开放式仿真系统（精选4篇）
开放式仿真系统 篇1
0 引 言
RoboCup SSL机器人系统[1]分为硬件和软件两个方面。机构设计是硬件技术研究的主要内容,其目标是要在较小的尺寸上,使各部分结构紧凑可靠,又不互相干涉,实现行走、踢球、控球等诸多功能[2]。经过十年多时间的发展,RoboCup SSL足球机器人的硬件技术已十分成熟,当前,研究的主要内容集中在软件技术方面,研究足球机器人的运动规划和运动控制等问题。
在RoboCup SSL机器人运动规划和运动控制以及各种规划算法的研究中,直接在足球机器人硬件平台上进行相关研究存在着诸多不便[3],使用计算机进行仿真实验已经成为实体实验前一个必要的研究手段。目前已出现很多针对RoboCup SSL的仿真系统,如Carnegie Mellon University的Ubersim[4],中国科学技术大学的Smallsim[5]。其中优秀的仿真系统不仅可以用于验证各种规划算法的有效性,还可以让球队在仿真系统中进行虚拟对抗比赛,如进行校内决策子系统的选拔赛。
相对于仿真组比赛,小型组比赛的规则没有规定足球机器人的硬件结构以及各子系统间的通讯协议。所以,不同球队的硬件、软件以及各部分间的通讯方式都不尽相同。因此,很有必要开发一种开放式的面向RoboCup SSL的仿真系统,它能够让不同种类的球队在同一仿真系统中进行比赛,能够让小型组的比赛像仿真组那样便于实施,以促进小型组足球机器人技术水平的发展。
基于此,本研究主要探讨面向足球机器人比赛的开放式仿真系统。
1 开放式仿真系统模型
1.1 系统功能分析
足球机器人仿真系统在整个比赛系统中的地位[6]如图1所示。RoboCup SSL仿真系统的主要功能有:
(1)仿真机器人的物理结构及其动力学特性;
(2)处理各实物之间的碰撞;
(3)将仿真结果提供给决策控制系统;
(4)解析执行决策控制系统的控制命令;
(5)显示仿真结果以及提供人机交互接口。
开放式RoboCup SSL仿真系统也必须具有上述功能。此外,为了能够实现不同球队都能在同一仿真系统中进行算法验证和对抗比赛,它还要具备灵活的功能扩展机制,能够方便地为原有仿真系统增加功能,以适应对各种类型的真实机器人进行仿真。
1.2 “平台/插件”软件模型
采用“平台/插件”的软件体系结构构建开放式RoboCup SSL仿真系统,可实现系统功能的灵活扩展。
“平台/插件”软件体系指出将需要开发的目标软件分为“平台”和“插件”两类部件,如图2所示,各部件只要遵循标准接口规定进行开发。开发完成后,软件集成时,只需要将各部件进行组装,而不是集成源代码或链接库进行编译与链接。当需要新的功能时也只需要按标准规定独立开发“插件”部件,再将其组装到原软件平台中即可使用。
在开放式RoboCup SSL仿真系统需要实现的功能中,动力学仿真算法、碰撞检测算法和场景的渲染显示等基本功能是相对不变的,作为软件的主体。不同球队有不同的机器人硬件结构、不同的控制方式等,这些变化的部分作为插件。任何球队都可以制作插件来扩展仿真系统的功能。可以在不需要改变仿真系统主体程序的情况下,实现仿真系统对自己球队的支持。
1.3 开放式仿真系统的构成
由开放式仿真系统需要实现的功能和“平台/插件”软件体系结构的特点出发,可得出主平台的模块组成,如图3所示。
(1) 运动仿真与碰撞检测模块是仿真系统的核心。运动仿真就是对机器人以及赛场中的其他物体的动力学特性进行仿真,根据物体当前状态下的受力情况,计算出下一仿真周期物体的状态信息。碰撞检测是找出各物体间的相互碰撞点,并根据物体的表面弹性、摩擦系数等特性,计算出碰撞对物体产生的影响力,将这些力施加于对象,再进行运动仿真。
(2) 仿真对象间通讯模块为各仿真对象间的通讯提供支持。被仿真的机器人对象(和真实机器人一样)也要能与场外的主决策控制程序进行通讯。仿真对象与软件的人机界面模块也要进行通讯,以实现软件的人机交互操作。
(3) OS(Operating System)相关与人机界面模块处理与操作系统紧密相关的任务(如计时器调用),还提供人机交互接口、显示仿真结果等功能。
(4) 平台接口与插件管理模块管理插入系统的所有插件,通过插件接口使用插件提供的功能,同时也提供平台扩展接口供插件使用。
常用的插件有:比赛场地插件、足球机器人插件、视觉信号生成插件、决策命令解析插件。其中比赛场地插件和足球机器人插件用于构建真实比赛中的物理实体。不同球队可以构建不同的机器人插件。视觉信号生成插件和决策命令解析插件解决与决策系统的连接问题。另外,还可以实现一些对赛场形势进行分析统计的插件,进一步扩展系统功能。
