基于Matlab語言的測試技術仿真實驗教學系統開發

王新華 邵海燕 宋方臻 馬玉真

濟南大學機械工程學院 山東濟南 250022

基于Matlab語言的測試技術仿真實驗教學系統開發

王新華 邵海燕 宋方臻 馬玉真

濟南大學機械工程學院 山東濟南 250022

針對普通高校研究生教學尤其是實驗教學中存在的問題，提出了開發以自主學習為主的仿真實驗教學系統的思路，并以機械類課程測試技術為例，對仿真系統進行了詳細的介紹。

Matlab語言；仿真；實驗教學；測試技術

Abstract: Facing the existent problems in graduate teaching especially experimental teaching for general universities, we put forward a new idea of developing a simulation experimental teaching system for self-study, and taking the measuring and testing technique, one of the mechanical courses for example, we introduced the simulation system in detail.

Key words: Matlab language; simulation; experiment teaching; measuring and testing technique

多年來，我國高校實驗室一直延續著以驗證性實驗為主的教學方法，新技術很難反映到實驗教學中。由于各項實驗要求在規定的時間內完成，且實驗儀器短缺，學生只能機械地模仿或簡單地得到數據，很難保證實驗的質量與水平。按照傳統的教學思想，教師盡量地多講解，多傳授，學生只能被動地接受教師的思想，在實驗中模仿教師的實驗過程得到實驗結果，使學生失去了主動思考的機會。即使順利完成的實驗，印象也不會很深。

其實,學生的創造潛力是很大的,在近幾年的研究生教學實踐中,我們嘗試了從教師安排實驗內容到學生自己根據需要完成實驗的過渡,結果發現,學生的興趣大大增強了,積極思考并動手操作,很好地彌補了理論學習的不足。

現代科學技術，如激光、遙感和計算機技術等，其實驗方法和實驗技術正迅速發展，這是任何一門理論課都不能包括的內容。如果目前我們仍延續以前的實驗教學方式，這些新技術很難反映到實驗教學中。為了適應開放性實驗的需要，我們實驗人員應積極主動地開發新的實驗項目，使實驗內容不斷上檔次、上水平，把新技術、新材料應用于實驗教學之中，更好地適應現代化的教學環境。

1 當前大學教育的特點

大學教育是培養我國社會主義現代化建設高層次人才的重要渠道，肩負著振興中華的偉大歷史使命。自主學習應逐漸成為學生學習的主要途徑，隨著學生人數的增加，教學資源的優化成為比較突出的問題。

在教學方法上，應擺脫以教師講課為主的課堂灌輸，采用啟發式、討論式等多種教學方法，鼓勵師生互動，在爭論和反思中一起研究、共同探討。還要避免教學途徑單一化，實現網絡教學、實踐教學和自我學習的有機結合。

在教學過程中要求學生參與具體的過程，進行體驗，教師不僅傳授知識，還要引導學生進行科學探索，不是把現成的知識告訴學生，而是讓學生嘗試去發現科學知識的內在規律。因此，為學生提供良好的自主學習機會和環境十分必要。

2 建立仿真實驗教學系統的必要性

實驗教學是保證課程整體教學效果的重要環節。在素質教育中，實驗室建設顯得極為重要。針對我院學科建設的需要，結合學校加強實驗室建設意圖，我們提出了實驗教學的教改構想。

測試技術實驗室是機械學院教學實驗基地，承擔學院各專業多門課程的實驗教學任務。該實驗室實行面對本科生、研究生、教師全面開放運行模式，為課程實驗、學生課外科技活動、教師科研提供了良好的實驗和科研場所，深受師生和專家的肯定和好評，但是，隨著教改和學科建設的深入，對實驗條件和實驗方式提出了越來越高的要求，由于經費限制，該實驗室的建設已經滯后于教改和學科建設的步伐。

