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虚拟实验设计论文精选(九篇)

虚拟实验设计论文

第1篇:虚拟实验设计论文范文

【关键词】虚拟实验;教学环境;研究现状;研究趋势;论文

【中图分类号】G434 【文献标识码】A【论文编号】1009―8097(2009)12―0115―04

随着计算机多媒体技术和网络通信技术的迅速发展,信息时代的学习、生活方式都发生了重大变革。作为培养和提高学生动手实践能力、观察能力、分析问题和解决问题能力等方面有着先天优势的实验教学是高校教育改革的关键问题之一。目前,我国传统实验教学环节不足、实验资源不均衡,学生创新能力不足,虚拟实验教学环境研究与建设有利于解决当前实验教学中存在的问题。

为了从整体上把握虚拟实验教学环境发展脉络,拟重点从研究内容入手,探悉虚拟实验教学环境研究现状及发展趋势。虚拟实验教学环境是指开展虚拟实验教学所需要的环境,包括硬件和软件环境两部分。硬件环境包括计算机终端、计算机网络、服务器等,软件环境包括基础软件、虚拟实验教学系统软件、实验教学资源及理论指导等。本文所研究的虚拟实验教学环境是指为开展虚拟实验所搭建的教与学环境,主要指软件方面的环境建设及其应用研究。

一 研究设计与思路

1 研究资料

研究材料来源于“中国知识资源总库”,以“虚拟实验”为关键字进行检索,时间从2005年至2009年1月公开发表的主题中含有“虚拟实验”的期刊论文、会议论文以及学位论文,共437篇,以下从发表时间、研究内容两个维度分别进行统计分析。

2 研究方法与工具

研究材料采用内容分析方法进行研究。内容分析法是对明显的传播内容作客观而又系统的量化,并对量化结果加以描述的一种研究方法。[1]它是教育技术学研究方法的一种,通常是先抽取有代表性的资料样本,然后将资料内容分解为一系列的分析单元,并按预先制定好的分析类别和纬度系统进行评判记录,最终对结果进行统计分析。内容分析法实施步骤包括提出研究问题或假设、抽取样本、选择分析单位、建立分析类目、进行评判记录、定量处理与计算以及解释与检验等几部分。本研究资料采用数据统计工具进行数据管理、统计分析、统计绘图和统计报表。

二 研究结果(即研究现状)分析

1 从时间上看虚拟实验教学环境研究受到的关注程度及其原因

以“虚拟实验”为关键词,时间段分别从1979年到1999年、2000年到2004年、2005年到2009年1月进行检索,题名中包含“虚拟实验”的期刊论文和硕、博学位论文数量如表1所示。从三个时间段检索的论文数量来看,近几年虚拟实验教学环境的研究已经得到了众多学者的广泛关注。可见,对于虚拟实验教学环境的研究已经成为当前教育研究一个新热点,分析其原因是主要信息技术的蓬勃发展已经使部分虚拟实验环境的设计与开发成为现实,并在一定的理论指导下应用于实践,使各类虚拟实验室建设成为可能。而且,虚拟实验环境的研究与实现极大地降低了实验室建设成本,缓解了由于财政压力给实验实训教学环节带来的不利影响,有利于学生实践操作能力的培养,因此,虚拟实验教学环境的研究也就具有了极大的经济效益和社会效益,从而引起了更多学者、专家的关注。

表1 三个时间段检索的论文数量

2 从内容上看虚拟实验教学环境研究的现状及其分析

通过对2005年以来检索的437篇期刊论文、会议论文以及学位论文进行研究内容分析可以发现,虚拟实验教学环境的研究主要集中在以下几个方面:虚拟实验平台与系统的设计与开发、虚拟实验的设计、虚拟实验的教学研究及虚拟实验相关开发技术研究等,在检索的论文中各个方面的研究内容所占比例情况如图1所示。

(1)虚拟实验平台与系统的研究

从图1可以看出,虚拟实验平台与系统设计与开发的研究论文较多,其数量达175篇。可见,计算机技术与网络技术的发展为实验平台和系统的搭建提供了技术支持,虚拟实验的实践研究首先引起了广泛关注。这方面的论文主要是探讨某门课程的虚拟实验平台、系统设计或开发过程,如顾九春等[2]在论文中论述了基于matlab提供的函数和控制系统分析工具箱开发了自动控制原理课程的虚拟实验平台系统,对课程控制系统的设计与开发比较简单,论文中没有进行应用效果的分析。关于虚拟实验平台设计或设计与开发方面的研究论文有66篇。周冬婉[3]在论文中论述了实验系统平台的设计,并实现了简单开发,论文中无应用方面的论述。关于虚拟实验系统的研究论文有109篇。虚拟实验平台、系统研究的论文中进行设计并实现的比较多,在实验中应用的不多,对应用效果分析的就更少了。设计与开发具有开放性、自主性、协作性、交互性以及可扩展性的虚拟实验平台和系统有利于虚拟实验的开展和实施,有利于虚拟实验的共建共享。通过分析以上175篇关于虚拟实验平台和系统研究论文发现,目前虚拟实验平台和系统的开发各自为政,没有统一的规范和标准,很难实现平台和资源的共享。虚拟实验平台和系统的设计与开发研究大都是基于某一门课程实现,开发的技术种类繁多。

图1 虚拟实验研究内容情况

(2)虚拟实验教学研究

虚拟实验教学方面的研究有利于指导虚拟实验教学实践,这方面的研究论文有93篇。教学研究方面的研究内容情况如图2所示,主要包括以下几个方面:虚拟实验理论层次的应用研究,如黄凯旋[4]论述了如何更好地发展实验教学,提出了建立开放式实验与虚拟实验结合的完全开放式实验室,田静[5]在论文中浅谈了虚拟实验在理科实验教学中的应用等;教学模式与方法研究,如朱乾[6]通过“大学物理”虚拟实验系统在实验教学中的应用,对利用虚拟实验教学的教学模式进行了初步的探究,吴伟雄[7]探讨了在电工学教学中采用虚拟实验手段的意义和课堂教学方法等;教学效果分析,如于洪涛等[8]探讨了桌面虚拟实验对言语信息、智慧技能、动作技能学习的作用,最后通过调查问卷法和实验法来验证桌面虚拟实验对言语信息和智慧技能学习的作用,陈柳君[9]探讨了虚拟实验的理论意义,没有具体讨论虚拟实验的应用效果等;其他方面的研究包括虚拟实验的作用、虚实结合的理论探讨与教学改革研究等。关于虚拟实验教学方面的研究,从理论层面探讨的较多,对实际应用效果的研究比较少,这对虚拟实验教学实践而言显然是不够的。

图2 虚拟实验教学研究情况

(3)虚拟实验设计与开发研究

虚拟实验设计的开发是虚拟实验教学开展和实施的前提,这方面的研究论文有74篇。虚拟实验指所有实验过程均在虚拟环境中以虚拟的形式完成,不涉及真实的实验仪器设备的实验,目前虚拟实验的主要形式有实验演示、仿真实验、虚拟仪器三种。[10]其中实验演示主要演示实验的详细操作步骤和实验结果,供学生用于观察实验的实际执行过程,主要是基于某一种或几种技术或工具开发某一门课程或课程一部分虚拟实验,如刘英杰等[11]基于3ds Max和Virtools技术对大学物理实验功能进行了简易设计并对开发流程进行了阐述。仿真实验是利用计算机软件仿真实验环境。学生可以按实验要求组装实验系统,通过改变实验模型的参数进行各种模拟实验,观察其实验显示结果,孙俊峰等[12]在论文中以心理学实验为例,提出了虚拟实验展开的方式,将虚拟实验分为实验准备、交互实验和结果反馈三个阶段。虚拟仪器是在计算机上配置高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用,如张子刚[13]的硕士论文《基于LabVIEW的虚拟实验仪器设计研究》,该论文以PC-DAQ/PCI插卡式结构的硬件平台,采用数据采集板,实现AD7202在Labview中的数据采集。论文重点讲述了虚拟数字存储示波器各个功能模块的软件设计。在虚拟实验设计与实现方面的研究中,虚拟实验被教师上课演示的多,被学生实际操作的少;虚拟实验中验证性实验多,设计性和创新性实验少;虚拟实验以作业方式应用的多,单独开设实验课程的很少。[14]

