件,利用通用电子元件,对该电路参数赋值,仿真研究单管放大电路的工作过程。(1)从静态工作点的分析可以看出计算机计算的放大电路的静态工作点与估算法算得的静态工作点的数值有一定的差别，但从两者算得得结果可以得到相同的结论，即图1所示的放大电路中的三极管工作在放大区。
关键词：protel，三极管，计算机仿真
0.引言
计算机仿真软件在实践中的应用，使电路设计人员能够在电路设计阶段对所设计的电路电气特性进行分析、判断、校验，从而大大减轻物理实验验证阶段的工作量，是电子专业设计工作者提高工作效率的有效方法。
Protel 99内置了功能强大的SPICE 3f5电路仿真软件，能提供连续的模拟信号和数字信号仿真。该软件运行于Protel的EDA/Client进程环境下，与ProtelAdvanced Schematic原理图设计程序协同工作，为用户提供一个完整的从设计到仿真验证的设计环境【1】。
单管放大电路是模拟电路设计中最基础的电路。本文利用protel99软件,利用通用电子元件,对该电路参数赋值,仿真研究单管放大电路的工作过程。理论分析了单管放大电路的静态与动态参数,研究基于protel99软件仿真该电路的方法，并得到相关结论。
1.单管放大电路的理论计算
单管放大电路图如图1所示， 其中信号源的幅值为,频率为，则由估算法【2】可得:
摘 要
随着我国经济的快速发展，教研改革的不断深化，形象生动的教学方法有必要应用到实际教学活动中。而焊接熔滴过的形式，一般都要通过高速摄影方法对熔滴的过渡情况进行摄制，播放以后才能知道具体的熔滴过渡形式，所需的设备昂贵，摄制工艺相当的复杂并难以做到。通过对本课题的研究，不但可以有利于教学改革，提高学生的学习兴趣，而且还不需要昂贵的设备，降低成本。
本课题通过查阅资料，根据熔滴过渡的受力情况和熔滴过渡的主要形式和特点，应用3DS MAX 4.0绘制三维动画，并且用Authorware制作演示界面。经过对软件的调试和修改，最终达到本课题的要求。
该软件共制作了12个三维动画，即大滴滴落过渡、大滴排斥过渡、细颗粒过渡、短路过渡、爆炸过渡、射滴过渡、射流过渡1（表现其跳弧现象）、射流过渡2（表现其高速过渡现象）、旋转射流过渡、亚射流过渡、沿熔渣渣壳过渡、沿套筒过渡。演示界面包括欢迎界面、动画选择界面、退出界面、结束界面。在软件制作期间，进行了大量的调试工作，并且该软件的各环节运行正常。
结果表明，该软件能够对焊接熔滴过渡的过程提供很形象的模拟，并且与真实的熔滴过渡的过程相近。而且它在计算机模拟实际工艺等方面具有一定的实际意义，为以后的计算机仿真作出了初步探索。
关键词：熔滴过渡，三维动画，计算机仿真
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关键词：锅炉燃烧，计算机仿真，燃烧控制系统，蒸汽压力，送风量
锅炉的自动控制经历了三、四十年代的参数仪表控制，四、五十年代的单元组合仪表，综合参数仪表控制，直到六十年代兴起的计算机过程控制几个阶段。尤其是近一、二十年来，随着先进控制理论和计算机技术的发展，加之计算机各项性能的不断增强及价格的不断下降使锅炉应用计算机控制很快得到普及和应用。
电厂锅炉利用煤的燃烧发热，通过传热对水进行加热，产生高压蒸汽，推动汽轮机发电机旋转，从而产生强大的电能。在锅炉燃烧系统中，给煤系统，送风系统，引风系统是燃烧控制系统的重要环节。以主蒸汽压力控制系统为主回路，燃烧率控制系统为内回路，通过传感器采集炉膛压力，含氧量和炉膛负压来调节锅炉的给煤量，送风量和引风量从而达到最佳热效率。
燃烧控制系统是电厂热工控制的重要组成部分，目前大部分电厂的锅炉燃烧控制系统仍然采用PID控制。。燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成控制系统，其中燃烧率控制由燃烧量控制、送风量控制、引风量控制三个子系统构成。锅炉生产燃烧系统自动控制的基本任务是使燃料所产生的热量适应蒸汽负荷的需要，同事还要保证经济燃烧和锅炉的安全运行。具体控制任务可分为三个方面：一要稳定蒸汽母管压力。二要维持锅炉燃烧的最佳状态和经济性。三要维持炉膛负压在一定范围。这三者是相互关联的。
控制系统计算机仿真是对控制系统进行科学研究的一种重要手段，通过计算机仿真来对比各种控制策略和方案，优化并确定相关参数，以获得最佳控制效果是多年来控制系统设计尤其是新型控制策略与算法研究中心必不可少的技术。采用MatLab对锅炉燃烧控制系统进行计算机仿真，可快速方便的实现多种规则和参数的控制仿真效果，极大地提高了调节器参数整定的效率和准确性。
锅炉燃烧过程是一个燃料的化学能转变为热能，以蒸汽形式向设备提供热量的能量转换过程。燃烧过程控制的基本任务是调整燃烧率水平，使之适应外界负荷的需要，稳定蒸汽压力，并确保燃烧过程在安全经济的工况下进行。能迅速改变炉膛燃烧率，适应外界负荷变化。燃烧过程控制的主要任务之一是维持蒸汽压力稳定。由对象动态特性的分析可以看出，在外界负荷变化时，只有迅速改变锅炉的燃烧率，维持燃烧过程的能量平衡，才能保持蒸汽压力稳定。。燃烧率的改变，主要是燃料量的改变，而蒸汽压力对于燃料量变化的相应，有一定的延迟时间，延迟时间的大小，受燃料系统的影响较大。因此对于变动负荷锅炉，以及采用延迟时间大的燃烧系统锅炉，如直吹式锅炉，在设计燃烧控制系统时，如何迅速改变炉膛内燃烧率是不容忽视的。
能迅速并消除燃烧率扰动。燃烧率的扰动通常是指燃料量的自发扰动，这不仅影响蒸汽压力的稳定，在并列运行方式下，还会引起其他锅炉汽包压力及锅炉负荷的变化，改变各锅炉运行工况。直接用燃烧量作为调节的信号是不准确的。经研究得出用热量信号来间接代替燃烧量信号。因为燃烧量发生变化后，炉内燃料燃烧产生的热量就要变化，它不仅影响锅炉的蒸发量，也将使汽压发生变化，引起锅炉的蓄热量随之发生变化。而蓄热量的变化和汽压的变化速度成正比。所以用蒸汽量和汽压的变化速度适当地综合，就可以代替燃料量。
确保燃料、送风和引风等参数协调变化。当燃烧率改变时，只有保持送风量与燃料量成比例变化，才能保证燃烧的经济性。只有保持引风量与送风量协调变化，才能保证炉膛压力稳定。因此确保燃料、送风、引风等参数协调变化是确保燃烧工况稳定必不可少的条件。燃烧控制系统整定原则要考虑到燃烧过程中引风量为送风量的从动流量，而送风量为燃烧量的从动量，因此为保证整定燃烧过程能安全经济运行，应先整定从动量的调节系统，并按此顺序将各子系统投入自动状态。即燃烧控制系统的整定应在送风和炉膛压力控制系统投入自动的情况下进行整定。送风控制系统应在炉膛压力调节系统投入自动的情况下进行整定。。
