【摘要】本文分析了計算機仿真軟件在科學(xué)研究中的應(yīng)用,提出構(gòu)建仿真軟件平臺和計算機實驗平臺,培養(yǎng)通信專業(yè)研究生的計算機仿真能力。文中提到的平臺構(gòu)建方案能緩解科研條件不足、仿真軟件很難滿足新課題需求以及仿真結(jié)果跟實際應(yīng)用脫節(jié)的問題。
【關(guān)鍵詞】研究生教育;通信專業(yè);計算機仿真
引言
計算機仿真是集系統(tǒng)工程、控制理論、計算技術(shù)于一體的綜合性學(xué)科,它利用計算機強大的信息處理能力構(gòu)建數(shù)學(xué)模型、模擬現(xiàn)實系統(tǒng),并通過評價仿真實驗數(shù)據(jù)來驗證模型的正確性。在信息科學(xué)領(lǐng)域,計算機仿真已經(jīng)成為研究者從事科學(xué)研究的重要手段。另外,在實際科研條件不充分的情況下,計算機仿真也是研究者從事課題研究的有力工具。它可以幫助研究人員在一定程度上擺脫科研條件的限制,從事大量專題研究。對于科研條件相對落后的高校,培養(yǎng)信息類研究生的計算機仿真能力顯得尤為重要??蒲性O(shè)備昂貴而科研經(jīng)費不足導(dǎo)致一些前沿的課題研究無法開展,一方面限制了學(xué)校自身的學(xué)科發(fā)展,另一方面也限制了研究生的培養(yǎng)。從培養(yǎng)通信專業(yè)研究生的科研能力出發(fā),本文提出應(yīng)用仿真軟件和計算機實驗設(shè)備構(gòu)建科研仿真平臺,改善研究生從事課題研究的環(huán)境。文中提到的平臺建設(shè)方案不僅能緩解科研條件薄弱導(dǎo)致科研領(lǐng)域受限的問題,而且可解決現(xiàn)有仿真軟件很難滿足新課題研究需求、仿真結(jié)果跟實際系統(tǒng)脫節(jié)的問題。在平臺建設(shè)過程中,研究生將提升自己的計算機仿真能力,擴展課題研究的領(lǐng)域。
計算機仿真軟件應(yīng)用現(xiàn)狀
計算機仿真研究始于上世紀(jì)八十年代,國外有研究組織以計算機為工具模擬復(fù)雜系統(tǒng)。到今天,已經(jīng)出現(xiàn)了大量的計算機仿真軟件?,F(xiàn)有的仿真軟件(特別是商業(yè)軟件)存在如下缺陷:首先,很難滿足新課題的研究需求。很多商業(yè)仿真軟件面向?qū)嶒灲虒W(xué),旨在提高教學(xué)效率。其功能大多模擬已經(jīng)很成熟的系統(tǒng)和模型,適合已經(jīng)存在的工程應(yīng)用。對于一些新領(lǐng)域、新課題的研究,由于理論模型需要不斷更新和完善,其內(nèi)容很難得到仿真軟件的同步支持。新領(lǐng)域和新課題的支持欠缺導(dǎo)致這些軟件不能很好地滿足科研需要。其次,大部分商業(yè)軟件不提供開源代碼或者深入開發(fā)的接口。當(dāng)面臨新課題時,研究人員無法有效擴展這些軟件,使之應(yīng)用于新的研究領(lǐng)域。最后,仿真設(shè)計的系統(tǒng)跟所模仿的實際系統(tǒng)存在差距。計算機軟件的模擬過程往往忽略大量實際約束條件,更多地停留在理論設(shè)計層面,可能導(dǎo)致仿真結(jié)果跟實際應(yīng)用脫節(jié)。
構(gòu)建仿真軟件平臺培養(yǎng)研究生的科研能力
在培養(yǎng)通信專業(yè)研究生時,導(dǎo)師應(yīng)該充分考慮到仿真軟件上述的缺陷,鍛煉學(xué)生正確使用仿真軟件從事課題研究的能力。從而擺脫已有軟件的功能限制,增強科研的靈活度。
1.建立開源的仿真軟件實驗環(huán)境
從開源仿真軟件入手,摸索改進和自主設(shè)計仿真軟件的方法,建立適合課題研究的仿真軟件平臺。圖1說明了本研究的思路。通信領(lǐng)域的很多課題都是開放的,研究生可以選擇自己感興趣的方向。但科研基礎(chǔ)、科研經(jīng)費、科研時間以及實驗條件的限制,最后導(dǎo)致科研基礎(chǔ)薄弱,無法為研究生提供優(yōu)良的科研環(huán)境,支持其從事新課題、新熱點的專題研究。通過引入仿真軟件,研究生可在導(dǎo)師的指導(dǎo)下改進仿真軟件或自主設(shè)計仿真軟件。最后,形成以仿真軟件為平臺的科研環(huán)境。這不僅彌補了科研資源的匱乏,而且拓展了課題研究領(lǐng)域,研究生可以根據(jù)自己的興趣方向開展專題研究。
2.實驗環(huán)境中用到的仿真軟件
根據(jù)研究方向和參與項目的分工,導(dǎo)師應(yīng)該為學(xué)生指定合適的仿真軟件。譬如,從事網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究的學(xué)生,導(dǎo)師可為其安排Matlab和NS2等仿真軟件;從事無線通信系統(tǒng)設(shè)計的學(xué)生,導(dǎo)師可為其安排Matlab和GloMoSim等仿真軟件。