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(4)虚拟实验设计与开发应用的相关技术研究

计算机技术以及计算机软件技术的发展为虚拟实验研究提供了技术支持和工具,各种技术的发展也促进了虚拟实验的开发。关于虚拟实验设计与开发应用的相关技术研究,主要是把互联网技术、动画技术以及虚拟现实等相关技术(如Java、VRML、Flash、3D等)引入到虚拟实验设计中,从技术的角度深入探讨虚拟实验建设的可行性,主要集中在3D、VRML、Flash等技术在虚拟实验系统构建中的应用,或者此技术在某个实验环节中的应用,或者侧重于网络虚拟实验系统的教学支持系统的设计开发,论文数量有38篇,各种技术使用与研究情况如图3所示。

图3 开发技术研究情况

(5)虚拟实验环境相关标准、规范、管理与评价方面的研究

虚拟实验环境相关标准、规范、管理与评价的研究可以为建立统一的虚拟实验教学环境提供依据和保障。然而,在检索的论文中只有2篇论文对标准化问题进行了简单的阐述。范新伟等[15]的《虚拟实验标准化的研究和解决方案》,在论文中提出了一个虚拟实验标准化信息模型,并提出了信息模型的xml绑定和用Web Service实现的解决方案,作者对虚拟实验的标准化提出了一些见解,并对实践结果进行了初步的阐述,进一步的工作还有待于大量的实践来进行验证和不断的修改完善。李小燕[16]的《虚拟实验中仪器通信的标准化研究》,该论文针对虚拟实验重复开发,复用性差以及互操作困难等问题,提出了一个虚拟仪器间通信的标准化解决方案,建立了仪器间通信的信息模型。在当前的研究中只有2篇此方面的相关论文对虚拟实验的研究是不够的,而且虚拟实验环境的评价和虚拟实验管理方面的研究也是空白。

随着虚拟实验教学研究的发展,各种技术被引入进来,这些技术、协议或标准之间的兼容性,以及虚拟教学平台、系统和已有平台、系统的互操作都需要深入研究。此外,虚拟实验平台和系统的开发也需要一个规范,因此对虚拟实验环境相关标准与管理的研究极为迫切。

3 其他需要阐明的现象

随着多媒体、网络技术的迅速发展,虚拟实验研究得到了众多学者的极大关注,逐渐成为计算机领域与教育技术界研究的方向与热点,特别是虚拟实验教学环境的建构及应用更应引起教育技术领域的关注。但是,就国内目前的研究来看,教育技术领域还没有给予较多的关注,从2005年以来的研究论文结果看,在虚拟实验方面的研究《中国电化教育》有3篇文章、《电化教育研究》上有2篇文章、《现代教育技术》有8篇文章、《中国远程教育》有3篇文章,这对于教育技术的研究方向和热点而言是不够的。再者,虚拟实验教学环境的研究主要集中在计算机领域的杂志或学位论文中,其的期刊方面,一般期刊的论文较多,核心期刊论文不多,在学位论文中硕士论文较多,博士论文不多,这说明对虚拟实验教学环境的研究还不够深入。

三 研究趋势分析

虚拟实验教学环境的研究时间很短,研究中还存在很多不足,但是虚拟实验作为当前教育领域中的重要组成部分,在解决我国教育面临的规模与质量之间的矛盾,克服实验资源不均衡、创新能力不足等问题,有着广阔的发展前景。通过以上分析,虚拟实验教学环境的研究应注重以下几个方面:

1 开展评价、测试、管理等标准和规范的研究

制定虚拟实验平台和系统的评价、测试、管理等标准和规范,为建立统一的虚拟实验教学环境提供依据和保障。针对我国虚拟实验教学的发展现状,研究制定基于统一支撑平台的虚拟实验开发标准,制定虚拟实验的评价、指导、管理和基础软件跨平台规范,实现平台和资源的高度共享,通过多种标准与规范的有机结合,解决分布式的实验教学与现有的教学系统协同工作的问题,从而实现协同工作,提高其共享性和复用性。

2 虚拟实验平台的统一开发

按照统一的标准和规范,开发集实物演示、实物仿真、创新设计、智能指导和管理于一体,具有良好交互性和可扩展性的虚拟实验教学平台是当前和未来虚拟实验教学环境研究的重要内容之一,从而突破目前的各自为政、没有统一标准、没有协同性平台开发的局面。

3 虚拟实验的多方面设计与开发

在统一标准与规范的指导下的适合教学需要的更多的虚拟实验设计与开发是当前虚拟实验教学研究的内容之一,这有利于为教育提供丰富的虚拟实验资源,从而为广大学习者提供优质的虚拟实验服务,也能够产生很好的经济和社会效益。

4 加强虚拟实验的指导与管理研究

虚拟实验缺乏有效的教学管理、过程指导和效果评价,导致虚拟实验的优越性在实践教学中难以发挥。因此,应开展虚拟实验过程的智能指导和实验结果自动批改技术等方面的研究;开发虚拟实验指导与管理系统,包括实验知识辅助学习、实验智能指导、实验结果自动批改、实验答疑、实验教学效果评估等功能;开发跨平台的虚拟实验管理系统,为虚拟实验教学环境提供服务并开展应用,并展开视角对使用虚拟实验进行实验学习进行评价的研究。

5 开展虚拟实验应用研究

虚拟实验只有在不断的完善、经过实践检验后,能够取得良好效果才能应用于实验教学和推广,因此,虚拟实验的应用研究对此研究课题具有重要价值。然而,目前虚拟实验教学环境的研究内容主要集中在理论探讨、系统设计与开发、虚拟实验教学平台的开发,未来应加大虚拟实验系统应用于教学的模式与效果分析、虚拟实验系统开发评价等方面的研究,尤其从学生视角对使用虚拟实验平台和系统进行实验学习的评价研究需加强。

四 结语

虚拟实验是信息时代的产物,它在教育、科研等方面有着广阔的发展前景,是当前教育的重要组成部分,是教育教学的重要资源。在构建现代教育创新体系、培养创新型人才的大教育背景下,融合现代教育理念的虚拟实验教学环境的研究必将促进教育教学的蓬勃发展。

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参考文献

[1] 李克东.教育技术学研究方法[M].北京:北京师范大学出版社,2003:228.

[2] 顾九春,王品,宋进桂 等.《自动控制原理》课程虚拟实验平台的设计[J].高校实验室工作研究,2008,(3):50-53.

[3] 周冬婉.电路理论虚拟实验系统的设计与实现[J].中国集体经济,2008,(1):160-161.

[4] 黄凯旋.开放与虚拟的实验教学改革探讨[J].实验室研究与探索,2006,(9):1119-1121.

[5] 田静.浅谈虚拟实验在理科实验教学中的应用[J].教学仪器与实验,2006,(9):11.

[6] 朱乾.基于虚拟实验系统的教学模式[J].实验室研究与探索,2008,(6):84-86.

[7] 吴伟雄,褚莲娣.基于虚拟实验的教学方法研究[J].嘉兴学院学报,2005,(6):105-107.

[8] 于洪涛,杨雪,孙艳丽.桌面虚拟实验的教学效应研究[J].现代教育技术,2008,(1):115-118.

[9][10]陈柳君.实验教学中虚拟实验的有效性探究[J].中国科技信息,2007,(12):203-205.

