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摘 要：计算机模拟使教学更加形象直观,计算机可以模拟出教科书上的一些实验过程与现象,使学生可以对书本中知识的理解更加深刻透彻。而且模拟教学能在很大程度上弥补客观条件的不足，用形象直观的动画来展示实验仪器的原理和现象，为学生提供近似真实的实验环境,使学生可以达到学以致用的效果。
关键词：实验模拟；训练模拟；教学模拟
引言：计算机模拟也称为仿真，就是用计算机来模拟科学或社会现象。模拟是常用的一种科学方法，而将模拟应用到教学则是近十年来才发展起来的并且越来越受到人们重视。计算机模拟在自然科学、社会科学以及工程技术的教学中都有着广泛的应用。随着多媒体技术的发展，模拟的效果也是越来越好。模拟在教学中的应用分为实验模拟、训练模拟等。实验模拟是指用计算机模拟实验环境，从而补充甚至替代传统的实验手段；训练模拟是指运用由计算机控制的模拟训练器来提供逼真的训练和操作环境，可以在达到同样训练目的的情况下节省训练时间和经费。下面介绍几种常用的模拟技术。
航天训练模拟：训练用的模拟器在航天发展早已普遍应用。自从1939年美国 Elkin首先以模拟信号方式发明了模拟器以来,到1950年出现了用电子计算机的数学模拟方法,模拟技术逐渐提高,使得现在的航空航天的模拟训练更加逼真。
光路模拟：光路模拟器用于在实验室内模拟激光器激光束聚焦于远处实际靶子上时的激光能量密度分布。根据使用的球面镜数量的不同以及各球面镜间距离的变化,它可以模拟激光器实际聚焦于某一距离处靶子上的能量密度分布。这种模拟方法与真实的实验结果符合得很好，对实际的实验结果有一定的指导意义。
真空模拟：真空模拟是指采用分子动力学模拟方法,研究小分子气体（氧气分子和氢气分子）在烯烃共聚物乙烯/1-己烯膜中的扩散性能。主要探讨了分子主链结构中共聚物单体的比例,以及气体分子大小对扩散系数和自由体积的影响。模拟过程中采用Compass力场,对共聚物模拟体系进行NPT系综动力学优化,计算得到其密度,并与实验值进行对比,使模拟体系接近于真实体系;随后进行NVT模拟,得到500ps时间的小分子运动轨迹,由爱因斯坦方程计算出气体分子在烯烃共聚物中的扩散系数,并与文献报道的实验数据进行对比。结果表明,随着共聚物中1-己烯含量的增加,氧分子和氢分子的扩散系数也呈增大趋势,与共聚物中分子间相互作用力的变化分析一致。说明分子动力学模拟方法是一个有效计算、预测小分子在不同比例烯烃共聚物中计算扩散系数的方法。
汽车驾驶模拟：汽车驾驶模拟是指在计算机上模拟汽车驾驶的运行环境和操作效果，学员在视频上看到的道路、车辆、行人、建筑物、交通标志等均是随着驾驶过程实时变化的，如同驾驶真车一样，有身临其境的感觉。采用这种模拟方式可以减少能源消耗，降低培训成本。
人体模拟：1989年美国国立医学图书馆建立了采集人体横断面CT、MRI（磁共振）和组织学数据的项目，其目的是为利用计算机图像重构技术建造虚拟人体作准备。该项目由科罗拉多大学承担实施，分别于1991年和1994年选择了男女各一个活体。男的身高1．82米，女的身高1．54米。在他们死后，立即用CT和MRI作了轴向扫描，男的间距1毫米，共1878个断面。女的间距0．33毫米，共5189个断面。然后将尸体填充蓝色乳胶并裹以明胶后冰冻至摄氏零下80度。再以同样的间距对尸体作组织切片的摄影。这些数据称为VHP数据集。这样的数据集在医学史上是首创，它改变了医学可视化的模式，为计算机图像处理和虚拟现实进入医学敞开了大门，它使走向成熟的三维重构图像处理技术以空前的速度普及。利用这个数据集，可以创立虚拟解剖学、横断面解剖学、纵剖面解剖学、斜剖面解剖学以及一系列医学临床、教学和研究的虚拟模拟，是信息技术和医学结合的重大创新工程。
基础物理教学中的模拟：计算机模拟在基础物理教学中有着广泛的应用，比如在基础物理中相对运动问题通常只研究其解析解,由于解的结果往往比较复杂,所作相对运动的轨迹和运动情况难以判明,不利于对相应问题作形象和深入的理解.因此,通过新的方法和途径描绘出其运动轨迹的图像,这样可以丰富解决问题的方法,深化对相对运动问题的理解和增强学生解决问题的能力。
