計算機仿真畢業論文探索

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本科畢業論文是教育部對高等學校進行本科教學質量評估和審核評估一個非常重要的考核點，本科畢業論文也是教學計劃中的一個重要教學環節，本科畢業論文的質量能夠反映高等學校的教學質量，能夠客觀評價教與學，體現學生的創新創業能力，是學生畢業取得學位資格認定的重要依據。可以說本科畢業論文對于高等學校本科教育具有重要意義，但是本科畢業論文在管理系統[1]、質量評估[2]、檔案管理[2]、重復率檢測[3]、質量監管[2,4,5]、寫作方法[6,7]等方面還存在各種不完善，從而導致本科畢業論文質量得不到保障。體現本科畢業論文的核心是本科畢業論文的內容，學生能否獨立查閱論文，并對獲取的信息進行正確的分類、歸納、總結和應用，并應用所學習的專業知識提出問題，并找到問題的切入點，應用科學的計算方法解決問題，使研究內容具有一定的創新型。計算機仿真是科學的計算方法之一，如何有效學習和利用計算機仿真方法決定著畢業論文的內容和質量。本論文以理工科畢業論文中計算機仿真的應用進行探索和研究。

一計算機仿真的必要性

計算機仿真在理工科本科畢業論文中的應用是必要的，是由理工科的學科特點決定的。理工科知識的學習以高等數學、專業英語和基本的計算機語言等專業知識為基礎，專業知識根據理工科學科特點的不同而有所不同，課本知識都有一個共同點，那就是理論性都比較強，以電磁場理論這門課程為例，課程的基礎課程是高等數學、大學物理學，學完這兩門課程，打下一個基礎才能學習電磁場理論這門課程，電磁場理論也是基于數學理論知識開始學習的，在課程的第一章一般要介紹一些數學基本知識梯度、散度和旋度的基本概念，有了這些概念為基礎，將電磁學知識按照數學思路進行展開，研究電場、磁場的梯度、散度和旋度，以及所表現出來的各種電磁特性，學生在學習的過程中，如果數學知識打得不是很牢固，那么學習電磁場理論這門課程就比較困難，如何破解這個難題，將計算機仿真應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也直接反映到本科生畢業論文上面，本科畢業論文就是在所學習基本知識基礎上開展科學研究的，而計算機仿真能夠很好地拓展現有基本知識，并且可以驗證你手工完成的計算結果，為你提供了一個后臺檢查工具，同時可將抽象的難懂的物理概念變得可視化，也可將無法實現的動態物理現象展現出來，因此計算機仿真在本科畢業論文的應用就有一定的必要性。

二幾種典型的計算機仿真軟件

以電子信息、光學工程和通訊工程為例介紹幾種典型的計算機仿真軟件。

（一）MATLAB語言編程。MATLAB語言是科學工程中一個廣泛使用的計算工具，是理工科學生應用最為廣泛的計算機編程語言。MATLAB是MatrixLaboratory(矩陣實驗室）的縮寫，20世紀80年代初，MATLAB的創始人CleveMoler博士在美國NewMexico大學講授線性代數時，發現采用高級編程語言編寫程序很不方便，為了減輕學生編程的負擔，他構思開發了MATLAB軟件[8]，經過不斷發展，MATLAB已經成為國際上最流行的編程軟件之一。MATLAB語言以數學矩陣為基本編程單元，編程語言簡單，具有強大的圖形表達功能，還可以提供許多面向應用問題求解的工具箱函數，并且具有強有力的系統仿真功能，MATLAB還可以與其他計算軟件進行很好的兼容。根據中國知網統計數據，以MATLAB與主題關鍵詞的有2976篇，以MATLAB仿真為主題關鍵詞的有1756篇，以MATLAB/Simulink為主題關鍵詞的有749篇。上面是在文章題目中含有MATLAB字句的檢索結果，還有論文中應用MATLAB編程的沒有統計在內，可見用MATLAB語言編程進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股份有限公司設計的，CST軟件主要應用于電磁兼容、天線/RCS、核磁共振、超構材料以及高壓配電等領域[9]。CST現在被廣泛應用于各個領域，CST也是科研工作者最喜歡應用的一款電磁計算軟件，據中國知網的數據顯示，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算機仿真軟件。

（三）COMSOL多物理場耦合分析計算軟件。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值仿真軟件，可直接實現任意多模物理場、直接、雙向、實時耦合，在全球領先的數值仿真中得到了廣泛應用。在全球各高校中COMSOL軟件已經成為教授有限元分析和多模物理場耦合分析的標準工具。通用電氣、法國太陽能研發中心、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行產品研發[10]。上面介紹了三種典型的理工科所用計算軟件，這些計算軟件都是基于數學的基本原理，將應用到各個領域，也被科研工作者廣泛應用于數值仿真當中，作為理工科本科畢業論文中也可以廣泛的應用這些軟件解決所學知識，拓展所學知識，將有效提升本科畢業論文的質量，更好得與社會需要接軌。

三計算機仿真在理工科本科畢業論文中應用措施

以本校電子信息、光學工程學科等為例介紹計算機仿真在理工科本科畢業論文中應用措施。

（一）教師將計算機仿真方法傳授給學生。作者將CST三維電磁仿真軟件教授給學生，為了做好畢業論文，作者對所帶學生進行了CST軟件使用操作，并給學生布置了模擬已的作業，學生通過CST軟件練習，逐步掌握了CST的使用，也基本熟知了太赫茲超構材料基本結構的設計原理的流程，基本都能夠獨立的設計出自己的模型。在作者的指導下，學生做本科畢業論文設計了太赫茲生物傳感器模型，并對所設計模型進行了多種參數的計算機仿真，并結合origin軟件，通過改變四個微納金屬結構的旋轉角度、位置對其仿真數據進行了分析，并進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。通過數據的對比分析，最終能夠實現太赫茲超材料生物傳感器的靈敏度為0.0936THz/RIU。這個傳授過程是根據學生的興趣展開的，可以個別傳授，也可以集體傳授，需要教師有耐心，花費時間，否則學生很難在短時間內掌握熟練，并加以應用。

（二）應用計算機仿真軟件延伸課本教學內容做畢業論文。針對所學電磁場理論知識中電偶極子近似場分析，課本知識中二項式展開只展開到第二項，后面的各項都忽略不計了，教師在課堂上啟發學生，如果計算的后三項、四項等多項，理論上如何解釋，用計算機仿真如何描述不同項數場強變化情況。在指導教師的啟發下，學生以“電偶極子二項式展開的近似場解分析”為自己的研究課題作為畢業論文的研究內容,從理論上推導了多項展開項，并且應用MATLAB語言數值仿真了角度不同時，展開項數與電磁場強度的變化關系圖，分析了遠場解與場強多項式近似解的誤差程度[11]。研究的結論延展了課本知識，同時對課本知識用MATLAB編程的方法對知識進行驗證。

（三）仿真與實驗結合提高畢業論文質量。高等學校理工科學生在進行試驗前，基本要進行計算機仿真，只有仿真的比較理想，與理論計算具有一定的吻合度時，才允許學生進行實驗，否則在進行試驗的時候，往往會出現各種不可預測的因素，先進行計算機仿真研究有助于提高做實驗的指導性，當然不是按照仿真結論去做實驗，實驗的目的也是進一步驗證理論的正確性，在做畢業論文時，常常需要理論、計算機仿真、實驗數據三者互相驗證，已達到所做課題正確性。

作者:梁蘭菊 閆昕 韋德泉 張興坊 呂依穎 單位:棗莊學院光電工程學院