2 开放式仿真系统的实现
2.1 工具的选择
文献[7]指出,在目前的实际应用中,软件的“平台/插件”结构有多种实现方式,常见的有COM、CORBA、动态链接库和脚本插件解释器等。脚本插件解释器编程较复杂,解释器的效率很难提高,故不予采用。动态链接库方式比之于COM和CORBA要简单、易于编程实现,有良好的跨平台特性。
综合考虑效率和可移植性等因素,系统采用C++语言编程实现;所有插件都编译成动态链接库;并采用动态加载方式使用插件;用OpenGL显示3D仿真结果。
编译器选用符合C++98标准的编译器,如gcc 3.3及以上,Visual C++7.1等。还使用一些具有跨平台特性的C++类库,如boost 1.36。
2.2 主平台中各模块的实现
运动仿真与碰撞检测模块要仿真刚体运动和检测碰撞,使用ODE(Open Dynamics Engine)库可以完成要求。ODE是一个免费的具有工业品质的刚体动力学仿真库,是一款优秀的开源物理引擎。它可以仿真基本的几何体以及它们的组合、电机和关节、物体的受力以及物体之间接触面的摩擦系数等。它还有内建的碰撞检测系统。
RoboCup SSL开放式仿真系统的仿真模型层次结构如图4所示。IPart是要仿真物的构成部件(如机器人的车轮、电机、踢球装置等),它设定各部件的物理属性(如形状、质量、材料弹性、表面摩擦系数等)。多个IPart组成被仿真物IEntity(如机器人、足球、球门等)。所有静态的IEntity还要放入IWorld中模拟它们的动态特性。
仿真对象间通过ICommunicator进行通信,如图5所示,send()发送同步消息,post()发送异步消息。仿真对象实现IMessageHandler接口就具有消息接收功能,它接收到消息后,判断消息的具体类型,并处理消息。
OS相关与人机界面模块包含的类有:ITimer,提供精确定时器;IApplication,应用程序主框架;IResourceManager,图片等相关资源的管理;ISimUI,人机交互界面;IDrawing,提供OpenGL作图功能。
主平台接口和插件接口的类图如图6所示。主平台接口ISimulator提供平台扩展功能,插件通过此接口扩展系统功能。所有插件必须实现插件接口,以使主平台能够管理插件。
2.3 插件的编写方法
(1) 实现IPlugin接口;
(2) 在install()函数中构建仿真体,仿真体必须实现IEntity接口;仿真体还可以实现IMessageHandler接口实现通讯功能;通过ISimulator接口取得IWorld接口,再向IWorld添加所构建的仿真体;
(3) 仿真系统的每个仿真周期都调用插件的timeslice()函数,插件在timeslice()内完成消息处理等操作;
(4) 编译链接生成动态链接库,导出IPlugin的接口函数。
3 开放式仿真平台的应用
开放式RoboCup SSL仿真系统可以用于相同球队间的仿真比赛,也可用于不同球队间的仿真比赛。
不同球队间进行仿真比赛的步骤如下:
(1) 需要交流的球队公布决策系统与车载系统、视觉系统之间的通信协议;
(2) 编写插件扩展系统功能对球队的支持;
(3) 相互交换已编译好的插件和决策系统程序;
(4) 在仿真系统中进行比赛;
(5) 记录仿真结果,完善决策系统。
利用仿真系统使用OpenGL渲染出的仿真比赛场景如图7所示。
4 结束语
开放式仿真系统通过开放式的架构体系与灵活的插件系统,使各球队可以在同一个虚拟的环境里进行对抗比赛,方便决策算法的验证,突破了各球队之间交流的障碍,这对RoboCup小型组足球机器人技术水平的发展有着积极的现实意义。
此外,开放式仿真系统还能让提供决策系统和插件的球队不必公布它们的源代码,有效地保护了各球队的知识产权。仿真系统还有一个功能,就是只要能编写出合适的插件,它也可以对一些非RoboCup SSL问题进行仿真,如RoboCup中型组比赛。
参考文献
[1]KITANO H,ASADA M,KUNIYOSHI Y,et al.RoboCup:The Robot World Cup Initiative[C].Marina del Rey,Cali-fornia,United States:ACM,1997.