[11] 刘英杰,杨雪,阚宝朋.基于3dsMax和Virtools的大学物理虚拟实验的设计与开发[J].现代教育技术,2008,(6):88-92.

[12] 孙俊峰,游运华,卢洁 等.基于VRML的心理学虚拟实验设计与实现[J].计算机仿真,2006,(4):283-286.

[13] 张子刚.基于LabVIEW的虚拟实验仪器设计研究[D].长春:长春理工大学,2007.

[14] 李凌云,王海军.网络虚拟实验系统研究现状与发展趋势[J].现代教育技术,2008,(4):111-114.

[15] 范新伟,申瑞民,申丽萍.虚拟实验标准化的研究和解决方案[J].计算机仿真,2005,(1):175-179.

[16] 李小燕.虚拟实验中仪器通信的标准化研究[J].计算机仿真,2006,(6):205-208.

[17] 李凌云,王海军.网络虚拟实验系统构建方式的比较研究[J].中国电化教育,2008,(1):102-105.

第2篇:虚拟实验设计论文范文

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).

第3篇:虚拟实验设计论文范文

【关键词】 虚拟实验;真实实验;网络基础及应用

【中图分类号】 G40-034 【文献标识码】 A 【文章编号】 1009—458x(2013)09—0078—05

“网络基础及应用”是一门既注重理论更注重实践的课程,实验教学是帮助学生理解原理、加深认识以达到学以致用的必要环节。然而由于网络设备、服务器一般比较昂贵,且更新较快,因此建立完备的计算机网络实验环境是比较困难的[1]。为解决以上现状,可将网络模拟器 Packet Tracer 引入“网络基础及应用”实验教学,不仅可以减少实验投资成本,培养学生的动手能力和创造能力,还可以提高教师教学和教研的能力,具有重大的理论和实际意义[2]。然而,如何更好地使用虚拟实验与真实实验进行教学,首先要了解虚拟实验与真实实验分别有哪些优势与不足。

笔者通过查阅文献,发现关于虚拟实验与真实实验比较的研究很多,如“论桌面虚拟实验对迁移学生实验技能的作用”[3]、“基于虚拟实验与真实实验整合的计算机网络实验教学改革”[4] 、“虚拟实验与真实实验在机能学实验中之比较”[5]、“虚拟实验和真实实验的耦合教学模式研究”[6]等文献。但这些文章大多是以理论阐述、逻辑推理为主,论述了虚拟实验与真实实验的优缺点,而实证研究的文献资料却较少。本文重点从“网络基础及应用”实验教学的实验项目设计、实验测试及问卷调查三方面进行详细的实证研究。

一、基于实验项目设计比较

“网络基础及应用”实验是为了培养学生对交换机路由器等网络设备的基本配置和综合应用能力。本实验课程安排了八项实验,具体实验项目及教学要求如表1所示。

表1 实验项目及教学要求

通过“网络基础及应用”实验课程的教学,本文主要从实验环境、资源、情感与交流、学习方式、对学生动手操作能力的培养、安全性、效率及误差等方面对虚拟实验与真实实验进行比较(如表2所示)。

从表2可以看出虚拟实验与真实实验各有优势,如真实实验中学生在真实地接触仪器的情况下,可以直接面对问题,有利于训练学生解决实际问题的能力,真实实验对学生的动手操作能力的培养具有不可替代的作用,而在虚拟实验中会有“不踏实”的感觉;虚拟实验是在一台电脑上打开虚拟软件中的多个设备进行实验并完成,而真实实验则需要通过多台电脑和真实的网络环境来实现;虚拟实验课前预习、课后复习较为方便,提前预习实验可减少在真实实验中的失误;虚拟实验不能体现真实实验中的各种各样的误差,而真实实验会出现实验误差或设备故障,促使学生进一步探索。网络访问安全性方面,虚拟实验没有真实实验精细,真实实验中可以控制具体的时间段内相应用户能访问某些网络,而虚拟实验不能控制用户访问的具体时间段;虚拟实验所进行的操作是通过程序预先设定好的步骤和预期结果来实现的,学生不会因为误操作而造成人员或设备的损坏,虽然在虚拟机上进行某些操作时,可能也会造成系统崩溃等,但是破坏的只是虚拟机中的操作系统,而不是真实物理机中的操作系统,因此学生可以在不对物理主机造成损坏的情况下进行各种网络实验。在教学方法采用上,虚拟实验采取灵活的教学方法,实行开放式、个性化教学,学生能灵活地运用自己的实验时间,不受传统真实实验室关闭和开放时间的限制,重点攻克自己的难点,而且也不必受实验课程和指导书的限制,学生能按照自己的进度、自主地选择自己所需要的实验内容[7]。在信息传递时,虚拟实验以逼真的动画展示数据传输的过程(如图1所示),而真实实验中只能经测试得出网络配置是否有效,但看不到数据传输过程。

虚拟实验与真实实验也有很多相同点,如实验1和实验2中大多数命令语句都相同,具体为:

给交换机设置IP地址即管理IP:ip address 192.168.1.100 255.255.255.0

为交换机设置授权访问用户:username test password 7 123456

Telnet登录:telnet 192.168.1.100

Ping语句:Ping 192.168.1.100

再如实验6、实验7中虚拟实验和真实实验的命令语句基本相同,例:

配置静态路由的核心命令:

ip route192.168.2.0 255.255.255.0 192.168.1.2(配置192.168.2.0 的路由)

路由器的OSPF配置核心命令:

router ospf 2

network 10.10.10.0 255.255.255.0 area 0

network 192.168.1.0 255.255.255.0 area 0

“网络基础及应用”实验课中虚拟实验与真实实验还有如下区别:

实验3真实实验中交换机端口与MAC绑定有静态、动态两种方式,且动态绑定不用记MAC地址,省掉很多麻烦。而虚拟实验中只能静态绑定。命令语句也有差别,如单个MAC绑定时,语句“switchport mode access”在虚拟实验中必须有,而真实实验中则不需要。

实验4虚拟实验在一台电脑上打开虚拟软件中的多个设备上进行实验并完成,而真实实验需要相关实验设备(如图2所示),且受时间和空间的约束,必须在指定的实验室中进行。

图2 实验4实验图

实验5虚拟实验中没有3a认证,而真实实验中有3a认证,核心命令如下:

aaa authentication enable default enable

aaa authentication login mytelnet local

login authentication mytelnet

实验8相对而言比较复杂,使用虚拟实验能节省大量时间,实验设计、操作等较容易。而真实实验中的环境、设备配置、连线等操作较为复杂,需花费大量的时间。

二、基于实验测试比较

在完成本课程实验教学的基本要求之后,为了进一步提高学生的动手操作能力和实验设计能力,以及测试使用虚拟实验与真实实验的方式进行教学的效果,又进行了实验拓展及综合测试。

1. 交换机路由器的简单应用实验测试

首先是实验拓展训练,时间为两周,在此期间学院网络实验室开放。将全班36名学生随机分为三组,每组12名学生。每组都布置相同的实验任务,具体实验拓展项目及测试要求如表3所示。

表3 “网络基础及应用”实验拓展项目及测试要求

多层交换机静态路由实验;

标准访问控制列表的配置;

通过观察测试过程并分析测试结果可以看出: ① 在真实实验中完成难度相同的任务中,第一组和第二组学生所用时间大致相同,第一组学生在设计实验时比第二组学生用时少,但是第二组学生在进行设备配置、连线等操作时明显比第一组学生用时少;② 第三组学生在实验设计效率和操作熟练程度上都远远高于第一和第二组学生,因此整体用时少。说明虚拟实验能更好地培养学生的实验设计能力,真实实验能更好地培养学生的动手操作能力,虚拟实验与真实实验相结合则能全面培养学生的实验设计能力和动手操作能力。

