虛擬實驗設計論文匯總十篇

時間：2023-03-23 15:03:09

序論：好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程，我們為您推薦十篇虛擬實驗設計論文范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。

虛擬實驗設計論文

篇（1）

（1）實驗信息管理。

實驗信息管理主要包括對實驗室工作人員、實驗室規章制度、實驗室通知以及實驗室辦公文件等信息的集中管理。

（2）實驗課程管理。

實驗課程管理是指面向不同的老師、不同的開設班級，對實驗課程進行編排，以完成實驗課程的統一集中管理，做到實驗課程的時間、教室不沖突。

（3）實驗設備管理。

實驗設備是實驗教學過程中的重要資源，對實驗設備統一進行信息登記和管理，有助于實現對實驗設備的網絡化管理。

（4）實驗教學管理。

實驗教學管理主要包括實驗課程的準備，學生實驗過程視頻的保存，實驗報告的電子化及成績評定，以及實驗教學總結。

1.2模式設計

該設計采用了C/S模式和B/S模式相結合的設計模式。整個實驗室信息管理系統在WEB環境下運行，客戶端與數據庫服務器之間采用B/S模式，從而避免了客戶端專用程序的開發；而數據庫服務器與應用服務器之間采用C/S模式，適宜滿足應用程序和數據庫系統之間的大批量數據訪問和調用，從而提高了數據訪問的靈活性。另一方面，由于數據全部存儲在專用的數據庫服務器上，而應用程序服務器和客戶端只負責發出相應的數據請求指令，這樣在一定程度上也提高了數據的安全性，后期維護也更加趨于合理。

2虛擬現實技術在虛擬實驗中的設計與應用

2.1虛擬現實技術的應用方法

要將傳統的動手實驗演變為基于虛擬現實技術的虛擬實驗，必須要完成三維建模、虛擬場景重建以及動作響應設定等一系列設置，這樣才能夠實現實驗教學的信息化和虛擬化。目前三維建模主要依賴SolidWorks三維軟件完成，而虛擬場景的重新構建，在很大程度上依賴于LabView等圖形化編程軟件的使用。要實現虛擬實驗系統的設計，離不開數據庫系統的應用，因為在虛擬實驗操作過程中，離不開對數據庫的實時動態訪問，因此如何快速訪問數據庫系統成為虛擬技術應用的關鍵。目前應用在虛擬實驗系統中的數據庫訪問技術，主要是依賴于數據的快速存儲方式。對于底層傳遞來的數據，按照數據自身的屬性進行分類，從而將數據自動劃分到不同的數據類中。在同一數據類中，按照所定義的關鍵字對數據進行存儲。采用分類的數據存儲和訪問方式，能夠極大地提高數據庫訪問的效率。

2.2機電一體化實驗的虛擬化設計應用

本研究課題以具體的機電一體化實驗為例探討虛擬實驗系統的設計與應用。機電一體化實驗主要完成傳感器檢測、數據濾波、數據采集、數據顯示、電機控制等一系列任務。針對該實驗的內容，虛擬化和信息化可以按照如下步驟實施：

（1）三維建模。

借助于SolidWorks三維軟件對傳感器、濾波器、數據采集卡、數碼管、CPU控制器、步進電機等進行三維建模，實驗室內的萬用表、示波器等其他實驗儀器也要建模，以增強實驗環境的真實性。

（2）場景重建。

利用LabView圖形化編程軟件，將上述三維模型進行空間布局設置，構建與實驗室完全一致的實驗場景。

（3）界面接口設計。

僅僅有圖形化場景是遠遠不夠的，還必須借助LabView圖形化編程軟件對接口進行設計。比如數據采集卡的接口應當與傳感器的輸出接口保持相同的電平規格；再比如，CPU控制器的輸出脈沖應當跟步進電機的驅動電流保持相同電平規格，以確保電機能夠被驅動。

（4）虛擬動作響應。

設計了界面接口，就能夠利用VRML工具對虛擬動作響應進行設定，通過設定使虛擬實驗系統能夠智能地感知到操作者的意圖，從而順利完成虛擬實驗。

（5）數據庫的快速訪問。

在機電一體化實驗中，需要保存的數據有傳感器采集數據、數據采集卡的采集頻率、CPU控制器的輸出脈沖規格以及步進電機的相關參數。這些參數按照其自身屬性可以劃分為采集數據、控制數據和輸出數據三大類，將上述的數據自動地劃分到這三大類中。當虛擬動作響應需要訪問數據庫系統查詢上述相關數據時，可以首先按照數據所在的大類進行查詢，這樣有助于提高數據庫系統訪問的快速性和準確性。

篇（2）

2機械設計虛擬實驗室

以“CAXA實體設計”和“CAXA－EB”軟件系統為依托，利用VisualBasic6．0和C/C++開發了機械設計虛擬實驗室(見圖1)，包括三維虛擬實驗環境和二維虛擬實驗環境，可進行機構運動簡圖測繪、齒廓范成原理、減速器拆裝等11個機械設計虛擬實驗。學員可利用虛擬實驗室進行實驗，完成并提交實驗報告，教師可利用該平臺查閱批改實驗報告。機械設計虛擬實驗室由服務器端核心處理模塊、客戶端實時運算模塊、用戶管理模塊、機構庫模塊、零件庫模塊等七大模塊組成。其中，機構庫包含40多個常用機構，零件庫包含80多個常用零件，標準符號庫由100多個常用標準符號組成，在線幫助信息庫有近5萬字的在線幫助信息［9－10］。目前機械設計虛擬實驗室已在全軍院校推廣使用。近幾年的教學應用表明，機械設計虛擬實驗可部分取代實物實驗，某些傳統實驗如簡圖測繪、齒廓范成等可利用虛擬實驗室獨立完成;同時，虛擬實驗室大大擴展了原有實驗內容，增加了機構改進設計、軸的設計、連桿機構的設計等綜合性和設計性實驗，并且實驗室為開放性環境，實驗內容還可根據需要繼續擴充;另外，虛擬實驗室是實物實驗和課堂教學的有力補充，連桿機構的基本形式和演化等實驗內容對進一步理解和鞏固課堂知識具有重要作用，通過虛擬實驗還可進行一些實物實驗很難實現的實驗，如齒廓范成原理實驗，傳統的范成儀只能加工兩種參數的齒輪，而利用虛擬實驗室可以任意設置加工參數。又如軸的設計實驗，可實時設計、實時修改，并及時觀測設計結果。虛擬實驗室有效拓展了課內實驗的時間和空間，在提高課程教學效果和實驗教學質量及培養學生工程實踐能力方面，起到了非常重要的作用。

3虛擬實驗室在課程教學中的作用

機械設計虛擬實驗室具備強大的模擬實驗和相關輔助功能，對課程教學和能力培養具有非常重要的作用。

3．1有效拓展課程實驗內容，集實驗和輔助學習功能為一體

機械設計虛擬實驗室不僅可完成機構運動簡圖測繪、齒廓范成原理、減速器拆裝等傳統實驗內容，還增加了機構組成原理、連桿機構的應用和設計、凸輪設計、周轉輪系的應用、軸的設計、齒輪傳動等新的實驗，拓展了實驗內容。所開發的11個實驗既有傳統的基礎性、驗證性實驗，如機構運動簡圖測繪、減速器拆裝等，又有設計性實驗，如齒輪范成原理、軸的設計、凸輪設計等。學員不僅可以通過虛擬環境完成實驗操作和設計，提高機械設計能力，還可利用實驗項目復習鞏固課堂所學知識，加深對知識的理解。例如連桿機構的型式和演化實驗，學員可通過實驗環境設置機構的桿長參數和機架，根據課堂知識判斷該機構的型式，再利用虛擬實驗室驗證自己的判斷，使知識得以鞏固和加深。機械設計虛擬實驗室將數值分析算法應用到實驗開發中，形象地描述了在傳統實驗中很難實現的實驗，實現了實驗內容的創新。例如齒廓范成實驗，傳統實驗使用齒廓范成儀進行，一般每種范成儀只能范成同一參數(模數、壓力角等)、兩種齒數的齒輪，而在機械設計虛擬實驗室中學員可任意設置齒輪的齒數和模數等參數(見圖2)，觀察各種參數的漸開線齒廓的形成過程和齒廓特點，擴展了設計性實驗的內容。圖3為利用機械設計虛擬實驗室進行漸開線齒廓的范成加工。

