时间：2023-02-06 17:10:20
绪论：在寻找写作灵感吗？爱发表网为您精选了8篇虚拟实验设计论文，愿这些内容能够启迪您的思维，激发您的创作热情，欢迎您的阅读与分享！
一、网络虚拟实验室的建立
1.虚拟现实技术
虚拟现实VR(VirtualReality)是近几年来信息技术迅速发展的产物,毕业论文是一门在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术和传感技术的基础上发展起来的交叉学科。其基本方法和目标是集成并利用高性能的计算机软硬件及各类传感器创建一个使参与者处于身临其境的、具有完善的交互能力、能帮助和启发构思的信息环境,即让用户在人工合成的环境里获得角色的体验。
虚拟现实具有三个基本特征。沉浸性,是指观察者对虚拟世界的情感反映,这种感觉能使用户全方位地投入这个虚拟世界,这是虚拟现实的首要特征。交互性,是指虚拟现实是一个开放的环境,能对用户的输入作出响应,并能通过监控装置来影响用户和被用户影响。想象性,是指虚拟现实不仅是一个媒体、一个高级用户界面,还是一个应用系统,它以生动形象的形式反映设计者的思想。虚拟现实的三个基本特征强调了人在这个系统中的主导作用。虚拟现实系统按其功能不同,可以分为三种类型:沉浸式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。其中,桌面式虚拟现实系统是运用软件编程方法在显示器上显示三维场景,用户通过键盘、鼠标等设备与虚拟场景交互,它的特点是结构简单、成本较低,易于推广。
2.网络虚拟实验室
所谓网络虚拟实验室,是指利用区域网或互联网,由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统,包括相应的实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象及实验信息资源等。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现,也可以是虚拟构想的实验室,虚拟实验通过虚拟实验室进行。在虚拟实验中,实验者有逼真的感觉,有身临其境的感受,好像是真正在现实实验室里近距离进行现场操作。在虚拟实验中,没有一个有形的实验室,也没有以实物形态存在的实验工具与实验对象,实验过程主要是对虚拟物的操作。
3.计算机专业虚拟实验室的创建
构建专业虚拟实验室,其实就是搭建一个网络平台系统,包括硬件、软件及管理三个方面。在硬件上,
目前各校都建立了校园网络并接入了互联网,这些基础设施基本可以满足需求,不需要太多的投入。在软件方面,一个是实验室平台软件系统的开发,它与网站建设相联系;另一个是网站的内容(实验内容)建设,这是实验室建设的关键。虚拟实验室应有可以做的实验来支撑,不然软件平台就是一个空架子,形同虚设。同时,该平台上还应有实验管理的支持,对实验仪器、实验报告、实验指导、实验成绩及网上答疑等进行有效管理,并对虚拟实验室进行监控,计算机网络虚拟实验室系统各模块的主要功能如下。
(1)实验管理模块,由学生管理、教师管理、仪器管理和学生成绩管理等组成。硕士论文在学生管理方面,学生通过浏览器进行注册登录,登陆成功后可浏览实验项目,查看实验的详细资料,预约实验项目及做实验的时间,在线发送和接受消息,进行问题讨论,进行实验登记,实验完成后可通过网络写实验报告并提交报告。教师管理方面,可对实验内容添加、修改、整理、删除,对学生提交的实验报告列表,批改实验报告,填写评语和成绩,提交批改结果,与学生进行讨论。仪器管理方面,对新设计开发的虚拟仪器上传并进行分类整理,以便实验使用。成绩管理方面对学生的实验情况(实验次数、实验报告及完成情况)给出成绩,并进行统计分析及提供查询等。
(2)仪器展示模块,对虚拟实验室可用虚拟元器件、虚拟仪器设备分门别类地进行管理,以图形的方式直观呈现出来,供学生在实验时进行选择。
(3)实验指导模块,包括实验介绍、实验方法、实验项目的重点及难点、实验目的、实验原理、实验准备、实验任务、实验过程、实验报告的要求及实验应注意的事项等。
(4)实验报告模块,主要对学生完成实验后,提供相关的实验报告模板,供学生下载,由学生填写相关内容以及实验的结果,完成后上传电子版实验报告,由教师进行批阅,并进行记载。
(5)实验答疑模块,由专业教师对学生实验中出现的疑难问题进行及时解答,帮助学生顺利通过实验。同时了解学生对实验的掌握程度,并及时反馈、调整教学。
(6)论坛交流模块,教师和学生可以通过论坛进行充分的交流,学生可以将实验中的收获、经验和体会及问题到论坛上,教师可以将一些典型的问题提出来,供大家探讨。学生在这样宽松的环境下发表自己的见解,教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息,以便整改7)虚拟实验模块,是虚拟实验室建设的重要部分。学生通过该模块进行虚拟实验,医学论文以达到巩固强化知识的目的。该模块内容根据专业学习的具体情况及实验建设条件,可不断增加。计算机专业网络虚拟实验室系统的建设,可以引入其他学校的虚拟实验室中。这种方式比较简单,容易实现,见效较快。但需要投入较多的软件购置费用,同时也需要结合本校的实际情况进行一些调整,有一个磨合期。另一种是因地制宜,自主开发。根据本校的实际教学和实验情况,结合学生的实际水平,由任课教师或聘请部分专家组成开发小组,进行一系列的虚拟实验项目的开发研究,并将研究的成果连接到虚拟实验室中,逐渐扩充直至完善。这种方式比较灵活,能充分发挥教师的积极性,能有针对性地进行设计开发,适合学生的实际情况,学生容易接受,并且经费投入较少。缺点是开发周期较长,系统性不够,水平有限。也可以将上述两种方式结合起来,一是引入、购置部分自己不宜开发的实验项目,二是结合自身的优势和长处开发一些实验项目,如非交互性的、演示性的虚拟实验项目等。
二、加强网络虚拟实验室的管理
1.加强用户管理,为每个学生分配账号。对学生进入虚拟实验室,使用实验室做虚拟实验等进行登记保存。鼓励学生经常访问虚拟实验室,在上面提出问题、发表见解,做好实验,努力提高虚拟实验室的人气。
2.全天候开放虚拟实验室。学生可以随时进入虚拟实验实自己动手组织实验,自己设计实验方案,动手完成实验,整理和总结实验数据,职称论文提交实验报告,培养学生的分析能力和创新能力,逐步向以“学生为中心”的自主个性发展模式转变。
3.组织专业教师网上指导与答疑,参与论坛讨论交流,及时批改实验报告,为学生顺利完成实验提供服务。在虚拟实验室中,教师应对学生提出的疑问尽快给出帮助和解答,并进行必要的指导。在实验室论坛上发表观点,提出问题让学生思考,使师生在虚拟实验室中有较强的互动性,教师应充当好学生实验的合作者和知识的建构者的角色。
4.对学生在虚拟实验室的表现及实验效果进行
评价。针对学生每一门课程的虚拟实验完成情况、实验报告、网上提问、论坛发帖的情况,给学生一个成绩和评价,反馈给学生,英语论文并与该课程的正常实物实验一起记入实验总分。教师也要在对学生评价的同时,征求学生对虚拟实验室的意见,对学生反馈的信息进行整改。
计算机网络虚拟实验室的建立,可以很好地解决目前硬件设备跟不上实验的要求、学生实验时间不够用等问题,对于提高学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力具有非常重要的意义。但在具体应用中还要注意处理好“虚拟实验”和“实物实验”的关系,不能一味地强调虚拟实验,要“虚实”结合,既相互补充,又各有侧重,这样才能取得很好的实验教学效果。同时,在虚拟实验中要注意培养学生严谨的、一丝不苟的科学实验作风。
参考文献
[1]王嗣源.虚拟实验室建设的初步探讨.西安邮电学院学报,2005(4).
