虚拟教学实验（共12篇）
虚拟教学实验 篇1
虚拟仿真实验教学中心是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容, 是学科专业与信息技术深度融合的产物, 旨在提高高校学生的实践能力和创新精神, 核心是共享优质实验教学资源, 重点是建设信息化实验教学资源。
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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[3]刘慧萍, 张国民, 阳力争, 等.基于虚拟仿真实验技术的生化实验教学初探[J].中国中医药现代远程教育, 2014 (14) :85-87.
[4]柴群, 张世禄, 李佳.基于虚拟现实仿真的教学实验室研究[J].中国教育技术装备, 2009 (4) :62-64.
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[8]胡志帅.基于数据挖掘技术的方剂配伍规律探索研究[D].济南:山东中医药大学, 2012.
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[10]何家恺, 高利.名老中医药专家宝贵经验的传承方式思考[J].中西医结合心脑血管病杂志, 2015 (2) .266-268.
虚拟教学实验 篇2
【摘要】 随着计算机信息技术不断的渗入教学课堂中，这为现代高中物理实验教学奠定了良好的技术基础。通过计算机信息技术的运用，有效的将虚拟实验室带到高中物理教学课堂上，显著提高现代高中物理实验教学的质量。本文主要通过高中物理实验室教学目标，针对实验室的特点、物理实验室的相关实际操作和应用以及高中物理实验室的教学质量等所存在的教学问题进行研究。虚拟实验主要是通过计算机信息技术的支持，利用信息科技构架虚拟的仿真实验室，并结合Flash课件，以实现网络信息化的虚拟实验，以显著提升学生的物理知识实践能力、提升学生的自主学习能力，同时还能更大程度的发挥学生的创造力。比如，在教学马德保半球的物理实验教学过程中，运用虚拟实验验证马德保半球实验，将实验中的两边马匹逐渐以两倍进行增加，直至成功将半球有效分开，以真切帮助学生感受大气压强的压力。
【关键词】虚拟实验 高中物理 效率
物理是高中教学中的一门重要学科，该学科主要是建立在实验的基础上的一门学科科学理论知识。物理实验是是验证知识、定理的一种重要科学手段，然而在传统的物理知识教学过程中，大部分教师忽视实验室教学，过分重视课堂上的书面实验授课方式，或者是过分重视画实验替代实践操作实验的方式进行学识的传授。由于当下的课程不断推进新改革，针对物理学科上的实验课程得到了相当大的重视，但是在学校里相应的物理实验室器材却表现出严重的不足，因而导致高中物理课堂在实际授课时，针对部分要求相对比较严谨的实验仍旧无法完成，这种现象持续性发生将会对新课改的物理理论知识的教学带来一定影响。随着计算机信息技术不断的渗入教学课堂中，这为实现高中物理实验操作带来相当大的积极影响作用。同时运用计算机信息技术的帮助，将虚拟实验室引进课堂，直观的将物理知识通过虚拟实验展现在学生面前，显著将实验教学的课堂效益提升。虚拟实验主要是通过计算机信息技术的支持，利用信息科技构架虚拟的仿真实验室，并结合Flash课件，以实现网络信息化的虚拟实验。在高中物理课堂的教学中灵活将信息技术化的虚拟实验渗透进物理理论教学中，对深化物理教学改革至关重要，同时能有效激发学生的学科积极性以及学习兴趣，进而有效提高实验教学效率[1]。
一、物理教学中运用虚拟实验的好处
1.有效减少物理课堂实验的成本
在以往的传统高中物理教学过程中，进行实验操作的时候均是要借助相关的实验器材才能完成。然而用于物理实验操作的相关专业器材费用相对比较高，且相对比较容易损坏，因此整个物理实验过程下来，耗费教学经费相当大，但是利用虚拟实验室到教学中去，很大程度上将传统实验室的成本降低，通过实验器材的信息科技数字化，运用虚拟仿真实验系统的教学模式，不仅能降低成本，同时还能全面实现高中物理课堂上的实验教学[2]。2.化解时空限制的教学局限性
在以往旧式的器材实验室教学中，经常会受到时间以及实验空间的限制，出现这种局限现象主要是因为实验室相关器材相对短缺，且空间有限，不能同时一次性让学生进行相关物理学科课程的操作学习。然而通过虚拟实验室的运用，促使高中物理实验实现数字化传播，并且时间和空间上不受到任何限制，只要课程设计中需要，师生便能随时通过信息化虚拟实验室进行相关课程的实验操作。3.有效把控实验过程中的节奏
在传统式的相关物理器材实验室教学过程中，对于部分瞬间即逝的物理实验现象相对比较难观察到，而通过进行虚拟数字化实验操作，我们可以通过信息科技技术将实验现象进行缓慢播放，以把控实验过程的节奏，有效观察实验过程，更好的帮助学生对课程实验进行相关笔记记录，以帮助学生更全面的进行实验操作与学科思考。
4.有效保证实验过程中的人身安全性。
高中物理学科理论知识相对比较难，且相关的物理实验的难度系数以及危险性系数相对比较高，一旦实验操作失当，有可能引发某些危害，以影响操作者的生命安全。但是通过使用虚拟实验室进行实验操作，那么实验室里所存在的一系列安全隐患将能排除掉，这样进行物理实验课堂更加安全。
二、虚拟实验的作用
1.提高学生学习积极性以及学科兴趣
在教学过程中，有效的将学生引导到学科理论知识的海洋里，自主的学习，依靠的不是强制性管制，而是学生发挥自身能动性主动的学习，并对所学习的学科怀揣着兴趣、热情以及学习信心。在以往的教学过程中，教师的教学方式相对比较单一且枯燥，物理学科的知识传授更是通过教师使用粉笔在课堂上进行笔画出来，因而大部分学生并不能很好的参与到教学活动中，长期发展，学生在课堂上的表现逐渐变得烦躁、思维不活跃等，导致这个高中物理实验的课堂教学质量下降，即使是教师使用简单实验操作也不能有效的帮助学生提升学习兴趣。通过使用虚拟实验实验网络系统中，将实验教学附上浓郁的现代技术化色彩，以给学生带来科技现代化的视觉冲击，更加有效的帮助学生集中注意力，提高学生的学习热情和参与实验学习的积极性，2.虚拟效仿实验现象，指导学生自主研究探讨
实验是教师引导学生自主进行研究探讨的一种科学教学手段，通过使用虚拟实验教学方式，将抽象的高中物理理论知识结合到实践性实验中，以深化学生的学习思维逻辑性，通过虚拟实验的运用，将抽象化转变成形象化、将实验静态转变为实验动态、将实验微观性转变为实验宏观性。比如，在教学马德保半球的物理实验教学过程中，教师可以将实验中的两个马德保半球进行真空处理，将空气抽取出来后两个半球无法拉开，以向学生展现大气压强，但是针对大气压强到底是压力有多大，运用传统的实验方式是几乎是不可能让学生感受到的。但是通过使用虚拟实验验证马德保半球实验，将实验中的两边马匹逐渐以两倍进行增加，直至成功将半球有效分开，以真切帮助学生感受大气压强的压力。3.扩展了学生操作空间，挖掘学生的创新力。
在传统的实验室操作中，学生初始接触物理实验，由于心理对实验操作以及相关的实验过程、设备等可能发生的不安全因素发生，导致学生在实践过程中过多顾虑，致使实验课堂的效率下降。通过虚拟实验课堂，为学生提供了全新的安全性实验实践渠道，学生可以放心的按照自己创新能力以及想象能力开展实验操作。进而有效激发学生的学习积极性与主动性，扩展了学生操作空间，挖掘学生的创新力[3]。【参考文献】
虚拟教学实验 篇3
关键词：虚拟实验；初中物理；课堂教学；实验教学；优越性；策略
随着科技的发展，计算机技术进入教学活动中，为学生学习相关的知识提供了便利。网络技术与传统教学相结合，在初中物理教学中运用虚拟实验，突破了传统实验带来的局限与困难，生动形象地为学生展示教学实验，激发学生学习兴趣，提高学生对物理实验的理解与掌握。
