吳義鵬

(南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

仿真軟件在測試專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用探討

吳義鵬

(南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

本文以“動態(tài)測試技術(shù)”的教學(xué)過程為例，介紹了幾種典型計算機(jī)仿真軟件在測試專業(yè)課堂教學(xué)中的具體應(yīng)用，同時對教學(xué)效果進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，在處理好教學(xué)節(jié)奏的情況下，運(yùn)用仿真軟件教學(xué)能夠大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加知識面，加深對知識點(diǎn)的理解。

仿真軟件；測試專業(yè)；教學(xué)改革

0 引言

計算機(jī)軟件仿真技術(shù)最早出現(xiàn)在上世紀(jì)50年代，以電子模擬計算機(jī)為主機(jī)實(shí)現(xiàn)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字仿真技術(shù)在70年代末得到了普及和推廣。由于仿真軟件具有靈活性強(qiáng)、成本低、結(jié)果形象直觀等特點(diǎn)，如今已經(jīng)成為了科學(xué)研究、教學(xué)演示等活動中的重要工具之一[1, 2]。

高校測試專業(yè)是一門知識綜合性較強(qiáng)的專業(yè)，是以電工電子技術(shù)、自動測試技術(shù)、智能儀器技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機(jī)及電子信息技術(shù)為工具的高新技術(shù)專業(yè)[3, 4]。尤其是具有航空航天特色的我校航空結(jié)構(gòu)測試專業(yè)，更是集理論力學(xué)、材料力學(xué)、振動力學(xué)、機(jī)械設(shè)計等力學(xué)知識于一體。

在課時有限的條件下，我校該專業(yè)本科生所學(xué)到的基礎(chǔ)知識有限，專業(yè)基礎(chǔ)理論水平總體上偏弱。因此他們在上專業(yè)課時，經(jīng)常出現(xiàn)基本原理不清甚至概念錯誤的現(xiàn)象。以該專業(yè)“動態(tài)測試技術(shù)”選修課為例，該課程結(jié)合了測試技術(shù)基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、振動力學(xué)、自動控制原理等知識，知識面廣且知識點(diǎn)零散[5]。在教學(xué)過程中教師傳授的思維跨度大，在介紹具體知識點(diǎn)時若不結(jié)合形象的實(shí)例和仿真軟件，學(xué)生往往沒有直觀印象，出現(xiàn)不理解或?qū)W習(xí)不夠深入的現(xiàn)象。若能借助計算機(jī)軟件仿真技術(shù)，就可以幫助他們簡單、高效地解決上述的教學(xué)弊端。

本文就以“動態(tài)測試技術(shù)”課程的教學(xué)過程為例，以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和情景學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，介紹幾種典型仿真軟件在該課程教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用，并對學(xué)習(xí)效果及存在的問題進(jìn)行探討。

1 仿真軟件應(yīng)用實(shí)例介紹

1.1 Matlab數(shù)值仿真軟件

“動態(tài)測試技術(shù)”中多次涉及到二階系統(tǒng)建模問題，以圖1所示的彈簧阻尼二階測試系統(tǒng)為例，學(xué)生能夠輕松建立起系統(tǒng)動力學(xué)微分方程式(1)進(jìn)而推導(dǎo)出系統(tǒng)傳遞函數(shù)式(2)，通過對式(2)進(jìn)一步演算還能解釋相關(guān)特征參數(shù)對系統(tǒng)幅頻、相頻特性的具體影響。

圖1 二階測試系統(tǒng)模型

(1)

(2)

因此研究二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)具有非常重要的意義，但大多數(shù)學(xué)生對于系統(tǒng)傳遞函數(shù)公式的建立難以形成直觀地感受和理解。此時可借助Matlab數(shù)值仿真軟件對上述公式進(jìn)行直觀比較并教學(xué)演示。

Matlab是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)值計算、分析仿真功能，是測試專業(yè)學(xué)生應(yīng)該熟練掌握的應(yīng)用軟件之一。Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，也是其最重要的組件，它提供了一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，具有無需大量書寫程序代碼、流程清晰、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)。