控制系统中前馈信号的作用是作为送风量的给定值。加入前馈调节器后，系统的响应速度加快了。而且前馈加入可以使系统提前动作，更好地改善系统的性能。因此加入前馈调节器后系统的波动比未加时小很多，说明了加前馈调节器后系统性能比未加时好。这样如果当负荷阶跃扰动成比例增加时，风量响应曲线也成比例上升，但恢复稳定的时间基本不变。
对以上几点分析，在组成控制系统时，需要根据锅炉本身特点及燃烧过程的具体情况，有所侧重。如对于带基本负荷锅炉燃烧系统，比较侧重提高经济性及运行工况的稳定性；对于带变动负荷的锅炉，则比较侧重对负荷变化的影响，而兼顾其它。主系统有输入时，炉膛压力控制系统会产生小范围波动，并在短时间内未能定下来，说明炉膛压力控制系统的随动性能较好。而送风控制系统在主系统阶跃输入时，波动较大，但最终达到稳定，只是调节时间较长。由炉膛压力控制系统和送风控制系统的应急变化可以看出，主系统变化时，子系统一定会随子系统，只是达到稳定的时间长短不一致。
燃烧控制系统方法一般都是从燃烧量、送风量、炉膛压力等几个方面控制主蒸汽压力，而它们彼此之间又相互影响。这里的系统基本做出燃烧控制系统基本方案和子系统的随动变化研究，结果表明这种控制系统能够快速响应机组负荷指令变化，有效克服锅炉燃烧率扰动和汽轮机气量的扰动影响，改善机组负荷跟踪性能，提高机组运行经济性。而且结构简单，易于工程实现。相信是将来会成为先进控制方法使燃烧系统更加完善。
关键词：离散事件；系统仿真；
Abstract: This paper introduces the simulation method ofdiscrete event system, combined with the marshalling station arrived at the station operation simulation system,the simulation research. In the simulation of discrete event system, introduces the entity, event and thesimulation clock concept, and the simulation clock pushing method of time step method and step method is described in detail. In the simulation, with the station at the field operation simulation system of marshalling,introduced the method of using computer to simulate theworking process.
Keywords: discrete event system simulation;
中图分类号： N945.13 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）
运用模型研究客观事物，是人类自古以来一直沿用的研究方法。这种方法是利用相似原理，运用物理模型模仿被研究的系统。对于一个系统来说，它与外部环境之间或其组成部分之间，存在一定的数学和逻辑关系。因此，可以运用定性和定量分析相结合的方法，建立数学逻辑模型，来对系统的规律进行研究。计算机系统仿真就是在系统模型上，通过计算机试验，按照一定的原则对系统进行描述和分析。系统仿真有三种类型：离散型、连续型、离散——连续复合型。本论文将介绍离散事件系统仿真的方法。
1. 离散事件系统
离散事件系统是指系统内事件的发生是由一系列离散的点构成，通过这些离散点上的事件改变系统的状态，因此离散事件仿真系统是由事件驱动的。离散事件系统，一般从实体、事件、活动、进程和仿真时钟等方面进行描述。下面，对这些概念进行进一步的说明：
1.实体
在离散事件系统中的实体可分为临时实体及永久实体。在系统中只存在一段时间的实体叫临时实体，永久驻留系统中的实体称为永久实体。
2.事件
它是引起系统状态发生变化的行为。离散系统由事件驱动，除了系统中固有事件，还有一类程序事件，它用于控制仿真进程。
3.活动
离散事件系统中的活动，表示引起系统状态发生变化的事件。
4.进程
指事件或活动的逻辑关系事件，通常由一系列有序活动构成。
5.仿真时钟
仿真时钟用来表示仿真时间的进程，在一个仿真系统中，可以有多个仿真时钟。
2. 系统仿真时钟的推进
仿真系统的推进，靠的是仿真时钟时间的变化，下面详细介绍仿真时钟的两种推进方法。
1．等时间步长法
所谓等时间步长法，是指定一个时间增量为仿真单位，以它为前进的步长。每推进一个单位，对系统的状态进行考察、修改。如果在单位时间里发生有i个事件，S1，S2，S3，… Si，则把这i个事件全部移至该单位时间的最后一刻，作为并发事件处理。
等时间步长法的时钟推进如图1-1所示：
图1-1 等时间步长法时钟推进示意图
运用等时间步长法进行系统仿真的流程如图1-2所示：
图1-2 等时间步长法仿真过程示意图
等时间步长法对系统仿真的过程为：对系统中的实体、属性和活动设置初值，判断模拟进程；若模拟未结束，则对实体或活动数的数量赋值1；对系统中的实体或活动进行考察，有事件发生，则处理该事件，若有并发事件，按一定的程序处理并发事件；记录活动延续时间，然后改变系统状态，同时，对实体或活动数加1；判断模拟是否结束，若结束，则利用统计系统，输出模拟结果，未结束，再进行以上流程，直到结束为止。
2．事件步长法
事件步长法是指在仿真过程中，时钟的推进不是等时间间隔的，它以每一事件进行的时间作为步长，在每一事件发生时刻对系统进行考察，没有事件发生的时间段则被跳过。对于同一时刻发生的多个事件，按一定规则进行并发事件处理。
事件步长法的时钟推进方式如图1-3所示：
图1-3 事件步长法时钟推进示意图
使用事件步长法的时钟推进对系统仿真的流程如图1-4所示，
图1-4 事件步长法模拟过程示意图
仿真开始时，对仿真的系统的事件及属性设置初始值，寻找最小时间事件，有并发事件时，按既定的规则处理。然后将时钟推进到最小时间的事件，判断该事件是哪类事件，调用该事件的模块。若该事件的发生会产生条件事件，则对该条件事件进行处理，并记录仿真数据。而后再寻找下一个最小时间事件，更新该事件子时钟，判断仿真是否结束，若未结束，则按上述步骤进行新一轮的仿真。
3. 系统仿真的研究方法
计算机仿真是指根据被研究真实对象的系统模型，在分析各要素间的相互关系的基础上，建立具有一定数量关系的仿真模型，并利用计算机进行试验或定量分析，以获得真实对象系统的信息，为正确决策服务。
为了对本文以到达场仿真系统的研究为例，结合到达场的作业实际，介绍计算机模拟的过程：
1．系统分析