2. 交换机路由器的综合应用设计实验测试

在学期末进行了“网络基础及应用”实验测试,试题内容及具体要求如下:① 可自由选择真实实验或虚拟实验方式;② 每两人一组,每组必须要有交换机和路由器等设备;③ 每组需设计出自己实验方案的拓扑图,设计并写出实验方案的详细步骤以及实验方案的验证环节;④ 每组需要提交一份实验方案的详细报告。评分要点:① 拓扑图的设计是否合理细致及复杂性;② 实验步骤的详细程度及正确性;③ 实验方案的验证环节的合理程度;④ 实验方案的详细报告的撰写水平。

本次实验测试共36名学生参加,随机分为18个小组。测试完成后学生上交实验报告,参考统一的评分标准打分,最后统计出考试成绩如表4所示:

表4 综合应用设计实验测试成绩统计表

通过表4可以看出:选择虚拟实验与选择真实实验的学生人数基本相同,平均成绩也没有太大的差别。但是,从实验报告中实验拓扑图设计的复杂性来看,使用虚拟实验的设计远远大于真实实验的设计,典型图例如图3、图4所示。

通过实验测试说明了虚拟实验相对于真实实验更容易做出较复杂的实验设计,而真实实验能更好地培养学生的全面动手操作能力,因此在实验教学的过程中应使用虚拟实验与真实实验相结合的方式,充分发挥各自的优势,以更好地提高学生的综合实验能力。

三、基于调查问卷比较

1. 问卷设计

采用自编问卷的形式进行调查,调查的问题主要包括学生对虚拟实验的认可程度,学生认为使用虚拟实验与真实实验相结合的方式进行教学的效果如何以及学生在预习、上课、复习实验时分别会使用哪种实验方式等方面。问题类型有三种:封闭式单选题、半封闭式多选题、开放式问答题。

2. 结果分析

对使用虚拟实验与真实实验相结合的方式进行教学的效果做了调查,调查对象为本校三个年级的105名学生。共发放105份问卷,回收98份,无效问卷4份。具体的回收率、有效率情况如表5所示。

表5 调查问卷的发放及回收情况

(1)学生对虚拟实验的认可程度

关于学生对虚拟实验的认可程度共设置了四道题,主要调查学生是否喜欢虚拟实验、认为虚拟实验能否调动自己学习的积极性、能否提高教学效果、能否拓宽实验的知识面等方面的问题。将这部分问题制定成里克特量表,采用五点量表来评定学生对虚拟实验的认可程度,即5—1分别为完全同意、较同意、一般、较不同意、完全不同意五个等级。其数据统计结果如表6所示。

表6 学生对虚拟实验的认可程度统计结果

由表6可以看出,四个问题的均值都大于3,说明大部分学生都喜欢使用虚拟实验软件、认为虚拟实验能提高教学效果、调动自己的学习积极性并有助于拓宽实验知识面,同时也说明了学生对虚拟实验的认可程度较高。

(2)教学效果

对虚拟实验与真实实验相结合的方式的教学效果设计了三个问题,分别是“虚拟实验能否完全替代真实实验”、“做综合性实验时真实实验能否达到本课程的实验要求”、“虚拟实验与真实实验相结合的实验方式是否合理”。通过数据分析可知,80%以上的学生认为虚拟实验不能完全替代真实实验,做综合性实验时真实实验不能达到本课程的实验要求。对于“虚拟实验与真实实验相结合的实验方式很合理”这个观点的调查统计结果如表7所示。5—1分别为完全同意、较同意、一般、较不同意、完全不同意五个等级。

表7 虚实结合的教学效果统计表

由表7可以看出,71.3%的学生比较赞同虚拟实验与真实实验相结合的实验方式,认为能很好地提高教学效果,92.6%的学生赞同虚拟实验与真实实验相结合的实验方式,认为能在一定程度上提高教学效果。因此,在实验教学中,应使用二者相结合的方式,使二者优势互补,更好地提高教学效果。

(3)在各学习阶段分别使用哪种实验方式

分别调查预习、上课、复习三个阶段学生使用两种实验方式的情况。首先对在预习和复习时经常使用哪种实验方式做了调查,1—4分别代表真实实验、真实实验与虚拟实验、虚拟实验、不确定,具体统计结果如表8、表9所示。

由表8、表9可以看出,预习和复习实验时,使用虚拟实验的人数分别为84.0%和81.9%,而使用真实实验的人数却只有4.3%和12.8 %。真实实验由于时间、地点、设备等条件的限制,使实验预习很难进行,但学生完全可以使用虚拟实验进行实验预习,对实验的原理、及操作过程有一些基本的了解,有助于真实实验的进行以及学生对实验内容的理解。而在复习的过程中,学生还会遇到很多关系到实验的问题,这时候再去实验室重复真实实验的过程是很难的。因此,虚拟实验便于学生随时随地的自主学习和复习。

调查学生在上课期间针对不同类型的实验也会使用不同的实验方式,分别选取基础性实验、设计性实验及综合性实验三类中的一个典型实验(实验1、实验4及实验8)进行调查,具体结果如表10—12所示。1—4分别代表真实实验、真实实验与虚拟实验、虚拟实验、不确定。

由表10—12可以看出,基础性实验中86.2%的学生选择真实实验,设计性实验中80.9%的学生选择真实实验与虚拟实验相结合的方式,综合性实验中84.0%的学生选择虚拟实验。

综上所述,在实验教学的过程中要针对实验项目的复杂程度及各方面的条件限制,选择最佳的实验方式。对于简单的基础性实验要以真实实验方式为主来提高学生动手操作的熟练程度;对于设计性实验可以采用虚拟实验与真实实验相结合的方式,既能培养学生的实验设计能力又能提高学生的动手操作能力;而对于比较复杂的综合性实验,由于需要大量的实验设备且时间有限,可以通过虚拟实验辅助真实实验的实施以及教学的进行,学生先进行虚拟实验,对实验的理论原理和操作技术有了一定的经验后,在各方面条件都允许的情况下再进行真实实验,这样不仅能更好地培养学生的实验设计能力并且可以最大程度的提高学生的动手操作能力。

总之,虚拟实验与真实实验在配置命令、实验原理等方面有相同之处,但二者在实验环境、实验设备、安全性及效率等方面又有差异,虚拟实验的优势可以弥补真实实验的不足,而虚拟实验的局限性又正是真实实验的优势。虚拟实验模拟功能有限,而真实实验又不能完全满足实验要求。因此,二者需要相辅相成,优势互补。在实验教学的过程中如何针对不同的实验项目,通过虚拟实验与真实实验优势互补来提高教学效果,需要长期的实践与探索。只有虚拟实验与真实实验达到最优的整合,才能更好地提高实验教学的效果以及学生的综合实验能力。

[参考文献]

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第4篇:虚拟实验设计论文范文

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.

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[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.