圖2(a)所示即為基于二階測試系統(tǒng)動力學(xué)微分方程及系統(tǒng)傳遞函數(shù)搭建的Matlab/Simulink仿真模型。其中輸入x(t)是一幅值恒定的正向掃頻信號，y(t)是系統(tǒng)對應(yīng)的響應(yīng)輸出信號。在課堂教學(xué)時可以邊演示仿真建模邊講解操作步驟，致使學(xué)生快速掌握Matlab的基本使用技能。

圖2(b)所示即為系統(tǒng)時域內(nèi)的仿真波形，由于輸入信號采用線性增加的掃頻方式，仿真時間與頻率正相關(guān)，通過簡單變換獲得對應(yīng)輸入信號下的頻率值。選擇波形圖中的橫坐標(biāo)放大控件，即可詳細(xì)觀察具體時刻下，輸入輸出波形的幅值及相位差。通過觀察波形，學(xué)生可以加深對系統(tǒng)傳遞函數(shù)的理解。

(a) 基于式(1)和式(2)的Matlab/simulink仿真模型

(b) 系統(tǒng)輸入輸出隨時間的變化波形圖2 二階測試系統(tǒng)的Matlab仿真圖

1.2 SPICE電路仿真軟件

“動態(tài)測試技術(shù)”教學(xué)過程中經(jīng)常需要講解濾波器、放大器、儀器儀表放大器等電路的工作原理及運(yùn)行結(jié)果。以圖3所示的最簡單的無源一階低通濾波器為例，學(xué)生根據(jù)模擬電路基礎(chǔ)理論可得到系統(tǒng)的微分方程式(3)，進(jìn)而推導(dǎo)出系統(tǒng)傳遞函數(shù)或幅頻響應(yīng)函數(shù)式(4)，通過幅頻響應(yīng)函數(shù)，可以直接推導(dǎo)出幅頻、相頻特性曲線。

圖3 無源一階低通濾波器原理圖

(3)

(4)

在此過程中，學(xué)生對于低通濾波器的理解可能仍會感到抽象。此時可借助SPICE電路仿真軟件對濾波器的功能進(jìn)行直觀了解。利用一種基于原始SPICE電路仿真軟件，經(jīng)過特別優(yōu)化的電路仿真軟件LTspice為此無源一階濾波器進(jìn)行仿真教學(xué)。

圖4所示即為這一階無源低通濾波器輸出信號波形的直觀顯示結(jié)果，其中濾波器的截止頻率為33.9 Hz，原始輸入信號x(t)為疊加有高頻噪聲的頻率為20 Hz的正弦波，經(jīng)過低通濾波器之后，高頻噪聲基本被濾除，獲得的濾波信號y(t)和我們期待的有用信號一致，僅僅存在一定的相位差。該波形信號直觀地演示了低通濾波器功能，不僅強(qiáng)化了學(xué)生對知識點(diǎn)的理解，也培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生使用電路仿真軟件的興趣和習(xí)慣。

圖4 無源低通濾波器的仿真輸出信號波形

此外，工科專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)模擬電路等基礎(chǔ)理論知識時，若能結(jié)合該軟件進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)，將能進(jìn)一步加深對模擬元器件(三極管、集成運(yùn)放等)功能的認(rèn)識和理解，起到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。

1.3 LabVIEW虛擬儀器仿真開發(fā)軟件

測試技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)深層次的結(jié)合正引起測試儀器領(lǐng)域里一場新的革命--虛擬儀器的概念出現(xiàn)。本著與時俱進(jìn)的要求，在“動態(tài)測試技術(shù)”的課堂教學(xué)中，很有必要著重介紹這一知識內(nèi)容。

虛擬儀器首先由美國NI公司提出，該公司同時提供了基于虛擬儀器技術(shù)的軟、硬件產(chǎn)品支持。LabVIEW就屬于NI公司研發(fā)的軟件產(chǎn)品，它所提供的圖形化編程語言已經(jīng)廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界認(rèn)可和接受。該編程語言盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此特別適合于測試專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)。另外，經(jīng)過特別設(shè)計，該軟件也可用于某些測控系統(tǒng)的仿真研究。

