虚拟实验设计论文范文
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第1篇
1.弹性元件的虚拟模型根据导体材料的应变电阻效应，电阻的相对变化与应变之间的关系。为了获得电桥输出与载荷的关系，需要构建弹性元件的数学模型。电阻式传感器的弹性元件结构有圆筒式、柱环式、悬梁式和轮辐式四种基本类型，各种不同的结构型式的弹性元件应变ε与载荷F的关系如下所示。（1）柱筒式弹性元件其中E为弹性模量，A为横截面积。（2）柱环式弹性元件其中R0为内环半径，b为柱环宽度，h为柱环厚度，E为弹性模量。（3）悬梁式弹性元件其中l为有效长度，b为悬梁宽度，h为悬梁厚度，E为弹性模量。（4）轮辐式弹性元件其中b为轮辐条厚度，h为轮辐条宽度，G为剪切模量。将四种弹性元件类型设计在一个子VI中，通过操作“弹性元件类型”下拉列表进行选择。
2.虚拟电桥模型电桥是目前常用的电阻式传感器测量电路，整个电桥电路由四个桥臂组成，当桥臂接入应变电阻时则成为应变电桥。当有一个臂被接入应变电阻时，被称为单臂电桥；两个臂被接入应变电阻时则为双臂电桥（也称半桥）；四个臂均被接入应变电阻时则称为全桥。在桥路中均未接入应变电阻时。
3.电阻属性和接桥方式设计前面板（如图1所示）上电桥部分的电阻属性分为固定电阻、应变电阻和平衡电阻三种，应变电阻的贴片方式分为受拉应力和受压应力。（1）电阻属性。图1中的电阻R1的属性只有两种：应变电阻和固定电阻。该属性通过操作“R1”设置开关进行选择。若R1为应变电阻属性，其阻值会随载荷F的增减而产生相应的ΔR1以及因温度变化产生的ΔR1t。电阻R2的属性与R1相同。通过操作“R2”设置开关可以选择R2的属性。若R2作为应变电阻，则会随载荷F的增减而产生相应的ΔR2以及因温度变化产生的ΔR2t。若操作“差动设置”开关，则可使R2的受力方式为受压应力，从而会随载荷F的增减而产生相应的-ΔR2以及因温度变化产生的ΔR2t。R3，R4需要参与调平电路的设计，因此接线也会相对复杂。通过操作“R3”和“R4”设置开关对该电阻进行属性操作。图中出现的Rr显示框为调零电路中的R5的右半部分与R6串联然后再与R3并联后的阻值。Rl显示框为R5的左半部分与R6串联后再与R4并联后的阻值。（2）接桥方式的设计。虚拟前面板上的电桥工作方式分别为：不工作、单臂工作，半桥工作和全电桥工作方式四大类型。对于半桥和全桥方式，其中应变片又分为差动和非差动两种布片方式。不工作方式指的是R1，R2，R3和R4都设置成固定电阻。该方式无论怎样施加外力，输出始终为零。单臂工作时将R1设置为应变电阻，R2、R3、R4设置为固定电阻。此时，按“R1”按钮，“R1”按钮变绿，图中应变电阻R1如果显示向上的箭头，表明该应变电阻受拉应力，对应电阻值增大；如果应变电阻R1显示向下的箭头，表明该应变电阻受压应力，对应电阻值减小。半桥非差动工作时，R1、R2设置为应变电阻，R3、R4设置为固定电阻。按下“R1”、“R2”两个按钮，两者均变绿表示接入工作臂，同时电阻R1、R2上的箭头方向一致，表示应变片受到相同性质的应力，此时电桥输出基本为零。半桥差动工作时，R1、R2设置为应变电阻，R3、R4设置为固定电阻。按下“R1”、“R2”两个按钮，两者均变绿表示接入工作臂，同时电阻R1显示向上箭头，R2显示向下的箭头，表示对应的应变片受到拉应力和压应力。全桥非差动工作时R1、R2、R3、R4属性均为应变电阻，此时，按下“R1”、“R2”、“R3”、“R4”按钮，均变为绿色。四个电阻上的箭头方向一致，表明四个电阻受相同性质的应力，此时电桥输出基本为零。全桥差动工作时，“R1”、“R3”电阻箭头向上，表示受拉应力；“R2”“R4”箭头向下，表示受压应力。
4.温度误差计算及补偿在讨论应变计的工作特性时通常是以温度恒定为前提的，但在实际应用过程中，工作温度可能会发生变化，从而导致应变电阻的阻值发生变化。设工作温度变化为Δt℃，则由此引起粘贴在试件上的应变电阻的相对变化为。将公式（11）代入公式（7）-（10），即可以计算出温度变化时的电桥输出，该输出即为温度误差。单臂工作时，采用补偿块法进行温度误差补偿，该方法利用两块参数相同的应变计R1、R2，R1贴于试件上并接入工作臂，R2贴于与试件材料相同温度环境的补偿块上，但该补偿块不参与机械应变，同时接入电桥相邻臂作为补偿臂。当接通电源并施加负载时，补偿臂产生的热输出与工作臂产生的热输出相同，则可达到温度误差补偿的目的。对于半桥差动和全桥差动工作方式，根据公式（10）的和差特性即能进行温度误差补偿。5.非线性误差计算及补偿公式（10）是对公式（9）进行线性化后的输出。对于单臂工作时，非线性误差可以通过在电路中加入补偿臂（该臂不受外加应力作用）。对于半桥差动和全桥差动工作方式，不需要外接补偿电路，因为差动工作方式具有很好的非线性补偿作用。
二、虚拟操作面板的设计
用LabVIEW软件开发虚拟仪器，用户能“量身定制”仪器的操作面板。本实验根据真实的电阻式传感器实验电路接线图作为虚拟仪器的操作面板，能直观地阐述电阻式传感器实验原理及操作方式，虚拟面板如图1所示，主要包括虚拟弹性元件选择、应变电阻布片方式选择、电桥接法选择、电桥调零模块、差动放大模块、直流电源模块。此外前面板还包括电阻、外力、温度的赋值等。
三、远程虚拟实验的演示步骤
电阻式传感器实验的远程操作分别由DataSocket技术与Web网络工具来实现。DataSocket技术以及网络化技术的结合使虚拟仪器的远程控制成为可能，可在若干计算机上对传感器虚拟实验进行操作及数据处理。这为传感器虚拟实验的互动教学提升了便捷性。电阻式传感器虚拟实验的远程操作过程如下：第一步，打开服务器网页。第二步，输入R1、R2、R3、R4的阻值。第三步，选择弹性元件类型。第四步，设置接桥和布片方式。第五步，打开电源开关。第六步，调节调零电位计，直至电桥近似达到初始平衡状态。第七步，点击“施力F”按钮。第八步，查看客户端网页，查看电桥输出曲线。第十步，点击服务器面板中的“复位键”，使所有选项、开关及输入数据均清零和初始化。第十一步，关闭电源开关。