模拟机械泵的抽气原理：对于学生来说，在黑板上，用粉笔画图，讲解机械泵，在密封定子的腔体内，使偏心转子和叶片，在顺时针转动1/2时内腔体最大气体被抽入，再继续旋转时，内腔体开始缩小，气体被压缩排出泵体，达到抽真空的目的。但是学生很难理解抽气过程和扩散泵抽气原理。我们将关键部位简单化，用计算机模拟真空抽气，从机械泵旋转、压缩使得叶片将气体分子挤压而被排出获得低真空。经过电脑预习的演示和讲解，学生在实验操作前，对实验设备的整体工作原理、操作步骤，有了初步认识和了解。
模拟扩散泵抽气原理：扩散泵内部结构和工作原理比较复杂，是获得高真空的关键设备，在黑板上讲，学生很难理解，用计算机模拟演示和讲解扩散泵的工作过程及抽气原理，学生就很容易理解了。先让学生有个初步了解，再通过实验操作，将复杂的加热、冷却、油蒸汽的喷发与扩散过程，变为简单而容易理解。整个真空系统由玻璃焊接而成，直观的展现工作状态，从结构设计到数据分析，都给人留下了深刻影响，为以后的科研打下良好的基础。
总结：对于学生来说，计算机模拟在教学中的应用十分重要。①一方面，有些教科书中的实验由于实验条件的限制在实际教学中很难让学生亲自操作，学生可以观看计算机模拟出来的实验现象和结果，以此加深对书本中所学知识的理解 ②另一方面，对于学生可以亲自操作的实验，学生在实验前可以先观看通过计算机模拟的实验过程和现象，了解实验仪器的工作原理和实验现象。做完实验后，学生还可以将实际的实验结果与计算机模拟的结果进行比较，找出模拟过程中忽略的因素，而这些因素会对实际的实验结果造成影响，以获得对实际实验更加深入和全面的理解。
参考文献：
［1］陈正隆 徐为人 汤立达.分子模拟的理论与实践[M].北京:化学工业出版社,2007.
［2］赵军朋,张薇,王智忠,等. 空调压缩机制冷量测量及其不确定度分析. 压缩机技术,2004 , (2) :5210.
［3］肖瑛，刘涌，候春，等!退火对+EF4# 镶嵌复合薄膜结构及发光特性的影响.
［4］吴锦雷.几种新型薄膜材料.北京大学出版社.1988.5: 63-84.
［5］达道安. 真空设计手册.国防工业出版社(现代电子信息技术).1999.5:86-105.
关键词：实验模拟；训练模拟；教学模拟
引言：计算机模拟也称为仿真，就是用计算机来模拟科学或社会现象。模拟是常用的一种科学方法，而将模拟应用到教学则是近十年来才发展起来的并且越来越受到人们重视。计算机模拟在自然科学、社会科学以及工程技术的教学中都有着广泛的应用。随着多媒体技术的发展，模拟的效果也是越来越好。模拟在教学中的应用分为实验模拟、训练模拟等。实验模拟是指用计算机模拟实验环境，从而补充甚至替代传统的实验手段；训练模拟是指运用由计算机控制的模拟训练器来提供逼真的训练和操作环境，可以在达到同样训练目的的情况下节省训练时间和经费。下面介绍几种常用的模拟技术。
航天训练模拟：训练用的模拟器在航天发展早已普遍应用。自从1939年美国 Elkin首先以模拟信号方式发明了模拟器以来,到1950年出现了用电子计算机的数学模拟方法,模拟技术逐渐提高,使得现在的航空航天的模拟训练更加逼真。
光路模拟：光路模拟器用于在实验室内模拟激光器激光束聚焦于远处实际靶子上时的激光能量密度分布。根据使用的球面镜数量的不同以及各球面镜间距离的变化,它可以模拟激光器实际聚焦于某一距离处靶子上的能量密度分布。这种模拟方法与真实的实验结果符合得很好，对实际的实验结果有一定的指导意义。
真空模拟：真空模拟是指采用分子动力学模拟方法,研究小分子气体（氧气分子和氢气分子）在烯烃共聚物乙烯/1-己烯膜中的扩散性能。主要探讨了分子主链结构中共聚物单体的比例,以及气体分子大小对扩散系数和自由体积的影响。模拟过程中采用Compass力场,对共聚物模拟体系进行NPT系综动力学优化,计算得到其密度,并与实验值进行对比,使模拟体系接近于真实体系;随后进行NVT模拟,得到500ps时间的小分子运动轨迹,由爱因斯坦方程计算出气体分子在烯烃共聚物中的扩散系数,并与文献报道的实验数据进行对比。结果表明,随着共聚物中1-己烯含量的增加,氧分子和氢分子的扩散系数也呈增大趋势,与共聚物中分子间相互作用力的变化分析一致。说明分子动力学模拟方法是一个有效计算、预测小分子在不同比例烯烃共聚物中计算扩散系数的方法。