第5篇:虚拟实验设计论文范文

关键词: Multisim 虚拟实验 真实实验

1.引言

Multisim应用于电路分析课堂教学,使抽象的概念变得具体,使枯燥的内容变得生动,加深了学生对理论知识的理解掌握。从课堂教学效果来看,既能活跃课堂气氛,又能调动学生的学习积极性,激发学生的学习兴趣。学生可以利用仿真软件进行电路仿真、电路设计,利用虚拟仪器测量验证,拓宽知识面。仿真技术引入课堂,使理论与实践得到统一。通过Multisim虚拟仿真软件,学生可利用电脑进行电路仿真及仿真分析,检验电路设计方案在功能方面的正确性和可行性,以达到熟悉电路、掌握工作原理和进行实验创新的目的,为高效率地实验打好基础。应当注意的是仿真实验教学是一种现代化的教学手段,不能代替实际操作,否则会削弱学生对真实仪器的感觉,影响实验技能的掌握。所以,仿真实验必须与传统实验教学相结合才能发挥其应有的作用。

2.电子技术课程虚拟和实际实验教学的对比

传统的电子技术实验方法是:学生在实验室根据给定的电路图和元器件搭建实验电路,甚至部分实验使用了现成的电路板,用仪器测量数据得出结论。在实际实验之前,学生要根据实验目的设计实验步骤,在实验过程中则要一边动手做实验一边仔细观察实验现象(包括借助于实验仪器来观察)、记录实验数据,并通过分析实验现象进行推理并最终得出实验结论。相对于真实实验,虚拟实验是基于虚拟现实技术实现的,在虚拟实验系统中,实验设备和实验仪器虚拟化,实验现象和实验过程虚拟化,学生在虚拟实验中通过操作鼠标、键盘及与计算机相连接的各种多媒体数据输入设备进行点击或拖放等动作,从而实现对虚拟设备的操作,完成对虚拟实验的体验。学生从虚拟实验中得到的是一种虚拟的体验,这是一种抽象的体验。在电子技术实验教学中,虚拟实验采用MultiSim1.0软件设计与仿真,即在计算机上设计搭建电子电路,并修改电路及其元件参数,用虚拟仪器测试电路性能并分析原因,完成电子电路的设计定型。仿真通过后,在实验室采用硬件电路实现,并将虚拟实验的结果与硬件实验的结果进行对照分析,通过实际电子电路的设计过程,培养学生的综合分析能力和开发创新能力。通过MultiSim1.0仿真,不仅可以减少实验耗材的消耗,避免实验设备或仪器的损坏,还可以解决实验室高档仪器和元器件不足的问题,具有较强的灵活性。如果学生没有一定的知识和经验,特别是亲身体验作为基础,那么这种虚拟和抽象就不符合学生的认知发展规律,对学生学习经验的获取和意义的建构不仅不具有积极的作用,反而因过于抽象或虚拟而起阻碍作用。

3.虚拟和实际实验的互补作用

虚拟实验是根据教学模型建立的是理想化,虚拟实验包括虚拟元件和虚拟仪器两部分。在虚拟实验中会有一些因素影响其实验数据和结论,只有虚实结合才能正确分析实验结论,而虚拟实验虽能简化实验过程,提高实验的效率和安全性,但不能锻炼学生的动手能力。

(1)目前的虚拟实验系统是实验只能按照固定的、正确的操作流程或方法进行,否则实验不能得到正确的结果,这个结果是机械的,是由程序本身决定的,而不是真实情况的反映。因为程序开发人员是严格按照实验步骤和实验现象进行设计和开发的,可以说一个实验只有一个结果,实验中,不允许学生操作错误或者对实验进行一些改变,这样不利于培养学生从操作失误中发现问题和解决问题的能力,限制了学生的发散思维和创造性思维的发展。

(2)虚拟元件的阻抗通常是默认的,但有些值也可以设置,实际元件每个阻抗可能都不相同,如设置阻抗参数就和操作人员的实际经验有密切的关系,经验越丰富,设置的参数就越接近实际情况,用默认值可能就会有与实际实验不同的数据和结论。

(3)在真实条件下做实验也会因仪器的精度、操作的方法、量程的选择、实现的方法有不同的结果,这本身就是不可避免的误差产生的因素。虚拟实验的理想化和真实实验的具体情况本身就有一定的差异,在必然和理想条件下的实验数据和结果存在误差。

(4)虚拟元件中不可能存在真实实验中的一些情况。如导线会存在的分布电容、电感、电阻,对虚拟实验的结果会有一定的影响。

(5)虚拟实验在一些演示性和验证性类型的实验中发挥了较好的作用,但是在实际操作性强的实验中,则降低了学生的动手操作能力。比如,电子技术很多实验中,需要实验者根据不同的实验条件使用不同的导线连接实验线路。在虚拟实验中,只要点击相应的按钮就可以把导线连接到仪器上,学生根本体会不出不同方法所用的导线及导线连接方法有何不同,不能锻炼实际动手能力。

要使虚拟实验和实际实验的数据和结论接近,关键在于虚拟实验系统在建立虚拟仪器和元件库时,要考虑实际的环境和结论后,设置一些指标和参数,同时也要使真实实验的条件向理想情况趋近,如保证理想的室内温度,考虑参数的分散性等,这样才能使虚拟实验的数据和结果仿真到实际实验的数据和结果。电子技术虚拟实验,增强了实验课的教学效果。虚拟实验不受时间及空间的限制,学生可以自主地完成实验,具有良好的发展前景。但虚拟实验的实现是一项复杂的工作,还有许多理论和技术问题有待进一步探讨,因此,在现有条件下,虚拟实验是不可能完全代替实物实验的。在实物实验过程中,元件参数分散性、误差、噪声等现象是客观存在的,对于培养学生的和创造性思维是至关重要的,也要引起足够的重视。只有先理论后实践,先做真实实验后做虚拟实验,或先做虚拟实验后做真实实验,才能使二者有效结合,相互依存,使电子技术实验更完善。

参考文献:

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第6篇:虚拟实验设计论文范文

论文摘要:虚拟实验的出现引起了实验领域的一场新的革命.本文借助于虚拟现实技术。分析虚拟实验室的实现模式及体系结构,并根据虚拟实验过程研究了主要功能的实现.本文为虚拟实验方面的研究提供 了一定的 参考 借鉴.

虚拟实验技术是基于一定技术进行的实验,是信息时代 发展 的产物,是人类的实验技术和研究能力进入一个新发展阶段的标志.学生通过虚拟实验 ,可以对实验的思想和方法、仪器的结构及原理的理解取得较好的效果,达到培养能力、学习技能、深化知识的目的.

1 虚拟实验的设计

1.1 虚拟实验室的实现模式

虚拟实验室的建立,使得处于不同位置的学习者可以同时对一个实验项 目进行实验工作.web为虚拟实验室的实现提供了一种基础平台,基于 web的 b/s构建模式是实现虚拟实验室的一种基本模式.

完善的虚拟实验室包含下面几个重要的组成部分 :第一,能处理大量模拟操作数据的服务器(女口超级 计算 机中心高性能的计算机系统);第二,用于存储模拟数据初始条件和边界条件以及实验结果数据的数据库系统;第三,连接于 网络 的 科学 实验仪器及合作工具等;第四,实验处理软件 ,每一个虚拟实验系统都是基于专业的仿真软件系统的,它们用于数据处理、分析 、存储并使这几个过程可视化.这几个部分的紧密结合就组成了一个虚拟实验室.

1.2 虚拟实验的体系结构

虚拟实验根据参与感知交互方式的不同,主要分为三类:桌面虚拟现实系统、座舱式虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统后 两类虚拟实验系统需要昂贵的设备 ,创建一个虚拟现实系统的花费是相当巨大的,无论是从软件还是从硬件 ,普通的用户都无法承担.因此在 目前阶段还不可能大规模应用,其仅仅运用在军事和航空航天等方面囝i本文研究的虚拟实验系统属于第一类,即桌面虚拟现实系统.和用软件编程方法在输出设备(如显示器)上输出逼真的具有虚拟现实系统特征的三维场景.网络虚拟实验平 台采用的是vrml-java同步协调技术.总体的设计思想如下:

(1)系统结构为 3层 b/s结构,由客户端、网络服务器和数据库服务器组成.b/s结构简化了客户端软件,只须安装web 浏览器作为客户端的运行平台,采用该结构实现的共享虚拟环境比较稳定和健壮 ,可扩展性较好.系统版本的升级及维护均在web服务器端进行的,用户需要访问时才动态下载,这就保证了用户每次使用的都是最新版本.

(2)客户端与服务器端的通信采用基于tcp//p 协议的.1ava socket通信技术 ,java对网络通信提供了强有力的支待,其中 java.net包中的 inetaddress 、url、socket 等类对tcp/ip 协议提供了良好的支持.

