計算機模擬教學改革中的問題研究

陳天凱

引言：隨著高職院校的不斷發(fā)展，職業(yè)教育規(guī)模不斷擴大，教育水平不斷提高。但由于經(jīng)費投入、設(shè)備更新、場地限制和擴招等因素，許多高職院校仍存在設(shè)備資源緊張，學生操作技能練習不足等問題，極大地降低了學生的動手能力和就業(yè)競爭力。模擬技術(shù)的出現(xiàn)可以說為計算機教學的實施與信息化建設(shè)帶來了革命性的變化及意義。

計算機模擬教學是近年來流行起來的一種新型的教學模式，它不僅要求學生由外部刺激的被動接受者和知識的灌輸對象轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓庸さ闹黧w，而且要求教師要由知識的傳授者、灌輸者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生的幫助者、促進者。這就要求教師應當在教學過程中采用全新的教學模式、教學方法和教學設(shè)計思想、著重強調(diào)要為學生提供模擬的仿真情景，為學生創(chuàng)設(shè)一種開放的、主動的、發(fā)現(xiàn)式的探索式的學習環(huán)境，發(fā)展學生的高級思維能力和問題的解決能力。

一、高職院校課程特點對模擬教學的需求

目前高職院校課程普遍具有概念多、專業(yè)術(shù)語多及體系復雜等特點，歸納為以下幾個方而：

1、課程的內(nèi)容多，課時少。教師幾乎要利用全部時間來講授新內(nèi)容，沒有多少時間重復和練習，傳統(tǒng)的花費時間較多的交互式教學環(huán)節(jié)可能不適用學生對操作類課程的知識和技能的掌握。

2、教學內(nèi)容枯燥，內(nèi)容抽象，專業(yè)術(shù)語和概念多。從教學上來看，其內(nèi)容顯得抽象乏味。傳統(tǒng)教學教師難以提煉出精彩的講述內(nèi)容，學生難以理解。

3、高職院校理工類課程大多具有實踐性強，以傳統(tǒng)的課堂教學形式難以理解。

4、絕大多數(shù)高職院校教學實驗設(shè)備不完善，即使有部分設(shè)備，也難以達到較理想的實驗效果。高職院校專業(yè)教學很有必要采取新的教育模式和教學方式，將計算機模擬與仿真技術(shù)用于工科課程的理論與實踐教學中，解決工科專業(yè)課程中存在的諸多問題。

二、模擬技術(shù)引入計算機教學中的優(yōu)勢

模擬技術(shù)可以根據(jù)不同的需要應用于不同的地方，實現(xiàn)一機多用，同時節(jié)省了維護的費用。模擬技術(shù)給教學實驗提供了一種有效的工具，不僅可以緩解當前實驗設(shè)備和場地不足的問題，而且在模擬系統(tǒng)上的操作不影響實體機，可在一定程度上提高設(shè)備的安全性，減少實驗室的管理難度，提高教學效率，既節(jié)約資源又降低了成本。

模擬教學，可以彌補網(wǎng)絡(luò)實驗教學過程中的許多不足：在無法接觸實際物理設(shè)備的情況下，仍能開展教學和學習活動；模擬軟件能模擬出盡可能齊全的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和實驗環(huán)境，而這恰恰是真實環(huán)境下由于資金和條件的限制不可能完全做到的；模擬仿真教學，設(shè)備不存在損壞問題，能反復進行實驗操作，能有效地解決設(shè)備損耗問題；環(huán)境制約不大，學生可以把實驗軟件安裝在自己的電腦上，得用課余時間進行實驗，更好理解課堂教學內(nèi)容；有益于學生自然地完成從理論到實踐的過渡。

使用靈活，利于學生自主學習。不論實物儀器設(shè)備有多么笨重，采用仿真教學，都可以把它裝在電腦里，可以裝在筆記本電腦中隨時帶到任何一個地方，因此使用起來很靈活。并且，在學校安排學生實驗或?qū)嵱枙r，也很方便，教師上課演示也達到了前所未有的便利。

