虚拟化学实验（精选12篇）
虚拟化学实验 篇1
前言
化学是一门以实验为基础的科学, 从新元素的发现, 新化合物的合成, 到化学反应规律的研究, 各种假设、理论的证实都离不开化学实验;同时, 实验亦是自然科学研究问题的最重要最基本的方法之一。然而, 在“化学以实验为基础”的教学观已普遍为大家所接受的同时, 人们对“以实验为基础”及“化学实验技能的形成”的理解还没有完全上升到理性的高度, 实验教学仍是中学化学教学中最薄弱的环节。在化学实验中引进计算机仿真技术, 设计出的虚拟化学实验室, 在增强学生感性认识、培养学生动手能力、提高实验效率、避免人身伤害和节约费用等方面有着传统手段不可比拟的优势, 对学生实验技能的培养和造就创造性人才, 有着十分重要的意义。
一、虚拟实验概述
虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、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境, 实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目, 所取得的实验效果等于甚至优于在真实环境中所取得的效果。[1]
虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、想象性等特征, 在实验教学方面有以下优点:[2]
1. 吸引学生参与实验, 调动学生学习化学的积极性
在虚拟实验室里, 学生可以按自己的想法做任何化学实验, 通过自己的参与来认识化学现象, 了解物质的属性, 以获得对课本知识的感性认识, 由此, 化学不再是枯燥的只强调死记硬背的学科, 学生通过做实验在实践中学习新知识、复习旧知识, 有利于培养学生对化学的学习兴趣, 调动他们学习化学的积极性。
2. 有利于避免真实实验带来的各种危险
由于化学自身的学科特性, 相当一部分实验有一定的危险性, 在虚拟实验室中这些实验仍旧可以通过虚拟操作进行。虚拟的化学实验可以避免腐蚀性物品带来的危险, 也可以避免化学反应引发的燃烧、爆炸等现象对人身或实验室造成损失。
3. 打破现实实验所受的时空限制
传统的实验室由于受时间和空间的限制, 一部分教学内容无法以生动的形象呈现给学生。而在虚拟实验室中, 虚拟现实技术可以打破这种限制。例如:要认识化学分子的结构, 学生可以进入到化学分子的内部, 分析各种物品分子结构有何不同。有些化学反应需要较长时间才能观察出结果, 在传统实验室中这种实验结果不容易得到, 而在虚拟实验室可以在很短的时间内由学生自主发现。
4. 避免材料磨损
学生在虚拟实验室中通过操作虚拟仪器以及虚拟物品来观察、参与化学实验, 不会耗费现实实验材料。另外, 虚拟实验室不会出现任何磨损、破坏, 可反复使用。学生可多次进入虚拟实验室练习实验以训练其实验操作技能。既满足了教学需求, 又提高了教学效益, 同时减少实验损耗。
5. 可有效地提高学生的动手能力
虚拟实验允许学生按自己的设想动手, 参与或从事实验研究, 允许学生失败、允许犯错误, 允许仪器设备“损坏”或“灾难性事故”的发生并通过正、反两方面增加和培养学生的想象力和创造力。
二、传统化学实验教学模式
化学实验教学模式是在一定的教学思想指导下, 围绕着教学活动中某一主题而形成的相对稳定的、系统化的、理论化的方案, 是教学理论和教学实践活动的桥梁和中介, 也是一种化学实验教学范型。[3]图1所示为传统的化学实验教学模式。
传统实验教学的不足在于:
(1) 实验环节多是以教师为主, 学生按部就班, 处于被动学习的地位, 即“填鸭式”的教学, 往往是教师讲、学生做, 以得到数据或观察实验结果为目的。
(2) 不能调动学生学习化学的积极性和主动性, 不利于学生创造性思维能力的培养。
(3) 正是因为以得到数据或观察实验结果为目的, 忽略了对学生实验技能的培养, 不利于学生形成较强的动手能力, 也难以使学生形成科学探究的学习习惯。
三、虚拟化学实验教学模式
利用虚拟实验进行化学实验教学时, 要以培养学生实验技能为目的, 就必须注意学生的认知规律, 即认知阶段、联系形成阶段和自动化阶段。[5]一些学者提出了化学实验操作技能的培养策略:教师启发讲授、教师示范、有指导的学生实验、学生独立实验等。[6]
因此, 利用虚拟实验室进行教学包含如下过程:用虚拟实验给学生演示示范实验操作及实验过程, 待学生基本理解实验内容时, 给学生一定的交互进行适当的模仿操作, 在进入学生技能学习的联系阶段时, 让学生进入实物实验阶段, 将原来在虚拟实验环境中学习到的化学知识以及一长串分开的实验操作向现实实验操作迁移转化。随着实物实验的多次练习, 学生的实验动作由最初的呆板到协调、灵活, 并逐步将学习到的化学知识内化到自身知识结构中, 并进入到实验技能形成的自动化阶段。
根据学生实验技能的形成过程, 提出如图2所示的实验教学模式。
图2中的模式是先做虚拟实验, 虚拟实验又分为操作示范和分步操作两个阶段, 让学生在初步了解所需掌握实验技能的情况下再进行模仿操作, 并将需要掌握的实验技能尽可能地细化、分解动作, 以加深学生对技能的理解、提高学生学习技能的效率。在学生逐步了解该化学实验并对所需掌握的技能有了一定的内化认识之后再加入实物实验, 以促进学生头脑中对所要学习的技能的认识向现实中的实验技能迁移。多次进行实物操作实验直至学生掌握实验技能。
最后, 在应用计算机虚拟技术进行实验教学的过程中, 在肯定虚拟技术在实验教学方面有效性的同时还要处理好虚拟实验与传统实验的关系。明确虚拟实验是传统实验方法的辅助和深化, 并不能完全代替传统的实际实验, 要将虚拟实验与传统实验有机结合起来, 提高学生的动手能力、培养学生的实验技能并促进学生形成科学探索精神。
四、培养实验技能的虚拟实验设计模型
培养中学生实验技能的虚拟实验教学过程是基于一般的实验教学活动过程、对实验内容进行教学设计并通过虚拟现实技术来实现。因此, 可利用教学设计的一些理论和方法指导虚拟实验的设计。
图3是乌美娜于1994年归纳出的教学设计过程的一般模型。[7]
分析教学设计模型, 包含的基本要素有四个:学习者分析、教学目标、教学策略 (如何进行教学) 、教学评价。因此, 在设计培养中学生实验技能的虚拟实验时可从前期分析 (学习者分析、教学目标、教学内容分析等) , 场景设计, 总结与评价三个方面入手。而虚拟实验的实现还要有虚拟现实技术的支持。这是在设计以培养中学生实验技能为目的的虚拟实验时应该考虑的四个方面。
培养中学生实验技能的虚拟实验教学过程是基于一般的实验教学活动过程、对实验内容进行教学设计并通过虚拟现实技术实现的, 因此, 借鉴教学设计模型并根据技能形成的教学理论, 笔者提出了培养中学生实验技能的虚拟实验设计模型 (如图4所示) 。
1. 前期分析
以实验技能的培养为导向的虚拟实验是基于一般的实验教学活动过程, 设计时也应遵循虚拟实验设计的科学性原则, 首先, 需要了解要设计的化学实验的实验目标、实验内容、实验步骤等。根据实验目标才能确定该虚拟实验所要传授的是什么样的化学知识、意在培养学生的哪种实验技能 (如使用某种仪器的技能、药品取用的技能等等) 。根据教学设计理论应先了解学生已有的化学知识结构以及学生已掌握的实验中包含的技能, 尽可能避免在开发过程中浪费物力、人力。
2. 场景设计
根据化学实验技能的培养策略将场景分为自动演示、实验说明、分步操作三个部分。自动演示用于向学生演示整个化学实验的过程以及发生的实验现象;实验说明用于向学生说明该实验的步骤和化学反应方程式;这两个部分起到教师示范的作用, 对应于学生学习化学实验操作技能的认知期心理特征。分步操作部分根据化学实验的具体步骤以及该实验的实验目标再确定虚拟实验中要实现的虚拟实验操作, 并赋予合适的实验效果。
3. 技术实现
技术实现即用虚拟现实技术开发虚拟实验, 由于虚拟现实硬件设备过于昂贵, 在化学实验教学中应用的虚拟现实形式大多是桌面虚拟现实。整个开发过程主要包括实物建模、添加交互、作品发布三个步骤。实物建模主要是对虚拟实验中所涉及到的实验物品、实验环境模拟, 根据实验成本以及实验目标所占比重可选择适合的虚拟技术或建模软件, 也就是虚拟实验设计的适宜化原则。添加交互是在虚拟场景中给物品与物品之间及用户操作达到某种效果添加交互以给学生一定的反馈, 并保证反馈的科学性。作品发布包括单机发布以及发布到互联网上两种, 发布到互联网上更能突破时间、空间的束缚, 使更多的人能使用该虚拟实验。
4. 修改与评价
根据前三个阶段所做的工作或请教化学教师检验开发出的虚拟实验是否设计合理、科学, 并做出适当修改, 根据学生的基本能力 (化学概念的掌握、所授化学知识是否理解) 掌握程度, 在学生进行实际实验操作后检验其在虚拟实验中所学是否迁移到现实实验中, 以评价该虚拟实验在培养中学生实验技能方面是否有效。
从图4中我们也可看出, 这四个组成部分是缺一不可的, 前期分析是进行培养实验技能的虚拟实验设计的基础, 只有做了前期分析才能进行下面的工作, 而场景设计又是技术实现的基础, 正是基于这三个步骤才能对开发出的虚拟实验进行修改与评价, 以保证其科学性和有效性。
五、总结
虚拟实验不仅能避免真实化学实验所带来的各种危险, 还能打破时空限制实时实地地给学生提供实验条件, 同时, 还能调动学生学习的积极主动性, 有效提高学生动手能力。本文结合操作技能培养教学理论, 参考传统化学实验教学模式, 提出虚拟实验教学模式, 并提出以培养实验技能为导向的虚拟化学实验设计开发模型, 在未来研究中有待进一步实践, 并对实验效果与传统实验教学进行比较, 以验证该设计理论的科学性并加以推广。
参考文献
[1]单美贤, 李艺.虚拟实验原理与教学应用[M].北京:教育科学出版社, 2005:23-24.
[2]瞿.网上虚拟实验的研究与教学[J].开放教育研究, 2004, (4) :6264.
[3]熊言林.化学实验教学论[M].合肥:安徽大学出版社, 2004:32-34.
[4]张靖方.虚拟技术及其在实验教学中的应用[J].吉林工程师范学院学报 (工程技术版) , 2004, (6) :44-46.
[5]邵瑞珍等.学与教的心理学[M].上海:华东师范大学出版社, 1990:10.
[6]麻昌爱.中学化学实验操作技能学习策略初探[J].中学化学教学参考, 2001, (4) :32-33.
[7]乌美娜.教学设计[M].北京:高等教育出版社, 1994:11-12.
