计算机模拟仿真技术

实验7 计算机模拟仿真技术

7.1 计算机模拟仿真技术

计算机技术的高速发展，使人类社会进入了信息时代。教育作为社会发展的一个重要支柱，其现代化的实现是必然趋势。计算机多媒体教学近十年来在国际、国内已经有了很大的发展。

计算机模拟实验又称计算机仿真实验或计算机虚拟实验，是近几年在计算机多媒体教学中开辟的新领域。它通过计算机把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一体，形成了一部活的、可操作的物理实验教科书和根据需要在瞬间建立的模拟实验室。

计算机模拟物理实验的出现打破了教与学、理论与实验、课内与课外的界限，它更加强调实验的设计思想和实验方法，更强调实验者的主动学习；通过计算机模拟实验，学生对物理思想、方法、仪器的结构和设计原理的理解，都可以达到训练实验技能、学习物理知识的目的，增强了学生对物理实验的兴趣，提高了物理实验的水平。目前，模拟实验已成为现代化物理实验的重要手段。

计算机模拟实验系统运用了人工智能、控制理论和教师专家系统对物理实验和物理仪器建立其内在模型，用计算机可操作的仿真方式，实现了物理实验教学的各个环节。

计算机模拟实验的系统设计如图7-1-1所示。在主模块下由系统简介、实验目的、实验原理、实验内容、数据处理、实验思考题等六个模块组成。每个模块在主模块后调用。

图7-1-1 模拟实验模块的设计图7-1-2模拟实验设计过程模拟实验系统通过解剖教学过程，使用键盘和鼠标控制仿真仪器画面动作，来模拟真实实验仪器，完成各模块中相应的内容。在软件设计上，把完成各模块中的内容看作是问题空间到目标空间的一系列变化，从此变化中找到一条达到目标求解的途径，从而完成仿真实验过程。在此过程中，利用丰富教学经验编制而成的指导系统可对学生进行启发引导，系统可按照知识处理过程对模块进行设计，其设计过程如图7-1-2所示。

系统给出需要求解的问题，即需要进行的操作。系统通过用户接口给出相应的图像、文字和指导内容，用户根据得到的信息进行判断、输入。输入的信息由预处理部分转化为内部命令，模型接收到指令后，在指导系统的参与下，利用产生式的规则处理得到相应的结果，并将结果传输到图像模拟部分，最终以图像和文字的形式显示在计算机屏幕上。同时，指导系统根据得到的相应结果，在计算机屏幕上显示出指导信息，用户通过软件中指导系统和模型算法的交替作用过程，完成仿真实验内容。

计算机模拟实验具体操作说明，参见计算机中的模拟仿真实验软件。

计算机模拟仿真物理实验（即物理虚拟实验）简介：

在虚拟实验室内提供了力学、热学、电磁学、光学和近代物理实验的平台。并提供有相应的虚拟仪器，如示波器、干涉仪、分光计、单摆、三线摆、伏特表、安培表、滑线变阻器等，学生可根据实验要求完成各类虚拟实验，并在实验报告环节完成实验报告，提交服务器或教师批改。

1.实验预习

实验预习包括有对实验内容、实验方法、实验仪器的了解。在这个环节中，将实验相关的内容以文字、图像、动画、课件等方式通过网页发布，或提过给教师审阅；学生可以先在计算机上熟悉仪器设备，模拟操作和预习实验，并可通过交互方式提出问题并解答。为了检查学生的预习情况和效果，对学生的实验方案设计和预习思考题解答，教室和实验室管理人员可通过网络（或课前）进行收集整理、审阅，以决定学生是否可以进行实验。

为了具体实验的预习环节，首先进入模拟仿真实验（“虚拟实验”）项目，在其中选择相应的实验单元项目，进入实验内容列表，选择具体实验项目。在具体实验页面中，有以下内容可供选择：