[2]蒋光明.基于互联网的开放式虚拟实验模型研究.西南师范大学学报(自然科学版),2002(3).
虚拟实验是依托“虚拟现实”技术产生和发展的一种实验模式，利用计算机及仿真软件来模拟实验环境及过程，学生通过计算机操作来做实验，以代替或加强传统的实物实验。虚拟实验一般通过虚拟实验室进行。虚拟实验室是由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括虚拟实验室环境、相关实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等，是一个基于网络的实验教学、技术交流、共同研究、协同工作的平台。虚拟实验室最早由美国弗吉尼亚大学的威廉•沃尔夫教授于1989年提出，被称为“无墙的研究中心”。虚拟实验室具有传统实验室无法比拟的特点，如资源共享性、互动操作性、用户自主性、安全性等，并且可以有效地减少实验设备购置经费和实验学时。随着虚拟实验技术的成熟，虚拟实验室在教育领域得到了越来越广泛的应用［8］。
2机械设计虚拟实验室
以“CAXA实体设计”和“CAXA－EB”软件系统为依托，利用VisualBasic6．0和C/C++开发了机械设计虚拟实验室(见图1)，包括三维虚拟实验环境和二维虚拟实验环境，可进行机构运动简图测绘、齿廓范成原理、减速器拆装等11个机械设计虚拟实验。学员可利用虚拟实验室进行实验，完成并提交实验报告，教师可利用该平台查阅批改实验报告。机械设计虚拟实验室由服务器端核心处理模块、客户端实时运算模块、用户管理模块、机构库模块、零件库模块等七大模块组成。其中，机构库包含40多个常用机构，零件库包含80多个常用零件，标准符号库由100多个常用标准符号组成，在线帮助信息库有近5万字的在线帮助信息［9－10］。目前机械设计虚拟实验室已在全军院校推广使用。近几年的教学应用表明，机械设计虚拟实验可部分取代实物实验，某些传统实验如简图测绘、齿廓范成等可利用虚拟实验室独立完成;同时，虚拟实验室大大扩展了原有实验内容，增加了机构改进设计、轴的设计、连杆机构的设计等综合性和设计性实验，并且实验室为开放性环境，实验内容还可根据需要继续扩充;另外，虚拟实验室是实物实验和课堂教学的有力补充，连杆机构的基本形式和演化等实验内容对进一步理解和巩固课堂知识具有重要作用，通过虚拟实验还可进行一些实物实验很难实现的实验，如齿廓范成原理实验，传统的范成仪只能加工两种参数的齿轮，而利用虚拟实验室可以任意设置加工参数。又如轴的设计实验，可实时设计、实时修改，并及时观测设计结果。虚拟实验室有效拓展了课内实验的时间和空间，在提高课程教学效果和实验教学质量及培养学生工程实践能力方面，起到了非常重要的作用。
3虚拟实验室在课程教学中的作用
机械设计虚拟实验室具备强大的模拟实验和相关辅助功能，对课程教学和能力培养具有非常重要的作用。
3．1有效拓展课程实验内容，集实验和辅助学习功能为一体
机械设计虚拟实验室不仅可完成机构运动简图测绘、齿廓范成原理、减速器拆装等传统实验内容，还增加了机构组成原理、连杆机构的应用和设计、凸轮设计、周转轮系的应用、轴的设计、齿轮传动等新的实验，拓展了实验内容。所开发的11个实验既有传统的基础性、验证性实验，如机构运动简图测绘、减速器拆装等，又有设计性实验，如齿轮范成原理、轴的设计、凸轮设计等。学员不仅可以通过虚拟环境完成实验操作和设计，提高机械设计能力，还可利用实验项目复习巩固课堂所学知识，加深对知识的理解。例如连杆机构的型式和演化实验，学员可通过实验环境设置机构的杆长参数和机架，根据课堂知识判断该机构的型式，再利用虚拟实验室验证自己的判断，使知识得以巩固和加深。机械设计虚拟实验室将数值分析算法应用到实验开发中，形象地描述了在传统实验中很难实现的实验，实现了实验内容的创新。例如齿廓范成实验，传统实验使用齿廓范成仪进行，一般每种范成仪只能范成同一参数(模数、压力角等)、两种齿数的齿轮，而在机械设计虚拟实验室中学员可任意设置齿轮的齿数和模数等参数(见图2)，观察各种参数的渐开线齿廓的形成过程和齿廓特点，扩展了设计性实验的内容。图3为利用机械设计虚拟实验室进行渐开线齿廓的范成加工。
3．2构建三维虚拟实验环境，实现三维动态仿真和创新设计功能
机械设计虚拟实验室构建了机构模型库和零件库，包含多个常用机构和通用零件，常用机构具有仿真动画效果，通用零件具有三维渲染效果，学员在进行实验时可随时调用，也可随时运行观察其运动以进行组成和运动分析。如图4所示即为机构库中的飞机起落架机构模型，学员可在三维实验环境中观察其组成和运动情况，或对其进行运动尺寸测绘，在二维环境中绘制其机构运动简图，这是机械设计基础课程的一个传统实验。机械虚拟实验室的零件库包含轴、齿轮、轴承等80多种常用零件，学员在进行设计性实验时可随时调用，同时还可在原模型的基础上进行实时修改，以用于所设计的机构。如图5所示为对设计的阶梯轴进行结构修改。这样使学员既有很强的感性认识，又锻炼了其设计能力，为基于想象的开放性创意设计提供了虚拟实现的平台，拓展了学员的创造空间。
3．3实验操作方便，相关功能完善
机械设计虚拟实验室具有可视化的实验界面，交互功能强大，实验操作简单，实验结果直观。每个实验都有详细的实验指导，进行基础性、验证性实验时在实验界面上及时提示后续的操作步骤，操作不正确时系统会给出提示。如减速器拆装实验，要求能按正确的顺序将减速器进行拆卸和安装，在拆装过程中，如果顺序不正确，系统会出现警告，并提示正确的操作。机械设计虚拟实验室具有在线帮助功能，学员在实验操作中可随时查阅实验目的、内容和实验步骤等。另外，在每个实验完成后可在虚拟实验室中方便地撰写、修改实验报告，并进行提交，如图6所示。教师可在虚拟实验室中检查、批改学生的实验报告，并将实验评价反馈给学员。
4结束语
关键词：探究性；三维虚拟实验
中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2016）02-0055-04
探究性三维虚拟实验设计的理论基础
1.认知主义学习理论
认知主义学习理论把学习看作对信息进行主动选择和理解的过程，认为人的认知过程实际上是一个信息加工过程，知识不是由外界刺激直接给予的，而是外界刺激和认知主体内部心理过程相互作用的结果。采用三维虚拟实验进行教学，认知对象从传统的与现实世界打交道，变成与虚拟世界进行交互，从而产生了一种新的认知方式。因此设计三维虚拟实验时，必须从学生的认知心理出发，注重学生的具体经验和对情境的了解，使学习者新旧知识之间的同化能顺利完成，最终促进自己的认知发展。
2.情境学习理论