四、结束语
第2篇
1.1功能设计
（1）实验信息管理。
实验信息管理主要包括对实验室工作人员、实验室规章制度、实验室通知以及实验室办公文件等信息的集中管理。
（2）实验课程管理。
实验课程管理是指面向不同的老师、不同的开设班级，对实验课程进行编排，以完成实验课程的统一集中管理，做到实验课程的时间、教室不冲突。
（3）实验设备管理。
实验设备是实验教学过程中的重要资源，对实验设备统一进行信息登记和管理，有助于实现对实验设备的网络化管理。
（4）实验教学管理。
实验教学管理主要包括实验课程的准备，学生实验过程视频的保存，实验报告的电子化及成绩评定，以及实验教学总结。
1.2模式设计
该设计采用了C/S模式和B/S模式相结合的设计模式。整个实验室信息管理系统在WEB环境下运行，客户端与数据库服务器之间采用B/S模式，从而避免了客户端专用程序的开发；而数据库服务器与应用服务器之间采用C/S模式，适宜满足应用程序和数据库系统之间的大批量数据访问和调用，从而提高了数据访问的灵活性。另一方面，由于数据全部存储在专用的数据库服务器上，而应用程序服务器和客户端只负责发出相应的数据请求指令，这样在一定程度上也提高了数据的安全性，后期维护也更加趋于合理。
2虚拟现实技术在虚拟实验中的设计与应用
2.1虚拟现实技术的应用方法
要将传统的动手实验演变为基于虚拟现实技术的虚拟实验，必须要完成三维建模、虚拟场景重建以及动作响应设定等一系列设置，这样才能够实现实验教学的信息化和虚拟化。目前三维建模主要依赖SolidWorks三维软件完成，而虚拟场景的重新构建，在很大程度上依赖于LabView等图形化编程软件的使用。要实现虚拟实验系统的设计，离不开数据库系统的应用，因为在虚拟实验操作过程中，离不开对数据库的实时动态访问，因此如何快速访问数据库系统成为虚拟技术应用的关键。目前应用在虚拟实验系统中的数据库访问技术，主要是依赖于数据的快速存储方式。对于底层传递来的数据，按照数据自身的属性进行分类，从而将数据自动划分到不同的数据类中。在同一数据类中，按照所定义的关键字对数据进行存储。采用分类的数据存储和访问方式，能够极大地提高数据库访问的效率。
2.2机电一体化实验的虚拟化设计应用
本研究课题以具体的机电一体化实验为例探讨虚拟实验系统的设计与应用。机电一体化实验主要完成传感器检测、数据滤波、数据采集、数据显示、电机控制等一系列任务。针对该实验的内容，虚拟化和信息化可以按照如下步骤实施：
（1）三维建模。
借助于SolidWorks三维软件对传感器、滤波器、数据采集卡、数码管、CPU控制器、步进电机等进行三维建模，实验室内的万用表、示波器等其他实验仪器也要建模，以增强实验环境的真实性。
（2）场景重建。
利用LabView图形化编程软件，将上述三维模型进行空间布局设置，构建与实验室完全一致的实验场景。
（3）界面接口设计。
仅仅有图形化场景是远远不够的，还必须借助LabView图形化编程软件对接口进行设计。比如数据采集卡的接口应当与传感器的输出接口保持相同的电平规格；再比如，CPU控制器的输出脉冲应当跟步进电机的驱动电流保持相同电平规格，以确保电机能够被驱动。
（4）虚拟动作响应。
设计了界面接口，就能够利用VRML工具对虚拟动作响应进行设定，通过设定使虚拟实验系统能够智能地感知到操作者的意图，从而顺利完成虚拟实验。
（5）数据库的快速访问。
在机电一体化实验中，需要保存的数据有传感器采集数据、数据采集卡的采集频率、CPU控制器的输出脉冲规格以及步进电机的相关参数。这些参数按照其自身属性可以划分为采集数据、控制数据和输出数据三大类，将上述的数据自动地划分到这三大类中。当虚拟动作响应需要访问数据库系统查询上述相关数据时，可以首先按照数据所在的大类进行查询，这样有助于提高数据库系统访问的快速性和准确性。
3结语
第3篇
（一）实验分析
高锰酸钾制取氧气是利用酒精灯、试管、铁架台、导管、集气瓶、水槽等仪器，通过加热高锰酸钾制取氧气，利用排水法来收集氧气。学生不仅要掌握实验原理、目的，实验仪器和药品的使用方法及注意事项，实验步骤、化学方程式的书写等内容，还要培养观察、分析能力和实践操作能力。
（二）《高锰酸钾制取氧气》的实验目的
（1）通过虚拟实验中的文本展示工具，使学习者了解实验目的、原理和方法。
（2）通过对虚拟实验的操作，掌握药品的选择以及仪器连接的先后顺序，能够动手制取氧气。
（3）通过对实验过程、现象的观察、分析实验反应机制，加深对实验的认知和理解。
（三）《高锰酸钾制取氧气》的虚拟实验活动设计
学生要完成虚拟实验首先需要安装Secondlife客户端，进入Secondlife虚拟环境，通过以下流程完成整个虚拟实验。
（1）准备阶段：学习者通过Secondlife提供的地图工具搜索到虚拟实验室地标并通过瞬间移动工具进入虚拟实验室。
（2）实验阶段：学习者通过人-机交互选择事先通过3D建模工具创建好的虚拟实验仪器、药品并通过资源工具查询相关仪器的使用方法及实验装置图，完成实验仪器的装置；点击各个实验仪器、添加药品来完成实验。
（3）评价反馈阶段：教师根据学生提交的实验报告和学习者的学习记录对学习者本次实验进行一个综合评价，并将评价结果通过评价反馈系统及时反馈给学习者。
二、《高锰酸钾制取氧气》的虚拟实验环境设计
本研究以《高锰酸钾制取氧气》为例设计的虚拟实验环境。以实验过程的设计为理论基础从场景及模型设计、交互设计、支持工具设计、特效设计、评价设计这几方面设计三维虚拟实验环境。
（一）实验环境的场景及模型主要虚拟教室、虚拟实验室和仪器设备组成