虚拟化学实验 篇2
方案
虚拟现实实验室是虚拟现实技术应用研究就的重要载体。随着虚拟实验技术的成熟，人们开始认识到虚拟实验室在教育领域的应用价值，它除了可以辅助高校的科研工作,在实验教学方面也具有如利用率高,易维护等诸多优点.近年来,国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些虚拟实验室。数虎图像拥有多名虚拟现实软硬件工程师，在虚拟现实实验室建设方面有着无与伦比的优越性！
下面请跟随数虎图像一起，让我们从头开始认识虚拟现实实验室。【虚拟现实实验室系统组成】：
建立一个完整的虚拟现实系统是成功进行虚拟现实应用的关键，而要建立一个完整的虚拟现实系统，首先要做的工作是选择确实可行的虚拟现实系统解决方案。
数虎图像根据虚拟现实技术的内在含义和技术特征，并结合多年的虚拟现实实验室建设经验，最新推出的虚拟现实实验室系统提供以下组成：
虚拟现实开发平台：
一个完整的虚拟现实系统都需要有一套功能完备的虚拟现实应用开发平台，一般包括两个部分，一是硬件开发平台，即高性能图像生成及处理系统，通常为高性能的图形计算机或虚拟现实工作站；另一部分为软件开发平台，即面向应用对象的虚拟现实应用软件开发平台。开发平台部分是整个虚拟现实系统的核心部分，负责整个VR场景的开发、运算、生成,是整个虚拟现实系统最基本的物理平台，同时连接和协调整个系统的其它各个子系统的工作和运转，与他们共同组成一个完整的虚拟现实系统。因此，虚拟现实系统开发平台部分在任何一个虚拟现实系统中都不可缺少，而且至关重要。虚拟现实显示系统： 〃高性能图像生成及处理系统 〃具有沉浸感的虚拟三维显示系统
在虚拟现实应用系统中，通常有多种显示系统或设备，比如：大屏幕监视器、头盔显示器、立体显示器和虚拟三维投影显示系统，而虚拟三维投影显示系统则是目前应用最为广泛的系统，因为虚拟现实技术要求应用系统具备沉浸性，而在这些所有的显示系统或设备中，虚拟三维投影显示系统是最能满足这项功能要求的系统，因此，该种系统也最受广大专业仿真用户的欢迎。虚拟三维投影显示系统是目前国际上普遍采用的虚拟现实和视景仿真实现手段和方式，也是一种最典型、最实用、最高级别的投入型虚拟现实显示系统。这些高度逼真三维显示系统的高度临场感和高度参与性最终使参与者真正实现与虚拟空间的信息交流与现实构想。
虚拟现实交互系统
多自由度实时交互是虚拟现实技术最本质的特征和要求之一，也是虚拟现实技术的精髓，离开实时交互，虚拟现实应用将失去其存在的价值和意义，这也是虚拟现实技术与三维动画和多媒体应用的最根本的区别。在虚拟现实交互应用中通常会借助于一些面向特定应用的特殊虚拟外设，它们主要是6自由度虚拟交互系统，比如：力或触觉反馈系统、数据手套、位置跟踪器或6自由度空间鼠标、操纵杆等等。
虚拟现实集成控制
一个大型的虚拟现实系统包括很多组成部分，比如:多台投影机、音响系统以及多路视频的输入和切换,甚至是辅助的灯光和窗帘,这些都需要方便的控制和管理,每个部分又包括很多产品和设备，这些产品设备之间需要相互连接、相互依赖，彼此之间协同工作。然而，这样一个复杂的系统要顺利地运行并能够协同工作，就需要进行管理，集成控制系统便是承担该项工作的载体，有了集成管理控制系统，上述一系列工作通过简单的遥控器就可完成整个操作过程。通常，一部分用户并不重视这个部分，而该部分在虚拟现实系统中恰恰又是非常重要的，一个完善的集成控制手段能使用户很方便的使用虚拟现实系统，并能将虚拟现实系统中各个部分的功能充分地发挥出来，如果没有集成控制系统这部分，往往造成整个虚拟现实系统利用率低、系统管理困难、系统稳定性差、协同工作能力低下等等一系列问题。
在通常的集成控制系统中最典型的设备就是中央控制系统或矩阵系统（如图），这些设备功能强大、操作简单、使用便捷、管理方便，它是整个虚拟现实系统有效管理和运行的基本保障。【虚拟现实实验室设备配备】
虚拟现实实验室主要实验设备包括 ：虚拟现实技术的特征之一就是人机之间的交互性.为了实现人机之间的充分交换信息，必须设计特殊输入和演示设备，以影响各种操作和指令，且提供反馈信息，实现真正生动的交互效果。不同的项目可以根据实际的应用可以有选择的使用这些工具，主要包括：VR系列虚拟现实工作站、立体投影、立体眼镜或头盔显示器、三维空间跟踪定位器、数据手套、3D立体显示器、三维空间交互球、多通道环幕系统、建模软件等。
数据传感手套
观察者还可借助数据手套等设备来操纵虚拟场景中的对象，数据手套中装有许多光纤传感器，能够感知手指关节的弯曲状态，观察者通过手指的活动来实现与虚拟场景交互作用数据手套是一种多模式的虚拟现实硬件，通过软件编程，可进行虚拟场景中物体的抓取,移动,旋转等动作，也可以利用它的多模式性，用作一种控制场景漫游的工具。数据手套的出现，为虚拟现实系统提供了一种全新的交互手段，目前的产品已经能够检测手指的弯曲，并利用磁定位传感器来精确地定位出手在三维空间中的位置。这种结合手指弯曲度测试和空间定位测试的数据手套被称为”真实手套”，可以为用户提供一种非常真实自然的三维交互手段。在虚拟装配和医疗手术模拟中，数据手套是不可缺少的虚拟现实硬件的一个组成部分。
立体眼镜
三维眼镜是用于观看立体游戏场景、立体电影、仿真效果的计算机装置，是基于页交换模式(Pagefilp)的虚拟现实立体眼镜，分有线和无线两种，是目前最为流行和经济适用的VR观察设备。基于页交换模式(Pagefilp)的立体眼镜，分有线和无线两种。均为图形工作站用立体眼镜（Shutterglasses）许多专业软件都支持CrystalEyes，如机械CAD、产品可视化、仿真、分子建模、地理信息系统/测绘和医学成象等。彩色图像真实、高分辨率。
头盔显示器
无论是要求在现实世界的视场上同时看到需要的数据，还是要体验视觉图像变化时全身心投入的临场感，模拟训练、3D游戏、远程医疗和手术，或者是利用红外、显微镜、电子显微镜来扩展人眼的视觉能力，头盔显示器都得到了应用。比如军事上在车辆、飞机驾驶员以及单兵作战时的命令传达、战场观察、地形查看、夜视系统显示、车辆和飞机的炮瞄系统等需要信息显示的，都可以采用头盔显示器。在CAD/CAM操作上，HMD使操作者可以远程查看数据，比如局部数据清单、工程图纸、产品规格等。波音公司在采用虚拟现实硬件技术进行波音777飞机设计时，头盔显示器就得到了应用
三维空间跟踪仪
三维空间跟踪定位器是用于空间跟踪定位的装置，一般与其他VR设备结合使用，如：数据头盔、立体眼镜、数据手套等，使参与者在空间上能够自由移动、旋转，不局限于固定的空间位置，操作更加灵活、自如、随意。产品有六个自由度和三个自由度之分。
3D立体显示器
3D立体显示器是一项新的虚拟现实产品，过去的立体显示和立体观察都是在CRT监视器上戴上液晶光阀的立体眼镜进行观看，并且需要通过高技术编程开发才能实现立体现实和立体观察。而立体显示器则摆脱以往该项技术需求，不需要任何编程开发，只要您有三维模型，就可以实现三维模型的立体显示，只要用肉眼即观察到突出的立体显示效果，不需要带任何立体眼镜设备；同时，它也可以实现视频图像（如立体电影）的立体显示和立体观察，同样也无须戴任何立体眼镜
虚拟现实工作站
立体投影
立体投影仪，其构成中包括壳体、投影仪、偏振镜片、投影屏，投影屏和投影仪分别位于壳体前、后方，偏振镜片位于投影仪的投影镜头前面，投影仪和偏振镜片的数量各为2个，2个投影仪的水平轴线相交、投影图像在投影屏上重合。数虎图像提供了一种结构简单的立体投影设备，可适宜多种场所，具有观看距离远，不易损伤视力，无辐射的安全使用性能，特别适宜作为家用立体投影设备使用。
多通道立体环幕系统
多通道环幕（立体）投影系统是指采用多台投影机组合而成的多通道大屏幕展示系统，它比普通的标准投影系统具备更大的显示尺寸、更宽的视野、更多的显示内容、更高的显示分辨率，以及更具冲击力和沉浸感的视觉效果。该系统可以应用于教学、视频播放、电影播放（现在很多影视院采用这种方式）等。多通道环幕（立体）投影系统由于其技术含量高、价格昂贵，以前一般用于虚拟仿真、系统控制和科学研究，近来开始向科博馆、展览展示、工业设计、教育培训、会议中心等专业领域发展。其中，院校和科博馆是该技术的最大应用场所。这种全新的视觉展示技术更能彰显科博馆的先进性和创新性，在今后若干年内不会被淘汰。
【数虎图像虚拟仿真事业部提供如下实验室解决方案：】 数虎图像是国内最早从事虚拟现实技术研究和制作的高新企业，在深圳、北京、美国、日本都拥有分公司，数虎图像不断吸收和学习国外最先进的虚拟现实技术，在虚拟现实实验室建设方面拥有一整套最优化解决方案。
一、数字城市系统
城市规划演示厅也被称之为数字城市实验室。其主要目标和功能是提供城市规划、城市市政管理、房地产开发与管理、旅游规划以及数字地球（城市）的仿真模拟教学和科研平台。
数虎图像凭借雄厚实力制作了国内最大的数字城市项目，可以为您提供数字内容制作和环幕硬件展示系统整体解决方案。
(数虎图像城市规划演示系统—数字城市实验室截图)
二、旅游导游实验室
导游培训：培养熟练和优秀的导游是旅游专业的教学目标，但是旅游专业学校又面临教学过程中实习资源匮乏、而实地参观成本又高的难题。数虎图像旅游虚拟仿真系统从导游和旅游专业特点出发，按照旅游专业的教学要求和实施特点，设计出适用于导游实训、旅游模拟、旅游规划、信息查询，景区导航，景区切换等功能模块。为旅游专业学校提供一站式解决方案。
（数虎图像制作的旅游仿真实验室）
三、物流仿真实验室
（物流仿真实验室）
学校教育，由于受到诸多条件的限制，大部分内容还停留在以书本为主的教学体系上。部分学校的学生现在能够在大三和大四年级，获得公司实习的机会，但是由于时间和实习单位的工作人员业务繁忙等原因情况，学生了解到的内容比较片面，了解到的业务单证也比较少，实践机会少，学生对业务的认识程度仍然相当低，缺乏感性认识。在走出学校前，为了使学生对整个的口岸物流有全面和相对深入的了解。数虎图像联合业内人士，根据市场需求，可以为物流专业实验室提供：3D仓储模拟实训系统、3D运输模拟实训系统、3D第三方物流模拟实训系统、3D集装箱与堆场模拟实训系统和3D供应链模拟实训系统等一系列解决方案。
四、虚拟维修拆卸实验室
数虎图像虚拟拆卸维修实验室，充分的利用了数虎图像开发的这套虚拟拆装模拟培训系统，可以结合大屏幕提供给更多需要虚拟拆卸和虚拟维修以及虚拟组装的客户，让更多的人一起集中练习，提高培训的效率更加节省成本。
五、虚拟手术实验室
虚拟手术是虚拟现实技术很高端的应用。国外已经可以利用传感设备进行医学学员的培训教学，甚至已经真正的做到了远程虚拟手术的效果。国内目前还没有这样的水平，不过数虎图像和科研机构联合，制作出人体的内部的三维模型和一些互动式的动作，同样能满足培训学员和手术新手的需要。
六、仿真驾驶实验室
虚拟驾驶，也被称为汽车驾驶仿真，或汽车模拟驾驶。数虎图像利用三维图像即时生成技术、汽车动力学仿真物理系统、大视场显示技术（如多通道立体投影系统）、六自由度运动平台（或三自由度运动平台）、用户输入硬件系统、立体声音响、中控系统等，让体验者在一个虚拟的驾驶环境中，感受到接近真实效果的视觉、听觉和体感的汽车驾驶体验。