情境学习理论认为，特定的知识应该在特定的情境中去学习，学习是一个社会性过程，知识在这个过程中由学习者与周围环境相互作用共同构建。情境学习理论强调学习者应经历社会真实情境，通过实际活动使其在真实情境中学习知识、技能和策略，对知识做合理的解释并能灵活运用知识。因此，设计三维虚拟实验时，必须创设实验过程所需要的各种情境，为学生主动探究提供环境支撑。
3.建构主义学习理论
建构主义认为，学习是建构内在心理表征的过程，学习者以已有的经验为基础，通过与外界的相互作用来建构新的理解，学习者知识的获得是个体与外部环境交互的结果。因此，设计三维虚拟实验时，必须提供灵活的交互方式，同时为学习者提供丰富的资源和工具，方便学生进行科学的探究活动，有效建构自己的知识。
中学物理探究性三维虚拟实验设计
1.设计原则
直观性：三维虚拟实验设计要为学习者提供逼真的实验环境，增加学生者亲身体验的经历。由于操作步骤复杂、观测过程漫长、实验仪器昂贵等原因而无法完成的实验要逼真模拟，实验现象抽象和微观的就要突破时空限制转变为直观呈现，实验过程不能及时控制的要设计关键现象模拟情境，使学习者在虚拟环境下，便于观察物理现象，更好地理解和掌握实验原理。
交互性：三维虚拟实验设计要为学习者提供更多交互的环节和实时的反馈，方便学习者选择实验设备、操作实验仪器、设置实验条件、改变实验参数。使学习者在虚拟环境下，按照自己的学习特征、学习进度和学习方式进行主动探究。
开放性：三维虚拟实验设计要为学习者提供可以自主设计实验的学习资源和工具，使学习者能够按照自己的兴趣自由地设计实验方案、演示实验效果，并提供及时的反馈。
趣味性：三维虚拟实验设计要为学习者提供能够激发好奇心和求知欲的实验过程和现象，能够吸引学生的注意力，给学习者悦趣的体验，激发其学习物理的兴趣。
2.设计过程
（1）实验类型和主题的设计
按照实验内容分为：声音类、光学类、电路类、电磁类、理学类、能量类。本研究从众多实验中选择了部分实验进行开发仿真，具体包括真实实验中不易观察的实验、真实实验中不易控制的实验两类。
（2）虚拟实验模块设计
探究性三维虚拟实验共包括实验介绍、实验操作、实验提示、实验评价四个模块。其中，实验介绍包括仪器介绍和内容介绍。仪器介绍阐述虚拟实验中用到的关键仪器的功能、使用方法等。内容介绍阐述实验目的、实验原理等；实验操作是虚拟实验的核心部分，通过分析该阶段学生的认知结构，设计交互式的用户界面和探究性实验环节，学生根据实验原理和步骤，在三维虚拟实验场景中对相关实验仪器进行操作，完成实验；实验提示是指对实验中容易出错的地方为学生提供必要的帮助；实验评价是根据具体的实验要求，对学生的实验操作结果进行评价。
中学物理探究性三维虚拟实验的实现
1.主要开发工具的选择
探究性三维虚拟实验的实现主要包括虚拟实验场景、各种实验仪器设备的三维建模，以及提供探究活动的虚拟现实交互体验的开发，用到的开发工具主要包括三维建模工具3ds Max和虚拟现实开发工具Unity 3D。
（1）3ds Max
3ds Max是Autodesk公司开发的基于PC的三维动画制作、编辑、播放与三维建模和渲染软件。它具有易于使用、功能强大、性价比高等优点，是许多个人和公司用户首选的三维建模与动画软件。3ds Max被广泛应用于广告、影视、游戏开发、计算机艺术、角色动画、工业设计和辅助教学等诸多领域。
（2）Unity 3D
Unity 3D是由Unity Technologies公司推出的一款强大的3D跨平台游戏引擎，包括图形、光照、音频、渲染、物理和网络等多方面的引擎支持，目前已不仅仅局限于游戏开发，而成为强大的综合性虚拟现实开发工具，在虚拟漫游与实时设计、虚拟现实交互体验、人体数字化展示等领域都得到有效应用。
2.开发流程
三维虚拟实验的开发步骤为：①三维虚拟实验场景、实验仪器的建模；②分析学生的心理和认知结构，设计探究环节；③设计交互界面，实现实验的交互操作；④测试虚拟实验，进行调试和优化；⑤虚拟实验。
3.探究性三维虚拟实验的开发
（1）实例1：布朗运动
①实验设计思路：布朗运动是由微观分子间做无规则运动而形成的。在现实生活中，难于操作，不易观察，只有借助显微镜才能观察，使得学生缺乏创造力和空间想象力。而在三维虚拟实验中可以克服这些不足，利用Unity 3D提供的物理引擎，可以很好地模拟微观分子的无规则运动。本实验通过设计交互式的界面接口，使学生可以通过控制温度变化或调整微观分子大小，模拟微观分子的运动变化情况，从而使实验者更好地理解布朗运动。
②虚拟实验场景和实验器材的三维建模。实验采用3ds Max对三维仿真实验中用到的模型进行构建，主要包括实验桌、实验仪器，实验主界面如下页图1所示。
③虚拟仿真实验的实现。本实验提供了两个观察角度，即宏观和微观，宏观角度用来展示实验前的状况；微观角度用来展示微观粒子的运动状况，通过使用摄像机效果，使得观察者能够清晰地看到微观世界中分子的无规则运动情况，实验操作界面如下页图2所示。
下面详细介绍微观角度下实验的实现过程。首先，学生点击微观按钮后，摄像机被激活显示，同时向液体分子拉近，这时出现图2所示的界面，屏幕下方出现对应的滑动条用于控制条件，一种是温度变化，一种是分子大小变化。这里用到了NGUI插件里的Tween Position动画。其次，液体分子的无规则运动模拟是用Unity自带的碰撞检测函数来实现的。当分子之间相互碰撞时，会触发自身的碰撞检测，从而受到一个反向作用力被反弹回去。当多个分子发生碰撞时，它们的运动就会变得毫无规律，从而形成了无规则运动。
（2）实例2：光的反射与折射
①实验设计思路：光的反射与折射定律探究的是光从一种介质照射到另一种介质时发生传播方向改变的光学现象。在现实生活中，为了确保实验的准确性和灵活性，特别要保证三线共面，需要实验操作细致，入射角、反射角、折射角的测量也很费时，且不易控制。而在三维虚拟仿真实验中可以克服这些不足，利用Unity 3D可以很好地模拟光线的反射、折射现象，以及入射角、反射角、折射角之间的关系。
②虚拟实验场景和实验器材的三维建模。本实验采用3ds Max对三维仿真实验中用到的模型进行构建，主要实验仪器如图3所示。
③虚拟仿真实验的实现。本实验用来展示入射角变化时，反射角、折射角的变化情况，通过圆盘上的刻度标定，能够随时读出确切的值，实验者能够清晰地看到入射角、反射角、折射角的关系，实验操作界面如图4所示。
结束语
新技术、新媒体的发展对传统教育教学改革具有推动作用，利用虚拟现实技术设计并实现初中物理探究性三维虚拟实验，能够有效改进传统中学物理实验教学的不足，为学生进一步理解基本概念、掌握实验规律和实验原理，提供了主动探究的环境，对学生创新思维的培养具有重要价值，对探索信息技术环境下中学实验教学新方法具有重要意义。
参考文献：
[1]马发挥，李献业，钟永江，陈红珍.初中物理虚拟实验室教学模式研究[J].中国信息技术教育，2010（9）：48-50.
