仿真技术在理论教学中的应用

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仿真技术在理论教学中的应用

在从事理工教学过程中，对于偏理论知识的讲授一直是困扰教师的一个难题。本文针对这种情况并结合自己的教学体验，提出了利用现代的仿真技术作为辅助手段来进行理论教学的方法。通过合理的课程安排和设计并辅以适当的仿真实践环节，可以使学生对抽象的理论知识有感性的认识，提高学习兴趣，促进对理论知识的掌握，增强学习效果。同时在仿真环节设计时，注重因材施教，满足各个层次学生的需求，实现个性化的教育。通过实践证明，在理论教学中适当加入仿真设计，不仅有助于完成教学任务，同时也锻炼了学生的实践应用技能，為今后进入社会从事科技工作打下基础。

标签：理论教学；仿真教学；实践教学 加强实践教学，注重学生创新精神和实践能力的培养是教育部根据我国高等学校本科教学的实际情况和社会发展对人才培养的要求 [1]。提高教学质量，创新教育教学方法，强化实践教学也是教师始终一贯的职责。教师要想做好这点非常不容易，除了要对自己的专业知识了如指掌外，还要做许多的功课，包括要了解面对的学生知识架构和理论水平，传授知识方式方法是否能被学生所接受，怎样疏通从老师到学生的知识传输渠道等，这些都需要教师认真准备，反复实践，下功夫做到知己知彼，百战不殆。教育工作是一个长期、艰苦富有挑战性的工作，它给教师提供了一个发挥聪明才智的舞台，只要每一位老师都能认真对待，就会在教师和学生之间搭起一座畅通的桥梁，引领学生攀登知识的高峰。

从事理工教学任务的老师，常常会有这样的困惑。对于长篇累牍的公式和理论章节，学生学起来如同嚼蜡，无论老师怎样卖力气讲解，学生往往都会表现出茫然、不感兴趣以至不能主动接收信息，更谈不上很好地理解和掌握了，上课效果很差。学生学习纯粹是为了应付考试，之后便把这些知识抛到九霄云外去了。其实，一些配合教学的实践活动和实验是学生对理论知识进行理解和验证的良好途径，但由于目前学校的办学条件限制，硬件条件有限，实验环境不够完善，因此所有的知识点都通过实验来验证难以实现。但是学生如果不通过可以感触的环节来加深理解，对这些理论知识的掌握就如同纸上谈兵，空中画饼，不能解决学生对理论知识认识肤浅，生搬硬套，不知所云的问题。因此寻求一种成本低、易实现、效果好的方法是解决这些问题的关键所在。如果能让这些抽象的理论知识化成学生能够感知的模型，并通过这些模型运行来体会和领悟其中的道理，使学生能够真正掌握这些理论，并化为自己知识架构的一个元素该有多么美好。通过教学实践发现如果对教学内容进行适当的安排，在教学过程中穿插一些仿真环节，会大大提升学生的兴趣，很好地实现学生由过去的被动接受到主动参与，由课堂知识到创新拓展，由理论到实践，使理论教学从学生心中走过，达到让学生真正掌握的目的。

随着现代计算机技术的飞速发展，计算机仿真已成为今天分析和设计各种系统的主要工具，在系统的研发和教学中具有越来越重要的意义。这些工具简单易学，并且能够很好地实现一些系统模型，实验结果能够给学生很直观的认知，对一些基础理论的理解有很大的帮助。目前的仿真工具非常多，例如在通信系统学习中，比较常用的有MATLAB，OPNET，NS2，VERILOG等等。它们在仿真中各有所长，在做物理层的仿真时，MATLAB比较好用，但在做上层仿真时，OPNET和NS2的优点就发挥出来。这些软件都可以很方便地从网络资源上得到，因此




学生可以在计算机中很容易地搭建仿真环境。这些仿真软件功能强大，例如MATLAB用处广泛，信号处理，电磁与天线，无线通信等等都可以通过该软件来仿真模拟。同时这些仿真软件中拥有大量的已经编好的模块，对于没有任何编程基础或对仿真软件知之甚少的人也能在一些工具书的辅助下能很快上手，这对于那些实践动手能力较差的学生非常适用。它不像C/C++那样需要使用人员受到专门的训练，庞大冗长的规则和限制会让学生望而却步，打消学生学习的积极性和热情。而且这些仿真软件最大的优点是它的模块化，这可以使学生不局限于细节，利用已有模块搭建一个系统，从而快速了解一个通信系统。通过这种方式，学生站的角度就高了，从全局来理解整个系统。否则，一旦陷入细节，可能连一个模块都得花很长时间才能实现。正如牛顿所说，他是站在巨人的肩膀上才能做出令人瞩目的成就。仿真软件正好为学生提供了这样一个巨人的肩膀。否则，什么都从头开始，恐怕大多数学生还没有到这个肩膀就放弃了！