在进行系统的仿真前，首先，必须对系统进行分析，清楚系统中各元素间的相关性；其次，明确对于各子系统元素研究的条件、层次、范围；第三，明确研究的目的和达成的目标。对于本文的系统仿真研究，将把到达场作业系统按关联性强弱分成若干子系统，再将子系统的实体变化情况进行进一步研究。研究的目的，是通过到达场仿真系统的结果，计算不同条件下到达场的咽喉区通过能力、到发线通过能力、驼峰解体能力等情况，并对各项能力数值和设备利用进行分析。
2．数据的收集和分析处理
要实现对到达场作业系统的仿真，必须对系统中实体的运动状态进行量化。因此，在建立系统仿真模型前，必须对系统的历史数据进行收集，通过拟合分析等方法，得出系统中实体的运动规律，研究其规律分布曲线。主要研究的数据有：到达车流的分布规律、到达场的各项技术作业的时间、驼峰调机的作业时间等。
3．应用数学模型处理仿真系统
进行系统仿真时，对于某些作业过程，必须进行人工智能判断。如，咽喉进路排列和到发线使用问题，因为变化情况是以几何级数增长的，若用计算机穷举的话，仿真系统很难实现。因此，必须建立数学模型解决这类问题。建模的方法为：在对系统进行分析的基础上，根据子系统实体的作业过程，在合理界定研究范围的条件下，分析各项作业间的逻辑关系，建立到发线应用、咽喉区进路排列、驼峰调机使用等数学模型。为了使仿真系统更好的实现，对一些次要影响因素进行理想化设定。
4．建立计算机仿真模型，完成仿真程序
对于仿真模型的建立，要分析所研究系统的实体的特性，选择合理的仿真方法，建立系统的仿真模型。在建立仿真模型中，最重要的是将仿真对象的变化过程、各实体间的逻辑关系分析清楚。例如，在对编组站到达场作业过程的仿真系统研究中，对于机车的作业过程和它触发的其他作业进行分析，从而，合理的划分了仿真的子系统。另外，对于仿真系统软件的开发，要满足仿真运行的速度和稳定性。
5．仿真系统及结果的分析
对于仿真系统，要进行相应的分析。首先，要确定仿真模型建立的是否正确；其次，要对仿真结果进行分析，评价仿真系统能否反映客观现实模拟的系统。
对于到达场仿真系统的开发可以按上述思路，采用系统分析的方法，遵循由繁到简、层层分析的原则，从对各个子系统研究的基础上，实现对到达场作业仿真系统建模和软件开发。
4. 结束语
现代计算机仿真模拟，具有在计算机上直接进行作业试验，全面进行作业过程检验，详细统计模拟细节，重复进行大量方案的比较和优选的特点。因此，利用计算机手段对事物进行仿真研究,是一种有效的科学分析方法。本文利用编组站到达场的作业过程进行分析，仿真研究结果对于到达场的设计建设、运营组织工作有着重要的辅助作用，可以为管理者的决策提供参考。
参考文献：
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[4] 邢清华.离散事件系统分布式仿真的机总并行控制[J].计算机仿真，2000.3
关键词 物理实验 网络 多媒体
中图分类号：G424 文献标识码：A
On Physics Experiment Teaching Model
LI Zhengda[1]， XIE Lin[2]
（[1] Department of Electronics and Communication Engineering， Changsha University， Changsha， Hu'nan 410003；
[2] Nanya Middle School， Changsha， Hunan 410129）
Abstract College physics experiment has always been an important foundation course for science and engineering college students， as expand enrollment， and teaching methods instrument sets ploidy serious lag， how effective use of existing resources， through the Internet and multimedia， and other methods to more open teaching mode fully mobilize the enthusiasm of students， so that teaching can adapt to contemporary physics experiment teaching requirements.
Key words physics experiment； network； multimedia
一般的科学实验的过程包括：课题确定，收集资料，制定方案组织试验程序，选择和准备仪器，实验操作（观察、记录、分析、验证 ），撰写实验报告。但现在的问题确实很多，高校扩大招生政策对我们的实验教学产生诸多不利影响，例如：实验仪器台套数跟不上，实验仪器不足，有时甚至十来个学生围着一台仪器，而且学生的质量也明显下降很多，物理实验仪器的更新换代严重更不上科技的发展，有些仪器还是甚至是上世纪60～70年代的；有些高校对大学物理实验教学也不重视，在课程设置和学时安排不能给予保障，为学生预留的独立思考时间也不够； 教师人员结构性短缺相当突出，教师流动性也很大；教学内容陈旧，教学手段单一落后，按部就班，所有这些都大大削弱学生的学习积极性和主动性。
因此，如何对大学物理实验教育进行改革，使之适应时代的发展，亟需我们在教学中摸索和尝试。技术的发展出现给死气沉沉的实验教学带来生机，尤其是现代教育技术与网络技术结合并引入大学物理实验教学中，大大提高了学生的实验的兴趣，教学质量和教学效果也明显提高。
2001年9月28日，教育部已出台《关于加强高等学校实验室工作的若干意见（讨论稿）》，简称实验教学20条中指出：实验教学是高等学校创新型人才培养的主要渠道和高等教学改革的突破口，对培养学生的实践和科研能力起到至关重要的作用。其中要求实验教学以学生为本实现网络化、智能化教学管理，以满足学生自主选课，自助实验。
首先，学生方面，通过现代教育技术与网络技术结合建立物理实验预约，了解实验内容、概念、模型，从心理上满足了学生的好奇心和求知欲；另外，教师方面，让教师进一步转变了传统教学观念，充分意识到：只有在真正意义上了解学生的基础上，才能理清实验教学的思路和实验授课模式，不是盲目为实验而实验，才能有针对性地帮助学生从实验中理解消化所学的物理理论知识，从而提高教学的质量和效率。
1 充分开发利用网络资源