独立运行的服务器应用程序主线程负责监听客户端的连接请求 ,连接上后生成另外一个线程与客户端通过‘iep/ip进行通信.在服务器上建立一个共享对象的数据库上面有所有变动对象的当前信息.当一个新用户连接进来的时候,他的信息将写入该共享对象数据库中,同时通过该数据库读取共享对象的信息,并将这些信息在本地机器上的vrml世界中表现出来.

(3)服务器与数据库的通信技术是基于jdbc.

(4)vrml与java间的通信是基于 sai.

综上所述,系统采用 web、vrml、sai、java、jdbc、sql等主要开发技术.虚拟单元作为实验的主体,提供不同的设定参数,以java applet形式运行 ,并通过 vrml脚本编程接口sai与 java进行通信翻.

1.3 虚拟实验的功能层次结构

虚拟实验系统遵循模块化设计的原则,采取类 iso协议的分层技术,无论是什么课程的虚拟实验系统,最终的程序遵循以下的层次结构:上层是实验接 口层;中间是 web服务接口、仿真服务接 口以及中间件等.下层是后台服务程序.

(1)用户实验接口的主要功能:作为虚拟实验室客户端模块的一部分,主要完成“所见即所得”功能,给用户提供一个良好的界面(实验环境).同时引导用户 了解 、熟悉、掌握虚拟实验软件的基本使用方法;收集用户设置的实验参数和数据;检查用户的实验环境是否配置正确.提供与web服务接 口的相关函数.另外 ,还要完成实验结果的采集、处理、优化和显示 ,可以包括各种数据的图形化、图表、动画显示及打印输出.具备简单的智能分析功能,给用户提供方便的处理接口.

(2)web服务接口的主要功能:负责管理虚拟实验系统的一般 web服务请求,负责接受虚拟实验原始数据 ,向客户端发送虚拟实验结果.负责通知消息的 ,统计 网络 状态信息,调整用户权限等.

(3)服务接 口的主要功能:负责调度后台虚拟服务程序,接收上层接口传递的实验数据 ,记录用户的实验过程.

(4)a0间件模块的主要功能:为仿真后台程序和仿真服务接口模块提供通用的接口,向下负责发送调度指令和接收结果,向上负责接收调度指令和发送结果.

(5)服务程序的主要功能:第三方服务程序,提供相应的服务. [

2 虚拟实验的实现

第7篇:虚拟实验设计论文范文

关键词:虚拟网络实验室;计算机;应用

中图分类号:TP302 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2013) 02-0211-01

众所周知,计算机网络是一门理论与实践结合十分密切的课程,实践环节对于学生全面掌握理论知识是十分重要的。计算机网络专业的学生如果只学习理论,不经过系统的实践操作,那么以后在工作中碰到的一些问题对他们来说都无法解决。教师在讲解计算机网络知识时,要想直观的向学生教授计算机网络的内容通过多媒体教室中的单机演示,学生很难真正领悟,要想组建一个网络实验室,由于经费紧张,网络技术的发展迅速,要想让各高校组建现代化、具备规模的网络实验室,确实有很大的苦难,因此,现在很多高等院校通过组建大量的网络实验设备来提高学生的实践动手能力以适应时代的发展。

一、虚拟机技术与网络设备模拟器简介

虚拟机软件是指在一个电脑上建立一个或多个虚拟化环境,使其完整的模拟一个真实的硬件系统,并在此系统上安装软件,运行程序,在一定条件下可以作为一个真实的主机或者设备来进行使用,利用虚拟机技术,可以在一个计算机中建立若干个虚拟系统,每个系统下都有一套虚拟化设备,每个虚拟机都有一个想对独立的虚拟硬件,这些个虚拟系统互不干涉。如果一台主机安装了多个系统,更换系统时,需要重新启动进行切换,而虚拟机技术可以保证多个系统在一个电脑上同时进行,而互不干扰。这样就可以虚拟出一个虚拟网络进行操作。解决了学生在进行网络课程学习中进行扯线、布线、以及在多个电脑之间来回走动的问题。

网络虚拟实验室使用BSDA了结构,四个模块组成:客户端、Web服务器、应用服务器以及实验设备,具备开发周期短,成本低的优点,同时还有很强的兼容性和扩展性,能最大限度的提高仪器的使用效率。虚拟网络实验室的本质是计算,是一类科学计算可视化问题。它在“计算实验”的基础上,可以仿真客观物理世界的过程,检验现实理论的模型,对一些问题进行预测、模拟在实际中无法重复或进行实验的对计算机有破坏性的操作,最大限度的强化了学生的动手实践能力。

二、虚拟网络实验室在计算机教学中使用的优点

(一)投资少、设备更新简单。各高校只需要购买一些软件进行安装与调试,就可以在本校的计算机机房实现初具规模的虚拟网络实验室,这对于一些教学经费紧张的学校,十分适用,计算机通信技术发展势头迅猛,教学的课程要时刻跟随着技术的变更与发展,才能保障我们培养的人才不落伍,可以与时代接轨,虚拟网络实验室的设备升级非常简单,只需要对软件进行更新,就可以完成对实验室的升级。(二)网络设备恢复简单。由于教学中,需要模拟许多实验,虚拟网络实验室一般都会对实验文件进行备份,在教学实践中,学生可以对系统进行无限次的更改、完善、甚至于破坏性操作,课时结束后,不存在需要教师对实验的环境进行初始化或者重新进行调试,可以大大节约了讲师的时间,从而可以让更多的学生有更多的时间,进行实践学习。(三)可以克服不同班级分时上课,资源冲突的困难。由于几个年级、多个班级都要进行计算机网络实践课的学习,且一般的网络实践课程大都需要多个学时进行操作,才可以完成,在完成一个项目时,电脑系统不能进行任何的调整,否则会影响实践课程,在这样如果不同班级进行同一类型的课题研究时,就需要对每一个班级配备一个专业的实验室,就在很大的程度上增加了学校的负担,虚拟网络实验室的出现,最好的解决了这个问题,由于虚拟计算机是以文件形式存在于实体的计算机中,只要学生点击保存,当下次这个班级再来上课时,只要点击相关文件,实验室的相关软件环境就会切到这个班级上次结课时的环境下进行运行,这在最大程度上解决分时上课资源冲突的困难。(四)虚拟网络实验室可以进行许多真实环境难以实现的实验。在虚拟网路实验室,教师可以对学生演示许多在真实环境中不能进行或者难以实现的实验,比如对电脑进行破坏性的操作,分区、格式化操作、这些操作并不会对物理硬盘进行破坏。在计算机网络教学中,很多涉及了病毒查杀的实验,如果在真实环境中进行操作,会对系统产生严重的损害,在虚拟网络实验室中我们可以重复多次这种在现实中无法进行的实验,让学生充分掌握在书本中的教学知识,真正做到理论与实践的充分结合。(五)教师授课更加生动。教师在虚拟网络实验室授课时,可以摆脱以前的PPT教学,从枯燥的书本与教案中解脱出来,一边在大屏幕进行操作,一边用广播的方式进行授课,学生只要认真按照老师的讲解进行实际操作,这样既可以加深对学习内容的理解,又提高了学生的动手能力,在学生遇到问题时,学生可以马上进行提问,老师当场解决,让课堂生动化、有趣化。

三、结语

计算机虚拟网络实验室在各高校的应用,可以解决目前各高校教学经费紧张,硬件设备陈旧无法及时更新升级、学生在实验室的实验时间不充足等问题,提高了教学质量,也可作为各校真实网络实验室的一个重要的补充。虚拟网络实验室可以提高学生的实际操作能力、分析问题的能力,对在以后解决实际网络问题有很大帮助。虽然虚拟网络实验室对于提高学生的个人动手能力有很大的帮助,但是如果想让学生真正掌握一些本领,还需要在真实的网络环境中进行学习与操作。因此,在未来的教学中我们更加应该注重一个“虚实”的结合。