[2]马英庆,程福.基于嵌入式系统的足球机器人底层控制系统[J].机电工程,2007,24(1):104-106.
[3]韩永,刘国栋.RoboCup小型足球机器人建模及仿真平台研究[J].计算机仿真,2007,24(1):154-157.
[4]BROWNING B,TRYZELAAR E.Ubersim:ARealistic Sim-ulation Engine for Robot Soccer[C].Proceedings of Autono-mous Agents and Multi-Agent Systems,AAMAS 03,2003.
[5]孙鹏,陈小平.RoboCup小型机器人仿真系统[J].计算机仿真,2006,23(4):128-131.
[6]AR G K,KARBAR.Modelling and simulation of a group ofmobile robots[J].Simulation Modelling Practice andTheory,2007,15(6):647-658.
[7]李俊娥,周洞汝.“平台/插件”软件体系结构风格[J].小型微型计算机系统,2007(5):876-881.
开放式仿真系统 篇2
目前电力系统仿真软件主要分为2类:开放式软件和商业软件。商业软件的发展促进了国内外电力的运行和研究,但商业软件有限的开放性难以完全满足研究人员和电力公司的自定义或功能扩展的需求[1],而模型的限制将影响仿真的精确性和结果的可信度[2]。另外,商业软件使用许可费高昂,无形中形成了研究的壁垒。
近年来,越来越多电力领域的研究人员或者机构以开源或开放式软件的形式公开其工作成果[1,3,4,5,6,7],包括从以UWPFLOW[4]为代表的免费软件到PSAT[5]、Mat Power[6]、Inter PSS[7]等为代表的开放式软件。IEEE成立了开源软件工作组推动电力系统领域开源软件的发展[8]。开源程序或软件成为重要的研究工具之一。文献[9]结合Inter PSS和开源多代理程序JADE实现了基于多代理的STATCOM控制的仿真研究;文献[10]实现了开源地理信息系统(OGIS)与电力系统分析工具箱(PSAT)的有效整合,潮流结果可在GIS上显示;文献[11]基于开源网格软件Grid Gain和开源电力仿真软件Inter PSS建立起新型电力系统网格计算平台,实现仿真任务的高效并行计算。
但是大部分的开源软件仍然处于源代码公开阶段,尚未达到应用程序级的开放,程序集成和二次开发困难。如PSAT用户参与开发程度低[12]主要与缺乏简明和面向用户的应用程序接口有关。Mat Power通过引入OPF Model对象实现用户定义新增变量和约束,改善了其可扩展性[13],但是其他核心部分均难以自定义或扩展。开放式的电力系统仿真软件Inter PSS虽未完全公开源代码,但其灵活的架构和开放、面向用户的应用程序接口API(Application Programming Interface)[14]保证了用户使用方便及其可扩展性[15]。
本文首先介绍了Inter PSS的软件架构、功能,分析了其面向用户的自定义建模和应用程序接口;通过模型扩展、程序集成开发了直流最优潮流(DC-OPF)模块;并研究了其核心算法的扩展,通过其提供的API实现了连续潮流(CPF)功能,表明了该软件对软件架构、模型和算法都有良好的扩展性,可成为电力系统建模和仿真研究的新工具。
1 开放式电力系统仿真平台——Inter PSS
1.1 软件架构
传统的软件多采用基于过程的高级语言开发,以软件包的形式封装,只允许有限的扩展,或者没有明确的核心,各模块环环相扣。Inter PSS的核心是一种面向对象的电力系统仿真模型架构,它是一种柔性、可扩展、易于维护的软件系统[14],主要特点是基于组件开发技术,其中有关电力系统建模和仿真通用功能部分组成核心引擎(小于2 M),其余模块以插件的形式存在。
图1为一般仿真软件与Inter PSS在架构上的对比,差异将对可扩展性有较大影响,Inter PSS的松散架构更适合于研究和用户二次开发。
1.2 主要功能
目前,Inter PSS实现了一个通用的、以导纳矩阵为核心的电力系统建模框架,具有交/直流潮流计算、短路计算、暂态稳定分析等仿真功能。针对电力系统计算量大、可并行的仿真任务,它能够通过网格计算(grid computing)[11]扩展其计算能力。项目在Google云计算平台Google App Engine上搭建了Inter PSS的云计算平台[16],验证了其架构可以移植到云计算平台中部署。