虚拟教室由讲台、桌椅、多媒体系统、音响设备、电子白板、书柜、书、电脑组成，供学习者实验后进行交流、报告、探究、形成实验结论。虚拟实验室主要由实验环境、实验操作台、水池、药品柜、灭火设备为为学习者完成实验并获取实验数据。仪器设备主要是酒精灯、试管、铁架台、导管、集气瓶、水槽、铁夹、烧杯。药品耗材主要是高锰酸钾等。
（二）交互系统设计
（1）人机交互设计：在实验中通过操作交互，学习者能够感受到实验设备的控制感和体验感。在Secondlife中，利用创建工具可以实现简单的“点击”“移动”“坐在上面”等操作，Secondlife提供的林登脚本语言可以设置改变物体的性质、运动方式、运动轨迹、对外力的反应等等，能够较好地支持学习者的操作交互。
（2）交流工具：学习者在实验过程中和老师、同伴交流的方式主要有在线的同步交流和异步交流。
（三）支持工具设计
实验支持工具是指支持学习者完成实验的所有工具，本研究的支持工具主要包括搜索工具、资源工具、实验认知工具、评价反馈工具等。搜索工具主要是地图工具和瞬间移动工具通过它们是搜索定位各种学习场所、用户，并瞬间移动到目的地。资源工具包含Secondlife内部资源和外部资源。内部资源主要是3D浏览器；外部资源包括各大搜索引擎。这些工具可以搜索Secondlife内部和外部各种信息资源实验认知工具主要包括3D建模工具、拍摄工具、记事本工具主要为为实验过程中学习者观察记录实验现象、采集数据提供支持。评价反馈工具主要包括问卷系统（choicer、Quizchair）、学习记录系统（Tracker）、Web-Intercom，为实验后学习者自评、反思以及教师评价反馈提供支持。
（四）特效设计
在Secondlife中，通过粒子系统结合林登脚本语言可以营造烟雾、火焰、气体、雪花等各种现象。在本实验中酒精灯加热的火焰、水槽里面的气泡、集气瓶中的氧气、反应过程中的烟雾、药品晶体的状态变化等效果都可以通过粒子系统来实现。
三、结论
第4篇
[关键词]人体解剖学 实验教学 创新能力 临床应用
一、研究背景
实验教学是学生巩固和深化理论知识的重要途径，也是培养学生基本技能、发现和解决实际问题能力、自主学习能力、创新和临床思维能力的重要途径。目前，我国大多数医学院校的人体解剖学主要有《系统解剖学》和《局部解剖学》两门课程组成，实验课基本上还是按课程孤立设置，学生按照编好的实验指导书的要求，由教师指导下的学习模式，学生都是在“接受性学习”，缺乏“自主探究学习”，整个实验缺乏系统性、全面性以及创新性。因此，通过对原有的实验教学定位、教学理念、教学模式、教学方法和手段进行改革，对培养学生的临床应用能力、创新精神和创新能力等综合素质有着非常重要的意义。
二、教学模式的改革
我校五年制医学专业采用系统解剖学和局部解剖学分别在大一下学期和大二上学期完成的模式，我们初步尝试将原有的《系统解剖学》和局《部解剖学》实验进行整合，在前期系统解剖学验证性实验学习的基础上，加强综合性实验，增加设计性、创新性实验，由教师根据学生所学的知识和教学安排，分不同层次、由浅入深提出实验任务，学生自主选择综合性设计性和创新性的实验内容、确定实验步骤及注意事项、经老师审核后开始实验过程，并对实验结果进行分析判断、完成实验报告或实验论文的新模式。通过一系列的有系统、有计划的实验教学，使学生达到由理论知识到实践操作，再由实践操作到创新和临床思维能力的不断由量变到质变的转变。在时间安排上，课内课外并重，充分利用学生的课余时间，要求学生在课余时间完成部分标本制作的实验内容。另外，在基础知识的基础上对局部解剖学的部分实验进行独立的设计，改变原来的实验依托理论的模式，要求学生根据临床手术操作中遇到的问题进行设计，在尸体和标本上进行模拟手术，进一步加深学生对局部解剖学知识的理解。同时将现有的课堂教学、课外专题讲座、课程实验、课外第二课堂等实践形式向课外科技创新、科研训练（student research train，SRT）、大学生科技创新竞赛、新苗计划等活动延伸，不断丰富课内外一体化自主研学平台的内涵，使学生尽可能多的学做合一，扩大学生自主创新实践的内容，有效的启发学生的发散思维。推进学生的个性化发展和全面发展。人体解剖学实验教学就是要构建教与学为一体、理论教学与实践教学为一体、课内与课外教学为一体的实验教学模式。
三、教学内容改革
对现有的《系统解剖学》和《局部解剖学》的实验教学内容和课程体系进行改革，结合教学大纲和高等教育教学加强实践教学环节薄弱改革的需求，按照分层式实验教学的模式；增加实验内容和实验项目；增加实验的开放性，综合性、设计创新性的思维方式，对人体解剖学实验教学课程进行了改革。
1.拓展基础理论知识、基本技能训练实验层
在系统学习解剖学的基础理论知识的基础上，穿插讲解对尸体解剖的一般方法、解剖器械和操作方法、基本解剖方法、标本防腐固定法、血管灌注技术、淋巴管灌注方法等实验对学生进行解剖学实验技能训练。课堂并以学术讲座的形式向学生讲解解剖学科学研究方法，文献综述撰写，布置学生查阅文献，撰写文献综述。使学生掌握解剖学实验的基本知识、基本方法与基本技能，熟悉常用仪器的操作，培养学生观察、记录实验结果及整理、分析实验数据的能力。
2.以临床应用为导向的解剖学实验教学
将系统解剖学和局部解剖学内容相互穿插并与临床及其他相关基础学科结合起来。将实验课内容分为骨学、节学、下肢、上肢、头颈部、脊柱区、胸部、腹部、盆部与会阴、感官、中枢神经系统十一部分。在教学实施过程中，每一章节（如上肢、躯干、头颈部等）实验开始和结束都由教师进行15min的结合临床案例的前言和总结的讲座，使学生认识到解剖学在临床医学中的重要性及其如何与临床结合。以颈部为例，我们通过和临床医师及其他相关基础学科的教师一起讨论，把颈部的内容提炼成以下几个问题：（1）简述颈动脉鞘内结构的排列关系；（2）甲状腺切除术时，从皮肤切口到暴露甲状腺依次有哪些层次结构，术中需特别注意对哪些重要结构的处理，为什么？（3）气管切开术选择何部位，到达气管要经过哪些层次结构？（4）左、右喉返神经的来源和走向有何不同？（5）颈部皮神经的分支分布有何特点？颈部局部麻醉宜选在何处？（6）颈内静脉和锁骨下静脉有何结构特点和重要毗邻，对深静脉穿刺有何影响？上课时先由带教教师介绍甲状腺次全切除术手术步骤、手术中应注意事项，并发症及其处理措施，然后将问题一一列出。
