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虚拟实验教学论文精选(九篇)

虚拟实验教学论文

第1篇:虚拟实验教学论文范文

1.1虚拟实验提高教学效益高效课堂的教学效益在于让学生在一节课内知识的掌握、方法的运用、能力的培养效益最大化。虚拟实验的引入目的在于在有限的时间内,发挥学生学习能力,获得尽可能多的知识。虚拟实验教学包括以下步骤:①实验预习:实验内容、实验方法和实验原理及预习评价习题;②虚拟实验教学:操作实验原理的过程、注意事项、实验数据分析等方面的教学;③实验评价:对实验预习、实验操作过程、实验数据分析的评价体系。在教学过程中,课前学生根据学案预习新知,做好学习准备,发挥学生的学习主动性。课内教师适宜设置精讲内容,充分调动学生积极性、主动参与性,组织学生分组学习,通过个体观察发现、动手演练,组员团体总结理论,探讨知识,教师启发引导、讲练结合展开教学活动,发挥学生在教学中的主体作用。实验结束后,要对学生的实验结果进行系统评价,评价内容包括对课前的预习、课上的实验过程及实验结果,使学生在激励、鼓舞和自主中学习,掌握知识和技能。仍以放大模块学习为例,整个模块的学纲要求16课时,实际教学课时为12课时,通过将基本放大电路和分压偏置放大电路验证性实验引入虚拟实验,合理将课时压缩,并成功完成教学任务,达到预期教学效果。整个课堂教学充分体现:(1)教学过程学生主动参与:学生通过教师的启发诱导和对实验现象的观察分析,对学习内容进行研究探讨,充分体现了“以学生为主体,教师为主导”的教学原则。(2)教学过程中三维目标有机融合:学生在学习过程中体验了科学研究的严谨,在合作获得知识和技能,在课堂任务的驱动下增强责任心,同时享受了学习成功的快乐。(3)教学过程多形式巩固学生学习成果:教学中及时跟进、监测、反馈、消解,以多种方式帮助学生理解学习内容,使三维教学目标的达成度更高。

1.2虚拟实验关注学生全面和谐发展通过引入仿真实验,学生消除了畏惧心理,大胆的进行各种实验模型的测试,开拓了视野,从而学生学习更加主动,学生由被动的知识容器和知识受体转变为知识的主宰、学习的主体。学生在模拟的世界中得到分析问题、解决问题的能力,在疑问中掌握并巩固所学的知识,记住重要的概念和定律应用,从而达到举一反三的效果。课堂上师生共同交流合作,和谐互动,在轻松愉悦的氛围中进行教学活动,在有效激发学生学习兴趣,提高学习效率的同时,培养了主动探索、自主创新的能力和团结合作的精神。理实一体化教学模式旨在使理论教学与实践教学交互进行,融为一体,让学生在“学中做、做中学”,在学练中理解理论知识、掌握技能。虚拟实验教学的引入,恰是帮助了学生更好得在学中做、更好的在做中学,虚拟实验的无危险性、易操作性大大激发学生学习的热忱,虚拟实验的逼真环境增强学生的学习兴趣,学生边学边练边积极总结,培养了学生的学习能力,达到事半功倍的教学效果。

2通过引入虚拟实验,拓展实验教学的时空性

通过引入虚拟实验教学,打破传统实验教学的局限,优化了教学资源,拓展了实验教学的时空性,为学生提供了一个开放性的实验平台,使学生快速、便捷地获取各种所需的知识和技能。

2.1虚拟实验拓宽了实验室的空间虚拟实验以计算机仿真技术为核心,融合了现代教育技术教学手段,具有建设速度快、成本低、易于管理的特点。传统的实验教学常常由于资金不足导致实验设备紧缺且落伍,学生招收人数多引起设备数量、实验场地的不足等等,这些因素都限制实验室的发展。虚拟实验作为现有实验室功能的一个重要补充,它以自身独有的计算机仿真技术优势,以及虚拟实验室中实验仪器可复原、无限次使用的特点,大大降低了实验成本,一定程度上弥补了真实实验场地、设备数量的限制和资金的不足,拓宽了实验室的建设空间,为学生提供一个身临其境的实验环境的同时,优化了实验教学资源。

2.2虚拟实验拓宽了实验学习的时间在实际教学中课程实际教学学时常常少于大纲分配学时,从而导致学习内容多而学生学习时间的不充裕的情况,其次由于学校课堂时间和实验室的使用有限性,学生往往无法将实验现象全部理解。基于虚拟实验室的资源共享性的优势,学生可以安装在自家电脑上模拟,根据自身的实际情况课余可以回家自行研究探索知识。虚拟实验室使得学习打破了学习时间的限制,学习空间也得到了延伸,学生在学习中起到主导地位,掌握了学习的主动权。

第2篇:虚拟实验教学论文范文

一、网络虚拟实验室的建立

1.虚拟现实技术

虚拟现实VR( Virtual Reality) 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) .

[ 3] 易小琳, 王鑫等.网上计算机系统虚拟实验室的研究.计算机工程, 2002( 1) .

第3篇:虚拟实验教学论文范文

[关键词]虚拟实验;整合情境;轻游戏;沉浸理论;整合教学法

[中图分类号]G40-057 [文献标识码]A [论文编号]1009—8097(2013)11—0109—06

一 引言

虚拟实验注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性,主要是借助于图像/图形、仿真和虚拟现实等技术在计算机上所营造的可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环节。通过研究发现,现在的虚拟实验普遍存在以下几个问题:第一,虚拟实验缺乏趣味性,枯燥乏味,不能引起学生的兴趣,学生很难主动投入学习并维持学习兴趣。第二,虚拟实验缺乏与学生的互动,基本上虚拟实验是由教师控制界面,学生处于聆听模式。第三,教学理论陈旧无力,学习者缺少自主探宄,合作分享的机会。以上这些问题容易导致学习者对虚拟实验缺乏兴趣,产生厌烦、急躁甚至排斥的情绪,学习效果大打折扣。归根到底,出现这些问题的原因是与现代教育理念相悖,现代教育理论倡导教师应由处于中心位置的知识权威转变为学生学习的指导者和合作伙伴、设计者、教育的研究者,学生应由被动的知识容器和只是受体转变为知识的主宰、学习的主体,学习环境应由简单的背景化信息转变为具有吸引力和复杂情境的功能性教学载体。由此可见,虚拟实验的设计面临着改进需求。

按照2002年麻省理工学院和微软公司提出“现代教学法+艺术化游戏环境=下一代教育媒体”的观点,虚拟实验要实现吸引、促进学习者沉浸其中,使学习者深度体验实验过程,探究实验结果,那么有先进并恰当的教学理论为设计依据,加上具有强烈感官刺激、心理挑战的游戏化环境设计,实现教学、心理、艺术效果的完美结合。据此,我们认为虚拟实验应创设为能吸引并使学习者沉浸其中的虚拟学习环境,这个虚拟环境具有较强的现实感、交互性、艺术性、娱乐性等特点。基于以上考虑,此本文提出创设整合情境,将“轻游戏”元素增设到虚拟实验中,设计了基于整合情境的游戏化虚拟实验模式,并将此设计模式应用到开发的虚拟实验案例中。

二 整合情境及沉浸理论概述

1 整合情境

(1)整合情境的概念。20世纪80年代,比利时、瑞士、法国等欧洲国家提出整合教学法(Integrative Pedagogy),该教学法是训练学生联合调动若干知识和技能,来解决复杂的情境。开始时整合教学法被应用在大学教育、职业培训中,逐渐应用到中小学教育。整合情境(Situation Integration)是整合教学法的核心,学者有些称之为靶向情境(SituationCible)或重新投入的情境(Situation Reinvestissement)。德·克特勒等认为,整合情境是“一个包括主要信息、干扰信息,并运用先前学习的一个复杂情境”,它有三个构成要素:物质支持工具、若干任务和若干命令。在物质支持工具中呈现出来的实物、背景、信息、功能等都可能是复杂、凌乱无序的。

(2)整合情境与问题情境。上述的整合情境与我们常提到教学论中的问题情境(Problem Situation)较为相似,为了更好地理解整合情境,在此有必要对两者做一个比较分析。学者对问题情境的界定不统一,布鲁纳认为“学习者在一定的问题情境中,经历对学习材料的亲身体验和发展过程,才是学习者最有价值的东西。”他指的问题情境可以理解为一种具有特殊意义的教学环境,既是教学背景,也可以是本学科的问题,还可以是其他学科的相关内容等。埃纳尔和尤尼尔认为问题情境是“教育者为了以下目的所设计的情境:为学生们创造一个围绕某个有待解决的问题进行思考和分析的空间;帮助学生们从这一“空间—问题”出发,对关于某个明确主题的新的表现加以概念化。”它包含三个因素:背景、信息和有待完成的任务。从上述概念来看,整合情境与问题情境确实有很大相似之处,都是为了教与学活动,完成某些教学任务的具象化背景,但两者的内涵和侧重点并不相同。两者的比较如表1所示。

从表1不难看出,整合情境和与我们一般所指的问题情境有很大区别,第一,功能性,整合情境更具明确的目标,教师应考虑如何利用支持工具,也就是情境的利用,而不像问题情境更重视的是情境本身。第二,情境的类型,整合情境倾向于自然情境,需要学习者在真实的环境中辨别、分析,适合学习者个体探究学习,而问题情境更多的是建构的情境,是教师为了教学目的而设计出来的情境,使学习者个体或小组获得知识和技能。第三,设计整合情境的初衷是为了整个学业的提升或学习评估,相对问题情境的目标要广泛和深远。按照达蒂夫¨2J的说法,问题情境是“任务来源”,而整合情境是“任务靶向”,可以理解为一个偏重于问题本身,一个偏重于通过问题来探究的目标。一言蔽之,整合情境是“被瞄准”的问题情境,为了更明确的方向和目的所设计的问题情境,整合情境相对于问题情境更具复杂性和真实性,更适合学习者探索和建构知识和技能。

