仿真软件在测试专业教学中的应用探讨

吴义鹏

(南京航空航天大学 航空宇航学院， 江苏 南京 210016)

仿真软件在测试专业教学中的应用探讨

吴义鹏

(南京航空航天大学 航空宇航学院， 江苏 南京 210016)

本文以“动态测试技术”的教学过程为例，介绍了几种典型计算机仿真软件在测试专业课堂教学中的具体应用，同时对教学效果进行了探讨。结果表明，在处理好教学节奏的情况下，运用仿真软件教学能够大大激发学生的学习兴趣，增加知识面，加深对知识点的理解。

仿真软件；测试专业；教学改革

0 引言

计算机软件仿真技术最早出现在上世纪50年代，以电子模拟计算机为主机实现。随着计算机技术的发展，数字仿真技术在70年代末得到了普及和推广。由于仿真软件具有灵活性强、成本低、结果形象直观等特点，如今已经成为了科学研究、教学演示等活动中的重要工具之一[1, 2]。

高校测试专业是一门知识综合性较强的专业，是以电工电子技术、自动测试技术、智能仪器技术为基础，以计算机及电子信息技术为工具的高新技术专业[3, 4]。尤其是具有航空航天特色的我校航空结构测试专业，更是集理论力学、材料力学、振动力学、机械设计等力学知识于一体。

在课时有限的条件下，我校该专业本科生所学到的基础知识有限，专业基础理论水平总体上偏弱。因此他们在上专业课时，经常出现基本原理不清甚至概念错误的现象。以该专业“动态测试技术”选修课为例，该课程结合了测试技术基础、模拟电子技术、振动力学、自动控制原理等知识，知识面广且知识点零散[5]。在教学过程中教师传授的思维跨度大，在介绍具体知识点时若不结合形象的实例和仿真软件，学生往往没有直观印象，出现不理解或学习不够深入的现象。若能借助计算机软件仿真技术，就可以帮助他们简单、高效地解决上述的教学弊端。

本文就以“动态测试技术”课程的教学过程为例，以建构主义学习理论和情景学习理论为基础，介绍几种典型仿真软件在该课程教学中的实际应用，并对学习效果及存在的问题进行探讨。

1 仿真软件应用实例介绍

1.1 Matlab数值仿真软件

“动态测试技术”中多次涉及到二阶系统建模问题，以图1所示的弹簧阻尼二阶测试系统为例，学生能够轻松建立起系统动力学微分方程式(1)进而推导出系统传递函数式(2)，通过对式(2)进一步演算还能解释相关特征参数对系统幅频、相频特性的具体影响。

图1 二阶测试系统模型

(1)

(2)

因此研究二阶系统的传递函数具有非常重要的意义，但大多数学生对于系统传递函数公式的建立难以形成直观地感受和理解。此时可借助Matlab数值仿真软件对上述公式进行直观比较并教学演示。

Matlab是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，具有强大的数值计算、分析仿真功能，是测试专业学生应该熟练掌握的应用软件之一。Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具，也是其最重要的组件，它提供了一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，具有无需大量书写程序代码、流程清晰、效率高、灵活等优点。

图2(a)所示即为基于二阶测试系统动力学微分方程及系统传递函数搭建的Matlab/Simulink仿真模型。其中输入x(t)是一幅值恒定的正向扫频信号，y(t)是系统对应的响应输出信号。在课堂教学时可以边演示仿真建模边讲解操作步骤，致使学生快速掌握Matlab的基本使用技能。

图2(b)所示即为系统时域内的仿真波形，由于输入信号采用线性增加的扫频方式，仿真时间与频率正相关，通过简单变换获得对应输入信号下的频率值。选择波形图中的横坐标放大控件，即可详细观察具体时刻下，输入输出波形的幅值及相位差。通过观察波形，学生可以加深对系统传递函数的理解。