2 面向用户扩展的自定义建模和应用程序接口
目前电力系统仿真软件提供的用户自定义有2类:通过脚本(Scripting)编写建模或控制语句;自定义建模(Modeling)。
针对暂态稳定分析中励磁器、调速器、稳定器模型的自定义,Inter PSS提出控制器建模语言CML(Controller Modeling Language),提供了丰富的功能模块(Block),并允许结合Java语言自定义建模,自定义模块可以封装为用户模型库[7]。Inter PSS基于该语言实现内部所有励磁器、调速器、稳定器模型的建模。
Inter PSS从模型到算法提供了丰富的应用程序接口。对于模型,节点、支路、网络的所有信息都可通过getter方法获取或setter方法设置,如在N-1分析中,通过Aclf Branch.set Status(false)实现线路开断。对于算法,允许对算法主要环节和执行过程进行设置和自定义,如用户可通过Loadflow Algorithm的set Solver()方法实现自定义的潮流解法,并充分利用原有Inter PSS的潮流计算框架,代码如下:
利用提供的程序接口,研究人员可编程实现更丰富、灵活的功能扩展。图2给出了Inter PSS功能扩展的2种主要形式:基于原有平台,开发新的插件,并通过接口与核心库或其他模块进行通信;将核心库以插件形式插入到用户程序,调用其潮流计算、短路计算等功能,满足用户需求。对于第2种形式,文献[17]基于Inter PSS开发了继电保护整定程序。本文主要关注第1种形式,即核心功能扩展,这也是利用Inter PSS进行电力系统相关研究的主要形式。在本文研究过程中,笔者开发了DC-OPF和CPF 2个新的功能模块。
3 功能扩展
3.1 DC-OPF
DC-OPF功能的开发扩展了Inter PSS现有的系统模型,通过开发程序接口有效整合了开源二次规划问题求解工具Quad Prog J[18],最终在Inter PSS软件平台上实现。扩展内容主要包括3个部分:扩展原有潮流计算的发电机节点模型和网络模型;将DC-OPF问题转换为严格凸二次规划(SCQP)问题;编写程序接口,开源SCQP求解器Quad Prog J作为外部插件引用并实现问题求解。
3.1.1模型扩展
Inter PSS采用Java和面向对象技术建模,允许用户通过继承、复合等方法实现模型扩展。图3展示了本文基于潮流模型的节点和网络模型扩展,其中,Aclf Bus、Aclf Network、Aclf Branch为原有模型类,Quad Prog J、Array2DRow Real Matrix为引入的外部插件类,其余为本文扩展模型类。用于最优潮流(OPF)分析的节点类Opf Bus由原有的潮流计算节点类Aclf Bus扩展而来,具有节点边际价格(LMP)信息;而Opf Gen Bus继承了Opf Bus,并增加了OPF分析中的发电机经济运行属性。支路类Opf Branch是基于潮流计算支路类Aclf Branch的扩展。新的网络类Opf Network继承了潮流计算网络类Aclf Network,具有总发电成本等优化目标属性。
3.1.2 DC-OPF问题向SCQP问题的转换
本文采用文献[18]中的扩展DC-OPF的模型。该模型引入电压相角偏差量罚因子,目标函数中增加了线路两端功角差平方和,如式(1)所示:
式(1)中各变量的具体定义见文献[18]。此环节定义了Eq Ineq Matrix Builder类,主要用于形成模型中相关参数矩阵。
3.1.3编写程序接口
该环节通过Quad Prog DCOPFSolver Impl类实现了接口DCOPFSolver,调用Quad Prog J实现问题求解和回存优化结果到Opf Network模型中。该实现模式可适应未来扩展,只要实现DCOPFSolver接口,其他SCQP问题的求解工具或方法即可插入本程序实现功能扩展。
3.1.4算例
采用改进的IEEE 30节点系统[19],电压相角偏差量罚因子π取值0.05,计算结果见表1,表中发电机有功出力为标幺值。
3.2 CPF