一、运用虚拟实验的优越性
初中物理是对物质运动以及原理进行探究的一门学科，进行物理实验是学习物理知识的一种重要学习方式。物理结论的得出，依靠大量的物理实验，但目前大部分初中物理教师不注重物理实验在物理教学中的地位，导致做实验以讲实验的方式展开，学生缺乏动手能力，对实验内容的理解不够透彻。随着新课改的推进，初中物理教学越来越人文化，在对物理知识进行讲解时，需要教师运用实验，而虚拟实验的出现，打破了仪器老化、实验繁琐的局限，为学生提供更优质的实验操作与实验内容。虚拟实验完全依赖于计算机来完成，实现了数字化的实验教学，在运用虚拟实验的过程中，可以开阔学生视野，简单明了地得出实验结论。此外，虚拟实验可以节约实验成本，在空间上进行突破，节约教学时间，提高教学效率。
二、运用虚拟实验，提高教学效率的策略
1.课堂运用虚拟实验，激发学生兴趣
初中物理课堂是对事物规律的一个简要介绍，目的在于让学生了解事物发展规律，而初中物理教师为了完成教学目标，对知识点一味的讲解，学生缺乏动手实验的时间与空间，这样的教学模式造成学生不理解教学内容，对物理学习失去兴趣的局面，所以，初中物理教师在讲解物理知识点时，注意改变教学模式，合理运用虚拟实验，吸引学生的注意力，例如，教师在讲解“汽化和液化”一节时，教师可以运用虚拟实验为学生展示冰的汽化和液化现象，并将画面的播放速度减慢，给学生一个理解与观察的过程，便于学生对汽化与液化特点的掌握，总结汽化与液化的规律，铭记汽化与液化在日常生活中的运用，拓展学生的知识面，增长见识。这样的教学方式打破了传统教学模式的束缚，给予学生一个更好更自由的空间学习有关物理的知识，在虚拟实验的教学环境下，吸引学生的注意力，激起学生学习物理知识的欲望，促进物理实验高效有序地进行。
2.运用模拟实验，增强学生学习的主动性
初中物理的学习在于学生进行自主探究，随着素质教育理念的普及，提高学生自主学习能力是教育的重点所在，而物理的学习是在探究的基础上总结实验结论，以此得到适应万物的普遍规律。所以，初中物理的学习需要给予学生足够的时间与空间，鼓励学生进行自主学习与探究，例如，在学习“摩擦力”一节时，教师可以首先为学生讲解摩擦力的基本知识，在对摩擦力有一定了解的基础上，引导学生进行摩擦力的相关实验，在自主进行实验的过程中可以加深学生对模拟实验的印象，观察实验的每个细节，了解在压力不变的基础上，摩擦力大小与接触面的粗糙程度有关；在粗糙程度一定时，摩擦力大小与压力有关，这种实验方法叫做控制变量法，并安排学生了解控制变量法的特点。初中物理中主要的实验方法就是控制变量法，所以，学生掌握控制变量法是必要的。这样的教学模式，加强了学生学习物理的主动性，巩固了学生作为课堂主人的地位，秉承教育以学生为本的教学理念。
3.运用模拟实验，加强师生交流
由于初中生的年龄特点，对教师具有恐惧心理，物理的学习是对理论的学习，所以，学生在学习物理知识时，难免会感觉到枯燥乏味，对知识产生排斥心理，不利于初中物理教学的有效开展。这样的局势，需要教师在讲解知识点时，注意观察学生的心理变化，适时调整教学模式，例如，在讲解“二力平衡”时，教师可以运用模拟实验为学生播放二力平衡的相关实验，让学生更好地了解二力平衡的条件，并鼓励学生互相实验，与教师沟通，感受二力平衡的作用效果，促进初中物理教学。另外，运用模拟实验，可以活跃课堂气氛，例如，在讲解“浮力”时，教师可以运用计算机设备为学生播放浮力的实验现象，此外，在进行实物实验，这样可以保证实验的准确性，而实物实验可以增强学生的动手能力，学生在实验中与教师进行语言交流，解决自己不理解的地方，为学生创造一个轻松愉悦的学习环境，促进物理教学。
初中物理实验是对理论的体现，而模拟实验的运用可以增强学生对实验内容以及实验现象的理解。另外，运用虚拟实验可以增强学生的操作能力，开阔学生视野，加强学生与教师的交流，提高物理教学效率。
参考文献：
[1]张秀敏.仿真实验室在初中物理虚拟实验中的应用[J].中国教育技术装备，2015（11）.
[2]李琨.虚拟实验室在中学物理实验中的应用[J].中国教育技术装备，2012（6）.
虚拟教学实验 篇4
本文通过实例来说明几种典型实现教学方面虚拟实验的技术,并对每种技术的优缺点以及适用性做出分析和说明。
1 Java技术实现虚拟实验
虚拟实验辅助教学不是传统的意义上的把实验项目制作成图文并貌的实验介绍,而是学生可以在电脑上进行交互式操作,实现了真正意义上的互动模拟,已达到良好的教学效果。
JAVA语言是强类型语言,JAVA的JSP和APPLET分别可以对数据、图象进行有效的处理从而解决FLASH和ASP无法解决的问题;再次,因为JAVA语言有很强的网络功能,尤其是Applet专用于嵌入WEB网页,并产生特殊的页面效果。JAVA Applet具有基本的绘画功能、动态页面效果、动画和声音的播放、交互功能的实现、窗口开发环境、网络交流能力的实现等特点。所以对于要求有大量的图象处理和操作交互,特别是复杂精确数据处理的这类实验,可以进行浮点运算和字符串的各种处理,对于有这种要求的实验,无疑应选JAVA。所以我们开发的静电场描绘实验主要采用JAVA Applet进行设计。下面是采用JAVA对大学物理实验———静电场描绘进行模拟,如图1所示。
以下是静电场描绘Java部分代码:
2 Flash技术实现虚拟实验
Flash有两大特点,即逼真的动画设计效果和强大的内置脚本程序ActionScript.Flash可以制作网页交互动画,它具有基于矢量的绘图功能,也可以灵活控制,管理对象,还提供ActionScript脚本语言。Flash还具有支持交互、数据量小、效果好、不需要媒体播放器软件之类等特性。将制作的课件和虚拟仪器,仿真实验置于网页上,学生可以不受时空的限制,随时上网进行实验预习和复习,也可以作为远程实验教学或选修实验。以下是利用Flash实现光电效应的实例,图2为仪器外观。
3 其他虚拟实验实现技术
3.1 VRML
VRML(Virtual Reality Modeling Language———虚拟现实建模语言)是一种用于建设虚拟三维世界的场景建模语言,具有平台无关性,是目前Internet上基于WWW的三维互动场景制作的主流语言。用VRML制作虚拟设备有以下特点:具有3D动画、音效、传感器触发、事件输入输出、行为控制、支持多种脚本与多重使用者等功能,能在Web上实现动态页面,具有加强的交互功能。
3.2 3DMAX
用VRML建立复杂的三维模型是相当繁难的,而3D Studio Max因其强大的三维建模功能恰好可弥补VRML这方面的不足,并且VRML具有与3D Studio Max模型的无缝接口。因此在虚拟实验系统的场景和仪器设备制作时,一般是先利用3DMAX制作出复杂逼真的场景,然后利用VRML语言进行位置、动作、空间背景、视点、传感效果等设置,使虚拟实验教学系统既具有逼真的漫游效果,又具有可交互可操作的特点。
4 总结
通过以上几种常用实现虚拟实验技术的比较,我们可以看出JAVA技术具有较强的数据处理能力,也便于实现web访问;Flash技术的优点之一在于仪器界面控制和外观设计,此外,Flash对还具有体积小,网络传输速度快,嵌入web更容易等很多优点;VRML便于构建虚拟环境,3DMAX能容易构造成逼真的实验仪器和场景。总之,每种技术都有自己的优点和不足,我们应该根据具体实验项目的的特点选用合适的技术,才能制作出优秀的虚拟实验。
参考文献
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[2]梁宇涛.虚拟现实技术及其在实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2006(3):81-85.
