虛擬仿真實驗在大型貴重設備教學中的應用

王永強+吳愛軍+李雪

摘要：由于高校用于教學實驗的大型貴重設備存在設備數量少、耗材貴、運行成本高等問題，很難達到每一個學生都能親自操作的需求，在多數情況下只能通過演示實驗進行了解，造成學生學習興趣低下、學習效果不佳等后果。本文以探地雷達的虛擬仿真實驗為例，介紹虛擬仿真實驗技術的應用和方案設計，為高校的大型貴重設備實驗教學提供了一種切實可行的輔助方法。

關鍵詞：大型貴重設備；仿真實驗；探地雷達

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）05-0275-02

一、引言

隨著教育事業的發展，高校學生數量越來越多，用于教學實驗的大型貴重設備存在設備數量少、耗材貴、運行成本高等缺點，很難達到每一個學生都能親自操作的需求，在多數情況下只能通過演示實驗進行了解，造成學生學習興趣低下、學習效果不佳等后果。同時，大型貴重設備的操作也需要一定的原理知識和工程經驗，否則容易造成設備的損壞，但這恰恰是學生所欠缺的。因此需要一種能夠滿足大量學生操作、實驗原理和實驗效果類似的學習工具來進行輔助教學。虛擬仿真實驗系統可以讓學生在個人電腦上構建虛擬的實驗對象，獨立設計實驗方案并對各種工況參數進行調整，可實現獨立思考和操作。虛擬系統在學習時，需要對設備原理和應用環境進行分析，能夠滿足學生從理論到實踐的學習要求，更能激發學生的學習興趣，提高學習效果。本文以探地雷達為例，介紹虛擬仿真實驗技術的應用和方案設計。

二、探地雷達的虛擬仿真實驗設計

1.探地雷達基礎原理簡介。探地雷達是用頻率介于106—109Hz的無線電波來確定地下介質分布的一種無損探測方法。基本原理是通過發射天線向地下發射高頻電磁波，接收天線接收反射回地面的電磁波，電磁波在地下介質中傳播時遇到存在電性差異的分界面時發生反射，根據接收到的電磁波的波形、振幅強度和時間的變化等特征推斷地下介質的空間位置、結構、形態和埋藏深度，探測原理如圖1所示。

2.仿真軟件功能簡介。探地雷達的仿真軟件采用英國愛丁堡大學的Antonis Giannopoulos研發的GPRmax軟件進行仿真模擬，該軟件屬于免費軟件，可在官方網站上進行下載[1]。GPRmax的開發基于時域有限差分（FDTD）原理，能夠模擬不同地質模型的探地雷達響應，并在MATLAB環境下進行成圖和數據處理工作[2]，因此需要預先安裝MATLAB平臺。該軟件能模擬不同類型的天線及不同探測方式進行探測，彌補了實驗設備單一、功能不全的不足。

3.仿真軟件的構成、功能和操作。GPRmax軟件由一個壓縮包構成，包括運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和Debye型色散媒質中的傳播以及電磁波與目標物體的相互影響，從而得到目標物體的探地雷達地質圖像[3]。通過設置不同介電常數以模擬不同的地質條件，可模擬管道、長方體、金屬物質、水等在雷達波探測下的波形圖。軟件有獨立的編程語言，但編程方便，簡單易學。

該虛擬仿真實驗的操作主要分以下幾個步驟：（1）建模編程。根據軟件提供的說明書[4]，該軟件建模方式為建立一個記事本文檔，按照編程語言首先定義介質，定義模型區域、步長以及時窗，然后運用編程語句建好物理幾何模型，設定雷達波的類型、頻率以及迭代算法步數，然后設置天線坐標參數、移動步長，最后設定輸出文件。（2）運行模擬軟件計算。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，運行GPRmax軟件，輸入運行計算命令即可，等待軟件自動運行計算，計算完成后會按照編程設定生成建模文件.geo和波形文件*.out。（3）MATLAB讀取運行結果文件繪圖。將上述的建模文件和波形文件拷貝到軟件的tools文件夾中，運行gprmax2g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、虛擬仿真實驗的使用

探地雷達因儀器體積大、重量大及造價昂貴的原因，無法讓每個學生親手操作，而探地雷達模虛擬仿真軟件作為輔助教學工具，與真實儀器相比具有運行無耗損、不限時間與地點、學生可以在課后進行、可以讓學生親自動手操作、可模擬探地雷達的多種探測功能等優勢，對高校探地雷達的教學有較大幫助。

因部分實驗儀器在講解過程中涉及一些原理性的理論知識內容抽象，講解比較枯燥、難懂，因此學生理解普遍存在困難[5]。而通過對軟件編程的學習，可提高學生的自學能力，發揮學生的創造性，并且使其對雷達探測的原理及過程有深刻的理解。軟件運行基于理想條件，采用計算機進行信息處理，數據采集、實驗控制及各種儀器減少了儀器調試部分，可使教學過程智能化，大大提高實驗效率[6]。實驗無任何干擾，誤差小，可取得良好的實驗結果，甚至可激發學生對軟件的二次開發興趣，提高教學效果。

四、結論

通過計算機虛擬仿真實驗進行輔助教學，能較好地解決大型貴重儀器的稀少和學生大量需求之間的矛盾，在沒有條件接觸到大型貴重設備的情況下，每一個學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構組成、工作原理，為更好地進行實驗奠定了良好的基礎，虛擬仿真實驗系統為高校實驗教學提供了一種切實可行的輔助教學方法。

參考文獻：

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

[2]王春輝.探地雷達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，2007.

[3]宋審宇，于會山.基于GPRMAX的探地雷達圖像正演模擬[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，張偉玉.計算機輔助儀器分析課程教學課件設計的研究[J].天津農學院學報，2011，1（18）：59-61.

[6]黃時海，汪晟，白先放，盧潔，李湘萍.計算機輔助教學在儀器分析課教學中的應用[J].中國科教創新導刊，2009，（35）：192-193.endprint