3.以创新为导向的解剖学实验教学
该部分实验分为设计创新型实验教学和课外研究创新型实验两类。设计创新型实验教学由教师提出实验任务，学生独立实施过程，教师全程指导、启发和评价，使学生从科研选题、实验设计、实验操作、结果分析、文献查阅、论文撰写、报告与答辩等各个环节得到一次全面的创新能力和方法的训练。比如教师结合某些知识点或关键的实验技术，提供一些与临床联系较紧密且学生感兴趣的题目作为实验教学内容以供学生选择，让学生在第一、第二阶段已掌握的理论和的技能的基础上自主完成实验，并根据完成情况提交实验报告、实验作品或学术论文。
课外研究创新型实验主要形式为：给定有关题目；各种大学生科技活动；学生直接参与教师科研子课题等项目。让学生通过课外科技创新活动培养学生的创新精神、实践能力和临床思维意识，同时培养学生的团队精神、交流沟通能力和责任感。
四、教学方法与手段的改革
1.以学生为中心，实现自主实践为主的教学模式。将传统的实验指导书修改为由浅入深、由验证、综合再到设计创新的实验项目，充分调动学生学习的主动性。学生通过验证性实验掌握基本实验操作方法，学会正确查找资料，设计综合实验，正确记录观察实验结果，分析实验结果，对实验结果进一步作出判断、推理的能力；正确的通过查阅相关文献、书籍、工具书及其他信息源信息已解决临床应用中的问题的能力。同时借鉴借鉴PBL（problem based learning）改变传统的教学方式，在教学过程中根据进度安排临床病例讨论课，提供相应的病例设计问题和相关的参考书籍书目，让学生围绕病例，通过书籍杂志和网络、用解剖学知识解决问题。
2.运用现代化技术及先进的实验教学手段。对临床应用中的实际问题如常见病的手术治疗采用计算机虚拟技术、虚拟人、医学仿真技术等现代化实验信息技术手段，结合学校的BB平台、已经建好的人体解剖学PBL教学平台和人体形态学数字化教学平台，把虚拟实验、医学仿真实验和临床实践问题想结合起来，使实验教学与创新和临床应用接轨，可以有效提高学生的学习兴趣，刺激学生参与实验的积极性。将尸体上的实际操作和虚拟仿真、现场授课和多媒体课件、网络化远程互动和掌上智能式平板虚拟有机结合起来，充分利用网络、教学平台及各种实验教学媒体进行实验教学，激发学生学习兴趣，提高实验技术的临床应用性和常见手术操作的前瞻性，促进学生科学的临床思维方法与创新能力的结合。同时让学生了解先进的手术操作技术及其应用，拓宽知识面，培养他们的实验技能和科研能力。
3.课外开放实验。在开放性实验室里，学生可以在自己支配的时间内从事提前设计的，教师审核通过的实验，也可以完成课外的实验，以学生为中心，自主设计制作的人体解剖学标本制作大赛。开展“解剖学实践大赛”，学生根据自己兴趣，自愿参加，自由组合，设计方案，拟定操作步骤和程序，在教师和实验师指导下，完善方案，独立完成解剖学标本制作和实验报告。如学生制作阑尾炎手术的解剖学入路。
4.运用先进的实验教学考核方法。实验成绩采取平时成绩同实验报告和实验论文相结合的做法。鼓励学生实验中有创新。（1）实验报告为平时成绩，主要考察学生对实验结果的整理、分析、总结能力。此部分成绩约占总成绩的30%；（2）以实验考试、考核成绩反映学生对人体解剖学的基本理论、基本技能的掌握（考试、考核的内容除解剖、观察标本外，还应包括X光片、螺旋CT图片阅读及相关临床病例分析、讨论等）。此部分成绩约占40%；（3）学生设计方案及实施考核，主要考察学生创新意识、科学思维方式与实践能力。教师根据学生查阅文献情况、实验设计水平、实验方案的实施情况、以及实验结果的分析能力和科研论文撰写情况综合评定实验成绩，此部分成绩占30%。
五、结语
人体解剖学实验教学是医学院校学生学习基础与临床课程桥梁的重要组成部分，是人才培养的重要基础环节，是学生巩固和深化医学基础理论知识的重要途径，也是培养学生基础技能、发现和解决临床应用问题能力、自主学习能力、创新能力的重要途径。因此我们非常重视实验、实践教学环节，从实验教学理念、教学内容、教学方法和手段等多方面进行改革，保证实验教学适应新形势下对人才培养的总体要求，不断对实验教学进行改革，提高实验教学的质量和水平。
第5篇
关键词:创新能力 科学探究 设计实验 数字化实验
实验是物理学发展的基本动力,它在物理学发展中起着发现探索新规律、验证新理论、测定物理常数以及在现实社会中的推广应用等重要作用。因此实验是研究物理学的一种基本方法,同时实验也是培养学生科学创新的一种有效途径。
在物理实验教学过程中,不仅要引导学生理解物理概念及物理规律产生的条件、发生、发展的过程,掌握实验的具体做法和基本技能,学会研究物理问题的实验方法,更重要的是要通过物理实验提高学生的创新素质,培养学生的创新能力。在全国第三次教育工作会议上曾深刻地指出:“今天,面对世界科技飞速发展的挑战,我们必须把增强民族创新能力提高到关系中华民族兴衰存亡的高度来认识。一个没有创新能力的民族,在综合国力竞争日趋激烈的21世纪根本没有立足之地。具有较强的创新意识、创新思维能力和创新实践能力的学生,会更加适合未来社会的发展需求。可见加强学生创新能力培养是非常必要的。”
下面就初中物理实验教学培养学生的创新能力从不同的实验教学途径探讨如下:
一、增加科学探究实验,培养学生创新能力
将科学探究列入教学内容,旨在将学习重心从强调知识的传承和积累向知识的探究过程转化,从学生被动接受知识向主动获取知识转化,从而培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神。与传统的验证性实验相比,探究性实验的优点是能激发学生的学习兴趣,锻炼学生的各方面能力、培养学生的性格品质,更能提高学生的科学素养和创新精神。