虚拟仿真实验教学中心遍地开花 篇5
陕西批准为国家级实验教学示范中心的有：西北大学电子信息技术实验教学中心、西安交通大学机械工程专业实验教学中心、西安电子科技大学计算机网络与信息安全实验教学中心、西安工业大学电工电子实验教学中心、西安建筑科技大学冶金技术实验教学中心、陕西师范大学地理学实验教学中心、第四军医大学基础医学实验教学中心、空军工程大学通信工程实验教学中心。
陕西批准为国家级虚拟仿真实验教学中心的有：西安交通大学应急管理决策虚拟仿真实验教学中心、西安电子科技大学集成电路设计与制造虚拟仿真实验教学中心、西安建筑科技大学土木工程虚拟仿真实验教学中心、西安科技大学矿山建设工程虚拟仿真实验教学中心、长安大学工程机械虚拟仿真实验教学中心、西北农林科技大学森林生物学虚拟仿真实验教学中心、陕西师范大学心理学虚拟仿真实验教学中心、第四军医大学口腔医学虚拟仿真实验教学中心、第二炮兵工程大学导弹测试与控制虚拟仿真实验教学中心。
【西安交通大学】机械工程专业实验教学中心、应急管理决策虚拟仿真实验教学中心获批。机械工程专业实验教学中心面向“中国制造2025”战略，依托该校机械工程一级学科，通过统筹校内高端制造装备、三维(3D)打印、制造系统等高水平科研基地和校外国家级工程实践教育中心等优质资源而建设。中心坚持“专业与素质并重、实践与实战创新”的理念，以构建“硬件设施一流、资源融合充分、结构体系完整、学科特色鲜明”的机械工程专业实践教学平台为核心，积极推进实践教学模式改革，形成了专业实验能力、工程实践能力、创新实践能力培养三位一体的实验教学体系，探索得到了一系列行之有效的实践教学新方法，建立了相应的以工程教育认证为导向的实践教学质量标准，为培养引领未来的机械工程专业拔尖创新人才提供有力支撑。应急管理决策虚拟仿真实验教学中心总占地面积约3500平方米，拥有实验室24间，设备固定资产总值1600余万元。面向管理科学与工程类、工商管理等2大类7个专业开展虚拟仿真实验教学，已建设30个真实实验无法展开的虚拟仿真综合实验项目，如“突发事件预测预警实验”“应急联动多部门协作实验”“应急物流运力交易实验”“应急决策仿真实验”等，其中50%以上实验项目为自主研发。通过实验教学，缩短了理论学习和现实应用之间的距离，可以帮助学生更加深入的理解课本知识，同时培养学生的动手能力。突发事件的频发要求管理类学生需要掌握和具备处理突发事件的能力。针对我国社会发展与应急管理的重大现实需求，管理学院成立了学科交叉的科研与教学协同的应急管理决策虚拟仿真实验教学中心。该中心的建设核心目标是提高管理类学生应对突发事件、实时综合管理决策的能力，培养具有国际化视野及社会责任感的创新型管理人才。
【陕西师范大学】心理学虚拟仿真实验教学中心、地理学实验教学示范中心获批。心理学虚拟仿真实验教学中心按照“以实为本，以虚为媒，虚中求实”的建设原则，遵循“内隐加工形象化，发展进程短时化，特殊案例再现化，风险情境安全化，技能训练系统化”的建设理念，形成了“认知与行为基础实验能力培养平台”“现代认知神经科学创新能力培养平台”“航空航天心理学及人因工程仿真实验平台”和“病理心理虚拟实验平台”四个虚拟实验教学仿真平台，实现了传统实验教学与现代教学手段的有机融合，丰富了心理学实验教学内容，提高了教育教学水平，发挥了辐射示范带动作用。地理学实验教学示范中心依托该校地理学一级学科、历史地理学国家重点学科、地理科学国家级特色专业，按照“室内实验与野外实践一体化”的实验教学理念，立足黄土高原和秦巴山地，抓住西部资源环境与经济社会发展热点，创新了自然地理学、人文地理学、遥感与地理信息系统实验教学内容与方法，成为我国西部地区创新型地理学人才培养的核心基地。中心形成了立足地理科学，实现多学科实验教学融合;立足校内平台，实现多元化实验教学拓展;立足黄土高原，多渠道服务西部发展;立足学生发展，多层次创新人才培养的特色。
该校相关负责人表示，此次两个国家级实验教学示范中心的获批，是陕西师大多年来一贯重视实验教学工作结出的硕果，是相关学科集体智慧的结晶。截至目前，陕西师大建成了4个国家级实验教学示范中心(化学实验教学中心、数字传媒技术实验教学中心、跨学科X-物理实验教学中心、地理学实验教学示范中心)，3个国家级虚拟仿真实验教学中心(化学虚拟仿真实验教学中心、生物学虚拟仿真实验教学中心、心理学虚拟仿真实验教学中心)。国家级实验教学中心的建设，推动了学校实验教学和实验教学改革，促进了学校人才培养水平的不断提升，标志着该校实验教学水平迈上了一个新的台阶。
【长安大学】工程机械虚拟仿真实验教学中心获批。工程机械虚拟仿真实验教学中心是长安大学“211工程”及“985优势学科平台”重点建设实验室之一，成立于2012年6月，2016年1月成为国家级虚拟仿真实验教学中心。目前有实验教学人员55人，其中教授12人，副高职29人，中级职称及其他14人，获得博士学位的47人，硕士学位及其他7人，平均年龄43岁。中心用房面积近1200m2，仪器设备1432台，价值1800余万元。近期获得省级教学成果奖6项，省级教改项目5项。获得省级及以上科学技术奖5项，编写教材17部，发明专利46项，现拥有工程机械关键零部件现代虚拟制造平台、工程机械原理展示、工程机械结构设计及其分析计算、工程机械电液控制系统、工程机械拆装与驾驶、工程机械施工控制等共6个虚拟仿真实验平台、开设近百项虚拟仿真实验项目。
【西北大学】电子信息技术实验教学中心获批。至此，该校国家级实验教学示范中心数量达到7个，在全国高校中并列第六，在全国地方高校排名第一。电子信息技术实验教学中心成立以来不断加强内涵建设和改革创新，按照《高等学校基础实验教学示范中心建设标准》要求进行了资源整合，形成了以“加强基础，强化应用，提高素质，注重创新，激励个性，体现特色”的人才培养思路，构建了分模块、分层次、分阶段的“立体化”的实验教学体系，培养了一大批信息学科高素质创新型人才。该校相关负责人表示，此次获批为国家级实验教学示范中心，将进一步推动该校本科实验教学改革，提高人才培养质量。学校也将一如既往高度重视实验教学示范中心建设，在“十三五”期间，依托“教学实验室提升计划”，全面改善教学实验室基本条件，推进实验教学整体改革，进一步提高学生创新精神和实践能力。
虚拟教学实验 篇6
【摘要】在我国的工科学业类当中，机械原理则是作为一门基础专业课，它也是一门重要的衔接课程，在学习的过程当中，理论与实践学习是非常紧密的。在这门专业课当中，它会涉及到很多方面的课程，是需要应用贯通的，同时在学习时也要让学生从工程建设的理论角度来应用和理解这方面的知识，从而来培养他们应用机器设计理论知识来解决实际问题，并且也能够更为深入的研究其中的仿真实验设计，来提高学生的实践能力。
【关键词】机械原理 虚拟仿真实验 教学设计
【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）08-0184-02
在机械原理课程当中，最重要的一个学习环节就是课程设计，是通过在实验过程中学习完成的。在我国的高等院校中，它是作为工科类学生必修的一门课程，属于机械设计类的，也是一门主要的技术课程，占有主导地位，所以，如果要不断的提高对这类人才的培养，就必须要注重学习质量，建设在机械原理实验中的教学实验，把虚拟仿真设计融入其中，注重对这方面的培养学习，有效的分析研究在这门课程当中存在的问题以及实验设计的方法，把虚拟仿真实验充分的引入机械原理教学当中，从而提高教学效率，达到教学目标。
