虚拟实验设计论文汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇虚拟实验设计论文范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

篇（1）

（1）实验信息管理。

实验信息管理主要包括对实验室工作人员、实验室规章制度、实验室通知以及实验室办公文件等信息的集中管理。

（2）实验课程管理。

实验课程管理是指面向不同的老师、不同的开设班级，对实验课程进行编排，以完成实验课程的统一集中管理，做到实验课程的时间、教室不冲突。

（3）实验设备管理。

实验设备是实验教学过程中的重要资源，对实验设备统一进行信息登记和管理，有助于实现对实验设备的网络化管理。

（4）实验教学管理。

实验教学管理主要包括实验课程的准备，学生实验过程视频的保存，实验报告的电子化及成绩评定，以及实验教学总结。

1.2模式设计

该设计采用了C/S模式和B/S模式相结合的设计模式。整个实验室信息管理系统在WEB环境下运行，客户端与数据库服务器之间采用B/S模式，从而避免了客户端专用程序的开发；而数据库服务器与应用服务器之间采用C/S模式，适宜满足应用程序和数据库系统之间的大批量数据访问和调用，从而提高了数据访问的灵活性。另一方面，由于数据全部存储在专用的数据库服务器上，而应用程序服务器和客户端只负责发出相应的数据请求指令，这样在一定程度上也提高了数据的安全性，后期维护也更加趋于合理。

2虚拟现实技术在虚拟实验中的设计与应用

2.1虚拟现实技术的应用方法

要将传统的动手实验演变为基于虚拟现实技术的虚拟实验，必须要完成三维建模、虚拟场景重建以及动作响应设定等一系列设置，这样才能够实现实验教学的信息化和虚拟化。目前三维建模主要依赖SolidWorks三维软件完成，而虚拟场景的重新构建，在很大程度上依赖于LabView等图形化编程软件的使用。要实现虚拟实验系统的设计，离不开数据库系统的应用，因为在虚拟实验操作过程中，离不开对数据库的实时动态访问，因此如何快速访问数据库系统成为虚拟技术应用的关键。目前应用在虚拟实验系统中的数据库访问技术，主要是依赖于数据的快速存储方式。对于底层传递来的数据，按照数据自身的属性进行分类，从而将数据自动划分到不同的数据类中。在同一数据类中，按照所定义的关键字对数据进行存储。采用分类的数据存储和访问方式，能够极大地提高数据库访问的效率。

2.2机电一体化实验的虚拟化设计应用

本研究课题以具体的机电一体化实验为例探讨虚拟实验系统的设计与应用。机电一体化实验主要完成传感器检测、数据滤波、数据采集、数据显示、电机控制等一系列任务。针对该实验的内容，虚拟化和信息化可以按照如下步骤实施：

（1）三维建模。

借助于SolidWorks三维软件对传感器、滤波器、数据采集卡、数码管、CPU控制器、步进电机等进行三维建模，实验室内的万用表、示波器等其他实验仪器也要建模，以增强实验环境的真实性。

（2）场景重建。

利用LabView图形化编程软件，将上述三维模型进行空间布局设置，构建与实验室完全一致的实验场景。

（3）界面接口设计。

仅仅有图形化场景是远远不够的，还必须借助LabView图形化编程软件对接口进行设计。比如数据采集卡的接口应当与传感器的输出接口保持相同的电平规格；再比如，CPU控制器的输出脉冲应当跟步进电机的驱动电流保持相同电平规格，以确保电机能够被驱动。

（4）虚拟动作响应。

设计了界面接口，就能够利用VRML工具对虚拟动作响应进行设定，通过设定使虚拟实验系统能够智能地感知到操作者的意图，从而顺利完成虚拟实验。

（5）数据库的快速访问。

在机电一体化实验中，需要保存的数据有传感器采集数据、数据采集卡的采集频率、CPU控制器的输出脉冲规格以及步进电机的相关参数。这些参数按照其自身属性可以划分为采集数据、控制数据和输出数据三大类，将上述的数据自动地划分到这三大类中。当虚拟动作响应需要访问数据库系统查询上述相关数据时，可以首先按照数据所在的大类进行查询，这样有助于提高数据库系统访问的快速性和准确性。

篇（2）

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。

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[中图分类号]G40-057　[文献标识码]A　[论文编号]1009－8097(2012)05－0116-05引言