物理实验网络教学平台开发，物理教学实验中心局域网扩大，丰富网络课件资源。设计并开发与我们学生相适应而又科学的开放教学管理系统，此系统应该包括：（1）预约实验项目名称以及每个实验项目的具体的信息情况。（2）网上学习的网络课件、扩展性学习资料和网络链接等。（3）在线或留言答疑平台、学生讨论系统。（4）教学视频、仿真实验演示以及录像。（5）网上教学设备管理维护系统、实验中心办公软件系统。各实验房间配备微机终端，并安装了“物理实验辅导系统”即 “电子教师”，学生在实验中遇到问题或碰到常见的实验故障及操作问题时，可向“物理实验辅导系统”请教，把实验原理、操作示范、疑难解答、注意事项、技术应用等内容集于一体，而且每个实验项目还有相关的实验技术和方法以及参数的拓展知识，有利于扩大学生视野和领悟物理实验研究方法之精髓；自主开发的“基于仪器库的物理仿真实验系统”，利用该软件在仪器配置上的灵活性，可以很便利地开出物理设计性的实验，极大地增强了仿真实验的可操作性和网络实验的随时性。
1.1 采用多媒体教学
注重多媒体开发与制作，要求每位教师都能制作图文并茂的多媒体课件并用于教学中。多媒体具备声音、动画以及丰富的教学资源，有利于增加学生的学习兴趣、提高学习效果。
1.2 采用计算机仿真手段
在物理实验教学中实施以计算机仿真实验为主的多种现代化教学手段，充分发挥仿真实验的功能：（1）预习功能：仪器结构及操作复杂的实验可上机预习。（2）优化实验项目功能：某些简单的实验只做仿真实验而不必实做。（3）知识扩展功能：实验室不具备条件的实验通过仿真完成，学生可凭兴趣选做各种仿真实验。
1.3 采用多种教学辅助手段
教学中配合使用其他现代化教学手段如CCD、实物图像显示系统（小型实物投影）、电视录像、计算机实时数据采集、各种传感技术、模拟实验软件进行实验模拟等，以增强教学效果。
2 开展丰富的课外活动
开展丰富的课外活动，如：（1）开放演示实验室和物理科技馆；（2）开展物理实验竞赛和科技制作竞赛活动；（3）聘请专家和教师面向全校学生进行物理实验方法技术、历史知识、应用讲座；（4）组织学生科技活动沙龙、论文报告会，提供学生成果展示与科技作品宣传场地。以上活动使学生拓展了知识面，开阔了视野，进一步激发了学习积极性。
3 科学全面地考核学生的实验能力
学生的实验能力的考核采取平时成绩、随堂口试、笔试、书写小论文等多种模式相结合的方法进行。考试方法的改革，大大提高了学生对本课程的重视程度，综合地评价了学生对实验的掌握及运用能力，同时强化了学生科学素质的培养。
在教学手段上，实验中心重视先进教育技术的应用，大力发展基于计算机和网络的现代教育技术手段，开发了丰富的网络教学资源和仿真实验，取得了显著的效果。
“线性系统理论”是本校电气信息类硕士研究生重要的学位课程，在第一学期开设。从课程角度看，该课程作为重要的学科基础课，课程内容在整个控制理论体系中占有非常重要的地位，是承接理论与应用的纽带，在培养研究生的系统概念、创新思维和科研能力方面具有重要的作用。从学生学习的角度看，学生处于从本科生到研究生学习的开始阶段，无论对教学内容，还是对教师的教学方法都还没有完全适应，多数学生还是沿用本科阶段的学习方式，对教师结合课程布置的有关研究性学习的课题缺乏有效的、科学的研究方法。如何基于课程要求培养研究生科学的研究方法和理论结合实际的能力，为以后的学位论文研究及工程实践奠定良好的基础，是一个值得深思的问题。本课程目前存在的主要不足是对实践教学不够重视，对学生理论联系实践的能力培养不够。鉴于此，笔者在该课程的教学中，注重在讲授课程内容的同时，有目的和针对性地把系统控制理论中的研究方法贯穿于教学中，对研究生进行了学习、研究问题方法的培养和熏陶；引入CDIO理念，编写“线性系统理论”工程应用案例，通过计算机仿真手段，开展基于项目的教学实践，引导学生应用所学理论知识解决工程控制问题。
笔者基于项目或问题组织实践教学内容，这些项目或问题都需要应用线性系统理论的方法才能达到项目目标或使问题得到解决；通过计算机仿真手段，让学生寻求解决问题的方案，验证解决问题的效果；通过撰写项目研究报告、答辩等环节提高学生表达和沟通能力；通过总结和讨论，让学生将具体项目中学到的知识，提升为一般化的解决工程问题的能力。教师编写实践教学案例以辅助讲义的形式发给学生，在理论课程进行的同时，由学生利用课余时间完成实践环节；每个学生必须选择一个基本项目和一个综合项目，基本项目需要独立完成，综合项目需要找一位同学合作完成；课程结束后教师组织一次答辩、演示并进行总结讨论，同时让学生提交项目研究报告。成绩按照项目研究深度、答辩情况和书面报告综合给出，作为平时成绩按较大比例计入课程最后成绩。
实践教学辅助讲义按照项目或案例进行组织。讲义中给出每个项目的基本原理、主要参数和项目目标。项目来源于工程应用原型，是一个实际的物理系统而不是数学模型。要求学生熟悉物理系统、建立数学模型、对模型进行线性化，进而应用线性系统的理论和方法解决问题，并分析系统在工程实现中存在的问题，提出工程实现方案。辅助讲义主要的案例有倒立摆的建模与控制、通信卫星光晕轨道控制、磁盘读写系统的建模与控制、风力发电非线性系统的建模与控制、连续全返混式反应釜非线性系统的建模与控制、发电厂锅炉和气机的建模与控制等。例如在风力发电非线性系统的建模与控制案例中，教师首先介绍该类系统的控制目标，对工作原理和主要物理关系进行简要介绍，再提出具体控制要求。学生在此基础上，需要翻阅参考资料，在进一步理解内容的基础上，通过运行机理分析建立风力发电系统的非线性模型；确定状态变量、控制变量和输出变量；选择系统的工作点，并对工作点进行线性化；搭建仿真模型，采用线性系统中学习过的多种控制算法进行系统控制，并对控制算法中的参数进行设计；通过仿真对结果进行分析和验证，撰写项目研究报告并进行答辩和成果演示。
如2010年秋季学期，某同学对风力发电非线性系统的建模与控制问题进行了较全面的研究。首先通过工作原理分析，建立了机理模型。在最大风能跟踪控制区域，选择了合适的工作点，通过泰勒公式建立了线性三阶状态空间方程。通过查阅厂家的数据手册，计算了模型参数设计了扰动风速模型。通过控制器设计，考察了风力机转速对扰动风速的不同响应，图1为采用基本控制器时，风力机转速对单位阶跃扰动风速的响应，图2为采用改进控制器时风力机转速对单位阶跃扰动风速的响应，图3为对控制器参数进行优化后，风力机转速对单位阶跃扰动风速的响应。可以看出，随着控制器地不断改进，风力机转速的动态响应性能逐渐得到提高。通过撰写研究报告、小组答辩等环节，该同学对课程所学知识产生了极大的兴趣，课程考试成绩不但优秀，而且利用所学的知识，已参与完成了老师的三个科研项目。硕士学位论文也非常优秀。
通过在硕士研究生“线性系统理论”课程教学中引入案例性实践环节，引导学生思考课程中蕴涵的科学方法，加深学生对所学理论知识的理解，较全面地锻炼学生的科研实践能力，收到了良好的效果。（本文作者：王晓兰、王志文 单位：兰州理工大学电气工程与信息工程学院）
关键词：LDPC码 信道编码 差错控制 纠错编码 计算机仿真