一、什么是虚拟实验
在我国高等教学当中，由于虚拟实验的发展起步较晚，因此，在高校的教学当中也比较匮乏在这方面的经验，并且在教学内容以及在模式当中都会存在一定的问题。我们都知道，虚拟仿真实验这门技术是非常先进的，虽然其发展是短暂的，然而在使用范围当中却是非常广泛的，在虚拟仿真实验的过程当中，可以让学生充分的了解和选择实验模型，并且更为深入的分析虚拟仿真技术的重要意义，应用在机械原理当中它的主要目的是什么，在分析机械原理的教学内容当中，更为有效的求证机械的综合创新，设计，金属材料，液压气压以及热处理等方面的技术问题，并且有着很大的帮助，通过虚拟仿真实验来达到教学的目的，在这个过程当中，一般学校会设立相应的实验机构，从而把所需要的实验设备进行集中管理，在这种模式下，它不仅丰富了实验性，同时也满足了教学的要求。对此，我们也可以看出，在虚拟教学中应用仿真技术，不仅提高了教学的视觉性，也更清晰的学习到机械原理的设计和工作效率。
二、当前实验教学的重要性以及问题
在机械原理的课堂教学当中由于会有很多的理论分析讨论，也会存在一些有关设计的问题，所以在进行机械原理教学时就必须要掌握好课程的理论知识，这也是最重要的基础环节，同时在基础教学中，我们不仅要掌握好这些基本概念，也是掌握好一些有关动力学和分析机构的相应功能性，通过在实践教学中，在设计课程实践的环节当中，这不仅可以提高学生设计实践能力，也可以完成一些较为复杂的综合设计，这对于全面培养复合型人才有着至关重要的意义，也是对实验教学提出了一个新的挑战，对此，改革实践教学是非常必要的。
1.在机械原理教学当中，通常进行实验时，主要是以示范和讲解为主，而学生只是以听为主，很难参与到实验当中，所以在这个过程当中学生并没有积极创新性，更没有机会参与到设计实验当中，而我们都知道，实验教学的目的就是为了有效的达到动手设计能力，并且让学生有认识和了解该门课程的具体操作实验，然而却受到了实验的限制，在一些教学中，学生没有机会对机械进行拆装研究，从而也就降低了学生在这其中的原理认识。
2.在机械原理的教学当中，一般是以课堂教学为主，而讲解理论知识时却占用一定部分的时间，对于学生来讲又难全部消化，所以并没有达到良好的教学目的，从而也就导致学生对这门课程的积极性越少。我们了解在机械原理学习过程当中一般主要是对其内部機构进行分析研究，其中的很多原理都是具体的理论化以及更为抽象的描述，这对于初学者来讲是非常困难的，如果不通过有效的实验来讲解其中的原理知识，学生不能有良好的衔接也就达不到理想的教学成效。
3.我们在为学生设计该门课程的思路时必须要有新奇的想法，从而来提高学生求知的积极性，一方面我们可以设计题目，把单一的题目有趣化，可以让学生通过题目要求来进行组合设计。另一方面我们也可以通过图解的方法来设计实验，但是由于设计的工作量较大，所以不能很好的训练学生在这方面的能力。通过课程设计可以有效的来升华机械原理实验的过程，也可以总结在这门课当中所遇到的问题以及难点，让学生通过实验来解决和认识机械原理理论知识，提高他们在工程实践方面的综合能力。对此我们可以看出，在机械原理教学过程当中，必须要把综合设计与理念有效的相结合，并且把理念知识与实践密切的融入到其中，可以更为直观的分析出机构综合性能，解决教学中的问题。
三、在教学当中的具体应用
1.在机械原理的教学过程当中，制图是最基本的一门应掌握的技能。在过去的学习模式当中，学生一般是通过手工进行绘图的，并且在这个过程当中，可以逐渐的了解机械机构的组成以及它的部分构造.从而可以充分的了解和掌握机构功能。然而在现如今的教学模式中，已经发生了很大的改变，可以应用计算机进行测绘实验了，可以不再应用手工绘画，通过计算机软件可以进行操作，并可以达到理想的效果，在这种教学过程当中，与时代同步，学生不仅融入了一些先进的应用方法，同时也掌握了虚拟仿真技术这门较为先进的应用方法，只是应用计算机便可描绘动态的机械制图，让学生在提高机械原理知识，还可以精算出机械的自由度，可谓一举两得。
2.在虚拟实验当中，机械机构组成是作为最重要的一个认知实验，在实验过程当中学生通过观察它的空间、平面以及齿轮结构，从而有效的确定设备是否在正常情况下进行有效的运行，而我们所应用的虚拟仿真实验恰恰就可以把它的组成变为一种图像，此外，也可以把它制作成动画的效果进行演示，更为立体的表现出它效果。由于在机械设备当中，基础的装置机构一般是用来维持机械运行重要元件，而它的原理与状态也是非常有影响意义的，对此，如果让学生更为充分具体的掌握机械原理的实验，就必须要了解虚拟仿真技术，因为它的作用是非常明显的，这也是有助于提高教学目的的重要手段。
3.在近些年以来，通过在机械原理教学当中，老师为了提高学生的四杆运动原理知识，便研发了一种新型的运动技术，在这个实验当中我们可以发现两方面特点，第一，可以让学生充分了解运动规律以及机构类型，也让学生掌握了机械的运行特点，怎样有效的研究机构在运动时的规律以及各种类型特点。第二，在设计四杆机构时，设计合理的四杆机构是有助于学生掌握专业知识以及操作的，由于系统在运行当中会存在很多问题，所以在进行设计时就必须要考虑到它的稳定性，安全性，具有牢固的理论基础。
四、结论
机械原理则是作为一门基础专业课，它也是一门重要的衔接课程，在学习的过程当中，理论与实践学习是非常紧密的。在这门专业课当中，它会涉及到很多方面的课程，是需要应用贯通的，对此，在学习当中就必须要提高其质量，建设在机械原理实验中的教学实验，把虚拟仿真设计融入其中，有效的分析研究在这门课程当中存在的问题以及实验设计的方法，把虚拟仿真实验充分的引入机械原理教学当中，从而提高教学效率。
参考文献：
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网络虚拟实验与物理教学 篇7
一、信息技术与物理实验教学整合, 发挥演示实验作用
通过信息技术与物理实验整合, 可以突破常规实验仪器的局限性, 所以应当充分发挥信息技术的特长, 对那些难以观察到的、复杂、困难的实验进行模拟和提供帮助, 成为常规实验的补充, 并把两者结合起来, 使实验教学上升到一个新的层次, 从而有助于学生发现规律、获得知识, 提高他们的科学文化素质和实验技能水平。
如做凸透镜成像规律实验时, 先用常规仪器按传统实验方法进行演示, 由于常规实验仪器的限制, 蜡烛在光屏上所形成的像随着物距的变化而变化的这一现象不是很明显, 致使学生对凸透镜成像的特点不甚理解, 并产生迷惑。此时如采用多媒体技术进行凸透镜成像规律模拟实验, 演示物距从无穷远至小于焦距的整个实验过程中物距、像距和像的变化的情况, 则整个模拟实验过程流畅、直观、明了, 能使学生对该实验有一个清晰完整的认识。
二、在网络技术环境支持下, 发挥学生自主探讨性实验作用
在传统物理实验室, 一方面由于怕发生意外和造成实验仪器的损失, 有许多实验室规章制度, 对学生诸多限制;另一方面由于实验环境和实验条件的限制, 实验结果往往和物理理论不一致, 甚至出现相反的数据, 这一切无不暴露出了传统实验室的弊端。