CPF的原理和程序已经比较成熟,本文研究如何高效地通过Inter PSS已有成熟的算法进行扩展实现。目前大部分软件的CPF功能模块除了初始运点依赖潮流计算得到,其余部分均需重写代码以求解表达式变化的非线性方程组,而原有成熟的潮流程序并没有得到充分利用。这主要是由于这些软件架构和算法核心的封闭性。Inter PSS核心算法的开放性允许基于原有程序扩展一些新的算法模块。
CPF功能模块开发的核心环节包括扩展雅可比矩阵、预测环节和校正环节。
3.2.1扩展雅可比矩阵
Inter PSS内部网络类Aclf Network提供了在保留原有信息基础上扩展雅可比矩阵的方法form JMatrix(int i)(其中i为扩展的维度)。针对CPF,可将负荷增长和发电机出力调度的信息引入到扩展雅可比矩阵。主要代码如下:
上述代码对应于恒功率负荷模型,如考虑ZIP等综合负荷模型,将增加对原雅可比矩阵相应元素的操作,方法类似,此处不再赘述。
3.2.2预测环节
预测环节主要为求解线性方程组。Inter PSS有效地整合了开源Apache Common Math[20]数学库,稀疏矩阵类都具有求解线性方程组的方法,扩展后的雅可比矩阵也不例外。
3.2.3校正环节
校正环节为根据预测结果进行潮流计算的过程,因此原有潮流迭代过程的总体框架和大部分程序可以直接利用。本文通过继承已有的牛顿-拉夫逊迭代方法类(Default Nr Solver)得到校正环节求解器类(Corrector Step Solver),只需重写(Override)3个关键方法即可实现。该部分体现了Inter PSS核心算法的可扩展性,主要实现代码为:
在校正环节的迭代过程中,采用Corrector Step Solver作为牛顿-拉夫逊法求解器进行潮流计算,即:lf Algorithm.set Nr Solver(this.corr Step Solver),可实现在原有潮流程序框架下求解校正环节。
3.2.4算例分析
利用IEEE新英格兰39节点系统[21]对CPF功能进行了测试。本文假设在初始运行点上,除平衡节点外,所有发电机有功出力裕度为10%,无功最大出力为有功最大出力的50%。所有负荷节点采用恒功率负荷模型,功率按保持初始工作点时的功率因数和各节点间的比例不变,同步增长。图4给出了节点4的PV曲线(图中节点电压幅值为标幺值)。
Inter PSS潮流计算已经考虑了有功/无功出力约束、OLTC分接头调整等重要因素。因此,基于其扩展使得CPF功能也能计及这些重要因素,这是基于原平台扩展而非重写的显著优势之一。
4 结论
目前电力系统仿真软件的开源化进程已经有了良好的开始,针对各方面的开放式软件正不断出现,但仍存在扩展灵活性不足的问题。本文首先介绍开放式电力系统仿真软件Inter PSS的软件架构特点和主要功能,分析了其面向用户的自定义建模和API。重点对其可扩展性进行了研究,通过对其原有模型和算法扩展,开发了DC-OPF和CPF 2个新的功能模块。从模型到算法扩展的过程体现了平台开放性和良好可扩展性。
开放式仿真系统 篇3
加强实验室建设和管理, 是目前高校实验教学改革的重要内容。如何有效提高实验室对学生的开放以及为学生提供实践学习条件是教育教学改革的重要内容[1,2,3,4]。在开放式实验教学中结合仿真实验, 提高了学生的自主学习能力和课堂效率, 既可以推动物理实验教学的改进和优化, 可以有效提升学生创新能力。目前, 仿真实验系统已逐渐地应用于大学物理实验课程中, 将来势必会在所有高校普及。大学物理仿真实验营造了学生自主学习的环境, 在大面积开设开放性、设计性、研究性实验教学中发挥着重要作用[5,6,7]。
1 开放式实验教学模式的必要性
由于传统实验教学模式仍然是目前高校实验教学的主要形式, 即学生到固定时间和地点完成预设的实验项目, 这种封闭式教学方式以验证或重现课本知识为主, 极不利于培养学生的动手能力和创造精神, 不利于学生实践创新能力的培养。因此, 开放实验教学首先应让全体师生从思想上加强重要性的认识, 教师应更新传统实验教学内容, 加强开放实验教学理念, 积极创设条件加强实验教学的有效开放[8,9]。学生应充分认识到开放实验教学在个人思维能力、分析和解决问题能力, 尤其是创新实践能力培养方面的重要性, 充分发挥个人主观能力性, 积极思考, 大胆实验, 使自身综合素质不断提高。
笔者所在的大学物理物理实验中心近三年来一直开设创新开放课程, 每学期有一百多名学生选修该课程。学生以自学和小组讨论学习为主, 教师负责答疑和指导。学生需完成8个开放性实验项目, 期末考试成绩为平时讨论发言得分、实验报告得分以及期末的PPT汇报得分三者综合。