教师在进行科学探究实验教学前,要多下工夫,想方设法将实验设计成探究性实验,有意识地创设一种探究的氛围,扩大探究空间和思维空间,并能在学生探究过程中寻找创新的突破口。例如,对于“阻力对物体运动的影响”实验,老师可先提出问题,让学生猜想并说出猜想的依据,然后让学生结合书上给出的实验设计方案完成实验,并让学生思考几个问题:为什么每次实验时都要让小车从同一斜面的同一高度滑下来?能不能不用斜面直接用手推动小车?能不能改变斜面的坡度或者小车的高度?这一实验中应观察什么?如何记录实验现象?你还能设计哪些不同实验进一步来探究这个问题?最后同学们很好完成了本次探究实验,并设计出了几种新的探究方案,而且还用到了控制变量法和理想化实验两种科学方法。在这样的科学探究过程中,使学生逐步养成敢于探索、质疑,善于交流、合作的良好态度和创新精神,为学生的终身学习奠定基础。因此,增加科学探究实验,不仅有利于理解知识和科学方法的获得,更有利于培养学生的科学态度、创新精神和实践能力。
二、引导学生设计实验,培养学生创新能力
设计性实验是对所学物理原理和所做物理实验的综合、应用、迁移和创造。它是对学生应用能力、设计能力和创新能力等的全面考查。做设计性实验时,要求学生在充分理解基本原理的基础上,综合运用所掌握的基础理论知识、实验技能,以及各种测量手段和实验方法,自行设计实验方案、确定实验方法、选择配套仪器设备,进行实验测试,最后写出比较完整的实验报告或论文。因而课题和项目的内容需要经过精心挑选,它们具有综合性、典型性和探索性。
在学生设计实验时,提倡“一个实验、多种方案”的实验教学法。这种对思维先进行发散,再对各种方案进行分析整合的过程,有利于发散思维和集中思维的培养。如,现有弹簧测力计、天平、量筒、刻度尺、烧杯、水、细线等器材,你有几种办法可以测出一个小铁块浸没在水中受到的浮力?答案有五种办法。这种富有新意的方法,不但提高了学生灵活应用知识的能力,更重要的是培养了学生从不同角度、用不同方法解决问题的发散思维能力,有效地促进了学生创新能力的培养。
三、通过制作小实验,培养学生创新能力
在小实验中,没有现成的仪器和用品,这就需要学生在实验过程中寻求性能相似的替代品,无疑会让学生动手、动脑,这必将激发学生潜在的创造能力,培养其创造精神。比如学生在小实验中利用家庭中常见的鸡蛋就完成了六个实验:实验①:把煮熟捞起的蛋立刻浸入冷水中待完全冷却后,再捞上来剥落比不放入冷水中直接剥要容易多(热胀冷缩的性质);实验②:把刚煮熟的鸡蛋从锅内捞起来,直接用手拿时,虽然较烫,但还可以忍受过一会儿,当蛋壳上的水干了后,感到比刚捞上来时烫(液体蒸发吸热);实验③:选一只口径略小于鸡蛋的瓶子,在瓶底铺上一层干沙,点燃一团浸过酒精的棉花投入瓶内,接着把一只剥了壳的熟鸡蛋堵住瓶口。火焰熄灭后,蛋被瓶子吞入了瓶中(验证大气压的存在);实验④:把一只鸡蛋,浸没在一只装有清水的大口径玻璃杯中。松开手后,发现鸡蛋缓缓沉入杯底,捞出鸡蛋往清水中加入食盐,调制成浓度较高的盐水,再把鸡蛋浸没在盐溶液中,松开手,鸡蛋却缓缓上浮(浮沉现象);实验⑤:用手指突然弹击硬纸片,鸡蛋却不会随纸片一起飞出(惯性现象);实验⑥:外壳完好的蛋,放入食盐水中腌制一段时间,可以制成咸蛋。蛋壳虽然完好,但内部的蛋黄都变咸了(分子无规则运动)。自己动手制作小实验不仅可以培养学生思维能力和独立工作能力以及探索知识的兴趣,更重要的是它对学生的实践和创新能力有很大帮助。
四、运用数字化实验,培养学生创新能力
多媒体实验、虚拟仿真实验等数字化实验应运而生,它给教育领域带来一场深刻的教育改革。学生通过演示实验看到物理现象,但实验过程短,实验现象稍纵即逝,学生就来不及细致观察,不能发现问题的本质。多媒体仿真实验可多次重复模拟实验过程,再现物理现象,而且能变小为大、变动为静、变快为慢、变连续为定格,使许多看不见摸不着的变成有形、有声、有色,变说不清为一目了然,这些不仅有助于学生对物理现象及状态的观察和分析,还有助于学生创造性思维的激发。各种仿真实验室软件,可以很好地虚拟出各种各样仿真实验室,让学生用虚拟仪器进行实验虚拟。通过虚拟实验和仿真实验,给学生提供一个自由的、自组织学习的空间和培养设计、创新能力的良好环境。比如,在学习电学方面的实验时,可让学生自己在虚拟仿真实验室设计一个用于抢答题的电路,要求:不论哪一个组按开关,电铃都能发出声音,而且指示灯会告诉主持人是第几组按的开关,进行电路模拟仿真,培养学生的创新能力。因此,数字化实验有利于学生建立起完整的物理情景,帮助学生获得直接经验,直接感知物理规律,有助于培养学生的创新能力。
总之,通过实验的科学探究、实验设计、制作小实验、运用数字化实验等方面可以培养学生的创新能力。
还可以开展一些创新思路的课外实验活动:如举办物理实验专题讲座,观看实验录像,参观工厂等,了解物理实验在生产中的作用。另外还可对由优秀生组成的实验研究小组,要有计划地开展创新课题研究活动,如研制教具、制备或制作有实用价值小东西或装置,举办设计实验比赛、实验创新成果展览、参与实验课题研究、家庭物理实验研究活动、撰写实验论文等。让学生深入研究他们周围的物理现象,不断地发展他们的实验创新能力,以适应未来社会的发展需求。
参考文献
1.张志勇.创新教育――中国教育范式的转型[M].山东教育出版社,2004年7月
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第6篇
关键词:生物化学;教学改革;自主设计实验课堂