3．2構建三維虛擬實驗環境，實現三維動態仿真和創新設計功能

機械設計虛擬實驗室構建了機構模型庫和零件庫，包含多個常用機構和通用零件，常用機構具有仿真動畫效果，通用零件具有三維渲染效果，學員在進行實驗時可隨時調用，也可隨時運行觀察其運動以進行組成和運動分析。如圖4所示即為機構庫中的飛機起落架機構模型，學員可在三維實驗環境中觀察其組成和運動情況，或對其進行運動尺寸測繪，在二維環境中繪制其機構運動簡圖，這是機械設計基礎課程的一個傳統實驗。機械虛擬實驗室的零件庫包含軸、齒輪、軸承等80多種常用零件，學員在進行設計性實驗時可隨時調用，同時還可在原模型的基礎上進行實時修改，以用于所設計的機構。如圖5所示為對設計的階梯軸進行結構修改。這樣使學員既有很強的感性認識，又鍛煉了其設計能力，為基于想象的開放性創意設計提供了虛擬實現的平臺，拓展了學員的創造空間。

3．3實驗操作方便，相關功能完善

機械設計虛擬實驗室具有可視化的實驗界面，交互功能強大，實驗操作簡單，實驗結果直觀。每個實驗都有詳細的實驗指導，進行基礎性、驗證性實驗時在實驗界面上及時提示后續的操作步驟，操作不正確時系統會給出提示。如減速器拆裝實驗，要求能按正確的順序將減速器進行拆卸和安裝，在拆裝過程中，如果順序不正確，系統會出現警告，并提示正確的操作。機械設計虛擬實驗室具有在線幫助功能，學員在實驗操作中可隨時查閱實驗目的、內容和實驗步驟等。另外，在每個實驗完成后可在虛擬實驗室中方便地撰寫、修改實驗報告，并進行提交，如圖6所示。教師可在虛擬實驗室中檢查、批改學生的實驗報告，并將實驗評價反饋給學員。

篇（3）

[中圖分類號]G40-057　[文獻標識碼]A　[論文編號]1009－8097(2012)05－0116-05引言

電腦游戲與網絡游戲的不斷發展并被應用于企業、教育、軍事、科學以及醫學領域。目前的虛擬實驗無論是設計方面還是開發方面，大多數都只是將實驗器材遷移至計算機中來實現，單純地追求實驗的仿真，而不是從學習者的角度考慮其學習效果。建構主義學習理論指出：“清境”、“協作”、“會話”和“意義建構”是學習環境中的四大要素，一個自由而充滿趣味性的虛擬環境對學習者的學習效果有著至關重要的影響，而游戲性虛擬實驗的構建則是實現這一效果的一個有效途徑。游戲性元素的融入對于學習者學習環境的改善以及知識建構、深層次理解都起著促進的作用，并且吸引著學習者愉悅地解決問題。由此可見，游戲性元素的注入需要運用游戲策劃、設計方法和實現的技術的結合來表現一個完整實驗環境的設計，這并不是簡單的添加，構建模型可以把復雜的問題清晰的表達出來，使理論的各組成部分可視化并得到檢驗。利用模型構建的方法不僅幫助學習者理解形成問題的影響因素之間復雜的相互關系，還給指導者提供了評估學生們理解問題的外在表征。系統動力學建模工具Stella軟件具備強大的建模環境和簡便的操作方法，以此技術建模可以清晰的揭示出游戲性與虛擬實驗二者之間的融合，為虛擬實驗設計研究提供一種新的方法。一　相關理論

1　游戲性的內涵

“游戲性”來源于英文“Gameplay”，在中文中，“游戲性”可以被籠統地理解為“游戲的核心性質”；但在英文中，“游戲性”(Gameplay)可以指“游戲的具體操作方法”和“游戲的抽象趣味整體”等雙重含義。游戲性并不等同于“游戲的性質”，游戲具有極為多樣的屬性，游戲性就是當排除畫面、聲音、劇情等因素的刺激所帶給玩家的樂趣。游戲性元素包括沉浸、情節、扮演、競爭、任務、動作、益智、成長、管理、創造、探索以及群聚元素，然而虛擬實驗的宗旨是教學，它不同于游戲的宗旨，因此在引入這些游戲性元素時，必然有所刪減。融入游戲性元素的根本目的在于增強和提高學習者操作、探索和挖掘的樂趣以及研究和練習的樂趣。

在游戲性虛擬實驗中各游戲性元素的概念內涵包括以下八個方面的內容：①沉浸元素，通過物理方式或者想象進入到一個與通常環境不同的場景。②情節元素，按照因果邏輯或意義邏輯組織起來的一系列事件。③扮演元素，有意識地假扮某一特定角色，并從該角色的處境和場合出發，進行思考、表達和活動的方式。④任務元素，某個需要被完成的既定目標。⑤動作元素，實時付出行動的身體運動。⑥成長元素，成長是指由低級或簡單形態向較高級或復雜形態發展，或者在數量、價值或力量上的增長。在角色扮演游戲中多表現為升級和裝備提升。⑦管理元素，管理元素包含兩個層面的意義：第一是促進游戲者的管理性思維的發展，鼓勵游戲者運用策略和部署來游戲；第二是將游戲者處于一種較高的管理位置，讓游戲者體驗擁有權勢和掌控大局的樂趣。⑧群聚元素，“把兩個及其以上的玩家聚集在一起的狀態就是群聚的形式”。

2　游戲性虛擬實驗的特點

在游戲業初見端倪的歐美自上世紀80年代初，最早全面論述游戲動機的學者是Malone，通過對已有游戲的一系列的觀察，對大量玩家訪談，Malone(1980年)總結出三個主要的讓視頻游戲使人更快樂的因素：挑戰、幻想和好奇。在2002年，Garris等人認為：幻想、規則、目的、感官刺激、挑戰、神秘和控制是游戲的六個動機特征組件。Asgari與Kaufman(2004年)在前人研究的基礎上，認為游戲的動機組件是：交互、競爭、控制、幻想、好奇、挑戰與反饋。

游戲既有行為層面的游戲，也有心理層面的游戲。將游戲的內在品質融入虛擬實驗中來，更能提高和豐富學習者的學習興趣和學習效率，有更廣泛的意義。游戲性虛擬實驗設計應著重從學習者的心理層面和行為層面兩個方面考慮：

(1)心理層面包括愉悅性和自由性，解決這一層面的問題，可以考慮將游戲中沉浸元素、情節元素、任務元素加入到虛擬實驗的設計中來，以解決這一層面學習者學習的愉悅性和自由性等問題。

(2)行為層面包括規則性、表演性、體驗性和對話性。在行為層面中，將管理、扮演、動作元素加入游戲性虛擬實驗的設計中，解決學習者行為層面的需求。游戲性虛擬實驗的開發要以學習者為主導，其目的是提高和優化學習者學習的學習興趣和學習效率，促進學生對實驗中的理論知識的深入理解，鍛煉學生主動探索和學習的能力。