让学生在网络环境下进行虚拟实验室操作, 以自主模拟实验为基础进行多媒体教学, 则可以解决这一难题。如在上传统电学实验课时, 通常会告诉学生, 电流表的接线柱不能接错、电压表不能超过量程, 电池组不能短路。很多实验不允许学生自己操作, 这些规定无形中扼杀了学生的创造性思维, 而有些学生自主意识很强, 常常会进行一些“地下操作”, 最终损坏了仪器。要知道, 这些“破坏性”强的学生实际上往往是动手能力、创造能力强的学生。在网络环境下, 倡导学生自主探讨性实验, 既可保护仪器又能培养学生的创新能力, 并能把很多传统实验做不到的效果一一再现。学生在网络技术环境进行多媒体实验操作, 通过网上人机对话, 可以一边操作一边在网上畅游, 获取新知识, 或与其他同学交流。如果学生在网络虚拟实验室遇到问题, 就可以通过网络从其他同学那里获取相关信息, 进行讨论, 并自主观察模拟实验, 从而掌握学习成果和学习方法。
虚拟解剖实验室与教学 篇8
1、虚拟解剖实验室的构想
虚拟解剖实验室以教育部统编规划教材为蓝本, 由若干个实习单元构成。每个实习单元都包括以下内容。首先进行实验预习, 进入这一界面后, 学生可了解本次实习的主要内容和目的要求, 同时也标明了本次实验必须掌握的解剖学理论知识。再按照本次实验内容详细给出了具体解剖操作、步骤方法及注意事项。接下来有全程实况录像, 可观看本次实验项目的全部操作过程, 使学生对实验更加直观。当然最主要部分是进行虚拟解剖实验, 点击后可以进行模拟实验操作, 拖动鼠标可以进行结构辨认, 同时可以点击放大镜对较小部位进行观察, 点击缩小镜后恢复原状, 点击右下角的手术器械后既可选取相应的手术器械, 拖动选取的手术器械可进行模拟解剖。只有当完成指定的操作后方可进人下一步, 当然如果你对前面这些内容都已相当熟悉, 点击快进按钮即可进人后面的操作, 点击退出按钮可退出本次实验。最后设有与本次实验项目有关的临床手术应用录像, 把基础与临床紧密结合起来, 让学生学以致用。
2、虚拟解剖实验室在解剖教学中的运用
目前各医学院校的尸源相对不足, 与就读学生人数增加构成严重矛盾。虚拟解剖实验室可有效缓解这矛盾。解剖学虚拟实验通过人机对话, 高度仿拟真实的器械和标本操作, 不受传统面对面教学模式的限制, 不受时空限制, 学生可随时进入实验操作系统来解剖人体各个局部, 最重要的是可进行重复操作, 从而有效解决尸体解剖不可重复进行和尸源不足的难题。另外, 虚拟解剖实验室通过虚拟现实技术可使抽象问题具体化、静态事物动态化、复杂问题简单化, 使教学内容难度降低, 教学效果明显提高。如颅的组成和整体观、内囊与背侧丘脑等的位置关系、侧脑室的位置与分布、中枢神经系统的传导通路等, 对这些内容许多学生不能形成立体认识, 要达到理解掌握好就非常困难。而使用虚拟现实技术可以三维立体的形式充分显示人体某局部或器官的立体构象, 增强学生的视觉效应, 有助于在学生脑海中形成立体概念, 进而对这些内容能彻底理解掌握。同时还可充分激发学生的学习兴趣, 通过视听两种刺激, 吸引学生的注意力, 帮助学生深刻理解各知识重点和难点, 帮助学生对组织器官、空间构象、器官毗邻关系的理解, 帮助学生形成立体思维的能力。
3、虚拟解剖实验室在解剖教学中的不足
虚拟解剖实验室中虚拟解剖操作不能完全代替亲手尸体解剖, 虚拟现实技术虽然具有高度的仿真性, 但其本质还是模拟, 与学生亲自进行解剖尸体的感觉体会还是有本质的区别。虚拟现实技术采用的素材是解剖图片, 尽管具有三维立体效果, 而其显示的方式仍离不开屏幕, 并不是真正的立体。另外, 以解剖图片显示的人体结构与尸体本身展示的结构也不尽相同, 因为人总是存在有明显的个体差异, 体型不同会造成一些器官的位置形态也明显不同。亲自解剖时所目睹的结构也不会像图片显示的那样干净, 在实际工作中, 青年教师若不亲自解剖尸体, 理论课讲得头头是道, 解剖图谱也非常熟悉, 而在解剖尸体时或在尸体上辨认结构时却茫然不知所措, 这就是最好的例证。因此虚拟解剖实验室中虚拟解剖操作, 虽能挖掘学生新的潜力, 牢固掌握知识技能, 但同时也要结合有限的尸体进行解剖, 以便能真正掌握人体之结构, 为学习其他医学课程和参加临床工作打下坚实的基础。另外, 虚拟现实技术主要是利用3DMAX6.0、Virtools Dev3.0等软件作为制作工具, 与P o w e r P o i n t Flash等制作工具相比, 技术含量高, 学习难度较大, 一般的解剖学教研工作者若不经过专门培训, 不易掌握, 因此, 目前在教研工作领域中具有推广价值的虚拟实验主要利用Flash技术[5,6]。
4、虚拟解剖实验室在解剖教学中的前景
虚拟实验室是一种共享型虚拟现实系统, 它能够利用计算机创造的虚拟实验环境来模拟各种现象或过程。大型虚拟实验室系统往往基于专业硬件开发, 价格高昂, 且实验资源的开发需要专门的技术和创作工具, 很难在教育领域推广。因此, 真正应用到解剖学教学中的虚拟实验室, 则在国内还没有成型的研究成果, 因而虚拟解剖实验室的挖掘潜力依然很大。目前, 数字化虚拟人体等虚拟现实技术迅速发展, 相信不久的将来, 数字化虚拟人体等技术能很快推广普及到各医学院校解剖实验室。那时, 虚拟解剖实验室将为解剖学教学提供革命性的变化, 将为古老的人体解剖学科带来一次划时代的革命。
参考文献
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虚拟教学实验 篇9
初中生物是学生进入中学后接触的一门新学科, 这门学科的目的在于培养学生对生物科学的正确认识, 并初步培养起实验科学和验证科学的思维, 对初中生来说, 是一门乐趣多多的课程。在初中生物学课程中, 实验教学能培养学生们的动手能力, 锻炼其独立自主完成实验的操作能力, 在掌握实验原理、操作技能的基础上更好地全面认识和理解生物科学, 对学生学习生物有着积极作用。但当前初中生物实验课堂由于多种因素影响, 在推行实验科学的力度上和效果上不甚理想, 如何寻求更好的解决手段, 成为困扰初中生物实验教学的难题。
二初中生物实验教学现状
在中学生物课堂中, 学生们只有在实验中了解了生物学这门特殊的自然科学, 在掌握和理解相关生物知识时才能更深入地理解。但实验教学中, 因多种因素影响, 影响着教师的教学和学生的学习。如课程中生物实验所需要材料过多, 缺乏相关材料, 实验就无法正常进行;有些实验则是成本过高, 无论是器材、时间等都不允许;有些则是因为实验本身充满了危险性以至于无法开展, 无法充分发挥自身的辅助教学效果, 所以对于很多以演示实验来辅助教学、帮助学生认知和了解知识的课堂中生物实验教学难于开展。面对这个问题, 当前初中生物教学课堂提出了以虚拟实验教学改变当前尴尬局面。虚拟实验是按照实验操作原理等以计算机为载体来完美模拟, 让学生们通过操作计算机来充分感受无法实际实施的实验教学, 以此获得能力和知识上的进步, 改善传统生物实验教学所遭遇的尴尬局面, 提升教学效果和质量。
三虚拟实验在初中生物教学中的作用
