传感器虚拟实验设计（通用11篇）
传感器虚拟实验设计 篇1
0 引言
在高校中,实验教学是许多学科特别是应用型理工科教学中的重要环节之一,随着近几年来学生人数的不断增加和科技技术的快速发展,实验设备的落后和数量的不足逐渐体现出来。由于大多数普通高校的实验室没有足够的经费对设备进行更新和采购,于是出现了多名学生围在一台老式设备旁做实验,无法保证每个学生都有独立完成实验操作的机会[1]。很多高校为了应对实验条件不足的现状开发了大量的仿真实验。虽然仿真实验使实验课摆脱了不受时间、场地限制的困扰,也让实验在教学内容上得以丰富,空间上得以延伸,并营造了多样化的教学环境,但仿真实验毕竟不是传统实验,学生只需要动动鼠标就能完成,导致学生常用仪器仪表的使用都不熟练,同时在很大程度上也抑制了学生的动手能力,且记忆和理解也不如传统实验印象深刻。
虚拟仪器的出现可以有效地解决这个问题。虚拟仪器是一种功能意义上的测量和控制仪器,是具有仪器功能的软件、硬件的组合。它在基本硬件的支持下,充分利用计算机强大的计算能力,通过调用相应的高级软件模块来完成数据的采集、分析、处理、控制以及数据的储存和显示,从而实现各种传统仪器的功能[2,3]。本文以热电阻测控系统为例,利用实验室现有的传感器设备,再辅以USB多路数据采集卡,阐述了在PC机上利用Lab VIEW图形化编程语言开发传感器测控实验平台的过程和方法。
1 实验平台整体结构设计
基于USB总线的虚拟仪器传感器测控实验平台由硬软件两部分组成,即下位机为传感器、信号调理电路以及USB数据采集卡,上位机为基于LabVIEW 2011开发的传感器测控平台。该实验平台的总体结构框图如图1所示。
下位机主要由热电阻、信号调理模块和USB数据采集卡组成,数据采集卡通过USB总线与上位机通信,通过上位机发送的指令进行相应信号的采集和数据上传。上位机传感器测控平台采用模块化设计,其由前面板和程序框图两部分组成。前面板主要是显示和设定功能,通过友好的人机交互界面进行试验参数设置和功能选择,并对下位机上传的数据进行实时显示、分析和处理,也可以通过选择控制算法和设置控制参数对输出量进行控制等操作。
2 实验平台硬件设计
2.1 热电阻传感器测温模块
热电阻温度传感器测温原理都是利用金属或半导体材料的电阻对温度敏感的特性,常用于-200℃~500℃范围内温度的测量和控制。本实验采用Pt100铂热电阻,在0~850℃以内,电阻Rt与温度t的关系为:Rt=R0(1+At+Bt2)(R0是温度为0℃时的铂热电阻的电阻值,A和B是实验常数,本实验中R0=100Ω;A=3.90802×10-3;B=-5.080195×10-7。)
将热电阻的测量温度转换成电信号一般采用直流电桥来实现,由于电桥输出的信号幅度较小,需要进行放大后再提供给后级使用,仪表放大器具有较高的输入阻抗以及精度,所以常用来对电桥输出电压进行放大。为使输出电压更适合数据采集卡电压输入范围,故将信号经过运算电路进行进一步放大,具体电路如图2所示。
2.2 USB多路数据采集卡简介
基于USB接口的数据采集卡与传统的PCI卡、ISA卡相比具有即插即用、热插拔、传输速度快等优点。USB7325光电隔离型模入数据采集卡适用于提供了USB接口的PC系列微机,其主要由多路模拟开关选通电路、高精度放大电路、模数转换电路、光电隔离及DC/DC电路、先进先出(FIFO)缓冲存储器电路、开关量输入输出电路、定时/计数器电路和接口控制逻辑电路、供电电路等部分组成。其主要性能特点有:
①16路独立A/D通道,16bit分辨率。
②输入信号范围:0~4V,0~5V,0~10V,±3V,±5V,±10V。
③A/D采样程控频率1k Hz、5k Hz、10k Hz、25k Hz、50k Hz、100k Hz、200k Hz、250k Hz。最高采集速率:250k Hz/S。
④16路TTL电平的数字量输入和16路数字量输出接口。
USB7325数据采集卡在硬件的安装上也非常简单,使用时只需将数据采集卡的USB接口插入计算机内任何一个USB接口插座中,其模入、I/O信号、脉冲输入及脉冲输出信号均由模块上的双排针插头与外部信号源及设备连接即可。
3 实验平台软件设计
热电阻传感器测控系统以Lab VIEW 2011为软件设计平台,该系统可以完成对数据采集卡采集的模拟信号进行分析、处理,并利用Lab VIEW强大的功能对数据进行实时监控、保存等操作,保证该系统具有良好的交互性。同时,可以根据实验需求加入适当的控制算法,对有关参量进行控制,观察温度控制效果。为了方便系统扩展和升级,将该平台主要分为四个模块:数据采集及显示模块、数据分析、处理模块、控制模块、数据存储和回放模块。系统可以通过对不同模块(即子VI)的调用实现不同的功能,其结构如图3所示[4]。
3.1 数据采集及显示模块设计
为了实现基于USB总线的多通道数据传输与处理,不仅需要上位机与下位机进行很好的配合,而且还需要拟定通信协议。下位机接收固定格式的数据包精确的计算出输入相应端口模拟量的值,并将结果上传。上位机根据上传的数据包拆分和计算出各个通道的数据。
数据采集及显示模块首先设置需采集的端口和数据类型,并将数据打包传给下位机,为了保证通信质量,上位机Lab VIEW程序中采用调用动态链接库的形式读取和输出数据[5]。如USB7k C.dll是为USB7000系列数据采集模块配制的一个AD初始化的动态链接库,如图4所示,它所封装的函数可以被其它应用程序在运行时直接调用。而Lab VIEW中正好可以采用调用库函数节点调用DLL链接库,但在使用时务必注意数据格式的匹配及函数的返回类型。其次将下位机上传的数据包进行分解,即按照数据包中每个设定好的标志位判断其上传的端口和传感器数据;再根据传感器的类型通过Lab VIEW中的条件结构对采集数据进行拟合和计算,并将得到的数据通过波形图表控件实时显示出来。
3.2 数据分析、处理模块设计
数据分析、处理模块主要是解决传感器使用中遇到的复位和归零不准确而导致的热电阻温度数据模数转换误差偏大等问题。
采用硬件校准往往需要更改电路,这将耗费较大工作量,而软件校准可以根据不同传感器编写不同的校准模块,将使得工作效率大大提升。首先对传感器的输出为零所对应的状态进行观测,如果出现不能归零的情况,那么就选择传感器校正模块,将其归零,这时的采样值为最小值。结合热电阻采样的电压值,根据电路之间的换算关系采用Lab VIEW中的公式节点列写转换方程,最终将电压值转换为相应的温度值,转换精度为1℃。并应用Lab VIEW I/O文件选板中的电子表格写入控件保存计算得到的新的参数值并完成校正。当调用“校正后传感器模块”时,系统会根据采样得到的电压值的范围,在电子表格中查找相关参数并读取,再结合公式节点计算校准后的准确输出值。
3.3 控制模块设计
控制模块主要实现控制方式的选择与计算以及控制量的输出等功能。以热电阻传感器的PID控制为例,首先设定目标温度和PID控制的KP、KI、KD的值,然后将采集到的数据和设定值进行比较,通过PID算法(算法通过Lab VIEW中的公式节点完成计算)得出控制量的输出值[6]。在本实验中,设定目标温度,将热电阻进行加热,启动PID算法后控制加热器的输入电压从而控制加热速率,当达到目标温度后停止加热,如果超过目标温度将启动风扇进行降温。通过反复测试,在本实验中取KP=0.2、KI=0、KD=0.5时,控制效果良好即加热速率较快、稳态误差小,热电阻加热温度曲线如图5所示。
3.4 数据存储和回放模块
在Lab VIEW中数据存储的方式有多种,可以保存为文本文件、二进制文件、Excel电子表格文件等。考虑到现在的硬盘空间都足够大,综合各种存储方式的优缺点,系统采用调用Lab VIEW I/O文件选板中的“电子表格写入控件”和“电子表格读取控件”来实现数据分析和处理后的数据存储与回放。每次采样完成后系统自动将数据保存到指定路径下的文件夹中,文件(电子表格)以采样时间命名。当选择波形回放模块时,系统就会根据输入的电子表格文件名(输入采样时间即可)查找所需文件,并通过电子表格读取模块对相同路径下的Excel表格进行调用并显示。
4 结束语
当前我国高等教育面临向应用型本科转型的重要阶段,即要培养技术型人才即从事产品开发、生产现场管理、经营决策等活动,将设计方案与图纸转化为产品,而要实现这个目标就要进行课程和教学模式、实践教育体系和教学管理机制等方面进行改革[7]。
基于USB总线的虚拟仪器传感器测控实验平台不仅可以用于传感器实验教学,还可以用于数据采集、数据分析和控制理论等综合学科的实验,同时也给学生建立了“系统”的概念,把自己所学的理论知识运用到生产实践中去。虚拟仪器图形化编程语言Lab VIEW产生的程序是框图的形式,易学易用,可在很短的时间内掌握并应用到实践中去,也极大地提高了学生的学习热情。实验效果证明该方法对高校实验、教科研的开展起到很好的促进作用,同时也为高校实验室的改造提供方向和借鉴作用。
参考文献
[1]何凤平.虚拟仪器Lab VIEW在高职院校电子信息教学平台中的应用[J].城市建设理论研究:电子版,2012(15):16-18.
[2]杨乐平,李海涛.虚拟仪器技术概论[M].北京:电子工业出版社,2003.
[3]陈志文,王玮.基于Pt100铂热电阻的温度变送器设计与实现[J].现代电子技术,2010(8):197-199.
[4]张宇,黄伟志,郝岩.基于Lab VIEW的多功能数据采集系统的设计与实现[J].自动控制仪表,2013,(8):24-26.
[5]车新生,何永杰,张中祥.基于USB和Lab VIEW的虚拟仪器的设计[J].沈阳工业大学学报,2005(4):432-435.
[6]龙脉工作室.Lab VIEW8.2中文版入门与典型实例[M].北京:人民邮电出版社,2008.
[7]齐平,朱家勇.应用型本科院校人才培养目标调整及其实现之策略[J].高教论坛,2010(6):51-53.
