陳天凱

引言：隨著高職院校的不斷發(fā)展，職業(yè)教育規(guī)模不斷擴(kuò)大，教育水平不斷提高。但由于經(jīng)費(fèi)投入、設(shè)備更新、場(chǎng)地限制和擴(kuò)招等因素，許多高職院校仍存在設(shè)備資源緊張，學(xué)生操作技能練習(xí)不足等問(wèn)題，極大地降低了學(xué)生的動(dòng)手能力和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。模擬技術(shù)的出現(xiàn)可以說(shuō)為計(jì)算機(jī)教學(xué)的實(shí)施與信息化建設(shè)帶來(lái)了革命性的變化及意義。

計(jì)算機(jī)模擬教學(xué)是近年來(lái)流行起來(lái)的一種新型的教學(xué)模式，它不僅要求學(xué)生由外部刺激的被動(dòng)接受者和知識(shí)的灌輸對(duì)象轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓庸さ闹黧w，而且要求教師要由知識(shí)的傳授者、灌輸者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生的幫助者、促進(jìn)者。這就要求教師應(yīng)當(dāng)在教學(xué)過(guò)程中采用全新的教學(xué)模式、教學(xué)方法和教學(xué)設(shè)計(jì)思想、著重強(qiáng)調(diào)要為學(xué)生提供模擬的仿真情景，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一種開(kāi)放的、主動(dòng)的、發(fā)現(xiàn)式的探索式的學(xué)習(xí)環(huán)境，發(fā)展學(xué)生的高級(jí)思維能力和問(wèn)題的解決能力。

一、高職院校課程特點(diǎn)對(duì)模擬教學(xué)的需求

目前高職院校課程普遍具有概念多、專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)多及體系復(fù)雜等特點(diǎn)，歸納為以下幾個(gè)方而：

1、課程的內(nèi)容多，課時(shí)少。教師幾乎要利用全部時(shí)間來(lái)講授新內(nèi)容，沒(méi)有多少時(shí)間重復(fù)和練習(xí)，傳統(tǒng)的花費(fèi)時(shí)間較多的交互式教學(xué)環(huán)節(jié)可能不適用學(xué)生對(duì)操作類(lèi)課程的知識(shí)和技能的掌握。

2、教學(xué)內(nèi)容枯燥，內(nèi)容抽象，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)和概念多。從教學(xué)上來(lái)看，其內(nèi)容顯得抽象乏味。傳統(tǒng)教學(xué)教師難以提煉出精彩的講述內(nèi)容，學(xué)生難以理解。

3、高職院校理工類(lèi)課程大多具有實(shí)踐性強(qiáng)，以傳統(tǒng)的課堂教學(xué)形式難以理解。

4、絕大多數(shù)高職院校教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不完善，即使有部分設(shè)備，也難以達(dá)到較理想的實(shí)驗(yàn)效果。高職院校專(zhuān)業(yè)教學(xué)很有必要采取新的教育模式和教學(xué)方式，將計(jì)算機(jī)模擬與仿真技術(shù)用于工科課程的理論與實(shí)踐教學(xué)中，解決工科專(zhuān)業(yè)課程中存在的諸多問(wèn)題。

二、模擬技術(shù)引入計(jì)算機(jī)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

模擬技術(shù)可以根據(jù)不同的需要應(yīng)用于不同的地方，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，同時(shí)節(jié)省了維護(hù)的費(fèi)用。模擬技術(shù)給教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了一種有效的工具，不僅可以緩解當(dāng)前實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地不足的問(wèn)題，而且在模擬系統(tǒng)上的操作不影響實(shí)體機(jī)，可在一定程度上提高設(shè)備的安全性，減少實(shí)驗(yàn)室的管理難度，提高教學(xué)效率，既節(jié)約資源又降低了成本。

模擬教學(xué)，可以彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的許多不足：在無(wú)法接觸實(shí)際物理設(shè)備的情況下，仍能開(kāi)展教學(xué)和學(xué)習(xí)活動(dòng)；模擬軟件能模擬出盡可能齊全的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，而這恰恰是真實(shí)環(huán)境下由于資金和條件的限制不可能完全做到的；模擬仿真教學(xué)，設(shè)備不存在損壞問(wèn)題，能反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，能有效地解決設(shè)備損耗問(wèn)題；環(huán)境制約不大，學(xué)生可以把實(shí)驗(yàn)軟件安裝在自己的電腦上，得用課余時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，更好理解課堂教學(xué)內(nèi)容；有益于學(xué)生自然地完成從理論到實(shí)踐的過(guò)渡。

使用靈活，利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。不論實(shí)物儀器設(shè)備有多么笨重，采用仿真教學(xué)，都可以把它裝在電腦里，可以裝在筆記本電腦中隨時(shí)帶到任何一個(gè)地方，因此使用起來(lái)很靈活。并且，在學(xué)校安排學(xué)生實(shí)驗(yàn)或?qū)嵱?xùn)時(shí)，也很方便，教師上課演示也達(dá)到了前所未有的便利。

有些仿真軟件是綜合多個(gè)相關(guān)學(xué)科的功能與一身，一個(gè)軟件可以適用于多個(gè)學(xué)科來(lái)使用，比如FLOTHERM軟件采用先進(jìn)的有限體積法求解器，可以在三維結(jié)構(gòu)模型中全面分析電子系統(tǒng)的熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及流體溫度、流體壓力、流體速度和運(yùn)動(dòng)矢量等。FLOTHERM軟件可以應(yīng)用在通信行業(yè)、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體/集成電路/元器件、航空航天、國(guó)防電子、電力與能源、汽車(chē)電子、儀器儀表、消費(fèi)電子。