中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00
低密度奇偶校验码（LDPC）是一种线性分组纠错码，当其采用迭代译码算法时，如和积（sum-product） 译码算法，具有逼近Shannon限的良好性能，其译码算法复杂度随码长呈线性增长，非常适合并行实现。正因如此，LDPC码受到了业界的广泛关注，已广泛应用于移动通信、光纤通信、卫星测控通信和数字视频等领域[1] [2]。
构造LDPC码时，其校验矩阵中的非零元素往往很少，正是由于校验矩阵具有这种稀疏的特性，因此出现了多种高效的译码算法，且纠错能力较强。LDPC译码采用的是消息传递（MP）算法，其基本算法有比特翻转（BF）算法和置信传播（BP）算法。BF算法只进行比特位的翻转等几种简单的运算，复杂度较低，因此硬件实现简单，但其性能相对较低，适用于硬件条件受限而性能要求较低的场合；而BP算法是将接收到的信息在变量节点和校验节点之间进行迭代运算，从而获得最大编码增益，因此具有很好的性能，同时复杂度也较高，广泛应用于对性能有较高要求的场合。
本文在介绍低密度校验编码的基础上，研究了置信传播（BP）算法、对数似然率（LLR-BP）算法、最小和（Min-sum）算法等三种译码算法，并对各种算法的复杂度、工程实现的难易度和优缺点进行分析，并对分析结果进行仿真验证。
1 低密度校验编码
LDPC编码的首要条件是构造一个符合条件的稀疏校验矩阵。根据校验矩阵结构不同，通常把LDPC码分为规则LDPC码和不规则LDPC码。规则LDPC码的校验矩阵每行每列的非零元素相同，而不规则LDPC码不受此规则限制。无论哪种，好的LDPC码，必须围绕无短环、无低码重码字、码间最小距离尽可能大的原则构造校验矩阵[3]。
传统的编码方法是将稀疏奇偶校验矩阵H经过高斯消元处理转换为生成矩阵G，再根据G来进行编码。如此的编码方法其生成矩阵的稀疏性难以保证，且会导致编码的运算和存储复杂性大大增加。对于线性编码来说，校验矩阵为H，编码后码字为c，则由校验等式性质H・c’=0，所以可以用校验矩阵直接编码，主要的编码方法有高斯消去的直接编码，LU分解编码，部分迭代编码算法等。本文仿真采用高斯消去的直接编码，将m・n校验矩阵H通过高斯消元和列变换改成如下形式H=[I|P]，I为m・m单位矩阵，P为m・（n-m）矩阵，编码后码字c写成c=[s|u]形式，u为输入码字，s为校验码字，由校验等式H・c’=0得，I・s’+P・u’=0，即s’=P・u’，则由c=[u s]可得编码后码字。
2 LDPC码译码算法
LDPC译码算法是以迭代运算为主，主要是基于二分图[6]结构的消息传递算法。二分图与校验矩阵H相对应，包含三种元素，方形节点、圆形节点及连接方形节点和圆形节点之间的边，对于M×N的校验矩阵H，方形节点Vc=（c0，c1，…，cM-1）称为校验节点，对应于校验矩阵中的列，圆形节点Vs=（s0，s1，…，sN-1）称为变量节点，对应于校验矩阵中的行。如果校验矩阵中的非零位于第i行第j列，则校验节点ci和变量节点sj之间存在一条边，如图1所示，为5×10的校验矩阵二分图表示。LDPC译码时各个节点的置信消息需要在变量节点和校验节点之间互相传递。
3 译码算法性能分析及计算机仿真
从第二节对三种译码算法的分析来看，LLR-BP译码算法虽然与BP算法接近，但是，由于其运算是在对数域进行，因此复杂度有所降低；而MIN_SUM算法则通过采用近似运算来降低复杂度，但是，近似运算导致了该算法性能会有所损耗。
3.1三种译码算法复杂度比较
文献[6]对概率域BP译码算法、LLR_BP译码算法和Min-sum译码算法的计算复杂度进行了对比，各种算法都是针对码率为1/2的（n，2p，p）规则LDPC码进行分析的。如表1所示。
由表1可以看出，在计算复杂度方面，BP算法最为复杂，LLR-BP算法次之，Min-sum算法计算量是最小的。
3.2三种译码算法性能比较
为了对BP算法、LLR_BP算法和MIN_SUM三种译码算法的性能进行分析，本文建立了BPSK系统仿真模型，如图2所示，并以此模型为基础，分析三种译码算法在仿真系统中的性能。
基于图2的系统仿真模型，对三种译码算法性能进行分析。信源部分随机生成，生成的数据u={u1，u2， …，uk}经基于删除信道的迭代算法进行LDPC编码，码长为512，码率为1/2，最大迭代次数为100，编码后得到的码字c={c1，c2， …，cn }进行BPSK调制，调制后将码字c映射成传输码字x={x1，x2， …，xn }。
若信噪比取值为SNR = （0：0.2：2），运行系统，可以绘制出采取三种不同译码算法解码后系统的误码率曲线。图3给出了在加性高斯白噪声信道下系统误码率图。
从图3可以看出，BP译码算法和LLR_BP译码算法误码率基本一致，最小和译码算法误码率相对较差。由此可以看出，三种算法中BP算法是基础算法，其译码复杂度最高，但具有最优的译码性能。LLR-BP算法是由BP算法简化而来，通过将原来的运算简化到对数域进行，从而降低了译码复杂度。就译码性能来说，LLR-BP算法最接近BP算法，从图中也可以看出，BP算法与LLR-BP算法的曲线几乎一致。Min-sum算法复杂度最低，与其它两种算法比较译码性能较差，但性能损失不大。所以Min-sum算法复杂度降低，易于硬件实现，实用性较强。因此在实际运用中，我们需要在性能和复杂度上进行整体考虑。
4 结语
低密度校验编码在高速数据传输中有着较好的应用，但是其采用不同译码算法所表现出的译码性能有着较大差异。为此，本文讨论了置信传播（BP）译码算法和在该译码算法基础上衍生的两种译码算法，对数似然率（LLR-BP）算法和最小和（Min-sum）算法；分析了三种译码算法的性能，并对分析结果进行了仿真验证。虽然LLR-BP算法译码性能与BP算法相当，但简化了算法，Min-sum算法虽然较BP和LLR-BP算法相比，损失了一定误码性能，但易于硬件实现，实用性较强。因此，在实际应用中，要根据系统性能要求和硬件条件等因素综合考虑，在译码性能和复杂度之间需要全面衡量，选择合适的LDPC码译码方法，开发相应的硬件产品。本文只是对LDPC码的基础译码算法进行了分析，对不同码长的选择，以及在不同的调制方式和通信环境下系统性能的比较分析未曾考虑，因此还需要进一步完善。
参考文献
[1]沈倩.LDPC码编译码技术研究及其在LTE―A系统中的应用[D].武汉理工大学硕士论文，2012.
[2]彭世章.LDPC编译码技术研究及其在遥测系统中的应用[D].杭州电子科技大学硕士论文，2011.
[3]袁东风，张海刚.LDPC码理论与应用[M].北京：人民邮电出版社，2008.
[4]肖杨.Turbo与LDPC编解码及其应用[M].北京：人民邮电出版社，2010.