虚拟实验教学不但能提升生物学习效率, 还可以有效节约教学成本, 降低教学设备、实验器材消耗度, 保障设备安全和实验人员安全, 便于开展实验检测。初中阶段的学生正处于成长阶段, 记忆能力、理解能力、认知能力都在不断提升, 在首次接触生物这门新学科时极易激发兴趣同时也易于遇到学习挫折, 所以这一阶段的学习质量和效果都不稳定。作为奠定基础的重要时期, 提升学生们的学习效率和质量是生物教学的关键。实验教学作为生物教学的特色组成部分, 易激发他们的兴趣, 让他们在动手的过程中锻炼自己的观察能力、理解能力、逻辑思维能力, 提升学习兴趣和效率。尤其是虚拟实验教学的应用, 这种新型的实验教学方式会让他们感到新颖, 将枯燥难懂的生物知识转化为简洁直观的实验过程, 帮助理解记忆, 提升学习效率, 激发探索欲和求知欲。如在学习“植物的开花与结果”这一章节时, 学生们无法直观地全程观测到植物开花结果的全过程, 但在依靠虚拟实验进行教学的课堂中, 学生们却可以在计算机模拟的情况下毫无遗漏地全程观察一株具体的植物从发芽、开花再到结果的全过程, 并对各个结构与部分进行认识和了解, 这在吸引学生兴趣、注意力的同时也提升了课堂效果与效率。
虚拟实验教学的应用在实际中极大地节省了实验教学成本, 而传统生物实验中, 很多教学无论是设备仪器还是材料需求都很大, 无疑提升了课堂成本。但在引入虚拟实验之后, 教师们直接在计算机上进行模拟实验, 在充分应用多媒体设备的基础上降低了实验教学成本, 学生们也能更全面、直观科学地认知教学内容, 可谓是双赢。
传统生物教学中, 不少实验存在一定危险性, 为了降低这些危险, 操作规章制度繁多, 学生们在进行实验的过程中也无法享受实验乐趣, 且实验条件易受影响, 面对这种情况, 无论是从保护仪器设备、学生人身安全和求知欲、好奇心哪个角度出发, 选择虚拟实验都是势在必行。如让学生提前通过虚拟实验的练习操作了解实验过程和需要注意的事项, 然后在实际操作过程中再加以实施, 不仅能提升他们的认识和了解程度, 而且可以规避不必要的风险, 也能降低实验损耗。从更高的层面上讲, 这无疑是为学生提供全方位、开放性的操作环境, 改善传统实验缺陷的好方式。虚拟实验的开展能突破传统实验时间和条件的限制, 自由地进行操作, 尤其可以对学生们的实验操作情况进行监测评价, 掌握学生的薄弱处和失误区, 利用虚拟实验环境, 巩固学生学习。
四结束语
总之, 初中生物实验教学课堂尴尬境况的改变可以通过引进虚拟实验教学来进行, 虚拟实验教学对培养学生动手能力、学习能力, 降低实验成本有积极意义, 可大力推广。
参考文献
[1]姚海霞.验证性虚拟实验在初中生物实验教学中的作用[J].中学生物学, 2012 (8) :162~163
虚拟教学实验 篇10
实践教学是培养学生创新意识、提高学生动手能力的重要环节, 是培养高素质工程人员的重要平台, 是实现高等教育培养复合型和应用型人才目标的有效途径。同时, 实践教学也是高校教学过程中的薄弱环节, 一直以来都是高校教学改革的重点。实验教学是实践教学的重要组成部分, 其教学质量对人才培养目标的实现影响甚大。然而, 大部分的实验设备费用昂贵, 设备规模难以与日益增长的学生规模相匹配, 导致实验教学规模难以满足高校教学发展需要。信息技术和虚拟技术的发展, 为实验教学的改革提供了契机。基于信息技术和虚拟技术构建虚拟实验系统, 深化了实验教学改革, 提高了实践教育质量工程, 成为高校教学改革的一个重要内容。
现有虚拟实验系统研究中, 文献[1]介绍了牛津大学、赫尔辛基大学、卡耐基梅隆大学等大学的虚拟实验系统, 论证了虚拟技术应用于实验教学的可行性和有效性。文献[2]构建的虚拟炼铁实验室被欧洲4所机构采用, 且效果显著。文献[3,4]创建的虚拟工程实验室, 解决了远程教育中难以开展实践教学的难题, 验证了虚拟实践教学实验室的可行性和有效性。文献[5,6]建设的机械装备拆装虚拟实验系统, 文献创建的基于网络的集成机械设计、机械制造、工程材料及技术测量的机械工程虚拟实验系统, 文献[9]开发的集成减速器拆装实验、带传动性能实验及数控加工实验的综合虚拟实验系统, 均在一定程度上提高了教学质量。虽然虚拟实验系统构建技术的研究已取得一定成效, 但是目前虚拟实验系统难以充分利用已有的教学经验指导虚拟实验过程, 无法最大限度地提高实验教学的质量。同时还存在人机界面不够友好, 模型不够直观等不足, 交互性、沉浸性较差等不足。
针对以上不足, 有必要充分结合人工智能与虚拟现实技术, 探讨智能虚拟实验教学机制, 构建智能虚拟实验系统框架, 获取、表达和处理实验教学经验知识, 引导虚拟实验过程, 深化实验教学改革, 充分提高实验教学质量。
2 智能虚拟实验教学机制
构建智能虚拟实验系统要所需解决的关键问题是探讨智能虚拟实验系统的教学机制, 研究人工智能技术与虚拟现实技术的集成机制, 获取、表达和处理教师教学经验知识, 解决现有虚拟实验系统难以利用已有的教学经验指导实验过程的问题;通过开发操作友好的人机界面及真实感强的实验设备模型, 解决现有虚拟实验系统交互性、沉浸性较差的问题;开发教师教学经验知识库和模型库的组织、管理和维护模块, 实现知识库和模型库的可选择、可调整、可扩展。
智能虚拟实验系统的教学机制如图1所示。学生通过自己的账号、密码登录智能虚拟实验系统, 选择所要进行的实验项目后根据教师要求设定相关实验初始参数。进而通过互动性强的用户交互界面开始进行实验。系统根据学生选择的实验项目和设定的相关初始参数进行案例推理, 在给定的相似度条件下寻找匹配系统内部存储的类似实验过程数据。若给定相似度条件下的实验过程数据存在, 表明已经成功进行过相似类型的实验, 则系统调用所存储的实验过程数据, 并从实验过程数据中提取经验知识, 对学生的实验操作过程进行指导, 以便及时在学生误操作时结合实验项目所涉及的相关理论知识和经验知识给出相应的误操作提示及其产生原因, 使学生能够进一步消化理论知识, 掌握操作经验知识, 实现学以致用的教学目标。如此反复调用相似实验过程数据引导学生操作直至实验过程结束。若在实例推理过程中, 无法找到给定相似度条件下的历史实验操作过程数据, 则表明不存在类似实验过程的成功实例, 则在学生的每一步操作中重复根据系统存储的符号性知识进行推理判断学生的操作是否正确, 若操作错误则给出错误原因和提示, 并给出正确操作建议, 直至实验操作过程结束。实验过程结束后, 学生根据实验教学要求提交相应的实验报告后, 退出系统, 完成实验。
3 智能虚拟实验系统框架
构建智能虚拟实验系统, 深化实验教学改革的目标是将人工智能技术与虚拟现实技术相结合, 在构建智能虚拟实验系统系统框架的基础上, 实现教师教学经验知识对虚拟实验过程的引导, 同时建立有效获取、表达和处理教师教学经验知识的机制, 开发知识库和三维模型库的组织、管理和维护模块, 实现教师教学经验知识库和三维模型库的可选择、可调整、可扩展, 并通过构建三维零件模型库和机器模型库, 实现交互性、沉浸性良好的实验模式, 达到提高实践教学效益和质量的目标。
智能虚拟实验系统是一个基于知识的实验系统。知识的获取、表达和处理需要知识库、推理机、解释机制和人机接口的支持。随着知识处理技术的日趋成熟, 目前构建基于知识的系统的关键技术是知识获取、综合集成和知识库维护等方面。因此, 智能虚拟实验系统应该是一个开放的系统, 主要体现在以下几方面:
(1) 智能虚拟实验系统应能够对实验教学的经验知识、领域知识、规范知识进行组织、管理和维护, 同时实现知识的可选择、可调整、可扩展, 以达到不断丰富和不断实用化。