生物化学是一门医药学的必修课程，是研究生命物质的化学组成、结构及生命活动过程中各种化学变化的基础生命科学。所以生物化学课程应尽量提前，但应在有机化学课程之后，或与有机化学课并进;是病原生物学、内科学、人体解剖与组织胚胎学等专业的必修课程，因此应先打下较牢固的生物化学基础，并尽量加重生化课的分量，同时避免后继课程相关内容的重复。生物化学以其理论性强、概念抽象、名词繁多，各种代谢过程复杂繁琐，堪称生物学科中最抽象、最难懂的学科之一。如何激发学生的兴趣，寓教于乐，使学生喜欢听课，乐于参与，积极讨论，学到知识，解决实际问题，这是我们在生物化学教学中始终关注的问题。在教师指导下，学生要学会主动培养自己发现、吸收新信息和提出新问题的能力，积极主动学习，在学习中发展个性和创造力。为此，我们在教学方法和手段等方面作了一些有益的尝试，收到良好的效果。
1案例引起兴趣，穿插前沿科研
长期以来，我国的基础教育受应试教育的影响，使得进入本科医学院校学习的学生大多数学习被动，学习自主性差，学习方法机械、呆板，对所学知识不求甚解，知识基础不扎实、牢固［1］。首先我们的第一堂课，就要充分发挥教师的引导力，增加学生的兴趣，提高同学们的主观能动性。一些和生活相关案例可以引起学生较大兴趣，可以通过课前提问或课后留问方式引起学生注意力。如血清中肌酸激酶同工酶的电泳图谱用于诊断冠心病、转氨酶用于肝病诊断、淀粉酶用于胰腺炎诊断等的原因是什么?乙酰胆碱酯酶抑制药可以治疗阿尔茨海默病的原因?讲到DNA的二级结构模型时，可由双螺旋模型的提出者Watson和Crick讲起，设问他们由此发现获得了什么重要科学奖项，并可以借机讲一下当时诺贝尔评奖时的小插曲:因论文太短致使评委间产生分歧，最终获奖说明了科学发现主要在于其价值而非论文长短。教学效果取决于任课教师的水平，也与任课教师的严格要求密切相关［2］。本课程结合最新进展，涵盖动态与前沿知识。介绍国内外最新研究成果及历年与生物化学发展相关的诺贝尔奖成果，适度地超越教材，查找教材以外的重大事件等必要教学资源并合理组织教学。比如我校老师研究的命运分子cNumb在原肠期胚胎中的表达情况及其基因和编码蛋白的基本生物学特征，就是利用原位杂交技术检测cNumb基因在原肠期鸡胚中的表达情况，同时应用生物学软件和在线平台对cNumb基因及其编码蛋白进行生物信息学分析［3］。以及碘－淀粉法、Bernfeld法和ESP－G7速率法3种方法检测酸刺激前后唾液淀粉酶(SAA)活性及其活性比值的差异［4］，结合实验课题让学生对酶的特性有更好的理解。组织学生对研究热点进行查找资料，了解基础点，分组讨论，解决教师预先给出的问题，或者让学生自己发现问题，通过讨论甚至争论，学会分析问题并最终解决问题。鼓励学生参加本科、研究生校内外的学术活动，扩大知识面，开阔视野。
2重复重点内容，引入PBL教学促进师生互动
生物化学分为三部分内容，第一部分主要讲述各种生物分子的结构、功能以及相互作用，包括蛋白质、核酸、糖复合物、酶、生物膜、真核生物基因组及线粒体基因组等;第二部分讲述分子生物学部分，如基因信息的传递、基因工程的四大要素及实施要点、基因相关技术;第三部分讲述细胞信号转导技术原理及应用等。对于生物化学内容繁多的特点，我们对于重难点内容要重复教学，在同学脑中达到耳熟能详，举一反三，而基础知识点到为止。为了达到这样的效果，需要改变传统课堂填鸭式教学的呆板模式，老师的角色要发生变化，从直接教给学生知识的“灌输式”到教给学生如何学习的“自我学习式”，让学生主动吸收知识、能独立思考、分析问题。PBL(problem-basedlearning)教学模式即通过“提出问题建立假设自学解疑论证假设”的逻辑过程来让学生主动获取知识，学生为主体、教师为导向的小组讨论式教学法，主要培养学生以解决问题为核心的发散性思维和主动学习意识，进而达到提高学生灵活运用知识的能力的目的［5］。通过互动式课堂教学充分利用学生的好奇心理，在对问题的好奇与求知欲中，增加学生对生物化学的兴趣，在此过程中，学生由被动旁观者变为主动参与者。如设计一些关注点引发学生参与互动，如烫发的生化基础是什么?磺胺类药物的治病机理是由于酶的抑制作用吗?课堂上运用PBL教学法，可以设置专题讲座，把学生分为几个小组，给出一个主题，每组成员分工合作，任务明确，每个人都是责任人。老师通过对每一环节的设定让每个学生都参与其中，减少了“南郭先生”和浑水摸鱼情况的发生。
3重点章节小结，设计思维导图
糖代谢设定为动态部分的重点;酶促反应动力学中Km值和Vmax的计算与应用、生物氧化(生物能学)、物质代谢的相互联系和调控机制等设定为难点。每章重难点都组织学生自己小结，老师评定和总结，帮助学生建立完整的知识框架系统。生物化学众多的动态反应记忆比较困难，如6－磷酸葡萄糖、ATP、乙酰CoA、NADH+H+、NAD-PH+H+等物质的来源和去路，全酶、酶的活性中心、酶原的激活、氧化磷酸化、底物水平磷酸化、三羧酸循环、脂肪酸的β-氧化、半保留复制、不对称转录。老师课堂上可以通过引导学生设计思维导图，先把总的章节框架勾画出来，再补充具体内容，引领学生的思维，整理归纳，联系整体，通过Flas或板书直观表示。老师应当尽量在每次课、每一章，乃至整学期内容都绘制出相应的思维导图，以突出教学的重点、难点，理清知识脉络，帮助学生有效地回顾和复习。可以课前预习让学生设计学习内容的思维导图，小结也可以用课堂考试形式，让学生自己绘出内容图，或者布置课后作业让学生自己选择动态反应，如三羧酸循环制作Flas，并进行课堂展示，考查学生归纳记忆、理解掌握知识的能力。每章都进行小结，但每一部分的小结书写的思路、侧重点各不同，单元小结和课程小结在知识点的把握及知识体系的梳理及运用也有所不同，能较全面、客观、公正反映学生的学习态度及综合素质和创新能力。部分学生平时不认真学习，习惯于期末突击应付考试，而小结模式可以较好预防这种现象的发生。
4虚拟实验课堂的设计与实践
