虚拟实验及其应用研究（通用12篇）
虚拟实验及其应用研究 篇1
摘要：本文阐述了虚拟实验系统的发展和相关技术背景,及其国内外研究现状。分析了当前研究的不足,提出了虚拟实验系统的发展趋势。随着网络技术的飞速发展和普遍应用,利用虚拟实验室进行实验教学已成为一种趋势,将会成为未来实验教学的重要途径和方式。
关键词：虚拟实验室,研究现状,发展趋势
21世纪是信息和知识经济时代,实验教育的任务是培养具有创新精神和能力的高素质人才。随着电子技术高速发展,新器件、新电路不断涌现,普通实验室的更新速度无法跟上技术的发展。此外普通实验室涉及仪器调试、管理、易损坏等问题。在实验时间和一些损耗性大的实验项目上对学生限制过死。同样,远程教育学员一般都要在规定的时间到指定的学校集中完成实验项目,技能培养质量无法保证。教育机构必须考虑如何跟上实验的时代性和先进性,创设实验内容丰富、训练操作扎实、不受时空限制的开放性实验环境。近年来,由于虚拟仪器、仿真技术和网络技术的飞速发展,构建虚拟实验室将会成为一种经济、高效的首选方案。
一、虚拟实验室的历史发展和技术背景
虚拟实验室(Virtual laboratory)的概念,于1989年由美国的William Wolf教授最早提出,用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。Wolf教授形象的把虚拟实验室称为“没有围墙的研究中心”。随着网络技术的发展,虚拟实验室已不再局限于其原有的范畴,已经逐渐将成为一种崭新的教学形式。所谓虚拟实验室,实际上是利用虚拟技术仿真或虚构实验情景,利用鼠标的点击、拖动,将微机上虚拟的各种仪器,按实验要求、过程组装成一个完整的实验系统,并完成整个实验,包括原材料的添加,实验条件的设置、数据采集以及实验结果的处理、分析,同时可利用网络与教师和同学进行交流,真正实现了学生的主体性地位。
到目前为止,按一般意义上的理解,虚拟实验的发展经历了两个阶段:(1)计算机仿真阶段,它主要利用计算机在处理数据方面的优势,选用的实验对象常是高度抽象的数值关系,较注重逻辑性和确定性,基本上将用户视为旁观者,限制了其应用范围;(2)虚拟现实阶段,虚拟现实技术系统营造虚拟实验室,实验者运用某些设备完全进入虚拟实验室环境中,并可根据需要通过多种交互设备(如头盔、数据手套和刚性外骨架衣服等)来驾驭该环境,同时用于操纵该环境中的物体(如仪器设备、实验对象、实验资料等)突出了实验的形象性和直观性。
从技术层面上看,各类虚拟实验系统的基本思想是一致的,即用软件方法来模拟硬件设备的功能。为了实现上述功能和目的,需要使用一些相关的技术:(1)VR技术,虚拟现实技术(Virtual Reality,简称V R)是以计算机技术为核心,综合使用交互设备融视、听、触、感为一体的模仿现实的三维空间再现技术;(2)Lab VIEW技术,Lab VIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)程序称为“虚拟仪器程序”(简称V I),是一种基于图形编程语言的开发环境;(3)Java作为一种程序设计语言,具有可移植性和安全性,提供了并发机制,具有很高的性能;(4)Active X技术,它可将复杂的任务分割成小的模块,作为组件。采用组件思想为构造虚拟仪器带来了很大方便;(5)ASP技术提供一个服务器端的脚本环境,用于产生和执行动态、高效率的网络服务器应用程序;(6)交互式Flash技术。Flash技术用于网络虚拟实验室的开发具有开发速度快、界面美观、视觉冲击效果强、体积小、不需要安装、可直接在浏览器中进行操作等特点,但在交互性方面尚有不足,视觉效果不如3D。
二、虚拟实验室研究现状
虚拟实验室概念的提出至今仅为10余年的时间,但因其诱人的应用前景,各国均在大力开发,已经取得了很大的进展。
1. 国外研究现状
目前,虚拟实验室在发达国家已十分普及。作为首先提出虚拟实验室概念,并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国,从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发,在该领域的研究和应用已处于领先地位,在大学的普及程度也相当广泛,其中麻省理工学院的Web Lab远程实验室于1998年开发并投入使用。它提供了用于进行微电子学和电路设计课程的实验教学,它允许学生在自己的电脑上设计并修改电路模型,然后通过一个用Java激活的Web浏览器使用在远程实验室里的昂贵的测试设备来获取测试数据,验证自己的设计,最近还实现了通过手机远程控制实验的功能。
VLAB是美国俄勒冈大学物理系主办的物理实验网站。该网站包含了天体物理、能量与环境、力学、热学等方面的几十种虚拟实验。该系统采用Java语言开发,实验程序需要从服务器端下载,并运行在客户机上。由美国Michigan大学化学工程系创建的VRCEL实验室,主要用来探索和开发虚拟现实技术在化学工程领域的应用。美国霍华德·休斯医学研究会(HHMI)建立的虚拟实验室是完全交互式的生物医学的实验室模拟。
德国Ruhr大学网络虚拟实验室是一个有关控制工程的学习系统,它通过直观的三维实验场景视觉效果,依赖各虚拟实验设备的仿真特性,实现对虚拟实验的交互式操作。西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台。意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室。新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验,在远程控制实验方面取得很大的成果。
2. 国内研究现状
在国内,虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。由于虚拟实验技术的特点,它的实际应用在理工教学中大有作为,尤其在电工电子、医学、建筑、生化等学科有重要作用。据了解,目前国内的多数高校都根据自身教学需求建立了虚拟实验室,典型的有:(1)中国科技大学在虚拟实验室的建设和使用方面形成的如物理仿真实验软件、广播电视大学物理虚拟实验、几何光学设计实验平台、大学物理虚拟实验远程教学系统;(2)浙江大学的虚拟化学实验,是基于W e b的虚拟实验,以V R M L为基础构筑虚拟实验环境,并利用Java技术来实现虚拟实验场景的人机交互;(3)同济大学建筑学院建成的可以对建筑景观、结构进行仿真的虚拟现实实验室;(4)西南交通大学开发的T D S-J D机车驾驶模拟装置等;(5)清华大学的“电力系统及大型发电设备安全控制和仿真”国家重点实验室和利用虚拟仪器构建的汽车发动机检测系统;(6)中国农大的虚拟土壤—作物系统实验室,通过应用GPS、GIS作物3D数字化技术和其他信息采集技术,实现对农田土壤水分、养分、盐分等与作物生长的相互作用关系的定量化研究,建立虚拟土壤—作物系统,通过计算机上的虚拟实验,部分地替代在现实世界中难以进行的或昂贵的试验。此外,复旦大学、上海交通大学、陕西师范大学等一批高校,也相继开发了一批新的虚拟仪器系统供实验教学和科研使用。
三、虚拟实验室发展建议和趋势
1. 加强虚拟实验系统应用研究
目前网络虚拟实验系统的研究内容主要集中在理论探讨、系统的设计与开发、虚拟实验网络教学平台的开发,但对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不多,尤其是关于学生对网络虚拟实验系统学习体验的调查和评价的研究很少。
2. 虚拟实验系统通用模型的设计与开发
目前网络虚拟实验系统的设计与开发的研究都是基于某一门课程实现,开发的技术种类繁多且都基本成熟。如何开发出某一类学科的虚拟实验通用模型,实现基于此平台的二次开发,以避免不必要的重复劳动,提高开发效率,使之成为社会化的远程实验教学的产品,对现阶段网络教学的深入开展显得尤为重要。
3. 实现技术上必将形成多种技术相融合,优势互补的局面
使用某个单一技术构建网络虚拟实验系统,在某些方面有优势,在另一方面必然存在不足。因此,将多个技术相融合开发优势互补,对构建一个好的虚拟实验系统显得十分重要。当然也要考虑应用实际,即技术使用的成本效益和技术的友好程度,选择合适的开发技术。
4. 完善分布式和协作虚拟实验的功能
与同伴合作是实验过程中一个至关重要的环节,因为科学实验常常是种协作性的活动。国内虚拟实验室在支持分布式协作科研方面的功能还需要大力完善。大多数虚拟实验室只是局限于一个学院、一个小型的局域网或一个学校的校园网,可以实现不同科研单位之间协作研究的实验室并不多见。
5. 自适应虚拟实验室
自适应实验即指能修正自己的特征以响应规则原理的变化,并根据学习者的学习过程生成一个反馈回路,为学习者提供一个自适应的获取知识和技能的实验学习环境。该系统的基本特征是能从环境中获取信息并能自动改善其性能。
四、结束语
虚拟实验室增强并扩展了实验教学的功能,以前所未有的方式将学生和实验仪器联系起来,为学生提供了一种崭新的实验方式。在使用虚拟实验室的过程中,如果能把模拟的与真实的相比较,加强学习者之间的相互合作,并注重激发学习者的兴趣、促使其进行探究,那必将会产生巨大的教育价值。
参考文献
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虚拟实验及其应用研究 篇2
生理学是研究和阐述人体正常功能活动规律的一门学科，是高等医学院校学生的重要基础课程。生理学教学效果的好坏，关系到医学生能否更好地学习后期课程如药理学、病理学、病理生理学等学科。随着计算机技术的迅猛发展和信息时代的到来，传统的教学模式已不能满足现代高等医学教育发展的要求，实验教学改革势在必行，已成为实验课教学改革的热点之一。．近年来，我们实验室在生理学实验教学中就采用了虚拟实验教学，取得了一定的效果。