[2]姬洪强.《现代教育技术》虚拟实验室的设计与实现[D].金华：浙江师范大学，2009.
[3]张秀敏.仿真实验室在初中物理虚拟实验中的应用[J].中国教育技术装备，2015（11）：158-159.
[4]张林誉.初中物理虚拟试验系统的设计与实现[D].武汉：华中师范大学，2013.
[5]徐一帆.基于虚拟现实的中学物理仿真实验的设计与实现[D].长沙：湖南大学，2013.
[6]单美贤.虚拟试验系统的分类研究[J].现代教育技术，2011，21（10）：117-120.
【关键词】自动控制理论;LabVIEW;实验系统
【中图分类号】G420 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)08―0139―04
一 引言
高等教育的质量与国家现代化建设密切相关,其中良好的教学实验设计对于人才的培养有着直接的影响。《自动控制理论》课程作为电气、自动化专业的一门重要的专业基础课,是联系前期基础课和后续专业课的桥梁。如何借助于实验课的辅助教学,生动、形象地帮助学生理解基本概念、建立理论与实际相结合的观点、培养大学生的初步工程实践能力,符合高校培养具有创新实践能力的高素质人才的需要。
LabVIEW是由美国国家仪器(NI)公司推出的一种使用基于图形化编程方式的虚拟仪器软件开发环境。具有直观易学、编程效率高,与Internet方便链接等特点。通过改变、增减系统的功能、可方便地扩充系统的复杂性,能为各层次学生提供广阔的实验与实践空间。为此,建立基于LabVIEW的自动控制理论实验平台,开展设计性、综合性较强的系统实验设计,不仅有利于通过直观形象的实验图形与结果激发学生的学习兴趣,而且对于全面提升学生动手构建物理系统和软硬件调试的综合能力具有重要意义[1-2]。
二 实验系统设计
近年来基于计算机技术的实验系统,作为一种工程、教学辅助工具,在简化问题、节约成本、缩短调试周期等方面特点突出,有利于发展学生借助计算机解决问题的能力。传统实物模拟实验,由于外部条件变化对实验结果及信息的影响不同[3],则对于学生发现问题、通过理论联系实际综合解决问题能力的培养具有不可替代的作用。目前,远程实验的开展也逐步获得关注重视。基于以上分析,所设计的LabVIEW自动控制理论综合实验平台,其系统结构如图1所示,可以融合以上三种实验模式的优点,力图通过交替互补,以不同的实验要求,通过设立资源学习、任务驱动与探索学习这三类学习模式,全方位提升学生的实验理论与技能。
1 仿真实验
LabVIEW在数据采集、工业控制等应用领域提供了一个功能强大、方便灵活的虚拟仪器的集成开发环境。降低了环境干扰和系统误差对测量结果的影响,改善了以往费时、费力的实验过程,便于学生集中精力对结果进行分析。
以非线性系统的描述函数法为例,图2为非线性系统框图,其中线性部分的频率特性函数为 ,非线性部分的算子以 表示。如何求取非线性系统的描述函数并进行分析,由于其独特的复杂性与抽象性,一直是自动控制理论教学的难点,理论计算繁琐,实验研究费时。
为此,采用基于图形化的计算机仿真的方法通过对非线性、线性环节的类型、参数进行选择,而后设定分析的频率范围、初值、步长、循环次数等,可有效避免繁复的频率调整、计数、描点等工作,迅速获取系统的幅相特性曲线。友好的仿真实验界面如图3所示。
设定线性区宽度 ,饱和特性信号限幅 后,输入到实验室开发的如图3所示的仿真实验系统界面,运行后,即可获取如图4所示的对应的幅相特性曲线图。
这样,利用仿真实验,学生可以灵活设定仿真条件,方便、省时地实现对各种非线性环节描述函数的求取与直观分析,达到了对抽象的非线性理论概念进行直观理解的目的。这部分内容,设定了2学时由教师讲解LabVIEW的基础知识,安排4学时课后时间用于相关资源学习。
2 模拟型实物实验
NI公司提供的ELVIS实验平台将DAQ硬件和LabVIEW软件组合成的一个定制灵活的教学实验平台。通过DAQ捕获实际系统中真实的物理信号,并输入到计算机中,而后利用LabVIEW编制相应的应用软件实现数据的监测、记录、显示及分析,可以简化实验数据获取及后续数据处理等过程。
目前本实验平台针对实物模拟实验设立了演示实验[4]和学生设计实验两部分。演示实验包括RC电路暂态电压变化实验、数据采集及滤波处理实验以及直流电机转速测控实验。通过演示实验的展示与讲解,以帮助学生逐步掌握NI ELVIS实验平台的使用与开发流程、技巧,为后续进行独立实验设计与研究奠定基础。而后,结合基于LabVIEW编程后提供的内置函数发生器和示波器等检测分析仪表,配合ELVIS提供的实验面包板,要求学生独立在实验板上通过模拟运放电路的搭建,完成二阶系统时域响应、典型环节频率特性、系统串联校正等实物模拟实验,并与理论分析值进行比较、分析。此处设定为任务驱动型学习方式,课内保留4学时用于提问、测试、成绩评定。
如图5所示,为求取典型积分环节频率特性而构建的模拟实验电路。
图5中运算放大器采用op07,输入正弦信号 ,其幅值 及频率 可调。当调节正弦信号幅值 过大时,系统可能进入运算放大器的饱和非线性特性工作区域,系统输出 信号则会输出周期畸变信号; 当调节正弦信号幅值 过小, 静电感应电压对系统输出 信号的叠加影响不可忽略, 会影响输出 信号测试的准确度(此处,可引导学生对信号处理方法进行思索、研究)。仅当调节正弦信号幅值 处于适当范围内,输出 才可清晰获取同频率的正弦信号。针对这一现象,与1节中虚拟仿真实验积分环节频率特性的求取方法进行对比,提出问题1:仿真实验与模拟型实物实验的区别与联系?问题2:确定一个环节是线性还是非线性的原则是什么?问题3:理论与实践的相互作用关系在科学研究中是怎样的?以此建立新旧知识的联系,激发学生的自主发现与探究意识,引发其解决问题的兴趣,鼓励其进行协作交流,进而形成自己对问题的独立见解,综合实践能力得到提高。
最后,考虑部分能力较强学生的实验需求及后续课程设计的需要,选购了8套球杆(ball balancer)系统作为被控对象。采用LabVIEW编制软件算法, 通过驱动程序控制伺服电机进行转速与位置调节,实现对此非线性、不稳定系统的稳定运行控制。这部分实验的设立为探索学习模式阶段,通过介绍难点的方式,引导学生深入思索、学习、探索前沿的控制方法。
3 远程虚拟实验