传感器虚拟实验设计 篇2
摘要：虚拟技术的发展使电子线路的分析设计过程得以在计算机上轻松、准确、快捷地完成。这样，一方面克服了实验室在元器件和规格上的限制，避免了损坏仪器等不利因素，另一方面使得实验不受时间及空间的限制，从而促进电子线路实验教学的现代化。
关键词： 电子线路EDA技术多媒体技术虚拟实验 1．电子线路虚拟实验概述
虚拟技术是近年发展起来的，利用计算机模仿真实过程的实用技术。电子线路虚拟实验是利用计算机构造一个实验模拟环境，通过电路的建立和对数据与电路功能的分析，达到实验效果和目的的一种新的实验方法。EDA技术是一种以计算机为基本工作平台，以高级语言描述、具有系统级仿真和综合能力的软件工具。软件有多种，其中Multisim软件是较常见的电子技术设计和实训的工具。通常工具软件的元器件库储存有许多大公司的晶体管、阻容元件、集成电路和数字门电路芯片等元器件，仪器库则有万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换等仪器，接通开关就可以进行和实物实验一样的测试分析了。但这类软件的缺点是元件均是以电路符号实现的,与实物试验差别很大.我们所完成的多媒体电子技术实验系统软件的突出优点是:元件及仪表均以实物形式重现,直观性强,可操作性高。
2．电子线路虚拟实验的实现 2.1实行虚拟实验的必要性
电子线路是一门较为抽象的理论型课程。在学习电路理论时必须理论联系实际，抓好教学中的实验环节，让学生能根据自己的实际情况，结合教师的教学要求进行实验操作，验证所学到的电路原理。但是，学生在实验中出现的种种现象又不尽人意，暴露了传统实物实验的一些固有缺陷。例如：
（1）学生不熟悉电路连接，还没有掌握好锡焊技术，所以连接电路时极易出错。
（2）电路连接错误，易造成电子元器件及测试仪器的损坏。学生不熟悉仪器操作也是造成仪器容易损坏的原因。
（3）学生不能根据自己的学习进度安排实验时间，更不能像做家庭作业一样在课余时间进行练习。有限的教学时数与学生技能的提高矛盾突出。
（4）实验的元器件离散性大，环境变化引起的温漂、干扰等因素会造成实验数据的偏差。（5）传统的电子技术实验是以实物为主的，设备易磨损老化，需要定期更新；教学实验室的设备配置与教学大纲的教学要求相对应，随着教学要求的提高及电子技术的飞速发展，实验设备的技术水平也不断提高，数量也要有所增加，这要消耗我们有限的教学经费。EDA技术恰好能够弥补实验的不足。它的优点是：
（1）在计算机上即可完成和实现电路的电气连接，检测电路的电性能。例如，显示检测点的电压电流波形及对电路进行直流分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析等多种分析，及时获得实验结果。
（2）评估元器件参数变化（包括故障）对电路造成的影响。分析一些较难测量的电路特性，如进行噪声（Noise）、频谱（Fourier）、器件灵敏度（Sensitivity）、温度特性（Temperature）分析等。
（3）可以在短暂的实验时间里快速完成较复杂的电路连接、测试工作。（4）可以很容易地实现对学生的量化评估。
2.2实验室的建构
作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌握仿真软件技术，可使实验内容紧密联系课本内容，比较全面地概括和反映部分所学的知识点，将课堂内容具体化。一方面继承实物
实验可操作性、参与性强的优点，另一方面又可利用计算机优势，发挥其直观、动态模拟、迅速准确、资源共享、资金投入量少等特点，从而建立一种新型的实验教学方式，进一步提高教学效率。系统配置是：一台多媒体计算机+多媒体电子技术实验系统应用软件。
3．虚拟实验示例
现以“单管基本电压放大器”为例，说明具体实验在虚拟实验室中是怎样开展的。实验中进行了一系列参数设置、波形观察和数据读取，以验证虚拟实验的可操作性。
首先计算机装上具有电子技术实验系统功能的软件，然后利用软件提供的元件和仪器在屏幕上搭建单管电压放大电路，如图1所示。
图1单管电压放大电路
图中信号发生器的输出信号频率为1kHz，幅度为VP-P=20mV的正弦波；万用表用于测量各点的工作电压；示波器用于测量各点的波形。
接通虚拟直流电源开关，调整电位器Rw，使电路处于最佳放大状态，示波器就显示出波形失真最小、输出信号幅度最大的反相放大波形；Rw调至阻值最大时，三级管接近截止，输出幅度较小的截止失真波形；调至阻值最小时，三级管接近饱和，输出饱和失真波形。图1中显示为三极管放大状态时示波器面板显示图。
通过一系列电路的测试和数据的读取分析与实物实验所得结果进行比较，得出基于EDA软件的电子线路虚拟实验能完整、准确、快速地达到所有电子线路课程的实验要求和实验目的的结论。
4虚拟实验在教学中的应用 4.1功能作用
a.辅助课堂教学
传统的电子线路教学往往是理论教学和实验部分分开进行。教师在教室内用粉笔、黑板传授抽象的理论知识，在黑板上画电路图，给学生分析电路特性，分析电路随着某一元件的
变化而变化的情况。教师讲得辛苦，却得不到理想的效果；学生听课吃力，往往不得要领，很难对有关理论留下深刻的印象。进行实验，其主要目的就是为了检验课堂上传授的理论知识，加深对理论的理解和记忆。但是我们很难将一个实验搬到课堂中来，倘若有虚拟实验室，便可以很方便地利用其在课堂上进行演示，让抽象的理论及时得到检验，给予学生感官上的认识，达到从感性认识到理性认识的有机过渡。
b.代表实物实验中理论的验证、电路分析和数据获取等部分的操作 辅助实验教学的开展，为学习者提供一个检验电子线路理论和知识的环境。充分利用计算机快速准确将繁琐的计算公式通过编制程序计算出结果，画出精确仿真图线，帮助学生理解和分析复杂的电路。学生可以独立使用自己计算机中构建的虚拟实验室，主动设疑、实验，不断地得到实验结果；并且可以修改参数，在不必担心损坏仪器的情况下，迅速进行实验仿真，检验自己对所学知识的掌握情况，这对提高学生的学习积极性，提高教学水平是有益处的。
c.便于学生发挥创造性思维
教育的目的在于提高学生的分析能力、判断能力及创新能力，提高学生的综合素质。我们知道用实物设计制作复杂一点的电路，单是搭建时准备零件、制作电路板、焊接就要花费不少功夫；接好电路后，为了使电路处于满意的工作状态，不断地更换零件、调整参数也是十分费时费工的。学生要运用自己学到的知识设计制作新颖的电路是一件很困难的事。现在，虚拟实验室给学生创造一个优良环境，学生可以充分发挥他们的智慧，展现他们的才华。
d.完善电子线路的远程教学 实验虚拟化，把实验室搬到了网络，对于电子线路这门操作性很强的课程来说，更加完善了电子线路的远程教学。
4.2运用基础
与传统实验一样，实验仿真软件在设置实验时，首先明确该实验要解决什么问题。这就要求教学人员不仅要对课程内容和教学任务做系统深入的研究，认识该学科的特点，划分知识点，尤其是重点、难点，而且还要充分考虑学生的学习特点，在此基础上确定实验内容，编写实验指导书，让学生在具备电子线路基本知识的基础上开展虚拟实验。
4.3工作流程
在虚拟实验室中做实验的基本流程程序结构（如图2所示）。
图2实验基本流程方框图
因为我们的教学主要是理论传授，不需要去开发和设计电路，所以上述的实验流程并不包括电路设计开发部分。但是EDA软件在极大地满足我们的实验要求的基础上，还有非凡的应用潜力，这无疑是个广阔的天地。
在计算机辅助教学实践中，学生上机普遍存在两个问题：一是面对众多的计算机，教师难以准确、全面地掌握学生练习的实际情况，及时进行个别辅导；二是难以做到上机时学生之间、师生之间进行情况交流，使上机操作变成学生自己的活动，影响教学。因此就要求建立一种虚拟试验的教学模式，使教学信息交流双向化。
4.4虚拟实验室课堂的教学模式
由于虚拟实验室加入了教学的环节，打破了传统教学的流程，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3所示）：
图3a实物实验教学模式方框图图
图3b虚拟实验教学模式方框图
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；理工科的学生关于电子实物制作一般都已有所接触，所以第一、二种教学模式他们都能较好地接受。教师可根据教学和实验效果适当变更。
5建立虚拟实验室，推广电子线路远程教学
在信息社会中，知识的更新速度很快，各学科间的相互交叉渗透更为普遍，一次性的学校学习将不能满足信息社会对人才的需求。这就使得各层次的教育必须面向社会，以服务于不同需求的社会人群。这个教学任务是传统的教学手段所不能胜任的。Internet的飞速发展和普及，使这一教学任务的实现成为可能。
教学软件与Internet接轨才能在人们广泛的继续教育、培训教育乃至终身教育中显示其优势性能，充分发挥重要作用。本软件就是让电子线路实验教学与Internet接轨的良好工具。使用本技术的虚拟实验室可以有效地配合网上电子线路理论教学，原有的电子线路CAI加上虚拟实验将使网络教学更加完善，便于推广电子线路教学的远程化。
用传感器改进传统实验的教学设计 篇3
关键词：传感器、生物实验
中图分类号：G633.7
随着科技的进步，传感器和计算机组成数字化实验系统成为实验教学的新方法、新手段。目前教材中的实验设计仍是传统的方法，但作为教师要不断断探索和运用新的方法。
二氧化碳传感器是利用二氧化碳在红外线具有的特殊特征，检测二氧化碳对红外线吸收情况，就可以确定二氧化碳气体的浓度。 它在塑料大棚栽培作物生产中有广泛的应用。
案例一：植物呼吸作用产生二氧化碳
生物教材中“植物呼吸作用产生二氧化碳”的实验设计思路是采用比较法，比较烫过的蔬菜与新鲜蔬菜的呼吸情况，烫过的蔬菜不能呼吸，新鲜蔬菜能呼吸，蔬菜呼吸产生二氧化碳，检验的方法是用澄清的石灰水变浑浊这个方法，这是一个定性的方法。如果采用传感器就能将定性推向定量，当然初中课程标准并没有定量的教学要求。
在传统的“植物呼吸作用产生二氧化碳”实验中，常用的操作的方法是：先对学生分组，提前一天，将新鲜的和用沸水烫2—3分钟的同一种蔬菜各100克，分别放入两个不漏气的黑色塑料袋中，插入软管后适当扎紧袋口，软管用止水夹夹紧，实验时，每组随机取一袋蔬菜，将软管插入澄清石灰水中，松开止水夹，轻轻挤压塑料袋，观察石灰水的清浊有无变化，由此来推测袋中装的蔬菜是新鲜的还是烫过的，再打开塑料袋验证自己的推测是否正确。
存在问题：操作时间长，操作过程比较繁琐。
利用传感器改进：实验原理是利用二氧化碳在红外线具有的特殊特征，检测二氧化碳对红外线吸收情况，就可以确定二氧化碳气体的浓度。操作步骤：通过传感器实时采集气液相密封实验器内二氧化碳的濃度，学生能直观地看到植物的呼吸作用消耗氧气，产生二氧化碳，有利于学生对植物呼吸作用实质的理解。利用数字化信息技术—“传感器”进行实验教学的研究，把平时受干扰因素较多的实验通过快速、高效的采集数据进行比较，通过计算机显示各组数据，有利于激发学生的好奇心和学习兴趣，培养学生运用知识的能力。
实验步骤：
1、按照实验装置图搭建好实验装置。
2、向密封实验器内放入适当的盆栽植物，将二氧化碳传感器、氧气传感器与采集器相连，采集器与电脑相连。