2 沉浸理论

沉浸理论(Flow Theory)于1975年由Csikszentmihalyi首次提出,解释当人们在进行某些日常活动时为何会完全投入情境当中,集中注意力,并且过滤掉所有不相关的知觉,进入一种沉浸的状态,这种状态被描述为“流”(flow)。Wigand和Nilan将沉浸感分为三个阶段:沉浸的先前准备阶段、沉浸体验阶段、沉浸体验的结果。沉浸的先前准备阶段所考虑的要素包括注意力的集中、明确的目标、与玩家技能相平衡的挑战、活动的趣味性、简单快速的上手;沉浸体验阶段的体验包括行动与意识的统一、高度专注、对活动的控制感、时间感的变化、远程监控感;沉浸体验所带来的结果是促进学习、激发学习者的探索行为、信息技术的接受及使用、行为控制的认知。从文献可以看出,国内外游戏的设计和开发基本都与沉浸理论相关,游戏化的学习的设计和开发也当如此。有研究表明,“深度沉浸的学习相对于浅度沉浸的学生而言.在虚拟实验的环境中更容易获得满足”。据此我们认为追求流体验是游戏化虚拟实验设计的重要目标和依据。

三 基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计

基于以上的理论讨论和实践研究,本文提出基于整合情境的游戏化虚拟实验模式,这种虚拟实验模式以创设整合情境为手段,以“轻游戏”元素为设计元素,目的在于增加学习者虚拟实验的沉浸感,激发学习动机,维持学习体验,从而达到提高虚拟实验学习的效果。

1 基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计机理

根据心理学研究表明,要真正达到教学效果,必须从吸引学习者,维持学习者注意力着手,实现虚拟实验的沉浸体现。然而内部的心理活动是由外部的刺激,反复强化才能影响。所以外部的教学设计成为虚拟实验的关键,笔者认为可以从创设整合情境入手,给学习者营造一个逼真复杂的情境,这个情境即包括教学情境,还包括现场情境,避免枯燥无味又不具备现实意义的学习环境。本文提出,虚拟实验过程应是一个“三层”体系结构:教学层、行为层、心理层,实现一个由外至内的心理过程,由教学活动至实验过程,再到达到学习者沉浸体验的过程,从而提高学习者学习兴趣,维持注意力。具体见图1。

从图1可见,教学层、行为层和心理层都包括技术和学习两个方面,教学层处在基础的地位,也是最重要的层面,它是引领学习者进行虚拟实验的关键手段和方法,包括创设整合情境,设计实验界面,教学设计等;行为层是学习者完成虚拟实验的过程,探究实验结果;心理层是虚拟实验的最高层面,实现心理沉浸,保持学习注意力,从而完成虚拟实验的体验活动。这三层体系结构是一个从下到上,从外到内,从教学到心理一个完整的过程。

2 基于整合情境的游戏化虚拟实验设计模式

根据上述基于教学层、行为层、心理层的“三层”游戏化虚拟实验的设计机理来设计虚拟实验学习模式。虚拟实验主要分为:演示实验、验证试验和探索实验三种,它们一般的实验流程为激发兴趣、获取知识和经验、验证、应用和控制。为了体现实验的特点本文称实验操作为行为层,而每一个实验行为都对应着教学层的教学活动以及心理层的沉浸过程,它们的相互关系及内涵是学习模式的核心内容,见图2。

(1)教学层:创设整合情境、设计游戏化元素。为了能吸引学习者全身心地投入到虚拟实验中,首先可以从教学设计层面设计具有整合情境的虚拟实验环境,使学习者被生动、自然、复杂的情境所吸引,目标直指虚拟实验的核心知识:然后重点设计具有游戏化元素的虚拟实验,包括人物、场景、情节、任务和音效等,以声音、图形、视频等多媒体表现实验内容;最后通过设计的交互活动达到知识巩固、反思和激励的作用。

(2)行为层:操作游戏化虚拟实验。虚拟实验教学设计的目的是使学习者能按既定的设计步骤达到相应的实验目标,虚拟实验一般分为演示实验、验证试验和探究实验,一般都有以下几个步骤:激发兴趣、获取知识和经验、验证实验、实验的应用和控制等。实验过程是学习者在教学设计下完成的是可见、可控制的行为活动。

(3)心理层:实现沉浸体现。为了使学习者达到知识的内化,可以通过设计游戏化虚拟实验吸引并维持学习者达到长时间的心理沉浸感,可以分成沉浸准备阶段(吸引)、沉浸体验阶段(维持)、沉浸反馈阶段(迁移)三个过程,每个过程都需要和相应的教学设计和实验操作阶段配合发生,整合情境的创设就是为了激发学习者的兴趣,达到学习者沉浸体验的准备阶段。游戏化虚拟实验的设计就是为了使学习者在实验过程中获取相应知识和经验,达到学习者沉浸体验阶段。而教学反思和巩固为的是使学习者很好的应用实验知识,达到沉浸反馈阶段,实现知识的迁移。

3 基于整合情境的游戏化虚拟实验的特征

(1)强调自然情境的学习意义。从社会学的视角来看,“情境”指一个人正在进行某种行为时所处的社会环境,是人们社会行为产生的条件;从心理学的视角来看,“情境”指的是事物发生并对机体行为产生影响的环境条件;学习论的视角来看,“情境”则是学生从事学习活动、产生某种学习行为的一种环境和背景。基于整合情境的游戏化虚拟实验所指的“情境”在学习环境中一般并不存在,它是被建构出来的,任务的结果也不是一目了然,信息复杂,表述曲折,难以理解,具有障碍和隐蔽性,更趋向于真实的自然情境,但它的功能明确,即为了服务教学目标。

(2)强调游戏对学习兴趣的激发。布鲁纳等认为学习是学习者内部动机驱动的积极主动的建构过程,激发学习者的学习动机尤为重要。基于整合情境的游戏化虚拟实验强调利用“轻游戏”的设计,给学习者创造“流体验”,使学习者更容易沉浸,达到深层次的参与。虚拟实验的激发兴趣、获取知识和经验、验证、应用和控制等一般步骤,都可以在游戏化虚拟环境中完成。我们认为,游戏不是虚拟实验的目的和重点,游戏化的环境设计是让学习者能沉浸虚拟实验学习的手段,完成心理层面的沉浸体验的三个阶段,最终实现虚拟实验的知识获得或迁移。

(3)强调教师对学习者或学习小组的支持。建构主义学习理论强调学习者积极主动地建构知识,教师的地位发生了变化,从原来的灌输知识主导教学活动。基于整合情境的游戏化虚拟实验“情境”的设计者一般是教师,当然也可以是其他成员,情境的发起者和解决者之间形成合约的关系,教师可以让学习者选择是否进入学习情境,学习者可以自由选择学习方式,教师可以提供帮助,督促学习者学习,直到评估合格。整个教学过程的设计十分重要,关系到整个学习过程的展开。学生或者学习小组成了主体,而教师的地位退居其后,成为中介者、支持者,负责情境的建议和发起,更多的学习主动权交给了学生。

(4)强调探宄学习对虚拟实验的作用。虚拟实验可充分发挥其优点,根据实验的特点和学习者的特征,控制实验的条件,设计、开发具有较强交互的探究性虚拟实验。基十整合情境的游戏化虚拟实验由于其具有较强的现实性、趣味性,更适合也更容易探究学习。学习者或学习小组从整合情境中的复杂信息或自身具体经验出发,通过观察和反思概念或认知,设计或验证试验方案,这样的学习过程往往不能一次性完美完成,学习者或学习小组得反复探宄,不断完善和修正。如此一来,可以发展学习者的积极主动性和探索精神。

综上,基于整合情境的游戏化虚拟实验实质上是创建了以学习者为中心,教师为支持的整合学习环境,这个学习环境具有一般虚拟实验特点的同时还具有情境性、艺术性、娱乐性,吸引并使学习者沉浸其中,完成虚拟实验的演示、验证或探究活动。

四 基于整合情境的游戏化虚拟实验的应用案例设计

近年来食品卫生和安全成为备受关注的热门话题,为了加强青少年对食品添加剂方面的知识,提高选购安全食品的能力。本研究基于以上提出的基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计理论,设计开发了能进行虚拟实验和检测的食品添加剂虚拟实验室。

1 教学设计。根据“食品安全学”教学大纲和实验要求,为了学习者能融入并沉浸到虚拟实验.达到主动探究学习,获取实验知识和经验的目的,本文设计并开发了“添U加C”游戏化虚拟实验,以下将介绍该虚拟实验的设计和实现研究。

(1)整合情境创设与游戏化学习活动设计,如表2。

(2)游戏化虚拟实验。根据以上游戏化学习活动设计,我们可以将游戏化虚拟游戏过程主要分为三个阶段:整合学习活动、轻游戏化探究学习、反思分享。

①整合学习活动阶段。依照整合教学法的理论,学习是一些展开局部学习2、使用整合情境和评估情境所构成的一个连续体。整合学习活动是本案例的设计重点,主要是从其三要素:物质支持工具、信息、命令来展开设计,该案例将物质支持工具和信息整合在资料中,即物体、背景、信息、功能、信息等。

虚拟实验教学目标:为了了解食品添加剂知识,学习者进入了一个三维虚拟的超市进行选购食品,学习者可以根据以下资料,了解食品中含有哪些添加剂?推断食品添加剂对人身体有哪些影响?以及计算出人一天食品添加剂最高剂量是多少?