3.培養(yǎng)應(yīng)用和開發(fā)仿真軟件的能力
考慮到仿真軟件的缺陷,在培養(yǎng)研究生的計算機仿真能力時需要從兩方面入手:第一,選擇便于二次開發(fā)的仿真軟件,培養(yǎng)研究生改進現(xiàn)有軟件、甚至自主開發(fā)仿真軟件的能力;第二,仿真設(shè)計跟實際系統(tǒng)設(shè)計相結(jié)合,在培養(yǎng)研究生原理分析能力的同時增強工程實踐能力。前一個方面考慮到仿真軟件不一定滿足新課題的需要,譬如當(dāng)前還沒有能很好支持認知無線電研究的軟件。因此,在指導(dǎo)研究生時,導(dǎo)師一定要考慮到所用軟件是否支持二次開發(fā),能有效擴展現(xiàn)有平臺,從而支持新課題的研究。開源的仿真軟件能很好地滿足這一需要,譬如,開源的NS2軟件為通信課題提供了一個開放的研究平臺,研究者通過添加新功能模塊,能將其擴展成適應(yīng)新課題的平臺。
構(gòu)建計算機實驗平臺培養(yǎng)研究生的科研能力
在對專題進行原理性研究時,仿真軟件為研究的深入提供了很多的便利。但是,仿真軟件存在一個不可忽視的缺陷——不能完全還原實際工程場景。基于仿真的研究成果往往是原理性的結(jié)論,很難直接應(yīng)用到工程實踐中。因此,除培養(yǎng)研究生的仿真能力外,還需要鍛煉其工程應(yīng)用能力。本文提供了另外一種仿真思路:在利用軟件方法進行仿真設(shè)計后,再利用計算機實驗平臺來搭建一些實驗原型,近似模擬最后的實際系統(tǒng)。組建這樣的原型系統(tǒng)既充實了科研資源,又鍛煉了學(xué)生的工程實踐能力。譬如,為構(gòu)建一個MPLS網(wǎng)絡(luò),實驗室需要投入很高的經(jīng)費購買路由器設(shè)備,這意味著經(jīng)費不充足的實驗室無法從事MPLS網(wǎng)絡(luò)方面的研究。此時,如果在計算機上安裝Linux系統(tǒng),并配置MPLS功能,即可用來充當(dāng)MPLS路由器并組建一個MPLS實驗網(wǎng)絡(luò)。這種計算機平臺仍然是一種仿真環(huán)境,但比純粹的仿真軟件更接近工程環(huán)境了。學(xué)生可以在這樣的實驗條件下從事很多MPLS網(wǎng)絡(luò)方面的課題研究,這對提高學(xué)生的工程實踐能力有很大的幫助。
為有效構(gòu)建計算機實驗平臺,研究生應(yīng)該從課題研究需要出發(fā),有針對性地學(xué)習(xí)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的知識和技能。導(dǎo)師應(yīng)該引導(dǎo)研究生學(xué)習(xí)《操作系統(tǒng)》、《嵌入式系統(tǒng)》等課程。另外,導(dǎo)師還應(yīng)引導(dǎo)研究生學(xué)習(xí)Linux方面的技術(shù),提升學(xué)生應(yīng)用Linux從事系統(tǒng)開發(fā)的能力。
結(jié)論
在信息科學(xué)領(lǐng)域,計算機仿真已經(jīng)成為研究者從事科學(xué)研究的重要手段。研究人員可利用合適的仿真軟件模擬系統(tǒng),通過仿真實驗來分析方案設(shè)計正確性并予以優(yōu)化,以減少工程實施中的問題。另外,在實際科研條件不充分的情況下,計算機仿真可幫助研究人員在一定程度上擺脫科研條件的限制,從事大量專題研究。為提高學(xué)習(xí)和科研能力,通信專業(yè)研究生應(yīng)該掌握一些仿真工具。本文提出應(yīng)用仿真軟件和計算機實驗設(shè)備構(gòu)建科研仿真平臺,改善研究生從事課題研究的環(huán)境。這些不僅能緩解科研條件薄弱導(dǎo)致科研領(lǐng)域受限的問題,而且可解決現(xiàn)有仿真軟件很難滿足新課題研究需求、仿真結(jié)果跟實際系統(tǒng)脫節(jié)的問題。
致謝
本論文受西南科技大學(xué)研究生教育教學(xué)改革項目資助(09xjjg10),西南科技大學(xué)科研基金資助(09zx7123)。
參考文獻:
[1]胡曉波,李琰,王艷芳.計算機仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用.實驗室科學(xué),2007(11):121-124
[2]潘峰,薛定宇,陳大力,崔建江.計算機仿真課群教學(xué)體系的改革與實踐.高等教育與學(xué)術(shù)研究,2009(6):1-5
[3]邢敏,黃嵐.計算機模擬仿真教學(xué)的研究與實踐.高教研究,2007(1):152-153
[4]李建軍,吳志平.高校工科專業(yè)課程計算機模擬與仿真教學(xué)研究.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2008(7):133-136