【数虎图像对于国内教学型虚拟实验室建设的几点建议】 通常，一部分用户并不重视虚拟现实开发平台和虚拟现实控制系统部分，而该部分在虚拟现实系统中恰恰又是非常重要的，一个完善的集成控制手段能使用户很方便的使用虚拟现实系统，并能将虚拟现实系统中各个部分的功能充分地发挥出来，如果没有集成控制系统这部分，往往造成整个虚拟现实系统利用率低、系统管理困难、系统稳定性差、协同工作能力低下等等一系列问题。还有就是虚拟现实开发平台的采用上，最好采用通用性强的能和国际接轨的的虚拟现实开发平台，并注意以下几个方面：
1、用“平民化”的技术实现教学型虚拟实验室的建设和应用
2、更新实验教学观念,重新认识虚拟实验室
虚拟化学实验 篇3
针对传统实验教学中存在的成本高、教学方法单一、知识学习和实验动手操作相互分离、学生缺乏主动性和创造性等问题，北京邮电大学文福安教授提出了开放式虚拟实验教学系统的解决方案。在国家科技支撑计划项目的支持下，北京邮电大学和北京润尼尔网络科技有限公司通力合作，开发出了能够配合教学并在网上开展的基于B/S架构的虚拟实验教学系统，对我国实验教学的改革具有重要意义。
分工有序 各司其责
虚拟实验教学系统是一种运用虚拟现实技术模拟现实实验的计算机教学软件。它采用多媒体技术在计算机上建立虚拟实验室环境，提供分立的可自主操作的虚拟实验仪器，使学生在互联网上通过接近现实的人机交互界面完成实验，同时提供网络实验教学的一体化管理功能。
文福安介绍说：“虚拟实验教学系统分为虚拟实验平台、虚拟实验教学管理、辅助教学三个部分，可以支持跨学科的多门课程。通过这个系统，学生既可以动手操作实验，也可以学习相关理论知识，还能方便地与教师、同学交流。系统对学生的学习过程提供引导、控制、管理和帮助。”
那么，學生在学习中具体是怎样操作的呢？文福安给我们做了演示。学生点击某实验任务，就会出现相应的实验要求和报告表格。学生可以在器材栏中选择实验需要的器材和设备，自己动手连接、调节，使用它们在实验区进行实验。文福安比喻说：“虚拟实验室就像一个没有围墙的现实实验室。”除实验任务外，系统允许学生根据平台上提供的器材自由搭建任意合理的实验系统，这一点是其区别于一般实验教学课件的重要特征。
文福安还介绍说：“在实验之前，学生可以先学习与本次实验相关的预备知识，实验过程中如果遇到困难可以看指导、看课件或者问老师，实验完成后提交实验结果和报告，实验后还可以进行复习。教师负责搭建典型实验或调取实验案例，给学生制定预习计划、布置实验任务，提供实验指导和帮助，在实验结束后查看学生的实验结果，对实验报告进行批改，给出实验成绩和评价。”
要开展虚拟实验教学，还需要网上实验教学管理功能。在文福安及其团队开发的虚拟实验教学管理系统中，老师和学生可以通过答疑交流系统，采用语言、文字和图形图像进行实时的或非实时的互动交流。教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息，以便调整实验教学的进度和深度。与国际上同类学科的仿真软件相比，虚拟实验教学系统具有面向教学、易于管理等特点。
突破关键技术 成功应用推广
面对虚拟实验教学系统取得的成功，文福安及其团队的每一个人心里都很欣慰，可是在成功背后，他们付出的艰辛是常人想象不到的。他说：“想要做出一套能够模拟接近现实实验室环境的虚拟实验教学系统，那么虚拟的实验仪器设备的物理特性就必须与现实的器材相一致，同时还要具备很强的交互性、实时反馈特性以及较高的智能化特性。”突破这些关键技术是不小的挑战。
文福安说：“构建这套虚拟实验教学系统需要运用到的关键技术包括：仿真技术、Web应用技术、设计模式和图形绘制的优化，虚拟实验教学系统对其中任何一种技术都要求精益求精。”
虚拟实验系统在应用推广上可谓是捷报频传，而北邮自然就是文福安的第一块“试验田”。2006年底，在北邮网络教育学院河南工程硕士班进行了应用，86名学生参加了首次教学体验，取得了理想效果，推广第一站完美收官。2008年秋季学期在北邮网络教育学院“计算机网络”、“Linux操作系统”等多门课程上成功应用；2009年秋季学期在大连理工大学继续教育学院“电路分析”等课程应用中赢得赞赏。
目前虚拟实验教学系统支持的课程已经涵盖了计算机网络、Linux操作系统、模拟电路、电路分析、高频电子线路、数字电路、信号与系统、通信原理等多门课程。使用虚拟实验系统的教学站点多达264个，覆盖了北京、石家庄、大连、上海、广州和贵州、广西、山西等地的多个城市。系统应用于北京邮电大学、大连理工大学、中国石油大学、武汉理工大学、解放军理工大学等20余所院校。文福安及其研究团队也获得多项奖励证书，《科技日报》、《科学中国人》等媒体纷纷对此进行了专题报道。
完善技术 推进教育创新下一浪潮
实践教学是国家实施素质教育和高等教育质量工程、全面提高教育质量的重要内容。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》中提到要在2010年至2020年间加快教育信息化进程，加强优质教育资源开发与应用，加强网络教学资源体系建设，引进国际优质化数字教学资源，开放网络学习课程，建立数字图书馆和虚拟实验室的规划。虚拟实教学也已经得到了全国实验室建设指导委员会等相关单位的高度重视。2008年，“虚拟实验教学环境关键技术研究与应用推广示范”项目被确定为“十一五”国家科技支撑计划重点项目。
尽管虚拟实验室的发展得到了国家相关措施的支持，在各地推广中也取得了相当不错的成绩，但文福安教授认为当前虚拟实验教学系统仍然存在有待进一步完善的地方，并指出如何在教学中更好地发挥虚拟实验的作用、如何把实验动手和知识学习有机融合、如何增强学生的学习兴趣和信心、如何将实验教育和实际应用相结合、如何减少教师和管理人员的工作量、如何通过信息技术规范实验教学的管理等问题将逐步研究并解决，实验增强的教学环境将是团队下一步的研究方向。
开放式的虚拟实验教学系统突破了时间、空间和设备数量的限制，培养了学生的创新意识、创新能力和动手操作能力；同时还具有实验过程中易获得相关学科知识，实验结果便于保存，实验教学过程容易控制，实验教学指导更有效、容易与其他教学相结合等优势。文福安激动地说：“这将会是教育创新的下一个浪潮。”提起对虚拟实验教学系统未来的展望，文福安希望学生进入实验室的门槛更低、得到的指导更快捷；期待未来实验教学管理更加规范，实验教学的效果评价更加科学。
虚拟化学实验 篇4
近年来,随着高校大规模扩招,给高等教育带来了明显的压力。因为招生数量快速增加,高等教育投入增长跟不上规模发展,部分高校办学条件不足,仪器设备、实习场地、教室、宿舍等都有不同程度的下降,而仪器设备、实习场地不足的问题更为明显。由于实验设备无法满足需求,部分实践教学项目只是徒有虚名,导致实践教学环节严重脱节。
对于计算机专业来说,由于计算机技术更新快,对设备的要求更高,进行大量投入改变现状对很多单位来说是不现实的,特别是经济欠发达地区。通过大量的试验、研究,笔者认为采用虚拟环境进行计算机实践教学可以获得事半功倍的效果。
目前建立虚拟机和构建虚拟网络的工具软件主要有VMware和Virtual PC,而VMware对网络的支持比较好。本文将着重于如何使用VMware搭建虚拟的网络实验环境的探讨。
1 虚拟机及虚拟机技术
虚拟机是指一台在物理计算机上虚拟出来的独立的逻辑计算机。虚拟机必须通过虚拟机软件进行创建。通常人们接触到的虚拟机软件有VMware那样的硬件模拟软件,也有JVM那样的介于硬件和编译程序之间的软件。计算机虚拟技术是这样一种技术,它可以在现有的操作系统上虚拟出一个新的子系统,该子系统是建立在正在运行的操作系统之上的,同时,它又拥有自己独立的各种硬件资源,当然,这些硬件都是虚拟出来的。虚拟技术可以使我们方便地在一个主系统上建立多个同构或者异构的虚拟计算机系统,而且这些系统可以同时运行。因此,采用计算机虚拟技术可以构建起一个虚拟的实验环境,大部分计算机的实践活动都可以在这样的虚拟环境中完成。
1.1 虚拟机的优点
(1) 一般不会损坏本PC的操作系统和软件,因虚拟机的硬盘通常是本PC上的一个文件,虚拟机在硬盘上的操作只在这个文件上进行。
(2) 可同时在同一台PC上运行多个操作系统,每个OS都有自己独立的一个虚拟机, 就如同网络上一个独立的PC。
(3) 可在单机上组建网络,它提供了虚拟网络设备如交换机、网卡和虚拟建网的方式。
(4) 容易安装和备份,可在虚拟机上容易地安装不同的操作系统然后备份,使用这些备份可更快速地安装其他虚拟机。
1.2 学校应用虚拟机的好处
(1) 为学校节省资金投入
学校不用另外购买计算机、交换机、路由器、网卡等网络设备。因为虚拟软件本身提供了这些设备的交互功能。只需简单添加、修改和配置后便可使用。
(2)提高了系统的安全性和维护的方便性
通常实验室是向整个计算机专业各个学科提供服务的,实验室的使用率是很高的,而一些实验的破坏性是很大的,比如:计算机网络工程实习、操作系统实验、计算机网络实验等,这些实验课要求安装操作系统及对系统具有超级用户的权限。如果不采用虚拟机技术,这些实验课结束后,实验室管理人员不可能在较短的时间内恢复原有的系统环境,从而影响到别的课程实验教学。而采用虚拟机技术的话,这些课程的实验对原真实系统没有破坏性,对别的实验课的正常教学没有影响。
(3) 一定程度上提高了学生实验用机数
一些实验课学生的用机量是比较大的,比如,计算机网络工程实习(实验),一个学生至少要有3台计算机。如果一个班40个学生要进行网络工程实习,就要求至少120台计算机才能满足学生的用机,但采用虚拟机技术的话,在一台计算机上虚拟出3台虚拟机,构成一个简单的局域网,这样,40台机子就满足了学生的用机要求。
(4) 有利于提高学生学习兴趣和有助于学生自主学习
因为虚拟机的安装要求不高,安装的方法也较为简单。学生学会了虚拟机组建虚拟网络的原理和方法后,可以在学校实验室环境之外的其它环境自主地做网络实验。
2 虚拟实验环境的搭建
2.1 虚拟实验环境的整体规划
整体规划的思想是,在实系统的基础上搭建一个安全、稳定、灵活及使用方便的虚拟实验环境。
(1) 实系统的分区规划
现我系计算中心计算机网络实验室的计算机硬件主要配置为:CPU是赛扬2.8G、主板是华硕845、内存是DDR400 512M、硬盘容量是80G,并带有硬盘还原卡功能。根据硬件的实际配置及实验环境需要对硬盘进行分区,把硬盘分为3个分区,其中C:分区的容量为40G,用于安装实操作系统及所有的应用软件,并利用还原对此分区进行保护;D:分区(20G)和E:分区(20G)留给学生保存实验数据,这两个分区不用保护。
(2) 实系统的安装
在C:分区上安装实操作系统及各实验项目所需的各种应用软件,一般安装完这些软件后会占用C:分区12~15G的磁盘空间,加上还原卡所需的暂存空间520M,还有24G左右的空间留给虚拟机使用。
2.2 虚拟机的规划与安装
(1) 虚拟机的安装规划
考虑到虚拟实验环境的安全性、稳定性及使用的方便性,把虚拟机安装在具有还原卡保护的C:分区中,这样可以避免学生的误操作或有意删除文件后所带来的危害,只要重新启动实操作系统后便得到恢复。同时,为了方便学生安装虚拟机及节省安装光盘,把WinXP、Win2003Server、Linux系统光盘做成系统镜像文件保存在C:systemiso目录中。
(2) 虚拟机软件VMware Workstation的安装
在C:分区中安装VMware Workstation,其安装过程和其他的应用软件的安装过程一样,具有图形安装向导,操作很简单,在此就不详细说明安装步骤了。
