基于Matlab語言的測(cè)試技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)

王新華 邵海燕 宋方臻 馬玉真

濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 山東濟(jì)南 250022

基于Matlab語言的測(cè)試技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)

王新華 邵海燕 宋方臻 馬玉真

濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 山東濟(jì)南 250022

針對(duì)普通高校研究生教學(xué)尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，提出了開發(fā)以自主學(xué)習(xí)為主的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的思路，并以機(jī)械類課程測(cè)試技術(shù)為例，對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

Matlab語言；仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；測(cè)試技術(shù)

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

多年來，我國高校實(shí)驗(yàn)室一直延續(xù)著以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)方法，新技術(shù)很難反映到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。由于各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，且實(shí)驗(yàn)儀器短缺，學(xué)生只能機(jī)械地模仿或簡(jiǎn)單地得到數(shù)據(jù)，很難保證實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量與水平。按照傳統(tǒng)的教學(xué)思想，教師盡量地多講解，多傳授，學(xué)生只能被動(dòng)地接受教師的思想，在實(shí)驗(yàn)中模仿教師的實(shí)驗(yàn)過程得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使學(xué)生失去了主動(dòng)思考的機(jī)會(huì)。即使順利完成的實(shí)驗(yàn)，印象也不會(huì)很深。

其實(shí),學(xué)生的創(chuàng)造潛力是很大的,在近幾年的研究生教學(xué)實(shí)踐中,我們嘗試了從教師安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容到學(xué)生自己根據(jù)需要完成實(shí)驗(yàn)的過渡,結(jié)果發(fā)現(xiàn),學(xué)生的興趣大大增強(qiáng)了,積極思考并動(dòng)手操作,很好地彌補(bǔ)了理論學(xué)習(xí)的不足。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，如激光、遙感和計(jì)算機(jī)技術(shù)等，其實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)正迅速發(fā)展，這是任何一門理論課都不能包括的內(nèi)容。如果目前我們?nèi)匝永m(xù)以前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，這些新技術(shù)很難反映到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。為了適應(yīng)開放性實(shí)驗(yàn)的需要，我們實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)積極主動(dòng)地開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不斷上檔次、上水平，把新技術(shù)、新材料應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中，更好地適應(yīng)現(xiàn)代化的教學(xué)環(huán)境。

1 當(dāng)前大學(xué)教育的特點(diǎn)

大學(xué)教育是培養(yǎng)我國社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)高層次人才的重要渠道，肩負(fù)著振興中華的偉大歷史使命。自主學(xué)習(xí)應(yīng)逐漸成為學(xué)生學(xué)習(xí)的主要途徑，隨著學(xué)生人數(shù)的增加，教學(xué)資源的優(yōu)化成為比較突出的問題。

在教學(xué)方法上，應(yīng)擺脫以教師講課為主的課堂灌輸，采用啟發(fā)式、討論式等多種教學(xué)方法，鼓勵(lì)師生互動(dòng)，在爭(zhēng)論和反思中一起研究、共同探討。還要避免教學(xué)途徑單一化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和自我學(xué)習(xí)的有機(jī)結(jié)合。

在教學(xué)過程中要求學(xué)生參與具體的過程，進(jìn)行體驗(yàn)，教師不僅傳授知識(shí)，還要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探索，不是把現(xiàn)成的知識(shí)告訴學(xué)生，而是讓學(xué)生嘗試去發(fā)現(xiàn)科學(xué)知識(shí)的內(nèi)在規(guī)律。因此，為學(xué)生提供良好的自主學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)和環(huán)境十分必要。

2 建立仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的必要性

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是保證課程整體教學(xué)效果的重要環(huán)節(jié)。在素質(zhì)教育中，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)顯得極為重要。針對(duì)我院學(xué)科建設(shè)的需要，結(jié)合學(xué)校加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)意圖，我們提出了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教改構(gòu)想。

測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)室是機(jī)械學(xué)院教學(xué)實(shí)驗(yàn)基地，承擔(dān)學(xué)院各專業(yè)多門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。該實(shí)驗(yàn)室實(shí)行面對(duì)本科生、研究生、教師全面開放運(yùn)行模式，為課程實(shí)驗(yàn)、學(xué)生課外科技活動(dòng)、教師科研提供了良好的實(shí)驗(yàn)和科研場(chǎng)所，深受師生和專家的肯定和好評(píng)，但是，隨著教改和學(xué)科建設(shè)的深入，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)方式提出了越來越高的要求，由于經(jīng)費(fèi)限制，該實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)已經(jīng)滯后于教改和學(xué)科建設(shè)的步伐。