圖5所示即為基于LabVIEW開發(fā)的一輸電線結(jié)構(gòu)損傷檢測系統(tǒng)，界面顯示為正在接受數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)傳送過來的數(shù)據(jù)，類似于一臺虛擬示波器，另外該軟件還結(jié)合了相關(guān)算法，直接根據(jù)波形數(shù)據(jù)檢測輸電線是否受到損傷以及損傷的具體位置。通過該實(shí)例的演示，可以大大加深學(xué)生對于虛擬儀器的認(rèn)識：包括其簡便的程序和用戶界面開發(fā)，擁有智能處理測量數(shù)據(jù)的功能，具有低成本快速搭建測試系統(tǒng)的優(yōu)勢等等。

圖5 基于LabVIEW開發(fā)的虛擬儀器用戶界面

2 仿真軟件教學(xué)效果及存在的問題

經(jīng)過一學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐探索，筆者初步嘗試了基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論、情景學(xué)習(xí)理論的 “動態(tài)測試技術(shù)”課程的教學(xué)模式[6]。為了解該教學(xué)模式的先進(jìn)與否，筆者通過無記名調(diào)查問卷的方式在學(xué)期末對該教學(xué)嘗試作了簡單的研究分析。

需要指出的是，該課程屬于專業(yè)選修課，因此上課人數(shù)只有17人，實(shí)際收回調(diào)查問卷17份，問卷均有效。但是由于學(xué)生人數(shù)較少，并且教學(xué)過程中師生關(guān)系融洽，因此實(shí)際反饋的數(shù)據(jù)還不能完全作為該教學(xué)嘗試詳細(xì)研究的依據(jù)。

2.1 仿真軟件教學(xué)的有利效果

由于問卷調(diào)查的樣本數(shù)較少，加上學(xué)生主觀因素的影響，問卷調(diào)查結(jié)果幾乎一邊倒地肯定了以下幾個方面：①加深了對具體知識點(diǎn)的理解；②增加了學(xué)習(xí)興趣；③拓寬了知識面，如了解了各種計算機(jī)仿真軟件的基本知識和操作技能；④加強(qiáng)了理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。

另外通過教學(xué)實(shí)踐，有4名學(xué)生課后能主動自學(xué)相關(guān)仿真軟件，增強(qiáng)了他們的求知欲。

從上述結(jié)果可以簡單看出，對于對知識面要求寬且雜的航空測試專業(yè)學(xué)生而言，仿真軟件在專業(yè)課程中的應(yīng)用極大地增加了他們的學(xué)習(xí)興趣和對各個知識點(diǎn)的掌握程度，具有顯著的教學(xué)效果。另一方面對于教師來說，仿真軟件使用便利，花費(fèi)的教學(xué)時間相對較短，在充分利用教育版、試用版和免費(fèi)版軟件的情況下，教學(xué)成本相對較低，教學(xué)過程中還增加了與學(xué)生的互動等等，非常有利于教學(xué)效果的提高。

2.2 仿真軟件教學(xué)目前仍存在的問題

從教學(xué)改革的角度看，無論是教師還是學(xué)生要想接受和適應(yīng)該新的教學(xué)模式都需要有一個過程，在這個過程中有很多問題需要不斷探索和深入解決。

首先是學(xué)生方面：

(1)自主學(xué)習(xí)能力參差不齊所帶來的問題。調(diào)查結(jié)果顯示僅有部分學(xué)生課后能主動自學(xué)相關(guān)仿真軟件，還有部分學(xué)生僅僅是被動接受。這部分學(xué)生總體來說學(xué)習(xí)目標(biāo)比較明確、學(xué)習(xí)習(xí)慣較好，會進(jìn)入教師創(chuàng)設(shè)的教學(xué)情境中學(xué)習(xí)。然而仍有少部分學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)和目的不明確，上課開小差甚至玩手機(jī)，因此鮮見有良好的學(xué)習(xí)效果。如何讓這部分學(xué)生自然地進(jìn)入學(xué)習(xí)情境，需要教師進(jìn)一步發(fā)揮主觀能動性，幫助他們盡快進(jìn)入學(xué)習(xí)角色。

(2)總結(jié)能力較差帶來的問題?！皠討B(tài)測試技術(shù)”這門課本來知識點(diǎn)就已經(jīng)偏多，較難形成完整的知識體系，此時再將仿真軟件的應(yīng)用知識添加進(jìn)來，這對總結(jié)能力較差的學(xué)生而言，增加了他們將所學(xué)知識系統(tǒng)納入自己認(rèn)知結(jié)構(gòu)的難度。