(3) 虚拟机的安装
先在C:分区中建立一个Virtual machine目录,然后在Virtual machine目录下建立Vmwinxp、Vmwin2003Server、Vmlinux三个目录。最后运行VMware Workstation,分别在Vmwinxp、Vmwin2003Server、Vmlinux三个目录中安装Winxp、Win2003Server、Linux三台虚拟机。虚拟机的安装也很简单,一般按默认的方式就可以完成安装,但在安装过程中要注意虚拟机的内存分配及网卡的类型的选择。同时,以超级用户身份登陆,且不设置密码。这样做主要是考虑了虚拟机的使用灵活性,其安全性已经通过保护卡得到保证。完成三台虚拟机的安装及在系统镜像文件的备份后,C:分区还可剩余8~10G的磁盘空间,这些空间可以满足以后应用软件的扩充及系统的虚拟磁盘空间需要。
3虚拟实验环境的安全性、稳定性、灵活性及有效性的具体说明
(1) 安全性
这里有双重的安全保证,其一是虚拟软件提供的安全保证,因为在虚拟机中,虚拟硬盘只是一个文件夹下的一个文件,虚拟机的用户只在该文件中进行操作,对别的分区及文件夹是不可见的,从而对别的虚拟机及实系统是安全的。其二是还原卡提供的安全保证,如果虚拟机用户删除了虚拟机系统的文件或实系统用户删除了虚拟机文件夹,导致虚拟机故障或不可用时,在保护卡的自动还原功能的保护下,只要重新启动实系统便可快速恢复到原先正常环境。
(2) 稳定性
VMware为了保证系统的兼容性和稳定性,把现有的设备都虚拟成了最标准的、兼容性最好的设备,比真实实验环境具有更好的稳定性。在真实的实验环境中进行实实验过程中,由于设备的故障,会导致实验失败。例如:其中网线有故障、交换机有故障、路由器没有配好,都会引发网络问题,这样,对于初学者来说,不知道问题出在哪,会影响实验的效果。而用VMware Workstation搭建实验环境,你无需考虑网络设备以及网络设备的连接问题,因为这些设备都是“虚拟”的并且已经按照需求连通。
(3) 灵活性
由于安装虚拟时,没有设置超级用户密码,任何一个用户都可使用已经安装好的虚拟机,如果做一些短时间的实验项目,就可以直接使用现有的虚拟机系统进行配置、修改,包括修改密码等操作,重新启动虚拟后这些修改是有效的(只要不重新启动实系统)。同时,要进行添加一些系统组件是也很方便,不需要系统光盘,只要把光驱指向备份的系统镜像文件即可。而对于那些需要长时间方能完成的实验项目,可以把C:的虚拟机文件夹拷贝到D:或E:分区下,这样,即使重新启动实系统或机关,学生的实验结果还是保存在D:或E:分区中。
(4) 有效性
因为“虚拟机”提供的是一个近于真实的环境,只要能在“虚拟机”上完成的实验,就能够在真实的机器上完成,所以实验质量得到保证,完全符合教学要求。
4 虚拟实验环境应用实例
下面仅以《计算机网络工程实习》项目中的“软路由”为例作个介绍。具体实验步骤如下:
(1) 启动VMware Workstation软件,出现第一个图形界面。
(2) 选择Windows server 2003,进入Edit virtual machine settings,为该虚拟机添加第二块网卡,网卡类型为host-only。这样,这台虚拟机就是“软路由”服务器。
(3) 在第一步出现的图形界面窗口左侧的Favorites文件夹中分别运行Windows server 2003、Windows XP、Linux三台虚拟机。这三台虚拟机就构成了一个简单的局域网了,其中Windows server 2003是服务器,Windows XP和Linux是客户机。
(4) 下面就是设置IP地址及软路由的设备了,其方法与真实网络环境下的设备完全一样,在此不作具体介绍。
5 结束语
该虚拟实验环境经过一个学期的使用,它的安全性、稳定性、灵活性及有效性得到充分的肯定,为操作系统实验、计算机网络实验、计算机网络工程实习等一些具有较大的破坏可能性实验提供了很好的解决方案,同时在一定程度上缓解我系学生用机紧张状况。但也存在一些不足,由于受到内存容量的限制,在该虚拟环境中,虚拟机运行的速度要慢一些。通过增加内存容量,运行速度有望得到提高。
摘要：近年来,随着高校大规模扩招,不少高校都存在实验设备、实验场地无法满足教学实践需要的情况,使得部分实践教学项目只是徒有虚名,特别是具有破坏性的实验项目,导致实践教学环节严重脱节。在硬盘还原卡的基础上利用VMware Workstation虚拟软件搭建一个虚拟实验环境,利用该虚拟实验环境可进行那些具有有破坏性的实验项目,同时也在一定程度上为学生提供了尽可能多的用机时间。经过使用,该虚拟实验环境的安全、稳定及灵活性得到充分肯定。
关键词：虚拟机,VMware Workstation,虚拟实验环境
参考文献
[1]刘羽.“虚拟机”技术在教学实验中的应用[J].桂林工学院学报,2003,10.
虚拟化学实验 篇5
（一）实验报告
一．交换机端口隔离 1.实验名称
交换机端口隔离。2.实验目的
理解Port Vlan的配置。3.实验步骤
步骤1.在未划VLAN前两台PC互相PING可以通。
步骤2.将接口分配到VLAN。
步骤3.两台PC互相PING不通。
二．跨交换机实现VLAN 1.实验名称
跨交换机实现VLAN。2.实验目的
理解VLAN如何挂交换机实现。3.实验步骤
步骤1.在交换机SwitchA上创建Vlan 10，并将0/5端口划分到Vlan 10中。
步骤2.在交换机SwitchA上创建Vlan 20，并将0/15端口划分到Vlan 20中。
步骤3.在交换机SwitchA上将与SwitchB相连的端口（假设为0/24端口）定义为tagvlan模式。
步骤4.在交换机SwitchB上创建Vlan 10，并将0/5端口划分到Vlan 10中。
步骤5.在交换机SwitchB上将与SwitchA相连的端口（假设为0/24端口）定义为tagvlan模式。
步骤6.验证PC1与PC3能互相通信，但PC2与PC3不能互相通信。
三．实验总结
本次试验分为两个试验。交换机端口隔离以及跨交换机实现VLAN。
虚拟实验在大学化学教学中的作用 篇6
关键词：虚拟现实技术；虚拟实验；意义
21世纪国家高等教育改革一个很突出的方面就是对理论课和实验课的学时进行了调整[1]，缩短了理论课的教学学时，而增加了实验课的教学学时，强调加强培养学员的实际动手能力和实践能力，提高了实验教学在高等教育中的地位和作用，在我校新一轮的实验课程标准制订中也明确规定了实验课程所占比例不得少于理论课程20%的学时。
一、传统大学化学实验课程授课模式的缺陷
大学化学实验是化学课程的一个重要组成部分，是一门实践性很强的基础实验课程，通过实验不仅可以更好地巩固和验证理论课程所讲授的知识，更重要的是可以培养学员的动手能力和严谨的科学素养。但是，学员通常对化学实验课程不够重视，其原因主要有以下几个方面：
1.学员多。大学化学作为一门公共基础必修课，通常采取大班授课的模式进行，每个班的学员人数都很多，而实验场地相对有限，所以开设实验往往比较困难。
2.实验课时少，场地有限。大学化学理论授课时间为40学时，而大学化学实验的授课时间仅仅为8学时，由于学时的限制，想开设综合性、创造性、开放性实验往往不可能。
3.开设实验内容相对单一。由于受到学员人数、课时、实验场地等诸多因素的影响，实验内容往往以验证性实验为主，这些实验内容相对单一，只需要参照实验教材按部就班地进行操作就行了，这些实验的开展通常起不到培养学员能力和素质的作用。
二、开设虚拟实验的意义
计算机科学的快速发展，对我国教育观念和教学理念产生了深刻的影响，尤其是给传统实验教学方式和方法注入了新的活力。充分运用现代教学手段，利用多媒体和网络教学等资源构建网络虚拟实验平台，改进实验教学方法，提高实验教学质量，已成为现代实验教育发展的必然趋势。
虚拟现实技术是利用计算机构建一个逼真的三维虚拟环境，并通过传感设备与之交互的新技术[2]。运用虚拟现实技术建立起的模拟现实化学实验场景的实验室称为化学虚拟实验室，而在化学虚拟实验室中可以进行自主设计和模拟操作实验项目。
化学虚拟实验弥补了传统实验的不足，丰富了传统实验的内容，其主要有四个方面的优点：
1.节省实验授课时间，弥补了学员学时少的缺陷。在实验课前，学员通过计算机预习将要开设的实验内容，对仪器设备进行基本了解，对实验过程中可能涉及的问题有初步的认识。这样教员在课上就可以重点介绍实验内容及注意事项，留给学员足够的时间动手操作与练习。
2.激发学员兴趣，弥补了非专业学员实验内容相对单一的不足。传统实验大多数以验证性为主，实验内容单一[3]，缺乏设计性和创新能力的培养。引入虚拟仿真实验，可灵活地增加各种设计性实验内容，激发学员的学习兴趣，同时也锻炼和培养学员的独立思考和创造性能力，使实验教学朝着培养学员能力和素质的方向发展。
3.减少实验所需仪器及药品，解决了学员人数多，仪器设备少的问题。对于非化学专业来说，大学化学实验作为一门公共必修课，面临着学员多、实验教员少、实验场地有限的困难，一项实验能否顺利开展很大程度上取决于该实验过程中的花费。开设虚拟化学实验过程中，不需要耗费实验药品，也不会对实验仪器造成损坏。虚拟实验操作也可以指导传统化学实验，通过虚拟实验可以了解所用仪器的结构组成、使用方法、注意事项等，在实际操作中就会减少出错机会，减少了实验过程中的药品浪费，仪器损毁率也大大降低。特别是针对某些昂贵仪器设备缺乏的情况，通过开设虚拟实验可以得到有效的弥补。
4.对环境无污染，绿色环保，实验过程不存在危险性。在开设化学实验的过程中，涉及的药品很多都是有毒性的，对人和环境都具有一定的危害性，特别是一些涉及剧毒化学药品的化学实验内容，在实验教学中通常是不允许开设的，利用虚拟实验就可以很好地解决这些问题。虚拟实验通过计算机模拟实验过程，学员通过操作软件，既能掌握实验的过程及要领，又不会对个人和环境造成任何危害。
三、开设虚拟实验的效果
2011年，我系实验室在大学化学实验中开设了半自动电光分析天平的使用和酸碱滴定这两个小的虚拟实验项目。通过半自动电光分析天平的使用实验，学员很好地掌握了天平的内部构造、使用方法、注意事项等，在实际动手操作实验过程中，比没有参与虚拟实验的学员明显熟练且出现操作错误的几率明显降低。通过酸碱滴定虚拟实验，学员学会了选择合适的玻璃仪器及指示剂的方法，很好地掌握了移液管、酸式滴定管、碱式滴定管的使用方法以及滴定接近终点时的1/2滴操作，在实际动手操作过程中，学员已经熟练掌握了仪器的使用方法，对实验的注意事项也了然于心，比没有参与虚拟实验的学员明显熟练且对玻璃仪器的损毁情况明显降低。
通过两项小虚拟实验的引入，提高了学员上实验课的兴趣，更好地培养了学员独立思考的能力。当然，建立虚拟化学实验，并不是说完全丢弃传统实验方法，由虚拟化学实验来代替，而是更好地利用虚拟实验资源，丰富补充和完善传统实验教学，加深学员对实验原理、步骤、注意事项的理解，进一步加强学员对实验过程中涉及的仪器设备的掌握。此外，还可使学员在课前自主预习，增强实际实验过程的熟练程度，同时课后学员也可以对化学实验内容进行反复操作，达到熟练掌握的目的。
参考文献：
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[2]申蔚，夏立文.虚拟现实技术[M].北京：北京希望电子出版社，2002：2-5.