3、将二氧化碳传感器和氧气传感器的探头通过橡胶塞与密封盖连接完毕，盖上密封盖，调节探头高度。
4、打开实验系统软件，选择“教材通用软件”，点击传感谢器材图标，进入实验平台，在单坐标系上建立“二氧化碳--时间”坐标关系，设置采集时间“10min”，采集间隔“100ms”。
5、观察、分析二氧化碳传感器采集的数据。
改进后的优点：
1、实验现象直观明了，实验结论学生思考后能直接得出。
2、实验材料如盆栽植物等能重复使用。
3、实验的成功率高，有利于学生对实验数据进行分析。
案例二：呼吸过程中二氧化碳含量的变化
生物教材中“呼吸过程中二氧化碳含量的变化”实验，实验操作的方法利用吸管向澄清的石灰水中吹气，石灰水变浑浊。
存在问题：如何比较人呼吸时吸入的气体和呼出的气体相比，二氧化碳的含量的变化，只能作出定性判断。
利用传感器改进：通过传感器实时采集密封实验器内二氧化碳的浓度，学生能直观地看到呼吸作用消耗氧气，产生二氧化碳，有利于学生对呼吸作用实质的理解。具体的操作与前一个实验植物呼吸实验类似。
改进后的优点：有利于学生直观、快速地了解实验结果。用数据和图象来说明实验结果，比定性的澄清的石灰水变混浊了要更有说服力。
参考文献：
[1]汪忠.生物学.江苏凤凰教育出版社.2014. （七上）
[2] ]汪忠.生物学.江苏凤凰教育出版社.2014. （七下）
传感器虚拟实验设计 篇4
随着计算机技术在工业制造、自动化控制等各个领域中被大量应用。社会上对于具备机电、自动控制、电子等专业知识, 又有比较高的计算机应用能力的综合素质人才的需求非常旺盛。而高校毕业生中只有少数具有这种综合素质, 形成这种现状的主要原因是, 在现有的教学内容和方法中, 许多机械或电子类专业的学生往往只注重本专业知识的学习, 而轻视计算机技术的学习。许多计算机专业的学生却只重视计算机知识和技术的学习, 而忽视对机械、自动控制、电子等知识的学习。
同时, 在教学过程中, 许多学生过于重视理论学习, 轻视实践环节, 学生普遍缺乏工程实践经验。因此, 有必要加强实验教学环节和内容的创新, 培养出更多具有比较强的计算机应用能力的机械、自动化、电子等专业的综合素质人才。改革实验教学模式, 实行开放式实验教学, 引入实际项目开发作为实验内容, 是一种创新性的教学改革。本文详细介绍了一种传感器数据检测系统的开放式实验。
1 项目来源
为提高学生的科研与工程实践能力, 本开放式实验项目直接来源于企业需求, 主要根据企业的生产需求开发一种角度传感器的检测设备。
角度传感器广泛应用于摩托车、汽车等工业机械领域, 由于应用时的精度要求比较高, 所以生产企业必须对其产品进行质量检测。目前, 从国外进口检测设备价格非常昂贵, 且功能是固化的, 不能随着企业的生产需求而改变, 导致检测效率不高。因此, 应用虚拟仪器技术, 开发了一套基于微型计算机的角度传感器检测系统。虚拟仪器利用计算机显示器来模拟传统仪器控制面板, 仪器的各种控制功能均由计算机软件来实现, 减少了大量仪器硬件的制作, 使得检测系统更开放、更灵活[1]。
2 实施步骤
首先, 将学生按三到五人一组分成若干实验项目开发小组。在开展本实验系统设计之前, 要求学生学习相关预备知识:具备必要的程序设计基础知识, 包括流程图的绘制、基本的语法、文件操作、数据库设计和绘图等;掌握常用的API函数声明及调用方法, 掌握数据采集卡的接口函数调用方法;了解角度传感器的电器特性及实验平台的接线方法 (相关资料由教师提供) ;掌握步进电机的驱动原理。
接着, 经过小组讨论后编写需求分析报告, 主要内容包含:以步进电机作为驱动装置搭建检测平台, 以数值和图形两种形式显示检测数据, 根据检测数据判断角度传感器是否合格。
再按照模块化的要求编写详细项目设计报告。搭建硬件平台、编写和调试程序, 分析实验结果。
最后, 编写项目总结报告, 分析项目开发中碰到的问题及解决方法。
3 系统硬件组成及工作原理
实验硬件系统主要由教师来设计, 本系统硬件结构及组成如图1所示。上位机控制数据采集卡, 由数据采集卡发出驱动信号控制步进电机的运动方向及角位移量, 从而实现对角度传感器进行精确的角位移控制, 同时用数据采集卡采集输出电压, 然后由微型计算机进行数据的分析和计算, 并根据检测人员设置的公差参数进行产品是否合格的自动判断。如果角度传感器不合格, 则计算机发出警报;如果合格, 则不做任何操作, 继续检测下一个产品。
3.1 角度传感器电器特性
本系统检测的角度传感器的输入电压为+5V, 输出直流电压:0-+5V, 理论上输出具有线性特性。角度传感器的角位移范围为:0°-120°, 角度传感器逆时针旋转时对应理论输出电压变化范围为:0.5 V-5.0 V, 角度传感器顺时针旋转时对应理论输出电压变化范围为:5 V-0.5 V。公差一般设置为两段, 当对应角位移为0°-15°时, 公差为±0.05V, 对应角位移为15°-90°时, 公差为±0.10V。
此种角度传感器的角位移θ与理论输出电压u具有线性关系, 如式 (1) 所示。其中a为理论输出电压曲线斜率, u0为理论输出的起点电压。
u=aθ+u0 (1)
3.2 步进电机及细分驱动器
步进电机又称脉冲电机, 它利用电脉冲信号进行控制, 将电脉冲信号转变为角位移或线位移。在非超载的情况下, 电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数, 而不受负载变化的影响。给电机加一个脉冲信号, 电机则转过一个步距角, 步进电机可在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率实现调速。通过控制脉冲个数来控制角位移量, 从而实现精确定位[2]。
本系统选用42BYG二相感应子式步进电机, 步距角:1.8°。实际检测中, 要提高检测精度, 可以采用减小步距角的方法, 也就是提高单位角度内的采样点数。一般可选用细分驱动器来控制步进电机。步进电机细分驱动器可以把一整步细分为若干步, 并减弱机械振荡, 提高步进电机的运行精度。有的细分驱动器与TTL电平兼容, 可直接与数据采集卡或单片机连接。
3.3 数据采集卡
数据采集卡可以将外界的模拟信号或数字信号输入到计算机中, 同时可提供模拟输出控制和数字输出控制等功能[4]。
本系统选用阿尔泰PCI2300数据采集卡。PCI2300卡是一种基于PCI总线的数据采集卡, 可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中。 PCI2300板上装有12 Bit分辨率的A/D转换器, A/D转换器输入信号范围可设置为0-+10V[3]。
阿尔泰PCI2300数据采集卡提供16路开关量输出, 因此, 可利用计算机控制数据采集卡的开关量输出来产生脉冲信号, 将脉冲信号输入步进电机细分驱动器, 从而实现对步进电机的精确控制。在步进电机带动角度传感器旋转一个角度后, 由数据采集卡的模拟信号输入端测量角度传感器输出电压, 并将角位移和相应电压值读入到计算机中进行分析处理。
3.4 微型计算机
微型计算机是本虚拟检测系统的核心, 在检测系统中可以选单片机、单板机、工业用计算机、个人计算机 (PC) 等。本系统主要用于角度传感器生产厂家的产品检测, 需要采集大量的检测数据, 并随时可以根据数据绘出曲线图、分析角度传感器的电器特性, 同时, 为了降低实验成本, 选用实验室已有的PC机来实现数据的采集和处理。
4 软件系统设计
本开放实验的关键内容是软件的设计开发, 因此, 软件设计是本系统开发的重点。一般可以选择任意一种传统的软件开发工具或者专用于虚拟仪器开发的图形化工具LabVIEW[5], 为了强化学生的计算机程序设计能力, 本系统可选用Visual Basic或Visual C++等图形化开发工具进行软件系统的设计开发。
整个软件系统遵循模块化设计思想, 可分为五大模块, 如图2所示。
4.1 步进电机驱动及数据采集模块
精确的驱动角度传感器以及高精度的采集输出电压是实现检测系统的关键环节, 也是系统设计的难点。
根据实际需求, 角度传感器的检测范围为逆时针0°-105°及顺时针105°-0°, 所以, 需要控制步进电机正反双向旋转。若在驱动器上的方向控制端输入低电平, 则步进电机逆时针方向转动, 若在驱动器上的方向控制端输入高电平, 则步进电机顺时针方向转动。可以用数据采集卡的开关量DO0端输出电压来控制步进电机转动方向, 低电平为逆时针方向, 高电平为顺时针方向。调用PCI2300_SetDeviceDO函数设置数据采集卡DO0端的输出电平, 为此, 在窗体上添加一个CheckBox控件, 用来控制步进电机的转动方向。其具体的VB程序代码如下:
当步进电机横轴带动角度传感器转动一个角度后, 经过一定的延时, 立即采集角度传感器的输出电压, 步进电机驱动和数据采集程序主要代码如下:
4.2 数据分析
分析计算检测数据, 并判断角度传感器是否合格, 是本系统要解决的主要问题。根据理论输出电压u与角位移θ满足的线性关系, 若已测得任意角位移θ对应的输出电压为u, 可由式 (1) 计算出对应的理论输出电压, 记为u1, 假设用e表示允许的最大误差绝对值, 若所有的检测点都满足条件: (u1 – e) < u< ( u1 + e) , 则该角度传感器合格;若有一个以上的检测点不满足以上条件, 则该角度传感器不合格。
4.3 数据保存
作为产品质量检测系统, 需要随时可以查看以前的检测数据。为了便于管理和实施, 本实验系统采用Access建立一个小型的数据库, 并利用ADO技术访问数据库。由于每个角度传感器的检测数据比较多 (一般100多个以上) , 所以将每个数据用特定的字符连接成字符串保存到一个字段中。在读取的时候只要用同一字符分割就可以获得各个角度的数据, 这样就大量减少了一条记录中的字段数, 便于数据的保存和处理。
4.4 参数设置
在实际应用中, 由于需要根据实际情况修改系统的多种参数, 所以设计了参数设置模块。例如, 把步进电机的步距角的细分值调大, 角度传感器每次的角位移就增大, 这样检测的数据点就会减少, 检测所需的时间也相应减少。一般, 可将参数值保存在一个文本文件中, 这样, 就可以在程序初始化时从这个文件中读入所有的参数值。
5 结 论
通过实验中获得的大量检测数据证明, 本系统操作简单, 运行稳定, 具有高效率、高精度的特点, 可在角度传感器的产品检测及应用领域内推广使用。作为开放实验系统, 对于提高学生的科研创新能力、计算机应用能力有显著的作用。
参考文献
[1]祝诗平.传感器与检测技术[M].北京:北京大学出版社, 2006:268-270.
[2]刘兴辉, 毕国玲.步进电机的单片机控制系统研制[J].辽宁大学学报, 2007, 34 (4) :320-321.
[3]北京阿尔泰科贸有限公司.PCI2300数据采集卡使用说明书[M/CD].http://www.art-control.com, 2007.
[4]杨乐平, 李海涛, 等.虚拟仪器技术概论[M].电子工业出版社, 2003.