关键词：进气系统；有限元法；亥姆霍兹共振器；传递损失
中图分类号：U464.3 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2013）03-0005-05
工程车辆在工作时会产生诸多噪声，其中发动机的进气噪声是主要噪声源之一。因此，降低发动机进气噪声对于控制整车噪声有着重要作用。文中对某工程车辆的进气系统进行了实验测试分析和仿真分析，获得该进气噪声优势频率及传递损失等数据，并根据分析结果，提出改进意见。改进后的进气系统降噪效果满足标准要求，验证了设计理论及方案。
1 实验分析
1.1 噪声信号采集及分析
1.2 进气系统传递损失测量
传递损失是消声元件和简单系统消声效果的重要评价指标之一，只取决于该元件的结构、介质的阻抗率和截面面积，与源特性和尾端辐射特性没有关系，计算简单精确。
根据测量数据，经过计算后得到系统传递损失曲线，如图7。从曲线上可以看到系统对较低频段消声效果很差，并且在200～250 Hz频段存在低谷，消声量不足10 dB，与进气口噪声频谱和驾驶室左耳处噪声频谱相对应，所以有必要优化进气系统结构。为方便优化设计和快速了解系统中的不合理结构，故采用计算机仿真方法对进气系统进行分析，针对进气噪声频谱优势频率和声压值较强的结构提出改进方法。
2 进气系统CAE分析
4 总结
（1）对某工程车辆进气系统进行试验分析和仿真计算，了解系统的消声性能，为结构优化提供了依据。
（2）综合分析后，针对进气噪声优势频率和声压值较高的结构进行优化，提出改进方案。
（3）采用优化方案后，实车测试中进气系统消声性能符合预期值，满足项目要求，也为工程车辆方面降噪提供了参考。
参考文献：
[1] 庞剑，谌刚，何华，等.汽车噪声与振动.理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006.
[2] 李增刚，詹福良，等.Virtual.Lab Acoustics 声学仿真计算高级应用实例[M].北京：国防出版社，2010.
[3] 郭付洋.内燃机进排气系统降噪研究[D].合肥工业大学硕士论文，2011.
【关键词】计算机模型；科学教育；研究进展
【中图分类号】G40-057
【文献标识码】A
【论文编号】1009-8097（2013）02-0120-07
一 计算机模型及其建模工具
模型是人们对客观事物、现象、事件、过程或系统的简约化、抽象化表征。计算机模型是以计算机为媒介，应用特定的工具（程序、软件、建模环境）可视化、简约化地呈现数据、现象（尤其是对象的抽象成分、因果关系以及随时间演变的复杂系统），从而描述、解释、预测现象。图1、图2呈现的是两个计算机模型实例。“理想气体”是由美国西北大学Uri Wilensky教授开发的系列NetLogo模型之一，“光电效应”是由美国科罗拉多大学PhET项目组开发的系列仿真实验之一。每个模型的界面包含现象、变量、控制、数据、符号等内容。它们从宏观、微观、符号、图形层面表征物质的性质、现象、变化。通过设置、改变计算机模型中的参数，可以观测不同条件下的现象，从而把握、预测事物的性质、变化规律。人们还可以根据需要，改编程序语言，修改模型。计算机模型可存储于硬盘、光盘、网络服务器等介质中，因而人们可以自由复制或下载。由于计算机模型相对于物理模型具有独特的优势，近年来被广泛运用于科学研究、生产生活及学校教育中。
基于计算机建模的技术丰富多样，包括数据库、语义网络、电子表格、专家系统、系统及种群动态工具、可教人和直接操作环境、可视化工具、超媒体、结构化计算机会议等。不同领域、不同目的，建模的工具通常有所差别。科学教育中，计算机模型主要表现为可视化模型、仿真、动画、系统、图形、关系等形式，目前国外比较流行的建模工具（或环境）有eChem、Genetics Construction Kit、Model-It、NetLogo、PhET、Pedagogica，Stella，Thinker tool，Molecular Workbench、4M：Chem等，这些技术有各自的特点和侧重。
二 科学教育中计算机模型研究若干课题
自上世纪90年代，国外学者广泛运用计算机模型于科学教育中，相关研究十分繁荣，主要涉及如下几个方面：
1 基于计算机模型的学习研究
（1）计算机模型与多重表征
表征是学习的核心。Johnstone认为，无论是物理、化学还是生物，都建立在三重表征之上，存在思维三角（图3）；科学家可以畅行于三角之间，然而学生常常搁浅在宏观一角，这造成了科学学习困难。计算机模型充分整合宏观、微观、符号层面信息，呈现同一现象不同层面的表征以及不同表征之间的相互联系、作用，从而有效促进学生建构事物的多重表征及其联系。
Wu等以eChem为主要建模工具（图4），在11年级化学课中开展教学实验研究。结果发现，在实施6个星期的研究后，学生的化学表征学习得以实质性提高。绝大多数学生在宏观、微观水平能很好地掌握有关概念知识，深刻理解相关表征和化学概念；学生在表征转换题目上的得分明显高于其他题目，表明学生在不同的表征之间相互转换的能力得到显著提高；积极参与模型学习的学生花更多时间讨论化学表征背后的相关概念，对物质性质、结构、概念等相关知识的理解更精确，对化学表征的理解更深刻。Wu等强调，计算机模型对学生化学学习具有累积性、长效性的影响。
Williamson研究表明，计算机动态模拟比静态图片更能提高学生对信息的深刻编码，同时激活形象和语义双重编码，有助学生形成关于现象的动态心智模型；而仅观察透视图或粉笔绘制图，学生难以建立对现象的充分理解以及形成物质微粒性的心智表征，而仅仅停留在宏观现象的认识上。Snir等开发、实施了物质微粒性计算机模型工具的教学研究。他们发现，学生对物质的宏观理解和微观理解是相辅相成的，计算机模型工具能够帮助中学生持久地内化物质的微粒观，同时增强了对科学模型的理解。
Ardac和Akaygun对59名九年级学生进行实验研究，实验组学生除了常规教学还接受基于媒体的教学，该教学突出强调宏观、微观和符号的同时三重表征。研究表明，媒体教学组学习成绩明显优于常规组，他们更容易在分子层面表征物质。随后，Ardac和Akaygun比较了56名八年级学生关于化学变化三种教学条件下（动态一个体、动态一全班、静态一全班）的学习效果。结果发现，动态视觉表征组的成绩显著高于静态视觉表征组，个体学生动态视觉学习组分子表征成绩优于以全班性动态视觉学习组和静态一全班学习组。作者建议，当向学生呈现分子表征时，尽可能运用动态视觉方式。