篇（4）

實驗是物理學發展的基本動力,它在物理學發展中起著發現探索新規律、驗證新理論、測定物理常數以及在現實社會中的推廣應用等重要作用。因此實驗是研究物理學的一種基本方法,同時實驗也是培養學生科學創新的一種有效途徑。

在物理實驗教學過程中,不僅要引導學生理解物理概念及物理規律產生的條件、發生、發展的過程,掌握實驗的具體做法和基本技能,學會研究物理問題的實驗方法,更重要的是要通過物理實驗提高學生的創新素質,培養學生的創新能力。在全國第三次教育工作會議上曾深刻地指出:“今天,面對世界科技飛速發展的挑戰,我們必須把增強民族創新能力提高到關系中華民族興衰存亡的高度來認識。一個沒有創新能力的民族,在綜合國力競爭日趨激烈的21世紀根本沒有立足之地。具有較強的創新意識、創新思維能力和創新實踐能力的學生,會更加適合未來社會的發展需求。可見加強學生創新能力培養是非常必要的。”

下面就初中物理實驗教學培養學生的創新能力從不同的實驗教學途徑探討如下:

一、增加科學探究實驗,培養學生創新能力

將科學探究列入教學內容,旨在將學習重心從強調知識的傳承和積累向知識的探究過程轉化,從學生被動接受知識向主動獲取知識轉化,從而培養學生的科學探究能力、實事求是的科學態度和敢于創新的探索精神。與傳統的驗證性實驗相比,探究性實驗的優點是能激發學生的學習興趣,鍛煉學生的各方面能力、培養學生的性格品質,更能提高學生的科學素養和創新精神。

教師在進行科學探究實驗教學前,要多下工夫,想方設法將實驗設計成探究性實驗,有意識地創設一種探究的氛圍,擴大探究空間和思維空間,并能在學生探究過程中尋找創新的突破口。例如,對于“阻力對物體運動的影響”實驗,老師可先提出問題,讓學生猜想并說出猜想的依據,然后讓學生結合書上給出的實驗設計方案完成實驗,并讓學生思考幾個問題:為什么每次實驗時都要讓小車從同一斜面的同一高度滑下來?能不能不用斜面直接用手推動小車?能不能改變斜面的坡度或者小車的高度?這一實驗中應觀察什么?如何記錄實驗現象?你還能設計哪些不同實驗進一步來探究這個問題?最后同學們很好完成了本次探究實驗,并設計出了幾種新的探究方案,而且還用到了控制變量法和理想化實驗兩種科學方法。在這樣的科學探究過程中,使學生逐步養成敢于探索、質疑,善于交流、合作的良好態度和創新精神,為學生的終身學習奠定基礎。因此,增加科學探究實驗,不僅有利于理解知識和科學方法的獲得,更有利于培養學生的科學態度、創新精神和實踐能力。

二、引導學生設計實驗,培養學生創新能力

設計性實驗是對所學物理原理和所做物理實驗的綜合、應用、遷移和創造。它是對學生應用能力、設計能力和創新能力等的全面考查。做設計性實驗時,要求學生在充分理解基本原理的基礎上,綜合運用所掌握的基礎理論知識、實驗技能,以及各種測量手段和實驗方法,自行設計實驗方案、確定實驗方法、選擇配套儀器設備,進行實驗測試,最后寫出比較完整的實驗報告或論文。因而課題和項目的內容需要經過精心挑選,它們具有綜合性、典型性和探索性。

在學生設計實驗時,提倡“一個實驗、多種方案”的實驗教學法。這種對思維先進行發散,再對各種方案進行分析整合的過程,有利于發散思維和集中思維的培養。如,現有彈簧測力計、天平、量筒、刻度尺、燒杯、水、細線等器材,你有幾種辦法可以測出一個小鐵塊浸沒在水中受到的浮力?答案有五種辦法。這種富有新意的方法,不但提高了學生靈活應用知識的能力,更重要的是培養了學生從不同角度、用不同方法解決問題的發散思維能力,有效地促進了學生創新能力的培養。

三、通過制作小實驗,培養學生創新能力

在小實驗中,沒有現成的儀器和用品,這就需要學生在實驗過程中尋求性能相似的替代品,無疑會讓學生動手、動腦,這必將激發學生潛在的創造能力,培養其創造精神。比如學生在小實驗中利用家庭中常見的雞蛋就完成了六個實驗:實驗①:把煮熟撈起的蛋立刻浸入冷水中待完全冷卻后,再撈上來剝落比不放入冷水中直接剝要容易多(熱脹冷縮的性質);實驗②:把剛煮熟的雞蛋從鍋內撈起來,直接用手拿時,雖然較燙,但還可以忍受過一會兒,當蛋殼上的水干了后,感到比剛撈上來時燙(液體蒸發吸熱);實驗③:選一只口徑略小于雞蛋的瓶子,在瓶底鋪上一層干沙,點燃一團浸過酒精的棉花投入瓶內,接著把一只剝了殼的熟雞蛋堵住瓶口。火焰熄滅后,蛋被瓶子吞入了瓶中(驗證大氣壓的存在);實驗④:把一只雞蛋,浸沒在一只裝有清水的大口徑玻璃杯中。松開手后,發現雞蛋緩緩沉入杯底,撈出雞蛋往清水中加入食鹽,調制成濃度較高的鹽水,再把雞蛋浸沒在鹽溶液中,松開手,雞蛋卻緩緩上浮(浮沉現象);實驗⑤:用手指突然彈擊硬紙片,雞蛋卻不會隨紙片一起飛出(慣性現象);實驗⑥:外殼完好的蛋,放入食鹽水中腌制一段時間,可以制成咸蛋。蛋殼雖然完好,但內部的蛋黃都變咸了(分子無規則運動)。自己動手制作小實驗不僅可以培養學生思維能力和獨立工作能力以及探索知識的興趣,更重要的是它對學生的實踐和創新能力有很大幫助。

四、運用數字化實驗,培養學生創新能力

多媒體實驗、虛擬仿真實驗等數字化實驗應運而生,它給教育領域帶來一場深刻的教育改革。學生通過演示實驗看到物理現象,但實驗過程短,實驗現象稍縱即逝,學生就來不及細致觀察,不能發現問題的本質。多媒體仿真實驗可多次重復模擬實驗過程,再現物理現象,而且能變小為大、變動為靜、變快為慢、變連續為定格,使許多看不見摸不著的變成有形、有聲、有色,變說不清為一目了然,這些不僅有助于學生對物理現象及狀態的觀察和分析,還有助于學生創造性思維的激發。各種仿真實驗室軟件,可以很好地虛擬出各種各樣仿真實驗室,讓學生用虛擬儀器進行實驗虛擬。通過虛擬實驗和仿真實驗,給學生提供一個自由的、自組織學習的空間和培養設計、創新能力的良好環境。比如,在學習電學方面的實驗時,可讓學生自己在虛擬仿真實驗室設計一個用于搶答題的電路,要求:不論哪一個組按開關,電鈴都能發出聲音,而且指示燈會告訴主持人是第幾組按的開關,進行電路模擬仿真,培養學生的創新能力。因此,數字化實驗有利于學生建立起完整的物理情景,幫助學生獲得直接經驗,直接感知物理規律,有助于培養學生的創新能力。

總之,通過實驗的科學探究、實驗設計、制作小實驗、運用數字化實驗等方面可以培養學生的創新能力。

還可以開展一些創新思路的課外實驗活動:如舉辦物理實驗專題講座,觀看實驗錄像,參觀工廠等,了解物理實驗在生產中的作用。另外還可對由優秀生組成的實驗研究小組,要有計劃地開展創新課題研究活動,如研制教具、制備或制作有實用價值小東西或裝置,舉辦設計實驗比賽、實驗創新成果展覽、參與實驗課題研究、家庭物理實驗研究活動、撰寫實驗論文等。讓學生深入研究他們周圍的物理現象,不斷地發展他們的實驗創新能力,以適應未來社會的發展需求。