[3]王晓娟，刘慧君，魏传晚，等.虚拟仿真技术用于开放性化学实验的必要性[J].工程技术，2010（11）：53.
虚拟化学实验 篇7
关键词：虚拟,化学实验,有机化学
随着计算机技术的发展和各种软件的出现和更新, 诞生了虚拟化学实验, 虚拟化学实验在有机化学教学中正发挥着日益重要的作用。我们对一些有机实验现象进行了模拟, 同时在有机化学教学中进行了运用, 并取得了良好的教学效果。
一、虚拟化学实验在有机化学教学中的优点及应用
化学是一门以实践为基础的学科, 它的知识均来自于化学实验, 因此用实验来表现理论知识是最有效的表现方法。老师在课堂上讲授的内容都是纸面上的, 不便于学生理解化学理论, 所以十分需要用实验来对理论知识进行验证, 以加深学生的理解, 相对于真实的化学实验而言, 虚拟化学实验有着许多优点。
1. 虚拟化学实验无任何污染, 完全绿色, 没有任何危险性
实验室里大多数药品都是具有毒性的, 对健康都有危害, 特别是一些涉及剧毒化学品的化学实验, 实验室是不允许做这类实验的, 这种情况下, 虚拟化学实验就是最佳的表达方法, 如酮与氢氰酸的加成反应, 合成农药中要用到有毒的光气等, 再如, 一些实验室里万万做不得的实验, 在虚拟的情况下都可以进行。密闭体系加热会发生爆炸的实验, 乙醚蒸干会发生什么情况等, 还有炸药的爆炸, 实验室是不可能演示这类有危险的实验, 学生对于这类实验总是凭想象来理解的, 而一旦现实生活中发生了此类危险事件, 学生会显得不知所措, 缺乏应急能力, 为了使学生对这类现象有身临其境的感性认识, 运用虚拟化学实验是再合适不过了。
2. 虚拟化学实验能够跨越时间和空间以及实验条件
的限制
实验室做有机实验, 往往实验前必须花大量时间进行实验准备, 工作量较大, 而虚拟化学实验是不需要任何准备的, 它只需要1台电脑1台投影仪就可以播放, 有机反应往往进行得较慢, 通常做一个有机化学反应需要4-5小时, 有的反应甚至需要几天或更长的时间, 学生不可能花很多的时间来观看实验, 而且实验还往往会由于种种失败, 不能得到所要的产物, 这给我们向学生演示实验带来了困难, 这时候, 在短时间内可以起到在实验室几个小时才可以取得的实验演示效果, 这大大提高了表现力, 大大节省学生的学习时间, 对于有些时间跨度很大的过程, 如煤和石油的形成, 实验室几乎是不可能做的, 这也只有依赖于虚拟化学实验来模拟了。还有, 进行得很快的过程, 如, 电子的跃迁, 光子的放出等, 利用虚拟化学实验可以使它们的发生过程变慢, 看它们的“慢镜头”。便于了解它们发生的机理, 还有对于一些其他肉眼观察不到的过程, 如水分子的运动, 气体分子的扩散现象等, 借助于虚拟化学实验能够演示其过程。
在真实化学实验中, 学生能进行的实验数量必定是十分有限的, 这里面不仅有受学生实验费用限制的原因, 而且还有做实验所花费时间巨大的原因, 而利用虚拟化学实验却可以在短时间内完成大量的实验, 以此来加深对知识的理解。
虚拟化学实验为远程教育的学生带来了福音, 虽然没有条件不能做实验。但通过网络, 学生足不出户便可以做各种各样的虚拟化学实验, 享受各类大学丰富的虚拟化学实验资源, 并可以获得与真实实验一样的体会, 从而丰富感性认识, 加深对教学内容的理解。另外, 对于一些实验室不能完成的实验, 如涉及到贵重药品的实验, 实验试剂无法购得的实验, 耗资巨大的实验, 实验室场地的不足等无法进行的实验, 都可以通过虚拟现化学实验来弥补, 如甲醇的精馏塔等, 实验室里不可能做, 但通过虚拟化学实验的模拟却可以完美解决。
3虚拟化学实验大大节省实验费用
实验费用往往是决定实验是否能进行的因素之一, 虚拟化学实验几乎不需要实验费用, 投资十分少, 虽然设计制作一个虚拟化学实验较为费时费力, 但一旦做出来, 整个网络都可以共享, 其效益也是十分可观, 所以社会效益十分显著。随着世界上各种多媒体软件的日新月异的发展, 虚拟化学实验制作水平和制作质量正在飞速提高。
4. 虚拟化学实验可以利用软件的优势, 使实验效果更具表现力
虚拟化学实验可以利用软件的表现力使得某些实验效果更为传神, 可以突出其制作效果和丰富实验内容, 虚拟化学实验还可以用渲染、特写等技术使实验现象更加形象化, 变得更容易记忆, 给人留下深刻印象, 使学生在学习时能够享受到娱乐般的快乐。
真实的实验中, 而真实的实验中, 则是必须成功做完第一步, 方才可以进行第二步, 彼此不可以跳跃进行, 整个过程要是有一步没成功, 整个实验即告失败, 虚拟化学实验则可以借助于软件的优势, 可以从任意过程点开始播放。在真实的化学实验中, 学生要是一时注意力不集中, 错过了观察实验现象, 是难以弥补的, 而在虚拟化学实验中, 这个问题变得很容易解决, 虚拟化学实验可以人为控制, 能够跳跃播放, 便于学生针对自己的弱点而及时复习。此外, 教师在讲授过程中, 也可以根据需要和学生的理解情况, 随时终止实验, 停下来讲解作进一步的讲解, 十分方便, 这既利于教师的讲授, 又利于学生的理解。
一个实验, 总是有需要重点掌握的部分和常规操作部分, 在真实的实验中, 我们必须从头到尾, 按照实验顺序将其做一遍, 而虚拟化学实验中则可以根据演示者的要求, 在重点的地方详细介绍, 在次要的地方一带而过。这样就减少了无关信息的干扰, 使重点变得突出。这便于教师将欲阐述的主要观点呈现给学生, 也避免给学生带来纷杂和干扰。经过这样的处理之后, 使学生的学习目标变得有的放矢。使表达简洁明了, 使原本复杂不容易理解的知识变得更加容易理解了, 这大大提高了学习效果。
5. 虚拟化学实验可以和有机化学课堂教学同步使用, 帮助学生即时消化有机化学的概念, 机理以及反应
在通常的教学模式中, 理论课和实验课是分开来上的, 很多化学实验是不能够在实验室演示的, 学生在学习理论知识时无法得到实验的验证, 使理论课的学习变得枯燥和困难, 而通常学生是理论课下课后到实验室才可以做实验, 这显然没有边学有机理论边进行即时虚拟化学实验对有机知识理解得好。利用虚拟化学实验可以对每一个理论知识点进行演示, 这可以大大促进对知识的掌握。
二、虚拟化学实验的设计及实现
1. 虚拟化学实验的设计可以分为用于理论课教学和
实验课教学虚拟化学实验两种类型, 作为理论课教学服务的虚拟化学实验, 由于课堂时间紧张, 应该把重点放在对概念的理解, 机理的演示, 以及化合物的现象的演示上, 目的是促使对课本理论知识的理解, 而用于实验课教学的虚拟化学实验, 应该把重点放在实验的技能上面, 包括实验的准备, 具体操作步骤, 和实验的结果等, 目的是给学生的一个操作示范。虚拟化学实验可以为学生做真实化学实验打下了良好的基础。许多学生一进实验室, 往往茫然不知所挫, 在这种情况下, 事先给他们一个基本的铺垫是非常必要的。
2. 虚拟化学实验十分适用于有机化学理论课教学,
在其制作过程中, 教师应该首先对实验的过程进行精深的解析, 并结合自己的以往学生的对该问题的理解情况, 确定哪些是重点表现的内容, 用什么手段表现最佳等, 理清设计的思路, 从而形成比较成熟的设计方案, 然后用一些表现手段, 如A u t h o r w a r e, 3 d m a x, Chem3d, Flash, Premiere, Firework, Photoshop, Authorware, Hyper Cam与Chem Lab等来实现它, 制作完成之后要反复播放修改。通常平面动画效果用Flash来表现, 优点是文件体积小, 操作简便。立体效果可以用3dmax, Chem3d等来表现, 只是文件体积较大, 在做成3d效果后, 将其导入Flash中再与文字等平面素材进行进一步的组合。最后, 用Authorware统一制作而成。
三、虚拟化学实验绝不能完全代替真实的实验操作
虚拟化学实验尽管有着许多真实的实验操作不可比拟的优点, 但也不能忽视它的不足, 虚拟化学实验永远都不可能完全地代替真实的实验操作, 我们大力提倡虚拟化学实验的好处, 切不可以走向极端, 这是因为, 实际的操作只有学生亲自操作, 才会增强其动手能力, 对于有些实验, 是训练学生的实际动手操作能力, 这部分内容就不易使用虚拟化学实验, “纸上得来终觉浅, 绝知此事要躬行”。亲自动手实验也是十分重要的环节, 在实际教学过程中, 我们应该注意到两者的优势, 发挥它们各自的长处, 取长补短, 将其完美的结合在一起, 做到最优化发挥。
参考文献
[1]金建忠.化学多媒体辅助教学的探讨[J].浙江树人大学学报, 2002, 5
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[3]王应红.多媒体“ChemLab”软件在化学实验与教学中的应用[J].中国电化教育, 2001, 9
虚拟化学实验平台的设计与实现 篇8
1 虚拟化学实验平台基本架构
虚拟化学实验平台由人机交互、实验控制、支持数据库三部分组成。人机交互部分提供用户的操作接口, 可以实时控制实验的进展, 动态智能的显现操作过程, 并将实验反应的过程和结果反馈给用户;实验控制模块通过对添加的实验仪器、药品及反应条件等数据进行分析, 动态识别出反应的实验类型, 然后匹配方程式, 确定出反应的生成物、实验现象;支持数据库采用Access数据库存储数据, 提高了数据的存取效率, 实现了实验平台数据的实时更新和一致性。虚拟实验平台的结构 (如图1所示) 。
2 虚拟化学实验平台运行流程
在人机交互模块中选择是否开始个新实验, 通过添加仪器、药品及组合后, 控制实验开始, 通过智能识别模块匹配方程式, 动态智能的反应;用户的操作对比标准操作, 进行模糊评价, 评价结果保存到文件数据库;如果不是新实验, 可以打开文件库中已经保存的具体文件, 根据是否评价过, 对实验的反应过程及结果进行浏览或综合评价。虚拟实验平台的实现核心流程 (如图2所示) 。
3 虚拟化学实验平台关键技术
3.1 虚拟实验平台建模技术
3.1.1 虚拟元器件建模
虚拟元器件建模包括几何建模、物理建模。几何建模是对实体对象内部固有的几何性质的抽象, 描述了虚拟环境的三维造型及其外观。几何建模可以利用三维建模软件如3 D M a x, M a y a, A u t o C A D, MultiGen等实现几何模型的构建。物理建模[2]是对虚拟实体对象的质量、重量、颜色、表面纹理、硬度、形状改变模式等的描述, 这些特性与几何建模和行为规则结合起来, 形成更真实的虚拟物理模型, 如图3。
3.1.2 化学现象建模
为了达到真实效果, 必须对化学现象进行建模。化学建模是在化学反应过程中体现出来的化学变化, 常表现为颜色改变、放出气体、生成沉淀等。化学变化不但生成其他物质, 而且还伴随着能量的变化, 如吸热、放热、发光等。
(1) 渐变化学现象建模
化学实验中的反应物在反应的过程中逐渐变为生成物, 是个量变过程。药品变化的过程不是恒定的, 它根据反应条件, 比如催化剂、温度、药品的数量等参数控制变换模型的时间, 如图4所示。
(2) 粒子系统