(a) 基于式(1)和式(2)的Matlab/simulink仿真模型

(b) 系统输入输出随时间的变化波形图2 二阶测试系统的Matlab仿真图

1.2 SPICE电路仿真软件

“动态测试技术”教学过程中经常需要讲解滤波器、放大器、仪器仪表放大器等电路的工作原理及运行结果。以图3所示的最简单的无源一阶低通滤波器为例，学生根据模拟电路基础理论可得到系统的微分方程式(3)，进而推导出系统传递函数或幅频响应函数式(4)，通过幅频响应函数，可以直接推导出幅频、相频特性曲线。

图3 无源一阶低通滤波器原理图

(3)

(4)

在此过程中，学生对于低通滤波器的理解可能仍会感到抽象。此时可借助SPICE电路仿真软件对滤波器的功能进行直观了解。利用一种基于原始SPICE电路仿真软件，经过特别优化的电路仿真软件LTspice为此无源一阶滤波器进行仿真教学。

图4所示即为这一阶无源低通滤波器输出信号波形的直观显示结果，其中滤波器的截止频率为33.9 Hz，原始输入信号x(t)为叠加有高频噪声的频率为20 Hz的正弦波，经过低通滤波器之后，高频噪声基本被滤除，获得的滤波信号y(t)和我们期待的有用信号一致，仅仅存在一定的相位差。该波形信号直观地演示了低通滤波器功能，不仅强化了学生对知识点的理解，也培养和锻炼了学生使用电路仿真软件的兴趣和习惯。

图4 无源低通滤波器的仿真输出信号波形

此外，工科专业学生在学习模拟电路等基础理论知识时，若能结合该软件进行仿真学习，将能进一步加深对模拟元器件(三极管、集成运放等)功能的认识和理解，起到事半功倍的学习效果。

1.3 LabVIEW虚拟仪器仿真开发软件

测试技术与计算机技术深层次的结合正引起测试仪器领域里一场新的革命--虚拟仪器的概念出现。本着与时俱进的要求，在“动态测试技术”的课堂教学中，很有必要着重介绍这一知识内容。

虚拟仪器首先由美国NI公司提出，该公司同时提供了基于虚拟仪器技术的软、硬件产品支持。LabVIEW就属于NI公司研发的软件产品，它所提供的图形化编程语言已经广泛地被工业界、学术界认可和接受。该编程语言尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此特别适合于测试专业的学生学习。另外，经过特别设计，该软件也可用于某些测控系统的仿真研究。

图5所示即为基于LabVIEW开发的一输电线结构损伤检测系统，界面显示为正在接受数据采集节点传送过来的数据，类似于一台虚拟示波器，另外该软件还结合了相关算法，直接根据波形数据检测输电线是否受到损伤以及损伤的具体位置。通过该实例的演示，可以大大加深学生对于虚拟仪器的认识：包括其简便的程序和用户界面开发，拥有智能处理测量数据的功能，具有低成本快速搭建测试系统的优势等等。

图5 基于LabVIEW开发的虚拟仪器用户界面

2 仿真软件教学效果及存在的问题

经过一学期的教学实践探索，笔者初步尝试了基于建构主义学习理论、情景学习理论的 “动态测试技术”课程的教学模式[6]。为了解该教学模式的先进与否，笔者通过无记名调查问卷的方式在学期末对该教学尝试作了简单的研究分析。

需要指出的是，该课程属于专业选修课，因此上课人数只有17人，实际收回调查问卷17份，问卷均有效。但是由于学生人数较少，并且教学过程中师生关系融洽，因此实际反馈的数据还不能完全作为该教学尝试详细研究的依据。

2.1 仿真软件教学的有利效果

由于问卷调查的样本数较少，加上学生主观因素的影响，问卷调查结果几乎一边倒地肯定了以下几个方面：①加深了对具体知识点的理解；②增加了学习兴趣；③拓宽了知识面，如了解了各种计算机仿真软件的基本知识和操作技能；④加强了理论联系实践的能力。