參考文獻

1.張志勇.創新教育――中國教育范式的轉型[M].山東教育出版社,2004年7月

2.張志堅.淺論初中物理實驗教學與學生創新能力的培養[J].教學儀器與實驗.第22卷.2006年第1期

3.肖道發.中學物理教學改革芻議[J].江西教育科研,2000年09期

4.黃傳霞.一個實驗探究題的多種設計方案[J].中學課程輔導(初二版).2005年04期

篇（5）

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009―8097(2009)07―0130―02

引言

在彈藥檢測技術和傳感器技術等課程教學中,為了使學員理解講授內容,需要進行一些必要的實驗操作。由于彈藥檢測實驗具有一定的危險性、過程短暫、過程細節不易觀察、實驗費用高等特點,而虛擬實驗作為一種先進的教學手段,以其直觀性、靈活性、實時性、形象化的優勢,通過創建動畫,細化過程細節,可比較輕松地解決傳統授課方式無法解決的問題,把抽象的問題變得很直觀,使學員能置身于現場實驗氛圍之中,對突破教學難點起到了較好的作用。教學實踐證明,在現有條件下開展虛擬實驗與現場實驗相結合的實驗方法,是一種行之有效的教學方法。

一虛擬實驗的概念和特點

虛擬實驗通常是指借助于借助計算機技術,利用文字、圖形、圖像、聲音等在微機屏幕上形成的可部分或全部代替傳統實驗過程的實驗操作環境,實驗者利用鼠標和鍵盤的操作完成實驗,使實驗者感受到與真實實驗相似的過程。我們按照教學要求組成的虛擬實驗軟件,為學員提供一個虛擬實驗環境和過程的操作平臺,它包括系統結構組成、實驗設計、工作原理、操作過程、實驗狀態、步驟提示、結論分析等。通過虛擬實驗軟件把實驗設備和教學內容有機地融為一體,加深了學員對實驗目的、原理、過程、方法、設備結構、注意事項等的理解,達到現場實驗難以實現的效果,培養了學員動手和思維能力,豐富了實驗技能,深化了對知識的理解,同時增強了學員對實驗的興趣,提高了教學效果。

二彈藥檢測虛擬實驗的優點分析

1 保證實驗者的安全:在真實的彈藥實驗中,由于彈藥特有的危險性,容易發生安全事故,產生一定的心理負擔,而采用虛擬實驗由于不使用真槍實彈,可以避免事故發生,杜絕真實彈藥實驗的風險。

2 降低實驗成本:彈藥實驗的費用較高,少則幾十元,多則上萬元,而且一旦損壞設備,往往還會伴隨人員的傷亡,后果十分嚴重;采用虛擬實驗的投資費用比較低,可以長期使用,并可以不斷改進和優化實驗內容,近似達到零成本的效果。

3 提高學習效果:虛擬實驗軟件可以直接安裝在微機上,擺脫了傳統實驗受時間、場合的限制,學員通過調用不同的實驗模塊,可以自行選擇實驗項目,實驗結果可以通過文字、圖形、圖像、聲音等形式顯示給學員,來判斷操作是否正確,激發學員的學習興趣;它還具有重復性的特點,通過多次重復使用,加深學員對實驗的理解,使學員熟悉實驗設備的應用,鍛煉他們觀察實驗過程和分析實驗現象的能力。

4 強化學員對實驗細節的認識:彈藥實驗具有“三高一短”(高溫、高速、高壓、過程短暫)的特點,其過程復雜而短暫,很難從感官上得到深刻的認識,即使參加了實際的試驗過程,如果不采用相應的設備,也很難獲得實驗結果。彈藥發射實驗過程通常在數十毫秒內結束,實驗結果單憑人的感官是無法得出結論的。而采用虛擬實驗的方法,可以將實驗過程速度放慢,結合聲光效果,細化實驗過程,觀察細微環節,加深了對實驗內容的理解。

三彈藥檢測虛擬實驗的實現手段[2] [3]

制作實驗課件首先要進行總體規劃,制定系統總體目標、模塊功能和實驗流程圖,繪制設備或零件圖,完成腳本編寫。

選擇合適的軟件是制作虛擬實驗課件的基礎,我們根據虛擬實驗的特點,由flash、3D Max完成二、三維動畫等基本素材的制作,利用它們具有的多媒體編輯、聲光效果和控制功能,實現了實驗項目的虛擬實驗設計功能;課件的部分復雜設備零部件由SolidWorks軟件制作,再以圖形方式代入flash或3D Max中,充分發揮各自的特點,最后以Authorware為平臺進行模塊的鏈接合成及調試,完成課件的,它們最終都可以在Powerpoint下,以超動態鏈接被調用。

四虛擬實驗的應用范例[1]

在彈藥檢測技術課程教學中,我們制作了多個虛擬實驗模塊,經過在課堂應用后,學員們普遍反映教學內容易于理解、印象深刻,通常完成一次虛擬實驗后,就可以基本敘述出工作原理和實驗過程,而這是教員用語言表述很難達到的效果。在此例舉幾個虛擬實驗的應用范例:

1 初速、膛壓虛擬實驗

彈藥的初速、膛壓實驗是彈藥檢測技術課程的重要實驗,但是由于現有實驗條件的限制,不可能也沒有必要每人都進行一次實驗,即使實驗者親自參加了實驗,也只是在現場聽到一聲發射的巨響,看到一團火光,從實驗設備上得到了一組數據,而對實驗中的細節是無法體會的,我們在課堂教學中采用了虛擬實驗軟件,把實驗過程以“慢鏡頭”的方式,將火藥燃燒、彈丸運動、傳感器接收測試信號等過程展現給學員,使學員清晰的看到了實驗的細節和結果,仿佛親身經歷了現場實驗。膛壓和初速虛擬實驗的部分畫面見圖1和圖2。

2 傳感器原理虛擬實驗[4]

傳感器是新型彈藥和檢測設備的關鍵部件之一,掌握傳感器的知識對理解教學內容十分重要,由于它們的結構通常精密小巧,理論推導復雜,有時很難用語言講述清楚。在講解時通過虛擬實驗演示,將結構原理、實驗曲線、工作過程等動態地展示給學員,可以取得較好的效果。例如,在講解熱釋電傳感器和光電二極管時,通過虛擬實驗,將傳感器的結構組成、工作原理、光譜和階躍響應、靈敏度等特性形象清晰地表現出來,其部分畫面見圖3和圖4。

五結束語

由于虛擬實驗可以生動形象地反映教學實驗內容,教員講得輕松,學員學得透徹,節約了大量的時間和精力。通過多期的教學實踐證明,虛擬實驗已經成為彈藥檢測技術和傳感器技術等課程教學的有效教學方法之一,取得了良好的效果,受到了廣大師生的青睞。但是虛擬實驗畢竟是實驗教學的輔助手段,決不能完全取代實際實驗,必要時要采用虛實結合的方式,通過個別現場實驗、(高速)錄像片回放等方法,才能達到更好的教學效果。虛擬實驗不是萬能的,我們需要把它和傳統的實驗方法相結合,具體問題具體分析,充分發揮它們各自的優勢,才能提高教學效果和質量。

參考文獻

[1] 陳雷等.彈藥檢測技術[M].石家莊:軍械工程學院出版社,2007.