目前，普通高校實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)器材相當(dāng)匱乏，學(xué)生普遍反映，課程缺乏實(shí)踐環(huán)節(jié)，過于抽象。以我校機(jī)械學(xué)院開設(shè)的機(jī)械類課程測(cè)試技術(shù)為例，課程涉及許多信號(hào)的分析，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多是對(duì)理論知識(shí)的驗(yàn)證和再現(xiàn)，且各儀器都有一定的局限性，這不僅影響到課程教學(xué)質(zhì)量、學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也有悖于實(shí)驗(yàn)與教學(xué)相結(jié)合以及實(shí)事求是的教學(xué)方針。

為了給學(xué)生提供一個(gè)良好的自主學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)環(huán)境，我們開發(fā)了基于Matlab語言的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源，發(fā)揮計(jì)算機(jī)硬件、軟件的優(yōu)勢(shì)，將課程中涉及的信號(hào)以及實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行仿真，給學(xué)生建立直觀、形象的認(rèn)識(shí)，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。學(xué)生在由仿真實(shí)驗(yàn)到具體實(shí)驗(yàn)的過程中，可以反復(fù)分析、挖掘相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)可以自主安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不受課時(shí)和儀器的限制。

3 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)容

Matlab語言是集數(shù)學(xué)計(jì)算、圖形處理和程序語言設(shè)計(jì)于一體的著名數(shù)學(xué)軟件，可實(shí)現(xiàn)交互式的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真，可以處理線性、非線性、連續(xù)、離散、多變量、多級(jí)系統(tǒng)。利用該軟件與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的硬件設(shè)備，開發(fā)完成仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，包括：一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)幅頻特性的測(cè)試；周期信號(hào)的波形及特征參數(shù)、幅頻特性；非周期信號(hào)的波形及幅頻特性；隨機(jī)信號(hào)及相關(guān)函數(shù)；理想濾波器、實(shí)際濾波器的特性及相關(guān)濾波；信號(hào)的調(diào)制、電橋放大與解調(diào)；窗函數(shù)與截?cái)?；采樣定理及?shù)字化過程。

以下是幾個(gè)典型的仿真實(shí)例，圖1為一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)，通過2個(gè)信號(hào)的輸出可以看出一階系統(tǒng)與二階系統(tǒng)的特性區(qū)別，從中可以看出二階系統(tǒng)的不平穩(wěn)性。

圖1 一階及二階系統(tǒng)階躍信號(hào)的響應(yīng)

圖2(a)(b)為低通濾波器和高通濾波器的幅頻特性，從中可以看出2種濾波器對(duì)不同頻率信號(hào)的響應(yīng)特性，圖3為方波信號(hào)通過低通濾波器的輸出響應(yīng)，由于濾波器的截止頻率fc=1Hz，方波信號(hào)的周期T=2s，因此，輸出信號(hào)只有單一頻率的正弦信號(hào)。

圖2 低通濾波器和高通濾波器的幅頻特性

圖3 方波信號(hào)通過低通濾波器的輸出響應(yīng)

圖4(a)(b)為2個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)進(jìn)行疊加與相乘的結(jié)果，可以看出低頻正弦信號(hào)與高頻正弦信號(hào)疊加與被調(diào)制后的結(jié)果有明顯的不同。

圖4 正弦信號(hào)與正弦信號(hào)的疊加和相乘結(jié)果比較

從以上實(shí)例可以看出，該仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅適用于測(cè)試技術(shù)課程的教學(xué)，也適合于其他相關(guān)課程的應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)了多專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)共享，大大提高了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的效率，并且學(xué)生可根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行不同程度的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可滿足學(xué)生自擬目標(biāo)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)在機(jī)械類課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中起到了非常重要的作用，以往抽象的信號(hào)變得非常直觀，學(xué)生可以根據(jù)需要點(diǎn)擊相應(yīng)的信號(hào)，對(duì)信號(hào)的形式、波形變化、響應(yīng)結(jié)果都可以直接查看,在沒有硬件資源的前提下，也可以形象地分析、處理，操作靈活、方便，尤其在綜合性實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以通過本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，事先了解測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)的綜合內(nèi)容，然后根據(jù)自己的想法設(shè)計(jì)、安排實(shí)驗(yàn)，起到了很好的指導(dǎo)作用。

為有效利用現(xiàn)有教學(xué)資源，進(jìn)一步挖掘?qū)W生學(xué)習(xí)的潛力，提高其學(xué)習(xí)的自主性和興趣，學(xué)校應(yīng)該加大資金投入，教師應(yīng)該加大精力投入，使研究生教學(xué)更上一個(gè)臺(tái)階。

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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 稿件編號(hào)：1101059

王新華，本科，工程師。

山東省研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(編號(hào)：SDYY09028)，濟(jì)南大學(xué)教學(xué)項(xiàng)目(編號(hào)：JQ0904)，濟(jì)南大學(xué)精品課程建設(shè)項(xiàng)目(編號(hào)：JP0913)。