电脑游戏与网络游戏的不断发展并被应用于企业、教育、军事、科学以及医学领域。目前的虚拟实验无论是设计方面还是开发方面，大多数都只是将实验器材迁移至计算机中来实现，单纯地追求实验的仿真，而不是从学习者的角度考虑其学习效果。建构主义学习理论指出：“清境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素，一个自由而充满趣味性的虚拟环境对学习者的学习效果有着至关重要的影响，而游戏性虚拟实验的构建则是实现这一效果的一个有效途径。游戏性元素的融入对于学习者学习环境的改善以及知识建构、深层次理解都起着促进的作用，并且吸引着学习者愉悦地解决问题。由此可见，游戏性元素的注入需要运用游戏策划、设计方法和实现的技术的结合来表现一个完整实验环境的设计，这并不是简单的添加，构建模型可以把复杂的问题清晰的表达出来，使理论的各组成部分可视化并得到检验。利用模型构建的方法不仅帮助学习者理解形成问题的影响因素之间复杂的相互关系，还给指导者提供了评估学生们理解问题的外在表征。系统动力学建模工具Stella软件具备强大的建模环境和简便的操作方法，以此技术建模可以清晰的揭示出游戏性与虚拟实验二者之间的融合，为虚拟实验设计研究提供一种新的方法。一　相关理论

1　游戏性的内涵

“游戏性”来源于英文“Gameplay”，在中文中，“游戏性”可以被笼统地理解为“游戏的核心性质”；但在英文中，“游戏性”(Gameplay)可以指“游戏的具体操作方法”和“游戏的抽象趣味整体”等双重含义。游戏性并不等同于“游戏的性质”，游戏具有极为多样的属性，游戏性就是当排除画面、声音、剧情等因素的刺激所带给玩家的乐趣。游戏性元素包括沉浸、情节、扮演、竞争、任务、动作、益智、成长、管理、创造、探索以及群聚元素，然而虚拟实验的宗旨是教学，它不同于游戏的宗旨，因此在引入这些游戏性元素时，必然有所删减。融入游戏性元素的根本目的在于增强和提高学习者操作、探索和挖掘的乐趣以及研究和练习的乐趣。

在游戏性虚拟实验中各游戏性元素的概念内涵包括以下八个方面的内容：①沉浸元素，通过物理方式或者想象进入到一个与通常环境不同的场景。②情节元素，按照因果逻辑或意义逻辑组织起来的一系列事件。③扮演元素，有意识地假扮某一特定角色，并从该角色的处境和场合出发，进行思考、表达和活动的方式。④任务元素，某个需要被完成的既定目标。⑤动作元素，实时付出行动的身体运动。⑥成长元素，成长是指由低级或简单形态向较高级或复杂形态发展，或者在数量、价值或力量上的增长。在角色扮演游戏中多表现为升级和装备提升。⑦管理元素，管理元素包含两个层面的意义：第一是促进游戏者的管理性思维的发展，鼓励游戏者运用策略和部署来游戏；第二是将游戏者处于一种较高的管理位置，让游戏者体验拥有权势和掌控大局的乐趣。⑧群聚元素，“把两个及其以上的玩家聚集在一起的状态就是群聚的形式”。

2　游戏性虚拟实验的特点

在游戏业初见端倪的欧美自上世纪80年代初，最早全面论述游戏动机的学者是Malone，通过对已有游戏的一系列的观察，对大量玩家访谈，Malone(1980年)总结出三个主要的让视频游戏使人更快乐的因素：挑战、幻想和好奇。在2002年，Garris等人认为：幻想、规则、目的、感官刺激、挑战、神秘和控制是游戏的六个动机特征组件。Asgari与Kaufman(2004年)在前人研究的基础上，认为游戏的动机组件是：交互、竞争、控制、幻想、好奇、挑战与反馈。

游戏既有行为层面的游戏，也有心理层面的游戏。将游戏的内在品质融入虚拟实验中来，更能提高和丰富学习者的学习兴趣和学习效率，有更广泛的意义。游戏性虚拟实验设计应着重从学习者的心理层面和行为层面两个方面考虑：

(1)心理层面包括愉悦性和自由性，解决这一层面的问题，可以考虑将游戏中沉浸元素、情节元素、任务元素加入到虚拟实验的设计中来，以解决这一层面学习者学习的愉悦性和自由性等问题。

(2)行为层面包括规则性、表演性、体验性和对话性。在行为层面中，将管理、扮演、动作元素加入游戏性虚拟实验的设计中，解决学习者行为层面的需求。游戏性虚拟实验的开发要以学习者为主导，其目的是提高和优化学习者学习的学习兴趣和学习效率，促进学生对实验中的理论知识的深入理解，锻炼学生主动探索和学习的能力。