利用仿真软件进行理论学习有诸多的好处。首先，通过把课本上抽象的基础理论和系统在仿真环境中搭建出来，让书本上抽象的理论公式和说教变成生动的曲线和图像，使学生对理论系统的结构和性能有一个直观的认识，加深学生对自己学过的理论知识的理解，通过静态和动态仿真理解系统的特性，以直观的结果来领会在理论中发现不了的有价值的东西。

仿真还架起了从理论到实践的桥梁。仿真是衡量系统性能的工具，它通过仿真模型的仿真结果来判断原系统的性能从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考。通过仿真，可以降低新系统失败的可能性，消除系统中潜在的瓶颈，防止对系统中某些功能部件造成过盈的负载，优化系统的整体性能。因此，仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法。实际上，在许多工程实践中，当从设计到实际硬件和软件操作时，中间都会有一个仿真过程，通过仿真来检验设计方案的优劣。有些仿真模块实际上是硬件和软件实现的预演，它可以通过花费硬件实现或软件编程中的小部分时间去解决设计和分析问题。只有理论摸透了，仿真做得好，在用硬件和软件实现的时候才能得心应手、事半功倍。所以，仿真引领你走入成功和快速的实际开发。学生通过仿真这个环节，也掌握了今后在实际工程中所需要经历的一个步骤，也为今后能够在工程实践中顺利过渡打下基础。

通过仿真软件还可以实现对不同层次的学生进行不同程度的教学。仿真程序中有许多做好的模块，对于对仿真软件不是很熟悉，编程能力较弱的学生，可以直接利用这些做好的模块，这样搭建仿真链路比较快，根据需要适当地输入相应的参数就可以进行仿真，但是不利于掌握内部的工作原理。对于那些有能力的学生，可以要求他们用自己编写的代码来完成对系统的仿真，通过这种仿真可以加深对系统细节知识的认识、掌握和运用。对一些更有能力的学生，也可以设计几个问题，开拓他们的思路，激发他们的科研创新的热情，让他们做一些探索性的研究工作，培养学生的科技创新能力。因此通过设计不同难度的环节，就可以让学生们按照自己的能力发挥，既让学生自己得到了不同程度的收获，也达到了因材施教的目的。仿真课程更有助于学生了解系统的细节。通常高校的实验课是在一个实验箱上简单选择一下参数看看输出结果，这有碍于学生了解系统内部结构和细节，只能通过输出结果反推系统情况。如果学生能够通过仿真自己把系统设计出来，那么他不仅对系统了解得非常透彻，对实验结果也能做出正确的分析，一旦实验结果出现问题，也能够很快找出问题所在。而且仿真软件可以克服一些实际系统中的干扰因素，例如噪声干扰等等，它可以单独把噪声当成一个模块，




因此一些对主要问题有干扰的因素可以单独编成独立的模块，这样有助于控制干扰，明晰问题，突出重点，使学生对由各种因素对系统所造成的结果都有清晰的认识。

学生通过仿真也能培养自己的程序设计能力。虽然仿真软件语言的难度较C/C++等专门的程序语言要低一些，但有些方面，例如函数的调用、变量等等还是有许多相通之处的，通过仿真软件的使用，学生对编程语言有个基本的了解，锻炼他们的对理论知识的建模能力，对他们使用难度较大的编程语言有很好的帮助。

当前在高等教育迈入大众化门槛之后，一些普通本科院校的学生水平发生了两个变化：一是总体水平有所下降，一是学生个体差异增大。高校扩大招生之后，生源争夺加剧，入学门槛降低，而普通本科院校尤其是教学型本科院校面临着录取的学生高考成绩不高，大部分是刚刚过本科控制线的学生，他们的资质以及在初等教育阶段获得的知识与能力处于一般水平；另一方面，由于生源地不同，同一学校，同一班级学生的个体水平差异较大。同时对于一般院校，由于其缺少必要的科研项目支持，学生参与理论研究和实践的机会很少，导致了学生动手能力弱，所学知识与实际脱轨严重，毕业生进入到社会工作后，与用人单位的磨合需要很长的适应过程。这种情况给学生本人和用人单位都造成了负面的影响。通过实践证明，通过合适的仿真工具，对课程进行适当的安排和设计，把仿真模拟过程穿插到教学当中去，使学生能够在学习理论知识的过程当中，进行模拟、复现，把抽象的理论和教科书上的框图变成具体的，生动地的仿真模块，通过实验结果和真实的曲线等给学生可感知，可体会经验来弥补对理论理解的不足，为学生尽早与工程实践相结合创造条件。

作为新世纪的高校老师，对于现在信息技术的猛烈冲击，我们要取其精华，把先进的技术应用到教学过程中，让这些先进的技术为教学服务，即可以使我们的课堂更加生动，也会让学生通过先进的技术去感知基础知识的魅力，扎扎实实地打好基础，学会实践方法，為今后走入社会学好本领。

[参考文献]

[1]教育部关于印发《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》的通知。教高[2001]4号

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