虚拟实验是利用计算机技术及其图形功能，应用虚拟动物等来仿真实际生理实验过程，以达到实验目的的应用系统【1】。1．虚拟实验激发了学生的学习兴趣
虚拟实验利用计算机及其仿真软件来模拟实验的环境与过程，让学生通过计算机来做实验．以达到实验目的【2】。利用虚拟实验指导学生在实验课前进行预习，并以期前收缩、家兔呼吸运动的调节这两个实验为例进行重点讲解，讲述生理实验中用到的实验动物与基本的操作方法，然后模拟实验全过程。这样就让学生对生理实验的基本操作有了初步了解，避免在以后的具体操作中出现无从下手，从而将实验操作变难为易。同时，虚拟实验演示的整个实验过程，并配有录音讲解和局部放大，对学生具有很强的吸引力，激发了学生的学习兴趣，有助于记忆，提高学习效率。
2、提高生理学实验的成功率，培养学生综合分析问题的能力
动物实验在生理学实验中占有重要的地位。其教学方法基本采用实验前教师讲解、演示部分操作步骤，然后由学生动手操作，教师总结的模式。一些大动物实验，如：哺乳动物动脉血压调节、家兔呼吸运动调节等手术操作过程不可能进行示教，只能在黑板上用示意图的形式比画，学生对手术过程，特别是迷走神经、气管插管和颈总动脉插管没有感性认识，因而降低了实验的成功率。如果学生在实验前对整个实验过程的难点做到心中有数，将会明显提高实验的成功率。虚拟实验也相对比较直观，能够重复再现．从而加深学生对实验的印象。使教学更形象、生动．不仅能达到实验的基本目的要求，而且能节．约实验经费，达到事半功倍的效果。3．虚拟实验有利于培养学生的实验设计能力
学生通过虚拟实验软件系统可设计和进行探索性实验、综合性实验和设计性实验，有利于培养学生的实验设计能力，实验思维能力，综合应用、独立分析和解决实际问题的能力以及创新意识和创新能力。
4、计算机模拟实验提高了学生的实际动手能力
现在生理学实验面临这样一个问题即加强大学生实验基本操作技能培养和现实实验条件之间的矛盾。实验技能是通过反复练习而获得的一种动手操作能力。而生理实验课的学时数是有限的，所以在实验课上没有足够的时间让学生反复练习基本的操作技能【3】。在实验课上经常看到有些同学存在一边看书一边做实验、损坏仪器、浪费实验动
物、操作不规范等问题。由于学生对生理实验的基本操作技能训练不够，实验前没有及时预习，从而导致不能对实验进行合理的安排，实验进程缓慢，往往下课时间已到．实验还没有完成。我们发现在虚拟实验室观察完以后，学生再动手进行真实的动物实验操作，从动物的麻醉到手术的进行，如捣毁蟾蜍的脑和脊髓、切开家兔颈部皮肤、迷走神经分离、颈总动脉插管进行得都很顺利。
5、虚拟实验不能完全替代真实实验
虚拟实验不等于真实实验，一些在真实实验中出现的问题在虚拟实验中并不出现，学生无法体验这些问题。例如，在“影响动脉血压的因素”实验中，麻醉过浅，实验动物遭受疼痛刺激而挣扎；麻醉太深则致动物死亡。这是在虚拟实验中所无法体会到的。并且在虚拟实验中，麻醉、手术的过程以及神经血管的分离和动脉插管等具体过程很难体现出来，这说明虚拟实验和真实实验有着本质的不同。虚拟实验仅是通过计算机模拟和演绎由实验所获得的已知规律【4】。虚拟实验只能起到演示的作用，学生只有在真实实验中才能得到训练。真实实验对学生动手能力培养的作用是虚拟实验不能取代的，只有在学生的动手能力得到充分锻炼的基础上辅以虚拟实验，才能使学生的各种实验能力得到协调发展。
随着科技进步的日新月异以及人才竞争，人们对生理学实验教学在创新人才培养的重要作用上有了更加深刻的认识。因此，在以培养创新人才为核心，开展对学生进行实践教学、加强能力培养的同时，应十分重视实验教学的改革，改进实验教学模式，以适应社会发展的需要【5】。使用虚拟实验教学，就是提高生理学实验教学质量的有效途径之一。使生理学实验更符合教学大纲的要求，满足培养现代化人才的需要。
参考文献
【1】 杜俊敏．虚拟实验在实验教学中的应用【J】．交通高教研究。2003，3：63~64．.【2】 孙怀东．试论虚拟实验在高校实验教学中的作用【J】.三明高等专科学校学报，2002，19(2)：140-142．
虚拟实验及其应用研究 篇3
【关键词】虚拟实验平台;初中化学实验;应用形式与策略
引言
随着计算机和网络等先进技术的迅速发展，实验教学的领域也越来越多地出现了技术的影子，虚拟实验平台也应运而生。虚拟实验平台辅助教学作为一种较好的教学手段在中学化学实验课程的教学中具有广阔的应用前景，利用虚拟实验平台可以打破时空界限、培养学生的创新能力和探索能力、因材施教、创设真实的情景、弥补教学器材的不足等。应用虚拟实验平台，学习者可以反复训练，是对传统化学实验课教学进行的有效尝试与创新。本文分析了初中化学虚拟实验平台在教学中的有效应用形式与策略。
1 以课件的形式融入课堂教学
虚拟实验平台在化学教学中应用目的是综合运用各种技术手段，在各种教学资源的支持下建构教学环境，根据课堂的发展、变化，灵活地选择合适的课程资源，从而实现教学的最优化。而虚拟实验平台的多媒体功能较强大，它不仅能按课堂的教学内容整合多种丰富的教学资源来制作课件，而且它的演示功能强大，能直观、形象的展示出实验仪器和装置，适合化学学科教学课件的制作。虚拟实验平台的特点决定了它在课堂上的运用具有适时性，根据化学教学的需要，它可以在教学过程中解决某一环节出现难以解决的问题，如原理教学难懂、需要模型展示、辅助实验验证等。因此，在平台以课件的形式融入课堂教学时应充分注意使用的必要性、应用的时机和运用的策略。
（1）在选择使用平台来制作课件的必要性方面，应该注重选择一些教师不容易讲清楚、学生不容易观察到的知识点，然后凭借平台创建一系列的化学情境，尽量以直观形象的方式来呈现教学内容。在课件制作时，用传统的课件制作工具 Powerpoint 则无法有效地展示三维分子模型、化学方程式、电子式、结构式等教学需要，而此刻如果选择使用虚拟实验平台就能够有效解决这一系列问题。当然，如果传统的方式或其他媒介也能有效解决这些难题，就不一定要使用虚拟实验平台。
（2）在课件使用的时机方面，首先应该给学生提供一些思考的时间，千万不能直接用形象展示的方式来代替学生对教学内容的理解过程;其次还要处理好使用课件与其他教学环节的关系。
（3）在课件的运用策略方面，应该积极提倡问题启发和探究式教学，在课件中应多提出问题，试图慢慢培养出学生的问题解决能力和探究能力。
2 以多媒体黑板的形式融入课堂教学
在化学课堂的教学过程中经常会出现一些意想不到的状况，尤其是在培养学生探究能力的环境下，此时此刻学生的思维比较活跃，通常能够发现一系列教学设计以外的问题。此时如果没有合适的直观展示和分析工具，老师就不能用常规的手段来展示或解释学生所提出的问题。不过虚拟实验平台的操作十分方便快捷，而且展示效果直观形象，对于能够熟练操作平台的教师来说，可以当堂进行化学的演示和验证实验，从而让学生能够直观地观察实验过程和结果。
3 作为支持学生进行自主探究式学习的媒介
虚拟实验平台将初中化学课本中的全部实验都集合在其中，从而在课上或课下为学生的自主、發现、探究学习提供指导和知识资源支持。化学学科强调启发式、探究式教学，一个好的虚拟实验平台既要符合化学学科的特点，又要符合学生的认知方式特点，具有良好的交互性，这样才能促进学生培养化学思维。
虚拟实验平台具有可控性的特点，教师和学生可以利用平台中设计好的实验进行分步演示、连续演示、操作和扩展等操作，这样可以让学生更直观、形象的看到实验现象和结果的实时动态变化，从而促进学生在动态操作中形成分析现象背后化学原理的习惯，养成自主、探究式学习方式;虚拟实验平台还具有交互性的特点，教师可以引导学生在已有化学仪器和药品的基础上，进行验证和探究类实验的操作，对自己提出的化学假设进行验证，并用化学语言描述出相应的规律。从而实现在使用虚拟实验平台的过程中让学生经历“观察现象→发现问题→提出假设→设计实验→验证假设→分析总结”的探究式学习过程，最终实现学生学习方式向自主、探究式的转变。虽然虚拟实验平台能用简洁的形式直观地反映化学原理和现象，还能培养学生的观察和思维能力，激发学生深入探究化学知识的兴趣。
4 作为学生问题解决的支持工具
虚拟实验平台作为问题解决工具可以根据问题的不同性质分为感知型、探索型、验证型、训练型和活动型实验的支持工具。那么在使用过程中应该注意哪些策略呢？
（1）感知型支持表现为在化学学习过程中遇到不方便用挂图、模型和黑板展示的仪器、装置、元素性质、电子式和分子立体模型等问题时，利用虚拟实验平台的一些功能进行辅助教学，不仅能够满足微观现象无法展现等缺憾，而且也能让学生获得足够的直观感性认识的机会。
（2）探索型支持表现为学生从已掌握的化学规律出发，通过探索和模拟一些相同或相似实验中的化学规律，来激发学生学习兴趣，培养学生思维能力以及进行科学探究的方法。
（3）验证型支持表现为学生从所学的化学原理和规律出发，对化学规律及其所反映的化学现象之间的关系进行验证，从而加强对化学原理和规律的理解，而且还能激发学生的学习兴趣，培养学生实验设计的能力，训练学生的发散思维。
（4）训练型支持表现为学生将虚拟实验平台作为掌握化学基本实验操作方法和技能的一个平台，通过反复、随时随地的进行实验操作练习，让学生的实验操作技能逐步达到正确、规范、熟练的程度。
（5）活动型支持则表现为学生将所学的基础知识、基本技能运用到解决化学实际问题的能力。
5结束语
总之，虚拟实验平台不仅仅是一个课件制作工具，也是一个沟通教与学、启发新思维、验证新想法、激活迁移与联想、开发创造性思维能力的平台，能让学生自己动手，充分利用已学过的化学知识，借助于它去验证想法，挖掘潜能，加强学生的理解能力，培养学生的创新精神。
【参考文献】
[1]刘筱兰，张薇.虚拟实验室的类型及发展趋势[J].计算机应用研究，2004，11.
