計(jì)算機(jī)仿真畢業(yè)論文探索

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本科畢業(yè)論文是教育部對高等學(xué)校進(jìn)行本科教學(xué)質(zhì)量評估和審核評估一個(gè)非常重要的考核點(diǎn)，本科畢業(yè)論文也是教學(xué)計(jì)劃中的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)，本科畢業(yè)論文的質(zhì)量能夠反映高等學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量，能夠客觀評價(jià)教與學(xué)，體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，是學(xué)生畢業(yè)取得學(xué)位資格認(rèn)定的重要依據(jù)。可以說本科畢業(yè)論文對于高等學(xué)校本科教育具有重要意義，但是本科畢業(yè)論文在管理系統(tǒng)[1]、質(zhì)量評估[2]、檔案管理[2]、重復(fù)率檢測[3]、質(zhì)量監(jiān)管[2,4,5]、寫作方法[6,7]等方面還存在各種不完善，從而導(dǎo)致本科畢業(yè)論文質(zhì)量得不到保障。體現(xiàn)本科畢業(yè)論文的核心是本科畢業(yè)論文的內(nèi)容，學(xué)生能否獨(dú)立查閱論文，并對獲取的信息進(jìn)行正確的分類、歸納、總結(jié)和應(yīng)用，并應(yīng)用所學(xué)習(xí)的專業(yè)知識提出問題，并找到問題的切入點(diǎn)，應(yīng)用科學(xué)的計(jì)算方法解決問題，使研究內(nèi)容具有一定的創(chuàng)新型。計(jì)算機(jī)仿真是科學(xué)的計(jì)算方法之一，如何有效學(xué)習(xí)和利用計(jì)算機(jī)仿真方法決定著畢業(yè)論文的內(nèi)容和質(zhì)量。本論文以理工科畢業(yè)論文中計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用進(jìn)行探索和研究。

一計(jì)算機(jī)仿真的必要性

計(jì)算機(jī)仿真在理工科本科畢業(yè)論文中的應(yīng)用是必要的，是由理工科的學(xué)科特點(diǎn)決定的。理工科知識的學(xué)習(xí)以高等數(shù)學(xué)、專業(yè)英語和基本的計(jì)算機(jī)語言等專業(yè)知識為基礎(chǔ)，專業(yè)知識根據(jù)理工科學(xué)科特點(diǎn)的不同而有所不同，課本知識都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是理論性都比較強(qiáng)，以電磁場理論這門課程為例，課程的基礎(chǔ)課程是高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理學(xué)，學(xué)完這兩門課程，打下一個(gè)基礎(chǔ)才能學(xué)習(xí)電磁場理論這門課程，電磁場理論也是基于數(shù)學(xué)理論知識開始學(xué)習(xí)的，在課程的第一章一般要介紹一些數(shù)學(xué)基本知識梯度、散度和旋度的基本概念，有了這些概念為基礎(chǔ)，將電磁學(xué)知識按照數(shù)學(xué)思路進(jìn)行展開，研究電場、磁場的梯度、散度和旋度，以及所表現(xiàn)出來的各種電磁特性，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，如果數(shù)學(xué)知識打得不是很牢固，那么學(xué)習(xí)電磁場理論這門課程就比較困難，如何破解這個(gè)難題，將計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用其中是將抽象的理論課程變成可視化過程的方法之一。理工課程的這一特點(diǎn)也直接反映到本科生畢業(yè)論文上面，本科畢業(yè)論文就是在所學(xué)習(xí)基本知識基礎(chǔ)上開展科學(xué)研究的，而計(jì)算機(jī)仿真能夠很好地拓展現(xiàn)有基本知識，并且可以驗(yàn)證你手工完成的計(jì)算結(jié)果，為你提供了一個(gè)后臺檢查工具，同時(shí)可將抽象的難懂的物理概念變得可視化，也可將無法實(shí)現(xiàn)的動態(tài)物理現(xiàn)象展現(xiàn)出來，因此計(jì)算機(jī)仿真在本科畢業(yè)論文的應(yīng)用就有一定的必要性。

二幾種典型的計(jì)算機(jī)仿真軟件

以電子信息、光學(xué)工程和通訊工程為例介紹幾種典型的計(jì)算機(jī)仿真軟件。

（一）MATLAB語言編程。MATLAB語言是科學(xué)工程中一個(gè)廣泛使用的計(jì)算工具，是理工科學(xué)生應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)編程語言。MATLAB是MatrixLaboratory(矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫，20世紀(jì)80年代初，MATLAB的創(chuàng)始人CleveMoler博士在美國NewMexico大學(xué)講授線性代數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)采用高級編程語言編寫程序很不方便，為了減輕學(xué)生編程的負(fù)擔(dān)，他構(gòu)思開發(fā)了MATLAB軟件[8]，經(jīng)過不斷發(fā)展，MATLAB已經(jīng)成為國際上最流行的編程軟件之一。MATLAB語言以數(shù)學(xué)矩陣為基本編程單元，編程語言簡單，具有強(qiáng)大的圖形表達(dá)功能，還可以提供許多面向應(yīng)用問題求解的工具箱函數(shù)，并且具有強(qiáng)有力的系統(tǒng)仿真功能，MATLAB還可以與其他計(jì)算軟件進(jìn)行很好的兼容。根據(jù)中國知網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以MATLAB與主題關(guān)鍵詞的有2976篇，以MATLAB仿真為主題關(guān)鍵詞的有1756篇，以MATLAB/Simulink為主題關(guān)鍵詞的有749篇。上面是在文章題目中含有MATLAB字句的檢索結(jié)果，還有論文中應(yīng)用MATLAB編程的沒有統(tǒng)計(jì)在內(nèi)，可見用MATLAB語言編程進(jìn)行論文寫作是大家常采用的一種科研方法。