提高學(xué)習(xí)效率。在使用仿真軟件后，原先需要很長(zhǎng)時(shí)間才能做好的事情，可以在短時(shí)間內(nèi)高效的完成，比如電路圖的連接，在實(shí)際操作中不論是用面包板插元件連接還是焊錫焊接，效率都不高，在電腦中，只需用鼠標(biāo)輕點(diǎn)需要連接的對(duì)象即可，大大提高效率。而且在儀器儀表的使用上，仿真軟件直觀的獲得測(cè)量的結(jié)果，而在實(shí)物試驗(yàn)中，要調(diào)整、校對(duì)、讀數(shù)，占用大量時(shí)間。在一般的仿真軟件中，會(huì)提供技術(shù)參數(shù)或文檔生成功能，需要的一些文字材料可以直接生成，大大節(jié)約了文字輸入的時(shí)間。

提高實(shí)驗(yàn)安全。高職院校的專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中，有時(shí)候需要進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)或模擬故障實(shí)驗(yàn)，例如電子電器中的極限電壓實(shí)驗(yàn)、電子制作完成后加電實(shí)驗(yàn)、電器故障模擬實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)有些將破壞實(shí)習(xí)元件，有些具有安全隱患。這時(shí)候，我們采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配合仿真軟件進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)和觀察，無(wú)疑將帶來(lái)很大的方便。

三、模擬教學(xué)設(shè)計(jì)中的技術(shù)應(yīng)用

1、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)模擬軟件技術(shù)

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)模擬軟件主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)以及專(zhuān)業(yè)軟件輔助制作動(dòng)畫(huà)作品。使用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)模擬軟件與傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)原理基本相同，主要是采用圖形與圖像的數(shù)字處理技術(shù)，再加上動(dòng)畫(huà)制作軟件生成動(dòng)態(tài)的靜物畫(huà)面，其中當(dāng)前幀畫(huà)面是對(duì)前一幀的部分修改。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)模擬軟件是由計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員開(kāi)發(fā)的制作動(dòng)畫(huà)的工具，使用這一工具不需要用戶(hù)編程，通過(guò)簡(jiǎn)單的交互操作就能實(shí)現(xiàn)計(jì)算記得各種動(dòng)畫(huà)功能不同的動(dòng)畫(huà)效果，取決不同的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)軟硬件的功能，雖然制作的復(fù)雜程度不同?，F(xiàn)階段常用的動(dòng)畫(huà)制作軟件包括：Softimage3D，Alias/Wave front MAYA，3DStudio Max。其中Softimage 3D是一個(gè)綜合運(yùn)行于SGT工作站和Windows NT平臺(tái)的高端三維動(dòng)畫(huà)制作系統(tǒng)；Alias/Wave front MAYA具有最先進(jìn)的動(dòng)畫(huà)及數(shù)字效果技術(shù)，該軟件不僅包括一般三維以及視覺(jué)效果制作的功能，而且還與最先進(jìn)的建模、數(shù)字化布料模擬、毛發(fā)渲染、運(yùn)動(dòng)匹配技術(shù)相結(jié)合。

2、碰撞檢測(cè)與分類(lèi)

所謂碰撞檢測(cè)就是判斷2個(gè)對(duì)象是否發(fā)生重疊，一般碰撞檢測(cè)大致分二維（2D）碰撞與三維（3D）碰撞的檢測(cè)。一開(kāi)始的時(shí)候碰撞測(cè)試是運(yùn)用在模擬和機(jī)器人技術(shù)上的。這些工業(yè)上的碰撞檢測(cè)要求非常高，而碰撞以后的響應(yīng)也是需要符合現(xiàn)實(shí)生活的，是需要符合人類(lèi)常規(guī)認(rèn)識(shí)的。目前二維碰撞算法比較成熟，種類(lèi)也比較多，在游戲中，二維碰撞檢測(cè)運(yùn)用的比較多。而三維碰撞的算法目前還沒(méi)有比較好的解決方案。

判斷操作對(duì)象與目標(biāo)對(duì)象是否發(fā)生重疊，常見(jiàn)的碰撞有以下幾種：矩形碰撞、像素碰撞、坐標(biāo)軸分離檢測(cè)、圓形碰撞、線(xiàn)性碰撞等。其中矩形碰撞和圓形碰撞碰撞的檢測(cè)效率是最高的，但是精度不高，誤差很大，其他幾種檢測(cè)的精確度比較高。

總之，模擬技術(shù)不僅僅是一種新的教學(xué)方法，而且是一種將理論與實(shí)踐相結(jié)合的新的教學(xué)手段，模擬教學(xué)是具有綜合作用的教育手段，學(xué)生置身于仿真環(huán)境中，可以充分調(diào)動(dòng)感覺(jué)，運(yùn)動(dòng)和思維，極大地提高了學(xué)習(xí)效率，可以肯定的說(shuō)，模擬教學(xué)也是高職教學(xué)的一個(gè)發(fā)展方向，它最終會(huì)對(duì)高職教學(xué)實(shí)踐產(chǎn)生重大深遠(yuǎn)的影響。

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（作者單位：黑龍江職業(yè)學(xué)院）