王永強+吳愛軍+李雪

摘要：由于高校用于教學實驗的大型貴重設備存在設備數(shù)量少、耗材貴、運行成本高等問題，很難達到每一個學生都能親自操作的需求，在多數(shù)情況下只能通過演示實驗進行了解，造成學生學習興趣低下、學習效果不佳等后果。本文以探地雷達的虛擬仿真實驗為例，介紹虛擬仿真實驗技術(shù)的應用和方案設計，為高校的大型貴重設備實驗教學提供了一種切實可行的輔助方法。

關鍵詞：大型貴重設備；仿真實驗；探地雷達

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）05-0275-02

一、引言

隨著教育事業(yè)的發(fā)展，高校學生數(shù)量越來越多，用于教學實驗的大型貴重設備存在設備數(shù)量少、耗材貴、運行成本高等缺點，很難達到每一個學生都能親自操作的需求，在多數(shù)情況下只能通過演示實驗進行了解，造成學生學習興趣低下、學習效果不佳等后果。同時，大型貴重設備的操作也需要一定的原理知識和工程經(jīng)驗，否則容易造成設備的損壞，但這恰恰是學生所欠缺的。因此需要一種能夠滿足大量學生操作、實驗原理和實驗效果類似的學習工具來進行輔助教學。虛擬仿真實驗系統(tǒng)可以讓學生在個人電腦上構(gòu)建虛擬的實驗對象，獨立設計實驗方案并對各種工況參數(shù)進行調(diào)整，可實現(xiàn)獨立思考和操作。虛擬系統(tǒng)在學習時，需要對設備原理和應用環(huán)境進行分析，能夠滿足學生從理論到實踐的學習要求，更能激發(fā)學生的學習興趣，提高學習效果。本文以探地雷達為例，介紹虛擬仿真實驗技術(shù)的應用和方案設計。

二、探地雷達的虛擬仿真實驗設計

1.探地雷達基礎原理簡介。探地雷達是用頻率介于106—109Hz的無線電波來確定地下介質(zhì)分布的一種無損探測方法?；驹硎峭ㄟ^發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，接收天線接收反射回地面的電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時遇到存在電性差異的分界面時發(fā)生反射，根據(jù)接收到的電磁波的波形、振幅強度和時間的變化等特征推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度，探測原理如圖1所示。

2.仿真軟件功能簡介。探地雷達的仿真軟件采用英國愛丁堡大學的Antonis Giannopoulos研發(fā)的GPRmax軟件進行仿真模擬，該軟件屬于免費軟件，可在官方網(wǎng)站上進行下載[1]。GPRmax的開發(fā)基于時域有限差分（FDTD）原理，能夠模擬不同地質(zhì)模型的探地雷達響應，并在MATLAB環(huán)境下進行成圖和數(shù)據(jù)處理工作[2]，因此需要預先安裝MATLAB平臺。該軟件能模擬不同類型的天線及不同探測方式進行探測，彌補了實驗設備單一、功能不全的不足。

3.仿真軟件的構(gòu)成、功能和操作。GPRmax軟件由一個壓縮包構(gòu)成，包括運行文件和讀取文件兩大部分，下載解壓后無須安裝，可直接使用。該軟件可用于模擬電磁波在各向同性均勻媒質(zhì)和Debye型色散媒質(zhì)中的傳播以及電磁波與目標物體的相互影響，從而得到目標物體的探地雷達地質(zhì)圖像[3]。通過設置不同介電常數(shù)以模擬不同的地質(zhì)條件，可模擬管道、長方體、金屬物質(zhì)、水等在雷達波探測下的波形圖。軟件有獨立的編程語言，但編程方便，簡單易學。

該虛擬仿真實驗的操作主要分以下幾個步驟：（1）建模編程。根據(jù)軟件提供的說明書[4]，該軟件建模方式為建立一個記事本文檔，按照編程語言首先定義介質(zhì)，定義模型區(qū)域、步長以及時窗，然后運用編程語句建好物理幾何模型，設定雷達波的類型、頻率以及迭代算法步數(shù)，然后設置天線坐標參數(shù)、移動步長，最后設定輸出文件。（2）運行模擬軟件計算。將建模編程的文檔保存成*.in格式，并拷貝到軟件的window文件夾中，運行GPRmax軟件，輸入運行計算命令即可，等待軟件自動運行計算，計算完成后會按照編程設定生成建模文件.geo和波形文件*.out。（3）MATLAB讀取運行結(jié)果文件繪圖。將上述的建模文件和波形文件拷貝到軟件的tools文件夾中，運行g(shù)prmax2g程序，將自動打開MATLAB，輸入繪圖指令，即可得到建模圖像和波形圖像。

三、虛擬仿真實驗的使用

探地雷達因儀器體積大、重量大及造價昂貴的原因，無法讓每個學生親手操作，而探地雷達模虛擬仿真軟件作為輔助教學工具，與真實儀器相比具有運行無耗損、不限時間與地點、學生可以在課后進行、可以讓學生親自動手操作、可模擬探地雷達的多種探測功能等優(yōu)勢，對高校探地雷達的教學有較大幫助。

因部分實驗儀器在講解過程中涉及一些原理性的理論知識內(nèi)容抽象，講解比較枯燥、難懂，因此學生理解普遍存在困難[5]。而通過對軟件編程的學習，可提高學生的自學能力，發(fā)揮學生的創(chuàng)造性，并且使其對雷達探測的原理及過程有深刻的理解。軟件運行基于理想條件，采用計算機進行信息處理，數(shù)據(jù)采集、實驗控制及各種儀器減少了儀器調(diào)試部分，可使教學過程智能化，大大提高實驗效率[6]。實驗無任何干擾，誤差小，可取得良好的實驗結(jié)果，甚至可激發(fā)學生對軟件的二次開發(fā)興趣，提高教學效果。

四、結(jié)論

通過計算機虛擬仿真實驗進行輔助教學，能較好地解決大型貴重儀器的稀少和學生大量需求之間的矛盾，在沒有條件接觸到大型貴重設備的情況下，每一個學生也可以通過自己動手操作，更直觀地了解大型貴重儀器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理，為更好地進行實驗奠定了良好的基礎，虛擬仿真實驗系統(tǒng)為高校實驗教學提供了一種切實可行的輔助教學方法。

參考文獻：

[1]GprMax2D downloads：http：//www.gprmax.org.

[2]王春輝.探地雷達方法測量近地表含水量及污染物探測研究[D].長春：吉林大學，2007.

[3]宋審宇，于會山.基于GPRMAX的探地雷達圖像正演模擬[J].科技信息，2010，（7）：35-36.

[4]User's Manual of GprMax2D Versiion2.0.

[5]邊蕊，孫長霞，劉海學，張偉玉.計算機輔助儀器分析課程教學課件設計的研究[J].天津農(nóng)學院學報，2011，1（18）：59-61.

[6]黃時海，汪晟，白先放，盧潔，李湘萍.計算機輔助教學在儀器分析課教學中的應用[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2009，（35）：192-193.endprint