基于网络的远程实验室可以最大限度地实现实验资源的共享[5],因此本综合实验系统的设计也包含了这部分内容。远程虚拟仪器能从与Internet/Intranet相连的远端获得动态数据或将控制信号传送到远端,使在本地PC机上监控远端成为可能。远程虚拟实验不仅提高了实验设备的利用率,而且方便学生灵活安排实验时间,强化了学生的主体作用,同时有利于教师进行实验过程的管理,实现了利用网络进行资源交互学习等目的。
利用LabVIEW软件设计构建的网络虚拟实验室具有易于开发,投资少,扩充方便等特点。在LabVIEW 开发环境中,有多种方式可以方便实现远程数据的采集和仪器控制,主要有:基于NI公司的远程设备访问(remote device access, RDA)技术,可通过分别配置RDA Server和RDA Client实现网络内部的共享采集设备数据;功能强大、但开发将对较复杂的适用于较大规模网络实验室的DataSocket数据共享技术;简便、易学的基于WEB Publish的远程前面板(Remote Front Panels)技术。
考虑实验规模不大及时间限制等因素,本实验室选用了基于WEB Publish的远程前面板(Remote Front Panels)技术,构建B/S模式远程实验系统。远程前面板技术是把一个VI的前面板直接嵌入到Web网页中,并具有自动更新功能。此外,通过授权,不仅可以使得客户端能观测到一个动态刷新的实时画面,而且还可以对前面板进行远程控制。
考虑到一台实验设备在某一确定时间段内只可以由一个用户进行实验控制,因此,需要设定教师管理员进行实验预约管理。学生通过客户端注册登录后,在预定时间内享有对实验室内指定编号实验平台的控制权限。后续计划针对大四学生和研究生采用大作业形式,征集优秀的实验预约管理方案,取消人员管理,实现科学、高效的自动远程实验预约、监控、实验记录等管理功能。
三 结束语
基于LabVIEW技术开发的自动控制理论综合实验平台,通过设定仿真实验、真实模拟实验和远程实验互相结合与补充,不仅提供了丰富的计算机与网络学习资源,而且注重实验设计的智能化与真实性的协调统一,实现了实验设计的简易性、综合性和灵活性。通过关注实验过程,改变了传统教师讲授的单一模式,不仅便于学生形象理解和掌握与课程相关的知识点,促进学生的编程能力与动手能力的提升,而且使其自信心获得提升。这些都将助力学生从理论学习向实践研究进行跨越式转变,为探索培养具有创造力与创新性的当代大学生教育进行经验积累。
参考文献
[1] 张桐,陈国顺,王正林.精通LabVIEW程序设计[M].北京:电子工业出版社,2008:2-5.
[2] 袁浩,朱畅,陈志敏.基于LabVIEW的自动控制仿真系统设计[J].实验室研究与探索,2006,25(4):457-459.
[3] 沈亦红.论物理虚拟实验与真实实验的互补作用[J].中国电化教育,2004,210(7):42-44.
[4] 杨智,袁媛,贾延江.虚拟仪器教学实验简明教程-基于LabVIEW的NI ELVIS [M].北京航空航天大学出版社,2008:90-108.
【关键词】虚拟实验;弹药检测;
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2009)07―0130―02
引言
在弹药检测技术和传感器技术等课程教学中,为了使学员理解讲授内容,需要进行一些必要的实验操作。由于弹药检测实验具有一定的危险性、过程短暂、过程细节不易观察、实验费用高等特点,而虚拟实验作为一种先进的教学手段,以其直观性、灵活性、实时性、形象化的优势,通过创建动画,细化过程细节,可比较轻松地解决传统授课方式无法解决的问题,把抽象的问题变得很直观,使学员能置身于现场实验氛围之中,对突破教学难点起到了较好的作用。教学实践证明,在现有条件下开展虚拟实验与现场实验相结合的实验方法,是一种行之有效的教学方法。
一 虚拟实验的概念和特点
虚拟实验通常是指借助于借助计算机技术,利用文字、图形、图像、声音等在微机屏幕上形成的可部分或全部代替传统实验过程的实验操作环境,实验者利用鼠标和键盘的操作完成实验,使实验者感受到与真实实验相似的过程。我们按照教学要求组成的虚拟实验软件,为学员提供一个虚拟实验环境和过程的操作平台,它包括系统结构组成、实验设计、工作原理、操作过程、实验状态、步骤提示、结论分析等。通过虚拟实验软件把实验设备和教学内容有机地融为一体,加深了学员对实验目的、原理、过程、方法、设备结构、注意事项等的理解,达到现场实验难以实现的效果,培养了学员动手和思维能力,丰富了实验技能,深化了对知识的理解,同时增强了学员对实验的兴趣,提高了教学效果。
二 弹药检测虚拟实验的优点分析
1 保证实验者的安全:在真实的弹药实验中,由于弹药特有的危险性,容易发生安全事故,产生一定的心理负担,而采用虚拟实验由于不使用真枪实弹,可以避免事故发生,杜绝真实弹药实验的风险。
2 降低实验成本:弹药实验的费用较高,少则几十元,多则上万元,而且一旦损坏设备,往往还会伴随人员的伤亡,后果十分严重;采用虚拟实验的投资费用比较低,可以长期使用,并可以不断改进和优化实验内容,近似达到零成本的效果。
3 提高学习效果:虚拟实验软件可以直接安装在微机上,摆脱了传统实验受时间、场合的限制,学员通过调用不同的实验模块,可以自行选择实验项目,实验结果可以通过文字、图形、图像、声音等形式显示给学员,来判断操作是否正确,激发学员的学习兴趣;它还具有重复性的特点,通过多次重复使用,加深学员对实验的理解,使学员熟悉实验设备的应用,锻炼他们观察实验过程和分析实验现象的能力。
4 强化学员对实验细节的认识:弹药实验具有“三高一短”(高温、高速、高压、过程短暂)的特点,其过程复杂而短暂,很难从感官上得到深刻的认识,即使参加了实际的试验过程,如果不采用相应的设备,也很难获得实验结果。弹药发射实验过程通常在数十毫秒内结束,实验结果单凭人的感官是无法得出结论的。而采用虚拟实验的方法,可以将实验过程速度放慢,结合声光效果,细化实验过程,观察细微环节,加深了对实验内容的理解。
三 弹药检测虚拟实验的实现手段[2] [3]
制作实验课件首先要进行总体规划,制定系统总体目标、模块功能和实验流程图,绘制设备或零件图,完成脚本编写。