汽车教学虚拟实验系统应用研究 篇4
我们可以直观的看到汽车硬件的相互关系, 了解各个部件的关系和作用。但是, 电子控制部件间相互关系却不是我们可以直接了解和掌握的, 就算我们可以通过电路图来分析其工作管理, 但其信号关系和逻辑知识却不是我们仅凭图纸就可以完全理解的。
目前的教学特点多数都是以理论课程为主, 实践课程较少。尽管学校也知道实践教学的重要性, 但现在的教学条件普遍很差, 现有的教学器材很难满足教学需要。例如:汽车发动机的台架数量较少, 新投入台架成本较高, 学校为了节约成本, 采用购买旧的发动机台架, 结果带来了性能差、维修增多等问题, 这样不仅没有节约教学成本, 更影响了教学效率。
虚拟实验教学可以很好的解决以上问题, 它不仅可以融合理论知识, 更可以实现教学实践。让虚拟实验代替真实实验, 不仅可以感受真实操作的兴奋感, 也节约了教学成本, 更提高了教学效率, 正是一举多得。
2 虚拟实验系统的组成及其安全功能
我们了解一下虚拟实验系统的工作原理, 它是借助计算机软件来实现虚拟操作的。这个系统是由计算机, 连接器, 采集器组成, 软件是其连接的桥梁, 计算机根据软件来判断干扰信号, 进而实现操作。这样不仅节省了教学成本, 而且维修起来也很方便。
计算机系统是需要提高其可靠性的, 这就需要计算机系统有其自身的判断和辨别能力。软件滤波和中断处理都能很好的提高计算机的安全性。在面对干扰信号, 软件滤波可以对其进行采样分析, 并把它进行转换, 最后得出结论。其常用的滤泡分析法有以下几种:低通法、程序判断法等。
中断处理也是软件必须具备的功能, 它可以在断电的情况下自我备份并保存信息。从而提高系统的安全和稳定性。
3 维护虚拟实验系统安全的方法
3.1 保持计算机及相关设备的散热, 控制好室内温度, 做好通风处理, 避免机器设备暴晒, 必要时安装空调等设备。
3.2定期除尘, 做好防尘。对计算机和机器设备要及时打扫、清洁。对机器内部灰尘要定期用毛刷或相关工具进行清理。避免机器设备电路元件被腐蚀或损坏, 以减少设备的使用寿命。
3.3传感器是重要的设备组件, 其敏感度很容易受到积尘和湿度的影响, 及时处理这些外在因素是保持其正常工作的关键, 一定要加以排除异常因素, 保证其正常工作。
3.4要勤观察计算机温度, 遇见计算机工作缓慢或者出现死机现象要及时处理, 检查风扇工作情况, 过滤器积尘情况, 避免计算机内部温度过高烧坏CUP及相关硬件, 在过滤器的清理工作中要注意过滤网要定期清尘, 以免等到过滤器堵塞时造成清理困难, 还有计算机温度要控制在55度以下, 如果温度居高不下, 一定要继续检查, 直到找到问题所在, 及时解决。
3.5 系统安全也要得到保护, 计算机要按照备份和杀毒软件, 这样可以保证计算机数据安全, 保证虚拟实验系统的正常运转。
4 介绍虚拟实验系统各组成部分的工作原理
图1显示了虚拟实验系统的组成框架, 这里其中显示了信号的采集过程。我们看出采集器的工作原理, PC机可以显示工作的状态, 当计算机连接汽车时, 软件可以记录数据, 保存数据;当计算机处于不连接状态时, 软件处于离线状态, 只显示工作原理。
(1) 连接器。它可以采集信号, 并不损害原车线束, 它的接口设计就是为了方便与车体连接。
(2) 采集器。这个设备还可以记录各传感器的电压, 传感器频率, 喷油器的脉冲宽度, 开关汽车的状态。这些检查结果可以发送给PC机。
(3) 虚拟实验系统软件。它可以分析和设计软件, 测试工程信号, 可以快捷的设计软件界面。不管发动机的变化多快, 该软件都可以迅速的记录实时变化, 这些结果可以被记录到系统中。在教学过程中可以不用连接车体就能观看发动机参数变化, 可以实现虚拟实验教学。
5 结语
虚拟实验系统不仅可以融合理论知识, 还可以实现教学实践;不仅可以对发动机的工作状态进行监控, 还可以诊断发动机的故障;不仅操作起来简单方便, 更不用投资过多的资金。该系统在教学应用中发挥着重要的作用, 我们一定要大力推广, 充分的利用其教学价值, 为更多的教学工作服务, 提高教学效率。
参考文献
[1]杨彦明, 魏振钢, 吴为团, 迟忠惠.一种智能化电路与电子技术虚拟实验系统[A].2004计算机应用技术交流会议论文集[C].2004
虚拟实验及其应用研究 篇5
东丰县小四平镇一面山中学左海 进入21世纪，信息技术迅猛发展，现已逐步渗透到社会的各个领域，它正改变着人们的生产生活，工作和学习方式。化学作为一门以实验为基础的学科，他要求教师应该有效地利用课程资源，将信息技术应用到化学教学当中。在众多教学辅助软件当中，我认为化学虚拟实验软件在化学实验教学过程中突显出不可替代的作用。下面我就来谈谈虚拟实验软件在化学教学实践当中的几点体会。
一、虚拟实验软件使用，缩短了备课时间，提高了备课效率。随着多媒体教学的发展，制作课件成了教师备课的一个重要组成部分，但是为了制作一个好一点的课件，往往要耗费3-4天的时间。但是现在我们有了理化生虚拟实验软件，就可以缩短课件制作时间。因为虚拟实验教学平台涵盖了初中阶段全部教学演示实验、探究实验、仿真教学仪器和使用工具。教学平台为我们提供了大量的课件素材，通过教学平台制作课件，操作简便，节省了教师备课时间，从而提高了备课效率。
二、虚拟实验软件的使用提高了实验开出率
作为农村中学，虽然实验仪器是省里全新配置的，但是实验室里没有通风橱，像一氧化碳等一些有毒气体实验仍然无法操作，这样的实验我们就可以利用虚拟实验软件来完成，同样可以达到相应的实验效果。
另外，农村中学，大部分学校实验室没有供暖设施，做实验有一
定的季节性。到了冬季实验室就处于封闭状态。如果等到来年春暖花开的时候再补做实验，效果并不理想。这样我们就可以通过虚拟实验软件，在多媒体教室内进行模拟实验就可以解决这个难题。
三、虚拟实验加快授课进程，提高课堂效率。
有些实验，学生虽然亲手操作了，但时间一长，记忆就有些模糊了，到了总复习的时候，想要把每个实验重新操作一遍，那是根本不可能的事情。这样我们可以让学生通过观看虚拟实验，利用一到两节课的时间，便可以把初中阶段的所有实验复习一遍，从而解决了初三复习时间紧的难题。进而提高了课堂效率。
四、虚拟实验有效辅助教学，解决实验耗材问题。
化学当中有些实验，例如实验室用高锰酸钾加热制氧气，试管口为什么要略向下倾斜；实验结束时为什么要先撤导管，再熄灭酒精灯等问题。老师为了避免仪器损耗，实验前反复强调，如果操作错误就会导致试管炸裂。所以决不允许任何同学违规操作，但是学生总是对这样的后果表示怀疑。我们又不能以损耗实验仪器为代价来满足学生的探究欲望。可是，有了虚拟实验软件，我们就可以让学生有意识的进行一些错误操作，这样既消除了学生心中的疑虑，又达到了我们的实验目的。
总之，虚拟实验软件的使用。学生通过鼠标可以轻松操作整个实验过程，实验现象逼真，具有趣味性，不但让学生做实验如若身临其境，而且还将娱乐同探索科学知识融为一体。学生可以通过实验活动验证自己所学理论知识，掌握实验技能，提高动手操作能力，培养观
虚拟实验及其应用研究 篇6
摘 要：虚拟仿真实验教学是采用多媒体、数据库以及网络通讯等多种技术，构建一个逼真可视化的虚拟现实环境开展实验操作，达到真实实验不具备或难以实现的教学效果，在实验项目认知操作预习、实验能力拓展训练、实验操作技能训练培养、药物工业化生产制备的仿真训练等学生创新能力的培养教学过程中发挥重要作用。
关键词： 虚拟仿真； 实验教学
中图分类号：G434 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2015）10-0086-02
实验教学是理论教学的一种延续，是让学生对课堂上所学知识进行消化和吸收的过程。实验过程是一个学习、培养及探索的过程，通过实验，能有效地训练学生的实验技能，培养学生观察能力、实践能力、创新精神和创新能力[1]。对于药学实验教学中部分不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或综合性实验项目等部分真实实验难以实现的实验操作，虚拟仿真实验教学则能有效利用信息技术模拟真实实验环境实现部分真实实验难以完成的教学功能。
虚拟仿真实验教学是综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通讯等多种技术，通过构建一个逼真可视化的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，进而达到真实实验不具备或难以实现的教学效果[2]。虚拟仿真实验教学具有明显优势，并对传统实验教学思想、体系、模式、内容、方法以及手段等都产生了颠覆性影响，学生通过对仿真实验系统的反复多次模拟操作，可以加深对实验原理及操作步骤的理解，还可节省大量时间进行综合性、设计性、探究性的实验，为学生综合能力、创新精神和创新能力的培养提供保障。
西南大学药学实验教学中心秉持“实践创新，能力至上”的实验教学理念，在强化真实实验建设的前提下，针对部分高成本和高消耗、实验条件难以实现、所需投入和运行费用巨大等真实实验难以实现的部分实验操作，按照“能力培养，虚实结合、以虚补实、以实为主”的原则，开发构建了药物制备工程虚拟仿真实验模块、药理生理学虚拟仿真实验模块、体内药物分析虚拟仿真实验模块和药物分子虚拟筛选实验模块等共计103个虚拟仿真实验项目。
虚拟仿真实验教学能有效利用信息技术模拟真实实验环境实现部分真实实验难以完成的教学功能，中心将真实实验和虚拟仿真实验建设贯穿于实验教学始终，实现虚实结合，相互补充，以培养学生创新实践能力。