篇（4）

实验是物理学发展的基本动力,它在物理学发展中起着发现探索新规律、验证新理论、测定物理常数以及在现实社会中的推广应用等重要作用。因此实验是研究物理学的一种基本方法,同时实验也是培养学生科学创新的一种有效途径。

在物理实验教学过程中,不仅要引导学生理解物理概念及物理规律产生的条件、发生、发展的过程,掌握实验的具体做法和基本技能,学会研究物理问题的实验方法,更重要的是要通过物理实验提高学生的创新素质,培养学生的创新能力。在全国第三次教育工作会议上曾深刻地指出:“今天,面对世界科技飞速发展的挑战,我们必须把增强民族创新能力提高到关系中华民族兴衰存亡的高度来认识。一个没有创新能力的民族,在综合国力竞争日趋激烈的21世纪根本没有立足之地。具有较强的创新意识、创新思维能力和创新实践能力的学生,会更加适合未来社会的发展需求。可见加强学生创新能力培养是非常必要的。”

下面就初中物理实验教学培养学生的创新能力从不同的实验教学途径探讨如下:

一、增加科学探究实验,培养学生创新能力

将科学探究列入教学内容,旨在将学习重心从强调知识的传承和积累向知识的探究过程转化,从学生被动接受知识向主动获取知识转化,从而培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神。与传统的验证性实验相比,探究性实验的优点是能激发学生的学习兴趣,锻炼学生的各方面能力、培养学生的性格品质,更能提高学生的科学素养和创新精神。

教师在进行科学探究实验教学前,要多下工夫,想方设法将实验设计成探究性实验,有意识地创设一种探究的氛围,扩大探究空间和思维空间,并能在学生探究过程中寻找创新的突破口。例如,对于“阻力对物体运动的影响”实验,老师可先提出问题,让学生猜想并说出猜想的依据,然后让学生结合书上给出的实验设计方案完成实验,并让学生思考几个问题:为什么每次实验时都要让小车从同一斜面的同一高度滑下来?能不能不用斜面直接用手推动小车?能不能改变斜面的坡度或者小车的高度?这一实验中应观察什么?如何记录实验现象?你还能设计哪些不同实验进一步来探究这个问题?最后同学们很好完成了本次探究实验,并设计出了几种新的探究方案,而且还用到了控制变量法和理想化实验两种科学方法。在这样的科学探究过程中,使学生逐步养成敢于探索、质疑,善于交流、合作的良好态度和创新精神,为学生的终身学习奠定基础。因此,增加科学探究实验,不仅有利于理解知识和科学方法的获得,更有利于培养学生的科学态度、创新精神和实践能力。

二、引导学生设计实验,培养学生创新能力

设计性实验是对所学物理原理和所做物理实验的综合、应用、迁移和创造。它是对学生应用能力、设计能力和创新能力等的全面考查。做设计性实验时,要求学生在充分理解基本原理的基础上,综合运用所掌握的基础理论知识、实验技能,以及各种测量手段和实验方法,自行设计实验方案、确定实验方法、选择配套仪器设备,进行实验测试,最后写出比较完整的实验报告或论文。因而课题和项目的内容需要经过精心挑选,它们具有综合性、典型性和探索性。

在学生设计实验时,提倡“一个实验、多种方案”的实验教学法。这种对思维先进行发散,再对各种方案进行分析整合的过程,有利于发散思维和集中思维的培养。如,现有弹簧测力计、天平、量筒、刻度尺、烧杯、水、细线等器材,你有几种办法可以测出一个小铁块浸没在水中受到的浮力?答案有五种办法。这种富有新意的方法,不但提高了学生灵活应用知识的能力,更重要的是培养了学生从不同角度、用不同方法解决问题的发散思维能力,有效地促进了学生创新能力的培养。