另外通过教学实践，有4名学生课后能主动自学相关仿真软件，增强了他们的求知欲。

从上述结果可以简单看出，对于对知识面要求宽且杂的航空测试专业学生而言，仿真软件在专业课程中的应用极大地增加了他们的学习兴趣和对各个知识点的掌握程度，具有显著的教学效果。另一方面对于教师来说，仿真软件使用便利，花费的教学时间相对较短，在充分利用教育版、试用版和免费版软件的情况下，教学成本相对较低，教学过程中还增加了与学生的互动等等，非常有利于教学效果的提高。

2.2 仿真软件教学目前仍存在的问题

从教学改革的角度看，无论是教师还是学生要想接受和适应该新的教学模式都需要有一个过程，在这个过程中有很多问题需要不断探索和深入解决。

首先是学生方面：

(1)自主学习能力参差不齐所带来的问题。调查结果显示仅有部分学生课后能主动自学相关仿真软件，还有部分学生仅仅是被动接受。这部分学生总体来说学习目标比较明确、学习习惯较好，会进入教师创设的教学情境中学习。然而仍有少部分学生学习任务和目的不明确，上课开小差甚至玩手机，因此鲜见有良好的学习效果。如何让这部分学生自然地进入学习情境，需要教师进一步发挥主观能动性，帮助他们尽快进入学习角色。

(2)总结能力较差带来的问题。“动态测试技术”这门课本来知识点就已经偏多，较难形成完整的知识体系，此时再将仿真软件的应用知识添加进来，这对总结能力较差的学生而言，增加了他们将所学知识系统纳入自己认知结构的难度。

其次是教师方面：

(1)容易给学生带来学习负担。“动态测试技术”的最基本知识点学生已经在专业基础课中学过，在这门课中只需要将这些知识点整合和引伸并应用到具体专业背景中来。但对于计算机仿真软件，很多学生对此应该是陌生的，教师也很难在有限的时间内将软件的基本概念、仿真步骤等讲解清楚，这就增加了学生的学习负担。

(2)教学节奏容易被打乱。如果每涉及到一个新知识点，都需要用仿真软件直观显示的话，很容易把正常的教学节奏打乱。目前教学实践中此问题比较严重。例如：对于利用相同软件仿真不一样的知识点时，往往在后面的仿真演示中就孤立地切断前面的演示而切换到现时演示界面来，应该在备课时提前将前后两个知识点仿真出结果，将关键仿真步骤和仿真结果直接在一次演示中展示，在教学节奏和仿真软件的技能掌握上找到重点及平衡点。

3 结语

利用计算机仿真软件辅助教学，具有直观性、实践性、便利性等优点，是未来相关课程内容教学的必然趋势。学习和研究这种教学方式有利于我们在实践工作中不断总结探索，解决传统教学中存在的弊病，弥补实验器材的不足，提高教学效率和质量，减轻教师负担，拓宽学生的知识面，提高学生的实践能力，培养学生的创新能力。

在测试专业，涉及到的计算机仿真软件尤其多，该教学方式有利于学生及早地了解这些仿真应用软件，为今后的科研或工作打下基础。

[1] 白锐, 张健. 计算机仿真技术在自动化专业教学过程中的应用研究[J]. 北京: 中国现代教育装备, 2012, 157(21):58-59, 65

[2] 石星军. 计算机仿真实验教学的探索[J]. 青岛: 青岛大学学报, 2000, 13(3):107-110

[3] 王月娥, 邱治金, 何远虙, 许川佩. 基于测控专业特色的《传感器》网络课程建设[J]. 哈尔滨: 科技创新与应用, 2012(2):243

[4] 刘文文, 吴晔, 洪占勇, 党学明, 李红莉. 测控专业控制类课程群建设与实践[J]. 南京:电气电子教学学报, 2011, 33(1):13-14, 16

[5] 郝晓剑主编. 动态测试技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2013年2月

[6] 梁明艳. Multisim仿真软件在中职《电子技术基础》教学中的应用研究[D]. 成都: 四川师范大学, 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

吴义鹏(1986-)，男，博士，讲师，主要从事航空测试专业课程教学、结构健康监测等方面的研究工作，E-mail：yipeng.wu@nuaa.edu.cn

G642.0

A

1008-0686(2017)02-0147-04