一、实验项目的认知、实验操作的预习
虚拟仿真实验的操作可实现学生对实验项目的认知、实验操作的预习，更好地理解掌握每一个实验项目的目的、实验原理和详细的实验操作步骤，以保证学生在开展真实实验的过程中能更好地注意操作的规范性，实验后可以通过操作虚拟实验项目进行复习巩固，从而强化实验教学效果，为实验能力的培养提供更好的平台。
中心教师采用图、文、声及活动影像4 种功能兼备的实验教学工具自主设计建设的分子生物学虚拟操作实验模块，将复杂抽象的PCR 扩增、克隆、Southern印迹杂交、酶切与连接、转化实验、质粒小量碱法提取实验等实验原理简化为直观可视的动画形式，学生可以按照提示将课堂上不好演示的实验过程模拟出来，使学生得到更多的模拟、重复的操作机会，弥补传统多媒体教学的不足，在教学中显示出极大的优越性，提高学生学习的兴趣，加深对知识的理解。
学生利用实验动物（小鼠或蛙）开展生理学、药理学、毒理学等实验操作，但常常由于实验操作不熟练，导致实验不能顺利完成或达不到预期实验效果，中心建设的药理生理学虚拟仿真实验模块，能让学生通过虚拟实验完成操作实训，提高真实实验效果。
发酵工程实验涉及菌种选育、培养基优化、发酵罐使用及发酵实验等内容，其中发酵过程优化与放大是发酵工程实验的核心内容，发酵工程虚拟仿真实验以聚苹果酸发酵生产工艺为原型，利用动态模型实时模拟真实工艺反应装置现象和过程，通过仿真工艺反应装置进行互动操作，产生和真实工艺处理一致的结果，每个学生通过操作本虚拟仿真模块能够充分理解聚苹果酸生产工艺流程，通过设置不同运行参数，观察工艺反应现象，进行开停车操作及排除各种设备故障或工艺扰动的操作，同时对于操作过程和结果进行客观的考核和评定。
二、实验操作技能的训练及培养
对一些操作难度大、仅凭教师做示范学生不易掌握操作方法的实验，虚拟实验操作具有很好的直观性、反复性训练的作用。如生理学实验中的减压神经放电（神经的分离和分辨是难点）、膈神经放电记录（找出膈神经是难点）、大脑皮层放电记录（其中的开颅手术不易操作和掌握）等实验都是电生理实验中的重点和难点，学生通过中心建立的生理学虚拟实验项目反复操作训练，极大地提高在真实实验中的实验操作能力，既能节约实验动物又能很好地掌握所需的实验操作技能。
大型分析仪器由于设备台套数、运行费用等限制了学生的操作使用，中心购买建设的大型分析仪器虚拟仿真操作软件采用计算机虚拟仿真技术开发的具备机理模型，以真实实验数据库作为支撑，仿真操作过程与真实仪器操作过程极其相似，仿真结果与真实系统结果非常接近，能够满足学生日常操作实训、常规考核以及技能大赛等各种需求，学生通过虚拟仿真操作训练，培养学生对大型分析仪器的结构、原理等有更深入的认知理解，提高操作仪器设备的能力。
三、实验能力的拓展训练
知识更新速度越来越快，学生需要学习掌握的知识与能力也越来越多，但由于受到课程学时的限制，特别是部分真实实验操作需要一定的实验条件，限制了学生的操作学习，虚拟实验项目可以设计涵盖范围非常广的实验内容和实验操作训练[3]。如生理学真实实验不可能开出所有系统、器官的实验内容，以及中心因课程学时的限制，药理学只开设了12个实验，人体解剖生理学只开设了6个实验，中心购买建设的药理生理学虚拟实验项目可弥补这一不足，该项目涵盖了19个虚拟实验项目，药理学涵盖了29个虚拟实验项目，学生可通过操作未开设的虚拟实验项目拓展知识与操作能力，还可通过到中心开放实验室根据虚拟实验项目设计真实实验并操作这些实验，实现真实与虚拟实验的结合，更加全面的、系统的掌握生理学实验和药理学实验技能和基本操作方法。
四、药物工业化生产制备的仿真训练
药物制剂虚拟仿真实验采用计算机虚拟仿真技术，涵盖GMP标准下的药物颗粒制剂生产、片剂生产、胶囊剂生产、水针剂生产以及卫生水系统、空调空压设备等，不仅具有3D形象生动、操作性强、使用便利等特点，而且对许多复杂设备、间歇性生产控制、GMP质量管理等进行了三维立体的场景仿真，具备一定的智能化反应能力。药物制备GMP实训仿真系统可以实现学生在学校就能反复操作训练，全面了解药物制备GMP车间的工艺布局、原料药物及不同制剂药物的生产要求、生产设备组成及洁净度要求等，让学生在进入医药企业开展生产实习前能熟练掌握药物制备GMP认证要求及生产操作训练，保证学生在生产实习时能快速适应、掌握药物制备的能力，更好地培养学生的实践能力。
五、培养学生的创新设计能力
药物开发过程中的药物人工筛选存在前期经费投入大及鉴定周期长等弊端，开设药物筛选学生实验基本上不可能，随着基因组学、蛋白组学、分子生物学和结构生物学的发展，各种疾病的发病机理和分子机制研究越来越透彻，对于疾病中的关键调控因子（如激酶）的研究也越来越透彻，用计算机模拟的方法设计或者筛选出具有潜在结合功能的药物，并辅以实验验证等方法，得到候选药物。中心建设的药物分子虚拟筛选模块转化成供学生操作实训的虚拟仿真平台，实现真实实验难以开展的药物筛选的操作实训，培养学生创新实践能力。
六、实验自测与考核评价
多数虚拟仿真实验模块均有仿真考试模块，学生可以开展虚拟仿真进行自我测试，提交答案后系统对学生作答进行自动评阅、正误判断、给出得分及正确率，教师还可以对系统评阅进行纠误，在说明理由后可以重新给分，系统给出学生的最终成绩，在实验教学中实现技能操作的仿真考核，便于教师直观、省时、高效率的观察到学生的实训效果[4]。
参考文献：
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虚拟再制造系统结构及其应用研究 篇7
1 虚拟再制造的内涵
1.1 基本概念
虚拟再制造(virtual remanufacturing)是实际再制造过程在计算机上的本质实现,采用计算机仿真与虚拟现实技术,在计算机上实现再制造过程中的虚拟检测、虚拟加工、虚拟控制、虚拟实验、虚拟管理等再制造本质过程,以增强对再制造过程各级的决策与控制能力[1]。虚拟再制造是以软件为主,软硬结合的新技术,需要与原产品设计及再制造产品设计、再制造技术、仿真、管理、质检等方面的人员协同并行工作,主要应用计算机仿真来对毛坯虚拟再制造,并得到虚拟再制造产品,进行虚拟品质检测实验,所有流程都在计算机上完成,在真实废旧产品的再制造活动之前,就能预测产品的功能以及制造系统状态,从而可以做出前瞻性的决策和优化实施方案。
1.2 虚拟再制造的特点
1) 通过虚拟废旧产品的再制造设计,无须实物样机就可以预测产品再制造后的性能,节约生产加工成本,缩短产品生产周期,提高产品品质。
2) 产品再制造设计中,根据用户对产品的要求,对虚拟再制造产品原型的结构、功能、性能、加工、装配制造过程以及生产过程在虚拟环境下进行仿真,并根据产品评价体系提供的方法、规范和指标,为再制造设计修改和优化提供指导和依据。同时还可以及早发现问题,实现及时的反馈和更正,为再制造过程提供依据。
3) 以软件模拟形式进行新种类再制造产品的开发,可以在再制造前通过虚拟再制造设计来改进原产品设计中的缺陷,升级再制造产品性能,虚拟再制造过程。
4) 再制造企业管理模式基于Intranet或Internet,整个制造活动具有高度的并行性。又由于开发进程的加快,能够实现对多个解决方案的比较和选择。
2 虚拟再制造系统的开发环境
虚拟再制造系统在功能上与现实再制造系统具有一致性,在结构上与现实再制造系统具有相似性,软、硬件组织要具有适应生产变化的柔性,系统应实现集成化和智能化。借鉴虚拟制造的系统开发架构,可将虚拟再制造系统的开发环境分为三个层次(图1):模型构造层,虚拟再制造模型层和目标系统层。
1) 模型构造层。
模型构造层提供用于描述再制造活动及其对象的基本建模结构,有两种通用模型:产品/过程模型和活动模型。产品/过程模型按自然规律描述可实现每一物品及其特征,如物体的干涉、重力的影响等;活动模型描述人和系统的各种活动。产品模型描述出现在制造过程中的每一物品,不仅包括目标产品,而且包括制造资源,如机床、材料等。过程模型描述产品属性、功能及每一制造工艺的执行,过程模型包括像牛顿动力学这种很有规律的过程,也包括像金属切削、成形这种较复杂的工艺过程。
2) 虚拟再制造模型层。
通过使用产品/过程模型和活动模型定义有关再制造活动与过程的各种模型,这些模型包括各种工程活动,如产品再设计、生产设备、生产管理、生产过程以及相应的目标产品、材料、半成品、工具和其他再制造资源。这些模型应该根据产品类型、工业和国家的不同而不同,但是通过使用低层的模型构造层容易实现各种模型的建立与扩展。任务组织与管理模型用来实现制造活动的灵活组织与管理,以便构造各种虚拟制造/再制造系统。
3) 目标系统层。
根据市场变化、用户需求,通过低层的虚拟再制造模型层来组成各种专用的虚拟再制造系统。
3 虚拟再制造系统体系结构
文献[2]借鉴上海交通大学提出的“虚拟总线”的VM体系结构划分,构建了再制造体系结构,将虚拟再制造体系结构分为5层:数据层、活动层、应用层、控制层、界面层[2]。根据虚拟再制造的技术模块及虚拟再制造的功能特点,可以构建如图2所示的虚拟再制造系统体系综合结构。该体系结构最底层为对虚拟再制造形成支撑的集成支撑环境,包括技术和硬件环境;虚拟再制造的应用基础则是各种数据库,包括EDB、产品再制造设计数据库、生产过程数据库、再制造资源数据库等;基于这些数据信息处理基础,并根据管理决策、产品决策及生产决策的具体要求,可以形成相互具有影响作用的虚拟再制造产品设计、工艺设计、过程设计;在这些设计基础上,可以形成数字再制造产品,通过分析成本、市场、效益/风险,进而影响再制造的管理、产品、生产过程决策,并将数字再制造产品的性能评价结果,反馈至集成支撑环境,优化集成支撑技术。