化学现象中形状不规则的化学药品 (如:固体粉末状、固体颗粒状、固体块状、液体、气体等) 采用粒子系统的方法进行建模。OSG中使用粒子系统一般要经历以下几个步骤:确定意图 (包括粒子的运动方式等) ;建立粒子模版;建立粒子系统, 设置总的属性;设置发射器 (发射器形状, 发射粒子的数目变化等) ;设置操作 (旋转度, 风力等因素) ;加入结点, 更新。虚拟化学实验中出现的火焰、气体、气泡、沉淀等都是按上面的步骤, 图5为利用粒子系统制作的酒精灯火焰[3]。
3.2 虚拟交互技术
化学实验不同于一般的漫游、仿真, 它不仅在于人与设备的交互操作, 还在于化学实验本身的特殊性, 它是过程性的、连续性的, 要根据实验环境的变化而变化[4,5]。虚拟实验平台中有以下几种关键的交互操作:场景漫游、拾取、拖动、添加仪器、对实验的控制、碰撞检测等[6]。场景漫游:在虚拟实验的操作中, 需要从不同角度观察实验, 最终确定一个合适的操作距离和视角, 在OSG中采用了通过矩阵变换设置观察坐标系实现;仪器对象的拾取、拖动和组合:在实验过程中需要拾取仪器, 将仪器组合成实验平台, 在OSG中通过对实体对象的拾取和拖动实现仪器的移动和组合;仪器中药品的添加和删除:用鼠标选择药品名称, 系统从后台药品库读出药品的使用量, 形状和物态等属性, 然后在仪器的相关位置渲染药品, 实现药品的添加, 删除仪器和药品的操作是通过删除场景中相应节点实现;实验控制:控制实验过程的进展, 分为开始实验、暂停实验和继续实验等操作步骤。
4 虚拟化学实验效果
本文针对初中的无机化学实验进行了分析, 以反应方程式为依据, 按反应类型分为五类。
化合反应:指由两种或两种以上的物质生成一种新物质的反应。例如:碳在氧气中燃烧。
分解反应:是化合反应的逆反应, 指一种化合物在特定条件下 (如加热、通直流电、催化剂等) 分解成两种或两种以上较简单的单质和化合物。例如:碱式碳酸铜受热分解。
置换反应:指一种单质和一种化合物, 生成另一种单质和另一种化合物的反应, 可表示为:A+B C→B+A C。例如:氢气还原氧化铜。
复分解反应:由两种化合物互相交换成分, 生成另外两种化合物的反应, 记为AB+CD→AD+CB。例如:碳酸钙与稀盐酸反应。
其它反应类型:除上面四种反应类型之外的无机化学反应。下面分别针对分解、复分解、置换、化合反应进行虚拟实验的过程演示。
图6是碱式碳酸铜受热分解的反应, 在加热的条件下, 碱式碳酸铜由浅绿色分解成黑色的氧化铜, 水和使澄清石灰水变浑浊的二氧化碳。
图7是碳酸钙和稀盐酸的复分解反应, 生成氯化钙、水和二氧化碳, 左图集气瓶上面的小火焰, 是用来检验里面的二氧化碳气体的;右图小火焰放入集气瓶后, 小火焰熄灭。
图8是氢气还原氧化铜的置换反应, 左图是氢气的生成装置, 先通入氢气, 把导管中的空气清干净, 这样能达到较好的还原效果;右图酒精灯点燃, 氢气与氧化铜的置换反应开始, 逐渐由黑色的氧化铜变成红色的铜。
图9是碳在氧气中燃烧的化合反应, 左图为把灼热的碳放入, 右图为灼热的碳在氧气中燃烧。
5 结语
在研究虚拟化学实验平台基本原理的基础上, 通过对平台建设过程中涉及的建模和交互等关键技术的研究, 实现了虚拟化学实验平台。该平台建立了化学药品模型库, 并且能够以不同的视图操作实验和观察实验结果, 具有操作方便, 真实感强的特点。但是, 虚拟化学实验平台的设计和实现是一项非常庞大和复杂工程, 还有许多理论和技术问题有待解决, 如元器件几何建模形象逼真的问题, 对于精细的实验仪器和化学现象的建模离预期的效果还有差距, 另外, 对影响控制参数变化的各个因素, 考虑的不太全面, 这些问题都有待进一步深入研究。
摘要：在研究虚拟化学实验平台基本原理的基础上, 通过对平台建设过程中涉及的建模和交互等关键技术的研究, 基于开源软件OSG (OpenSceneGraph) 的技术特点, 提出了虚拟化学实验平台的框架、实现过程和功能结构, 研究了化学反应的实验现象和过程, 建立了化学实验模型库。最后通过四个实例证明了该实验平台的可行性, 该平台具有操作的灵活性和设计的优越性, 为化学学习提供了方便、有效的支持。
关键词：虚拟现实,化学实验,OSG
参考文献
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[5]朱福全, 杨丽平, 李昌国, 等.基于OpenGL的虚拟化学实验系统的研究[J].计算机工程与设计, 2008, 29 (3) :723～724.
虚拟实验理论初探 篇9
虚拟实验是近年来随着计算机技术和网络技术的发展而兴起的一种实验技术或实验方法。虚拟实验是利用软件技术构建系统的逻辑结构模型, 结合相关硬件构成虚拟系统, 并利用网络技术实现网络化虚拟系统。根据实验物体以及研究内容, 利用软件构成总体的逻辑结构模型, 并对相关硬件以及实验仪器进行控制和操作, 形成虚拟系统的整体结构。运用网络将虚拟系统的实验范围进行扩展, 实现系统的分布式构建和实验过程的多方协作处理。在整个实验过程中, 充分利用了计算机的控制、处理和协调功能。与仿真实验相比, 虚拟实验运用计算机处理的数据是从实际的实验对象和实验仪器中获得的, 实验的结果能够正确表征实验对象的特性, 反映本质联系。同时, 计算机中的软件程序能够反向控制实验对象和实验仪器中的信号输出, 实验结果具有针对性, 增加对实验对象的认识的明确性。虚拟实验由于其强大的功能和突出的优点, 所以在大学实验教学中得到广泛应用[1]。
二、虚拟实验理论基础
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。北京师范大学远程教育研究中心的陈丽博士在对远程教育方面的教学交互进行深入研究后提出了远程教学中的教学交互层次塔理论。她将远程教学交互分为三个层面:学生与媒体界面的操作交互, 学生与教学要素的信息交互, 学生原有的概念和新概念之间的概念交互。见图1。
层次塔以媒体为平台。层次塔底层是操作交互;中间层是信息交互, 信息交互有三种形式:学生与学习资源的交互、学生与教师的交互、以及学生与学生的交互;最上层是概念交互。与远程学习中的教学交互相类似, 虚拟实验过程中的教学交互也是分层次的, 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。三种教学交互的关系是:操作交互是信息交互发生的条件, 操作交互中的动作由信息交互的需要和媒体界面的特征来决定。概念交互产生于信息交互的过程中, 概念交互的水平和方向决定了学习结果, 概念交互的结果将决定信息交互的内容和形式。所有类型教学交互的目的都是通过各种信息交互来促使概念交互的发生, 并使结果朝着教学目标不断接近, 操作交互是这个过程的技术保障[2]。教学交互层次理论在一定程度上揭示了教学交互本质, 对虚拟实验中的交互研究有重要的指导意义, 借助该理论可以辨析虚拟实验中各种教学交互现象的实际作用和相互关系;探索促进虚拟实验教学的有效途径, 通过媒体功能的完善, 提高操作交互的水平, 通过良好教学设计和学习支持提高适应性的水平, 通过概念交互反馈, 可以评价教学交互是否促进有意义学习。
三、虚拟实验的优点和不足
1.虚拟实验的优点
虚拟实验为教育教学开辟了新的思路, 因为它大大扩展了学生的经验范围。模拟能让学生去探索那些十分昂贵、十分危险、在时空上行不通或在现实中不可能达到的实验。
(1) 激发学生的学习动机
由于计算机尤其是虚拟现实技术可利用计算机图形、声音和图像来再造逼真的情境, 因此学习者会完全沉浸于其中而无法将其与真实世界区分开来, 给人们以很好的“临场感”和“逼真感”。它超越了通常的交互作用, 可以达到真正自然的高水平的交互作用。
(2) 时间和空间的有效性
虚拟实验可以压缩时间和空间展开真实事件, 使静态的变化速度宜于学生观察, 因此也就大大节约了对某些过程的观察时间或者使得一些原本无法观察的现象清晰地展现在学生的面前, 开阔了学生的视野, 有助于发展学生的思维, 可以有效弥补教学中的不足。
(3) 安全性和经济性
某些物理实验, 由于其危险性或是设备比较昂贵, 不太可能在真实情况下让学生去经历比如核反应、太空旅行, 利用计算机进行虚拟实验则可以做到既安全又经济, 并且让学生有一种亲身经历的感觉。
(4) 富有真实感
尽管模拟对真实世界并不是不折不扣的复制, 但确实为学生创设了一个虚拟的情景, 学生所经历的决策过程则是真实的。这样学生能够较为容易地进行知识迁移, 即使是在真实生活中遇到类似的情景, 也会很轻松地去处理。
(5) 教学方式灵活、方便
虚拟实验突破了传统教学模式受时间、地点的限制, 并且可以利用网络教育提高教学效率。
2.虚拟实验的缺点
虚拟实验教学完全基于计算机技术和网络通信技术, 对于学生来说, 整个教学过程是在计算机屏幕上完成的。因此, 计算机模拟实验教学具有局限性。
(1) 可能淡化对基本技能训练的重视程度
在使用计算机进行虚拟实验的过程中, 学生可能会由于把注意力集中于计算机操作上, 淡化了对基本技能训练, 妨碍利用现成的简单设备进行探索和实验的欲望和习惯养成。
(2) 难于获得对真实仪器的客观实际感受和由此给基本技能训练带来的影响
无疑, 即使再逼真, 计算机的真也不是现实生活中的真。所以计计算机模拟实验的天然弱点就是难于使学生获得对真实仪器装置的客观实际感受。
(3) 减少学生应对突发事件的机会
在实验中遇到仪器方面故障、突发问题及由于某些条件不能满足或一些条件的改变, 会使学生遭遇问题, 增加克服困难的训练机会, 提高学生解决实际问题的能力。而计算机模拟实验的条件相对理想, 减少了学生应对突发事件、排除故障及对实验仪器的常规检修的机会, 又由于“仪器”相对比较精确, 也使学生无法通过实验数据处理, 误差分析这一训练, 体验、分析来源于仪器和操作者等产生误差的主要原因, 减少了对整个实程的反思及寻找可用的经验和过失机会[5]。
四、解决虚拟实验不足的措施
在利用计算机进行虚拟实验进行教学时, 要注意真实与虚拟学习之间的知识和技能迁移关系从真实到虚拟, 指导学生把所掌握的规则、原理等知识应用到虚拟实验中, 减少学生的错误操作。从虚拟到真实, 通过虚拟实验的训练来提高学生对规则、原理的理解, 引导学生将虚拟实验中所学到的知识应用到实际操作中。从而使得虚实两者优势互补, 共同促进实验教学的发展。
由于虚拟实验加入了教学的环节, 势必要求制定出新的教学模式以适应发展的需要。根据建构主义理论和教学设计理论的有关知识, 可建立以下两个教学模式如图2、3所示:
第一种模式是先做1~2次实物实验, 学生有了形象体验后再做虚拟实验, 对于从事没有实物操作经验或抽象思维能力、形象化能力较差的人, 这样做效果会好些。虚拟实验可分4个阶段予以实施。
第一阶段, 采用牵着走教学模式。主要目的是让学生学习和掌握基本实验原理、基本实验技能、常用仪器使用及数据测量与处理等方法。在此阶段, 教师对实验原理、实验方法及常用仪器的使用等知识进行较系统详细的讲解;在学生独立实验过程中, 教师也应给予学生较多的指导。
第二阶段, 采用领着走的教学模式。在此阶段主要培养学生的综合实验能力。在此阶段, 由于学生刚刚做完实物实验, 所以学生有了一定的实物实验基础和实验技能, 因此, 在虚拟实验预备知识教学中, 对实验原理、实验方法等知识只进行粗放式讲解;在学生独立实验过程中, 教师不直接回答问题, 只给学生启发和提示, 让学生通过实验去寻找答案, 以充分发挥学生的能动性, 培养学生的能力。