篇（6）

驗證性虛擬實驗教學過程

(1)驗證性虛擬實驗網頁組成驗證性虛擬生物化學實驗室的網頁頁面由圖1所示。(2)實驗例證基因體外擴增技術(PCR實驗)①原理:先圖示或動畫PCR原理、過程和應用，并解釋相關概念，包括引物、DNA聚合酶、核苷酸、模板等基本概念。②樣品、材料準備:包括相關試劑、PCR儀、手套、無菌操作臺、槍、槍頭等，并配上相關圖片。③PCR擴增:包含PCR過程、結果，用動畫和圖片，充分讓學生了解其原理和過程。④PCR結果檢測:對出現的結果分別進行分析。有單一條帶是表明PCR是特異性擴增，無條帶可能是什么原因，條帶不單一可能是什么原因，每一結果都用不同的圖片來顯示給實驗者，讓學生在虛擬情況下就能分析實驗結果。用虛擬PCR儀代替傳統儀器來進行數據處理，觀察和分析實驗結果，結合實驗圖片或動畫將每個步驟的過程展現給實驗者，把每個步驟中容易出錯的部分給標記出來，并對實驗的不同結果進行分析，這樣能有效地幫助學生理解問題并對錯誤操作有感性認識。

綜合性虛擬實驗教學組成

虛擬實驗室也可增加綜合性實驗。在虛擬實驗室中，嘗試用已有的報道的研究資料作為綜合實驗的來源。將生物實驗研究的學習置于探究的背景下，將綜合性實驗已有報道看成“問題是什么”，“用何種實驗能回答這個問題”，“如何設計實驗進行驗證”，也就是“What?How?Why?”從而重視在探究過程中獲得綜合素質的提高，使科學知識能在不斷的設問中得到升華。(1)綜合性虛擬實驗網頁組成本實驗室所作的綜合性實驗網頁如圖2所示。其中研究文獻包括本實驗的研究報告及相關文獻。綜合性實驗還可通過讓學生自由選題，設定實驗方案后，利用虛擬儀器進行實驗，并作出結果預測，從而來提高學生的創新和科研能力。(2)實驗例證研究干旱對植物抗氧化酶的影響［6］。①寫出本實驗的研究背景，研究目的。首先闡明植物受不良外因影響后，會出現的各種現象。研究干旱地方植物抗旱生理生化狀況，對干旱地方植被恢復奠定良好的理論基礎。開展植物抗旱的生理抗(耐)性機理能為植物物種栽培提供依據。②列出實驗的假設，并據此設計實驗過程。植物在不良環境，會出現相應生理生化變化，測定相應氣體交換參數，測定相關的抗氧化酶的活性變化。各種抗氧化酶在生物體中的作用，并分別寫出相關酶的測定方法。③結果分析。對不同狀態下的結果進行分析。④后續實驗的進一步完善。對實驗證明不完善的地方加以分析，并提出完善的方法，運用多種實驗方法加以改進研究。本實驗則可以在測定生理生化變化后，進一步進行基因表達的研究，檢測不同條件下基因表達的變化。再將相關的文獻附上［7－9］，即可讓學生明白研究具體課題的一個基本步驟，為其今后的科研打下良好的實驗基礎。本實驗室的綜合性實驗包括植物的抗氧化酶研究、內生菌的抗菌物質提取、多糖的抗腫瘤研究等8個實驗。這些實驗，通過選取不同的實驗材料，采用不同的實驗方法，讓學生對科學研究的過程有一個深入的了解，能彌補簡單的獨立實驗不足，對學生今后的更進一步的深造打下堅實基礎，效果顯著。學生普遍反映對其生物化學知識有了深入的了解，并對科研論文有了基本認識，提高了學生畢業設計的實驗設計能力與實際動手能力。

虛擬實驗視頻

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實驗一直都是與教學息息相關的重要活動之一。它可以使學生更好地感受、理解知識的產生和發展過程,讓枯燥的理論知識變得形象,易于理解。實驗不僅能幫助學生鞏固理論知識,提高通過實驗手段探索科學知識的能力,還能激發學生探索未知世界的興趣,增強創新能力。然而,當前實驗方面存在的諸多難題卻嚴重限制了教學質量的提高。如實驗成本過高,進行實驗的儀器和設備往往代價昂貴,實驗材料也比較貴,而且有些實驗儀器損耗較大,需要經常更新。而許多學校在實驗經費上又捉襟見肘,要么是實驗配套的設備和儀器不完善,要么就是儀器設備陳舊過時。即使有完善的較新的實驗設備,傳統實驗在空間和時間上的限制也可能無法滿足大量學生同時進行實驗的需要。為了緩解實驗教學的壓力,提高實驗教學的質量,可以采用虛擬實驗系統來輔助實驗教學的開展。

一、虛擬現實技術

虛擬現實技術 (ⅵrnjal reaj時,簡稱 vr技術)出現于 20世紀 60年代,隨著處理器技術的大幅度提高以及圖形繪制技術、數字信號處理技術、傳感技術的發展,近幾十年來在國內外形成了對虛擬現實的研究熱潮。

虛擬現實系統提供了一種先進的人機界面,它通過為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等直觀而自然的實時感知交互的方法和手段,最大程度地方便用戶的操作,從而減輕了用戶的負擔,提高了系統的工作效率。虛擬現實技術具有 3個突出特征:沉浸性、交互性、想象性。

虛擬現實系統由兩部分組成:一部分為創建的虛擬環境,另一部分為介入者。虛擬現實的核心是強調兩者之間的交互操作,即反映出人在虛擬環境中的體驗。我們可以給出如圖 1的虛擬現實的概念模型。

二、虛擬實驗系統

1.虛擬實驗系統的特點

(1)共享程度高。虛擬實驗系統不同于傳統實驗在地域和時間上的限制,它不僅可以接受本地用戶的訪問,有訪問權限的異地用戶也可以使用系統。并且也無需考慮使用時間的問題,實驗者可以隨時進行實驗。虛擬實驗系統為用戶提供了一個可以在任何時間、任何地點訪問的實驗環境,極大地提高了信息與實驗資源的共享程度。

(2)強大的交互能力。為了向用戶提供一個逼真的實驗環境,虛擬實驗系統往往都具有強大的交互能力,實驗者和虛擬實驗對象之間可以通過鼠標的點擊或者拖曳操作進行交互,實驗者可以實時地觀看實驗現象和實驗結果。

(3)支持協作。虛擬實驗系統提供了多種方式來完成用戶間的信息交流。

2.虛擬實驗系統的建模

如何構建教學型虛擬實驗系統,使其能夠擁有豐富的實驗內容表現方式、提供形象生動的實驗內容,讓讓學生實現從感知到理解的過程,一直是研究教學型虛擬實驗系統的熱點問題之一。

虛擬實驗系統的構建是將多種技術綜合運用,首先構建實驗過程所需要的各種儀器設備,對于場景進行建模。三維虛擬場景模塊的建立是以某一實景為基礎的,因此在虛擬場景建模之前需要對實驗室環境進行實地考察并對建筑物進行篩選,從而構建具有真實感的實驗環境。對于儀器設備完全用ⅵ ml語言建立復雜的三維模型是相當煩瑣的,而且建模方法缺乏直觀性,而3dsmax強大的三維建模功能以及對具有轉換為v文件格式輸出的功能,使其在三維虛擬場景中廣泛應用。我們在實際的建模過程中根據要建立模型的特點選擇建模方法。簡單模型,直接采用vrml中簡單幾何體拼貼紋理的方法,對于復雜場景則采用3dsmax建模后以vrmi,文件格式輸出。當然在虛擬實驗的建模過程中的龐大建模工作量對軟件的建模效率以提出了很高的要求,于是,在該建模過程中我還采用了高效的照片建模軟件canoma,canoma是metacreations公司 (即現在的vie、vpoint公司)的軟件產品,利用它可以讓我們無需建模,即可直接從一張或幾張照片制作三維模型,因為使用真實照片直接生成三維模型,所以效果非常真實;而且cailoma可生成網絡使用的vrm,文件格式。為了能夠反映真實儀器設備的特性,有時還采用flash技術來達到儀器設備外觀的逼真性,并提供一些基本的交互。