资料1:选购商品情境,如图4。

资料2:介绍食品添加剂情境,如图5。

命令1:完成购物报告,如图6。

命令2:完成虚拟实验,如图7。

命令3:完成实验报告,如图8。

命令4:完成添加剂重新选购,如图9。

通过以上整合学习活动后,学习者将传统学习而来或自有的经验知识整合到复杂的情境中,进行自主学习,该虚拟实验提供了物质的支持工具和信息,教师处于支持或辅导的地位,学习者被生动、自然、复杂的情境所吸引,目标指向虚拟实验的核心知识,完成指定的命令任务。

②“轻游戏”化探究学习阶段

尚俊杰等【22】对“轻游戏”的界定为“轻游戏=教育软件+主流游戏”,认为它首先是一个教育软件,并追求主流游戏的内在特征,如挑战、好奇、控制、目标、竞争、合作等,以此平衡游戏的教育性和游戏性。本虚拟实验的设计遵循“轻游戏”的设计思想,将虚拟实验设计成模拟类游戏。第一,本游戏化虚拟实验具有模拟仿真性,学习者进入的“添u加C”食品超市,其中的人物、货物、货架、标签、背景、音效等完全仿真现实超市。第二,本游戏化虚拟实验具有“轻游戏”元素设计,如情境、系统帮助、导航、虚拟实验关卡逐级递增等。第三,本游戏化虚拟实验具有真实并可完成的任务,学习者在挑选自己喜欢食品时,会出现该商品包括添加剂的情况等信息,这时适时对学习者进行添加剂知识的介绍,而学习者在离开超市前得完成添加剂知识的实验报告和虚拟实验,之后会让学习者重新选择食品的数量和种类。这样的设计是让学习者在知道、了解、掌握、应用食品添加剂的学习过程中,完成探究学习活动,教师或本虚拟实验设计者自始至终处于整合情境的发起地位,学习者主动思考、积极参与、探索食品添加剂知识成为本虚拟实验的重点。

③总结分享阶段

总结分享是一般虚拟实验的应用阶段,本虚拟实验要求学生在完成整合学习活动和“轻游戏”化探究学习后,完成食品添加剂的知识巩固练习,并在退出虚拟实验前在工艺宣传栏中填写自己对食品添加剂的宣传语,分享游戏化虚拟实验的学习心得体会,效果如图10、11所示。

2 模块设计与实现

本虚拟实验仿照了现代超市模式,按照功能进行区分,主要有购物中心、服务中心、支付中心、帮助中心。依次是对食品添加剂的了解、学习、反馈和巩固四个阶段。

(1)购物中心:是对食品添加剂的初步了解阶段。它模拟现代超市购物环境,通过键盘方向键来控制购物车的运动,按照食品的分类主要有五大区域:生鲜蔬果区、休闲食品区、粮油调味区、酒饮冲调区、营养健康区,选购时能显示食品名称、所含添加剂、原料、保质期、生产日期等信息,购物中显示购物清单,结束购物时得出购物报告,告知是否购买的食品添加剂超出国家标准。

(2)服务中心:是以食品添加剂学习和实验阶段,主要分为添加剂原理实验、剂量对比实验、添加剂案例三个部分。通过这样的实验,一方面深刻理解添加剂的功能与副作用,另一方面加强青少年动手能力。离开服务中心时,得出实验报告,告知在该中心做了哪些实验,并得出实验结论。

(3)支付中心:是以对食晶添加剂学习的反馈和巩固阶段。由于之前在服务中心的学习,会对食品添加剂有了一些队识,因此在支付报告中,学习者可以再次决定哪些食品是否要购买,以及购买的数量,还包括有奖测验和公益宣传两个模块。

(4)帮助中心:主要包括课件导航地图和添加剂知以帮助,主要是帮助青少年更好地了解该虚拟实验室的结构及操作及其对各种添加剂的认识。

本虚拟实验经过反复的调试,实现了在整个超市各个中心的数据传递,用Asp连接Access数据库,按照数据结构来组织、存储和管理数据,完善地管理各种数据库对象.实现登录注册页而、购物清单和公益宣传等数据的传递。

五 结束语

本文通过文献调研、设计机理与模式的提炼、案例的设计开发等研究,提出了基于整合情境的游戏化虚拟实验模式,并将此模式进行了初步的应用。实践证明该虚拟实验模式具有很好的艺术性、娱乐性,能很好地将虚拟实验与轻游戏化体验结合起来,能吸引学习者进入虚拟实验过程,有一定的保持吸引的作用,并能保持沉浸效果,对于学习者探究能力和合作能力的培养有一定促进效果。但是,由于研究条件和时间的限制,本研究还存在很多的局限,如案例设计和开发内容有待进一步深入,设计策略不详尽,交互设计何待改进等。我们将在后续研究中,将对该模式进行实验研究,通过数据统计和分析出该模式在维持学习者动机、学习效果、探究认知等方面的情况,为实现吸引学习者并保持沉浸感的虚拟实验进行更深入研究。

第4篇:虚拟实验教学论文范文

关键词:汽修专业 教学 虚拟汽车维修实验室

中图分类号:G424 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2014)01(b)-0132-01

随着我国国民经济的快速发展,汽车在人们的生活中越来越普及,社会对于汽车维修人才的需求也日益增多,这样一来,就给职业学校的汽修专业带来了较大的发展机遇。而在汽修专业教学中,教学设备往往能够起到较为重要的作用,尤其是在实训环节。由于受到新加坡“教学工厂”和德国“双元制教学”的启发,虚拟汽车维修实验室正在逐步进入到汽修专业教学中。虚拟汽车维修实验室综合运用了系统技术、信息技术、相同原理、数学理论以其他汽车相关技术,属于虚拟实验室的重要组成部分。虚拟汽车维修实验室包含了大量的多媒体素材资源,且具有强大的课件制作功能,能够有利于资源的快捷搜索和导入导出。与此同时,虚拟汽车维修实验室还有形象直观的屏幕展示和个性化的界面设计,能够让学生的学习兴趣得到大幅度的提高。该本文就虚拟汽车维修实验室在汽修专业教学中的应用进行研究。

1 虚拟汽车维修实验室在汽修专业教学中的重要性

虚拟汽车维修实验室作为现代化的实验系统,聚集了多种现代先进技术,其能够在促进学生全面健康发展、提高汽修专业教学质量方面起到较为重要的作用。

(1)虚拟汽车维修实验室聚集了多种现代先进技术,能够大幅度提高学生的学习效率。在传统汽修专业教学中,很多教学内容和实验内容都难以满足市场和企业的需要,他们必须在毕业之后在企业重新回炉之后才能够工作,费时费力,而虚拟汽车维修实验室则能够针对这一问题予以及时解决,学生能够利用虚拟汽车维修实验室学到更实用、更先进的汽车维修技术。

(2)虚拟汽车维修实验室能够较好地促进企业与职业学校之间的合作交流。能够让学生在学校学习时更加有针对性、目的性,学生在毕业之后也能够更快、更好地融入到他们的工作岗位中,与此同时,企业也可以定期安排一些员工到职业学校的虚拟汽车维修实验室进修,可以让这些生产一线的员工了解到全球汽修技术趋势及热点。

(3)虚拟汽车维修实验室能够较好地培养学生创新能力、动手实践能力。不同于传统形式上的实验室,虚拟汽车维修实验室不需要教师花费精力与时间来准备实验教学课件、实验器材等,其自带的演示实验和课件即可满足需要,与此同时,虚拟汽车维修实验室还具有较强的自我监控功能和自我学习功能,能够较好地培养学生创新思维能力和实践能力,进行自主探究活动。

2 汽修专业教学中如何应用虚拟汽车维修实验室

2.1 以学生为中心设计虚拟汽车维修实验室教学

当前虚拟汽车维修实验室教学正在逐步地转变为以学生为中心,而不再是过去那种以教师为中心的教学模式。新型教学模式强调应该将学生学习积极性充分调动起来,通过师生互动来发挥教师的主导作用和学生的主体作用。令人遗憾的是,很多教师目前还是认为自己才是教学过程的主体,学生上课只需要听讲记笔记即可,这样一来,就使得学生学习兴趣大大降低。

要想突破这个教学瓶颈,教师就应该将虚拟汽车维修实验室的教学重点切实转移到学生身上,将课堂还给学生,相信学生的创造力,力争于培养学生实际应用语言,分析解决问题、独立学习的能力。教师不应该再是课堂的主导者,而应该转变为学生能力的培养者、教学结果的检验者、教学过程的监控者、教学活动的组织者、教学内容的设计者。在上虚拟汽车维修实验室的导言课时,教师应该做好充分的准备,高度重视,将导言课备好、讲好,为培养学生学习虚拟汽车维修实验室课程的兴趣打下坚实的基础。

2.2 加强学生时虚拟实验室系统的了解和应用

在传统的职业学校实验、实训教学时,通常需要教师花费精力与时间来准备实验教学课件、实验器材等,而虚拟实验室系统则不然,它结合了多种现代信息技术,包括技能性学习、观察性学习和符号性学习三类。其中,符号性学习主要是指学生掌握、理解实验规则、实验原理等,观察性学习主要是指虚拟实验室系统的一些演示实验,而技能性学习则指学生操作、使用各种实验设备等。

2.3 加强实践与理论的结合

在传统的汽修专业教学过程中,很容易出现轻实践、重理论的问题,但是对于汽修专业而言,若轻实践则很难让学生具有较强的动手实践能力。而虚拟汽车维修实验室的应用却有利于加强实践与理论的结合。由于虚拟汽车维修实验室聚集了多种现代先进技术,包括了大量与汽车维修相关的实验和课件资料,能够让学生在实践和理论方面都得到共同发展。但值得注意的是,教师要注意对学生在虚拟汽车维修实验室学习过程中的学习状态和学习进度进行适时地跟踪,以此避免走向传统教学的反面,出现重实践、轻理论的问题。此外,教师的教学负担会由于采用了虚拟汽车维修实验室而大幅度减轻,学校可以借此机会来对汽修专业的教师资源进一步优化,建立健全的评价机制、竞争机制来提高汽修专业的教学效率和教学质量,全部提高汽修专业教师的整体素质。

参考文献

[1] 王乾宏,朱献辉,尚存.高职虚拟汽车维修实验室教学存在的问题及改革措施[J].现代农业科技,2010,34(3):120-124.

[2] 汪冰,王树红.高职汽车维修类专业实践教学内容体系构建探析[J].太原大学学报,2009,21(9):133-135.

[3] 郭舜.浅谈高职院校虚拟汽车维修实验室的教学改革[J].闽西职业技术学院学报,2006,30(3):134-137.