其次是教師方面：

(1)容易給學(xué)生帶來學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)?！皠討B(tài)測試技術(shù)”的最基本知識點(diǎn)學(xué)生已經(jīng)在專業(yè)基礎(chǔ)課中學(xué)過，在這門課中只需要將這些知識點(diǎn)整合和引伸并應(yīng)用到具體專業(yè)背景中來。但對于計算機(jī)仿真軟件，很多學(xué)生對此應(yīng)該是陌生的，教師也很難在有限的時間內(nèi)將軟件的基本概念、仿真步驟等講解清楚，這就增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

(2)教學(xué)節(jié)奏容易被打亂。如果每涉及到一個新知識點(diǎn)，都需要用仿真軟件直觀顯示的話，很容易把正常的教學(xué)節(jié)奏打亂。目前教學(xué)實(shí)踐中此問題比較嚴(yán)重。例如：對于利用相同軟件仿真不一樣的知識點(diǎn)時，往往在后面的仿真演示中就孤立地切斷前面的演示而切換到現(xiàn)時演示界面來，應(yīng)該在備課時提前將前后兩個知識點(diǎn)仿真出結(jié)果，將關(guān)鍵仿真步驟和仿真結(jié)果直接在一次演示中展示，在教學(xué)節(jié)奏和仿真軟件的技能掌握上找到重點(diǎn)及平衡點(diǎn)。

3 結(jié)語

利用計算機(jī)仿真軟件輔助教學(xué)，具有直觀性、實(shí)踐性、便利性等優(yōu)點(diǎn)，是未來相關(guān)課程內(nèi)容教學(xué)的必然趨勢。學(xué)習(xí)和研究這種教學(xué)方式有利于我們在實(shí)踐工作中不斷總結(jié)探索，解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的弊病，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)器材的不足，提高教學(xué)效率和質(zhì)量，減輕教師負(fù)擔(dān)，拓寬學(xué)生的知識面，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

在測試專業(yè)，涉及到的計算機(jī)仿真軟件尤其多，該教學(xué)方式有利于學(xué)生及早地了解這些仿真應(yīng)用軟件，為今后的科研或工作打下基礎(chǔ)。

[1] 白銳, 張健. 計算機(jī)仿真技術(shù)在自動化專業(yè)教學(xué)過程中的應(yīng)用研究[J]. 北京: 中國現(xiàn)代教育裝備, 2012, 157(21):58-59, 65

[2] 石星軍. 計算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索[J]. 青島: 青島大學(xué)學(xué)報, 2000, 13(3):107-110

[3] 王月娥, 邱治金, 何遠(yuǎn)虙, 許川佩. 基于測控專業(yè)特色的《傳感器》網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)[J]. 哈爾濱: 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2012(2):243

[4] 劉文文, 吳曄, 洪占勇, 黨學(xué)明, 李紅莉. 測控專業(yè)控制類課程群建設(shè)與實(shí)踐[J]. 南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2011, 33(1):13-14, 16

[5] 郝曉劍主編. 動態(tài)測試技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2013年2月

[6] 梁明艷. Multisim仿真軟件在中職《電子技術(shù)基礎(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用研究[D]. 成都: 四川師范大學(xué), 2007年4月

The Discussion of the Simulation Software Applied to the Lecture of the Testing Specialty

WU Yi-peng

(CollegeofAerospaceEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

Taking a course named Dynamic Testing Technology for example, this paper introduces several typical simulation software and discusses the teaching effect under the usage of these software. Finally, the results indicated that, when the teaching pace is well controlled, the application of the simulation software could greatly stimulate the students, broaden their knowledge and deepen their understanding of the teaching contents.

simulation software; testing specialty; teaching reform

2016-04-30;

2016-06- 03

吳義鵬(1986-)，男，博士，講師，主要從事航空測試專業(yè)課程教學(xué)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等方面的研究工作，E-mail：yipeng.wu@nuaa.edu.cn

G642.0

A

1008-0686(2017)02-0147-04