汽车驾驶模拟：汽车驾驶模拟是指在计算机上模拟汽车驾驶的运行环境和操作效果，学员在视频上看到的道路、车辆、行人、建筑物、交通标志等均是随着驾驶过程实时变化的，如同驾驶真车一样，有身临其境的感觉。采用这种模拟方式可以减少能源消耗，降低培训成本。
人体模拟：1989年美国国立医学图书馆建立了采集人体横断面CT、MRI（磁共振）和组织学数据的项目，其目的是为利用计算机图像重构技术建造虚拟人体作准备。该项目由科罗拉多大学承担实施，分别于1991年和1994年选择了男女各一个活体。男的身高1．82米，女的身高1．54米。在他们死后，立即用CT和MRI作了轴向扫描，男的间距1毫米，共1878个断面。女的间距0．33毫米，共5189个断面。然后将尸体填充蓝色乳胶并裹以明胶后冰冻至摄氏零下80度。再以同样的间距对尸体作组织切片的摄影。这些数据称为VHP数据集。这样的数据集在医学史上是首创，它改变了医学可视化的模式，为计算机图像处理和虚拟现实进入医学敞开了大门，它使走向成熟的三维重构图像处理技术以空前的速度普及。利用这个数据集，可以创立虚拟解剖学、横断面解剖学、纵剖面解剖学、斜剖面解剖学以及一系列医学临床、教学和研究的虚拟模拟，是信息技术和医学结合的重大创新工程。
基础物理教学中的模拟：计算机模拟在基础物理教学中有着广泛的应用，比如在基础物理中相对运动问题通常只研究其解析解,由于解的结果往往比较复杂,所作相对运动的轨迹和运动情况难以判明,不利于对相应问题作形象和深入的理解.因此,通过新的方法和途径描绘出其运动轨迹的图像,这样可以丰富解决问题的方法,深化对相对运动问题的理解和增强学生解决问题的能力。
模拟机械泵的抽气原理：对于学生来说，在黑板上，用粉笔画图，讲解机械泵，在密封定子的腔体内，使偏心转子和叶片，在顺时针转动1/2时内腔体最大气体被抽入，再继续旋转时，内腔体开始缩小，气体被压缩排出泵体，达到抽真空的目的。但是学生很难理解抽气过程和扩散泵抽气原理。我们将关键部位简单化，用计算机模拟真空抽气，从机械泵旋转、压缩使得叶片将气体分子挤压而被排出获得低真空。经过电脑预习的演示和讲解，学生在实验操作前，对实验设备的整体工作原理、操作步骤，有了初步认识和了解。
模拟扩散泵抽气原理：扩散泵内部结构和工作原理比较复杂，是获得高真空的关键设备，在黑板上讲，学生很难理解，用计算机模拟演示和讲解扩散泵的工作过程及抽气原理，学生就很容易理解了。先让学生有个初步了解，再通过实验操作，将复杂的加热、冷却、油蒸汽的喷发与扩散过程，变为简单而容易理解。整个真空系统由玻璃焊接而成，直观的展现工作状态，从结构设计到数据分析，都给人留下了深刻影响，为以后的科研打下良好的基础。
总结：对于学生来说，计算机模拟在教学中的应用十分重要。①一方面，有些教科书中的实验由于实验条件的限制在实际教学中很难让学生亲自操作，学生可以观看计算机模拟出来的实验现象和结果，以此加深对书本中所学知识的理解 ②另一方面，对于学生可以亲自操作的实验，学生在实验前可以先观看通过计算机模拟的实验过程和现象，了解实验仪器的工作原理和实验现象。做完实验后，学生还可以将实际的实验结果与计算机模拟的结果进行比较，找出模拟过程中忽略的因素，而这些因素会对实际的实验结果造成影响，以获得对实际实验更加深入和全面的理解。
参考文献：
［1］陈正隆 徐为人 汤立达.分子模拟的理论与实践[M].北京:化学工业出版社,2007.
［2］赵军朋,张薇,王智忠,等. 空调压缩机制冷量测量及其不确定度分析. 压缩机技术,2004 , (2) :5210.
［3］肖瑛，刘涌，候春，等!退火对+EF4# 镶嵌复合薄膜结构及发光特性的影响.
［4］吴锦雷.几种新型薄膜材料.北京大学出版社.1988.5: 63-84.
［5］达道安. 真空设计手册.国防工业出版社(现代电子信息技术).1999.5:86-105.