4 虚拟再制造的应用
4.1 虚拟再制造企业
在面对多变的毛坯供应及再制造产品市场需求下,虚拟再制造企业具有加快新种类再制造产品开发速度,提高再制造产品品质,降低再制造生产成本,快速响应用户的需求,缩短产品生产周期等优点。因此虚拟再制造企业可以快速响应市场需求的变化,能在商战中为企业把握机遇和带来优势。虚拟再制造企业的特征是:企业地域分散化、企业组织临时化、企业功能不完整化、企业信息共享化[3,4]。
4.2 虚拟再制造产品设计
现在的产品退役往往是因为技术的落后,而传统的以性能恢复为基础的再制造方式已经无法满足这种产品再制造的要求,因此需要对废旧产品进行性能或功能的升级,需要在产品再制造前对废旧产品进行升级设计,这种设计是在原有废旧产品框架的基础上进行的,但又要考虑经过结构改进及模块嵌入等方式实现性能升级,满足新用户需求,因此对需性能升级废旧产品的再制造设计具有更大的约束度,更大的难度。这也为虚拟再制造产品设计提供了广阔的应用前景。因此,开展对废旧产品的再制造虚拟设计将会极大地促进以产品性能升级为目标的再制造模式的发展。
4.3 虚拟再制造生产过程
再制造生产往往具有对象复杂、工艺复杂、生产不确定性高等特点,因此,利用设计中建立的各种生产和产品模型,将仿真能力加入到生产计划模型中,可以方便和快捷地评价多种生产计划,检验再制造拆解、加工、装配等工艺流程的可信度,预测产品的生产工艺步骤、性能、成本和报价,主要目的是通过再制造仿真,来优化产品的生产工艺过程。通过虚拟再制造生产过程,可以优化人力资源、制造资源、物料库存、生产调度、生产系统的规划等,从而合理配置人力资源、制造资源,对缩短产品制造/再制造生产周期,降低成本意义重大。
4.4 虚拟再制造控制过程
以控制为中心的虚拟再制造过程是将仿真技术引入控制模型,提供模拟实际生产过程的虚拟环境,使企业在考虑车间控制行为的基础上,对再制造过程进行优化控制。虚拟再制造控制是以计算机建模和仿真技术为重要的实现手段,通过对再制造过程进行统一建模,用仿真支持设计过程和模拟制造过程,来进行成本估算和生产调度。
5 总结
1) 虚拟再制造是再制造的重要内容,也是先进再制造技术及其思想的重点发展方向,可以从模型构造层、虚拟制造模型层和目标系统层三个层次来构建虚拟再制造的开发环境。
2) 根据再制造的生产特点,构建的虚拟再制造系统体系应包括集成支撑环境、数据库、虚拟再制造产品/工艺/过程设计、再制造的管理/产品/生产过程决策等内容。
3) 虚拟再制造的主要应用方向包括虚拟再制造企业、虚拟再制造设计、虚拟再制造生产过程、虚拟再制造控制等内容。
参考文献
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虚拟实验及其应用研究 篇8
关键词：虚拟实验,分子生物学,应用研究
分子生物学是人类从分子水平上真正揭开生物世界奥秘的基础学科,是生命科学的前沿科学,对于大学生而言是一门非常重要的基础学科[1]。同时,分子生物学又是一门实验性非常强的学科,实验教学是分子生物学教学的重点。但传统分子生物学实验教学由于实验周期长、成本高、教学难度大等因素,限制其在高校的普遍开展。虚拟实验技术依托“虚拟现实”[2]技术产生和发展起来的一种实验模式,起源于20世纪末。现在高校基本普及了校园网,基于校园网构建虚拟实验系统,师生可以共享一个虚拟空间。在增强实验教学效果、增强学生学习兴趣、培养学生创造力和想象力等方面有显著效果。
1.分子生物学实验教学现状
(1)成本高 ,实验版本低 : 分子生物学发展迅速 , 新方法、新技术不断涌现,但是新技术需要的设备、试剂耗材等非常昂贵,动辄几十万,普通高校无法开展相关实验,只能多年如一日,开展老式分子生物学实验,学生无法学到新方法,了解不了生物学前沿知识和技术。
(2)效率低 ,耗时长 :分子生物学实验的特点是耗时长 ,步骤间隔时间长。以PCR实验为例,前期学生将引物、酶、d NTP、DNA、水等加上后 ,PCR仪器设定好 , 接下来就是几个小时的等待时间。等PCR结果出来才能进一步电泳检测,而电泳也是费时不少。所以,几乎每一个分子实验都是操作等待再操作的过程,效率很是低下。
(3)直观感受太少 ,学生兴趣不足。分子生物学实验的另一大特点就是微观操作比较多,例如,PCR反应、酶切酶连、琼脂糖电泳等实验,都是微观世界的改变,对学生而言完全没有直观观察效果,学生根本无法亲眼见到整个实验的反应过程,提不起学习兴趣。
(4)实验安全性欠缺 :分子生物学涉及很多有毒有害甚至致癌的药物试剂, 学生进行实验操作时稍不注意就会伤害自身安全,而且每个实验均涉及有毒有害物质的排放,将对环境产生不小的污染。
2.虚拟实验可以弥补分子生物学实验的种种不足
(1)成本低 , 易开展 : 与分子生物学实验所需的动辄几十万的仪器相比,虚拟实验室的构建成本相当低,而且后期维护成本小,没有器材、耗材试剂材料等的消耗。
(2)效率高:传统实验室由于种种原因 ,会造成仪器台件数不足,一个班同学分成几组操作实验,而且学生只能在实验室操作学习, 难以反复训练。分子生物学实验的特点是等待时间过长,整个过程冗长费时。虚拟实验室解决了这些问题,即可以通过网络实现多人同时进入, 而且在电子产品日益普及的今日,大学生大部分都拥有自己的电脑, 让学生根据自己的学习程度,任何时间都可以练习操作,熟练掌握实验操作要点和内容。
(3)趣味性强 :虚拟实验将实验中肉眼无法见到的微观世界的种种变化转化成生动有趣的动画模式, 让学生非常直观地了解实验过程到底发生了什么,调动学生的学习热情。再加上现在学生对电子、网络等非常有兴趣,虚拟实验室的建立正迎合了学生的趣味。
(4)安全性高 ,对师生无伤害 ,对环境零污染 :虚拟实验室完全避免了化学试剂对学生身体的伤害和对环境的污染,符合中国现阶段的发展需要。
3.分子生物学虚拟实验室成立
根据目前普通高校的状况,一般学校都能满足要求,只要在实验室原有基础上购进最基本的仪器 (电脑、数据采集卡等)与配套软件,甚至可以多学科联合,开发相应的虚拟仪器,建立分子生物学虚拟实验室。
4.分子生物学虚拟实验室的应用
(1)首先 , 培训教师熟练掌握软硬件的操作 , 从而把分子生物学知识形象、生动地展现给学生, 帮助学生理解理论知识,掌握实验操作要领。
(2)其次 , 学生可以随时运行虚拟实验室软件 , 对整个分子生物学实验课程进行多次复习, 这样学生对相关仪器的操作、实验关键步骤的操作都能得到反复练习,从而熟练掌握整个实验技能。并且整个虚拟实验室氛围安全无毒,提高安全防护意识,避免学生实际操作时手忙脚乱,造成安全隐患。并且,现在大学生对电子信息、网络等非常热衷,如果我们的实验室界面设计得非常人性化和友好, 那虚拟实验肯定会最大限度地调动学生的学习积极性,充分发挥学生的主观能动性,培养学生积极主动学习的能力。
5.存在的问题及展望
(1)专业合作及技术上的问题 :分子生物学和虚拟技术是两个完全不同的研究方向, 必须加强两个不同学科研究及教学人员之间的合作和交流,才能更好地服务于虚拟实验室。并且虚拟技术尚处于发展阶段, 从软件的复杂度到运行计算机的性能要求高等都是亟待解决的问题。
(2)学生和教师必须改变学习、教学方式 , 改变思考问题的方式,才能适应虚拟实验环境。必须加强对使用者的能力培训,使师生都能更好更正确地操作软件。
虚拟实验及其应用研究 篇9
1 机能虚拟仿真系统在实验教学中的应用
实验教学对培养和提高学生基本技能、综合能力和创新能力起着至关重要的作用[1]。随着医学竞争的日益激烈, 学生们都希望能够在学校学习期间尽量多的掌握医学实践技能, 所以医学实验课越来越受到学生们的欢迎和重视。学生希望在实验课上能够反复操作实验, 熟练实验的过程。但是由于近些年高校学生不断扩招, 实验教学资源相对不足等原因限制了机能学实验课程的深入开展。并且, 传统实验课的教学方式也不能满足学生动手能力学习锻炼的需求。为了适应形势的变化, 更好的完成实验教学, 我校机能实验中心应用最新的计算机虚拟现实技术, 结合我校实验教学的特点, 自行设计开发出BL-420E生物机能虚拟仿真实验系统, 软件包括家兔、青蛙和人体实验三大平台的16个模块, 涵盖了一些在传统实验课上无法开展的经典实验项目, 虚拟仿真实验系统的应用, 极大的丰富了机能学实验课教学内容, 为学生提供了更多实验的机会, 同时也节省了教学成本, 可以让教师从繁重的讲课任务中解放出来, 有更多的时间对学生进行实验指导。
兴趣是最好的老师, 能够最大程度地发挥个人学习的主管能动性[2]。我校机能虚拟实验系统为一开放的实验平台, 以选修课的形式出现, 学生可以根据个人兴趣自主选择。此外, 我校虚拟实验系统应用最新的计算机技术, 将各实验模块设计成3D动画游戏的形式, 学生在游戏的各阶段要选择正确的“游戏武器”———实验用品, 进行正确的实验操作, 游戏才能通关。以《青蛙立体在位心脏灌流》实验为例, 进入一个三维的仿真的实验室后, 在手术台上出现了一只剪开皮肤、暴露出心脏的青蛙以及各种可供选择的手术工具, 有眼科镊、线、眼科剪、静脉插管, 先选择正确的工具才能进入下一步的操作, 如果选择不正确的话工具图标不予反应。接下来操作者选取眼科镊, 将鼠标移动到心脏相应位置, 用眼科剪剪一小口, 选取静脉插管工具, 用鼠标拖住将其插入血管口, 并点击棉线结扎固定;如果操作者忘记结扎固定静脉插管, 则操作无法继续进行并且系统会弹出提示对话框:“插管未固定, 请先固定插管”。实验结束后操作者通过点击操作界面右上方的“查看”按钮可以看到此次操作犯错的次数以及操作所用的时间, 如果犯错次数多则此关不能通过, 系统会显示“遗憾, 继续努力”, 同学可以重新玩游戏争取顺利通关。把实验操作以游戏通关的形式呈现, 增加实验的趣味性, 调动了学生的积极性, 学生可以在趣味游戏中学到实验的原理, 掌握实验过程, 规范实验操作技术。此外, 虚拟实验课还为传统动物实验课的开展做好准备———在虚拟实验结束后, 学生在已经充分掌握实验原理、过程的情况下胸有成竹的进行实际操作, 更有助于提高学生对实验的深入理解。