第三阶段, 采用放手走的教学模式。主要培养学生的创新能力。在此阶段, 学生有了较好的实物实验基础和虚拟实验的相关技能, 教师只给出实验任务和设计思路, 学生自己设计实验方案, 探索实验结果, 以激发学习兴趣, 培养创新能力;从成功与失败中得到科研训练[4]。
第四阶段, 撰写报告。设计报告包含方案设计与论证、理论计算、电路图及设计文件、测试方法与数据、结果分析等几个方面的内容。设计总结报告的专业性与工整性直接体现了学生的专业素质, 也是电子设计成果性的汇报材料, 是电子设计的重要一环。
第二种模式对于理工科的学生来说, 关于电子实物制作一般都已有所接触, 所以第二种教学模式他们能较好地接受。虚拟实验可分5个阶段予以实施。
第一阶段, 每堂课前给予学生课前研习导向, 提出文献资料查阅要求, 准备和设计实验的各项记录、图表、统计方法、结果的预测和相关理论。教师以讲座形式向学生介绍某一领域的研究动态及方向, 学生根据介绍, 自己查阅文献和进行实验设计, 由学生作开题报告讨论选择设计题目的意义、基本设计方案、预期的设计性能、所需元器件耗材等。最后, 教师可以对其选题进行评议, 确定选题的可行性, 并从选题的实用意义、设计思路等方面提出建议并最终确定一个比较科学和可行的研究方案进行实验测试和实验研究。
第二阶段, 在充分利用现有的计算机资源的基础上, 购买所需仪器模块和软件 (如Lab VIEW) , 由教师编写程序, 以实现现有仪器设备的模拟, 这样有效增加了实验设备的数量, 从根本上改善学生实验条件, 保证实验教学质量。
第三阶段, 学生在已建立的虚拟实验环境中完成教师规定的基本电子实验, 掌握用虚拟仪器代替传统仪器来进行数据处理, 来观察和分析实验结果等等。
第四阶段, 增加综合性实验项目, 并鼓励学生选做设计型实验。学生可以充分利用计算机软件对数据采集、储存、分析、处理、传输及控制的强大功能, 在同一台PC机上虚拟出数10台仪器, 如信号发生器、数字存储示波器、频谱及信号分析仪、数字电压表和噪声测试仪等.把这些虚拟仪器应用到实验教学中去, 以取代常规仪器.学生还可根据实验要求, 自行设计各种软面板, 定义仪器的功能, 并以各种形式表达输出检测结果, 进行实时分析。要求学生自己选题, 拟订方案, 编写程序, 设计虚拟仪器检测系统[5]。
第五阶段, 组织科研小组, 在原有的仪器模块上进行二次开发, 拓宽其应用范围, 培养学生的创新和科研能力。在此阶段, 一方面设计和构建新的虚拟仪器, 另一方面全面带动高校的教学质量、激发学生的科研兴趣。并将实验结果以撰写论文的形式给出报告。
五、结束语
随着虚拟仪器技术的发展, 以开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善。加上计算机技术和网络技术的迅猛发展, 虚拟实验将成为学校未来教学科研的重要方法和手段, 特别是在理工科学校其应用前景非常广阔。对于远程教育而言, 构建在在互联网上的虚拟实验室已经逐渐成为实验教学的主流。
摘要：本文介绍了虚拟实验的概念及其理论基础, 指出了虚拟实验的优点和不足, 并提出了虚拟实验教学改进的两种模式, 为促进学生创新能力培养提供了新的途径。
关键词：虚拟实验,虚拟实验理论,虚拟实验教学
参考文献
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[3]熊忠.计算机模拟实验在物理教学中的应用研究[D].首都师范大学, 2007
[4]陈国杰, 谢嘉宁, 黄义清, 等.改革大学物理实验教学构建三级双循环教学模式[J].实验室研究与探索2007.26 (8) :86-97
基于虚拟实验平台的远程交互实验 篇10
●理论基础
1. 行为科学理论
行为科学是研究人类行为一般规律的学问, 目的在于激发动机、推动行为、改造行为, 提高人的积极性和创造性。这对网络学习中的交互行为研究具有一定的指导意义:首先, 行为科学强调人的欲望、感情、动机等心理因素的作用, 因而在构建学习环境的时候强调满足人的需要和尊重人的个性, 以及采用激励和诱导的方式来调动人的主动性和创造性, 促进学生更多的交互。其次, 行为科学强调环境对行为的影响。最后, 运用行为科学的研究方法可以研究网络学习行为中的交互。网络学习行为研究的对象是学习者, 学习者的心理活动是看不见、摸不着的, 所以对内化的心理行为的研究需要采用观察、实验和调查等方法。
2.建构主义学习理论
由于多媒体计算机和网络通信技术所具有的多种特性特别适合于实现建构主义学习环境, 能有效地促进学生的认知发展, 所以随着多媒体计算机和网络教学应用的飞速发展, 建构主义学习理论越来越被广泛的应用于教学。它重新定位了教师与学生在教学中的地位, 学生不再是教学内容的被动接受者, 而是知识的主动获取与建构者。
3.交互理论
穆尔 (Moore) 在1972年提出了相互作用距离理论的基本框架。上世纪80年代末, 穆尔再次提出“三类交互作用”理论, 他在先前研究的基础上进一步明确提出“三类相互作用”, 即学生与教学内容的交互作用、学生与教师的交互作用、学生与学生之间的交互作用。这种分类对教学交互理论与远距离教学实践的发展都产生了深远的影响。
●虚拟实验平台的架构与功能
1. 虚拟实验平台的架构
虚拟实验平台指由计算机硬件系统和软件系统构建的一个具有交互功能的计算机网络虚拟实验平台。在平台中, 参与学习的个体之间可以利用文字、符号、图片、声音等多种数字媒介进行信息交互。这个平台可以让个体之间不受时间、空间的限制进行交互。虚拟实验平台架构如图1所示。
2. 虚拟实验平台各个组成部分的功能及特点
虚拟实验平台由辅助工具、素材库、同步实验、仿真工具、构建工具和交互实验组成, 各个组成部分的具体功能及特点如下。
(1) 辅助工具:主要功能是提供给用户所需的辅助工具, 如三角尺、量角器、天平、杠杆等工具, 以备在实验中辅助之用。
(2) 素材库:主要功能是提供给用户所需的各种图片、视频、动画、音频、文本等素材, 用户可以自由控制各种素材, 以备实验之用。
(3) 同步实验:主要功能是设置与课本中同步的实验操作, 全部同步实验是按照书本中的要求做的同步实验, 而且是模拟实验, 模拟操作和实际操作基本相同。目的是给予教师和学生指导的功能。
(4) 仿真工具:主要功能是根据属性设置, 按照实验规律, 自动生成实验工具, 由于是仿真工具, 因此具有和实际操作中使用的实验工具完全一样的功能。
(5) 构建工具:主要功能是用户可以根据需要设计整个实验过程, 这里有设计好的素材库, 用户只需将素材按照知识库的要求组装起来, 就可以构建一套用户需要的实验装置。整个构建过程方便快捷。
(6) 交互实验:用户可以登录该平台, 一同进行远程实验操作, 这是远程交互实验的核心技术。因为只有在网络上连接到该平台, 才能真正实现时间和空间上的交互。
以物理虚拟实验平台为例, 来说一下如何在平台上进行远程交互实验。
下页图2演示的是杠杆实验, 在该实验中, 本地的学生可以同时与异地的学生通过计算机协作进行此项实验, 如本地学生通过操作控制杠杆左端上的勾码的个数, 并且控制勾码悬挂在支架上的位置, 与此同时, 异地的学生通过控制杠杆右端勾码的个数和其在支架上的位置, 这样杠杆在两位学生的操作控制下达到平衡。
图3演示的是天平实验, 在该实验中, 本地的学生可以同时与异地的学生通过计算机协作进行此项实验, 如本地学生通过操作控制天平左盘上的物体, 与此同时, 异地的学生通过控制右盘上砝码的数量及游码的位置, 这样天平在两位学生的操作控制下达到平衡。
●基于虚拟实验平台的远程交互实验应用模式
以上面所介绍的虚拟实验平台为依据, 设计如下三种应用模式。
1.教师-教师交互模式
(1) 交互对象:是教师与教师的交互, 教师与教师可以通过远程进行教研活动, 如名校名师远程指导一般学校的教师, 通过指导学习, 达到共同提高的目的。
(2) 交互功能:教师与教师可以通过远程进行同步实验, 并进行实时交流, 对同一个问题进行讨论, 交换意见, 对有分歧的问题还可以组织一个多人讨论组。
(3) 优点:这种模式缩小了名校与普通一般学校的教学差距。
(4) 缺点:有些需要面对面交流解决的问题, 通过远程交流很难解决。
2. 教师-学生交互模式
(1) 交互对象:是教师与学生的交互, 可以是广义的学生, 也可以是狭义的学生, 如成人教育的学生是广义的学生, 在校生是狭义的学生。通过远程交互, 教师可以指导学生实验, 同时学生也可以向教师提问, 相互交流。
(2) 交互功能:教师与学生可以通过远程进行教材同步实验, 也可以是任务驱动式实验。并进行实时交流, 对同一个问题进行讨论, 交换意见。
(3) 优点:这种模式可以调动学生自主学习的积极性, 同时还解决了地域的限制, 教师还可以就学生的个人特点, 随时给予学生指导。而且在传统实验室很难实现的实验操作, 都可以在虚拟实验室实现, 学生可以反复观察实验, 真正理解实验, 掌握知识。还能做到随时有问题随时解决, 学生的学习效果会非常好。例如, 学生在家里就可以登录虚拟实验平台, 同时可以向自己喜欢的教师请教, 这样学生一定会有兴趣, 提高了学习效率
(4) 缺点:有些需要面对面交流解决的问题, 通过远程交流很难解决。
3. 学生-学生交互模式
(1) 交互对象:是学生与学生的交互。通过远程交互, 学生之间可以进行交互实验, 并进行交流, 同时也可以对一个问题进行讨论研究。
(2) 交互功能:学生与学生可以通过远程进行教材同步实验, 也可以一同进行任务驱动式实验, 并可以进行实时交流, 对同一个问题进行讨论, 相互交流, 对有分歧的问题还可以组织一个多人讨论组。
(3) 优点:这种模式可以调动学生自主学习的积极性, 同时可以形成团队精神, 增进同学之间的友谊。而且还解决了地域的限制, 学生与学生之间可以随时进行交流讨论。
(4) 缺点:有些需要面对面交流解决的问题, 通过远程交流很难解决。
以上三种模式基本囊括了远程交互实验的各种情况, 在实际操作中, 学校可以根据自身情况设计符合自己学校实情的模式, 做好实验, 提高学生的动手动脑能力, 势必提高学习效率。
虚拟化学实验 篇11
【摘 要】近年来，数字化学习工具的开发与应用已取得了非常显著的进步，有力促进了信息技术环境下的学习实践。这其中，利用网络和虚拟技术开发虚拟实验，可以有效降低实验成本和提高实验效率，并且有助于学生深入理解生物化学实验的微观机制，是改革实验教学手段的一个重要发展方向。
【关键词】虚拟实验 生物化学 实验教学
生物化学与分子生物学实验技术是生命科学研究的重要手段，是生命科学相关专业的重要的实践性课程，该课程的教学效果直接影响学生的培养质量，尤其是对相关专业研究生的培养质量（如论文质量和研究生的实验技能）至关重要。而生物化学与分子生物学实验是通过微观领域的深入研究不断地揭示了各种生命奥秘，因此学生了解生命本质必须能够进入微观世界，传统的教学手段对微观世界的动态变化的展示却显得不够充分，但信息技术提供了这种可能。运用多媒体课件教学，动态模拟，创设教学情境，把学生的思维带进微观世界模拟的实验环境之中，诱导学生观察思考，相互讨论，共同探究规律，较好地实现教学效果。虚拟实验就是基于信息技术、网络技术、虚拟仿真技术上构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统，使现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。