（二）CST三維電磁仿真軟件。CST電磁仿真軟件是德國CST股份有限公司設(shè)計(jì)的，CST軟件主要應(yīng)用于電磁兼容、天線/RCS、核磁共振、超構(gòu)材料以及高壓配電等領(lǐng)域[9]。CST現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，CST也是科研工作者最喜歡應(yīng)用的一款電磁計(jì)算軟件，據(jù)中國知網(wǎng)的數(shù)據(jù)顯示，以CST為主題檢索詞的文章有919篇，可見CST也是科研工作者最常用的一種計(jì)算機(jī)仿真軟件。

（三）COMSOL多物理場耦合分析計(jì)算軟件。COMSOLAB公司是在瑞典的斯德哥爾摩成立，COMSOL軟件是一款基于全新的有限元理論、直接針對偏微分方程為研究對象的大型數(shù)值仿真軟件，可直接實(shí)現(xiàn)任意多模物理場、直接、雙向、實(shí)時(shí)耦合，在全球領(lǐng)先的數(shù)值仿真中得到了廣泛應(yīng)用。在全球各高校中COMSOL軟件已經(jīng)成為教授有限元分析和多模物理場耦合分析的標(biāo)準(zhǔn)工具。通用電氣、法國太陽能研發(fā)中心、日本豐田/本田汽車公司等國際知名公司都在使用這款軟件進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)[10]。上面介紹了三種典型的理工科所用計(jì)算軟件，這些計(jì)算軟件都是基于數(shù)學(xué)的基本原理，將應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，也被科研工作者廣泛應(yīng)用于數(shù)值仿真當(dāng)中，作為理工科本科畢業(yè)論文中也可以廣泛的應(yīng)用這些軟件解決所學(xué)知識，拓展所學(xué)知識，將有效提升本科畢業(yè)論文的質(zhì)量，更好得與社會需要接軌。

三計(jì)算機(jī)仿真在理工科本科畢業(yè)論文中應(yīng)用措施

以本校電子信息、光學(xué)工程學(xué)科等為例介紹計(jì)算機(jī)仿真在理工科本科畢業(yè)論文中應(yīng)用措施。

（一）教師將計(jì)算機(jī)仿真方法傳授給學(xué)生。作者將CST三維電磁仿真軟件教授給學(xué)生，為了做好畢業(yè)論文，作者對所帶學(xué)生進(jìn)行了CST軟件使用操作，并給學(xué)生布置了模擬已的作業(yè)，學(xué)生通過CST軟件練習(xí)，逐步掌握了CST的使用，也基本熟知了太赫茲超構(gòu)材料基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理的流程，基本都能夠獨(dú)立的設(shè)計(jì)出自己的模型。在作者的指導(dǎo)下，學(xué)生做本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì)了太赫茲生物傳感器模型，并對所設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了多種參數(shù)的計(jì)算機(jī)仿真，并結(jié)合origin軟件，通過改變四個(gè)微納金屬結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度、位置對其仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步研究了微流通道的通道高度、覆蓋層和基底不同材料對靈敏度的影響。通過數(shù)據(jù)的對比分析，最終能夠?qū)崿F(xiàn)太赫茲超材料生物傳感器的靈敏度為0.0936THz/RIU。這個(gè)傳授過程是根據(jù)學(xué)生的興趣展開的，可以個(gè)別傳授，也可以集體傳授，需要教師有耐心，花費(fèi)時(shí)間，否則學(xué)生很難在短時(shí)間內(nèi)掌握熟練，并加以應(yīng)用。

（二）應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真軟件延伸課本教學(xué)內(nèi)容做畢業(yè)論文。針對所學(xué)電磁場理論知識中電偶極子近似場分析，課本知識中二項(xiàng)式展開只展開到第二項(xiàng)，后面的各項(xiàng)都忽略不計(jì)了，教師在課堂上啟發(fā)學(xué)生，如果計(jì)算的后三項(xiàng)、四項(xiàng)等多項(xiàng)，理論上如何解釋，用計(jì)算機(jī)仿真如何描述不同項(xiàng)數(shù)場強(qiáng)變化情況。在指導(dǎo)教師的啟發(fā)下，學(xué)生以“電偶極子二項(xiàng)式展開的近似場解分析”為自己的研究課題作為畢業(yè)論文的研究內(nèi)容,從理論上推導(dǎo)了多項(xiàng)展開項(xiàng)，并且應(yīng)用MATLAB語言數(shù)值仿真了角度不同時(shí)，展開項(xiàng)數(shù)與電磁場強(qiáng)度的變化關(guān)系圖，分析了遠(yuǎn)場解與場強(qiáng)多項(xiàng)式近似解的誤差程度[11]。研究的結(jié)論延展了課本知識，同時(shí)對課本知識用MATLAB編程的方法對知識進(jìn)行驗(yàn)證。

（三）仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合提高畢業(yè)論文質(zhì)量。高等學(xué)校理工科學(xué)生在進(jìn)行試驗(yàn)前，基本要進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，只有仿真的比較理想，與理論計(jì)算具有一定的吻合度時(shí)，才允許學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，否則在進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)候，往往會出現(xiàn)各種不可預(yù)測的因素，先進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究有助于提高做實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)性，當(dāng)然不是按照仿真結(jié)論去做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的目的也是進(jìn)一步驗(yàn)證理論的正確性，在做畢業(yè)論文時(shí)，常常需要理論、計(jì)算機(jī)仿真、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)三者互相驗(yàn)證，已達(dá)到所做課題正確性。

作者:梁蘭菊 閆昕 韋德泉 張興坊 呂依穎 單位:棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院