选择合适的软件是制作虚拟实验课件的基础,我们根据虚拟实验的特点,由flash、3D Max完成二、三维动画等基本素材的制作,利用它们具有的多媒体编辑、声光效果和控制功能,实现了实验项目的虚拟实验设计功能;课件的部分复杂设备零部件由SolidWorks软件制作,再以图形方式代入flash或3D Max中,充分发挥各自的特点,最后以Authorware为平台进行模块的链接合成及调试,完成课件的,它们最终都可以在Powerpoint下,以超动态链接被调用。
四 虚拟实验的应用范例[1]
在弹药检测技术课程教学中,我们制作了多个虚拟实验模块,经过在课堂应用后,学员们普遍反映教学内容易于理解、印象深刻,通常完成一次虚拟实验后,就可以基本叙述出工作原理和实验过程,而这是教员用语言表述很难达到的效果。在此例举几个虚拟实验的应用范例:
1 初速、膛压虚拟实验
弹药的初速、膛压实验是弹药检测技术课程的重要实验,但是由于现有实验条件的限制,不可能也没有必要每人都进行一次实验,即使实验者亲自参加了实验,也只是在现场听到一声发射的巨响,看到一团火光,从实验设备上得到了一组数据,而对实验中的细节是无法体会的,我们在课堂教学中采用了虚拟实验软件,把实验过程以“慢镜头”的方式,将火药燃烧、弹丸运动、传感器接收测试信号等过程展现给学员,使学员清晰的看到了实验的细节和结果,仿佛亲身经历了现场实验。膛压和初速虚拟实验的部分画面见图1和图2。
2 传感器原理虚拟实验[4]
传感器是新型弹药和检测设备的关键部件之一,掌握传感器的知识对理解教学内容十分重要,由于它们的结构通常精密小巧,理论推导复杂,有时很难用语言讲述清楚。在讲解时通过虚拟实验演示,将结构原理、实验曲线、工作过程等动态地展示给学员,可以取得较好的效果。例如,在讲解热释电传感器和光电二极管时,通过虚拟实验,将传感器的结构组成、工作原理、光谱和阶跃响应、灵敏度等特性形象清晰地表现出来,其部分画面见图3和图4。
五 结束语
由于虚拟实验可以生动形象地反映教学实验内容,教员讲得轻松,学员学得透彻,节约了大量的时间和精力。通过多期的教学实践证明,虚拟实验已经成为弹药检测技术和传感器技术等课程教学的有效教学方法之一,取得了良好的效果,受到了广大师生的青睐。但是虚拟实验毕竟是实验教学的辅助手段,决不能完全取代实际实验,必要时要采用虚实结合的方式,通过个别现场实验、(高速)录像片回放等方法,才能达到更好的教学效果。虚拟实验不是万能的,我们需要把它和传统的实验方法相结合,具体问题具体分析,充分发挥它们各自的优势,才能提高教学效果和质量。
参考文献
[1] 陈雷等.弹药检测技术[M].石家庄:军械工程学院出版社,2007.
[2] 李永等.Flash多媒体课件制作范例导航[M].北京:清华大学出版社, 2006.
国务院学位委员会于1998年修订研究生专业目录时，特别设立了材料物理和化学专业。材料物理和材料化学是材料科学的重要基础。现代材料科学的发展已经由过去的宏观研究和发展进入到微观分析和研究，用电子、原子、分子的尺度来研究改变物质的性质，发展新兴的材料。特别是当今以服务于高科技，现代工业和国防为主的现代材料或新材料的需求量越来越大，新材料的研制与开发速度也越来越快，因而涌现出的新概念、新理论、新技术、新方法、新工艺、新产品和新问题越来越需要材料学家和物理学家等共同努力来归纳、整理、总结及创新。由此产生的材料化学新专业无疑是多学科知识交叉、渗透的结果。它给现代材料的研究、开发和应用以及相关科学的发展带来了新的空间，为新材料的可持续发展提供完善而系统的理论指导和技术保障。因为材料化学专业是技能性、实践性极强的学科领域。如何通过材料化学各实验课程的改革，深化学生对课堂知识的理解，培养学生的科学思维方式和实践能力，从而提高学生创新能力和综合能力，是我们面临的一个重要问题。如何通过实验培养学生多层次、多方向的掌握材料物理性能与材料的制备、工艺和测试手段的关系。并且通过独立操作和控制实验进程，培养学生的研究精神和创造能力是我们材料化学专业需要迫切解决的问题。我们通过分层次实验教学，取得了良好的教学效果。
分层次实验教学法研究
通过分层次开设实验，培养学生的合理的思维方式和实践能力，从而提高学生研究精神和创造性能力。具体过程分为以下三个步骤：
1.加强有关材料化学专业基础性实验
在材料化学专业本科生具有了初步的化学和物理实验能力的基础上，首先将材料化学专业实验课程从相关理论课程剥离，综合成材料化学专业专门的基础实验课程，集中训练学生的材料制备和材料性能检测技能，并以此为实验室的开发重点，使学生的实验基本技能得以巩固和提高。
2.开展综合性实验并结合本专业开展远程网络虚拟实验教学
在材料化学专业本科生已经具有初步的材料制备和性能检测的实验技能基础上，第二步开设综合性实验并结合远程网络虚拟实验教学。综合性实验的开设是为了适应社会的发展和需求，在综合实验新体系中，要求开设的综合性实验尽可能反映材料、生命、环境、信息等学科的内容；了解和学习材料化学研究方法与现代实验技术在高新科技学科中的应用成为我们新的建设目标。因此，不仅要打破专业的界限，还要打破学科的界限，使综合性实验成为跨学科、多技能的综合训练。在我们材料化学专业开设的综合性实验中，与材料、信息相关的实验有新型能源材料的合成，SDC（固体氧化物燃料电池电解质材料）的合成和表征，压电陶瓷的制备和表征等等；与生物相关的实验是天然物或中草药物的提取及指纹图谱等。这样可以使学生掌握无机非金属材料的制备方法和相关性能测试方法，掌握天然生成物质的提取方法和结构确定的手段，从而有效地提高学生的专业知识并扩展了知识面。为今后学生进行主导型研究性实验奠定基础。
目前，网络建设日益完善，网络速度和宽带不再成为制约网络虚拟实验教学的瓶颈。计算机软、硬件的飞速发展无疑使得虚拟实验环境更加逼真、智能。当然，虚拟实验在培养学生的动手能力、培养学生的误差分析能力等方面还不可能取代传统的实物实验教学方式。但是开设远程网络虚拟实验教学可以使接受远程教育的学生获得与在校生一样的从感知到理解的过程。有利于培养学生网络学习的能力，为终身学习打下良好基础。对我们专业来说，因为是新开的专业，很多实验还缺乏必要的实验器材，很多综合性实验课程无法开出。但借助远程教育平台，可以与兄弟院校和我校其他院系的实验教学资源实现共享，从而使相关实验得以进行，实现了学生对相关实验的认知。
