虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在大型貴重設(shè)備教學(xué)中的應(yīng)用

王永強(qiáng)+吳愛軍+李雪

摘要：由于高校用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的大型貴重設(shè)備存在設(shè)備數(shù)量少、耗材貴、運(yùn)行成本高等問題，很難達(dá)到每一個(gè)學(xué)生都能親自操作的需求，在多數(shù)情況下只能通過演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了解，造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下、學(xué)習(xí)效果不佳等后果。本文以探地雷達(dá)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，介紹虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用和方案設(shè)計(jì)，為高校的大型貴重設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種切實(shí)可行的輔助方法。

關(guān)鍵詞：大型貴重設(shè)備；仿真實(shí)驗(yàn)；探地雷達(dá)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)生數(shù)量越來越多，用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的大型貴重設(shè)備存在設(shè)備數(shù)量少、耗材貴、運(yùn)行成本高等缺點(diǎn)，很難達(dá)到每一個(gè)學(xué)生都能親自操作的需求，在多數(shù)情況下只能通過演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了解，造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下、學(xué)習(xí)效果不佳等后果。同時(shí)，大型貴重設(shè)備的操作也需要一定的原理知識和工程經(jīng)驗(yàn)，否則容易造成設(shè)備的損壞，但這恰恰是學(xué)生所欠缺的。因此需要一種能夠滿足大量學(xué)生操作、實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)效果類似的學(xué)習(xí)工具來進(jìn)行輔助教學(xué)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以讓學(xué)生在個(gè)人電腦上構(gòu)建虛擬的實(shí)驗(yàn)對象，獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并對各種工況參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立思考和操作。虛擬系統(tǒng)在學(xué)習(xí)時(shí)，需要對設(shè)備原理和應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行分析，能夠滿足學(xué)生從理論到實(shí)踐的學(xué)習(xí)要求，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果。本文以探地雷達(dá)為例，介紹虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用和方案設(shè)計(jì)。

二、探地雷達(dá)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.探地雷達(dá)基礎(chǔ)原理簡介。探地雷達(dá)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(shí)遇到存在電性差異的分界面時(shí)發(fā)生反射，根據(jù)接收到的電磁波的波形、振幅強(qiáng)度和時(shí)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(dá)的仿真軟件采用英國愛丁堡大學(xué)的Antonis Giannopoulos研發(fā)的GPRmax軟件進(jìn)行仿真模擬，該軟件屬于免費(fèi)軟件，可在官方網(wǎng)站上進(jìn)行下載[1]。GPRmax的開發(fā)基于時(shí)域有限差分（FDTD）原理，能夠模擬不同地質(zhì)模型的探地雷達(dá)響應(yīng)，并在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行成圖和數(shù)據(jù)處理工作[2]，因此需要預(yù)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(jìn)行探測，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)設(shè)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(gè)壓縮包構(gòu)成，包括運(yùn)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(biāo)物體的相互影響，從而得到目標(biāo)物體的探地雷達(dá)地質(zhì)圖像[3]。通過設(shè)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(dá)波探測下的波形圖。軟件有獨(dú)立的編程語言，但編程方便，簡單易學(xué)。

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作主要分以下幾個(gè)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(gè)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(shí)窗，然后運(yùn)用編程語句建好物理幾何模型，設(shè)定雷達(dá)波的類型、頻率以及迭代算法步數(shù)，然后設(shè)置天線坐標(biāo)參數(shù)、移動步長，最后設(shè)定輸出文件。（2）運(yùn)行模擬軟件計(jì)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(yùn)行GPRmax軟件，輸入運(yùn)行計(jì)算命令即可，等待軟件自動運(yùn)行計(jì)算，計(jì)算完成后會按照編程設(shè)定生成建模文件.geo和波形文件*.out。（3）MATLAB讀取運(yùn)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(yùn)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(shí)驗(yàn)的使用

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

因部分實(shí)驗(yàn)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(xué)生理解普遍存在困難[5]。而通過對軟件編程的學(xué)習(xí)，可提高學(xué)生的自學(xué)能力，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，并且使其對雷達(dá)探測的原理及過程有深刻的理解。軟件運(yùn)行基于理想條件，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理，數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)控制及各種儀器減少了儀器調(diào)試部分，可使教學(xué)過程智能化，大大提高實(shí)驗(yàn)效率[6]。實(shí)驗(yàn)無任何干擾，誤差小，可取得良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，甚至可激發(fā)學(xué)生對軟件的二次開發(fā)興趣，提高教學(xué)效果。

四、結(jié)論

通過計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輔助教學(xué)，能較好地解決大型貴重儀器的稀少和學(xué)生大量需求之間的矛盾，在沒有條件接觸到大型貴重設(shè)備的情況下，每一個(gè)學(xué)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種切實(shí)可行的輔助教學(xué)方法。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]王春輝.探地雷達(dá)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(xué)，2007.

[3]宋審宇，于會山.基于GPRMAX的探地雷達(dá)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(xué)，張偉玉.計(jì)算機(jī)輔助儀器分析課程教學(xué)課件設(shè)計(jì)的研究[J].天津農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，1（18）：59-61.

[6]黃時(shí)海，汪晟，白先放，盧潔，李湘萍.計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)在儀器分析課教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2009，（35）：192-193.endprint