第5篇:虚拟实验教学论文范文

论文摘 要:随着时代的进步和信息化时代的到来,我国的网络虚拟技术得到了跨越式的发展。传统的教学实验室已不能满足当代教育发展的需要,被虚拟实验室所替代已逐步成为发展潮流。本文通过对电工电子虚拟实验室的概述和思考,分析电工电子虚拟实验室的重要功能,旨在与同行交流,以适应新时代下的教学实验需求。

我国中职学校在电工电子教学过程中,不仅应注重中职学生基本知识、基本技能和基本方法的培训,也注重中职学生自主实验的要求。这就要求必须配备相应的实验室,因为它是用于培养中职学生的创新能力和发展复合型人才的基本教学和科研场所。而传统的电工电子实验的投资相对较大、硬件设施依赖性强、运行与维护成本过高且效率不高,又由于受到实验课数、实验室的开放和环境等因素的影响,导致我国中职学校的电工电子教学效果不理想。因此,加强对电工电子虚拟实验室的功能探究,对虚拟实验室建设的认识具有十分重要的意义。

一、概述

随着计算机网络的普及与虚拟现实技术的不断完善,我国中职学校在虚拟实验室的建设方面得到了一定的普及。虚拟实验室的本质意义就是泛指计算机系统中,集虚拟现实、数据库、虚拟仪器、计算机网络与计算机实时监控等技术为一体的虚拟实验环境,用户通过一些渠道把控制信号和参数指令发送至仿真对象或物理设备,然后把实验结果通过文档、图片、视频和动画等形式发给用户,满足用户通过远程服务进行实验。虚拟实验室是集Internet网络技术、仪器控制技术和通信技术于一体的虚拟实验教学系统,用户只需拥有一台电脑,通过因特网就能访问这一虚拟实验教学系统,在Web页面上挑选有关实验实现远程操纵实验所需的仪器设备,并进行实验操作,另外用户还可以直接从网上获取实验数据,动态监控实验结果。目前很多中职学校的虚拟实验室的构造都是客户端在web的基础之上,运行在浏览器之中,由Web服务器自动下载用户系统所需的客户端程序;随后客户端程序与现实意义的服务器端的应用程序建立一个即时通信平台并进行实验。这个虚拟实验教学系统是由实验设备、客户端和服务器端组合而成。

二、关于电工电子虚拟实验室的思考

随着教学体制的改革,实践环节成为中职学生深刻理解理论知识的一个重要环节,实验成为教学环节中不可缺少的重要组成部分。许多中职学校的实验室存在教学设备陈旧、教育资金不足,难以满足日益增长中职学生的需求和跟上技术日新月异发展的步伐。并且有些实验危险性大,在实验室难以开展,使中职学生难以亲眼观察实验现象及结果。随着计算机的性价比和易用性的提高,使得虚拟实验室在教学、科普教育和技术研究领域应用将越来越广泛。在虚拟实验室中,实验者有逼真的感觉,他似乎是在真正的现实实验室里近距离进行现场操作。多媒体计算机技术与仪器技术的结合构成了虚拟实验室实现的基础,中职学生可以在计算机屏幕上通过场景式图形界面拥有自己的实验室。虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予虚拟实验室智能化特征,通过网络中职学生可以身临其境地观察实验现象,并可以观察各实验仪器的详尽情况,不受时间和空间的限制。

近年来,随着电工电子虚拟实验室的不断发展。虚拟实验室表现在人们可以自主地、灵活地模拟操作各种实验仪器,完成各种分析测试任务,评价实验者的操作水平与实际能力。但是现在很多中职学校的电工电子虚拟实验室的实现和播放课件方式相似,中职学生只能通过虚拟实验室进行简单的浏览及实验结果曲线的动画显示。中职学生没有身临其境的感觉,没有真正动手通过实验仪器的操作而显示实验结果,而只是简单对实验数据的输入产生实验结果。

三、电工电子虚拟实验室的重要功能

我国中职学校的传统电工电子实验室一般有电工电子技术实验室、电路实验室和高频电路实验室等实验室。它们的主要功能是用于开设基础训练课目,培养中职学生了解和使用常用实验仪器设备的使用方法和技术,使中职学生具备最基本的实验能力,加以巩固理论课中的所学的电路工作原理,进一步证明理论的准确性。中职学校可以利用多媒体软件、电路仿真软件和虚拟仪器软件组建电工电子虚拟实验室,不仅可以解除实验教学的空间限制,还能使实验教学的实际内容和形式变得丰富多彩,从而提高实验教学的效果、培养中职学生的学习兴趣,使他们学会利用计算机网络技术进行自主学习,通过不断实践和学习,逐步摆脱传统实验室带来的时间、地点、设备和内容等方面的束缚。所以,中职学校应注意电工电子虚拟实验室在基础性实验、综合型设计实验和演示型实验教学中的重要作用。

(一)基础性实验

基础性实验的重要意义就在于能够培养中职学生了解和使用常规的仪器设备,并对理论课中的所学的电路工作原理进一步验证和巩固。借助电工电子虚拟实验室,中职学生通过一台计算机就可以熟悉常用仪器设备的性能及使用注意事项,分析电路的性质,从而提高中职学生的自学能力,减轻教师的教学负担,考验中职学生独立思考能力、分析问题能力和解决问题的能力。

(二)综合型设计实验

借助电工电子虚拟实验室进行课程设计。例如,在设计电路时,可以让中职学生先检验自己设计的电路能否符合仿真检验电路的性能要求,只有符合仿真检验电路的性能要求,才能输到protel进行电路板绘制工作,完成电路板制作、焊接与测试。从而大大节省设计时间、节约设计成本。

(三)演示性实验

对于一些开设成本高、仪器设备复杂的教学实验只能进行演示性实验。比如调频、调幅收发机的实验就十分复杂,不仅有高频电路,也有低频电路;不仅有时域分析,也有频域分析,在传统的实验室内是难以完成综合性强的实验。因此,只有借助于电工电子虚拟实验室进行实验演示,才能使中职学生掌握综合性复杂实验,逐步意识到虚拟实验室的重要作用。

总之,在中职学校的教学实践工作中,所构建的电工电子虚拟实验室应具备为实验教学提供重要的技术支持和服务,从而推动实验教改,替代传统的教学实验仪器设备,降低办学成本,助推学校健康和谐的飞速发展。

参考文献

[1]陈烨,袁小平.电工类专业中职学生创新能力培养的研究与实践[J].电气电子教学学报,2010,(S2) .

第6篇:虚拟实验教学论文范文

关键字:虚拟实验;中学物理教学;实验教学

Abstract: virtual reality technology because of its ability to generate lifelike 3 d virtual experimental scene, and that the user can and scene for real-time interactive, perception and the operation of the virtual object, make up the deficiency of the real experiment environment, the experimental teaching of the teaching content, teaching mode, teaching method to make innovation of exploration, make the teaching effect is better.

Key word: virtual experiment; The physics teaching; Experiment teaching

中图分类号:G632.3 文献标识码:A文章编号:

收稿日期:2011-11-21

基金项目:国家大学生创新性实验项目

作者简介:王刚,男,陕西安康人,陕西师范大学计算机科学学院2009级本科生;李葆华,男,陕西师范大学计算机科学学院,副教授。

一、引言

计算机技术和现代教育技术的迅速发展,伴随着中学课程的改革,虚拟实验技术的应用日益广泛。不断深化的教育教学改革对实验教学在培养学生科学研究能力和综合素质方面提出了更高的要求。实验教学的教学内容、教学模式、教学方法亟待革新和完善。中学物理是一门实践性很强的课程,实验是其中非常重要的一环。改革开放以来,我国对基础教育投入不够,致使很多中学的实验器材严重缺乏。而实物实验受环境、条件及准备不足等原因影响,实验效果也不理想。另外受场地、时间等诸多限制,学生做实物实验的机会很少。这对学生创新意识的培养及其不利。虚拟实验技术的成熟发展和实验教学改革的迫切需要使得虚拟实验在教学中的应用从理论研究走向了实际应用。

二、研究背景

(一) 问题提出

实验是物理课程改革的重要环节,是落实物理课程标准、全面提高学生科学素养的重要途径,是中学物理教学的重要组成部分。一是因为物理学本身就是建立在实验基础上的学科,实验是物理学的学科性质;二是因为物理实验对促进学生理解、激发兴趣以及培养学生多种能力与科学素养方面具有重要的教育教学功能,对培养创新型人才起着重要的作用。“随着新一轮课程改革的开展,新课程理念的渗透,高中物理教学越来越重视学生对物理实验的理解,重视学生实验技能的提高,鼓励将多媒体技术应用在物理实验中,提倡用身边的普通物品做物理实验”[1]。

世界上许多发达国家重视物理实验的经验值得我们借鉴。“没有实验的课,不算是一堂成功的课”,这是德国物理教育界普遍流传的一种说法,德国的物理教师除了极少数的纯理论课没有演示实验外,一般每堂课都要做2-3个实验。美国物理课也普遍重视物理实验。每一节物理课教师至少要做一个演示实验,而且这些实验都是教师自己设计,所用器材也是自己动手制作的。日本的物理实验教学也非常活跃,学生课堂上动手操作量较大,有半数以上的课堂是在实验室度过的。大量的信息资料显示:国际物理教育界正在流行这样一种趋势,即衡量一堂物理课的好坏,很大程度上取决于这堂课中实验的数量和质量。

目前,我过传统物理实验课程面临严峻挑战伴随着教育教学改革的不断深化及国家对教育投入的持续增长,国内实验教学软硬件建设和装备条件都有了很大程度的改善,这些变化都为学校带来了难得的发展机遇。但传统实验教学在发展的同时也面临着严峻的挑战:

1、时间和空间的约束。不管何种类型的实验,实验教学都必须在指定的实验室中进行,否则根本无法进行。

2、有效的实验仪器数量严重不足。早期的基础建设投入不足加之仪器设备量少、陈旧并且维修周期长,给实验教学的正常开展设置了重重障碍,影响学习者动手能力的提高。

3、实验教学内容陈旧、教学手段比较落后。传统实验大都采取课堂教学的灌输方式,学生的依赖行为比较明显,不利于培养学生的创新能力,亦不能达到预期的实验效果。

随着计算机技术和虚拟现实技术的发展,虚拟现实技术正逐步被引入到实验教学中。在基于虚拟现实的虚拟实验系统中,虚拟实验是指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,包括相应实验环境、有关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。虚拟实验有利降低实验成本;仿真实验的引入,不会因为误操作而造成人员或仪器设备的损伤,不会发生实验室里常见的故障;彻底打破时间与空间的限制,以使学生能够观察大到宇宙天体、小到原子微粒,以及需要几十年、几千年才能完成的变化过程[2]。