新时期素质教育的要求不单单是看学生期末考了多少分, 而是注重要提高学生学习的积极性, 培养学生能力。我校机能学虚拟实验系统课程期末采用调查问卷的形式, 让学生评价参加本课程的学习感受, 对本课程需要改进的内容提出意见和建议。
2 在机能学中应用虚拟仿真系统的优点
2.1 虚拟实验课程提高了学生的学习兴趣
虚拟动物实验课程采用了学生们乐于接受的“打游戏”的形式开展, 整个系统动画设计生动有趣, 仿真度高、直观性强, 对于整个实验的整体和细节设计详细合理, 学生在操作的过程中可以通过系统预置的干扰因素了解错误的实验方法带来的后果, 拓展学生的知识面, 使学生全面掌握实验操作过程;并且, 通过对虚拟系统的反复操作加深学生对实验全面了解对正确实验方法的记忆。在虚拟的环境中, 通过人机交互, 学生在玩游戏的过程中掌握了实验原理和实验的过程, 规范了实验技术, 学生学习兴趣足、效率高, 教学效果良好。
2.2 培养了学生的自主学习能力
自主学习能力是新时期教学领域的一项重要培养目标, 自主学习的过程包括:自我观察、自我判断、自我反应[3]。传统的实验教学形式为教师讲授实验理论知识、示教、指导学生实验及时纠正学生操作中的错误, 这种模式的弊端就是学生对老师有依赖心理[4]。学生在选修机能学虚拟实验课伊始, 可能是受到以往传统实验教学模式的影响, 遇到不会的内容马上问老师, 比如家兔麻醉要使用的剂量、插管的位置等, 自己不会主动的去查资料解决问题, 缺乏自主学习的能力, 这也与笔者应用虚拟实验系统培养学生主动学习、发现问题解决问题的能力的宗旨相冲突。为了使学生养成主动学习的好习惯, 教师在最初的几堂实验课上注重引导学生, 让学生自己发现解决问题, 而不是直接告诉学生正确的答案。比如学生在家兔颈部正中切开术实验中, 学生遇到提起家兔颈部皮肤手术切口后游戏无法继续进行的问题时, 自己不去查找问题的原因, 直接问老师正确答案, 这时教师并不直接解答学生的问题, 而是引导学生尝试试一下其他的方法。几堂实验课后, 学生基本适应了虚拟实验的教学模式, 再遇到游戏中存在的问题会先自己尝试解决, 或者和同学讨论解决方案, 逐渐养成了自主学习的好习惯。学生在期末的调查问卷中也多次提到:“机能学虚拟实验课就像自己是实验的主宰者, 责任巨大, 需要用心完成”, 甚至有的同学在课前主动预习做预习报告, 课后写实验心得!
2.3 虚拟动物实验平台节省了教学资源, 增加了学生参与实验的机会
近些年由于医学生不断的扩招, 给机能实验教学带来很大的挑战:教师人手不足、实验资源有限, 学生动手机会少。在传统的实验室课上, 教师忙于对实验内容的讲授, 无暇对学生进行详细的指导, 严重影响了学生动手能力的提高和创造性。随着计算机虚拟现实技术应用于实验教学, 实验通过计算机模拟的虚拟环境与人体的反应进行交互完成, 虚拟动物实验不需要购买实验动物和实验药品, 不需要购买大量的实验器械, 也不需要扩建实验室, 没有实验器械的损耗, 学生可以通过虚拟动物实验平台反复进行实验操作, 大大节约了教育成本, 增加了学生实验操作的机会;并且由于不需要使用一些有毒的药品, 增加了实验的安全性和成功率;教师也可以从繁重的讲课任务中解放出来, 有更多的时间对学生进行实验指导, 提高学生的主动性和创造性。
2.4 教学效果突出
我校的机能虚拟实验课历来都是很受学生们欢迎的课程, 每年选修的人数都很多。笔者对2011-2012年选修机能学虚拟实验课程的临床、影像、护理专业3个年级20个班共计600名同学进行问卷调查。其中91.4%的学生对虚拟实验比较感兴趣, 98.6%的学生对虚拟实验的设计基本满意, 97.4%的学生认为虚拟实验可以避免手术操作过程中常犯的错误, 23.1%的同学希望能增加虚拟实验项目的开发。通过虚拟仿真系统的应用, 明显丰富了实验的教学手段, 提高了学生的学习兴趣, 生动了实验教学内容, 学生对机能学实验中增加虚拟实验系统满意度很高。
机能学虚拟仿真系统的应用也提高了学生的创新能力和动手能力, 2009年在孔天翰老师的指导下学生自主设计完成的科研项目分别获得全国大学生学术科技作品竞赛二等奖、广东大学生课外学术科技作品竞赛特等奖;2011年、2012年朱晓琴等老师指导的学生设计性课题获得了广州医学院大学生课外科技竞赛二、三等奖;机能学课外兴趣小组的学生在2009-2012年间先后参与完成了2项国自然、2项省自然课题, 在国家核心期刊发表论文10余篇。
3 虚拟仿真系统在教学应用中有待改进的方面
3.1 机能实验不能替代传统的医学实验课程
医学实验课程着重培养学生的动手能力、发现问题解决问题的能力。目前的机能综合实验是通过对动物的实验操作锻炼学生的动手能力和实验的技能技巧, 比如:蛙坐骨神经的分离实验, 锻炼学生手术操作的技术水平, 而这些能力是通过虚拟仿真系统完成不了的。此外, 机能综合实验以小组的形式进行, 通过小组各位成员间互相协调、沟通、合作完成实验, 学生不仅可以学习实验技术, 也培养了学生的团队意识、协作精神、沟通能力[5];学生应用虚拟仿真系统可以掌握实验原理、规范实验操作技术, 提高学生主动学习、分析问题解决问题的能力;但是, 虚拟仿真实验是学生通过计算机完成的, 每名学生一台计算机, 同学之间缺乏沟通和协作。为了解决这些问题, 我们将虚拟实验系统应用于实验课的同时, 我们在实验课上另设动物实验项目, 学生在虚拟实验结束后可以根据个人意愿进行动物实验。虚实并存, 实为主体, 以虚补实, 虚实双促[6], 虚拟实验是真实实验的预演, 与真实实验互为补充[7]。结果证明, 学生在虚拟实验后已经熟悉了实验原理、过程, 在传统实验操作时事半功倍。
3.2 进一步完善虚拟实验系统
学生在传统实验操作中出现的问题多种多样, 而笔者虚拟实验系统在设计的时候不可能想每名学生之所想, 把学生所有能够出现的问题都反映在系统的设计中。因此, 学生在期末调查问卷的时候也会给我们提出这一方面的问题, 希望笔者能够完善。对此, 在以后的设计中, 尽可能贴近学生的实际操作需要, 把虚拟实验系统做到更加完善。当然, 一定不可能达到每名同学的理想状态, 这也是虚拟实验系统与传统实验比较起来不理想的地方。针对这一弊端, 笔者采用教师辅助学生, 及时解答学生问题的方式进行弥补。
总之, 将虚拟实验系统应用于机能学实验教学, 使实验教学更加生动有趣, 极大的提高了学生的学习兴趣, 增强学生学习的主动性和创新性, 符合新时期教学改革的要求。因此, 全面推进和深化虚拟实验系统教学已经成为医学教育界的共识。未来, 我校将继续根据学生特点, 开发出更多、更全面细致的机能虚拟实验系统模块, 应用于教学, 为培养出更多的医学人才做贡献。
摘要：将虚拟仿真系统应用于机能实验教学是一种新型实验教学模式。虚拟仿真系统的应用, 激发了学生的学习兴趣, 提高了教学效果, 培养了学生的创造性和自主学习、主动发现问题解决问题的能力。
关键词：虚拟仿真系统,机能学,实验教学
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虚拟实验及其应用研究 篇10
1 SIVC风险特征分析
1.1SIVC的构成特点
SIVC是在传统产业集群基础上,依托强大的网络信息技术平台,将物理上分散的技术、人才、信息和政策等资源融合贯通,通过市场关联、产业嵌入等方式进行虚拟集聚,以实现资源的共享和有效配置[2]。其运行系统包括3个层次,结构如图1所示。
最内层成员企业指所有从事软件产品制造或服务活动的企业集合,它们基于共同市场利益、结合各自优势,形成跨区域的组织集聚形态[3]。中间层包含由成员企业自发组成的起统筹协调作用的“内组织”和其他服务于成员企业的中介组织及与软件企业有合作关系的大学、研究所等,它们与成员企业共同构成SIVC的主体,本文所指SIVC成员单位包括成员企业、内组织、中介组织和科研机构。位于主体外围的SIVC既受政府的引导、推动和协调作用,也与传统产业构成“嵌入——促进”作用,外围环境包括社会、政治、经济和文化环境[4]。
与传统产业集群相比,SIVC有如下4个特点:一是高科技及创新性:发展靠创新,价值增量取决于科技含量。二是多元并行跨产业性:多元并行指多种产业在空间上共同存在、在时间上同时发展[5]。三是组织形态虚拟性:各层级间界线模糊,依靠组织接近达成联系[6]。四是企业联盟动态性:企业根据生产或服务目标组成协作联盟,软件技术处于更新换代中,具生命周期特征[7]。
1.2SIVC的风险特征
按风险管理理论,传统产业集群风险可分6大类:①结构性风险:指集群的产品类别过于单一有限,导致集群网路收缩、信息流量锐减,包括市场需求变化风险、产业集中度风险。②网络性风险:主要源于网络主体的过度专业化、道德风险、机会主义和不完全契约等,包括成员间信任风险。③单元性风险:包括规模经济、资金安全、人才结构风险。④周期性风险:源于外部宏观经济发展的周期性波动,表现为经济危机等。⑤同业竞争性风险:如与国外软件产业集群相比的资源劣势、地理劣势、过度竞争风险。⑥政治性风险:分国外和国内政治性风险,包括政策性风险、过度干预、贸易壁垒风险等[8]。