三、通过制作小实验,培养学生创新能力

在小实验中,没有现成的仪器和用品,这就需要学生在实验过程中寻求性能相似的替代品,无疑会让学生动手、动脑,这必将激发学生潜在的创造能力,培养其创造精神。比如学生在小实验中利用家庭中常见的鸡蛋就完成了六个实验:实验①:把煮熟捞起的蛋立刻浸入冷水中待完全冷却后,再捞上来剥落比不放入冷水中直接剥要容易多(热胀冷缩的性质);实验②:把刚煮熟的鸡蛋从锅内捞起来,直接用手拿时,虽然较烫,但还可以忍受过一会儿,当蛋壳上的水干了后,感到比刚捞上来时烫(液体蒸发吸热);实验③:选一只口径略小于鸡蛋的瓶子,在瓶底铺上一层干沙,点燃一团浸过酒精的棉花投入瓶内,接着把一只剥了壳的熟鸡蛋堵住瓶口。火焰熄灭后,蛋被瓶子吞入了瓶中(验证大气压的存在);实验④:把一只鸡蛋,浸没在一只装有清水的大口径玻璃杯中。松开手后,发现鸡蛋缓缓沉入杯底,捞出鸡蛋往清水中加入食盐,调制成浓度较高的盐水,再把鸡蛋浸没在盐溶液中,松开手,鸡蛋却缓缓上浮(浮沉现象);实验⑤:用手指突然弹击硬纸片,鸡蛋却不会随纸片一起飞出(惯性现象);实验⑥:外壳完好的蛋,放入食盐水中腌制一段时间,可以制成咸蛋。蛋壳虽然完好,但内部的蛋黄都变咸了(分子无规则运动)。自己动手制作小实验不仅可以培养学生思维能力和独立工作能力以及探索知识的兴趣,更重要的是它对学生的实践和创新能力有很大帮助。

四、运用数字化实验,培养学生创新能力

多媒体实验、虚拟仿真实验等数字化实验应运而生,它给教育领域带来一场深刻的教育改革。学生通过演示实验看到物理现象,但实验过程短,实验现象稍纵即逝,学生就来不及细致观察,不能发现问题的本质。多媒体仿真实验可多次重复模拟实验过程,再现物理现象,而且能变小为大、变动为静、变快为慢、变连续为定格,使许多看不见摸不着的变成有形、有声、有色,变说不清为一目了然,这些不仅有助于学生对物理现象及状态的观察和分析,还有助于学生创造性思维的激发。各种仿真实验室软件,可以很好地虚拟出各种各样仿真实验室,让学生用虚拟仪器进行实验虚拟。通过虚拟实验和仿真实验,给学生提供一个自由的、自组织学习的空间和培养设计、创新能力的良好环境。比如,在学习电学方面的实验时,可让学生自己在虚拟仿真实验室设计一个用于抢答题的电路,要求:不论哪一个组按开关,电铃都能发出声音,而且指示灯会告诉主持人是第几组按的开关,进行电路模拟仿真,培养学生的创新能力。因此,数字化实验有利于学生建立起完整的物理情景,帮助学生获得直接经验,直接感知物理规律,有助于培养学生的创新能力。

总之,通过实验的科学探究、实验设计、制作小实验、运用数字化实验等方面可以培养学生的创新能力。

还可以开展一些创新思路的课外实验活动:如举办物理实验专题讲座,观看实验录像,参观工厂等,了解物理实验在生产中的作用。另外还可对由优秀生组成的实验研究小组,要有计划地开展创新课题研究活动,如研制教具、制备或制作有实用价值小东西或装置,举办设计实验比赛、实验创新成果展览、参与实验课题研究、家庭物理实验研究活动、撰写实验论文等。让学生深入研究他们周围的物理现象,不断地发展他们的实验创新能力,以适应未来社会的发展需求。

参考文献

1.张志勇.创新教育――中国教育范式的转型[M].山东教育出版社,2004年7月

2.张志坚.浅论初中物理实验教学与学生创新能力的培养[J].教学仪器与实验.第22卷.2006年第1期

3.肖道发.中学物理教学改革刍议[J].江西教育科研,2000年09期

4.黄传霞.一个实验探究题的多种设计方案[J].中学课程辅导(初二版).2005年04期

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【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.

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验证性虚拟实验教学过程

(1)验证性虚拟实验网页组成验证性虚拟生物化学实验室的网页页面由图1所示。(2)实验例证基因体外扩增技术(PCR实验)①原理:先图示或动画PCR原理、过程和应用，并解释相关概念，包括引物、DNA聚合酶、核苷酸、模板等基本概念。②样品、材料准备:包括相关试剂、PCR仪、手套、无菌操作台、枪、枪头等，并配上相关图片。③PCR扩增:包含PCR过程、结果，用动画和图片，充分让学生了解其原理和过程。④PCR结果检测:对出现的结果分别进行分析。有单一条带是表明PCR是特异性扩增，无条带可能是什么原因，条带不单一可能是什么原因，每一结果都用不同的图片来显示给实验者，让学生在虚拟情况下就能分析实验结果。用虚拟PCR仪代替传统仪器来进行数据处理，观察和分析实验结果，结合实验图片或动画将每个步骤的过程展现给实验者，把每个步骤中容易出错的部分给标记出来，并对实验的不同结果进行分析，这样能有效地帮助学生理解问题并对错误操作有感性认识。