(二) 研究的意义

物理学的基本特点是它的实践性,物理学是一门以实验为基础的高度定量化的科学。它离不开实验和观察。物理实验是开展物理学研究的万能钥匙,凭借它人类渐次打开了物理世界各个领域的大门,探索了自然界的奥秘。物理实验是物理理论、物理学科研成果通向生产实践的桥梁。

实验教学在物理教学全过程中对学生有效掌握物理知识、发展各种能力、提高素质与促进世界观的形成等方面起着重要作用。物理实验的教育教学功能,除了能激发学生兴趣、训练学生的科学方法、有效地掌握物理基础知识、培养学生手脑并用的能力及科学态度和作风外,还具有“对学生认知结构的转化功能,对认知发展的促进功能,非语言传播功能,测量与评价功能。”[3]在物理教学中运用实验的目的主要在于给学生学习物理创造一个良好的环境,使学生能主动地获取物理知识和发展能力,促进学生科学品质和世界观的形成,同时,通过学生的观察实验,使学生掌握实验的基础知识和基本方法,培养他们的实验技能和能力。物理教学必须以实验为基础,这是由实验本身的特点及其在物理教学中的作用所决定的。我国教育研究工作者对于在中学阶段物理实验教学的作用的阐述[4],总结起来有以下的五个方面:

1、实验教学能激发学生学习物理的兴趣。

实验教学可以丰富学生的感性认识,将学生带入生动直观的学习情境,从而极大地吸引学生注意,激发学生的兴趣和求知欲。

2、实验教学有利于训练学生的科学方法。

观察和实验本身就是物理学的重要研究方法,实验教学能够使学生在实验中逐渐熟悉和领悟这一基本科学方法。另外,实验教学还可以在一定程度上模拟物理学研究的过程,从而使学生在这个仿真的研究过程中学会科学研究的一些其他的方法。

3、实验教学能帮助学生有效地掌握物理学的基础知识。

物理学知识是由一系列基本概念和基本规律组成的,在中学物理教学中,大量的概念和规律的获得都需要建立在实验和观察的基础上,直观生动的实验教学能够起到突出重点、突破难点的作用,帮助学生理解物理概念、形成物理图像和认识物理过程。同时,物理学知识又是与社会、生活实际息息相通的,实验教学恰好可以给学生提供一种将物理学知识理论联系实际的机会,达到学以致用的目的。

4、实验教学有助于培养学生的多种能力。

实验是手脑并用的实践活动。在实验教学中,中学生通过理解实验原理、操作实验仪器、观察实验现象和分析实验结果等活动,使观察能力、思维能力、操作能力都得到锻炼。

5、实验教学能培养学生的科学态度和科学作风。

在实验教学中,通过教师自己的以身作则和教师对学生的严格要求,可以使学生逐步懂得并做到在实验中:爱惜实验仪器,进行规范合理的操作;尊重事实,不篡改实验数据:推理过程避免主观臆断:不怕困难和失败;敢于发表自己的见解等等,从而培养学生实事求是、理论联系实际、顽强探索、勇于创新的科学精神。

总之,实验教学是使学生获得中学物理基础知识、发展能力、特别是发展他们的创造能力的基本途径。实验教学不仅关系到学生在中学阶段对物理的理解和认识,更关系到学生的思维方式和创造精神的形成,对他们一生展都可能会产生深远的影响。

由此可见,在中学物理教学中引入虚拟实验是非常必要的,这主要是因为中学物理课程强调物理知识的基础性、系统性和实践性,同时中学生由于年龄较小,理解能力有限,学习物理的难度较大。物理教学中引入虚拟实验并与真实实验有机结合,可以培养学生对物理规律、物理现象、实验仪器的感性认识,帮助学生从直观中学习抽象的理论知识和物理规律。因此,无论基于理论探索还是服务于教师教学和学生自主学习,本文都具有重要的意义:第一,借助于虚拟实验,实现理论教学与实践同步进行,加强学生的实验技能,提高学生的综合能力;第二,强化了信息技术在中学物理教学中的应用;第三,为中学物理实验教学新模式的探索,提供实践依据和借鉴。

(三) 研究的现状

国外虚拟实验主要以教学培训为目标,参与单位众多,覆盖学科面广。学校参与的项目多数能得到部级资金资助,发展十分迅速,列举如下:

1、麻省理工大学的微电子在线实验室[5]

麻省理工大学的电子工程和计算机科学学院是较早开始虚拟实验教学应用的院系。该学院的JesusA.delAlamo教授早在1998年就创立了微电子在线实验室(Microelectronics WebLab)。此微电子在线实验室自1998年秋投入教学应用测试至今,其使用版本已从最初的WebLab1.0经过2.0、3.0、3.1发展到现在的WebLab4.0”。

2、LAAPhysics(Learn Anytime Anywhere Physics)物理实验室[6]

该项目获得美国教育部资金资助,由美国北卡罗来那大学Greensboro分校研制。项目的目标是在网上建立一个开放的、自由的物理课程实验室,并提出了“随时随地学习物理”的口号。系统通过JavaApplet模拟各种实验设备(测量设备与被测对象);能与虚拟教师和虚拟学习伙伴进行交流(教师进行指导、问答、评判,学习伙伴讨论);具有聊天室和BBS(与授课教师、同班同学交流)以及评分系统(通过数据库对学生操作的记录进行评判)。系统可运行在Windows XP/2000或Macintosh OSX平台。

3、Futurelab虚拟实验室[7]

该产品是美国Simulation Plus公司在国家科学基金(National ScienceFoundation)的资助下于1998年推出的。产品功能面向中学教育,包括物理、地理、自然、化学、生物等虚拟实验室,涵盖范围从初中到高中各个年级。

国内相关课题研究概况国内很重视虚拟实验。虚拟实验的教学应用主要集中在各大学,如清华大学、北京大学、上海交通大学、华中科技大学、中国地质大学等,但针对于中学物理虚拟实验教学应用的中学校目前还较少。

三、虚拟实验的理论基础和技术基础

(一) 虚拟现实技术

1.虚拟现实技术简介

虚拟现实技术是一种逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉及运动等行为的人机接口技术。它利用3D数字化系统、多传感交互技术以及高分辨显示技术的科学可视化技术,生成三维逼真的虚拟环境,使用者借助于特定设备,便可以进入虚拟空间,成为虚拟环境的一员,进行实时交互,感知和操作虚拟世界中的各种对象,从而获得身临其境的感受和体会。

虚拟现实系统中,用户以自然的方式与虚拟环境交互。所谓自然的方式,是指用户通过视觉、听觉、触觉等感觉虚拟环境,使用户产生在真实环境中的幻觉。同时,用户通过在真实环境中的行为,去干预虚拟环境。所以,虚拟现实的人机接口设备,完全不同于现有计算机的人机接口设备。

2 虚拟现实技术的特点

虚拟现实技术具有沉浸性、多感知性、实时交互性和自主性四个重要特。

1)沉浸性

沉浸性指参与者存在于虚拟环境中的真实程度。理想的沉浸虚拟环境应该达到使参与者难以分辨真假的程度。虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点,由计算机产生逼真的三维立体图像。使用者在虚拟环境中,一切感觉都是那么逼真,有一种身临其境的感觉。

2)多感知性

除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知,甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有人的一切感知功能。目前虚拟现实技术所能提供的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉等。

3)实时交互性

实时交互性指参与者与虚拟环境中所遇到的各种对象相互作用的能力。例如,参与者可以用手去抓虚拟物体,这时手有握着东西的感觉,被抓的物体随着手的移动而移动。

4)自主性

自主性指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如,当受到力的推动时,物体会向力的方向运动。

(二) 虚拟实验的理论基础

1.建构主义学习理论

建构主义(constructivism)是学习理论中行为主义发展到认知主义以后的进一步发展,乔纳森(Jonassen,1992)认为它是客观主义(objectivism)更为独立的另一发展方向[8]。建构主义学习理论的宗旨是:学习是意义建构的过程,而不是知识的传递过程。学习者在意义建构中处于中心地位,通过同化和顺应进行建构意义,学习者先前的经验在意义建构中具有重要的作用;在情境化的、真实的境脉中的建构才是有意义的,学习是围绕真实的问题展开的;建构的过程是社会性的,学习既是内部的,也是社会的协商,学习就其本质而言是一个社会对话过程;运用技术支撑高级的心智活动,建构主义环境可支持学习者的思维和行动,引导他们进行反思与自我调节[9]。建构主义学习理论的核心点表现在:

1、知识依赖于个体的建构,学生对知识的建构是以自己的方式进行建构,并不是外界赋予的。一方面,学习是一个积极主动的建构过程,学习者不是被动地接受外在的信息,而是对外在的信息作主动的选择与加工,主动地建构信息的意义;另一方面,由于学习者本身的特点各异,因此建构活动的方式也就不同,对意义的理解也不同。

2、学习者的建构和他们以往的经验有密切的关系。

3、学是在一定的情境中发生的。

4、建构是通过同化与顺应发生的,当外部信息与个体已有的知识结构相匹配时,就被纳入、同化;当外部的信息与个体的认知结构不匹配时,就通过顺应来学习。

5、学习是社会性的,分享他人的观点,与他人进行协商、会话,对知识的学习更加全面、深入。

6、学习是一个不断创新的过程,不是对知识的简单累积的过程,学习者在真实的情景中不断地发现问题、提出假设,解决问题、验证假设,以此进行意义的建构。

7、有意义的学习是通过反思和认知冲突的解决、以及对早期低水平理解的否定而得到的[15]。

2.交互理论

在虚拟实验中,主要是通过学生与教学媒体、学习资源环境以及自身新旧概念的交互来达到实验的目的。因此,有必要研究关于交互的理论。虚拟实验中的教学交互是分层次的,从操作交互、信息交互再到概念交互,逐渐从具体到抽象、从低级到高级。高级的教学交互以低级的教学交互为条件和基础。操作交互是信息交互的基础,信息交互是概念交互的基础,概念交互是最高水平的交互。媒体是所有教学交互的平台和载体,媒体的交互特性是所有教学交互的基础。