3.开展学生主导型研究性实验的模式
学生主导型研究性实验是在综合性实验的基础上由学生自己选题、查阅文献和设计实验，在教师指导下完成研究性实验论文并进行论文答辩。该模式的主要目的是全方位地锻炼学生实验研究的能力，充分调动学生的主动性和积极性，激发他们从事材料科学研究的兴趣和热情，为其今后的毕业设计和将来从事科研工作打下良好的基础。同时这种新的实验模式也提高了实验室在学生学习中所占的地位，建立了进实验室学习的意识。设计性实验对开发学生智力和创新能力有着重要作用。但在具体实施时，对学生的培养要有一个由浅入深的过程，我们材料化学专业的主导型研究性实验采取在大学中后期开设，在学生已经完成材料化学基础性实验和综合性实验的基础上结合指导教师的课题或相关专业后开设（可参考材料化学实验教程中的设计性实验）。具体过程一般为以下几个步骤：（1）选题； （2）查阅文献收集资料； （3）研究方案。学生设计实验原理，方法和步骤，拟定实验所需药品、仪器，探讨实验时可能产生的现象和容易发生的失误以及安全等应注意的问题，最后独立设计实验方案。实验方案包括：实验题目、仪器、药品、操作步骤和实验表征仪器等。然后将审阅实验设计方案交给教师，教师在尊重学生创造精神的原则下选出几种最佳方法，同时纠正某些实验方案的错误指出某些实验方案的缺陷，再将设计方案反馈给学生，将教师选中的方案交由全班同学讨论、完善。然后采取论文答辩的方式检验实验效果。在整个形式上基本是本科生毕业设计的模型，通过这样的实验为学生的毕业设计和将来的进一步深造奠定基础。
最后，在整个分层次法实验教学中，我们的实验室采取的是开放式实验管理模式，在时间方面，我们安排了中午、晚上和双休日对学生开放，让学生对实验结果进行一些探索，对实验基本技能进行巩固和掌握。同时，有2~3周开展专门的实验时间。在人员配备方面，采用专业课教师和实验室教师结合的方式，使每个实验都有专业教师进行指导，以保证实验的顺利进行。
论文摘要：本文对虚拟实验系统的特点做了介绍，指出了虚拟技术在实验教学中的优势，并给出虚拟实验系统构建的基本思想以及系统结构，阐述虚拟现实技术在实验教学中的应用手段和方法。
实验一直都是与教学息息相关的重要活动之一。它可以使学生更好地感受、理解知识的产生和发展过程，让枯燥的理论知识变得形象，易于理解。实验不仅能帮助学生巩固理论知识，提高通过实验手段探索科学知识的能力，还能激发学生探索未知世界的兴趣，增强创新能力。然而，当前实验方面存在的诸多难题却严重限制了教学质量的提高。如实验成本过高，进行实验的仪器和设备往往代价昂贵，实验材料也比较贵，而且有些实验仪器损耗较大，需要经常更新。而许多学校在实验经费上又捉襟见肘，要么是实验配套的设备和仪器不完善，要么就是仪器设备陈旧过时。即使有完善的较新的实验设备，传统实验在空间和时间上的限制也可能无法满足大量学生同时进行实验的需要。为了缓解实验教学的压力，提高实验教学的质量，可以采用虚拟实验系统来辅助实验教学的开展。
一、虚拟现实技术
虚拟现实技术 (ⅥrnJal ReaJ时，简称 vR技术)出现于 20世纪 60年代，随着处理器技术的大幅度提高以及图形绘制技术、数字信号处理技术、传感技术的发展，近几十年来在国内外形成了对虚拟现实的研究热潮。
虚拟现实系统提供了一种先进的人机界面，它通过为用户提供视觉、听觉、触觉等直观而自然的实时感知交互的方法和手段，最大程度地方便用户的操作，从而减轻了用户的负担，提高了系统的工作效率。虚拟现实技术具有 3个突出特征：沉浸性、交互性、想象性。
虚拟现实系统由两部分组成：一部分为创建的虚拟环境，另一部分为介入者。虚拟现实的核心是强调两者之间的交互操作，即反映出人在虚拟环境中的体验。我们可以给出如图 1的虚拟现实的概念模型。
二、虚拟实验系统
1．虚拟实验系统的特点
(1)共享程度高。虚拟实验系统不同于传统实验在地域和时间上的限制，它不仅可以接受本地用户的访问，有访问权限的异地用户也可以使用系统。并且也无需考虑使用时间的问题，实验者可以随时进行实验。虚拟实验系统为用户提供了一个可以在任何时间、任何地点访问的实验环境，极大地提高了信息与实验资源的共享程度。
(2)强大的交互能力。为了向用户提供一个逼真的实验环境，虚拟实验系统往往都具有强大的交互能力，实验者和虚拟实验对象之间可以通过鼠标的点击或者拖曳操作进行交互，实验者可以实时地观看实验现象和实验结果。
(3)支持协作。虚拟实验系统提供了多种方式来完成用户间的信息交流。
2．虚拟实验系统的建模
如何构建教学型虚拟实验系统，使其能够拥有丰富的实验内容表现方式、提供形象生动的实验内容，让让学生实现从感知到理解的过程，一直是研究教学型虚拟实验系统的热点问题之一。
虚拟实验系统的构建是将多种技术综合运用，首先构建实验过程所需要的各种仪器设备，对于场景进行建模。三维虚拟场景模块的建立是以某一实景为基础的，因此在虚拟场景建模之前需要对实验室环境进行实地考察并对建筑物进行筛选，从而构建具有真实感的实验环境。对于仪器设备完全用Ⅵ ML语言建立复杂的三维模型是相当烦琐的，而且建模方法缺乏直观性，而3DSMAX强大的三维建模功能以及对具有转换为V文件格式输出的功能，使其在三维虚拟场景中广泛应用。我们在实际的建模过程中根据要建立模型的特点选择建模方法。简单模型，直接采用VRML中简单几何体拼贴纹理的方法，对于复杂场景则采用3DsMAx建模后以VRMI，文件格式输出。当然在虚拟实验的建模过程中的庞大建模工作量对软件的建模效率以提出了很高的要求，于是，在该建模过程中我还采用了高效的照片建模软件Canoma，Canoma是MetaCreations公司 (即现在的Vie、vpoint公司)的软件产品，利用它可以让我们无需建模，即可直接从一张或几张照片制作三维模型，因为使用真实照片直接生成三维模型，所以效果非常真实；而且CaIloma可生成网络使用的VRM，文件格式。为了能够反映真实仪器设备的特性，有时还采用FLASH技术来达到仪器设备外观的逼真性，并提供一些基本的交互。
3．虚拟实验系统中的交互
交互性是虚拟实验系统中的一个重要问题。一类是用户在浏览场景的时候，主要的输入设备就是鼠标，这时候检测器实际上是检测用户对于鼠标的各种操作动作，如鼠标的单击、指向、拖动等等，从而场景做出相应的反应。检测这类动作的监测器是接触型监测器。描述这类监测器的节点有接触监测器节点TouchSensor以及PlaneSensor节点、SphereSensor节点、CylinderSenS0r节点；另一类是用户和场景中某对象接近的程度，对象做出相应的反应，使得用户和虚拟对象之间形成交互。