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第8篇:虚拟实验设计论文范文

互联网已进入了一个新的时代———“云时代”。为了更好地促进云时代教育信息化的发展,提高教育技术实验效能,本文以3DMAX课程设计为例,阐述基于云计算(cloudcomputing)的教育技术实验平台的构想与建设。

1基于云计算的教育技术实验室建设

“云”的核心思想是资源集中共享,即将所有的资源集中在一个先进的平台上,使资源在这一平台的统一管理调配下,发挥最大的灵活性和效率,最终给用户提供更加优质的服务。云计算利用高速互联网的传输能力,将数据处理过程从个人计算机或服务器移到互联网上的计算机集群中,客户只需付出很小代价就能获取世界一流的最新软件开发管理技术,享受“云计算”提供的“按需服务”[1-2]。云计算一经提出就以其自身的特色与优势震撼了整个IT界,是目前最前沿的平台架构模式。在教育领域中,进行云计算服务、开展云计算辅助教学等研究与实践活动也正在如火如荼展开,基于云计算的实验室建设也是研究的热点之一。如2010年7月上海盛大网络公司联手AMD公司共建云计算联合实验室,提出互动娱乐媒体发展战略;同年10月16日,珠海斑点猫软件有限公司与澳门大学科技学院在南方软件园共建了“云计算技术应用联合实验室”,将实验室作为双方产学研合作平台,实现校企共羸。笔者基于云计算开放实验室的内涵,结合传统实验室的特点,对比了北京师范大学、东北师范大学等多所高校教育技术专业实验室的建设情况[3],以3DMAX实验课为例,构想了基于云计算的现实物理与虚拟平台相结合的教育技术实验室的体系结构(见图1)。3DMAX是庞大、复杂的软件,比学习其他平面、网页设计软件难度大。该课程的教学一般都是教师先讲授,然后学生练习,实验设计的难度大,单靠学生个人很难完成[4]。而基于云计算的开放实验室在学生的学习方法、实验设计、学习评价等方面都有所创新。

2基于云计算的教育技术物理实验室

2.1实验室特点基于云计算的教育技术物理实验室是在传统实验室的基础上增加一些开放,从而提高教学效率。实验时间开放,不再安排课表,学生可以通过预约,自由选择实验时间来完成所选的实验课程内容;学习过程中采用多种学习方法,如任务驱动法、基于主题的教学法等;云计算环境提供多种教学策略,如支架式的教学、抛锚式的教学、随即进入教学等,帮助学生更好地完成实验。传统实验室的“开放式”特点,能够更好地帮助学生完成实验。

2.2功能模块(1)实验室介绍。包括:①实验室概况、实验室功能、规章制度、提供的服务等;②实验室已有的和将要增加的实验仪器设备;③实验室机构设置和实验教师及其科研成果;④实验室发展规划和发展方向。(2)资源云。主要包括:①实验理论指导,讲解3DMAX的基本理论知识,辅助学习者了解实验原理、掌握实验步骤或操作要领,理解3DMAX软件的各项功能;②资源云,它汇总国内外3DMAX的最新进展以及所取得创新成果,学习者可选择适合个人学习风格的云,进行自主学习;③实验教学视频,指通过3DMAX、Flash、Dreamweaver等工具设计出的大量教学网站。学生只需通过一台可以上网的终端设备,链接后就可以重复看到实验过程,获取多样化的学习资源,并可以建构自己的学习资源云,通过服务器自动下载更新自己需要的资源。(3)网上实验教学管理模块。提供:①实验内容,包括普通3DMAX实验(例如三维物体建模、二维线条建模、复合建模等普通实验)和在此基础上的创新实验;②网上预约,学生预约实验室,可以电话预约、网上预约,避免时间安排冲突;③实验认证,教师根据学生的预约情况和其他条件,决定学生是否可以进行这项实验;④实验成果提交,指学生可以便捷地把实验成果提交到系统,便于资源池里的每一个人即时看到。(4)网上答疑和交流模块。教师与学生随时随地可以通过同步交流工具、异步交流工具进行交流,提出问题、共同讨论和解决问题。如建模过程中如何设定参数、不同的参数会有什么样的效果等问题,教师云、学生云、专家云相互之间沟通无阻,更好地满足了教师和学生的需求。(5)评价模块。在庞大的云资源中存在无数的共同学习者,为评价方式的多样化提供了便利的条件。学习者本人可以根据个人云进行自主评价,包括实验方案、实验过程和实验结果的评价;学习者之间可利用伙伴云进行互评,也可以通过教师云评价。

2.3应用流程为了充分发挥各个模块的作用,按照3DMAX基本实验过程的顺序设计出应用流程(见图2)。

2.4主要优点(1)教育资本的代价小,更节约。教育技术实验对实验室的要求较高,硬件软件的更新换代速度很快。基于云计算,可以根据学校的优势建设功能完备的教育技术实验室,或者共同建立功能完备的实验室。借助云服务器,教师和学生都可以建立自己的云,通过简单的上网设备就可以链接到实验室,极大地节约建设教育技术实验室的资金,提高了设备的利用率。(2)学习资源的更丰富、更开放。云计算为学生提供各种丰富的学习资源,学生只需根据自己的需求在庞大的资源池中寻找适合自己的资源。教育技术的开发性、设计性实验较多,需要的知识面相当广泛,涉及交叉学科、多学科知识,传统的实验室资源不能满足学生的需求。而云计算可为学生提供高效便捷的、丰富的学习资源。(3)评价体系的合理开放,更和谐。教育技术实验的结果大多没有定量的数据特征,如照片、多媒体课件、操作规范程度、教学效果等,给实验的评价增加了难度和不定性因素。在传统实验室的基础上,学生通过学习叙事、学习档案袋等反映自己的学习过程、学习结果,通过自我参照和自我反思进行全面的评价。云计算为这些评价搭建了一个更容易实现的平台。学生通过上传自己的作品,而评价主体呈现多样化,避免了传统的3DMAX成果评价的“自由化”、“主观化”,满足学生的效能感,从而激发学生的学习动力,提高教学质量。

3基于Google协作的虚拟教育技术实验平台

3.1平台特点基于Google协作的虚拟教育技术实验平台具有高度的交互性和智能性,满足不同群体学习者的需求,弥补了普通虚拟教育技术实验平台的分布式和协作式功能的不足。通过完全的虚拟化技术,单个服务器可以支持多个虚拟机运行多个操作系统和应用,从而大大提高服务器的利用率。云计算为实验提供了灵活可变、可扩展的平台服务。虚拟实验系统内拥有丰富的实验资料,包括文本、动画、视频和图片,并且能做到仿真实验与实际实验内容一致、要求一致、界面真实,学生只需按实际实验的要求与步骤进行虚拟操作,并可在实验完成后下载实验成果。系统还具有交流、讨论以及用户管理、系统维护、留言板和信箱等功能,为实验的顺利完成提供有力的保障[5]。