通过调查研究,结合产业集群风险管理理论分析可知,除了传统的产业集群风险外,SIVC还包含一些特有的风险:①集群创新力风险是指在SIVC快速发展中,易产生企业缺乏创新动力或创新能力滞后。②集群封闭性风险是指成员单位出于技术保密,有意识减少甚至避免与外部企业和机构进行合作交流,逐渐形成自我封闭系统,丧失对市场环境的感知能力。③信息共享风险源于“组织”中过度专业化导致企业之间信息、技术和知识等方面不对称,其传输呈现单向流动的“路径依赖”现象[9]。④技术性壁垒在传统产业集群中也存在,但在SIVC中表现尤为明显。发达国家凭借资本、技术上的领先地位,制定较高技术标准和严格进口检验制度来夺取“标准制定权”,以此削弱他国产品在本土竞争力[10]。
通过对软件产业虚拟集群的分析,可有效识别SIVC系统中的风险源,为建立SIVC风险评价模型提供科学依据。
2 软件产业虚拟集群风险评价模型的构建
2.1SIVC风险评价指标体系
建立三级指标体系,如表1所示,它反映了SIVC运行发展中主要的风险信息[11]。
2.2SIVC风险指标数据的确定
(1)赋分标准
采用专家打分法和功效计分法,见表1“风险分值”列。
(2)数据采集
组织企业管理人员、一线员工、政府官员和业内专家参与问卷调查。对问卷数据采集归总,并进行信度分析。一般当α>0.7时,数据可采用。若α值过小,用德尔菲法重新确定数据[12]。
2.3SIVC风险指标权数的确定
采用AHP法,步骤如下:
(1)建立层次结构模型 将指标体系模块化(见表1),共7个:SIVC风险度、结构性、周期性、单元性、网络性、同业竞争和政治性风险模块。
(2)构造成对比较矩阵 把同一父指标支配的下层子指标两两比较,按托马斯·塞迪1～9标度法,确定子指标间相对重要性。以SIVC风险度模块为例,对B1、B2、…、B6分别赋值,得一致性判断矩阵B=(aij)6×6。
(3)成对比较矩阵求解及一致性检验 一致性比率公式:undefined
其中C.I.=(λmax-n)/(n-1),λmax为最大特征根,平均随机一致性指标查表得n=6,R.I.=1.24。
当C.R.<0.1时,比较矩阵的不一致性可接受;当C.R.≥0.1时,AHP法不再适用,需重新赋值。此时,求出λmax所对应的特征向量U,标准化后的权向量U=(U1,U2,U3,U4,U5,U6)即为该模块下6个子项目的权重B1、B2、B3、B4、B5、B6。进而得到三级指标对SIVC风险度的权重值:Ui=ci×Bj。
3 SIVC风险应对优先次序研究
本节设计“可能性-严重性”二维模型探讨SIVC风险应对优先级排序问题。
风险分值ci对应于横轴可能性,反映风险发生的可能性大小,分成(0,1]、(1,2]、(2,3],(3,4],(4,5]5个值域;权重值Ui对应于纵轴严重性,反映风险发生后果的严重性程度,分成高、中、低3个级别。
图2反映了风险的紧迫性程度,离坐标原点最远的高5区指标可能性和严重性最高,最需要优先解决。令虚线g沿着h按箭头方向平移,当有两个以上指标落在g上,针对决策者风险偏好不同可制定相应的排序方案。
根据谢晓非风险决策理论,风险决策过程并非完全理性,会受到决策者心理与行为规律的影响[13]。
对于风险厌恶型决策者,侧重优先解决可能性大的风险事件(按虚线g′箭头方向顺序),得排序方案:高5→中5→高4→低5→中4→高3→…→低2→中1→低1。
对于损失厌恶型决策者,他们侧重优先解决严重性高的风险事件(按虚线g″箭头方向顺序),得排序方案:高5→高4→中5→高3→中4→低5→…→中1→低2→低1。
对于“稳健派”决策者,则综合上述两种原则,采用“风险当量排序法”,风险当量等于风险发生可能性与后果严重性的乘积。
4 实证分析
本文以J省SIVC为例,通过风险评价模型分析得到风险应对优先次序方案。
(1)指标数据的获取
发放问卷并将数据汇总分析,得 “风险分值ci”列,如表2所示。
(2)指标权数的确定
采用AHP法,以SIVC风险度模块为例,通过专家打分确定下层指标之间相对重要性,得λmax=6.532, U=(0.218,0.188,0.169,0.098,0.123,0.204);undefined,可接受。同理,剩余6个模块权重值wi:B1=(0.229,0.344,0.427),B2=(0.154,0.441,0.405),B3=(0.124,0.544,0.332),B4=(0.316,0.684),B5=(0.309,0.211,0.480),B6=(0.054,0.348,0.392,0.206),见表2。
(3)风险应对优先级排序
将Ui列降序排列,并平分成三个子集:{0.093,…,0.075}、{0.071,…,0.042}、{0.038,…,0.011},分别纳入高、中、低三级;按风险分值ci的大小确定横坐标所在值域,得表5“坐标区域”。根据不同类型决策者制定风险应对优先次序:
风险厌恶型:C8→C11→C2、C17→C7、C10→C14→C6→…→C15→C18→C13;损失厌恶型:C8→C2、C17→C11→C6→C14→C7、C10→…→C18→C15→C13;稳健型:C8→C11→C2→C17→C14→C6→C16→C3→C9→C10→C4→C7→C12→C5→C1→C18→C15→C13。
5 结 语
虚拟实验及其应用研究 篇11
【关键词】虚拟路由器；OSPF；多协议标签交换；LDP；BGP
1.虚拟IP路由器及其实现方案
虚拟IP路由器是指用来模拟真实IP路由器路由功能的应用软件。本文实现的虚拟路由器，其特点是在一台主机上能够同时运行多个路由器，支持多用户的并发操作。通过用户的配置，能够模拟不同拓扑结构的网络的运作过程。与实际路由器相比，由于是通过软件来实现，其速度和所支持的用户数量会受到一定的限制。但这项技术大大减少了运营的开销，并且还提高了网络配置的灵活性，给网络的模拟、测试提供了很好的技术背景。
1.1虚拟IP路由器内部结构设计
本文实现的虚拟IP路由器的基本功能包括：路由的计算，数据分组的转发以及访问控制列表功能。各个功能模块都受命令行控制模块的控制。当路由器接收从其它相邻的路由器或直连网络接收到数据时，首先判定是什么数据类型，如果是链路状态数据报文，则将进入路由计算模块，在适当的时候要用SPF算法进行最短路径的计算；如果数据是普通TCP数据包时，则首先进入访问控制列表模块，若该数据包未被拒绝，则将进入数据转发模块，转发给其它相邻的路由器或直连网络。
1.2虚拟路由器的 Java 实现
本文以 OSPF 路由协议（RFC2328）为例进行设计，使用的开发语言是 Java，这是一种面向对象的开发语言，以虚拟IP路由器为基础设施的网络在运行过程中用到的对象主要分成以下几类：（1）OSPF类、（2）AreaData类、（3）Interface类、（4）Neighbor类、（5）SPF类。
2.支持 MPLS的虚拟路由器的设计与实现
普通的路由器只能简单地根据路由协议产生的路由表，再结合数据包的第3层网络地址来进行数据包的转发。在对路由器加了MPLS功能后，就能把路由表转化成相应的标签交换表，使得数据的转发只与标签有关，而不会去解析第3层的网络信息，这对提高数据转发的安全性提供了保障。
2.1支持MPLS的虚拟路由器的总体设计
对于一个支持MPLS的虚拟路由器，结构主要包括两大部分：
控制部分（LDP协议）和转发部分（MPLS协议）。
LDP协议是MPLS的控制与信令协议[2]。该协议部分主要包括两个模块：更新出标签模块和分配入标签模块。更新出标签模块在收到标签绑定信息后，把该信息放入该路由器的标签信息库（Label Information Base，LIB），如果发送该信息的路由器是该路由器的下一跳标签交换路由器（Label Switching Router，LSR），还要用该信息更新标签转发信息库（Label Forwarding Information Base，LFIB）和转发信息库（Forwarding Information Base，FIB）中的出标签信息。而对于分配入标签模块，在运行OSPF协议的同时，对路由表中的每一个目的网络都进行FEC分类，并对其加上本地的标签绑定信息，也就是入标签，并将该标签信息放入LIB、LFIB和FIB中。再把该本地标签绑定信息发送给所有与其相邻的路由器（这里采用的是下游未被请求标签分配模式）。
当收到的不是控制消息，即是普通的数据包时，则直接进入分组转发模块（MPLS协议[1]部分）。由MPLS分类器决定查找LFIB、FIB或路由表，得到该路由的下一跳地址、发送的接口和标签操作。对数据包进行标签操作后，就放入发送队列，等候转发。如果对应该数据的标签交换路径（Label Switched Path，LSP）信息不存在，则分组数据进入IP路由部分的数据转发模块进行第3层的数据转发。
2.2支持MPLS的虚拟路由器的实现方案
2.2.1分配入标签模块
在运行 OSPF 协议的同时，也运行着LDP协议。MPLS网络中的 LSR将趋向于路由表、LIB、FIB和LFIB的动态平衡。每当往路由表中添加一个到达目的网络的表项时，就为其分配相应的入标签。
2.2.2更新出标签模块
当路由器接口收到其它路由器的标签绑定信息时，如果发送方是当前路由器的下一跳 LSR，则要更新相应的出标签信息。
2.2.3分组转发模块
