原创《虚拟仿真实验在大型贵重设备教学中的应用》
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摘 要：由于高校用于教学实验的大型贵重设备存在设备数量少、耗材贵、运行成本高等问题,很难达到每一个学生都能亲自操作的需求,在多数情况下只能通过演示实验进行了解,造成学生学习兴趣低下、学习效果不佳等后果.本文以探地雷达的虚拟仿真实验为例,介绍虚拟仿真实验技术的应用和方案设计,为高校的大型贵重设备实验教学提供了一种切实可行的辅助方法.
关键词：大型贵重设备；仿真实验；探地雷达
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）05-0275-02
一、引言
随着教育事业的发展,高校学生数量越来越多,用于教学实验的大型贵重设备存在设备数量少、耗材贵、运行成本高等缺点,很难达到每一个学生都能亲自操作的需求,在多数情况下只能通过演示实验进行了解,造成学生学习兴趣低下、学习效果不佳等后果.同时,大型贵重设备的操作也需要一定的原理知识和工程经验,否则容易造成设备的损坏,但这恰恰是学生所欠缺的.因此需要一种能够满足大量学生操作、实验原理和实验效果类似的学习工具来进行辅助教学.虚拟仿真实验系统可以让学生在个人电脑上构建虚拟的实验对象,独立设计实验方案并对各种工况参数进行调整,可实现独立思考和操作.虚拟系统在学习时,需要对设备原理和应用环境进行分析,能够满足学生从理论到实践的学习要求,更能激发学生的学习兴趣,提高学习效果.本文以探地雷达为例,介绍虚拟仿真实验技术的应用和方案设计.
二、探地雷达的虚拟仿真实验设计
1.探地雷达基础原理简介.探地雷达是用频率介于106—109Hz的无线电波来确定地下介质分布的一种无损探测方法.基本原理是通过发射天线向地下发射高频电磁波,接收天线接收反射回地面的电磁波,电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的分界面时发生反射,根据接收到的电磁波的波形、振幅强度和时间的变化等特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度,探测原理如图1所示.
2.仿真软件功能简介.探地雷达的仿真软件采用英国爱丁堡大学的Antonis Giannopoulos研发的GPRmax软件进行仿真模拟,该软件属于免费软件,可在网站上进行下载[1].GPRmax的开发基于时域有限差分（FDTD）原理,能够模拟不同地质模型的探地雷达响应,并在MATLAB环境下进行成图和数据处理工作[2],因此需要预先安装MATLAB平台.该软件能模拟不同类型的天线及不同探测方式进行探测,弥补了实验设备单一、功能不全的不足.
3.仿真软件的构成、功能和操作.GPRmax软件由一个压缩包构成,包括运行文件和读取文件两大部分,下载解压后无须安装,可直接使用.该软件可用于模拟电磁波在各向同性均匀媒质和Debye型色散媒质中的传播以及电磁波与目标物体的相互影响,从而得到目标物体的探地雷达地质图像[3].通过设置不同介电常数以模拟不同的地质条件,可模拟管道、长方体、金属物质、水等在雷达波探测下的波形图.软件有独立的编程语言,但编程方便,简单易学.
该虚拟仿真实验的操作主要分以下几个步骤：（1）建模编程.根据软件提供的说明书[4],该软件建模方式为建立一个记事本文档,按照编程语言首先定义介质,定义模型区域、步长以及时窗,然后运用编程语句建好物理几何模型,设定雷达波的类型、频率以及迭代算法步数,然后设置天线坐标参数、移动步长,最后设定输出文件.（2）运行模拟软件计算.将建模编程的文档保存成*.in格式,并拷贝到软件的window文件夹中,运行GPRmax软件,输入运行计算命令即可,等待软件自动运行计算,计算完成后会按照编程设定生成建模文件.geo和波形文件*.out.（3）MATLAB读取运行结果文件绘图.将上述的建模文件和波形文件拷贝到软件的tools文件夹中,运行gprmax2g程序,将自动打开MATLAB,输入绘图指令,即可得到建模图像和波形图像.
三、虚拟仿真实验的使用
探地雷达因仪器体积大、重量大及造价昂贵的原因,无法让每个学生亲手操作,而探地雷达模虚拟仿真软件作为辅助教学工具,与真实仪器相比具有运行无耗损、不限时间与地点、学生可以在课后进行、可以让学生亲自动手操作、可模拟探地雷达的多种探测功能等优势,对高校探地雷达的教学有较大帮助.
因部分实验仪器在讲解过程中涉及一些原理性的理论知识内容抽象,讲解比较枯燥、难懂,因此学生理解普遍存在困难[5].而通过对软件编程的学习,可提高学生的自学能力,发挥学生的创造性,并且使其对雷达探测的原理及过程有深刻的理解.软件运行基于理想条件,采用计算机进行信息处理,数据采集、实验控制及各种仪器减少了仪器调试部分,可使教学过程智能化,大大提高实验效率[6].实验无任何干扰,误差小,可取得良好的实验结果,甚至可激发学生对软件的二次开发兴趣,提高教学效果.
四、结论
通过计算机虚拟仿真实验进行辅助教学,能较好地解决大型贵重仪器的稀少和学生大量需求之间的矛盾,在没有条件接触到大型贵重设备的情况下,每一个学生也可以通过自己动手操作,更直观地了解大型贵重仪器的结构组成、工作原理,为更好地进行实验奠定了良好的基础,虚拟仿真实验系统为高校实验教学提供了一种切实可行的辅助教学方法.
实验论文参考资料：
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