3.2功能模块(1)虚拟平台介绍模块。介绍虚拟平台的组成部分及其使用说明、建设情况和发展方向。(2)虚拟社区模块。主要分为三大部分:①建设管理区,主要负责虚拟平台的设计、建设、升级维护和使用管理;②模拟实验使用区,主要的对象是那些使用平台进行实验的小组或者个人;③经验交流区,是平台成员互相交流经验和成果的讨论区。学习者通过鼠标或者键盘飞行、行走或传送到其他虚拟社区中[6-7]。(3)虚拟资源库模块。主要构成为:①虚拟设备,分为虚拟环境构建语言和模拟计算软件,备选的设计语言工具有Flash、VB、Java、VC++、几何画板等,这些工具都具有强大的计算功能、绘图功能和交互功能;模拟软件包括商业化软件和科学开源程序,有利于学习者根据自己的需求在模拟软件的辅助下完成特定的任务;②虚拟环境,包括使用语言工具所编写出来的实验仪器环境和模拟计算程序、使用模拟计算软件构建出来的各种设备两部分,能够使学生如身临其境地感受到实验操作环境以及一些现实实验仪器无法达到的实验效果;③虚拟应用说明,即多样化的学习资源和各种虚拟设备的使用说明,方便广大用户更好地进入到虚拟实验环境中。(4)虚拟平台管理模块。包括平台账户申请、实验内容、时间安排、实验报告。(5)虚拟成果展模块。教师和学生通过云计算提供的环境———在线实验展厅,展示虚拟实验环境构建和实验结果,并可以对虚拟过程进行讨论,其中运用小组PPT展示法、Picasa网络相册展示法等方法。(6)评价模块。实验学习的评价是教学评价中比较困难又很重要的环节,侧重实验思想和过程的评价方式尤为重要。基于云计算的虚拟环境为评价的合理化提供了必备的条件。可以使用页面评价模块和Google表单进行讨论,可以使用列表页面添加评论等方式对作品进行评价[8]。评价3DMAX作品,不能单一察看最终作品,而是要评价其制作过程,通过对制作过程的评价,可以有效引导学习者做出高水平的作品。(7)平台扩展模块。主要指现有各类虚拟软件的升级维护以及对其他虚拟环境构建工具的扩充,还有云计算平台硬件维护扩建。教育技术实验平台各个模块及流程见图3。

3.3主要优点与真实实验室相比,虚拟平台有以下几大优势:(1)环境虚拟。平台不需要专门的实验场地、实验设备、实验原料,只需要计算机和虚拟实验室的软件;实验不受空间、时间和次数的限制,只要有计算机就可以随时随地进行实验;实验室更新快,只需安装新的虚拟实验室软件或更新软件即可。(2)实验预演。基于云计算的虚拟环境可以设计出可供学生选择的、丰富的、随时可得的、有层次的学习资源,这些学习资源都是综合处理的超文本、图像、图形、动画、视频、语音。学员可以根据现实实验的要求,在虚拟实验的过程中进行课程预操作,然后查找问题并能向教师及时反馈疑难点。教师也可以自己预演实验过程,对遇到的具体问题进行收集、分析反馈,对实验方案即时做出相应的调整。(3)氛围新颖。虚拟空间中有学习者、指导者、伙伴和助手,仿真度高。云时代为虚拟实验提供了更广阔的平台,学习者可以有选择地学习合适的虚拟资源构建工具,可以创建个性化学习环境或者对自己所处的网上学习环境加以改变。虚拟情境下,探究者的每一步学习进程都是通过点击鼠标或者键盘完成的。利用学生实验过程中的具体操作过程记录、学生在操作过程中同步的语言描述和实验结束后该实验的记录和回放功能以及实验报告,教师可以对学生的实验思想和方法进行评价。

第9篇:虚拟实验设计论文范文

关键词:虚拟仿真;实验室建设;采矿工程

中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2016)10-0141-03

东北大学采矿工程专业,根据学科发展需要及培养卓越性人才的需求,适应教育部开展部级虚拟仿真实验教学中心建设要求,从2010年开始建设部级虚拟仿真实验教学中心。

采矿工程专业的课程应用实践性强、紧密结合生产实际,教学大纲要求学生深刻理解采矿工艺、岩石力学等理论并能够联系实际解释实际工程施工过程中的岩土体失稳、破坏问题及其防护原理。野外考察和现场实例无疑是弥补这一缺陷的重要内容,但遗憾的是,由于受到现场条件、人力、物力和财力的限制,很难在教学中实际操作。现场和物理试验虽直观,但由于各学校实验室观测手段、经费等条件的限制,传统的教学内容已经不适应新形势对创新人才能力培养的要求,不能体现时代特色和新的教育观念,缺乏理论联系实际的有效方法。因此,需要对传统的教学内容进行改革,实现“教与学的互动、理论与实践的结合、能力与兴趣的共增”这一教学目标。

一、东北大学采矿工程部级虚拟仿真实验教学中心建设

随着数值计算方法、虚拟仿真技术与计算机技术的发展,这些方法和技术为采矿、岩土及其岩石力学实验提供新的辅助教学手段。利用现代计算力学新理论、新方法和计算机可视化技术,对岩石的变形与破裂过程进行数值仿真和试验,不仅可以达到采矿、岩土工程设计及岩石力学实验辅助教学的目的,而且可以突破传统现场工程实践周期长、危险性大以及岩石实验观测难、分析难、重复难等多种弊端,是采矿、岩土工程实验教学改革的一条新路。

数值试验和虚拟仿真技术注重于对一些由于经费、时间、难度等因素的制约而难以在实验室再现的现象进行虚拟显现,更强调运用数值实验的结果加深对未知现象的探索,具有通用性强、方便灵活、可重复性等特点。所以,针对采矿、岩土工程实践周期长、危险性大以及岩石实验观测难、分析难、重复难等多种弊端,通过建立虚拟仿真教学实验室开展实践教学,帮助学生深刻理解工程设计原理,掌握理论知识,提高学习兴趣和创新能力,理论联系实际,提高实验教学效果,对于产学研有机结合具有重要意义。东北大学采矿工程专业为解决采矿工艺优化设计、岩土力学实验、采矿围岩岩体失稳数值仿真模拟等大型复杂实验中物理实验设备昂贵、维护费用高以及采矿现场安全性差等缺点成立综合性虚拟仿真实验教学中心。

本虚拟仿真教学实验中心在发展的过程中遵循“物理实验与虚拟实验并重”、“科学研究指导教学实践”的实验教学理念。中心的建设主要依托于国家采矿工程重点学科、教育部金属矿山深部开采重点实验室、辽宁省岩土力学实验教学示范中心、东北大学―东北建筑设计院合办的辽宁省岩土工程研究中心、长江学者创新团队、招金集团东北大黄金学院。经过快速发展的4年,中心至2013年已形成了系统性的虚拟仿真实验教学平台,虚拟仿真成为教学的重要内容。2013年,建立东北大学-山东招金集团有限公司部级工程实践教育中心。2014年,中心所授课程《采矿学》获部级教学成果奖。2015年,东北大学采矿与岩土工程虚拟仿真实验教学中心获批省级虚拟仿真教学中心,为中心今后的发展提供了更好的契机。

二、东北大学采矿工程部级虚拟仿真实验教学中心实践

东北大学虚拟仿真教学实验中心主要承担采矿工程、资源勘查工程、测绘工程、安全工程、工程力学5个本科专业及其他相关专业的虚拟优化设计、数值仿真计算、数字矿山、地质测量、虚拟安全工程训练等实验、实训课程。此外,还服务于全校本科生各类创新竞赛和研究生的课题研究。中心目前设有4个实验室:矿山测量与数字矿山虚拟仿真实验室,采矿优化设计虚拟仿真实验室,岩石破裂过程与大规模并行计算数值实验室,安全环境及装备虚拟仿真实验室。

以上4个虚拟仿真实验室,开设各类虚拟仿真实验。中心面向全校相关专业承担课程实验教学、设计实践教学、工程训练实践教学。根据不同专业的教学需要,在虚拟仿真实验教学中实施了分类教学,对采矿、岩土、安全、资源勘查、测绘、力学专业学生开设基础型实验、设计型实验、综合型实验,部分同学选作创新型实验。另外,中心作为大学生课外科技创新设计与制作的主要支撑单位,为其提供设备仪器、场所和指导。

以下以采矿优化设计虚拟仿真实验室的露天矿境界与开采计划优化设计虚拟仿真实验,全面介绍本实验教学中心的教学实践过程。