计算机模型之所以能促进学习表征，Wu以“烷烃”表征为例，作如下解释。学生在理解化学表征时，需要形成解释、转译和心智转换操作。由于化学表征既有形象性、又有抽象性特征，学生要建立对化学表征的充分理解、获得表征技能需要具有牢固的概念化知识与视觉空间能力。根据Paivio（1991，1986）的“双重编码”理论，Wu提出了表征学习需要建立涉及可视化和概念化信息的三重基本认知联结（如图5）：（a）外界所呈现的信息与个体内部表征的信息之间建立表征联结，如将“烷烃是一种碳氢化合物，它们只含单键”（外部刺激）与“如果碳原子数为n，那么氢原子数是2n+2”（个体言语表征）之间建立联系（联系1）；（b）外界所呈现的可视化信息与个体内部表征的信息之间建立表征性联系，如将（可视化刺激） 与烷烃的心智图像（可视化表征）之间建立联系（联系2）；（c）可视化系统与概念化系统之间的对照联结（联系3）。在化学表征过程中，学生需要激活上述一个或多个联结。例如，要将化学式转译为物质结构，学生需要提取有关可视化和概念化信息，激活化学键与分子形状之间的联结。计算机模型可以为学生充分提供可视化刺激，强化不同信息之间的相互联结，增强学生的表征理解与转换能力。
（2）计算机模型与概念学习
概念形成与发展是科学学习的重要组成部分。大量研究表明，计算机模型能有效促进学生科学概念的理解，转变错误概念、模糊观念。例如，Russell等运用4M：CHEM在500名大学生中实施研究。该模型整合了宏观现象、微粒运动及有关图形、图表、化学符号、方程式等内容。结果显示，学生在后测中化学成绩显著提高；56%的学生（前测中则只有32%）能对科学概念（“化学平衡体系”）进行准确的描述和定义；学生在错误概念题上的得分从前测的0.5减少到后测的0.2。Ozmen等整合了计算机微观动画模拟与概念转变学习材料，研究它们对学生化学键模糊概念矫正的影响。他们总共设计了16个计算机模型和7份概念转变学习材料，在11年级展开准实验研究，发现在化学键概念后测中实验组学生的成绩显著高于控制组，而前测中两者没有显著差异。Ozmen等指出，整合计算机模型与概念转变学习材料的教学方法，能有效促进学生对化学概念的理解和模糊观念的矫正。
Vosniadout从心智模型视角解释了计算机模型促进概念转变的内在机制。形成心智模型是人类认知的最基本特征，人类通过建构心智模型来认识、理解世界。心智模型对概念发展和转变具有重要意义，强烈、实质性的概念转变需要心智模型的根本重构。心智模型的转变是学生科学概念转变3种主要形式之一。心智模型（内部模型，即人头脑中的模型）和外部模型（物质世界中的模型）之间是动态、相辅相成的关系。心智模型是外部模型的基础，外部模型反过来制约、规定心智模型，提供概念转变的意义。计算机模型可以使学生的心智模型与外部模型发生耦合。一方面，计算机模型帮助学生连接现象与模型，内化、建构、精致或重构心智模型；另一方面，学生的心智模型可以通过计算机模型进行外化、表达；在双向互动过程中，促进概念的理解和转变。
（3）计算机模型与建模学习
近年来，越来越多学者意识到模型与建模对学生科学学习的重要意义，各国现行科学教育（课程）标准突出强调学生对科学模型的理解和运用。与此同时，大量研究证实基于计算机模型的学习和教学能有效发展学生模型理解与建模技能。例如，Fretz等研究发现，建模工具（Model-It）作为支架能有效支持学生完成绝大多数建模活动，促进建模技能的发展。Snir、Smith和Raz开发了物质微粒性计算机模型，该模型包含了4个窗口：（a）化学实验，即实验模拟，提供宏观现象；（b）问题与思考，设计一些问题要求学生回答，旨在引发学生对宏观现象的思考；（c）模型，提供不同模型，它们分别从不同视角解释同一现象，学生可以比较、选择自己更为满意的微观解释模型；（d）模型探索，允许学生用所选择的具体模型来探索现象，检验自己的想法与假设。该研究表明，这些计算机模型不仅帮助学生内化物质微粒性假设，同时帮助学生建立“一个好的模型可以在更大范围上解释事实，而非仅展示某个现象”的认识论观点。Sins等进一步研究发现，学生对计算机模型、建模的认识论理解（即模型的性质、模型的目的、建模过程以及模型的评估）与思维深加工具有显著正相关，而与思维浅加工显著负相关。
Taylor认为计算机运用于教育主要有两种模式：指导一训练模式、工具一探究模式；前者是计算机控制教学内容，计算机用来呈现有关事实信息、训练学生；后者是学生控制学习环境、内容，计算机作为一种工具让学生探究计算机屏幕上所展现的世界。计算机建模环境偏向后者，可以充分给学生提供机会探究模型工具上所展现的现象、特征以及背后所隐含的科学模型与概念，更重要的是理解科学模型的本质以及训练建模的基本技能。
（4）计算机模型与科学探究
Geban等通过对200名九年级学生长达9周的计算机仿真实验研究，发现基于计算机的仿真实验及问题解决活动能显著提高学生的科学过程技能。de Jong和van Joolingen在大量文献研究基础上归纳出计算机模型能有效支持学生科学探究的5个方面：（a）提供科学探究所必需的学科背景知识；（b）支持猜想与假设的形成；（c）支持实验设计；（d）支持作出预测；（e）支持自我调节学习过程。Quintana等建构了支持科学探究活动的计算机模型支架性设计框架，该框架围绕科学探究过程的三个成分展开（即意义建构、过程管理、表达与反思），包含了模型任务、障碍、支架原则与策略、建模工具样例等要素。实践证明，该框架为如何运用计算机建模软件作为脚手架支持学习者科学探究活动提供了理论基础和方法论依据。不少学者研究了基于计算机模型（仿真）探究活动中学生的学习特征、影响因素。Lazonder等对55名大学新生进行基于计算机仿真科学探究活动的实验研究发现，对于前知识较为缺乏的学生，在探究活动之前及之中提供相关学科知识信息，有助于学生进行科学推理和科学知识的获得。Mulder等比较了基于计算机模型的探究性学习环境下两类建模进程，即模型序列进程（即一开始呈现理想模型，包含所有变量，变量关系逐渐深化，学生逐步建构完整、特殊模型）、模型精致进程（即随着建模进程逐个增加变量，学生从简单到复杂、低级到高级、单一到综合进行建模）。结果表明，计算机模型探究性学习环境下，模型进程方式有助于学生任务的完成、提高探究技能，其中模型序列进程优势更明显。可见，基于计算机模型的探究活动有助于学生获得科学知识、提高探究技能、发展科学过程与方法。
（5）计算机模型与认知发展
Ogbors提出，相当一部分人在逻辑、数学、抽象思维等方面十分欠缺，而计算机在某种程度上可以促进这些高级认知技能的发展。他以WordMake、LinkIt为主要工具，进一步证实了计算机模型有助于发展学生的定性推理（即利用对物体、事件的想象进行推理）、半定量推理能力。Pallant和Tinker以计算机建模环境Molecular Workbench和Pedagogica中的分子运动模型为主要工具研究学生微观水平的推理。研究发现，学生通过探究分子运动水平上的物质模型，可以较好地建构物质状态心智模型，精确地再现不同状态下物质微粒的排列情况，并进行原子间相互作用思维推理。Sins等研究揭示，计算机模型环境下学生要完成较为复杂的任务，需要进行深度认知活动，如建立观点之间的联系、寻找规律和原则、整合新信息与先前知识经验等，从而发展深刻思维加工能力。