一站式虚拟实验平台的设计与建设 篇5
摘 要：本文提出一站式虚拟实验平台设计与建设方案，利用现代信息技术搭建一个集教、学、考于一体的一站式虚拟实验平台，为开放性实验教学和优质教学资源的建设提供平台。该平台具有教学过程和教学资源的“整合性”与“共建共享性”等特点。实践证明，该实验平台能整合职业院校多种专业的实验“教”与“学”资源，为学生多样化的技能训练提供较全面的一体化实践平台，同时提高了优质信息化资源的覆盖率和利用率。
关键词：教育信息化；共建共享；虚拟实验平台
中图分类号：TP311.56 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2016）07-0074-04
一、引言
与普通教育不同，职业教育以就业为导向，具有专业性、实践性、应用性、操作性、技能性等特点[1]。其中，技能教育是职业教育的核心。而当前的职业教育中，存在以下的问题：
（1）实验实训设备昂贵，数量有限，损耗比较严重并且型号落后，更新换代难以跟上科技发展的步伐。而社会对技能型人才的需求使得职业院校不断扩招。这就造成了有限的实验资源与大规模学生的教学需求之间的矛盾。
（2）教学过程中涉及高危或极端环境的技能操作，如核电站、矿井采煤等专业操作，涉及不可及或不可逆条件下的操作，如心脏搭桥手术，煤制乙炔工艺，以及一些高成本、高消耗、大型综合操作训练，如船舶建造、飞机发动机的装配等缺乏有效的实训资源，无法经常开展实训。
（3）受课程内容影响，配套的实验实训或“片段式”的企业案例使学生只注重专项技能训练，忽略了对行业整体技能的培训。“只顾埋头拉车，不会抬头看路”导致学生缺乏行业性思维，就业灵活性和适应性大大降低。另外，目前的教学资源存在着分散和不连贯的现象和缺乏信息化和体系化的建设，导致其不能形成一个有机整体，甚至某些优秀教学资源没能传承下去和被持续地应用。
（4）现有的实验实训无法及时跟踪、反馈学生的实践结果，加上评价体系单一，缺乏让学生不断修正、提高和完善的阶段性建议和步骤。
以上原因造成学生缺乏兴趣，积极性不高，动手实践能力差等问题，与职业教育提高学生职业技能，培养学生职业素养的初衷不一致[2]。
二、一站式虚拟实验平台的设计方案
通过信息技术与教育过程、内容、方法和质量评价深度融合，提高实习实训、项目教学、案例分析、职业竞赛和技能鉴定的水平，吸引行业企业参与专业教学，从而全面提高各专业学生新时代的职业能力和信息素养。《教育部关于加快推动职业教育信息化发展的意见》（职教成[2012]5号）中明确提出了“十二五”时期职业教育信息化建设的基本思路和总体目标：“以科学发展观为指导，坚持以人为本，需求导向，创新引领，共建共享，突出特色，加快推进职业教育信息化发展。”
然而很多职业院校信息化的建设，仅仅停留在应用多媒体课件展示教学内容上，没有体现出信息技术与课程整合的实质性内涵。根据前面引言提出的职业教育存在的问题来看：解决问题（1）需要建设一个开放性的实验平台；解决问题（2）需要借助虚拟仿真技术弥补实物实训的不足；解决问题（3）必须使该实验平台具备良好的共建共享性；解决问题（4）必须使该平台具有完整性，即良好的整合性。综上几点，利用现代信息技术搭建一个集教、学、考于一体的一站式虚拟实验教学平台，实现职业教育与信息技术真正深度融合，能为解决当前职业教育面临的问题提供新途径。
一站式虚拟实验教学平台对学生而言，联通了课堂、实训基地和社会岗位，为学生创造一种能够随时随地在做中学、例中学，及时得到反馈和指导的“空中课堂”[4][5]如图1所示，有效地解决了职业教育实训难、实习难的问题。
一站式虚拟实验教学平台对于教师而言，整合了课程建设、教学资源、评价模式，形成一个一体化的教学体系如图2所示，实现信息技术与现有教学内容和知识点完整配套，便于随时更新和异地共享，为加快推进职业教育资源开发和共享，缩小校际和区域资源配置差距，提供了新的可能。
三、一站式虚拟实验平台的组成
一站式虚拟实验平台由实验管理系统、实验教学系统、自主学习系统和自动化考核系统组成，如图3所示。
1.实验管理系统
实验管理系统包含通知系统、用户管理、用户组管理、角色管理、权限管理等，负责对各种实验资源、实验资讯、用户信息等进行统筹管理，提高实验管理运作的科学化、智能化，并加快系统化建设进程。
2.实验教学系统
实验教学系统提供开放实验环境下的资源共建共享、实验教学、作业管理以及实验教学评价，为提高实验教学效率和效果提供支持。
资源共享共建模块提供可用性高、易获取、优质丰富的实验教学案例资源及题库，对课件、精品课程、微课程、企业的真实案例等进行分门别类的标注，方便检索。同时这些资源是开放和共享的，支持自主扩展，能够逐渐形成一个完整的学科资源库。
实验教学模块通过虚拟现实技术和网络技术创建高交互的实验教学环境，并进行实验过程跟踪与针对性指导。同时也包括实验任务的发布、回收与评价以及作业的收发与批改，优秀案例作业的展示与分享[6]。实验教学过程如图4所示。
3.自主学习系统
自主学习系统中有登录模块、知识呈现模块、资源集成模块、学习工具模块、在线测试与在线作业模块、实时自由讨论区和专题讨论区模块、学习过程记录、查询模块。自主学习系统提供丰富的实验案例和具有高度交互功能的虚拟实验环境供学生进行实验实训，并全程跟踪操作过程，实时诊断与评价操作技能及结果，指出错误的原因，并提出学习建议和操作示范，实现真正的一对一教学实验指导。
学生可以随时随地登录到该学习系统进行某门专业课程的学习，过程是：学生登录自主学习系统，在知识呈现模块获取学习任务后进行相关知识的学习，可以通过资源集成模块提供的专业教学实验案例、真实环境下的操作演示视频等各种资源进行例中学，遇到不懂的问题可以在讨论区进行咨询，同时使用学习工具在虚拟实验环境中进行反复的交互性操作，实现做中学，而学习过程记录模块已在学生登录自主学习系统时开始进行学习轨迹跟踪，查询模块提供学习进度、策略方面的支持。学生无论进行在线学习还是完成作业或测试，高度交互的虚拟操作系统都会实时反馈与评价，给出针对性的提示信息和操作演示，直至该学生最终掌握正确的操作技能和方法。最后系统还会对本次自主学习进行总结分析，给出进一步学习的建议，指明继续努力的方向[7]。自主学习过程如图5所示。
4.自动化考核系统
建立以技能自动化测评为中心的多元化评价体系，通过科学化评价机制，采用多样化的评价方式[8]，最终实现按照不同情况的需要，实现作业评价、实验过程的跟踪评价、认证评价和课堂总结性评价。
自动化考核系统提供真实环境下的技能训练和考核，全面地考察操作者实际操作能力和解决实际问题的能力，学生可以在该系统下进行各类认证考核的模拟练习。系统提供自定义测试卷组，学生可以由答题库随机出卷，也可以自由组合客观题与操作技能题目，考核系统都将进行操作技能的自动化评测，为学生提供一个有效的指导。
四、一站式虚拟实验平台的特点
1.整合性
集教、学、考于一体的一站式虚拟实验教学平台使学生获得“教学练评”的一体化技能训练，即学生在生动逼真的虚拟环境中体验并训练技能，并随时与实验对象、学习资源、教师、同学等进行交互反馈，得到实时评价，锻炼和培养真实的职业行为[5]。
该平台整合了校内不同专业的虚拟实验实训，一方面为学生进行本专业和跨专业技能培训和自主探究式学习提供开放的、综合性的虚拟实验环境，同时也为教师进行交叉学科实验建设和多工种技能鉴定提供平台。
2.可扩展性
为随时增加不同的专业训练项目、实验场景和其他功能模块预留可更新和扩展的数据接口、功能接口，使平台应用可持续更新[9]。
3.共建共享性
平台具备教学资源上传、试题添加、优秀作业成果展示等功能，这些资源可以逐级推荐和审核，实现优秀教学资源的共建共享。该平台可以使教师持续有效地开展优质职业教育资源体系化建设。教师一方面可以把已有的信息化教学资源和成果进行共建共享；另一方面随着实验平台不断应用产生的新经验成果及资源，教师可以进行二次整理和进一步的开发和实时更新，提高实验教学的效率和质量。
五、一站式虚拟实验平台的建设实践
为了更好地管理校内的实验实训资源，提高优质实验教学资源的利用率，促进职业教育与信息技术的深度融合，工业中心开展智能管理系统二期工程项目建设，一站式虚拟实验平台是其中一个重要组成部分。该项目获广东省2015年“创新强校工程”项目资助。该平台整合了校内原有的电子工程、自动控制、物流管理、数字传媒、机械加工五个专业类别的22个虚拟仿真实验实训项目，如中央空调远程控制、高电压控制、虚拟数控铣削加工、教育电声系统、虚拟演播、非隔离型AC-DC变换器、物流三维模拟仿真、交互式虚拟装配等，并在此基础上进行进一步的扩充和建设。
学生可以在此开放性的平台进行自主学习与技能训练，获得实时评价，提高操作能力。某些专业还可以进行认证考核模拟练习，例如“CZK数控加工仿真训练与智能化考核系统”开展面向实际生产过程的机床仿真加工训练；如“电气故障信息化考核系统”中的“制冷设备电气故障检测智能考核系统”提供了四种不同的制冷设备控制电路：（1）变频空调控制电路、（2）热泵式分体空调控制电路、（3）中央空调控制电路、（4）冷库控制电路供学生进行仿真训练。这四种电路均由信息化系统以智能化方式设置各种故障点：变频空调设置了28个故障点、热泵式空调设置了24个、中央空调设置了30个、冷库24个，以满足不同等级的技术培训与考核使用。另外，考核系统中的试题库含有两类试题：一类是针对制冷设备控制电路板设置的培训应会试题库；另一类是根据国家劳动部有关制冷设备相应职业技能等级的应知考试题库；再如“中央空调信息化智能考核系统”，学生可以远程进入中央空调的虚拟仿真界面，如图6，图7所示，进行中央空调和冷库的正确开关机顺序、延时时间长短控制、运行状态实时监控和故障排除等仿真操作和模拟考核[7]。仿真界面上显示的各种动态变化的数值来源于可编程控制器PLC上的对应变量链接，通过传感器采集空调运行的各种实时数据获得。
该平台计划提供面向广东省支柱产业：数控、电子、电工、软件、汽车、金融等专业技术考核60多个方向的项目实验实训，28个工种的职业技能鉴定，向其他职业院校开放，形成辐射作用，扩大优质信息化资源覆盖面。同时各专业的教师可对平台内的实验实训资源共同进行建设与开发，保证优质的教学资源得到持续性的更新和共享，为我校“面向职教、服务职教、引领职教、特色发展”的办学思想提供支持。
六、结束语
本文提出一站式虚拟实验平台的设计思想，在建设与应用的实践中，该平台的“整合性”与“共建共享性”为职业院校师生的教与学提供了极大的便利。该实验平台的建设与投入使用为职业院校提供了一个清晰的体系化数字教育教学资源库，便于各专业教师进行综合统筹，对相关领域各种资源进行分批逐次的信息化建设，有利于职业院校的学生充分利用校内外的实验实训资源进行技能培训，拓宽职业视野。在国家号召加快发展现代职业教育的今天，通过一站式虚拟实验平台整合职业教育已有信息化成果和师资力量进行新旧资源的共建共享，有利于扩大优质资源的覆盖面和受众，使职业教育信息化实现与时俱进，得到持续性的发展并跨上新的台阶，为培养学生新时代的职业能力和信息素养开拓新的途径。
参考文献：
[1]任剑岚. 职业教育与信息技术的深度融合[J].教育与职业，2015，1（2）：43-44.