3.虛擬實驗系統中的交互

交互性是虛擬實驗系統中的一個重要問題。一類是用戶在瀏覽場景的時候,主要的輸入設備就是鼠標,這時候檢測器實際上是檢測用戶對于鼠標的各種操作動作,如鼠標的單擊、指向、拖動等等,從而場景做出相應的反應。檢測這類動作的監測器是接觸型監測器。描述這類監測器的節點有接觸監測器節點touchsensor以及planesensor節點、spheresensor節點、cylindersens0r節點;另一類是用戶和場景中某對象接近的程度,對象做出相應的反應,使得用戶和虛擬對象之間形成交互。

將所有儀器設備成功地加入到場景當中之后,用戶應該可以隨意地拿起自己需要的實驗器材進行實驗,所以要提供用戶選取實驗器材的接口。當用戶在選擇某件儀器,為了提供給用戶選擇的接口,我們在實驗儀器原型中設計了供用戶選擇的按鈕。如果選中時就可以點擊按鈕“tal(e ,無需使用就只要點擊“放回”按鈕。由于用戶需要與系統進行交互,同時系統需要根據用戶的選擇與后臺數據庫進行通信,因此我們使用java applet。applet具有良好的網絡傳輸透明性,圖2顯示了瀏覽器通過appl 訪問數據庫的整個過程。

三、虛擬實驗集成的系統結構

1.軟件程序集成

軟件程序是虛擬實驗系統的重要內容,是系統的靈魂所在。在虛擬實驗系統中,我們將軟件程序部分按照層次化和模塊化的設計模式進行集成。集成化的軟件程序依據集成度的大小分為不同層次的模塊,分屬不同層次的模塊充分體現了整體和部分的關系,各模塊都可以看成是下一層次多個模塊集成的整體,每一個模塊又都可以看成是上一層次模塊中的一部分,各層次之間互為整體和部分的關系為系統結構構架提供了靈活的方式。

2.系統功能集成

系統功能集成是建立在軟件程序集成的基礎之上的,系統功能集成是系統結構集成的重要體現,系統結構的有效集成度是系統功能集成的重要基礎。在虛擬實驗系統中,軟件程序的集成保證了系統功能在不同層面上的集成度和在各層面之間的靈活性。以不同集成度來形成的系統功能整體在系統構建、修改、維護等方面起到了重要的結構化支持作用。

3.儀器軟面板集成

儀器軟面板是虛擬實驗系統的重要特色之一。在傳統實驗系統中,儀器設備一般會自帶一個顯示屏,以及相關的操作組件和按鈕來形成一個操作面板,這個面板的形式以及各組件和按鈕的功能是固定的,不能修改和設置。在虛擬實驗系統中,各種儀器設備的操作面板集中顯示在計算機的顯示屏幕上,這種面板由軟件程序來形成和設置,由鍵盤、鼠標以及其他的外部輸入設備來控制,面板的形式以及各組件和按鈕的功能可以根據需要自定義,可以將多個儀器的面板組合在一起,也可以將某一個儀器的面板簡化。儀器軟面板形式和功能上的這種靈活性正是系統集成度的體現。

4。網絡集成

網絡的出現使得分布式結構成為可能。在虛擬實驗系統中,我們通過網絡可以突破時間和空間的限制,將更多的協議方和操作方以一定的集成度集成在一起,共同完成實驗項目。我們在談集成性的問題的時候,一定是和相應的分散度聯系在一起的,就如同整體和部分之間的關系,每一個整體都可以看作更大的整體的一部分,而每一個部分又都可以看成更多小部分的整體。網絡的分布式保證了系統結構的集成性。

四、虛擬實驗教學應用的優勢

從虛擬實驗的技術優勢和實驗教學的現狀需求出發,其優勢主要體現在以下幾個方面:

1.資源開放

從虛擬實驗的技術實現角度來看,實驗教學中的有效資源全部開放,這使得實驗項目從開發到操作,再到后期數據處理與實驗課程的復習全部開放給學生,學生可以利用系統軟件程序模塊和實驗項目設計模板等幫助實驗設計方案的形成與開發;利用數據分析與處理工具包進行實驗數據的分析與處理,獲得規律性認識:教師的指導性意見、學生的交流信息和實驗故障和誤差分析等信息資料,可以幫助學生在實驗課程總結和復習中取長補短、鞏固知識。

2.組織形式開放

虛擬實驗將實驗資源、實驗項目開發和實驗操作等網絡化、平臺化,因此實驗內容、時間以及地點等組織形式是開放的具備可選擇性。針對目前實驗教學需要跨學科、跨地域、多項實驗同時開展等現狀要求,虛擬實驗所具備的組織形式開放性為實驗教學模式的擴展提供了技術準備。

3.對象開放

虛擬實驗的網絡功能能夠根據不同的對象設置不同權限的系統身份,實驗參與人員各取所需,實現學習和交流的目的。在實驗教學中,對象的身份基本分為三種層次和三種身份。三種層次指的是系統管理員、教師和技術人員、學生。三種身份是針對學習者而言的:實驗課程參與者、遠程實驗課程學習者、實驗愛好和探索者。

五、總結

本文將虛擬現實技術引入到實驗教學環節中,這在一定得程度上提高了實驗的開放程度,降低了實驗的成本,較好地激發了學生對于實驗環節的興趣和主觀能動性,但在虛擬實驗設置過程中的交互問題仍是一個值得探討和研究的主要問題。

參考文獻:

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【2】徐婷.教學型虛擬實驗通用平臺的研究與應用【d】.重慶大學學位論文,2006.11.

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（2）構建“三層次、五模塊”的實踐教學體系。建立基于網絡管理的“基礎實驗技能訓練”“專業綜合能力訓練”和“設計創新能力訓練”三層次和“驗證性實驗設計性與創新性實驗跨課程綜合性實驗藝術創作（工程設計）能力實訓集成創新實踐（創作、研究開發）”五模塊的實踐教學體系。

（3）夯實基礎，強化創新，多方位拓展和豐富實踐教學內容，重塑學生知識結構。創建本科生科研訓練、實驗室開放和學科競賽項目，并將其作為實踐教學的重要內容。積極開展項目教學，推進產學研合作。將三類項目與相關課程相結合，突破傳統內容局限，實現理論與實踐的緊密融合。

（4）搭建貫穿人才培養全過程，多方協同、資源共享、產學研合作的“大實踐”平臺。將相關實驗室和工作室、大學生創意工廠、市級實驗教學示范中心、校級科研和學科競賽基地等校內資源與校外人才培養基地等資源進行有機整合。

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實驗教學是課程改革的重要內容，必須緊緊圍繞教育改革和發展的大局。“十二五”期間，浙江教育發展的主要任務是全面加強內涵建設。對此，我們在推進實驗教學工作中，緊扣下一步浙江教育發展面臨的質量、公平兩大中心任務，注重實驗室建設的標準化和多樣化，注重對教育技術環境的構建。

強化政策引領 2010年，浙江省省委、省政府印發《浙江省中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》，提出要“緊緊圍繞解決培養什么人、怎樣培養人這一教育核心問題，堅定不移地推進素質教育，切實增強學生勇于探索的創新精神和善于解決問題的實踐能力”，并提出要“構建更有效的教育技術支撐基礎”。2011年，浙江省率先教育信息化專項規劃——《浙江省教育信息化“十二五”發展規劃》，要求加強和完善學校教育信息化基礎設施建設，應用信息技術手段加強對傳統教室、功能室和實驗室的改造，并積極探索與推進基于移動終端、3G技術、物聯網、云計算和下一代互聯網的網絡教學、虛擬實驗、電子書包和移動學習等現代信息化教學學習方式。