将所有仪器设备成功地加入到场景当中之后，用户应该可以随意地拿起自己需要的实验器材进行实验，所以要提供用户选取实验器材的接口。当用户在选择某件仪器，为了提供给用户选择的接口，我们在实验仪器原型中设计了供用户选择的按钮。如果选中时就可以点击按钮“tal(e ，无需使用就只要点击“放回”按钮。由于用户需要与系统进行交互，同时系统需要根据用户的选择与后台数据库进行通信，因此我们使用Java Applet。Applet具有 良好的网络传输透明性，图2显示了浏览器通过Appl 访问数据库的整个过程 。
三、虚拟实验集成的系统结构
1．软件程序集成
软件程序是虚拟实验系统的重要内容，是系统的灵魂所在。在虚拟实验系统中，我们将软件程序部分按照层次化和模块化的设计模式进行集成。集成化的软件程序依据集成度的大小分为不同层次的模块，分属不同层次的模块充分体现了整体和部分的关系，各模块都可以看成是下一层次多个模块集成的整体，每一个模块又都可以看成是上一层次模块中的一部分，各层次之间互为整体和部分的关系为系统结构构架提供了灵活的方式。
2．系统功能集成
系统功能集成是建立在软件程序集成的基础之上的，系统功能集成是系统结构集成的重要体现，系统结构的有效集成度是系统功能集成的重要基础。在虚拟实验系统中，软件程序的集成保证了系统功能在不同层面上的集成度和在各层面之间的灵活性。以不同集成度来形成的系统功能整体在系统构建、修改、维护等方面起到了重要的结构化支持作用。
3．仪器软面板集成
仪器软面板是虚拟实验系统的重要特色之一。在传统实验系统中，仪器设备一般会自带一个显示屏，以及相关的操作组件和按钮来形成一个操作面板，这个面板的形式以及各组件和按钮的功能是固定的，不能修改和设置。在虚拟实验系统中，各种仪器设备的操作面板集中显示在计算机的显示屏幕上，这种面板由软件程序来形成和设置，由键盘、鼠标以及其他的外部输入设备来控制，面板的形式以及各组件和按钮的功能可以根据需要自定义，可以将多个仪器的面板组合在一起，也可以将某一个仪器的面板简化。仪器软面板形式和功能上的这种灵活性正是系统集成度的体现。
4。网络集成
网络的出现使得分布式结构成为可能。在虚拟实验系统中，我们通过网络可以突破时间和空间的限制，将更多的协议方和操作方以一定的集成度集成在一起，共同完成实验项目。我们在谈集成性的问题的时候，一定是和相应的分散度联系在一起的，就如同整体和部分之间的关系，每一个整体都可以看作更大的整体的一部分，而每一个部分又都可以看成更多小部分的整体。网络的分布式保证了系统结构的集成性。
四、虚拟实验教学应用的优势
从虚拟实验的技术优势和实验教学的现状需求出发，其优势主要体现在以下几个方面：
1．资源开放
从虚拟实验的技术实现角度来看，实验教学中的有效资源全部开放，这使得实验项目从开发到操作，再到后期数据处理与实验课程的复习全部开放给学生，学生可以利用系统软件程序模块和实验项目设计模板等帮助实验设计方案的形成与开发；利用数据分析与处理工具包进行实验数据的分析与处理，获得规律性认识：教师的指导性意见、学生的交流信息和实验故障和误差分析等信息资料，可以帮助学生在实验课程总结和复习中取长补短、巩固知识。
2．组织形式开放
虚拟实验将实验资源、实验项目开发和实验操作等网络化、平台化，因此实验内容、时间以及地点等组织形式是开放的具备可选择性。针对目前实验教学需要跨学科、跨地域、多项实验同时开展等现状要求，虚拟实验所具备的组织形式开放性为实验教学模式的扩展提供了技术准备。
3．对象开放
虚拟实验的网络功能能够根据不同的对象设置不同权限的系统身份，实验参与人员各取所需，实现学习和交流的目的。在实验教学中，对象的身份基本分为三种层次和三种身份。三种层次指的是系统管理员、教师和技术人员、学生。三种身份是针对学习者而言的：实验课程参与者、远程实验课程学习者、实验爱好和探索者。
五、总结
本文将虚拟现实技术引入到实验教学环节中，这在一定得程度上提高了实验的开放程度，降低了实验的成本，较好地激发了学生对于实验环节的兴趣和主观能动性，但在虚拟实验设置过程中的交互问题仍是一个值得探讨和研究的主要问题。
参考文献
【l】徐学军．高校实验教学要加强学生创新能力的培养【J】．经济师，2004，(4)．
【2】徐婷．教学型虚拟实验通用平台的研究与应用【D】．重庆大学学位论文，2006．11．
【3】朱敏．虚拟实验与教学应用研究【D】．华东师范大学博士学位论文，2006．6．
（1）创建艺工结合开放式实践教学网络管理模式。以实践创新能力培养为核心，以现代教育技术为手段，以计算机网络为支撑，自主研发实验室与实践教学综合管理系统。系统包含三大模块：包含实验项目、实验队伍、实验室数据上报和报表汇总、成果管理等 8 项内容的实验室综合管理模块；贯穿于毕业设计（论文）全部流程的管理子系统；包含本科生科研训练管理、实验室开放项目管理、学科竞赛项目管理 3 个子系统的大学生创新计划管理模块。
（2）构建“三层次、五模块”的实践教学体系。建立基于网络管理的“基础实验技能训练”“专业综合能力训练”和“设计创新能力训练”三层次和“验证性实验设计性与创新性实验跨课程综合性实验艺术创作（工程设计）能力实训集成创新实践（创作、研究开发）”五模块的实践教学体系。
（3）夯实基础，强化创新，多方位拓展和丰富实践教学内容，重塑学生知识结构。创建本科生科研训练、实验室开放和学科竞赛项目，并将其作为实践教学的重要内容。积极开展项目教学，推进产学研合作。将三类项目与相关课程相结合，突破传统内容局限，实现理论与实践的紧密融合。
（4）搭建贯穿人才培养全过程，多方协同、资源共享、产学研合作的“大实践”平台。将相关实验室和工作室、大学生创意工厂、市级实验教学示范中心、校级科研和学科竞赛基地等校内资源与校外人才培养基地等资源进行有机整合。
（5）建立实践教学项目的评审、管理和奖励等长效机制。制定各类项目管理办法，建立教务处、各教学部门、项目负责人的三级项目管理制度。每年以网络为平台，开展项目的立项工作，并强化网上过程管理，定期进行项目验收与总结。
购物车(0)