2 仿真实验在开放式教学上的优势
大学物理仿真实验是用软件对仪器形状进行建模, 制作动画, 并通过编程使得仪器能与操作者进行交互。它能够实现的功能有:拖动鼠标连接仪器、设定参数、调节仪器、观察实验现象以及记录实验结果, 如图1所示。
目前, 建立开放实验室需要解决的问题很多, 如:开放实验室的实验选题多, 教师要超时上课;学生自由操作仪器, 损坏率会提高;为不断提高学生兴趣, 根据实际情况须不断地更新实验项目和仪器, 开放实验教学的实行给实验教学管理带来了新的问题;开放实验项目耗时长, 经常使开放时间延长到课余和节假日。这一系列的问题都给开放性实验造成了障碍。而仿真实验系统具有设计性、研究性, 为学生提供了自由的教学环境, 克服了面向大面积学生开设开放实验受到实验课时等困难。
3 仿真实验与实物实验相结合
大学物理实验是一门实践性课程, 其教学的核心任务是通过对仪器设备的具体操作, 达到锻炼学生动手能力, 培养学生实验素养的目的。因此以物理实物实验为核心是不能变的, 仿真实验教学应定位于实验教学方法的一种补充。将物理实物实验与仿真实验相结合, 才能收到最佳的教学效果。物理仿真实验作为一种先进的实验教学手段, 如何能更好服务于实验教学, 提高实验教学质量[10,11]。
物理仿真实验可以模拟很多物理现象及因果关系, 通过它可以把理论教学和实验教学有机地融为一体, 克服过去两种教学方式截然分离的状况。
笔者所在大学物理实验中心带学生开放性实验之前, 要求学生先利用仿真实验系统 (如图2所示) 进行预习, 对实验的原理、仪器的功能和调节方法掌握后再进行实物实验, 这样大大缩短了做实验的时间。学生通过仿真实验后, 对实验原理、仪器结构、调试技术等有了一个整体认识, 做实物实验会感到胸有成竹, 进行起来很轻松。这样大大提高了实验教学的质量和效率, 也激发了学生对实验教学的学习热情, 物理实验出现了崭新面貌, 改变了学生认为物理实验古老陈旧的错误认识, 大大提高了学生对实验教学的兴趣和实验教学的地位。因此物理仿真实验作为一种既先进又重要的预习、讲解及演示手段, 充分发挥其作用, 它才能更好地服务于实验教学, 提高实验教学质量。
4 结束语
利用仿真实验进行开放性实验的辅助教学, 打破了传统的教学模式, 作为一种学习知识的方法, 具有极大的吸引力, 为课堂注入了新的生机, 能更好的帮助学生理解并掌握物理实验课程内容, 提高课堂教学质量和效果。建立和健全多种开放实验教学模式, 构建多层次、全方位、立体化的实验室开放管理体系, 将有助于培养富有创新精神、动手能力强、能较好适应社会需要的新型应用型高层次人才。
参考文献
[1]张慧宁.基于web技术的实验室开放管理系统设计[J].软件, 2013, 34 (11) :52-54.ZHANG H N.Open laboratory management system based on web technology[J].Software, 2013, 34 (11) :52-54.
[2]宋金城.Hyper-V虚拟环境下高职院校计算机实验室网络设计研究[J].软件, 2014, 35 (11) :124-125.SONG J C.Virtual environment design of computer laboratory in vocational colleges research network[J].Software, 2014, 35 (11) :124-125.
[3]龙丽芳, 郑永良.高校开放式实验教学管理模式探讨[J].教育教学论坛, 2015, 36:241-242.LONG L F, ZHENG Y L.Discussion on management mode of open experimental teaching[J].Education Forum, 2015, 36:241-242.
[4]白雪飞, 赵文深, 崔岩松, 等.基于现代智能实验室的三维场景用户界面设计[J].软件, 2013, 34 (7) :41-45.BAI X F, ZHAO W S, CUI Y S, et al.Intelligent design based on modern laboratory three-dimensional scene user in terface[J].Software, 2013, 34 (7) :41-45.