[2]李玉梅，李茜.基于虚拟现实技术的高职生自主学习能力培养探讨[J].大众科技， 2014，10（16）：142-144.
[3]张静，肖明. 开放式虚实结合的实验教学模式的研究与探索[J].中国电力教育， 2014，12（36）：176-178.
[4]刘阳，蔡保松.中国TOP大学继续教育发展：成就与挑战[J].继续教育，2015（2）：11-13.
[5]胡航，詹青龙.基于虚拟现实技术的职业教育一体化教学：内涵、功能与设计[J].继续教育， 2014 ，4（13）：163-166.
[6]谌素华，王维民，黄和等.实验项目开放式实验教学探索与实践[J].实验室研究与探索， 2009，2（28）：142-144.
[7]张进.网上虚拟教学学习资源中心的建设[J].电化教育研究，2005，4（12）：77-80.
[8]刘乔寿，黄沛昱.电子信息类开放实验教学模式[J].实验室研究与探索， 2013，32（7）：157-201.
[9]陈华竣，赵士斌.开放式虚拟训练实训室的设计与建设[J].实验室研究与探索， 2012，8（31）：158-161.
传感器虚拟实验设计 篇6
本系统采用了某公司生产的E系列DAQ卡中性价比较高的PCI—6024E高性能数据采集卡。
PCI—6024E型数据采集卡是该公司E系列数据采集卡中目前使用比较多的一种,能够完成信号采集(A/D)、模拟输出(D/A)以及定时/计数等功能,其主要参数是:
总线:PCI;模拟输入:16SE,8DI;采样率(S/s):200K;模入精度(位):12;输入范围(V):±10,±5;输入增益:0.5,1,10,100;模拟输出:2;模出精度(位):16;数字I/O:8;计数/定时:2(24位),其中,SE-单端,DI-差分。
2 传感器的选型及校准
2.1 传感器的选型
压力传感器采用上海某自动化仪器仪表有限公司的NS—WL1型压阻式拉压称重传感器,该传感器采用悬臂剪切结构,具有测量精度高、稳定性好、安装容易、工艺成熟、使用方便等特点。其主要技术指标如下:
额定载荷:500kg;供电电压:0—12V;额定输出:0—5V;精确度:0.05%;非线性≤±0.02;滞后:≤±0.02;零点输出:<±1;;重复性:≤±0.021;允许过载:150
2.2 压力传感器校准机构的设计
对于测量以位移或压力为基本量的传感器,一般希望有大的线性范围,即希望测量仪表的输出量和输入量之间在大范围内具有线性关系(仪表的刻度方程是线性方程),以保证仪表在整个测量范围内灵敏度相同,有利于读数和分析,也便于处理测量结果。实际上,在非电量测量中,利用各类传感器把许多物理量转换成电量时,大多数传感器的输出电量与被测物理量之间的关系不是线性关系,且常受各种环境参数影响,存在多种误差因素。这些误差因素通常同时存在,相互关联。为了保证测量仪表的输出与输入之间具有线性关系,除了对传感器本身在设计和工艺上采取一定措施之外,还必须对输入参量的非线性进行补偿,或称线性化处理,同时对各种误差进行补偿,这两方面的结合即是传感器的校准。
压力传感器的校准基于GB5604—85(负荷传感器实验方法),校准硬件采用杠杆式标准测力机(如图3-4所示)。这种机构通过杠杆3把4处的载荷按比例放大后对2处的压力传感器加载。其计量学性能主要取决于杠杆的构造和组合情况,刀刃和刀承的构造以及加工安装质量等。我国现有60KN,300KN,1MN等规格。
根据以上所述的校准方法,按照国标的要求,在本机构中,将压力传感器放在图1所示2的位置,取其最大量程的十分之一载荷装载卸载,进行校准。
1、支架2、传感器3、杠杆4、砝码
2.3 压力传感器数据采集系统的设计[1,2]
本试验采用NI公司生产的数据采集卡6024E作为数据采集设备,通过Lab VIEW 6.0可视化图形编程软件进行数据采集及显示。
通过Lab VIEW对位移传感器数据进行采集和显示的程序框图如图2所示:采集前首先对数据采集卡进行初始化设置,包括设备号、通道、采样率等。采集的数据经过信号调理后随时保存到磁盘中,当每次改变位移传感器活动杆的长度时,记下校准程序前面板电压值一栏的数据。
将传感器安装在校准机构上后,用数据采集卡的一个模拟输入口采集传感器的信号。其程序如图2所示,采集前首先对数据采集卡进行初始化设置,包括设备号、通道、采样率等。采集的数据经过信号调理后随时保存到磁盘中,当每次对压力传感器加载或改变位移传感器活动杆的长度时,记下校准程序前面板,如图3所示,电压值一栏的数据。最后用相关的软件对标定结果进行处理,最后得出其校准方程。
2.4 信号调理电路设计[3,4]
由于数据采集现场环境的复杂性,各种干扰可能对数据的采集造成非常大的干扰,同时,示功特性试验采集数据的频率很低,减少高频信号对采集数据的影响,需加入低通滤波处理。巴特沃兹滤波处理和切贝雪夫滤波处理是不错的选择,巴特沃兹滤波从幅频特性提出逼近要求,不考虑相频特性,具有最大平坦幅度特性,其幅频响应表达式为:
切贝雪夫滤波也是从幅频特性方面提出逼近要求,其幅频响表达式为:
公式2与3中:
ω:滤波器频率ωn:截止频率θ:通带波纹系数Tn:切比雪夫多项式
切贝雪夫滤波与巴特沃兹滤波处理相比较,虽然在通带内有起伏,但对同样的n值在进入阻带以后衰减更陡峭,更接近理想情况,因此,更宜选择切贝雪夫低通滤波处理。
由于通过切贝雪夫低通滤波处理的的数据存在一定的起伏,同时为了减少计算机屏幕绘图时的数据量,需对处理后的数据进行中值滤波。采集的数据经过低通滤波和中值处理后,最终得到压力与位移数据数组Y[i]和W[i],分别为:
其中:
其中:
n=数据采集过程中一次处理所取得的样本书。
r=取得一个样本需处理的x数据的个数,即为数据处理的阶数。
最后根据数组Y[i]和W[i]一一对应的关系,在计算机屏幕上汇出其X-Y关系曲线,最终结果如图4所示。
3 校准结果[5]
校准过程中,分3次获取进回程数据,校准过程遵循GB5604-85负荷传感器实验方法。具体校准数据详见表1,通过MATHEMATICA5.0软件,得到校准方程为:
其中:y:压力传感器输出三次的总平均电压(V)
x:磅秤示值(Kg)
方程的线性度R达到0.99,表明压力传感器输出电压与磅秤示值呈线性关系。
根据校准方程,得到的压力传感器校准曲线如图4所示,
4 结论
根据测试实验数据,结果表明:
1)所设计的压阻式压力传感器校准装置能精确可靠的得到传感器的压力-电压回归方程。
2)线形度检定结果表明,该校准装置所校准的传感器线性度与其出厂线性度几乎吻合,仅因所在地不同而存在些许差别。
3)利用Lab VIEW编写的数据采集与显示程序可以快速方便的采集到传感器数据。
摘要：本文介绍了一种能精确可靠的校准压阻式压力传感器的校准装置,该装置软件部分基于LabVIEW设计,硬件为杠杆式压力传感器校准机构。经过反复实验,证明该校准装置精度高,性能稳定,符合中华人们共和国机械行业标准GB5604-85。
关键词：压阻式压力传感器,LabVIEW,校准机构
参考文献
[1]National Instrument Corporation.LabVIEW User Manual.July 2000 Edition.
[2]刘存香,刘学军.基于LabVIEW的差动电感式位移传感器校准装置研制[J].仪表技术,2008.10.
[3]何希才.传感器及其应用电路[M].北京:电子工业出版社,2001.
[4]杨月婷,张文学,等.传感器信号调理电路设计[J].装甲兵工程学院学报,2002,9.
培养化学实验技能的虚拟实验设计 篇7
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.
基于虚拟实验的化学实验教学设计 篇8
关键词：虚拟实验,化学实验,教学设计
0引言
化学是一门以实验为基础的自然学科, 实验是学生获取化学经验知识和检验化学知识的重要手段, 是培养学生化学实验能力的重要途径。由于真实实验受成本、安全性、有些实验现象不易观察等方面的限制使得一些实验无法有效开展, 尤其是含有毒药品和易燃易爆的危险实验难以让每个学生都动手操作。而虚拟实验不仅成本低、能模拟危险性实验、能让学生更加清楚地观察在真实实验中不易观察到的实验现象, 而且方便灵活, 能满足学生随时随地自主学习和复习。因此, 应充分发挥虚拟实验的优势最大程度地提高学生的实验能力。
1教学设计思想
“以实验为基础”是化学教学的最基本特征, 通过化学实验教学策略设计, 明确实验教学的形式、手段和方法, 把化学教学重点放在学生需要学习的知识和技能上。因此, 化学实验教学设计是化学教学设计中最重要的内容之一[1]。
“镁带燃烧”是最基本的金属与氧气燃烧的实验之一, 由于实验受到成本、安全性等条件的约束, 很难让每个学生都动手做实验, 因此结合VCE (Virtual Chemical Experiment) 网站提供的资源, 使用虚拟实验进行教学。学生通过访问VCE网站, 先预习实验, 阅读实验说明并谨记注意事项;然后观看“实验演示”中的真实实验视频, 获取真实的实验体验;最后进入“实验操作”模块, 通过鼠标交互、文本交互等方式操作虚拟实验。包括选择实验仪器、药品、组装仪器、进行分步实验、观察并填写实验现象、书写化学方程式、填写实验报告、进入论坛发帖等。具体的虚拟实验教学设计如图1所示。
2教学目标
知识与技能:了解镁带燃烧的原理, 能够写出镁带与氧气反应的化学方程式;能准确全面地描述镁带的物理性质;明确镁带燃烧后产物的化学性质及物理性质;掌握实验装置拆卸的程序及实验中的注意事项。
过程与方法:在教师的引导下, 学生能够自主提出问题, 设计解决问题的方案, 探究解决问题, 最后得出结论;能够在VCE实验论坛中发表自己的观点, 和同学共同探讨镁带燃烧实验的知识点与注意事项;通过实验观察与分析, 提高学生用科学方法分析问题的能力。
情感态度价值观:培养学生实事求是、严肃认真的科学态度和良好的实验习惯;体验观察实验现象的重要性;保持对化学实验的浓厚兴趣, 从而激发学生学习化学的自觉性和积极性。
3教学流程
在教学过程设计上, 遵循学生的认知规律, 由易到难, 循序渐进。从学生进入VCE网站预习新课开始, 再通过创设情境, 提出问题;导拨释疑, 探究新知;操作虚拟实验, 强化新知;完善实验报告, 教师批阅;自我测试, 及时反馈;在线论坛, 讨论交流;联系生活实际, 拓展深化等教学环节, 全面展开教学内容。
3.1了解VCE网站, 预习实验
教师首先应指导学生熟悉VCE系统的使用方法, 如怎样进入虚拟实验系统, 如何操作虚拟实验, 如何填写实验报告, 如何根据虚拟实验中提供的反馈改进自己的学习, 如何使用VCE网站提供的资源等。学生进行实验预习, 了解实验的原理、现象、仪器的使用等, 有助于实验教学的进行以及学生对实验内容的理解。
3.2创设情境, 提出问题
让学生先回忆“蜡烛在空气中燃烧”、“铁丝在氧气中的燃烧”等实验的实验原理和现象, 然后教师在黑板上写出思考问题 (如图2所示) , 让学生带着疑问和周围的同学进行交流。这样既为学生创设了探索问题的情境, 激发了学生学习的兴趣, 又巩固了“燃烧”的相关知识, 让学生在轻松愉快氛围里自然而然地进入到新课的学习中。
3.3导拨释疑, 探究新知
[教师]:先让学生利用已有的科学知识和经验做预测, 大胆猜想镁带和其它物质燃烧的现象, 并借助多媒体提供若干个燃烧现象的画面, 如发出耀眼的白光、发出黄色的强烈刺眼的光等, 然后提问镁带燃烧可能会出现什么现象?