综合性虚拟实验教学组成

虚拟实验室也可增加综合性实验。在虚拟实验室中，尝试用已有的报道的研究资料作为综合实验的来源。将生物实验研究的学习置于探究的背景下，将综合性实验已有报道看成“问题是什么”，“用何种实验能回答这个问题”，“如何设计实验进行验证”，也就是“What?How?Why?”从而重视在探究过程中获得综合素质的提高，使科学知识能在不断的设问中得到升华。(1)综合性虚拟实验网页组成本实验室所作的综合性实验网页如图2所示。其中研究文献包括本实验的研究报告及相关文献。综合性实验还可通过让学生自由选题，设定实验方案后，利用虚拟仪器进行实验，并作出结果预测，从而来提高学生的创新和科研能力。(2)实验例证研究干旱对植物抗氧化酶的影响［6］。①写出本实验的研究背景，研究目的。首先阐明植物受不良外因影响后，会出现的各种现象。研究干旱地方植物抗旱生理生化状况，对干旱地方植被恢复奠定良好的理论基础。开展植物抗旱的生理抗(耐)性机理能为植物物种栽培提供依据。②列出实验的假设，并据此设计实验过程。植物在不良环境，会出现相应生理生化变化，测定相应气体交换参数，测定相关的抗氧化酶的活性变化。各种抗氧化酶在生物体中的作用，并分别写出相关酶的测定方法。③结果分析。对不同状态下的结果进行分析。④后续实验的进一步完善。对实验证明不完善的地方加以分析，并提出完善的方法，运用多种实验方法加以改进研究。本实验则可以在测定生理生化变化后，进一步进行基因表达的研究，检测不同条件下基因表达的变化。再将相关的文献附上［7－9］，即可让学生明白研究具体课题的一个基本步骤，为其今后的科研打下良好的实验基础。本实验室的综合性实验包括植物的抗氧化酶研究、内生菌的抗菌物质提取、多糖的抗肿瘤研究等8个实验。这些实验，通过选取不同的实验材料，采用不同的实验方法，让学生对科学研究的过程有一个深入的了解，能弥补简单的独立实验不足，对学生今后的更进一步的深造打下坚实基础，效果显著。学生普遍反映对其生物化学知识有了深入的了解，并对科研论文有了基本认识，提高了学生毕业设计的实验设计能力与实际动手能力。

虚拟实验视频

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    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.

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（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。

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实验教学是课程改革的重要内容，必须紧紧围绕教育改革和发展的大局。“十二五”期间，浙江教育发展的主要任务是全面加强内涵建设。对此，我们在推进实验教学工作中，紧扣下一步浙江教育发展面临的质量、公平两大中心任务，注重实验室建设的标准化和多样化，注重对教育技术环境的构建。

强化政策引领 2010年，浙江省省委、省政府印发《浙江省中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》，提出要“紧紧围绕解决培养什么人、怎样培养人这一教育核心问题，坚定不移地推进素质教育，切实增强学生勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力”，并提出要“构建更有效的教育技术支撑基础”。2011年，浙江省率先教育信息化专项规划——《浙江省教育信息化“十二五”发展规划》，要求加强和完善学校教育信息化基础设施建设，应用信息技术手段加强对传统教室、功能室和实验室的改造，并积极探索与推进基于移动终端、3G技术、物联网、云计算和下一代互联网的网络教学、虚拟实验、电子书包和移动学习等现代信息化教学学习方式。

突出实验室多样化发展 为满足新课程改革和素质教育的需求，我们以促进多样发展为基本理念，自2009年开始启动实施了中小学实验室建设工程，按照“实验室标准化建设、创新实验室多样化建设和基础教育装备达标建设”的基本思路，开展了标准化实验室、中小学科学探究实验室、高中新课程配套实验室、创新实验室等建设项目，服务教育均衡和多样化发展。2012年，专门组织力量修订了《浙江省中小学教育技术装备标准》，遵循“必配标准化、选配多样化”的基本理念，对各类实验室建设提出了具体技术要求，为学校教育技术装备提供了有效指导。2013年，浙江省在为全省义务教育阶段中小学校建设和更新科学实验室和专用功能教室的同时，为全省民办外来务工人员子女学校配备科学实验室，促进教育均衡发展，并为学校特色发展和提高教育质量提供了有效支撑。

2 紧抓课堂应用，深化实验教学

深化实验教学的关键在于促进技术与课堂教学的融合。近年来，浙江省坚持以新课程标准提出的三维目标为基本要求，积极探索新技术、新工艺、新设备、新材料在实验教学中的应用，着力在“改变实验装置、优化实验设计、创设实验情境、转变实验方式”等方面下功夫，深化实验教学。