突出實驗室多樣化發展為滿足新課程改革和素質教育的需求，我們以促進多樣發展為基本理念，自2009年開始啟動實施了中小學實驗室建設工程，按照“實驗室標準化建設、創新實驗室多樣化建設和基礎教育裝備達標建設”的基本思路，開展了標準化實驗室、中小學科學探究實驗室、高中新課程配套實驗室、創新實驗室等建設項目，服務教育均衡和多樣化發展。2012年，專門組織力量修訂了《浙江省中小學教育技術裝備標準》，遵循“必配標準化、選配多樣化”的基本理念，對各類實驗室建設提出了具體技術要求，為學校教育技術裝備提供了有效指導。2013年，浙江省在為全省義務教育階段中小學校建設和更新科學實驗室和專用功能教室的同時，為全省民辦外來務工人員子女學校配備科學實驗室，促進教育均衡發展，并為學校特色發展和提高教育質量提供了有效支撐。

2 緊抓課堂應用，深化實驗教學

深化實驗教學的關鍵在于促進技術與課堂教學的融合。近年來，浙江省堅持以新課程標準提出的三維目標為基本要求，積極探索新技術、新工藝、新設備、新材料在實驗教學中的應用，著力在“改變實驗裝置、優化實驗設計、創設實驗情境、轉變實驗方式”等方面下功夫，深化實驗教學。

優化實驗設計，突破教學難點實驗教學的成效如何，關鍵在于實驗設計。傳統的實驗設計往往受實驗設備等客觀因素的影響，難以形象、生動地呈現知識點、創設學生自主探究的實驗環境。技術環境的更新和配備，為實現優化驗設計創設了條件。如應用新材料可以改進實驗器材，將光傳輸、熱傳導等原來實驗難以直觀展現的概念和規律通過簡便的實驗操作明顯呈現，順利打破了教學的瓶頸。應用新設備重構實驗設計，針對瞬時速度、靜摩擦力、電場強度、庫侖定律、光彈性形變、渦流的成因、牛頓第二定律、熱力學第二定律等難以理解的抽象物理概念和規律，利用傳感器等現代教育技術裝備優化方案設計，化無形為有形，為學生創設思維的臺階，有效降低學習難度，突破知識難點。應用新技術優化實驗過程，借助傳感等技術從定量的角度精細反映實驗過程中的變化，充分延伸學生感觀，變傳統實驗的不可能為可能，讓學生在數字化條件下對實驗現象進行多角度的感知和多視角的探究。杭州市蕭山區義蓬小學利用“溫變油墨”這一新材料，讓學生直觀地觀察到熱傳導現象；富陽中學利用傳感器等現代技術裝備優化實驗方案設計，研發了100多個與新課程高中物理教學配套的創新實驗，有效突破了教學難點。

創設實驗情境，提高教學效果新技術，特別是信息技術的應用，為實驗教學中實驗情境的創設提供了有效方法。如應用多媒體輔助實驗教學，可以直觀展現抽象的知識，不僅用圖形、圖像、動畫、聲音、和色彩等方式向學生提供豐富的感性材料，還用二維和三維的圖像、動畫進行模擬，從而把文字材料獲得的抽象概念具體化，把難以想象的微觀世界宏觀化、把難以演示的實驗形象化。應用虛擬仿真實驗，為學生展現理想狀態下的實驗環境，突破傳統實驗在時間、空間和器材等方面的限制，讓原來不讓做、不便做和不能做的實驗得以生動展現。應用虛擬現實技術，為實驗教學創設特定教學情景，使學生突破時空限制，產生“超越現實、身臨其境”的感受和體驗，實現情景互動教學。溫州市龍灣中學借助谷歌地球開展地理實驗教學，將地球玩轉于手掌間，有效提升教學質量；湖州市安吉縣孝豐鎮中學利用三維虛擬顯示技術開展“食物的消化與吸收”等實驗教學，化靜為動，讓學生如身臨其境般地進行直觀感受，有效激發學生興趣，提高教學效果。

創新實驗模式，培養探究能力實驗教學的目標除了知識和技能的培養外，更重要的是對學生解決問題的能力和方法的培養。多年來，我們積極探索利用新技術、新設備，創新實驗方式，倡導參與式、啟發式、探究式、討論式教學。如應用數碼顯微技術，為教師和學生提供高清晰度、多畫面、無延遲的交互式實驗教學手段，變傳統的、孤立的實驗觀察為生生、師生之間的信息共享與合作探究；應用物聯網和云計算技術，自動采集校園內各種動態數據并進行智能分析，為學生構建開放、有序的自主探究實驗教學環境；應用二維碼等現代信息技術，使實驗探究走出校園，通過家校聯動等方式，讓學生針對生活、學習中遇到的科學問題自發開展各種小課題研究；應用信息化管理手段，對實驗室實行開放管理，讓學生進行自主設計并開展實驗探究，探索建立自助式實驗運作方式和評價體系。德清縣德清一中開展自助式實驗教學，讓學生進行自主設計并開展實驗探究；嘉興市實驗小學借助二維碼和無線網絡環境，指導學生開展課題研究，為學生自主探究校園樹木提供便捷學習方法的同時，培養創新思維、溝通協調和團隊合作能力。

3 加強組織管理，保障教學成效

嚴把教學儀器質量關教學儀器設備是實施實驗教學活動的物質基礎和條件保障，其本質是一種教學設計，宗旨是滿足教學需求、提高教育質量。因此，教學儀器設備質量的優劣直接關系到實驗教學的效果。自2009年開始，我們建立了教學儀器產品教育適應性評審制度，對教學儀器設計方案、安全性能、材料工藝和實驗效果進行第三方評審，確保優質產品進校園、進課堂。同時，針對教學儀器采購的實際困難，我們在不斷探索的基礎上，構建了教學儀器設備政府采購整體解決方案，提出了“公開招標、資質入圍——網上競價、擇優選用——合同簽訂、集中配送——驗收結算、綜合評價”的政府采購整體思路，開通了普教儀器政府采購協議平臺，有效避免了教學儀器設備政府采購中存在的程序合法但結果不公等問題，最大限度保證了政府采購效益。

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中圖分類號: O423.1 文獻標識碼:A文章編號:1007-3973 (2010) 07-162-02

1大學物理實驗教學的現狀

物理學是探索物質世界奧秘的基礎學科,而物理實驗是本科生進入大學后系統學習科學實驗設計思想、方法和技術的入門課程,它在培養學生的科學實驗素養和創新能力、打造綜合型的高素質創新人才過程中有著不可替代的重要作用。而目前高校的實驗教學課程主要以“教師理論講解、操作演示―學生動手操作、完成實驗”的模式進行。這種方式利于學生在有限的實驗課時內完成實驗任務,但不利于學生的實踐動手能力和創新能力的培養,不能調動學生的學習主動性,學生只需按部就班、循規蹈矩、被動模仿就可完成實驗任務。而教育的根本目的是培養高素質的創造性人才,現行的教學模式與教育的這一目的相距深遠。

科技的進步對教育提出了越來越高的要求,學校對人才的創新思維和實踐能力的培養也必將是一種趨向個性化的教育,而傳統教育資源的匱乏和教育模式的陳舊呆板制約了“自主學習”和“個性化教育”的廣泛推行,這也是教學改革深入發展的瓶頸之一。

傳授學生物理實驗的基礎知識、實驗方法和技術只是物理實驗的主要內容之一,而創新意識、創新思維和創造能力的開發與培養則是教育更本質、更核心的內容。我們當前處于一個信息化的時代,各種信息的飛速膨脹使得我們完全有可能探索出一種以能力培養為主線,分層次、多模塊,符合現代先進教育思想的開放的新的物理實驗教學模式和體系。