(三) 虚拟实验技术基础

1.OpenGL简介

OpenGL是个专业的3D程序接口,是一个功能强大,调用方便的底层3D图形库。OpenGL的前身是SGI公司为其图形工作站开发的IRIS GL。IRIS GL是一个工业标准的3D图形软件接口,功能虽然强大但是移植性不好,于是SGI公司便在IRIS GL的基础上开发了OpenGL。OpenGL的英文全称是“Open GraphicsLibrary”,顾名思义,OpenGL便是“开放的图形程序接口”。虽然DirectX在家用市场全面领先,但在专业高端绘图领域,OpenGL是不能被取代的主角。

OpenGL是个与硬件无关的软件接口,可以在不同的平台如Windows 95、Windows NT、Unix、Linux、MacOS、OS/2之间进行移植。因此,支持OpenGL的软件具有很好的移植性,可以获得非常广泛的应用。OpenGL作为一个性能优越的图形应用程序设计界面(API),适用于广泛的计算机环境。OpenGL已成为目前的三维图形开发标准,是从事三维图形开发工

作的技术人员所必须掌握的开发工具。

2.OpenGL体系结构

一个完整的窗口系统的OpenGL图形处理系统的结构为:最底层为图形硬件,第二层为操作系统,第三层为窗口系统,第四层为OpenGL,第五层为应用软件。见图一所示。

图一 OpenGL图形处理系统的层次结构

OpenGL是网络透明的,在客户机/服务器体系结构中,允许本地或远程调用OpenGL。所以在网络系统中,OpenGL在X窗口、Windows或其它窗口系统下都可以以一个独立的图形窗口出现。由于OpenGL是一个与平台无关的三维图形接口,操作系统必须提供像素格式管理和渲染环境管理。下面以Windows NT操作系统为例具体介绍OpenGL运行的体系结构。OpenGL在Windows NT上的实现是基于Client/Server模式的,应用程序发出OpenGL命令,由动态链接库OpenGL32.DLL接收和打包后,发送到服务器端的WINSRV.DLL,然后由它通过DDI层发往视频显示驱动程序。如果系统安装了硬件加速器,则由硬件相关的DDI来处理。OpenGL/NT的体系结构图(如图二)所示。

图二OpenGL/NT体系结构

3.滑动变阻器的功能设计

实验室用滑动变阻器是直流电路中最常用的实验仪器之一。系统应提供多种交互手段,用户和系统的交互主要通过鼠标和键盘进行。键盘主要应用在辅助鼠标进行多个物体的选择,其他的交互都是用鼠标来完成。系统设计中的滑动变阻器能够根据所连接在电路中的接线柱和滑块的位置来及时准确地改变电路中的电阻,同时系统也必须提供将滑动变阻器连接到电路中的接口。其功能主要包括三个方面:

⑴缩放和移动。主要实现滑动变阻器在上下左右和对角线方向的缩放功能,可以通过鼠标的拖动来完成(如图三)。

图三 鼠标缩放图像

⑵滑块移动。滑动变阻器在电路中电阻的变化主要是通过滑动滑块来实现的。在正确连接的情况下,滑块移动能够改变滑动变阻器在电路中的有效电阻,从而实现变阻器在电路中的限流、分压作用等。本文中的滑块移动功能是通过在滑块上绑定一个点,这个点和滑块彼此关联来实现的,通过鼠标拖动点来实现滑块移动,效果(如图四)所示。

图四 使用鼠标拖动滑块

⑶接线柱。滑动变阻器在电路中起到保护电路、限制电路电流和分担电压等作用,是通过使用接线柱将滑动变阻器连接到电路中来实现的,所以接线柱的连接功能是必不可少的(如图五)。

图五接线柱功能

其实现的关键技术主要有以下几个方面:

(1)纹理贴图技术

纹理贴图技术又称为纹理映射技术,它是计算机图形学中广泛应用的一项重要技术。本文选用纹理贴图技术是出于两方面的考虑,第一,使用OpenGL 建模所创建的几何造型不能够描述物体的微观细节,而利用纹理图像可以达到模拟物体表面丰富的细节的目的,在很大程度上可以提高图形的真实性;第二,采用纹理映射的方法,可以很好地简化建模过程。本文中的滑动变阻器造型,如果使用OpenGL 直接建模时有许多的细节需要表现,想要创建出真实感非常强的滑动变阻器,需要的工作量是很大的,若采用纹理映射,只要创建简单的模型。在这里使用OpenGL 绘制两个简单的正方形模型,分别使用经过处理的三维立体效果很好的不含滑动变阻器滑块的图片和单独的滑块图片贴到模型表面即可。相比较而言,使用纹理贴图的工作量要小很多。纹理映射(Texture Map)是将指定的图像数据应用到一个几何图元上,使用纹理绘制的一般步骤为:导入纹理,将纹理贴图到几何图形上。

(2)模板缓冲区的使用

在现实世界中,模板就是一块平的纸板或其它材料,模板缓存的用途之一,就是将绘图范围限制在屏幕的特定区域。模板缓存用来进行复杂的掩模(masking)操作。一个复杂的形状可以存储在模板缓存里,然后绘制子序列操作可以使用模板缓存里的内容来决定是否更新象素。

四、虚拟实验在中学物理实验教学中的应用研究

开发虚拟实验系统的目的是为了让该系统在物理实验教学中的真实实验前和实验后都发挥积极的辅助作用:在真实实验前利用本系统进行预习,有助于学生对实验从整体到局部建立直观的感性认识,能有效地克服在真实实验中出现的盲目操作和实验“走过场”现象,缩短了真实实验的时间。对于一些难度大的、操作步骤多的实验,在做完真实实验后再做虚拟实验,可以使学生了解每一实验步骤在实验过程中所起的作用,进一步理解实验原理、消化实验内容。

(一) 虚拟实验辅助教师实验教学的教学模式

1.虚拟实验辅助教师实验教学的教学模式概述

由于虚拟实验加入了实验教学的环节,打破了传统实验教学的流程,因此需要建立与虚拟实验教学相适应的教学模式。在物理实验教学中,教师可以安排学生先进行真实实验,然后留出一些课时做虚拟实验。该方式主要起到复习实验的作用,帮助学生理解实验原理、消化实验内容、巩固实验知识。而且,教师也可以先安排学生做虚拟实验,此方式主要让虚拟实验起到预习实验的作用。老师要求学生先通过虚拟实验明确实验原理、目的和要求,然后按照要求进行虚拟实验,得到数据后进行处理,并回答思考题。

2.虚拟实验教学模式对实验教学的影响

从教学方法论的视角看,虚拟实验教学这种崭新的实验教学模式为物理学科的实验更新和实验教学改革提供了新思路。首先,它有力地冲击长期以来所造成的教师演示实验,学生静坐观摩以及学生枯燥地完成验证性实验而机械地重视已有结论的被动局面,为学生生动活泼地主动学实验、“做”实验创造条件。其次,将实验化难为易,让学生体验物理实验的真实情境。由此可以改变长期以来经典的、常规的物理实验统治物理课堂的局面,引导学生感受高新科技时代的气息,增进他们探究科学问题的好奇心和动力。最后,通过典型实验,特别是跨学科知识与探究技能的整合,有利于落实“过程技能”的培养。促使学生将物理知识与学习策略进行高层次的整合,提高学习效率。

(二)虚拟实验辅助教师以教为主的教学设计

在教学实践中教师要将虚拟实验平滑地融入教学过程中,必须和教学内容、教师的活动、学生的活动相结合,如何将这些要素系统地加以考虑,要靠教学设计的理论和方法实现。通过系统科学的教学设计,可以有效地将虚拟实验和传统实验、教与学的理论、教学实践有机结合。其教学设计过程包括教学前期设计、教学情境设计、学习资源设计、学习评价工具设计。

1.教学前期设计

1、教学目标设计

合理的教学目标是保证教学活动顺利进行的必要条件。在传统的教学中,教学目标往往描述的是教师的教学行为和教学过程,而忽略了教学过程的本质和落脚点是学生的学习行为和学习结果。因此,在教学设计中,教学目标要着眼于学生的行为而不是教师的行为,要描述学生的学习结果而不是学习的过程[10]。中学物理的教学目标和能力的培养主要是通过物理教学进行,由物理基本概念、基本原理、基本规律和实践性环节组成,贯穿在整个物理课教学中。

2、教学对象分析

为了解学习者的学习准备情况及其学习能力与学习风格,应充分考虑学习者的能力、潜能、背景和要求等,为教学内容的选择和组织、学习目标的编写、教学活动的设计、教学方法与媒体的选择和运用等提供依据[11]。深入地了解学习者,对学习者的各类特征进行认真分析和预估,分析得越充分越有利于教学设计。在进行学习者分析时,要对学习者的一般心理、生理和社会背景等一般特征、学习风格、学习者的初始能力等进行细致的分析。

3、学习内容分析

学习内容分析又称教学内容分析,是解决教师向学习者“教什么”、学习者“学什么”的问题。根据教学目标,科学地加以选择、确立知识范围,适当地选择教学媒体,着重分析学习者需要学习哪些知识和技能,达到什么程度和水平、培养什么能力和态度、使学习者的身心获得什么样的发展等。

2.教学情境设计

建构主义认为,学是与一定的社会文化背景即“情境”相联系的,在实际情境或通过多媒体创设的接近实际的情境下进行学习,可以利用生动、直接的情境有效地激发联想,唤醒长期记忆中有关的知识、经验或表象,从而使学习者能利用自己原有认知结构中的有关知识与经验去同化和顺应当前学习到的新知识,赋予新知识以某种意义[12]。情境认知的作用如下:

1、知识迁移。大量的研究表明,知识是可以迁移的,并且知识迁移数量的多少、有无,取决于实验情境与最初学习材料之间的关系。实践表明,认知情境中形成的象征性的认知表征,对于知识的迁移有重要的作用。

2、促进反思。通常情境中的问题都是隐含在事实背后,学习者在完成真实问题的解决过程中,很大程度上需要进行认真思考、不断反思,整理自己的认知结构,促进学习者高层思维能力的发展。

虚拟实验系统就是为学习者提供一个与现实情境相类似的“情境”。在该“情境”中,学习过程与现实问题的解决过程相类似,所需要的过程往往隐含于问题情境当中;教师也不是将提前准备好的内容教给学生,而是在课堂上展示出与现实中专家解决问题相类似的探索过程,提供解决的原型,并指导学生探索。