优化实验设计，突破教学难点 实验教学的成效如何，关键在于实验设计。传统的实验设计往往受实验设备等客观因素的影响，难以形象、生动地呈现知识点、创设学生自主探究的实验环境。技术环境的更新和配备，为实现优化验设计创设了条件。如应用新材料可以改进实验器材，将光传输、热传导等原来实验难以直观展现的概念和规律通过简便的实验操作明显呈现，顺利打破了教学的瓶颈。应用新设备重构实验设计，针对瞬时速度、静摩擦力、电场强度、库仑定律、光弹性形变、涡流的成因、牛顿第二定律、热力学第二定律等难以理解的抽象物理概念和规律，利用传感器等现代教育技术装备优化方案设计，化无形为有形，为学生创设思维的台阶，有效降低学习难度，突破知识难点。应用新技术优化实验过程，借助传感等技术从定量的角度精细反映实验过程中的变化，充分延伸学生感观，变传统实验的不可能为可能，让学生在数字化条件下对实验现象进行多角度的感知和多视角的探究。杭州市萧山区义蓬小学利用“温变油墨”这一新材料，让学生直观地观察到热传导现象；富阳中学利用传感器等现代技术装备优化实验方案设计，研发了100多个与新课程高中物理教学配套的创新实验，有效突破了教学难点。

创设实验情境，提高教学效果 新技术，特别是信息技术的应用，为实验教学中实验情境的创设提供了有效方法。如应用多媒体辅助实验教学，可以直观展现抽象的知识，不仅用图形、图像、动画、声音、和色彩等方式向学生提供丰富的感性材料，还用二维和三维的图像、动画进行模拟，从而把文字材料获得的抽象概念具体化，把难以想象的微观世界宏观化、把难以演示的实验形象化。应用虚拟仿真实验，为学生展现理想状态下的实验环境，突破传统实验在时间、空间和器材等方面的限制，让原来不让做、不便做和不能做的实验得以生动展现。应用虚拟现实技术，为实验教学创设特定教学情景，使学生突破时空限制，产生“超越现实、身临其境”的感受和体验，实现情景互动教学。温州市龙湾中学借助谷歌地球开展地理实验教学，将地球玩转于手掌间，有效提升教学质量；湖州市安吉县孝丰镇中学利用三维虚拟显示技术开展“食物的消化与吸收”等实验教学，化静为动，让学生如身临其境般地进行直观感受，有效激发学生兴趣，提高教学效果。

创新实验模式，培养探究能力 实验教学的目标除了知识和技能的培养外，更重要的是对学生解决问题的能力和方法的培养。多年来，我们积极探索利用新技术、新设备，创新实验方式，倡导参与式、启发式、探究式、讨论式教学。如应用数码显微技术，为教师和学生提供高清晰度、多画面、无延迟的交互式实验教学手段，变传统的、孤立的实验观察为生生、师生之间的信息共享与合作探究；应用物联网和云计算技术，自动采集校园内各种动态数据并进行智能分析，为学生构建开放、有序的自主探究实验教学环境；应用二维码等现代信息技术，使实验探究走出校园，通过家校联动等方式，让学生针对生活、学习中遇到的科学问题自发开展各种小课题研究；应用信息化管理手段，对实验室实行开放管理，让学生进行自主设计并开展实验探究，探索建立自助式实验运作方式和评价体系。德清县德清一中开展自助式实验教学，让学生进行自主设计并开展实验探究；嘉兴市实验小学借助二维码和无线网络环境，指导学生开展课题研究，为学生自主探究校园树木提供便捷学习方法的同时，培养创新思维、沟通协调和团队合作能力。

3 加强组织管理，保障教学成效

严把教学仪器质量关 教学仪器设备是实施实验教学活动的物质基础和条件保障，其本质是一种教学设计，宗旨是满足教学需求、提高教育质量。因此，教学仪器设备质量的优劣直接关系到实验教学的效果。自2009年开始，我们建立了教学仪器产品教育适应性评审制度，对教学仪器设计方案、安全性能、材料工艺和实验效果进行第三方评审，确保优质产品进校园、进课堂。同时，针对教学仪器采购的实际困难，我们在不断探索的基础上，构建了教学仪器设备政府采购整体解决方案，提出了“公开招标、资质入围——网上竞价、择优选用——合同签订、集中配送——验收结算、综合评价”的政府采购整体思路，开通了普教仪器政府采购协议平台，有效避免了教学仪器设备政府采购中存在的程序合法但结果不公等问题，最大限度保证了政府采购效益。