所谓“自主设计式教学”，就是以自主设计为主的教学。具体说它是指教学过程是在教师的启发诱导下，以学生独立自主学习和合作讨论为前提，以现行教材为基本探究内容，以学生周围世界和生活实际为参照对象，为学生提供自由探究、讨论、研究问题的一种教学形式。生物化学探究式虚拟实验课堂教学的思路是以生物化学经典实验为主线进行发散性拓展，根据课程理论内容，给出学生一些和实际生活相关的小课题，由学生自主学习、小组研讨及班级交流等方式，培养学生的自主学习能力、创新能力、文献阅读能力、交流能力和团队合作精神。在教师层面，教师根据实验内容，引导设计虚拟实验题目，指导学生研读文献、制作实验流程并进行全班交流。在学生层面，学生根据兴趣选择实验专题，自由组合成学习小组，在充分研读文献的基础上，进行小组讨论，制作PPT。允许学生自己组织课题小组、自主设计小课题，教师只作方向指导，给予一定经费支持。学生设计实验流程，并给出具体实施过程，并在全班进行演讲、答疑和讨论［6］。自主设计实验课堂，能够提高学生学习能力、实践能力、创新能力及一定的科学研究能力，有利于创新型人才的培养，可以改变传统的实验教学在学生能力培养方面只强调共性的发展而忽视个性发展的情况。通过设计虚拟实验课堂，学生对实验设计及原理有了更深刻的理解，养成独立思考的习惯，首先对自己设计的实验课堂进行展示，进而走进实验室，从试剂配置到实验操作，从设计实验到进行具体实践的过程，从理论到实践，从各方面使自身得到锻炼。老师在其中进行一些必要的指导，允许学生出现一定的错误，让他们在实践中成长更快。我们将生物化学实验探究式教学按照预设计、设计阶段、具体化、实验阶段、竞赛阶段等五个阶段进行实施。①预设计:在任课老师理论课后，可以给出相应的与课堂内容有关的思路或者题目，让学生课后思考。②设计:通过网络图书馆等辅助查找资料，然后让学生设计实验，给出具体思路和实施过程。③具体化:通过设计虚拟实验课堂，让学生对实验设计及原理有更深刻的理解，使其养成独立思考的习惯、并对自己设计的实验课堂进行展示。④实验阶段:虚拟课堂结束后，部分学生的课题经过导师指导可以继续深入，让学生进入实验室进行实施，体会到自主学习的乐趣。⑤竞赛阶段:以此为依托组织一个专业的班级间进行比赛，乃至扩展到全校及其他学校进行，提高积极性，并给予奖励。这期间教师需要引导、鼓励同学申报省级乃至全国的创新项目实验，不但参加课题研究，还要挖掘学生潜能，让他们把实验结果整理成论文。我校生物化学系已获得部分成果。目前已有多人次获得挑战杯立项，以及国家及省级大学生创新创业项目，并顺利完成本科毕业论文，还有部分学生的实验正在进行中。在广东省大学生挑战杯比赛中，其中由多名学生共同完成的“近海红树林环境抗肿瘤细菌的筛选和鉴定”获得广东省大学生挑战杯二等奖。由系老师指导同学的“一种快速、低成本的叶酸代谢障碍遗传检测方法的建立”以及“药物代谢酶CYP2C19两个主要突变等位基因联合分型方法的建立”等课题获得国家级、省级大学生创新创业训练计划项目。由学生撰写的论文“一株抗肿瘤活性的红树林细菌的筛选及鉴定”在《河南科技大学自然科学学报》发表。这些实践活动培养了学生的创新意识及团队精神，促进其综合实验设计、分析能力的提高，使大学生动手能力和实践技能得以提升。
5多元化考核
“一考定终身”的评价模式忽视平时学习的考核和能力的培养，既不能准确反映教学质量和效果，也无法测试学生真实的学习能力，更抹杀了学生主动的学习精神和创造能力［7］。适当的考核机制不仅可以科学地检验教学效果，同时也能强化学生的学习动机。课程考核不应只注重期末考试，而是应贯穿学习全过程。考核内容应充分体现所学知识和技能及运用这些知识和技能的能力，更重要的是考核分析问题、解决问题的能力和实事求是的科学态度。因此我们将生物化学课程的考核分为平时成绩、章节小结、实验考查和期末考试四部分，从上课出勤态度、课程预习情况、课程小结成绩、课堂发言、任务完成表现、实验动手、创新能力多方面进行考查，最后给出每个学生的综合评价成绩。
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第7篇
【关键词】趣味性;虚拟实验;设计;层次;情境
【中图分类号】G40―057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2009)10―0134―04
一 引言
从目前虚拟实验的研究来看,多数局限在研究虚拟实验的开发、虚拟实验的优缺点以及虚拟实验的教学模式等问题上,而对虚拟实验如何与学习者建立情感上的交流,从而激发学习者的学习兴趣、增强学习者的求知欲望等问题上,关注的较少,这也正是虚拟实验教学效果优劣的关键因素之一。例如中学物理电学实验要求学生掌握电学的基本元器件和连接方法,互联网上相关的虚拟实验大多可以实现元器件的识别和绘制电路图这些基本功能,然而这些虚拟实验仅仅是对教学内容的呈现,并没有创设与之相关的情境和任务,缺乏与学习者的情感交流,在交互行为上也较为复杂,导致了学习者对该类虚拟实验不感兴趣、没有好奇心,很容易产生厌烦、急躁和排斥情绪,学习效果大打折扣。爱因斯坦曾说过:“兴趣是最好的老师”。兴趣是求知的巨大动力、发明创造的源泉。对于正处于学习厌倦期的青少年来说,学习兴趣对他们知识的掌握、能力的发展乃至才能的形成都有巨大影响。因此,虚拟实验如何能更有趣味性、更能激发学习者的求知欲望是非常值得研究的,构建这类虚拟实验即“趣味性”虚拟实验具有一定现实意义。
二 “趣味性”虚拟实验设计的三个层次
“趣味性”虚拟实验通过创设虚拟情境,优化学习者学习的外部条件,能激发学习者的学习兴趣,但还要保证学习者在学习过程中全身心投入、避免产生厌烦情绪。“趣味性”虚拟实验的设计应从情感、表现和行为三个层次把握(如图1),每一个层次在虚拟实验中发挥的作用不同,每一层次也需要不同的设计风格。
1 情感层次――结合实际问题创设虚拟情境的设计