[5]董朝云, 王旭军.大学物理仿真实验的应用研究[J].科技创新导报, 2014, 23:241.DONG C Y, WANG X J.Study of college physics simulation application[J].Science and Technology Innovation Herald, 2014, 23:241.
[6]白芳芳, 苗长云, 张诚, 等.心音信号去噪算法的Matlab仿真及DSP实现[J].新型工业化, 2011, 1 (8) 77-84.BAI Fangfang, MIAO Changyun, ZHANG Cheng, et al.Matlab simulation and DSP realization of denoising algorithm of heart sound signal[J].The Journal of New Industrialization, 2011, 1 (8) :77-84.
[7]郝宇霆, 忻向军.变速率OFDM光传输系统的仿真实现[J].新型工业化, 2012, 2 (8) :1-6.HAO Yuting, XIN Xiangjun.Simulation of a variable bit rate OOFDM transmission system[J].The Journal of New Industrialization, 2012, 2 (8) :1-6.
[8]潘光义.基础物理开放性实验的研究与实践[J].产业与科技论坛, 2013, 5:183-184.PAN G Y.Study and practice on Physics Experiment[J].Industry and Technology Forum, 2013, 5:183-184.
[9]何平, 丁晓青.建立开放式实验教学大平台的实践与探索[J].实验室研究与探索技, 2008, 27 (3) :73-75.HE P, DING X Q.Practice and exploration of opening experimental teaching platform[J].Laboratory Research and Exploration Technology, 2008, 27 (3) :73-75.
[10]王亚芳, 周惟公, 蒋芸, 等.仿真实验在实验物理教学中的广泛应用[J].物理与工程, 2012, 22 (2) :26-28.WANG Y F, ZHOU W G, JIANG Y, et al.Application of the simulation experiments in experimental physics teaching[J].Physics and Engineering, 2012, 22 (2) :26-28.
开放式仿真系统 篇4
1 开放性化学实验传统实验教学的缺陷
2008年我院全面展开开放性化学实验以来, 在实验课时间灵活度、调动学生积极性等方面虽取得很大成效, 但仍发现很多势必解决的问题: (1) 通过实验教学发现非工科实验基本都是成套照搬, 对于实验内容和要求没做太多变动;每次实验几乎都是老师详细讲解, 学生不需动脑就很容易机械完成;有时实验试剂之类的发生变动, 学生报告交上来的仍然是按照书本抄下。 (2) 实验仪器太少, 很多简单的实验都要1~2人一组, 学生实践机会少, 有很多同学甚至只在旁边看, 到时抄同学的实验结果交上实验报告, 起不到实验课本身预期的作用, 严重地影响教学质量。 (3) 由于教学任务繁重, 每一个实验, 学生往往只有一次进实验室动手操作的机会, 很难再安排重复实验, 因而实验知识往往得不到巩固。 (4) 玻璃仪器容易损坏, 每轮实验做完都要损失很多、药品浪费较多, 这不仅造成很大的经济损失, 随之带来的结果是实验中产生的毒气、毒液对生态环境的污染也非常严重。 (5) 很多学生由于缺乏实践经验, 在实验中存在畏惧心理, 很多仪器怕损坏、很多试剂怕有毒, 所以实验过程中手脚束缚甚至就不敢动。 (6) 每个实验内容即便老师很努力地控制实验讲授时间也差不多要40min左右, 学生只是单一地在听在观摩。
2 虚拟仿真技术应用于开放性化学实验的必要性
2.1 有效的节约时间, 达到事半功倍的效果