3.学习资源设计

学习资源设计对学习者的学习是至关重要的,教学设计者首先应对资源的状况有所了解。信息技术环境下,知识学习可利用的资源多种多样,包括信息化资源(如计算机和因特网等媒介和数字化内容)、教师、学生、图书馆、实验室等。教学设计者必须保证学习资源的有效性,也就是要保证这种学习资源能够达成教学所需要的教育功效[13]。因此,教师要深入思考信息的组织方式,学习资源的特点,思考它们和学生的学习能力、学习类型、学习方式与学习过程之间的关系,认真设计学习资源,保证学习资源的有效性,为学生创设真实的情境,以利于他们对知识意义的建构。

4.学习评价工具的设计

学习评价是指评价者参照一定的标准、运用合理的方法对学习者的学习过程和结果做出评定以及在此基础上对学生形成价值判断的过程。进行评价时应注意以下情况:(1)评价的目的是引起反思,指引学习;(2)评价指标不设权重,评价结果不需量化;(3)评价过程要与学习过程交融,评价即学习[14]。物理实验的教学设计应有完善的评价体系,其评价方式应是多样化的,评价贯穿在整个学习过程中,应能进行过程评价,并给出分析和指导的信息,应对参与学习的学习者学习状况给予全程跟踪。它有利于对学习者的学习状况进行评估和反馈,从而有效地引导学习者的学习过程。

五、总结与展望

针对开发的虚拟实验系统,论文研究了它在辅助教师实验教学和辅助学生自主探究学习方面的应用,还尝试将虚拟实验与真实实验有机结合并应用到物理教学中,取得了较好的应用效果。在进行物理探索方面,论文还需要进一步探索如何将虚拟实验与传统的真实实验有机整合,从而为教师和学生的科学探索、实验技能训练等方面提供更积极有效的条件和支持。另外,论文对虚拟实验系统在辅助远程学习的功能等方面的应用效果还未做研究。

在今后的研究中,要针对以上不足之处加以改进和完善,并继续加强以下三方面的研究:

首先,加强虚拟实验平台建设方面的工作,除进一步完善初中物理虚拟实验系统外,还要开发出较高质量的高中物理虚拟实验系统;

然后,根据虚拟实验应用于教学的基础理论研究,通过虚拟实验在辅助远程学习和对学生进行实验技能培训、提供逼真感知等方面的应用研究,进一步探索在中学物理教学中虚拟实验如何才能更有效地发挥作用;

最后,在进行物理科学探索方面,进一步探索如何将虚拟实验与传统的真实实验有机整合,从而为教师和学生的科学探索提供更积极有效的支持。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M],人民教育出版社,2003年4月第1版,第51-52页

[2] 马王俊美,邓文生,梁昭峰.DVR技术在教育领域中的应用研究[J].中国电化教育,2005年第6期

[3] 张伟.中学物理实验教学研究与演示教具设计[M],内蒙古人民出版社,2001年4月第1版,第1-13页

[4]王瑞旦,宋善炎.物理方法论[M].长沙,中南大学出版社,2002

[5] [6] 王玉琼.虚拟实验在中学物理教学中的应用研究[D].四川师范大学硕士学位论文 2008

[7]朱庆松.基于Internet的EDA虚拟实验室[D].陕西:西安科技大学硕士学位论文2006

[8]黎加厚,余胜泉,吴娟.信息技术与课程整合――网络时代的教学模式与方法[M].上海:上海教育出版社,2005:47

[9]张筱兰.信息技术与课程整合的理论与方法[M].北京:民族出版社,2004:144

[10]豆宏健.教学设计中教学目标的分类与表述[J].甘肃联合大学学报(社会科学版),2004,20(3):77

[11] 张广兵.参与式教学设计研究[D].西南大学博士学位论文 2009

[12]赵阳.从学习迁移理论分析建筑系一年级的课程教学[J].南方建筑,2003(2):48

[13]陈亮.体验式教学设计[D].西南大学博士学位论文 2008

[14]郭锂,徐晓东.基于网络的校际协作学习中E-Protfolio学习评价的设计[J].中国电化

教育,2003,12:72-73

第7篇:虚拟实验教学论文范文

摘要:本文阐述了将虚拟现实及网络技术应用到数字逻辑实验教学中的理论过程。并详细介绍了运用Flash、插件等多媒体编程技术建设数字逻辑虚拟实验室的详细过程。同时,对未来计算机实验教学的发展方向进行了讨论。

关键词:虚拟;数字逻辑;实验教学

中图分类号:G642

文献标识码:B

1前言

在我国,高等学校的计算机学科教学长期以来停留在以理论课为主,缺乏或不重视实验教学的被动局面。按照这样的培养模式造就的毕业生往往需要在各自的工作岗位上重新进行技术实践环节的再培训和二次指导才能符合用人单位的基本要求,这无形中也增加了社会的人才培养开销和负担。近年来,随着社会层面的反馈以及大学办学模式的逐步开放和交流加大,广大高校逐渐认识到了实验教学在计算机人才培养过程中的重要性并逐步贯彻以实践为主体的计算机学科新的办学理念。计算机学科实验教学的目的,在于提高学生的综合实践能力和创新精神,使学生能够理解所学的计算机理论知识,掌握一定的应用技能,以适应未来实际工作需要。

与之相对的是,大量先进的实验教学设备和具备优良实验教学环境的大批现代化教学实验室的建设和使用,这些都为计算机人才培养质量提供了保证。但是,在这些积极因素的笼罩下,我们也应清醒地认识到存在潜在威胁和障碍,设备的更新换代和维修保养是一笔庞大的开支,每年均占实验室日常运行经费的70%以上,伴随着人才培养目标的提高,我们为学生提供了大量的可操作性的实验内容,实践环节的加强突出反映在设备的超负荷运行以及易损器件的高消耗上。特别是对计算机硬件系列实验教学来说,无论是芯片,导线等常见元器件损坏率直线上升,还是实验平台等高端设备保修频率提高,都说明这样一个严峻的问题,即有限的经费和设备已经无法适应由于新的人才培养模式以及办学理念转变所带来的设备更新换代,特别是易损器件高消耗带来的经费问题。从本质上,当这种矛盾激化到一定程度,将反作用于实践教学,使我们的办学路线和学生培养目标发生停滞,甚至倒退。

虚拟实验教学是解决上述一系列问题的根本措施。虚拟实验教学利用计算机仿真,虚拟现实等技术对实验教学内容进行模拟,从而达到降低实验教学成本,提高教学质量的目的。通过引入虚拟实验教学可以有效解决设备的高消耗、易损同学生人数日益增加之间的矛盾,使实验不受时间、空间的限制,同时,允许学生在虚拟教学平台上进行大量的DIY实践,在提高教育质量方面起着重要作用。

本文结合作者们的实验教学经验以及实际的实验教学改革成果,利用计算机硬件实验教学体系中较为基础的“数字逻辑实验”为突破口,率先利用仿真及虚拟现实技术实现了数字逻辑虚拟实验教学平台,并对平台进行了细致分析和论证。

2数字逻辑虚拟实验教学的理论基础

数字逻辑实验是计算机硬件实验教学课程体系中的基础课程,通过数字逻辑实验的学习,可以使学生从硬件最底层对计算机体系结构有一个详细的认识和了解。同时,数字逻辑实验长期以来都是基于不同种类的实验台进行逻辑器件的连接、测试、验证模式的实验教学,各种元器件,连接导线都属于高消耗的实验器材,每年实验室都要投入大笔资金来满足学生的实验需要。

在这样的情况下,我们将器件虚拟化,将平台模拟化,将教学仿真化,无论是从人力还是物力上都是一种极大的节约,而从调动学生实践能力,发挥自主创新精神的方面来看,则是更加积极的。虚拟仿真技术正是创新型计算机人才培养改革的产物。在仿真环境下,学生既可以避免实验器件本身损坏造成的实验阻碍,同时可以更主动地、重复性地进行综合性实验,极大地拓展了学生的创新空间和创新领域。

虚拟实验的原理正式借助动态仿真、虚拟现实等计算机技术,利用多媒体,声音,视频等方式将实验教学环节的基本环境通过虚拟现实技术在计算机平台上予以实现,同时,将物理设备、器件在映射的基础上进行扩展,以方便学生进行更加全面的创新实践活动。其原理图如图1所示。

图1 虚拟实验教学与现实映射关系

虚拟现实环境的搭建、实验检测及评定系统的实现、虚拟专家成绩评判系统是虚拟实验教学系统的三个主体部分。通过虚拟实验教学环境与实际实验教学的无缝连接,我们定义了如下模式的虚拟实验教学模型(如图2所示)。

图2 虚拟实验教学系统体系图

数字逻辑虚拟实验系统从逻辑角度主要包括以下几个部分:

(1) 实验平台效果发生器:贯穿于学生操作始终,为实验搭建支撑平台,为演示提供动态效果,为测试提供虚拟测试环境。

(2) 环境建模及实景仿真器:定义了虚拟实验教学系统的运行过程及容错,报警机制;其次,属于虚拟实验系统的控制终端,时刻纪录用户的操作行为;为用户访问实验系统及各个模块之间的切换提供了接口。

(3) 管理系统:包括用户的访问管理,教师的系统管理,以及成绩管理,虚拟电路图的保存及分析等。

(4) 组件构造系统:虚拟元器件的原理定义及生成;可自由定义虚拟器件的表达式并由于生成器件实体。

3数字逻辑实验教学系统的设计与实现

虚拟实验教学系统主要包括3个主要结构体:即虚拟环境,故障检测以及成绩评定。其中虚拟环境包括应用平台和信息存储两部分。这样的设计符合现实教学中的实践环节培养模式,即为其提供实践场所(虚拟环境),为实践活动提供保障(故障检测),并进行一定的激励措施(成绩评定)(如图3所示)。

图3 虚拟实验教学系统设计框图

基于上述的系统设计结构,我们定义了数字逻辑虚拟实验教学系统。系统主要以VC为编程软件,以CS Flash 9为演示平台,结合了OCR插件技术,可以通过校园网方式,访问该虚拟实验系统。该系统目前主要包括6个主体模块:

(1) 实验室简介:采用多媒体音、视频手段,使学生了解实验室的基本情况,包括具备的实验条件,先进实验教学设备以及可进行的创新实验内容及支撑条件。

(2) 教师简介:采用图片、链接等手段,使学生了解实验系统中的指导教师及所指导的具体领域,以便出现问题及困难时,及时找到负责教师进行解决。

(3) 实验器材:介绍了数字逻辑实验所需要的全部元器件,包括其原理,表达式以及重点介绍了如何进行自定义的元器件的制作。特别地,这种虚拟器件,现实中可以允许不存在。

(4) 开始实验:进入虚拟实验平台(如图4所示),进行器件插拔,布线,测试,并提交最终的可信任结果到成绩评判系统。

图4 虚拟实验平台截图

(5) 其他功能:主要包括了自定义元器件及成绩查询、预约等功能。

(6) 其他:系统预留模块。

4虚拟实验教学系统特色及分析

数字逻辑虚拟实验教学系统不但具备现实系统的基本特点,同时,还起到了节约开始,拓展创新等积极作用,它主要具备以下优点:

(1) 拓展性,该虚拟系统在安全继承数字逻辑实验所需基本设备、芯片的基础上,还拓展了许多实验规定以外的虚拟器件,利用这些器件,学生可以进行更深入的创新实践活动。

(2) 灵活性:在保障学生进行规定实验及常规创新实验活动的同时,还为学生提供了在合理的情况,自定义集成元器件的功能,允许出现现实中并未生产的表达复杂的器件。

(3) 智能性:在虚拟环境中,特别是学生实践过程中,系统能够及时提醒学生的操作错误和缺陷,如芯片插拔位置不适宜,布线错误等。

(4) 综合性:虚拟实验系统除了提供实验条件外,还提供了专家系统来进行学生的成绩评判,为尽可能多的指出错误,并协助学生进行纠错。

(5) 其它:此外,系统为设计方案提供了自动保存,可重复演示的功能。

5未来的发展方向及结论

虚拟现实及计算机仿真应用到实验教学中是一种必然。特别是伴随着高校人才培养目标同社会需求的不断融合、交互,在这种情势下利用虚拟实验技术将形成越来越成熟的实践教学手段和理念,也满足了广大学生的创新需求和教师的教学需要。相信随着需求的不断扩大,将会涌入越来越多的新技术、新理念,使计算机虚拟实验教学的发展变得越来越迅速,教学理念也越来越进步。

哈尔滨工程大学计算机实验教学中心经过多年的硬件实验探索,积累丰厚的教学经验,明确了“强基础、重能力、抓创新”的教学理念,伴随着数字逻辑虚拟教学的逐步改革合推进,相信人才培养的质量也将更上一个台阶。

参考文献:

[1] 武俊鹏,孙建国,张国印. 虚拟现实技术在计算机实验教学中的应用[J]. 计算机教育,2007,(24).

[2] 崔永利,李妍. 计算机硬件实验教学改革与实践[J]. 实验室研究与探索,2006,25(3).

[3] 曲学楼. 改革计算机硬件实验教学提高实验课教学质量[J]. 高教研究与实践,2004,3(1).

[4] 李卓伟,李华,徐婷. 计算机网络虚拟实验教学模式[J]. 实验室研究与探索,2006,25(1).

Research of Digital Logic Virtual Experiments Education

SUN Jian-guo, WU Jun-peng, ZHANG Guo-yin, MA Chun-guang

(College of Computer Science and Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

第8篇:虚拟实验教学论文范文

关键词:虚拟仿真实验 ; 初中物理; 教学应用

一、虚拟仿真实验概述

目前,初中物理实验教学中因实验仪器价格昂贵、制作复杂、构造精密所限,学生不能真实参与到理解实验思想理念、练习调整实验仪器、熟悉仪器性能构造的实践中去,而虚拟仿真实验则可以代替实际实验,提供全开放性、高综合性的平台和提供相关的实验实时数据供学生计算分析。虚拟仿真实验运用多媒体课件开发工具,通过计算机操作系统演示实验过程中的图形、图像、文字、数据等,它具有快捷、易学、简单、直观等优点,能使老师根据教学计划制作实验课件,模拟实验情境,展现教学意图,有效提升物理实验课程的教学质量并帮助教师探索新的教学方法和模式。虚拟仿真实验改善传统物理实验教学的原因如下:其一是虚拟仿真实验真实展现了物理实验的环节和过程,构建了活灵活现的实验画面;其二是虚拟仿真实验以学生为教学主体,使学生主动积极的参与到物理实验课程中,激发了其学习物理实验的热情和兴趣,使其在实验课程中发现理论知识的问题并及时纠正调整;其三是虚拟仿真实验能创新性的整合学生的理论知识,使其知识模块结构化、系统化,“温故而知新”,在知识的不断学习和理解中,动态的掌握知识、理解知识、应用知识;其四是虚拟仿真实验能在物理实验课程中营造真实性、直观性、开放性的实验环境,使学生通过虚拟网络下的探究性学习,培养学生自主设计实验、模拟实验、观察实验、归纳总结的学习能力,培养学生发现实验规律、探究实验问题、优化实验意识的学习精神,全面提升学生的文化素质和技能水平。与此同时,虚拟仿真实验仍然存在着缺陷,其不可否认的提升了教学效率和避免了实验误差,但因为其模拟性、理想化的操作缺少了实际实验的可操作性和真实感,不能真正锻炼学生的动手操作能力。

二、虚拟仿真实验的教学应用

1.利用虚拟仿真实验探究电路短路问题

电路短路问题是初中物理教学中的重点难点问题,虚拟仿真实验通过虚拟电学工具箱,增强了学生对于短路问题的理解和认识,保障解决变式问题和实际问题的能力。以下为实验环节演示:

实验环节1:观察电源短路现象

第一步通过虚拟电学工具箱提供的电源、电表、开关、保险丝等组件,使用鼠标拖动组成一个短路电路;第二步将电源两极直接与开关两端相连并打开开关,(提问学生“将会出现什么现象?”)观察现象;第三步连接电流表(提问学生“将会出现什么现象?”)观察现象。通过实验演示,第二步中会出现“干电池短路”的警告语,第三步则会出现电流表超出最大值的现象。这一环节的虚拟实验使学生体验电源短路并了解电源短路会造成极大电流出现并烧毁电源、引发火灾的事故。

实验环节2:电源短路后的保护措施

第一步在已短路的电路(连接电流表)中串联保险丝并打开开关(提问学生“将会出现什么现象?”)观察现象;第二步得出结论,即保险丝断裂,电流表数值归零。这一环节的虚拟实验使学生认识串联保险丝是防止电源短路的措施之一,同时在条件允许的情况下可展示闸刀开关、空气开关等防止短路的组件。

实验环节3:认识用电器短路现象

第一步组建串联电源与灯泡和并联电源与灯泡的电路,先打开串联开关,后打开并联开关(提问学生“将会出现什么现象?”)观察现象;第二步观察实验现象,即串联开关打开后两只灯泡均发光,打开并联开关后一只灯泡熄灭,另一只亮度增强;第三步向学生提出“为什么一只灯泡熄灭了而另一只却变亮了?”、“熄灭的灯泡被烧毁了吗?”“这种操作是否安全?”等问题并鼓励思考。这一环节的虚拟实验使学生认识用电器串联时,若其中某一用电器短路,则整体电路电流增大、可能烧毁其他用电器或者其他用电器使用不正常。

实验环节4:并联电路的短路现象

第一步组件两组并联电源与灯泡的电路,打开开关,(提问学生“将会出现什么现象?”)观察现象;第二步观察现象并得出结论,即并联电路中,若其中某一用电器短路,则其他用电器都不正常工作同时烧毁保险丝。这一虚拟实验可以使学生发散到多个用电器并联短路时的结论,即并联电路短路情况下所有用电器均不工作;家用电器一般并联使用并安装保险丝,同时需要合理避免电器短路。

2.利用虚拟仿真实验探究闭合电路中的欧姆定律

欧姆定律是初中物理教学中的基本定律之一,是拓展电学知识和分析电路的基础,虚拟仿真实验通过虚拟电学工具箱,设计闭合电路中欧姆定律的推导演示环节如下:

实验环节1:推导前的猜想与假设

第一步利用虚拟仿真实验中的虚拟电学工具箱,演示出不同电压下小灯泡的亮度现象;第二步演示出相同电压不同电阻下小灯泡的亮度现象;第三步提问如“电流的变化可能与哪些因素有关?”“电压不变,电阻增大,电流有什么变化”等并给出结论,即电阻相同,电压增大的情况下电流变大;电压相同,电阻增大的情况下电流变小。

实验环节2:探究电阻相同情况下电流与电压的关系

保持电阻不变,通过改变电池个数增大电压值,观察电流的变化情况并记录,得出结论和规律。即:在电阻保持不变的情况下,电流随着电压的增大而增大并且始终保持电压和电流的比值不变,得出R=U/I的结论公式。

实验环节3:探究电压相同情况下电流与电阻的关系

保持电压不变,通过改变电阻的个数增大电阻值,观察电流的变化情况并记录,得出结论和规律。即:在电压保持不变的情况下,电流随着随着电阻的增大而减小并且始终保持电阻和电流的乘积不变,得出U=IR的结论公式。

三、 小结

新课程标准的要求:“物理课程应改变过分强调知识传承的倾向,让学生经历科学探究的过程,学习科学研究方法,培养学生的探索精神,实践能力以及创新意识。”所以在初中物理实验教学中,可以结合虚拟仿真实验教学模式和传统实验,以学生为教学主体,通过实验环节的展示,使学生形成模块化、系统化的知识体系,将虚拟仿真实验中学到的知识运用到实际操作中,提高学生学习物理实验的兴趣和热情。

参考文献:

[1]户永清:在实验教学中引入虚拟实验技术的研究[J],达县师范高等专科学校学报,2005年02期

[2]贺晓华;李强:虚拟实验技术在教学中的应用浅析[J],职业教育研究,2007年09期

第9篇:虚拟实验教学论文范文

【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.