一、虚拟实验的概念
虚拟实验的概念，最早在1989 年由美国的William Wolf教授提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验环境。虚拟实验概念的提出至今仅为十多年的时间，但因其广阔的应用前景，国内外有很多组织都已经开展了虚拟实验系统的研究和建设工作，特别是在国外一些著名的大学，已有较多建好并投入使用的虚拟实验系统，涵盖了计算机网络、数学、人工智能、生命科学、化学、物理、生物工程、通讯、3DCAD、图形图像、农业科学等教学、科研领域。
目前，国内在虚拟实验方面开展的工作还不多，已有部分高校初步建立了虚拟实验室。例如：中国农业大学建立了网上虚拟土壤作物系统实验室，应用计算机模拟植物在三维空间中的生长发育状况，探讨虚拟植物模型在农业领域应用的关键问题。纵观近年来虚拟实验室在国内高校的发展和应用， 可以看出虚拟实验室已经实实在在地改变了人们对实验室的看法。由于它不但能有效地降低实验成本， 提高实验效率， 而且可以实现异地协作和实验资源共享， 因此这种实验方式也越来越受到国内高校和科研机构的重视和青睐， 成为强化实验室建设、改革实验教学手段的一个重要发展方向。
虚拟实验在生物化学与分子生物学教学中的实践意义
生物化学与分子生物学实验教学一般都是在实验室中进行，往往是教师介绍相应实验项目的原理，学生则按照教材所示实验步骤进行操作，对于实验过程中具体的细节尚处于一知半解状态；而且，生物化学和分子生物学实验所用试剂费用较高，教学经费往往不允许学生进行反复实验，一些较为前沿的实验项目还会因为实验经费和所需仪器的限制无法开设；另外，在实验进行过程中，往往需要较长的等待时间如PCR扩增时要等待1个多小时、SDS-PAGE时电泳要等待1小时左右，后面的凝胶染色、脱色又有很长时间等待，有限的课程实验时间只能开设非常有限的实验项目。综上所述，实验教学过程费时费力，却难以达到预期效果。
虚拟实验则可以很好地解决上述问题，开展虚拟实验的虚拟实验环境由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。虚拟实验台与真实实验台类似，可供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备。教师利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的典型实验，或实验案例，学生既可以在虚拟实验台上动手操作，又可自主设计实验，有利于培养的操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识。在虚拟实验中，学生更易获得相关的知识，科学的指导和敏捷的反馈。
二、生物化学与分子生物学虚拟实验的运用现状
目前，相当部分的物理与化学虚拟实验室逐渐运用于实验教学，但是有关于生命科学的相关虚拟实验平台均尚处于建设之中。原因有多方面的，如生命科学现象比较复杂，虚拟实验平台的开发也就相对较为复杂；生物化学与分子生物学实验项目繁多，有时候实验材料的选择、方法的选择不同就是不同的实验项目，要建设一个相对较为完善的虚拟实验平台工作量非常大，需要耗费大量的人力物力；另外，生物化学与分子生物学虚拟实验平台建设需要计算机工程和生物化学与分子生物学专业人才共同努力才能完成的一项工作，而大部分实验教学中两个学科之间交叉得比较少，也就是专业课程老师的计算机基础相对较为薄弱，而计算机工程的专业人士的生物化学与分子生物学背景又相对欠缺。因此，生物化学与分子生物学虚拟实验尚有待于探索和研发。
三、展望
虚拟实验辅助生物化学与分子生物学实验教学是一种全新的尝试，能提升课程学习效果和教学质量。但是，由于生物化学与分子生物学实验本身的复杂性，虚拟实验软件的研发尚处于起步阶段，其进一步开发需要投入很大的人力和物力，需要计算机工程和生物化学与分子生物学专业人才共同努力才能完成。综上所述，针对课程特点合理选用开发技术，逐步实现教学型虚拟实验室的建设和应用，使虚拟实验成为实验教学的有益的、必要的补充。
【参考文献】
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虚拟化学实验 篇12
如何在中医药院校实现具有中医特色的虚拟仿真实验教学是当前需要思考的问题。本文从临床实践与中医理法方法关系切入, 探讨在中医院校实现虚拟仿真实验教学的方法, 旨在为中医药人才培养提供一些参考。
1 虚拟仿真实验教学
由计算机产生一种人为虚拟的环境, 这种虚拟的环境是通过计算机构成的三维空间, 或是把其他现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”, 并通过多种专用设备让用户“投入”到该环境中, 从而使得用户在视觉、听觉、触觉、味觉等多种感官上产生一种沉浸于虚拟环境的技术[1], 是学科专业与信息技术深度融合的产物。
2 虚拟仿真技术的特点和优势[2,3]
2.1 多感知性
在教学中, 教师在传授抽象概念原理、重点和难点时可以应用虚拟现实技术将抽象概念原理、难点真实的实验过程等形象生动地表现出来, 对于中医学生而言虚拟仿真实验教学可以给予学生“真实”实践学习情境, 帮助学生更好地学习和实践, 辅助教师更好地教学。
2.2 虚拟仿真实时互动
虚拟环境中操作人员能像在现实生活中一样和人、环境等进行无阻碍的信息交互。在虚拟环境中操作, 学生能够做到身临其境的实验效果。
虚拟仿真无阻碍信息交互特征能够打破学生进行实验时间和空间上的限制, 比如“中医四诊仿真模拟训练”“中医方剂学实验中典型案例、常规案例、特殊案例的辨证-治法-组方情景学习”等这些耗时较长的实验, 可以让学生发挥自主能动性提高学习效率。
2.3 虚拟仿真可重复操作
虚拟实验室能满足学生自己设置实验条件和自创模型观察不同条件下的实验现象, 通过正、反对比实验现象增加学生对实验的认识, 调动学生学习的主动性, 培养学生的创新意识和思维。
虚拟仿真实验室可为学生提供虚拟场景、贵重仪器实验耗材可反复使用从而节约费用, 真正意义上为学生提供“实践-认识-再实践-再认识”的反复训练, 使中医学生形成稳固而正确的中医临床思维习惯。
3 传统实验教学的局限
近几年来, 随着学校新入学人数大幅增加, 而传统的实验教学又受限于课堂以及实验室的安排, 实验教学场地及资源极其匮乏;从而导致学生动手机会减少。
中医学是一门实践性强的临床学科, 而中医药院校缺乏针对临床思维能力培养的实践课程, 临床课程教学中的实践课大多附属在理论课教学之中。
中医学实践教学零散并缺乏融会贯通的训练, 加之医学实践教学基地缺失和不稳定, 实验室环境与医院实际医疗环境的差异, 学生对实训课程主观重视不够等, 这些因素直接影响了实践教学效果, 导致学生中医思维锻炼的机会减小、中医思维的片面、被动和混乱, 进而限制了中医学生临床能力的提高[4]。
4 培养学生的中医思维
目前西医基础理论课程虚拟仿真实验平台模式较完善和成熟, 而中医学课程虚拟仿真实验平台尚在探索初期。
“怎样传承中医, 怎样更好地培养中医大学生临床思维能力, 教学中如何让中医大学生在牢固掌握中医学理论的同时熟诸中医学的自然观与方法论, 从而培养出具有较高中医思维能力和临床水平的优秀中医人才”是所有中医药院校建设和申报国家级虚拟仿真实验平台必须思考和面临的问题。
通过对大量关于“培养中医大学生中医思维、思辨能力和临床选方用药能力教学改革”文献调研发现, 中医药院校在建设基础医学虚拟仿真中医实验教学平台过程中可以从以下几方面来体现中医思维方法。
4.1 构建中医四诊合参虚拟
在线虚拟学习平台, 选择临床典型病例、标准化病例将每一案 (病) 例包含患者的主诉、现病史、既往史、体格检查、实验室检查等完整内容。
在病例中附有图片 (显示该患者的神态、面色、舌苔、体征) 、音频资料或视频资料 (反映病人就诊时声音、病态、就诊过程) , 综合展示直观而形象的模拟诊疗环境, 然后指导学生采用辨证-治法-组方三部曲方法[5,6,7]。
从四诊资料开始入手, 分析证候, 提炼证候信息, 分析问题的主次轻重, 得出辨证结论和治疗方案, 使学生对组方的依据有明确的认识。使学生渐渐建立中医思维模式和提高临床辨治能力。
4.2 构建中药种植产地重现
在平台专栏中构建能够反映每味中草药从种植、采收、炮制、使用方法、功能主治、配伍禁忌等“真实”情景, 尤其是道地药材的产地种植、采收、炮制的情景, 让学生认识到自己不仅仅是个中医师也是中药师。
4.3 构建中医名方配伍规律
方剂中药物的核心关系是配伍, 而配伍是以中医理论为基础, 方剂配伍的核心内容是理、法、方、药。在虚拟仿真中医学平台中可以采用方剂配伍规律挖掘系统[8], 运用Apriori算法挖掘组成中药方剂的单位药之间的关联信息, 寻找新药对或药组从而进一步揭示中药方剂配伍规律。学生可以登入系统首先进行信息抽取模块, 经查询模块 (查询信息可按名方、主治、出处分别或同时查询) , 最后经关联规则挖掘得到相同或相似功效的药组、药对或新的组方。
4.4 构建中医名医经验传承
中医院校学生专业技能的培养, 除了理论学习, 终究还是要走进中医临床, 让学生及早实践中医, 感悟中医, 强化中医独特的思维方式。
通过整理并将本校本地名老中医的经典病案挂靠在虚拟仿真实验教学平台上供学生翻阅参考, 通过对名老中医病案的学习, 强化学生坚持中医整体观念, 并采用虚拟仿真实验平台学生以人机对话形式与虚拟病人互动交流, 模拟临床诊疗过程, 培养中医学生的思辨能力、选方用药能力[9,10]。
5 结语
虚拟实验教学与传统的实验教学相比其优势在于彻底打破时空限制, 学生可以随时随地通过校园网络登录虚拟仿真实验教学实验室反复操作实验, 从而调动学生的学习积极性, 培养高质量的中医人才, 同时避免了资源浪费。
2014年4月26日, 教育部高教司有关领导表示, 今后每年约有100个国家级示范中心名额, 在2020年之前会持续推进虚拟仿真实验教学的建设工作。以“理法方药”为核心, 以“临床应用”为方向, 具有中医传承特色的基础医学虚拟仿真实验教学基地, 可能会为中医药院校建设虚拟中医实验室教学平台提供一些有益帮助。
摘要：教育部提出高校教育信息化的战略, 虚拟仿真教学正是这一战略的重要体现。中医药院校如何将中医思维融于其中是我们需要思考的问题。从虚拟仿真的技术特点入手, 将中医基础理论、中医四诊合参虚拟、中药种植产地重现、中医名方配伍规律、中医名医经验传承融于一体, 旨在构建以“理法方药”为核心, 以“临床应用”为方向的, 具有中医传承特色的基础医学虚拟仿真实验教学基地, 以期为中医药事业发展及中医人才培养提供一些有益的借鉴。
关键词：虚拟仿真实验教学,中医思维,虚拟重现
参考文献
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