[设计意图]:利用幻灯片、投影实验在教学过程中具有真实性、直观性、高效性的特点, 可辅助化学实验;通过计算机课件生动逼真的动态图像, 全面演示化学实验或创设实验情景。利用单个实物、模型、图表、教学录像片和多媒体课件为学生学习化学新知识提供丰富的感性材料, 这样有利于认识过程的飞跃转化, 适合青年学生的心理特征, 进而促进学生观察力、思维力和想象力的发展。[1]
[教师]:为了让大家能够观看到镁带燃烧现象及操作过程, 教师引导学生通过VCE虚拟实验平台一起学习, 并解决相关问题。教师打开VCE网站, 登录教师系统, 并指导学生登陆学生系统 (如图3所示) , 打开真实实验视频。
[学生]:登录自己的账号, 进入学习界面, 打开“实验准备”一栏, 点击 “镁带燃烧” 中的“实验演示”视频。如图4所示。
[教师]:实验中应该提醒学生观察镁带是先受热软化后燃烧, 只有软化的部分才能燃烧。
[设计意图]:信息技术与课程整合的创新教学模式, 改变了学生对传统教学的看法, 能够充分利用学生的感官功能, 激发学生对化学学习的兴趣。
[教师]:看完了“镁带燃烧”这个实验的演示视频后, 教师引导学生一起解决黑板上的问题, 并试着写出镁带燃烧的化学方程式。
[学生]:回忆刚才看过的演示实验, 并结合自己的预习笔记, 与周围的同学进行交流, 依次回答相应问题。
[教师]:询问有没有同学愿意在黑板上试着写出镁带燃烧的化学方程式?
[学生]:有同学在黑板上写下可能出现的化学方程式, 如:
undefined
undefined
………
[教师]:根据学生的回答进行讲解和总结, 并进一步强调和提出问题如下:
(1) 镁带的物理性质有:银白色固体金属、硬度较大、具有展性、无磁性。
(2) 镁带的产物是白色粉末状物质, 请同学们思考一下这个物质是什么, 它有什么化学性质?
(3) 镁带燃烧过程中发出耀眼的强光, 火星四溅, 生成白色粉末状物质。还有没有其它的实验现象呢?
(4) 镁带燃烧的化学方程式为undefinedMgO。
(5) 关于镁带燃烧的实验仪器及操作的注意事项, 同学们回答得不够全面, 现在通过操作虚拟实验来学习镁带燃烧的真实原理和化学性质等相关知识。
3.4操作虚拟实验, 强化新知
VCE系统中学生进行的选择、拖动等操作及输入的文本答案, 系统都能同步记录到实验报告中, 供教师批改指导。
[学生]:带着疑问, 打开镁带燃烧的界面, 并进入虚拟实验中。打开仪器选择界面 (如图5) , 看到几种不同的仪器, 思考镁带燃烧需要哪些仪器。学生选择相应的仪器, 点击提交按钮, 如果没有选对, 系统给学生3次机会, 并录入数据库, 记录实验过程。
[教师]:让学生自主完成, 教师观察并记录学生选择实验仪器的情况。
[学生]:学生按照提示进入实验操作。
第一步:取镁带4～5cm。
第二步:擦拭镁带, 仔细观察镁带在用砂纸擦拭前后颜色有什么变化。
[学生]:思考VCE系统提出的问题:镁带为何要擦拭?镁带表面出现的灰暗色物质的主要成分是什么?
[教师]:镁带表面出现的灰暗色物质的来源是什么? 让学生提出两个预测, 并设计一个或几个实验来证明预测的正确性。
[提示]:学生在面对这类题目时, 经常会瞎想、乱猜, 不着边际。教师应强调:猜想要有一定依据, 不能凭空想象, 真正做到科学探究。[2]
第三步:点燃酒精灯, 观察酒精灯火焰的颜色, 思考系统提出的问题“酒精灯燃烧后的火焰有几层, 并且每层的颜色为何不同?”在文本框中输入答案, 如果回答错误, 系统给予提示, 回答正确则进入下一步。
第四步:学生观察实验现象, 了解燃烧灰烬的物理性质, 思考“这个实验中最重要的一个仪器是什么?” 然后在文本框中输入答案“坩埚钳”。
第五步:熄灭酒精灯。
第六步:写出化学方程式undefinedMgO。
3.5完善实验报告, 教师批阅
[学生]:学生打开“镁带燃烧”实验报告 (图6) , 仔细阅读已经生成的实验报告, 并完善“注意事项”等主观题。
[教师] :打开实验报告数据库进行批阅 (图7) , 并对实验报告中所反应出来的问题进行讲解指导。
3.6自我测试, 及时反馈
本网站还提供了虚拟实验的在线考试套题, 在规定的时间范围内完成试题, 提交后显示成绩, 以方便学生检测自己对相关知识的掌握情况。学生进入VCE系统的“在线考试”一栏, 完成测试题 (图8) 。
3.7在线论坛, 讨论交流
[教师]:在学生观看了实验演示视频, 通过VCE平台进行虚拟实验, 并填写了实验报告后, 引导学生一起进入“在线论坛”, 鼓励学生自由发表观点或者问题, 并进行交流, 最后选出精华帖。
[学生]:进入在线论坛界面, 进行讨论交流 (图9) 。
在线论坛为教师和学生、学生和学生之间的交流提供了平台, 教师从师道尊严的神坛上走下来, 学会以朋友的身份与学生交流, 把自己看作是学习活动的组织者, 学生学习的帮助者、能主动与学生交换思想, 引起学生间的讨论[2] , 让学生在平等民主的学习氛围中各抒己见, 发表自己的见解, 展现自己的思想, 使学生有了表现自我的空间和时间, 激发了学生学习的兴趣和欲望, 学生在学习中遇到的问题能及时得到解决, 学习能力也不断得到提高。
3.8联系生活实际, 拓展深化
化学源于生活, 服务于社会, 应联系生活实际学好化学。VCE系统有“实验拓展”模块, 让学生学习“镁在水中的燃烧”和“镁在二氧化碳中的燃烧”, 并了解金属镁及氧化镁在航天材料、化工产品及建筑业等方面的用途。学生还可以在网上查找更多的资料, 然后对镁及氧化镁的其它用途进行讨论交流。
4结语
本节课的教学目标一是了解常见仪器的用途和注意事项, 这个环节穿插在学生操作实验及完成实验报告的过程中, 使学生掌握相关的知识点;二是了解镁带的物理性质和化学性质, 了解镁带燃烧的原理和实验现象。在这个环节学生不仅做实验, 而且填完实验报告后在平台上还进行在线讨论, 系统评定出相应的等级, 鼓励学生积极地参加实验讨论, 锻炼学生的交流能力。本节课以问题为线索, 在整个教学过程中, 以学生的自主探究为主, 教师担任引导者、辅导员和组织者, 体现了现代教学理论, 即以“学生为主体, 教师为主导”。
尽管虚拟实验脱离了真实的实验环境, 但是虚拟实验经济又安全, 并且能让学生很方便地进行实验预习、复习。虚拟实验人机交互能让每一个学生进行实验操作且实验次数不限, 容易实现相同条件下的重复。当然, 虚拟实验是实验教学的辅助手段, 决不能取代实际实验操作而忽视对学生动手能力的培养。因此, 应充分发挥虚拟实验的优势让其辅助真实实验以提高学生的综合实验能力。
参考文献
[1]钱文.议中职化学实验教学设计[J].科技风, 2010 (11) .