有些仿真軟件是綜合多個相關(guān)學科的功能與一身，一個軟件可以適用于多個學科來使用，比如FLOTHERM軟件采用先進的有限體積法求解器，可以在三維結(jié)構(gòu)模型中全面分析電子系統(tǒng)的熱輻射、熱傳導、熱對流以及流體溫度、流體壓力、流體速度和運動矢量等。FLOTHERM軟件可以應用在通信行業(yè)、計算機、半導體/集成電路/元器件、航空航天、國防電子、電力與能源、汽車電子、儀器儀表、消費電子。

提高學習效率。在使用仿真軟件后，原先需要很長時間才能做好的事情，可以在短時間內(nèi)高效的完成，比如電路圖的連接，在實際操作中不論是用面包板插元件連接還是焊錫焊接，效率都不高，在電腦中，只需用鼠標輕點需要連接的對象即可，大大提高效率。而且在儀器儀表的使用上，仿真軟件直觀的獲得測量的結(jié)果，而在實物試驗中，要調(diào)整、校對、讀數(shù)，占用大量時間。在一般的仿真軟件中，會提供技術(shù)參數(shù)或文檔生成功能，需要的一些文字材料可以直接生成，大大節(jié)約了文字輸入的時間。

提高實驗安全。高職院校的專業(yè)課程教學中，有時候需要進行破壞性實驗或模擬故障實驗，例如電子電器中的極限電壓實驗、電子制作完成后加電實驗、電器故障模擬實驗等。這些實驗有些將破壞實習元件，有些具有安全隱患。這時候，我們采用計算機系統(tǒng)配合仿真軟件進行演示實驗和觀察，無疑將帶來很大的方便。

三、模擬教學設(shè)計中的技術(shù)應用

1、計算機動畫模擬軟件技術(shù)

計算機動畫模擬軟件主要是通過計算機以及專業(yè)軟件輔助制作動畫作品。使用計算機動畫模擬軟件與傳統(tǒng)動畫設(shè)計原理基本相同，主要是采用圖形與圖像的數(shù)字處理技術(shù)，再加上動畫制作軟件生成動態(tài)的靜物畫面，其中當前幀畫面是對前一幀的部分修改。計算機動畫模擬軟件是由計算機專業(yè)人員開發(fā)的制作動畫的工具，使用這一工具不需要用戶編程，通過簡單的交互操作就能實現(xiàn)計算記得各種動畫功能不同的動畫效果，取決不同的計算機動畫軟硬件的功能，雖然制作的復雜程度不同。現(xiàn)階段常用的動畫制作軟件包括：Softimage3D，Alias/Wave front MAYA，3DStudio Max。其中Softimage 3D是一個綜合運行于SGT工作站和Windows NT平臺的高端三維動畫制作系統(tǒng)；Alias/Wave front MAYA具有最先進的動畫及數(shù)字效果技術(shù)，該軟件不僅包括一般三維以及視覺效果制作的功能，而且還與最先進的建模、數(shù)字化布料模擬、毛發(fā)渲染、運動匹配技術(shù)相結(jié)合。

2、碰撞檢測與分類

所謂碰撞檢測就是判斷2個對象是否發(fā)生重疊，一般碰撞檢測大致分二維（2D）碰撞與三維（3D）碰撞的檢測。一開始的時候碰撞測試是運用在模擬和機器人技術(shù)上的。這些工業(yè)上的碰撞檢測要求非常高，而碰撞以后的響應也是需要符合現(xiàn)實生活的，是需要符合人類常規(guī)認識的。目前二維碰撞算法比較成熟，種類也比較多，在游戲中，二維碰撞檢測運用的比較多。而三維碰撞的算法目前還沒有比較好的解決方案。

判斷操作對象與目標對象是否發(fā)生重疊，常見的碰撞有以下幾種：矩形碰撞、像素碰撞、坐標軸分離檢測、圓形碰撞、線性碰撞等。其中矩形碰撞和圓形碰撞碰撞的檢測效率是最高的，但是精度不高，誤差很大，其他幾種檢測的精確度比較高。

總之，模擬技術(shù)不僅僅是一種新的教學方法，而且是一種將理論與實踐相結(jié)合的新的教學手段，模擬教學是具有綜合作用的教育手段，學生置身于仿真環(huán)境中，可以充分調(diào)動感覺，運動和思維，極大地提高了學習效率，可以肯定的說，模擬教學也是高職教學的一個發(fā)展方向，它最終會對高職教學實踐產(chǎn)生重大深遠的影響。

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（作者單位：黑龍江職業(yè)學院）