2 基于计算机模型的教学研究
计算机模型在教学中的应用十分广泛，相关研究文献也相当丰富。Stieff以ConnectedChemistry为例，总结出计算机模型在化学课堂中的几种应用方式：（a）作为可视化工具用于教师演示和讨论；（b）作为实验仿真让学生进行实验；（c）作为反馈工具，用于家庭作业，让学生自学和问题解决；（d）模型修改、建模活动。PhET项目组所开发的仿真科学实验大量运用于实验室实验、家庭作业、可视化辅助、小组活动及演示中。Khan以化学平衡为例，提出了基于模型教学的五个原理：（a）基于已有心智模型对化学平衡作出预测：（b）在两个变量间建立关系；（c）提供背后机理的解释；（d）运用类比支持关于模型的解释；（e）评估初始模型；（f）修改模型。price等运用计算机模型于学生讨论活动，从“交际法”、“基于模型的共同建构法”两种理论视角提出了系列教学策略：现象观察-计算机仿真-极端案例-状态图形。每一策略包含若干“驱动”方式，如计算机仿真涉及向学生介绍计算机模型所代表的意义、使学生专注于计算机模型（如情境化、预测、强调、批判）。研究发现讨论和仿真的协同作用能提升学生的参与、促进理解以及思维推理。此外，Ozmen实证了计算机模型与概念转变学习材料相互整合的教学方法；Liu强调计算机模型与真实实验相结合的教学形式比单一教学（计算机模型或实验）更有效。Wei、Liu提出了基于计算机模型的形成性评价教学策略。
3 基于计算机模型的评价研究
随着计算机模型广泛运用于科学教学中，如何测量、评价学生基于计算机模型的学习效果则显得十分必要，然而目前这方面的研究较为欠缺。本文第一作者曾以Rasch测量理论为指导，开发了基于NetLogo模型的物质概念理解测验量表，包含3个理解水平，由15道选择题、3道开放题组成，这些题目针对作者基于NetLogo设计的“化学反应”模型。例如，“程序界面右侧的图形中，曲线的变化意味着_____。A.物理变化B.化学变化C.温度变化”（选择题）、“请用相应的文字及图画描述本活动中所发生的化学反应”（开放题）。学生先用10～15分钟操作计算机模型，然后独立回答问题，测试数据运用Rasch模型进行建模和分析。Liu等开发了10套计算机模型形成性评价量表，每个量表涉及三个维度（物质、能量、模型），包含24道等级选择题（即备选项高低不同的理解水平而非对错）、1道开放题。研究结果显示，这些量表具有良好的信效度，能有效揭示学生基于计算机模型的学习特征与发展规律。
4 基于计算机模型的教师研究
Stylianidou等曾对8位科学教师进行个案研究，发现教师还不能充分、自觉地运用信息工具于教学中，但他们面临的这些压力正日益增加；制约教师顺利实施教学改革的因素是多方面的，其中认识因素很重要；教师越是能充分意识到计算机建模在具体实施中以何种方式变革课程以及不同的因素如何影响教师的转变，他们就越能选择实施新的想法。Valanides等研究显示，小学职前教师进行基于计算机模型的学习与教学之后，能够十分清晰地认识到科学模型对科学教与学的重要意义，能正确建构科学模型，并积极利用它们作为教学支架应用于教学设计中；而在此之前，这些教师完全忽视了模型和建模在科学教学与学习中的作用；然而他们仍需要广泛学习以充分理解科学模型的建构过程。尽管教师意识到计算机模型对学生科学学习的作用，但他们关于模型、建模、计算机模型、教学法（PCK）以及技术的使用知识仍十分缺乏，这直接影响着计算机模型的教学成效；而教师这些方面的发展较为复杂和非线性，仅仅接触、意向是不够的，教师需要更多的体验、练习以及更深入地实践与反思。
三 启示
当今世界，科技飞速发展，现代信息技术正猛烈冲击、深刻变革着教育领域，成为人们获取和运用知识的重要途径。计算机模型与建模具有独特的教育意义，开辟了信息技术与学科教学整合的新范式，势将成为教育领域的一个重要趋势。中国这些方面的研究与实践仍显得相对滞后。现有文献仍主要集中在对国外计算机建模工具的介绍与评析，少有研究深入探讨这些计算机模型如何与学科教学整合以及该学习环境下多种教学要素的特质与规律。适合我国科学教学的计算机模型开发的讨论也并不多见。曾有机构开发了少数中学科学仿真实验，但并未得以充分推广、普及。无疑，国外先进的经验对我国相关领域研究具有重要启示。
1 计算机模型的设计应基于一定的理论与实证研究
D.H.乔纳森论及技术与学习的关系时强调，学习者不是从技术中获得知识，而是从思考中学习；应该将技术作为一种能够帮助学习者阐释和重组个人知识的思维工具，利用技术来帮助学习者更为有效的思考；教育者与其费尽心思分析如何让技术教得更好，不如考虑学生如何思考才能获得更富有意义的学习。因而，在开发、运用计算机模型时，应当把学生如何学习作为根本出发点和依据。本文述及的计算机模型及其相关研究，大都基于一定的学习、心理理论，如表征、概念形成与转变、心智模型、认知加工等。此外，要使计算机模型最大限度帮助学生学习，需要基于大量的实证研究。例如，PhET项目组建立了基于研究的设计思路，通过反复实践、评价、反馈、改进，使得仿真实验最大程度上达到课堂教学需求、体现教学价值。
2 开发优质的计算机模型需要多个领域专家的参与
事实上，一个完美的计算机模型是多种智慧的集合体，包括学科知识、学习科学、计算机技术、艺术、教学论等。纵观现今较为流行的计算机建模工具、平台或环境，其团队成员常常来自不同领域。例如NetLogo项目组包括课程开发者、认知科学家、学习与教学设计专家、程序员、学科人员、中小学教师、网络技术员、管理者等。不同领域人员可以从各个角度对计算机模型的设计、运用提供专业化支持，从而保证其科学、合理、美观、实效等。
3 教学中计算机模型的运用要注重适切性、实效性
计算机模型设计者往往基于不同的目的、立场进行设计，然而教学实际总是丰富多样甚至迥然不同的，体现在课程标准、教材内容、学生思维特点与水平、学习环境、教学条件等方面。因此，教师需要筛选、二次加工或者根据教学实际进行重新设计。有些现成的模型过于复杂、综合，教师要根据学生认知水平或教学需要把握好计算机模型的难度。一些建模工具会提供程序代码（如NetLogo、PhET），可以通过改编程序修改模型。由于计算机模型在我国起步较晚，现行大多数模型都是英文界面，如果要用于我国课堂中，需要进行翻译或者向学生提供中英文对照辅助材料。