虚拟实验中反馈设计影响因素研究 篇9
虚拟实验是虚拟现实在教育中的重要应用, 自问世以来逐步成为科学实验和科学研究中强有力的工具, 并以其独特的优势 (交互性、浸入性、想象性) 引起了研究人员的高度关注。实验教学是很重要的一个环节, 尤其是实践性较强的学科。虚拟实验教学已在相关课程中得到应用。虽然已经有不少研究关注虚拟实验的人机交互, 但对于反馈在虚拟实验中的研究却很少。反馈在教学中的地位非常重要, 所以对于虚拟实验反馈设计的研究应该引起高度重视。
1 概念及分类
1.1 反馈概念
反馈是控制论的概念, 指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入, 进而影响系统功能的过程[1]。在虚拟实验中, 学习者在完成一定的操作后, 计算机要给出有针对性的判定和指导性的信息, 以供学习者理性审视自己的态度, 并为进一步学习提供指导。这种针对学习者操作后所呈现的信息就称为反馈。
1.2 反馈分类
根据反馈对系统的作用, 反馈可分为正反馈和负反馈;根据反馈发生的时间, 可分为前反馈、即时反馈和延时反馈;依据传播媒介的特性, 可分为言语反馈和非言语反馈;按传播对象划分, 则分为耦合反馈与自耦合反馈等[2]。从涉及的人数划分, 可分为大众反馈与小众反馈[3]。
Hannanfin归纳总结了3类反馈, 分别是:基于任务的反馈、基于策略的反馈和基于情感的反馈[4]。基于任务的反馈, 旨在寻找一种更好的方式来完成特定学习任务的有用信息或有效的活动。而基于策略的反馈是诊断性的, 从学生的表现、管理及学习过程等方面对学生进行全面的评估。基于情感型的反馈 (激励反馈) , 从本质上讲, 教师可以表达认可与否, 以引起学生内在的学习兴趣, 激发和维持其学习动力。笔者认为在Hannanfin的研究基础上还应该扩充一层:操作型反馈。即虚拟实验中的反馈可分为:操作型反馈、任务型反馈、策略型反馈和情感型反馈。虚拟实验中的操作型反馈又分为两种, 一种是对于虚拟实验界面基本操作的反馈, 一种是对于实验操作过程的反馈。
2 虚拟实验中反馈的作用
(1) 评估作用。当学生操作虚拟实验后, 虚拟实验操作系统应该对学生的操作进行评估, 使学生实现正确操作, 这样以确定他们是否掌握了知识点。
认知主义者认为反馈具有信息功能, 即学习的过程是假设—检验的过程, 当学习者主动解释信息, 并使它产生反应时, 反馈给学习者关于反应正确性的信息, 这有利用学习者更好地掌握元认知能力[5]。
(2) 矫正作用。反馈可以帮助学习者发现操作过程中出现的错误操作, 对于不同的操作错误, 虚拟实验可以分别或同时通过文字、声音、图形、动画等方式向学生展示。
(3) 强调作用。行为主义理论认为, 合理和适度的反馈具有增强功能, 通过反馈可以将一些主要的知识点反复强加记忆。反馈能够在学生没有主动意识的情况表现出正确的反映, 发挥这种强化纠正和指导行为的作用, 给学生强调性的提示信息[6]。
(4) 控制作用。控制论原则告诉我们, 反馈在控制系统方面有下列主要功能:启动系统朝着一个目标或者按照确定的路径进行[7]。虚拟实验和学生就是一个反馈控制系统, 必须具备实时监控功能, 即通过反馈来实现系统控制。
(5) 情感关怀作用。网络教学中的互动方式主要就是反馈, 即时的反馈既要求人性化教学, 同时也体现了情感的关怀[8]。从本能层、行为层、反思层设计具有“人情味”的反馈, 让学生能够保持积极的情绪、情感、态度, 合适的评价能够提高交流与关怀, 维持学习过程和激发学生的学习动机。
3 虚拟实验中影响反馈的因素分析
虚拟实验设计中影响反馈的因素有很多。在实验系统中, 虚拟实验和学生是两个主体, 二者在虚拟实验操作过程中不断进行人机交互。因此, 二者即为虚拟实验中反馈的基础影响因素。学生要以实验为操作对象, 其实验场景设计、学习内容选择即为虚拟实验中反馈的核心影响因素。
3.1 技术因素
反馈策略需要虚拟实验开发技术。常用的技术有Flash、VRML、Cult3D、Java与Java3D和Virtools。不同的软件, 反馈输出的效果和预期功能不同。5款软件的条件对比分析详见表1[9]。
3.2 学习者因素
学生是学习的主体。反馈设计在虚拟实验中必须考虑学生的生理特点、心理特点和认知特点。生理特点如年龄、性别、视听能力等;心理特点如交际能力、抗挫能力;认知特点如背景知识、学习能力、记忆力和思维习惯等。
3.3 反馈输出界面因素
实验心理学家赤瑞特拉进行了两个著名的实验, 一个是探索人类获得信息方式和途径的实验, 第二个是保持记忆知识的持久性。通过实验他证实了如下内容:在人类获得知识的途径中, 其中通过视觉途径的信息占83%, 听觉占11%, 其余来自其它感官途径;知识记忆方面, 依靠听觉记忆20%;依靠视觉记忆30%;听觉和视觉和同时使用则记忆50%, 如果你运用多个感官途径, 通过听、读、看、说、写, 记忆保持率可以达到90%。因此, 综合运用感官, 如文字、图形、声音和视频, 多感官刺激来设计各种反馈, 可以提高学习者的记忆效果, 促进和提高学习效率。
虚拟实验中的交互方式包括基本操作和虚拟设备控制。基本操作主要包括热区域、菜单、导航、控件、按钮、链接等。这些基本操作通过反馈的形式传递给学生, 使其了解实验进程, 切换实验界面。而虚拟设备的控制表现在实验中, 学习者通过键盘输入和鼠标操作去控制实验环境如漫游、实验室导航地图, 也可以通过点击按钮或滚动条操作实验仪器本身, 所以在开发实验环境和实验仪器时要与真实环境比例相协调, 接近真实世界中的控制方式, 并且有明显的操作提示, 在一些涉及实验过程的关键仪器中, 要扩大其热区部分, 使学习者不会出现由于操作上的问题影响实验进展。现有的很多虚拟实验开发多偏向技术的应用和功能的堆砌, 学习者在操作时存在较高的“认知摩擦”, 如虚拟实验系统的“健忘”, 虚拟实验系统“吝于”提供信息, 虚拟实验系统“不灵活”, 虚拟实验系统“责备”学习者, 虚拟实验系统“不负责任等”[10]。由于认知摩擦的普遍存在和不可消除, 在设计反馈时要努力优化策略, 避免不必要的过度反馈, 不合适时机的反馈, 不合形式的反馈和不合内容的反馈等问题。
3.4 虚拟实验教学内容因素
常用的虚拟实验有3种类型:演示实验、验证实验和探索实验。演示实验是为了给学生展示实验操作, 让学生观察实验结果, 多用于原理性的教学, 这样的实验较少运用交互反馈, 或存在一些简单形式的反馈, 反馈内容多用于学习结果的评价;验证实验主要是通过学生自己动手操作, 以达到对实验系统的安装、调试、观察、分析和讨论的目的, 所以在这类强交互性的虚拟实验中, 我们需要更多的反馈策略来支撑实验过程, 及时对学生的操作过程进行信息反馈, 在关键环节要反馈学习建议, 使学习者自主掌握学习进度和学习内容;探索实验通常是让学生在虚拟实验中, 对于不知道的实验现象进行反复观察、推敲, 最后由学生自己得出结论。这类实验本身就应该具有真实设备的所有功能属性, 设备本身是全功能的反馈操作。三类实验在交互性和反馈需求上由弱到强。虚拟实验类型的选择应根据教学需求决定, 以教学目标为导向, 倾听和考虑学习者的体验需求。
反馈的多寡应该根据问题而异, 根据所采用的实验流程、问题类型及教学速度而定。如果是练习式问题, 则反馈的内容要精简;如果是操作错误反馈, 则用铃声警示和对话框提示;如果是辅导式, 目的是让学生学习知识, 则反馈的内容要详细一些。针对错误答案, 应提供逐步接近正确答案的途径, 如有些较难的题目, 学生可以在尝试性的回答中, 逐步修正自己的错误, 在这类反馈中可加入一些正确答案的线索;而针对核心问题, 必要时要实施补救教学[11]。
4 结语
在我国, 虚拟实验的研究还不成熟, 对于虚拟实验反馈设计的研究也是空白, 关于反馈的理论探讨和实证研究都十分缺乏, 如实验界面过于单调、实验过程过于教条、学习者无法控制实验、实验模式过于单一、灵活度较低等, 只能实现信息的单向传递, 实验操作的实时提示和反馈不够准确、灵活, 无法提供正确的引导, 容易使学生出现“无助”、“迷失”, 进而产生孤独感和挫败感;实验教学质量难以监控, 还没有形成虚拟实验测试模式和评价体系。今后, 我们应该从以下几个角度展开反馈设计应用于虚拟实验的研究: (1) 了解不同类型的反馈原理、呈现方式和使用技巧, 针对具体学习情境和学习任务, 更有效地选择和使用反馈策略; (2) 以学习者为中心, 分析学习者的行为方式, 如不同的认知风格, 不同发展水平的学习者对反馈的感知程度及反应等, 并试图构建虚拟实验反馈设计模型; (3) 采用数据挖掘技术开发自适应反馈机制, 为学习者提供一个自适应获取知识和技能的实验学习环境, 捕捉学习者的学习兴趣点, 给予学习者最需要的反馈信息。
参考文献
[1]王倩.虚拟实验的反馈设计研究[D].长春:吉林大学, 2011.
[2]钟志贤.论远距离教育中的反馈问题[J].中国远程教育, 1992 (9) :18-22.
[3]GREGORY C S.Adapted and adaptive feedback intechnology-based instruction.[M].New Jersey:Educational Technology Publications, 1993.
[4]HANNAFIN M J, K MCDERMOTT HANNAFIN, D W DALTON.Interactive instruction and feedback[M].New Jersey:Educational Technology Publications, 1993.
[5]陈丽.术语“教学交互”的本质及其相关概念的辨析[J].中国远程教育, 2004 (2) :12-16.
[6]BRUCE JOYCE.教学模式[M].荆建华, 译.北京:中国轻工业出版社, 2002.
[7]章国英, 胡继岳.网络教学环境中情感交流的缺失及解决策略[J].现代教育技术, 2005 (1) :15-20.
[8]王荣芝.网络虚拟实验的交互设计研究[D].长春:吉林大学, 2007.
[9]魏书莉, 杨雪, 傅健.虚拟实验操作系统中的认知摩擦问题研究[J].中国远程教育, 2009 (9) :121-123.