当路由器接口收到普通数据分组时，分组将进入MPLS分类器中，先判断该分组是否带了标签，如果是带标签的分组，则查找 LFIB 表，查找对应的LSP、出标签和标签操作，并进行分组转发，相应的标签操作应该是标签交换（Swap）或标签弹出（Pop）。如果不是带标签的分组， 则首先查找 FIB 表，若 LSP存在，则进行与上类似的处理，相应的标签操作应该是标签推入（Push），若对应的LSP不存在（原因可能是未完成LDP 协议的启动等），则查找路由表，对分组执行第3层转发。
3.虚拟路由器在 BGP/MPLS VPN 实验系统中应用
3.1网络拓扑的配置
为了适应大规模多用户并发操作的要求，需要选择合适的网络拓扑配置方案。首先，本文实现的虚拟路由器支持在同一台主机上运行多个路由器线程，而路由器之间的通信是通过socket来实现的，故其所支持的用户数量会受到一台主机上线程和端口数目等资源的限制。其次，在大规模多用户并发操作的过程中， 每个用户都要独立配置自己的网络拓扑，这导致的问题是每个实验者看到的网络拓扑是不同的，也即实验者之间不能传送数据。 因而需要寻求这样一个配置方案，它既能让用户进行独立的配置和操作，又能提供统一的拓扑结构，同时还要使软件资源的消耗尽量少。
3.2 VRF 的配置
PE 路由器要为每个CE路由器进行VRF表的配置，用于识别各 CE所属的VPN。对于每一个VRF表，都需要配置路由区分符（Route Distinguisher，RD）和路由目标（Route Target，RT）两大属性。当PE路由器上的某个子接口属于多个VPN，则多个VPN共享一个RD，CE1、CE3以及CE1、CE2之间的VPN就共享一个RD值。
4.结论
虚拟实验及其应用研究 篇12
1 模具虚拟实验室建设
我们根据教学大纲要求以及当前教学对实物实验室的提高与完善需求, 确定模具虚拟实验室的主要功能是:能查询冲压模具设计数据与设计案例;能模拟冲压零件工艺过程和材料变形过程;能仿真模具工作原理;能演示模具拆装过程;能虚拟拆装模具并虚拟观察模具零件结构。
模具虚拟实验室开发的思路是:采用“平民化”的技术[1], 应用桌面虚拟现实系统, 实现教学型虚拟实验室的建设和应用。开发过程是:采用模具设计软件Pro/E, UG, Auto CAD进行三维建模或引用生产一线的模具图;将Pro/E, UG软件格式文件转换成AutoCAD的DWG格式文件;将生成的DWG文件导入三维动画软件3DMAX, 进行模具动画设计, 实现对模具工作原理的仿真与拆装演示;将AutoCAD的DWG格式文件输出成AutoCAD支持的DWF格式文件, 利用DWF文件的功能进行模具的虚拟拆装并虚拟观察模具零件结构;用Flash软件合成。
进入冲压模具虚拟实验室, 主界面是对冲压模具虚拟实验室的介绍, 选择下拉式菜单中的不同选项进入不同类型的模具, 并选择具体的模具, 每种模具分为四个部分:模具介绍、模具工作原理仿真 (如图1所示) 、模具拆装演示、模具虚拟拆装 (如图2所示) 。
2 模具虚拟实验室在教学中的应用情况调查
为了探索模具虚拟实验室在教学中的应用情况以及学生利用虚拟实验室进行学习的情况, 我们在我院2011级模具设计与制造专业学生中进行了问卷调查, 共收回86份调查表, 其中有效问卷82份。笔者对调查结果进行统计分析, 结果见表1与图3。通过本次调查, 我们了解了模具虚拟实验室在教学中的应用情况和存在的问题, 并提出了相应的解决办法。
2.1学生学习兴趣情况
苏霍姆林斯基说:“儿童学习愿望的源泉是思维智力上的感受和情感色彩, 儿童的思维是同他的感受和情感分不开的。”利用模具虚拟实验室创设教学情境, 并且使虚拟实验环境与真实环境优势互补, 加深了学生的学习体验, 从而提高了学生的学习兴趣。在创设教学情境时, 我们注重加强其新颖性、空间性、实践性和竞争性, 促进学生乐于学习、敢于学习、善于学习、勤于学习、精于学习。从调查结果来看, 模具虚拟实验室的应用, 能激发学生的学习兴趣, 促进学生自主思考, 提高学生主动参与的程度。
2.2 对实验内容的评价
实验内容主要从实用性、综合性、难度适当性和实验内容的前后连贯性几个方面进行调查评价。由于模具虚拟实验室中的模具均选自生产一线的经典性模具, 而且数量较多, 涉及面广, 因此, 学生对实验内容的实用性、难度适当性和实验内容的前后连贯性评价较高。但对实验内容的综合性评价较差。综合性实验是建立在基础性实验基础上, 综合运用相关知识、实验方法和手段对学生的理论学习、实验技能与思维方式进行全面训练的一种复合性实验。其特点在于实验内容的复合性、实验手段与方法的多样性, 目的是给学生更多的自主性, 增强学生的实验动手能力和接受新技术的科学素养, 培养学生综合运用多学科知识分析解决实际问题的能力和团队合作意识[2]。提高实验内容的综合性, 我们要从以下几个方面着手:
(1) 提高实验教学队伍水平。
(2) 进一步增加工艺性设计内容。从产品开始, 分析产品工艺性, 展示加工工序流程及每道工序的模具结构。
(3) 强化答疑系统。针对学生在实验中出现的疑问与错误, 采用提示和设疑的方法, 启发学生思考并运用所学专业知识去寻找问题的答案, 并纠正错误。
(4) 加强设计性实验开发。设计性实验是介于基础教学实验与实际科学实验之间的, 具有对科学实验全过程进行初步训练特点的教学实验[3]。通过设计性实验教学, 学生能够提高综合运用所学知识解决实际问题的能力, 还可以开发潜能, 启迪智慧。
2.3 对原理和技能性知识的理解
在模具设计与制造专业教学中, 涉及大量的抽象概念与制造过程, 如工艺原理、模具工作原理、材料成形过程等。我们制作了大量的三维动画进行仿真, 将复杂的内容简单化、过程的内容细节化、抽象的内容形象化、微观的内容扩大化、断续的问题连续化。对于模具虚拟拆装等技能性知识, 我们认识到, 对于人的感官, 它是真实存在的;对于构造的物体, 它是不存在的。在此部分教学过程中, 我们注重真实情境与虚拟情境间的迁移, 确保虚拟情境是真实情境的延续和扩展。学生对虚拟实验中的原理性知识和技能性知识的掌握程度较好。
2.4 对学生能力的培养
模具设计是遵循材料成形规律, 进行模具的结构设计, 以最经济的方法生产出合格产品。结构设计是模具设计的灵魂, 精巧的模具结构是创新的源泉。在专业教学中, 教师的主要作用是, 引导学生通过成功的典型模具结构, 自主构建适合具体产品的成型结构。模具虚拟实验室通过多种方式揭示工业生产中各种典型结构, 学生通过仔细观察、动手操作, 进行大胆想象, 使学习由感性认识上升到理性认识, 从而建立起各种类型的模具结构的概念。模具虚拟实验室的应用, 能有效培养学生的抽象思维能力、分析问题和解决问题的能力, 提高学生的模具设计能力。
3 模具虚拟实验室在教学中所起的作用
为了探讨模具虚拟实验室对教学的影响, 我们召开了模具设计与制造专业教师座谈会, 大家一致认为:模具虚拟实验室让信息的表现形式丰富多彩, 在虚拟的三维空间里, 能表现难以理解的文字叙述, 为计算机辅助教学带来了生气和活力, 在专业教学中, 可以促进教学观念、教学内容、教学手段的改变。
3.1 可以促进教学观念的变化
在现代教育思想指导下, 使用虚拟技术改进教学方法, 丰富教学内容, 改进教学手段, 容易促进教师改变教学观念, 从以教师为中心的授课形式改变为以学生为中心的个别化教学、合作化教学, 改变传统的课堂讲授式教学方法为启发引导式教学, 追求教与学的合作化, 以讲授引导思维, 以教导激发感情, 促进学生主动学习。
3.2 可以丰富教学内容
模具虚拟实验以一种直接的信息传递方式, 提供生动活泼的直观形象思维材料。学习者通过自主控制的人机交互, 利用鼠标与键盘, 就可以对模具零件进行移动、旋转、缩放、剖切, 测量尺寸, 按照实验要求、过程组装完整的模具。对于抽象的概念、原理, 虚拟实验除了用文字和语音协同描述外, 还可以用三维实景虚拟现实过程, 如模具的工作原理等。它可以突破时空限制, 恰如其分地演示一些复杂的、抽象的、不便直接观察的自然过程和现象, 全方位、多角度地展示科学内涵, 如材料在模具内的成形过程。这将引发教学内容形式的变化和教学内容结构的变化, 有利于学生扩散思维, 也有利于已有知识向新知识学习迁移[4]。
3.3 可以提供多样的教学手段
教学手段是师生相互传递信息的工具, 它是教学过程重要的组成部分, 是实现教学目的和教学任务的有效保证。模具虚拟实验室可以促使教学手段向科学化、高效益方向发展, 它使传统的实物模具拆装实验得到了延伸与发展, 是传统教学手段与现代教学手段有机结合的产物。
4 结束语
随着我国职业教育的不断发展, 虚拟实验应用于教学, 对提高教育技术水平、改善实验环境、优化教学过程将产生深远的影响。我们希望高职教师能够创建出更多、更好的平民化、大众化的技术方案创建虚拟实验室, 以最经济的方法, 达到教学目的, 解决传统教学不能解决或难以解决的问题, 使虚拟实验室在职业教育中得到更广泛的应用。
摘要：根据模具专业的教学特点和教学需求, 采用“平民化”的技术方案, 建设教学型模具虚拟实验室, 并对应用情况进行调查研究, 了解模具虚拟实验室在教学中的应用情况和存在的问题, 提出相应的解决策略。多年的实践证明, 模具虚拟实验室能提高教育技术水平, 改善实验环境, 优化教学过程, 促进教育教学改革, 在培养模具专业高技能人才方面, 发挥了较好的作用。
关键词：模具,虚拟,实验室
参考文献
[1]黄慕雄.高校教学型虚拟实验室建设的现状与建议[J].电化教育研究, 2005 (9) :77-79.
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[3]贾辉.加强设计性实验建设培养学生的创新意识[J].吉林化工学院学报, 2010 (5) :34-36.