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中图分类号: O423.1 文献标识码:A文章编号:1007-3973 (2010) 07-162-02

1大学物理实验教学的现状

物理学是探索物质世界奥秘的基础学科,而物理实验是本科生进入大学后系统学习科学实验设计思想、方法和技术的入门课程,它在培养学生的科学实验素养和创新能力、打造综合型的高素质创新人才过程中有着不可替代的重要作用。而目前高校的实验教学课程主要以“教师理论讲解、操作演示―学生动手操作、完成实验”的模式进行。这种方式利于学生在有限的实验课时内完成实验任务,但不利于学生的实践动手能力和创新能力的培养,不能调动学生的学习主动性,学生只需按部就班、循规蹈矩、被动模仿就可完成实验任务。而教育的根本目的是培养高素质的创造性人才,现行的教学模式与教育的这一目的相距深远。

科技的进步对教育提出了越来越高的要求,学校对人才的创新思维和实践能力的培养也必将是一种趋向个性化的教育,而传统教育资源的匮乏和教育模式的陈旧呆板制约了“自主学习”和“个性化教育”的广泛推行,这也是教学改革深入发展的瓶颈之一。

传授学生物理实验的基础知识、实验方法和技术只是物理实验的主要内容之一,而创新意识、创新思维和创造能力的开发与培养则是教育更本质、更核心的内容。我们当前处于一个信息化的时代,各种信息的飞速膨胀使得我们完全有可能探索出一种以能力培养为主线,分层次、多模块,符合现代先进教育思想的开放的新的物理实验教学模式和体系。

2开放的嵌入式和交互式实验教学的特点

NI ELVIS是由美国国家仪器有限公司(National Instruments, 简称NI)的设计与原型开发平台的新版本,被全球众多教师应用于动手实验和项目学习中。它基于强大的LabVIEW图形化系统设计软件与课程资源套件结合在一起使用,可以为科学和工程实验室创建了理想的动手平台。我们可以根据物理实验本身的需求,为学生提供了使用NI ELVIS在交互式环境中对概念进行探索和设计的机会。”

本教学方式是在开发虚拟实验软件的基础上,依据NI ELVIS自身的特点与功能,构建一种开放的嵌入式和能实现人机交互的物理实验教学平台。该平台将具备以下特点:

(1)形象、直观、操作方便、简化了实验室的配置,并且加深了学生对嵌入式和开放式创新实验的理解”。

(2)适合全方位开放、功能强大可以与多种应用软件和硬件连接。

(3)开放式的操作平台,学生可以选作自己感兴趣的实验项目、可以和各种硬件和传感器连接进行自主设计和嵌入,从而完成创新实验内容,可实现自主、交互与创新的教学模式。

(4)教师和学生利用NI ELVIS可以在仿真数据与实测数据之间进行切换,使用同一个仪器查看仿真数据和实测数据,在仿真或测试中利用单一平台查看电路设计过程的整体情况――从设计与原型开发直至实现阶段。

平台建设的成功,将会实现学生真正的以兴趣为导向选择自己的实验内容,使实验教学内容在时间和空间上得到延伸,从而开创物理实验教学的新模式,为其他教师进行多元化教学模式的探索提供新的教学研究平台。

另外,我校物理实验中心多年以来积极开展教学改革与实验室建设,积累了丰富的经验,实验中心在人员、设备、场地及时间等方面具有足够的条件保障,能够确保这种嵌入式、交互式实验教学平台顺利构建和新的实验教学模式的改革和探索。

3嵌入式和交互式实验教学的实施

开放的嵌入式和交互式实验教学平台的探索与建设符合大学教学改革要求,在内容和形式上有创新,并有充分的条件保障支持,能够顺利地进行并圆满完成。它的建设成功必将对促进教学信息化建设的改革进程具有很重要的参考意义和价值。

3.1具体改革内容、改革目标和拟解决的关键问题

改革的内容:借鉴国内外著名高校改革的经验,整合现有的教学资源,优化教学形式。先用LabVIEW开发出一系列的可与其它软件兼容并可和其它硬件、传感器相连接的物理虚拟实验,如霍尔效应、综合光学等实验,然后在此基础上与ELVIS系统整合一起,搭建开放的交互式实验教学平台。学生在了解实验的物理原理的基础上建立相应的实际物理实验模型和实验设计电路。这些初期的模型和电路当做一个可以兼容的实验模块,以后做相关实测实验的时候可以直接拿来使用。