传感器虚拟实验设计 篇10
关键词：网络技术；虚拟实验；Flash；虚拟现实；模拟配置
中图分类号：G434文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2014）10-0078-03
一、引言
计算机网络技术是高校计算机及相关专业的一门实践性很强的课程。然而由于一些实验项目受到场地、设备和时间多方面因素的限制，目前网络技术实验过程中还存在一些问题。不少学生反映实验时间不足，在规定时间内难以完成预期的实验任务；学生对一些实践操作掌握情况不佳，一旦离开实验室则会缺乏特定设备或实验环境而无法自行练习。因此，不少高校使用某些网络模拟软件来辅助实验教学，[1][2]但这些软件通常仅适用于特定品牌的硬件设备，与学校实际购置的实验设备可能并不一致，学生在进行配置操作时会存在一些差异。此外，对于非计算机专业的学生而言，这些软件也显得有些复杂。
为了创建简单实用的实验环境，可以尝试借助某些模拟配置软件或第三方编程工具，对网络技术常见实验项目进行仿真，在计算机桌面上实现可自由练习操作的虚拟实验配置，以促进实验教学的有效开展，克服因客观原因对实际教学造成的不利影响。
二、虚拟实验的实现手段
网络技术虚拟实验实现手段大体上可分为两种，一种是基于已有的模拟软件设计虚拟实验，另一种是开发者利用第三方编程工具自行设计开发虚拟实验。目前国外一些培训机构和网络设备提供商提供了各种模拟配置软件，可支持全仿真的命令，能较好地模拟常见网络设备的配置操作。其中典型的模拟软件包括Boson Netsim、Network Simulator、Packet Tracer和Dynamips。Boson Netsim模拟软件自带多个实验拓扑，其界面为用户提供了一种操作真实路由器的体验，此外还附带了一个Network Designer，为用户提供可视化的实验环境。Network Simulator 是一款开源、免费且广泛使用的软件模拟平台，使用它可以很容易进行网络技术的开发，但它对初学者来说比较难于掌握，需要较长时间的学习。Packet Tracer是思科公司针对CCNA认证开发的一款可用于设计、配置和排除故障网络的模拟软件，具有逼真的操作界面，用户可以自由选择路由器、交换机、计算机和各种线缆并对其进行配置，适用于学习网络基础知识的新手。Dynamips也是思科公司一款用于模拟路由器的仿真软件，可以测试和实验Cisco IOS操作系统中的许多功能和特性，它适于作为思科网络实验室管理人员的辅助工具，同时也广泛用于CCNA/CCNP/CCIE考试的辅助工具。
除了以上常见网络实验模拟软件以外，开发者也可使用第三方编程工具设计虚拟实验。这类工具主要包括Flash、ActiveX、Java以及VRML等软件或技术。[3]国内一些高校针对计算机网络课程的基础实验开发了若干虚拟实验系统。例如，孙燕莲和文福安（2009）利用Java开发了在线计算机网络虚拟实验系统，能提供与真实实验相同的虚拟设备和操作环境，并支持对网上实验的管理，方便高校在网上构建虚拟实验平台。[4]项慨（2006）结合各种虚拟现实技术，使用VRML、Java和JavaScript技术设计了一种基于B/S模式的网络虚拟实验系统，实现了网络技术课程中的典型实验“路由器配置”。[5]陈小红（2010）在教育技术学本科专业课程《网络基础》实验教学需求的基础上，设计开发了基于Packet Tracer的虚拟实验系统，实现了简单组网实验、路由器和交换机的基本配置实验等虚拟实践项目。[6]
三、虚拟实验系统的设计
在我校教育技术专业开设的《网络技术基础》课程的以往实验中，由于学生操作不够熟练，容易导致设备受损或不能按时完成实验任务，而学生一旦离开实验室就难以自行练习巩固，从而影响了实验教学效果。因此，开发一个简单易用的虚拟实验系统具有必要性和迫切性。本虚拟实验系统选取了该课程中的几个常见实验项目。
实验室及其拓扑结构：主要用于展示网络实验室的硬件设备及连接方式，便于学生熟悉和理解网络实验室的设备特性及其拓扑结构，为后续实验项目打下基础。
操作系统安装与备份：由于该实验具有一定的风险，学生若误操作会导致系统数据丢失，因此可以预先通过虚拟实验模拟操作，以熟悉和掌握正确的操作步骤和技巧。
小型局域网的组建：包括网线制作、设备互联、局域网资源共享及无线局域网配置。
交换机的基本配置：包括VLAN创建与路由、端口聚合和安全配置等常用操作。
路由器的基本配置：包括静态路由、动态路由、ACL和NAT配置等常用操作。
在以上各个实验项目中，除“操作系统安装与备份”项目以外，均对实验设备和场地有特定的要求。而虚拟实验则有助于缓解和克服相应的局限，并能有效降低设备的损毁率。
四、虚拟实验系统的开发
1.选择开发工具
考虑到开发技术难度及实际教学需求，选取Flash作为主要编程开发工具，并借鉴软件工程的方法来开发虚拟实验系统。该软件对于师生而言较为熟悉且容易掌握，产品开发的周期也相对较短。一方面，可以借助Flash的一些优势如生动形象的动画效果来逼真演示某些实验设备特性及其连接方式，以便于学生仔细观察和模仿操作；另一方面，也可以借助Flash强大的交互功能，设计支持学生与计算机通过交互模拟设备的配置过程，在一定程度上提高实验效率和效果。
2.快速原型化开发
在正式开发虚拟实验系统之前，需要选取部分实验项目进行原型化开发，以期更早地发现开发过程中可能出现的问题，并有助于整体上缩短软件系统的开发周期。针对交换机基本配置实验，选取了“配置SVI实现VLAN间路由”这一子实验，使用Flash编程初步实现该子实验的虚拟配置，经测试修改能较好地模拟实际操作过程，并具备一定的错误识别功能。此外，结合实际教学需要对已有的实验手册进行修订，并以此作为虚拟实验的开发蓝本。针对历年实验教学中遇到的常见问题和解决方法，也将在虚拟实验系统中加以体现。
3.系统开发关键问题
（1）代码自动判断
以“交换机基本配置”为例，将设备配置过程中的关键代码按顺序存储到规则库中，并将用户输入的命令内容转化成字符串并进入验证函数。通过比对规则库中的关键代码，判断用户输入代码的合理性。通过缩写词自动判断函数，支持配置命令中系统关键字的简写识别，例如configure terminal命令只需用户正确输入以上两个单词的前三位字母即可识别并能自动补全命令代码。此外，利用空格函数实现对用户输入代码过程中多余空格的自动处理，当用户输入的代码经过判断正确无误后，自动显示下一行命令模式以及等待输入的光标。
（2）代码自动纠错
在用户配置设备的过程中，若输入的命令包含不正确代码，将由错误验证函数进行处理，并提示代码出错的可能位置。若用户针对同一行代码连续三次输入错误，系统将给出正确命令提示。若用户第四次输入仍然出错，则会终止本实验子项目的配置过程，要求用户仔细阅读实验手册后再次尝试配置。此外，在用户配置本地连接的IP地址、子网掩码和网关信息的过程中，若用户输入的参数超出范围，也会实现自动报错。
4.操作界面仿真
本实验系统在细节方面对实验环境和操作步骤进行了模拟和仿真，力求和真实实验过程相似或一致，如图1所示。在“交换机基本配置”实验项目中，通过模拟Web管理界面和Telnet命令窗口为学生提供全仿真的实验环境；在“实验室及其拓扑结构”项目中，不仅有实验设备的静态照片，还借鉴了Flash 3D技术对实验设备进行三维展示，[7]以方便学生对其进行全方位的细致观察。在配置设备的过程中，通过实时获取用户当前系统环境的相关参数（如系统时间、IP地址），并在虚拟环境中得以一致的体现，以增强虚拟实验环境的逼真性。
五、系统试用效果
一些研究表明，虚拟实验能够有效弥补真实实验的不足。[8][9]本虚拟实验系统经过一个学期的开发，并进行了多次测试和修改，最终用于《网络技术基础》课程的实验教学。该系统除了包含各个功能模块相应的swf文件以外，还提供了较为详细的软件说明和使用帮助。经过师生的初步试用，总体上效果良好。尤其是针对那些耗时较长、易损设备、过程复杂的实验项目，该系统成为学生课前预习和课后巩固的有益工具，有效地缓解和克服了原有实验教学中存在的场地、设备和时间等方面的局限，保障了各个实验项目预期目标的顺利达成。
参考文献：
[1]李海龙，徐东辉，李卉.基于Boson Netsim 的网络工程虚拟实验[J].高校实验室工作研究，2012，111（1）：40-41.
[2]农坚.基于Packet Tracer搭建网络工程虚拟实验环境[J].教育教学论坛，2010（33）:128-129.
[3]杨章伟，江峰，张婉婉.计算机网络虚拟实验环境的研究与实现[J].萍乡高等专科学校学报，2011，28（3）：46-50.
[4]孙燕莲，文福安.虚拟实验教学的探索与实践[J].现代教育技术，2009，13（4）：131-132.
[5]项慨.基于网络的虚拟实验系统的研究[D].武汉：华中师范大学，2006.
[6]陈小红.基于仿真软件的虚拟实验设计与应用[D].上海：上海师范大学，2010.
[7]徐妲，钟绍春，马相春.基于Flash 3D技术的小学立体几何教学平台的设计与实现[J].现代教育技术，2013，23（4）:119-124.
[8]丁美荣.虚拟实验与真实实验整合的计算机网络研究性实验教学探究[J].实验技术与管理，2011，28（5）：163-166.
[9]王姣，张学军.虚拟实验与真实实验的比较研究——以“网络基础及应用”实验教学为例[J].中国远程教育，2013（9）：78-82.
机械制造虚拟实验系统的设计 篇11
本课题针对《机械制造技术基础》课程中的实验,提出了运用计算机技术对现有的实验教学进行必要的改革,建立《机械制造技术基础》课程网上实验操作平台,在该操作平台上可以完成以下三项实验:①切削力测量;②切削温度测量;③机械零件加工精度统计分析。
1 系统需求
本系统是网络课程实验系统,所以这里将根据实验的操作过程以及用户的要求来制定系统的需求:
(1)建立虚拟实验室操作平台,在该操作平台上完成以下三项虚拟实验:①切削力测试;②切削温度测量;③机械零件加工精度统计分析;
(2)实验过程的模拟仿真,数据库的建立;
(3)建立每个实验数据处理的功能模块;
(4)建立实验指导书功能模块。该模块包含以下内容:介绍每项实验的实验原理、实验内容、实验设备及仪器、实验操作步骤和实验要求;
(5)建立实验报告功能模块。该模块包含每项实验根据相应的数据处理结果要求填写的实验表格,解答相应的思考题;
(6)建立实验帮助文件。
2 系统用户分析
学生进入本系统的目的是为了了解整个实验过程、设备的使用情况和实验的操作要领,并且能够了解本实验相关的理论知识。教师将具有比学生更高的权限,在本系统中,系统将为教师完成他的大部分工作,只有少量的工作需要教师自己来完成。管理员是系统的主要管理者,其主要权限是管理系统使其能够保持良好的运行状态,这包括系统的用户管理、成绩管理以及系统的日志管理等。
从上面各用户的需求,我们就可以得到本系统的用户与系统功能的关系图,如图1所示:
3 系统的总体构成
3.1 系统的软件平台
本系统所采用的软件平台是Dreamweaver MX、3D Studio MAX和LabVIEW 7.0。Dreamweaver MX实现系统的总体界面及用户管理和实验介绍等;3D Studio MAX实现切削过程动态模拟演示; LabVIEW 7.0实现波形图的演示和实验数据的处理;Microsoft SQL Server实现数据的管理。
3.2 课程网络实验系统的总体框图
本课程网络实验系统包括用户管理模块、实验指导和帮助模块、实验模块、实验数据处理模块和实验报告模块等几部分,可用系统的总体框图表示,如图2。
3.3 系统的功能及特点
3.3.1 系统的功能
本系统能够实现的功能有机械制造技术基础课程中切削力的测量、切削温度的测量和加工零件统计分析这三个实验的实验指导、实验及数据处理和提交实验报告的功能等。
(1)用户管理模块。
用户管理主要进行用户的管理,主要有添加用户信息、更改用户信息、删除用户信息和用户信息查询功能。用户管理的主界面显示了系统现有的全部用户信息。
(2)实验模块。
实验模块就是进行实验的部分。它是系统的主体, 能够模拟演示切削力测量和切削温度测量时的走刀过程、切削力和切削温度的测量曲线,及零件尺寸测量曲线的模拟。以上都可以通过仪器软面板来控制。实验模块中包括切削力测量和切削温度测量及其机械零件加工精度统计分析等三个实验,其中有实验过程中的走刀过程的模拟演示及演示测量曲线,测量曲线可以重新播放等。
①实验数据处理模块。在切削力和切削温度测量中本系统采用了两种方法来处理数据,即采用单因素实验法和多因素实验法来建立经验公式。同时,本系统也用图解法来直观的显示指数的大小。
②实验报告模块。学生可以通过实验报告模块提交实验报告,完成老师布置的作业;教师可以通过实验报告模块检查学生提交的实验报告和作业,了解学生的实验情况。
③实验指导和帮助模块。实验指导和帮助模块介绍每项实验的实验原理、实验内容、实验设备及仪器、实验操作步骤和实验要求,还有实验过程中所要注意的事项等;可以指导学生正确的使用该系统完成每个实验,学生可以在进入系统后,首先查看实验指导,然后进行实验;在实验过程中遇到问题可以查看实验帮助。
3.3.2 系统的特点
本系统面向高校学生和教师,对于学生而言,方便学生了解《机械制造技术基础》这门课程的三个重要实验,使学生易于掌握实验的内容和要求,提高了学生的学习兴趣;对于教师而言,方便了教师了解学生实验情况,批改作业和评定成绩只需使用计算机操作即可,减轻了教师的工作量。
总的来说,本系统使教师和学生之间的交流方便,具有人机界面友好、操作简单易行等特点。
4 结束语
本系统可用于实际教学的网络实验系统,可以大大提高专业的实验教学水平,解决实验教学中出现的问题,节约实验经费,提高人才培养的质量。
摘要：主要介绍了在实验教学中应用的虚拟实验系统,详细论述了系统的需求、总体构成、各模块的功能及该系统的应用前景。
关键词：虚拟仪器,机械制造,实验教学
参考文献