(2) 智能虚拟实验系统应能够满足外部系统的可嵌入功能, 并支持外部系统的调用功能, 使之能够调用外部系统的子模块, 扩展系统的功能, 从而达到系统可扩展的目标。
基于智能虚拟实验教学机制, 围绕智能虚拟实验系统的构建目标, 针对知识的获取、表达和处理机制, 为实现知识的可选择、可调整、可扩展和可重用, 构建智能虚拟机械类实验系统框架如图2所示。智能虚拟机械类实验系统主要包括CAD/CAE仿真、解释机制、动态数据库、推理机、知识库、知识库管理、知识获取、人机界面等模块。
3.1 CAD/CAE仿真
CAD/CAE仿真模块主要实现实验环境、实验过程的可视化, 以直观、交互性强的用户界面呈现实验过程, 从而提高学生实验过程中的沉浸性和体验性。CAD/CAE仿真主要包括三维建模、运动仿真、结构分析等部分。三维建模和运动仿真主要由Pro/Engineer的二次开发工具箱实现, 集成MFC开发环境和Pro/Engineer实体建模环境, 实现实验过程的三维仿真。结构分析主要集成ANSYS有限元分析环境, 实现机械结构的静力、动力仿真。
3.2 解释机制
解释机制用于向用户解释系统的行为, 包括对实验操作步骤规范性的推理过程、经验知识引导实验操作的推理过程等。
3.3 动态数据库
动态数据库用来记录实验操作过程中所需的控制信息、中间假设和中间数据。为避免数据信息膨胀, 动态数据库模块还应具备及时删除历史信息的机制。
3.4 推理机
推理机模块用于有效的处理智能虚拟实验系统中的符号性知识和实例知识, 根据符号性知识或实例知识推理判断学生操作步骤的规范性。同时, 在学生操作步骤错误时推理得到错误原因并根据经验知识引导学生纠正操作。
3.5 知识库
知识库模块用于存储符号性知识、实例知识。由于符号性知识和实例知识在组织结构上、表达形式上各有特点, 为了更加简便有效地组织、管理和维护这两种知识, 将两种知识分开存储、管理和维护。
3.6 知识库管理
知识库管理主要实现知识的组织、管理和维护。知识的可选择、可调整、可扩展是壮大知识库的必要条件。同时, 知识库难免出现矛盾、冗余等问题, 有必要对知识库进行补充、优化和校验, 以得到高质量的知识库。
3.7 知识获取
知识获取是开发智能虚拟实验系统的瓶颈问题和最大挑战。知识获取的目标是提炼相关的领域知识、经验知识、规范知识。知识获取采用人工获取的方式进行, 由知识工程师通过人机界面进行。
3.8 人机界面
人机界面为学生、教师、知识工程师及外部程序与智能虚拟实验系统之间提供良好的交互界面, 用于识别学生、教师、知识工程师及外部程序的命令、数据等信息, 以及对智能优化设计系统的过程信息和结果信息反馈。
在智能虚拟机械类实验系统框架的基础上, 可开发智能虚拟机械类实验系统, 促进机械类实验教学改革, 充分利用已有的教学经验指导实验过程, 最大限度地提高实验教学质量。同时, 解决现有实验系统存在的人机界面不够友好, 模型不够直观, 交互性、沉浸性较差等不足。
4 结论
4.1研究了基于人工智能与虚拟现实技术的实验教学新模式, 探讨了智能虚拟实验系统的关键构建技术, 给出了智能虚拟机械类实验系统框架结构, 开发了智能虚拟机械类实验系统。
4.2智能虚拟机械类实验系统使“创新人才培养模式、加强实践教学环节研究, 深化教学方法与教学手段改革, 提高人才培养质量”得到了体现, 解决了现有实验设备规模滞后于学生规模的问题, 有效提高了实践教学效益和质量, 提高了学生的实践能力和创新能力。
4.3智能虚拟实验系统为应用型高校在课程与课堂中学生实践能力培养方式的探索提供理论和实践的借鉴, 为促进教师更新教育教学理念, 推动教学组织形式及方法的改革奠定基础。
摘要：本文研究基于人工智能与虚拟现实技术的实验教学新模式, 探讨构建智能虚拟实验系统的关键技术, 提出智能虚拟机械类实验系统框架结构, 在开发智能虚拟机械类实验系统的基础上验证新教学模式在提高实践教学效益和质量、提高学生实践能力和创新能力方面的可行性和有效性。
关键词：智能,虚拟,实验系统,实验教学,教学模式
参考文献
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虚拟教学实验 篇11
关键词：高中生物；实验教学；虚拟实验
一、当前生物实验教学存在的问题
当前中学生物课堂中，学生们在实验中可以了解生物学这门特殊的自然科学，在掌握和理解相关生物知识时才能更加浅显易懂，不过在实验教学过程中，因多种因素影响，出现了较为尴尬的教学局面，影响着教师的教学和学生的学习。比如，课程中生物实验所需要材料过多，缺乏相关材料实验就无法正常进行；有些实验则是在耗费成本上过高，无论是器材、时间等都不允许；有些则是因为实验本身充满了危险性以至于无法开展，结果造成实验教学在课堂中地位尴尬，无法充分发挥自身的辅助教学效果，所以对于很多以演示实验来辅助教学、帮助学生认知和了解的课堂中生物实验教学的开展困难重重。
二、虚拟实验的应用价值
虚拟实验教学的开展对于高中生物课堂来说益处多多，它是提升生物学习效率的好帮手，能够节约教学成本，降低教学设备、实验器材消耗度，保障设备安全和实验人员安全，便于开展实验检测。同时由于传统生物教学中，不少实验存在一定危险性，为了降低这些危险，操作规章制度繁多，学生们在进行实验的过程中也无法充分地享受实验乐趣，且实验条件易受影响，学生们经常在教师的指导下还是错误多多，最终只能通过演示实验的方式让学生看看了事。面对这种情况，无论是从保护仪器设备、学生人身安全和求知欲、好奇心哪个角度出发，选择虚拟实验都是势在必行。比如，让学生提前通过虚拟实验的练习操作了解实验过程和需要注意的事项，然后在实际操作过程中再加以实施，不仅能够提升他们的认识和了解程度，而且可以规避不必要的风险，也能够降低实验损耗。从更高的层面上讲，这无疑是为学生提供全方位、开放性操作环境、改善传统实验缺陷的好方式。虚拟实验的开展能够突破传统实验时间和条件的限制，自由地进行操作，尤其可以对学生们的实验操作情况进行监测评价，掌握学生的薄弱处和失误区，利用虚拟实验环境，巩固学生学习。
总之，高中生物实验教学课堂尴尬境况的改变可以通过引进虚拟实验教学来进行，虚拟实验教学对于培养学生动手能力、学习能力，降低实验成本有积极意义，可大力推广。
（作者单位 吉林省安图县二道白河镇长白山第一高级中学）
基于虚拟实验平台的教学改革 篇12
关键词：《数字信号处理》,虚拟实验教学平台,LabVIEW,虚拟仪器
1《数字信号处理》课程的实验教学现状
《数字信号处理》课程的实验课分为软件实验和硬件实验。在讲解课程内容时, 教师通常会利用MATLAB软件辅助教学, 在课堂上演示结果, 有条件的学院还会给学生开设基于MATLAB的实验课。对于这样的软件实验, 要求学生必须掌握MATLAB软件, 所以, 在开设《数字信号处理》课程之前, 学院必须先开设《MATLAB基础》课程。MATLAB软件界面和编程语言几乎是全英文的, 这对大部分三本学生来说有很大的困难, 所以, 导致软件实验几乎无法进行。要想开设硬件实验, 就需要购买实验设备、组建实验室, 还需要维修, 这笔费用是相当可观的, 而且电子类课程硬件实验箱种类很多, 实验方法大同小异, 很容易出现学生提不起兴趣, 实验效果不佳的情况。