本实验平台的一个突出特点就是可以实现物理实验的虚拟演示和实际信号采集相结合,培养“虚实结合”的教学理念。其中“虚”就是只需一台计算机而不需要其它任何实验设备就可完成相应物理实验的虚拟演示与操作;“实”就是该平台辅以相应的硬件设施又可以完成真实的实验。例如,光的衍射实验,我们可以在开发的实验软件上用虚拟的激光演示实验现象,又可以直接通过ELVIS对实际的激光信号进行采集,从而完成实际的激光衍射实验。“虚实结合”体现了该教学平台的开放性与自主性。

改革目标是在开发该实验平台的基础上,探索出一种更灵活、更能激发学生学习积极性和主动性的符合现代教育思想的新的教学模式。要使平台体现真正的开放性与自主性,让学生真正的参与设计新实验、拓展实验平台的外延性,设计一些与学生自己专业相近或者兴趣相关的实验课题。这必将促使对新教学模式和教学理念做一些有益的尝试与探索。这里,需要解决的关键问题是如何改变学生固有的对实验教师指导实验的依赖性,如何培养学生对实验学习的主动性和参与性;另外,改变实验老师传统的“保姆式”的教学思维和理念也是一个关键的问题。

3.2实施方案、实施方法、具体实施计划及可行性分析

在确定一系列的实验项目和内容后,再开发相应的虚拟实验项目和平台后,而后在实验中心或者学校网站的公告栏里张贴出新实验教学平台的特征和特色,阐述新实验教学模式自主性、灵活性和开放性。让学生以兴趣为导向,在完全开放和自愿的前提下自主报名参加新模式的教学效果尝试。教学结束后,以问卷的形式在报名的学生中间,调查新模式的教学效果,由受教育的主体来检验新的教学平台和模式在提高他们创新意识和自主动手能力是否方面卓有成效。

因为新教学平台和教学模式的实施方案中淡化了传统教学中“教”与“学”某种程度上的对立,注重了学生的个性和兴趣,所以在理论上都有很大的可行性。

目前,全国多数高校中,实验教学突出了教师的主导性,忽略了学生的主体性;同时由于授课内容的整齐划一,很难提高学生的学习兴趣,从而削弱了学生自主动手和自我思考的能力。

这种教学方式的特色与创新之处在于试图改变这一状况:

(1)试图通过引导性的授课方式代替灌输式的上课模式。

(2)试图改变和完善传统的教育模式,推行以学生兴趣为导向的个性化教育。

(3)试图引导学生在实验中发现问题、解决问题进而达到寻求问题、解决问题的能力。

(4)试图通过引导学生进行自主实验设计与操作,从而培养了学生的创新意识、提高学生的综合实验动手能力,并为学生主体价值的自我实现提供了平台,

我校物理实验中心多年以来一直致力于实验室建设与教学改革,不断开出新实验,不断实践新的教学方式及考核方式,不断对教学改革进行总结,在1997年与物理教研室联合完成〈物理课程改革与建设〉教改项目,获省级教学成果二等奖。在2000、2002及2003年完成学校对实验中心的三次投资建设(共投入470万元),先后开出5门应用技术课程,开出了近80个新实验项目,完成了实验课程考核机制教改项目,并对实验室实行了切实有效的开放,先后发表教改论文3篇,编写教材及讲义9种,积累了丰富的教学改革经验。

上述教学方式的实施需要实验中心的人才结构合理,大多数老师都从事过教育教学改革方面的研究与探讨,并具有丰富的经验,对实验项目及实验设备进行深入的探讨和研究,尤其在仪器的性能控制、维修、改造等方面,具有丰富的经验。

河南理工大学高度重视实验室建设,大力投入,仅对物理实验中心,2000年以来就陆续投入470万元用于新实验项目建设。新校区的建设已基本完成,在人员、场地、设备等方面均具有优良的基础条件。目前用于实验项目开发的软件和硬件已经到位,这种实验教学方式已经取得了非常好的效果!

4总结

总而言之,开放的嵌入式和交互式实验教学平台具有一下优点:

(1)由引导性的授课方式代替灌输式的上课模式。

(2)改变和完善传统的教育模式,推行以学生兴趣为导向的个性化教育。

(3)引导学生在实验中发现问题、解决问题进而达到寻求问题、解决问题的能力。

(4)通过引导学生进行自主实验设计与操作,从而培养了学生的创新意识、提高学生的综合实验动手能力,并为学生主体价值的自我实现提供了平台。

参考文献:

[1]杨德广.教育新视野新理念[M].上海:上海教育出版社,2007.

[2]兰明乾.大学物理演示实验教学研究[J].陕西师范大学学报,2007(35).

[3]陈明通,翟秀云.大学物理教学方法与教学手段探讨[J].教育探索,2007(12).