目前，普通高校實踐環節的實驗器材相當匱乏，學生普遍反映，課程缺乏實踐環節，過于抽象。以我校機械學院開設的機械類課程測試技術為例，課程涉及許多信號的分析，現有的實驗設備大多是對理論知識的驗證和再現，且各儀器都有一定的局限性，這不僅影響到課程教學質量、學生的學習積極性，也有悖于實驗與教學相結合以及實事求是的教學方針。

為了給學生提供一個良好的自主學習、研究性學習環境，我們開發了基于Matlab語言的計算機仿真實驗教學系統，利用實驗室現有資源，發揮計算機硬件、軟件的優勢，將課程中涉及的信號以及實驗過程進行仿真，給學生建立直觀、形象的認識，為學生自主學習打下基礎。學生在由仿真實驗到具體實驗的過程中，可以反復分析、挖掘相關知識點，同時可以自主安排實驗內容，不受課時和儀器的限制。

3 仿真實驗教學系統的內容

Matlab語言是集數學計算、圖形處理和程序語言設計于一體的著名數學軟件，可實現交互式的動態系統仿真，可以處理線性、非線性、連續、離散、多變量、多級系統。利用該軟件與實驗室現有的硬件設備，開發完成仿真實驗教學系統，包括：一階系統、二階系統幅頻特性的測試；周期信號的波形及特征參數、幅頻特性；非周期信號的波形及幅頻特性；隨機信號及相關函數；理想濾波器、實際濾波器的特性及相關濾波；信號的調制、電橋放大與解調；窗函數與截斷；采樣定理及數字化過程。

以下是幾個典型的仿真實例，圖1為一階系統和二階系統對階躍信號的響應，通過2個信號的輸出可以看出一階系統與二階系統的特性區別，從中可以看出二階系統的不平穩性。

圖1 一階及二階系統階躍信號的響應

圖2(a)(b)為低通濾波器和高通濾波器的幅頻特性，從中可以看出2種濾波器對不同頻率信號的響應特性，圖3為方波信號通過低通濾波器的輸出響應，由于濾波器的截止頻率fc=1Hz，方波信號的周期T=2s，因此，輸出信號只有單一頻率的正弦信號。

圖2 低通濾波器和高通濾波器的幅頻特性

圖3 方波信號通過低通濾波器的輸出響應

圖4(a)(b)為2個不同頻率的正弦信號進行疊加與相乘的結果，可以看出低頻正弦信號與高頻正弦信號疊加與被調制后的結果有明顯的不同。

圖4 正弦信號與正弦信號的疊加和相乘結果比較

從以上實例可以看出，該仿真實驗系統不僅適用于測試技術課程的教學，也適合于其他相關課程的應用，從而實現了多專業課程實驗共享，大大提高了設計實驗的效率，并且學生可根據自己的實際情況進行不同程度的設計實驗，可滿足學生自擬目標的設計實驗要求。

4 結束語

該系統在機械類課程教學和實驗教學中起到了非常重要的作用，以往抽象的信號變得非常直觀，學生可以根據需要點擊相應的信號，對信號的形式、波形變化、響應結果都可以直接查看,在沒有硬件資源的前提下，也可以形象地分析、處理，操作靈活、方便，尤其在綜合性實驗中，學生可以通過本實驗系統，事先了解測試技術實驗的綜合內容，然后根據自己的想法設計、安排實驗，起到了很好的指導作用。

為有效利用現有教學資源，進一步挖掘學生學習的潛力，提高其學習的自主性和興趣，學校應該加大資金投入，教師應該加大精力投入，使研究生教學更上一個臺階。

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Development of simulation experiment teaching system of measuring and testing technique based on Matlab language

Wang Xinhua, Shao Haiyan, Song Fangzhen, Ma Yuzhen
School of mechanical engineering, University of Jinan, Jinan, 250022, China

2011-01-14 稿件編號：1101059

王新華，本科，工程師。

山東省研究生教育創新計劃資助項目(編號：SDYY09028)，濟南大學教學項目(編號：JQ0904)，濟南大學精品課程建設項目(編號：JP0913)。