（1）实验内容预习-----实验目的、原理、方法等；

（2）异步授课-----实验之前和实验当中教师讲解；

（3）仪器介绍----实验仪器设备介绍；

（4）实验要求-----实验的具体要求及注意事项；

（5）预习检查-----检查预习情况及效果，以确定是否允许进行实验。

2.教师讲授

学生可以在现场或通过网络以视频的方式观看教学水平较高的教师针对具体实验进行的讲解。可以教

学互动，提出相应的问题，提交系统或教师解答。

3.虚拟实验

选择虚拟实验功能项，即可进行虚拟实验的操作等内容。

力学、热学实验：首先按照实验要求，选择实验类型，确定实验参数，然后“开始实验”，系统将根据所设定的参数进行实验，并记录实验数据及结果。

电测学实验：首先要进行仪器摆放和调整，从仪器库中选择必要的实验仪器；然后根据实验要求，连接实验线路，调整仪器状态；最后开通电源，系统即进行实验，并记录实验数据。

光学和近代物理实验：首先选择实验仪器，并将其放置在适当的位置，调整实验光路及线路，然后“开始实验”，观察实验现象，并记录实验数据。

4.实验检查

主要目的是对学生的实验效果进行检查、检验。学生操作完成一个具体实验后，输入必要的数据，将学生的实验数据进行自动分析，并根据具体情况对学生的实验提出具体的建议和指导。具体的操作方法是：进入实验数据检查页面，输入实验记录数据，即可在线得到实验结果的评价以及对实验的建议。

5. 实验报告

实验报告是学生完成实验测量后的分析和总结，是学生实验素质培养的一个重要环节。学生的实验报告应独立完成，可通过网路（或当面）提交给教师，类似传统教学的环节，教师批改后，可将批改结果通过网络（或当面）发还给学生。教师也可根据实际情况，在网上进行实验讲评。

7.2 计算机数值模拟与数据处理实验

计算机数值模拟方法是从基本的物理定律出发，用离散化变量描述物理体系的状态，然后利用电子计算机计算这些离散变量在基本物理定律制约下的演变，从而体现物理过程的规律。计算机数据处理是应用计算机强大的计算能力，通过编写一定的程序，处理实验中得出的大量复杂数据，从而达到提高实验效率与实验精度。

计算机数值模拟实验是在计算机中进行的实验，虽然它不能代替真实的物理实验过程，但确实是一种极其重要的实验方法。它是通过大量“个例”来研究特定的物理过程，能够反复进行，而且能方便地控制和调整参数，在理论研究和实验之间搭起了一座“桥梁”。数值模拟可以研究一些非常复杂的过程，而理论研究必须做出许多简化假设才能处理这些过程，简化则意味着可能丢失许多重要的因素，这就使得数值模拟可以更全面地了解一个物理过程，而且还可能发现新的物理现象。另一方面，数值模拟也能够为实现观测方案提供理论的支持，对大型实验装置进行评估，对实验条件或实验参数进行优化选择，以避免造成极大的经济损失和人力浪费。随着计算机性能的高速发展，数值模拟在各门学科的研究中应用将更加广泛，起到越来越重要的作用。

在实验过程中，我们会得到大量的数据，如何找出这些数据之间的联系及绘制出相应的函数图形是我们在处理实验结果时经常遇到的问题。传统的方法中，一般采取手工计算数据及用坐标绘图。这种情况下，不仅耗费了大量的人力资源，而且实验结论的精度远远达不到要求，实验效率极低。目前，计算机已大量普及，而且高级编程语言也易于掌握。引入计算机编程进行实验数据处理，一方面可以提高实验效果，另一方面可以促使学生将所学的计算机知识应用到解决具体的物理问题中来，提高其综合能力。

一、实验目的和要求：

1．参考有关文献资料，了解和掌握通过计算机编程和实验的方法；

2．学习和掌握计算机数值模拟与计算及处理数据的基本方法和步骤。

二、数值模拟的基本方法：

1．建立物理模型：导出适当的数学方程；给出切合物理实际的初值条件和初始条件；