2開放的嵌入式和交互式實驗教學的特點

NI ELVIS是由美國國家儀器有限公司(National Instruments, 簡稱NI)的設計與原型開發平臺的新版本,被全球眾多教師應用于動手實驗和項目學習中。它基于強大的LabVIEW圖形化系統設計軟件與課程資源套件結合在一起使用,可以為科學和工程實驗室創建了理想的動手平臺。我們可以根據物理實驗本身的需求,為學生提供了使用NI ELVIS在交互式環境中對概念進行探索和設計的機會。”

本教學方式是在開發虛擬實驗軟件的基礎上,依據NI ELVIS自身的特點與功能,構建一種開放的嵌入式和能實現人機交互的物理實驗教學平臺。該平臺將具備以下特點:

(1)形象、直觀、操作方便、簡化了實驗室的配置,并且加深了學生對嵌入式和開放式創新實驗的理解”。

(2)適合全方位開放、功能強大可以與多種應用軟件和硬件連接。

(3)開放式的操作平臺,學生可以選作自己感興趣的實驗項目、可以和各種硬件和傳感器連接進行自主設計和嵌入,從而完成創新實驗內容,可實現自主、交互與創新的教學模式。

(4)教師和學生利用NI ELVIS可以在仿真數據與實測數據之間進行切換,使用同一個儀器查看仿真數據和實測數據,在仿真或測試中利用單一平臺查看電路設計過程的整體情況――從設計與原型開發直至實現階段。

平臺建設的成功,將會實現學生真正的以興趣為導向選擇自己的實驗內容,使實驗教學內容在時間和空間上得到延伸,從而開創物理實驗教學的新模式,為其他教師進行多元化教學模式的探索提供新的教學研究平臺。

另外,我校物理實驗中心多年以來積極開展教學改革與實驗室建設,積累了豐富的經驗,實驗中心在人員、設備、場地及時間等方面具有足夠的條件保障,能夠確保這種嵌入式、交互式實驗教學平臺順利構建和新的實驗教學模式的改革和探索。

3嵌入式和交互式實驗教學的實施

開放的嵌入式和交互式實驗教學平臺的探索與建設符合大學教學改革要求,在內容和形式上有創新,并有充分的條件保障支持,能夠順利地進行并圓滿完成。它的建設成功必將對促進教學信息化建設的改革進程具有很重要的參考意義和價值。

3.1具體改革內容、改革目標和擬解決的關鍵問題

改革的內容:借鑒國內外著名高校改革的經驗,整合現有的教學資源,優化教學形式。先用LabVIEW開發出一系列的可與其它軟件兼容并可和其它硬件、傳感器相連接的物理虛擬實驗,如霍爾效應、綜合光學等實驗,然后在此基礎上與ELVIS系統整合一起,搭建開放的交互式實驗教學平臺。學生在了解實驗的物理原理的基礎上建立相應的實際物理實驗模型和實驗設計電路。這些初期的模型和電路當做一個可以兼容的實驗模塊,以后做相關實測實驗的時候可以直接拿來使用。

本實驗平臺的一個突出特點就是可以實現物理實驗的虛擬演示和實際信號采集相結合,培養“虛實結合”的教學理念。其中“虛”就是只需一臺計算機而不需要其它任何實驗設備就可完成相應物理實驗的虛擬演示與操作;“實”就是該平臺輔以相應的硬件設施又可以完成真實的實驗。例如,光的衍射實驗,我們可以在開發的實驗軟件上用虛擬的激光演示實驗現象,又可以直接通過ELVIS對實際的激光信號進行采集,從而完成實際的激光衍射實驗。“虛實結合”體現了該教學平臺的開放性與自主性。

改革目標是在開發該實驗平臺的基礎上,探索出一種更靈活、更能激發學生學習積極性和主動性的符合現代教育思想的新的教學模式。要使平臺體現真正的開放性與自主性,讓學生真正的參與設計新實驗、拓展實驗平臺的外延性,設計一些與學生自己專業相近或者興趣相關的實驗課題。這必將促使對新教學模式和教學理念做一些有益的嘗試與探索。這里,需要解決的關鍵問題是如何改變學生固有的對實驗教師指導實驗的依賴性,如何培養學生對實驗學習的主動性和參與性;另外,改變實驗老師傳統的“保姆式”的教學思維和理念也是一個關鍵的問題。

3.2實施方案、實施方法、具體實施計劃及可行性分析

在確定一系列的實驗項目和內容后,再開發相應的虛擬實驗項目和平臺后,而后在實驗中心或者學校網站的公告欄里張貼出新實驗教學平臺的特征和特色,闡述新實驗教學模式自主性、靈活性和開放性。讓學生以興趣為導向,在完全開放和自愿的前提下自主報名參加新模式的教學效果嘗試。教學結束后,以問卷的形式在報名的學生中間,調查新模式的教學效果,由受教育的主體來檢驗新的教學平臺和模式在提高他們創新意識和自主動手能力是否方面卓有成效。

因為新教學平臺和教學模式的實施方案中淡化了傳統教學中“教”與“學”某種程度上的對立,注重了學生的個性和興趣,所以在理論上都有很大的可行性。

目前,全國多數高校中,實驗教學突出了教師的主導性,忽略了學生的主體性;同時由于授課內容的整齊劃一,很難提高學生的學習興趣,從而削弱了學生自主動手和自我思考的能力。

這種教學方式的特色與創新之處在于試圖改變這一狀況:

(1)試圖通過引導性的授課方式代替灌輸式的上課模式。

(2)試圖改變和完善傳統的教育模式,推行以學生興趣為導向的個性化教育。

(3)試圖引導學生在實驗中發現問題、解決問題進而達到尋求問題、解決問題的能力。

(4)試圖通過引導學生進行自主實驗設計與操作,從而培養了學生的創新意識、提高學生的綜合實驗動手能力,并為學生主體價值的自我實現提供了平臺,

我校物理實驗中心多年以來一直致力于實驗室建設與教學改革,不斷開出新實驗,不斷實踐新的教學方式及考核方式,不斷對教學改革進行總結,在1997年與物理教研室聯合完成〈物理課程改革與建設〉教改項目,獲省級教學成果二等獎。在2000、2002及2003年完成學校對實驗中心的三次投資建設(共投入470萬元),先后開出5門應用技術課程,開出了近80個新實驗項目,完成了實驗課程考核機制教改項目,并對實驗室實行了切實有效的開放,先后發表教改論文3篇,編寫教材及講義9種,積累了豐富的教學改革經驗。

上述教學方式的實施需要實驗中心的人才結構合理,大多數老師都從事過教育教學改革方面的研究與探討,并具有豐富的經驗,對實驗項目及實驗設備進行深入的探討和研究,尤其在儀器的性能控制、維修、改造等方面,具有豐富的經驗。

河南理工大學高度重視實驗室建設,大力投入,僅對物理實驗中心,2000年以來就陸續投入470萬元用于新實驗項目建設。新校區的建設已基本完成,在人員、場地、設備等方面均具有優良的基礎條件。目前用于實驗項目開發的軟件和硬件已經到位,這種實驗教學方式已經取得了非常好的效果!

4總結

總而言之,開放的嵌入式和交互式實驗教學平臺具有一下優點:

(1)由引導性的授課方式代替灌輸式的上課模式。

(2)改變和完善傳統的教育模式,推行以學生興趣為導向的個性化教育。

(3)引導學生在實驗中發現問題、解決問題進而達到尋求問題、解決問題的能力。

(4)通過引導學生進行自主實驗設計與操作,從而培養了學生的創新意識、提高學生的綜合實驗動手能力,并為學生主體價值的自我實現提供了平臺。