学生可以提前预习实验, 这样老师在课上就可以不用把实验涉及的各个方面都讲解到, 只是点一些重点内容及实验需要注意事项就可以了, 这样就可以给学生留下足够的时间进行操作练习。
2.2 提高学生的认知能力、应急能力
在虚拟仿真化学实验中首先要使学生全面了解实验仪器设备和配套实施的功能及使用方法, 使学生理解虽然我们对三废有严格的处理措施, 但处理范围和能力是有限的, 理解实验产生的污染物分类回收的必要性, 认识到保护环境是我们的职责, 做到清洁实验。另外有些危险实验实验室是不可能演示的, 如炸药的爆炸, 学生对于这类实验总是凭想象来理解的, 而一现实生活中发生了此类危险事件, 学生会显得不知所措, 为了使学生对这类现象有身临其境的认识, 运用虚拟化学实验非常合适。学生在虚拟实验环境中, 可以放心地去模拟各种实验, 从而可以充分了解每个实验有可能出现的各种情况, 以便在实际操作中做到有的放矢。
2.3 真正提供开放式实验环境
虚拟仿真实验可以真正实现实验室向学生开放, 学生可以打破时间和地点的限制完成相关的实验。由于虚拟仪器系统的支持, 学生可以自拟、自选实验题目, 自行组织实验, 反复操作演练, 使用现成的仪器为开发自己的仪器进行实验, 摒弃传统的灌输式教学方式, 让学生自主参与到教学中来, 最大限度地发挥学生的主动性和创造性。另外学生实验课如果对实验结果不满意或对实验过程不熟练, 课后也能做到反复练习, 反复再现实验情境。
2.4 改变实验教学模式[1]
传统实验大多数以验证性为主, 实验内容单一, 学生无需思考, 按部就班地按照实验步骤就可以做完实验, 缺乏设计性和创新能力的培养。引入虚拟仿真实验, 可灵活地增加各种设计性实验内容, 使学生根据实验要求, 自行设计实验方案, 以各种形式输出检测结果, 实时进行分析。因此, 虚拟仿真实验不仅能锻炼学生的独立构思和设计能力, 而且能激发学习的兴趣, 这样更有利于培养出具有创新精神和实践能力的人才。
2.5 大大节省实验费用
实验费用往往是决定实验是否能进行的因素之一, 虚拟化学实验几乎不需要实验费用, 投资十分少, 虽然设计制作一个虚拟化学实验较为费时费力, 一旦做出来, 整个网络都可以共享, 其效益也是十分可观, 所以社会效益十分显著。学生课前已经熟练掌握操作技巧, 在实际操作中就会减少出错机会, 试剂浪费量会减少, 仪器损毁率也会降低;特别是某些实验项目所需试剂特别昂贵而不能开设的, 通过虚拟仿真方法可以得到弥补。
2.6 弥补大型仪器欠缺所造成的后果
学生对大型分析仪器的操作缺乏训练, 甚至对有些常用仪器也处于盲区状态, 这对学生的全面教育极为不利。另外, 对于大部分仪器内部构造也只能是老师在前面讲或用课件演示, 短时间演示讲解之后, 学生的印象很难加深。特别是对于进口仪器, 如红外、气相—质谱联用等精密仪器, 学生动手操作实验的机会很少甚至只能是教师演示实验, 学生很难熟练掌握。仪器分析仿真系统的引入, 可以使学生对一些大型精密仪器的内部构造有更逼真地感受, 学生可以模拟操作仪器的全过程, 不仅有利于在教学中对仪器的讲解, 同时学生能更好地了解掌握大型精密仪器的使用及特性, 教学效果倍增。
2.7 虚拟仿真化学实验无任何污染, 完全绿色[2], 没有任何危险性
实验室里很多药品是具有毒性的, 对健康有危害, 特别是一些涉及剧毒化学品的化学实验, 实验室是不允许做这类实验的, 这种情况下, 虚拟化学实验就是最佳的表达方法, 如酮与氢氰酸的加成反应, 元素实验中要用到有毒的硫化氢气体等;再如, 一些实验室里做不得的实验, 在虚拟的情况下都可以进行。
当然, 通过化学虚拟实验的建立, 并不是完全丢弃传统实验方法, 而是要很好地丰富补充传统实验教学手段, 进一步加深学生对实验原理、步骤、实验细节的掌握和理解。此外, 还可使学生在课前起到预习实验的效果, 增强实际实验学习的熟练程度。课后对化学实验也能做到反复练习, 反复再现实验情境。而某些特定专业学生此前可能因条件限制无法开展化学实验, 也可由此途径了解。
摘要：化学实验是化学课程的重要组成部分, 是培养学生科研能力的重要实践环节。笔者对传统的化学实验教学模式进行了探讨, 阐述了虚拟仿真技术应用于开放性化学实验的必要性, 以使学生通过化学实验教学能够加深对化学理论课程有关内容的理解, 较好地掌握实验操作技能, 有效地实现实验能力和素质的提高。
关键词：虚拟仿真实验教学,必要性
参考文献
[1]苏旭霞, 刘素楠, 管立新.开展虚拟仿真实验促进实验教学改革[J].科技广场, 2008, 3, 252～254.