Lab VIEW是一种功能强大的虚拟仪器开发平台, 在我国, 许多大学已将Lab VIEW作为本科的教学内容。虚拟实验是一种现代实验教学的发展模式, 它能够有效地补充和完善硬件实验, 缓解实验设备不足和资金缺乏等问题, 易于维护, 而且教师和学生可以从Lab VIEW论坛和Lab VIEW官网中得到技术支持。
虚拟实验室不仅可以满足验证实验的需要, 还可以将其应用到学生的课程设计、毕业论文选题和各类电子设计大赛中。———————————————————————————基于虚拟实验技术的教学改革是任课教师的职责, 教师们应该大胆创新, 将新思想、新技术引入学院教学中, 不断提高教学质量, 培育高素质的人才。这一想法得到了我院领导的大力支持, 相关教师也将此申请为校级科研项目。目前, 该项目已经在我院《数字信号处理》实验课中试点。
2 虚拟仪器软件Lab VIEW
由我院的实际情况可知, 学生获取电子学知识的道路是艰难的, 他们在教室里学习到的概念与实际的工程应用有很大的距离。从大二开始, 很少有学生能够继续坚持学习工程, 因为他们被理论和仿真所压倒, 没有机会去真正地“做工程”。针对这种情况, 基于Lab VIEW的教育工作者们可以使用现成、可用的练习或者自定的练习应用来满足课堂和实验室的需求。使用Lab VIEW, 学生们就拥有了实践与探索的工具, 而唯一的限制就是他们的创造力和想象力。
Lab VIEW作为全球院校采用的图形化编程环境, 将实践性的学习带入了课堂, 强化科研应用, 为培养下一代创新者提供了巨大的帮助。该软件具有直观的图形化系统设计特性, 便于教师和研究人员进行应用设计、原型和部署。Lab VIEW是专为工程师和科学家而创建的开发环境, 它被用于90%的“世界500强”制造型企业中。
3 虚拟实验室初探
2013年, 我院成立了中兴电信实验教学中心。自实验教学中心成立以来, 学院的各项教学改革不断深入, 并基于实验教学中心完成了教学团队建设、精品课程建设、基于CDIO教学模式的全课程体系的教学改革。中兴电信实验教学中心由模拟电路实验室、数字电路与仿真实验室、通信原理实验室、电路原理与信号系统实验室、微机原理与接口技术及单片机原理与应用实验室和科研创新实验室等15个实验室组成, 它们主要承担中兴电信学院电子信息工程、通信工程、计算机科学与技术、物联网工程和通信技术专业等相应课程的实验和实训、仿真实验、课程设计和电子系统设计、毕业设计等教学工作。在这个大环境下, 教师们尝试在《数字信号处理》课程中引入虚拟实验室, 不仅填补了我院在这方面的空白, 还使我院的实验室建设迈上了一个新台阶。虚拟仪器实验平台为学生提供了良好的课程实践软件环境, 也为西安培华学院培养应用型创新人才提供了巨大的帮助。
在《数字信号处理》课程中, 有些实验, 例如数字滤波器设计, 教师在讲解各种滤波器的种类和技术指标时, 学生在下面听得一头雾水, 无法将理论与实际相结合。如何解决这个问题呢?教师解决这个问题通常有2种方法: (1) 利用Matlab工具箱的函数仿真出波形让学生理解, 这是建立在教师能够熟练使用Matlab软件的基础上的。但是, 对于让学生动手设计滤波器的大作业任务, 学生往往不能独立完成。 (2) 采取硬件实验手段。这需要购买大量的元器件, 还要配套示波器、信号发生器等硬件设备。上述2种方式往往需要花费大量的时间和精力, 而且还达不到预期的效果。但是, 虚拟实验平台可以将理论知识融入实际工作中, 让学生在虚拟仪器界面上操作, 修改参数, 理解在参数改变的条件下波形的变化, 从而达到教学目的。
在《数字信号处理》课程教学中, 除了要打破常规, 利用实验室条件完成课程验证实验外, 学生还需要完成由教师专门设计的相关综合类和设计类项目课题。
《数字信号处理》课程教学改革项目的实施共分为3个阶段: (1) 基础培训。介绍Lab VIEW程序设计基础, 包括界面、菜单、工具、模板、器件和函数等。授课方式为小班授课, 每次20人, 每次培训后布置一项针对培训内容的大作业, 课后提交作业并当场演示。为了避免学生之间的互相抄袭, 教师针对每次大作业设计了相同水平的不同题目, 参与基础培训课程的学生只有考核合格后才能进入下一阶段。基础培训阶段结束后, 因为学生的基础不同, 所以, 将学生分为不同层次, 因材施教。教师要针对学生综合性地设计题目, 以保证每个学生都能参与到实验中。 (2) 立项阶段的具体实施方案要遵循我院CDIO教学理念。CDIO教学理念主要是指“学中做”, 即学生3~5人为一个项目小组, 可以结合自己的兴趣和水平自拟实验项目, 也可以从教师提供的项目题目中选择。确定题目后, 每组学生要写一份简单的项目方案计划书, 教师根据该计划书, 针对方案的内容提出相应的建议和指导。通过“做”, 让学生确定学习目标, 将理论知识与实际情况相结合, 深入了解理论知识在实际工程项目中的应用, 从而提高他们的学习兴趣。这样做, 学生比以前忙碌了许多, 问问题的学生也多了许多。“做中学”, 即通过“做”学到什么, 每个项目从构思、设计、运作到完成, 每个步骤都是学习的过程。学生参与这样的几个项目之后, 大大提高了他们的工程实践和创新能力, 而且通过这种项目式的自主学习, 学生也对实际工程项目和科研项目有了一定的感性认识。在这个过程中, 他们学会了钻研, 能够独立解决实际工程中遇到的各种问题, 并依靠团队合作保证项目进度。 (3) 在第三个阶段——展示和答辩环节, 学生需要简短而凝炼地表达出自己所做的工作和取得的成果。这个过程能够锻炼学生的表达能力和沟通能力。
此次虚拟实验教学改革效果良好, 虽然教师为教学改革付出了很多, 做了大量辛苦的工作, 但是, 他们积累了宝贵的教学经验, 而学生也通过自己的努力收获了知识和能力。在未来的工作中, 要想让优秀学生脱颖而出, 优秀学生就要起到带头的作用, 在不同层次、不同年级学生之间营造浓厚的学术氛围, 将“要我学”转变为“我要学”。同时, 依托虚拟实验室, 积极组织、训练学生, 让他们参与到科技竞赛中。
4 教学改革前后效果分析
实实在在的过程性考核、作品展示、讨论答辩和民主评议突显了基于项目式教学改革的优势, 其与传统教学内容、教学方法、笔试考试相比有很大的不同。
5 结束语
西安培华学院在《数字信号处理》课程中首次引入了虚拟实验室, 取得了良好的效果, 为其他课程的实验教学提供了改革方向。学生们基于Lab VIEW图形化系统设计平台能够快速提升自己的实践能力, 而创新的教学改革思想和项目运作过程的经验总结也成为了学校教学改革的宝贵财富。同时, 这也为学生创造了良好的软件环境。教学改革成功的关键在于, 学院在人才培养过程中要采用校企合作模式。今后, 我们将不断完善虚拟实验室建设, 将更多课程教学引入虚拟实验室中, 使其成为一个完整的实验教学体系。
参考文献
[1]Robert H.Bishop.Lab VIEW 6i实用教程[M].乔瑞平, 译.北京:电子工业出版社, 2003.
[2]戴敬, 王世力.Lab VIEW基础教程[M].北京:国防工业出版社, 2002.
[3]杨乐平, 李海涛, 杨磊.Lab VIEW程序设计与应用[M].北京:电子工业出版社, 2001.