情境教学是指在教学过程中,教师有目的地引入或创设具有一定情绪色彩的生动具体的场景,以引起学生一定的态度体验,从而达到对教材的深入理解和熟练把握。“趣味性”虚拟实验借鉴了情境教学的理念,将教学目的、教学内容同实际问题联系起来,创设能引起学生态度体验的虚拟情境。对于实际问题,学生看得见,摸得着,有的亲身经历过,当学生在学习过程中遇到这些问题时,他们都跃跃欲试,想学以致用。结合实际问题创设虚拟情境,学生置身其中,身临其境,触景生情,能激发学生的情感体验,调动学生的积极性,使学习由被动变为主动,学生由旁观者变为参与者,发挥了学生的最大潜能。此外,在创设的情境中,要体现具有一定挑战性的任务,根据学生完成任务的情况,给予相应的奖励与惩罚,有助于提高学习的内在吸引力,使学习更有意义。
2 表现层次――恰当地运用多媒体元素的界面设计
多媒体技术对教育的发展起着巨大的推动作用,并逐步影响着教学手段、教学方式的变化和教学观念的更新。“趣味性”虚拟实验不仅是对现实世界的模拟,更是在创设一个有益于激发学生兴趣和探究欲望,并引起学生思维和想象的环境。这种环境的创设离不开多媒体元素,一方面多媒体元素形象鲜明,画面逼真,形象直观,可以真实的再现现实世界中的景物,很容易将学习者带入情境中,进而激发学生兴趣,有利于学习活动的持续进行;另一方面将图片、声音、视频等多媒体元素加入到“趣味性”虚拟实验中来,对学生的感官起到一定得刺激作用,使枯燥的学习变得生动活泼。
在“趣味性”虚拟实验中运用多媒体元素要恰如其分,必须注意“度”的问题。例如有些虚拟实验设计者会在角落里放一个活泼生动的小动物,这虽然可以激发学习者的学习兴趣,但同时也分散了学生的注意力,很容易产生负面影响。因此,“趣味性”虚拟实验中的多媒体元素要和主题息息相关,慎重选择,合理运用。
3 行为层次――操作简捷、适时准确的交互设计
心理学研究表明:人的认知心理虽然有求新求变的特点,但在完成具体任务时却要求越简单越好,即认知负荷越轻越好[1]。“趣味性”虚拟实验在提高中小学生的学习效果方面更为明显,由于他们的计算机水平、思维能力有限,根据认知负荷理论,对于控制虚拟物体的设计方面,要在能体现真实行为的前提下,控制方式越简捷越好,过于复杂的控制方式往往会增加学习者的认知负载,从而降低学习者的学习动机甚至放弃学习。而且,对于学习者容易出现疑问、错误的地方和学习结果要给予适时准确的提示和反馈,适时、准确、人性化的提示和反馈信息能对学习者进行鼓励和引导,提高其学习的自信心并激发其进一步学习的欲望。
三 “趣味性”虚拟实验的设计流程
按照“趣味性”虚拟实验设计的三个层次,同时借鉴电脑游戏故事情节、环境设置和角色控制三个要素及教育性原则,将“趣味性”虚拟实验的设计分为教学分析、情境创设、界面设计、交互设计和测试五个环节,这五个环节相互影响,层层递进,逐步细化,其中情境创设、界面设计和交互设计三个环节同“趣味性”虚拟实验设计的三个层次相互照应,是构建“趣味性”虚拟实验的关键(如图2)。下面结合“认识人民币”虚拟实验来具体分析“趣味性”虚拟实验的设计流程、实现方法以及注意事项。
1 教学分析
为了保证“趣味性”虚拟实验的教育性和科学性,首先要运用教学系统设计的理论进行需求分析、教学内容分析、教学目标分析和学习者分析,明确构建虚拟实验的必要性、所要解决的问题及达到的程度。
“认识人民币”是小学一年级数学课本中的教学内容。小学生的好奇心强、自制力差、思维水平较低,对学习有一定的厌烦心理。“认识人民币”这一教学内容是在学习者初步的生活经验基础上对人民币进行的系统学习。经调查发现,在讲授该教学内容时存在两个问题:①学生的学习积极性不高、注意力不集中;②部分学生虽能掌握“一元=10角,一角=10分”这一知识点,但对换毕、取币、购物等问题始终模糊不清。针对这些问题有必要开发虚拟实验,以提高学习者的学习动机,进而更好的掌握“认识人民币”这一知识点及其应用。
2 情境创设
德国教育家第斯多惠说:“教育的艺术不在于传播的本领,而在于激励、唤醒和鼓舞”。教学情境的创设正是激励、唤醒和鼓舞学生的一种教学手段。在“趣味性”虚拟实验中创设教学情境应遵循以下原则:①真实性:所设情境必须符合学生学习的认知规律,注重联系学生的现实生活,不能盲目创设。②形象性:形象的、具体的、感性的情境能有效的激发和刺激学生的想象和联想。③任务性:所创设情境需体现一定的任务,这样学习者的注意力容易稳定下来,也愿意围绕这一任务展开思考。
“趣味性”虚拟实验的特点是将人的学习与虚拟环境相统一、将抽象的知识和生动的情境相结合。结合教学分析,将“认识人民币”的教学内容划分为基础知识和模拟购物两个模块(如图3)。
基础知识模块包括识币、换毕和取币三个基本知识点,模拟购物模块用于创设“购买物品”的情境。学习者在完成基础知识后,进入购物模块,对基本知识进行巩固、提高和应用。购物模块的设计具体分为情节、挑战和帮助三个部分:
(1) 情节:在“虚拟商店”中设置了食品、动物和用品三类商品,教师(即实验说明)要求学生到虚拟商店购买若干种物品,并说明相应的惩罚与奖励措施。
(2) 挑战:在模拟购物模块中设置了生命值和时间,随着时间的推移生命值逐渐降低,当生命值为零或时间耗尽时,系统自动退出该模块。学习者若正确购买所选物品,回馈一定的生命值,并随机奖励玩具、鲜花等,反之,则惩罚臭鸡蛋或炸弹,根据学习者奖励和惩罚所获得的分数,进行英雄榜排名。学习者可以通过“查看成绩”模块查看排名情况。
(3) 帮助:为学习者提供学习方面的支持与帮助。学习者在虚拟实验学习中遇到困难时,如不知某个物品该付多少钱,通过寻求帮助系统会给出正确的答案,每个学习者共有三次使用帮助的机会。
人都有力求成功的天性,在创设了这样的情境后,以任务和排名为诱因,一方面激发了学习者学习的积极性和主动性,另一方面也有利于学习者对所学知识的深入理解,顺利的实现了知识的迁移和应用。学习者在娱乐的同时,也收获了知识。
3 界面设计
学习者与虚拟实验的一切操作都是通过界面进行的,界面设计的好坏直接影响着学习者的学习兴趣和学习效果。虚拟实验的界面设计包括风格和布局两方面,风格是指虚拟实验的整体形象给学习者的综合感受,包括虚拟实验的色彩、字体、标志等诸多内容;布局是指虚拟实验的分块结构,功能元素的尺寸位置,涉及的内容有结构、标题、导航等。风格独特、美观大方的界面会对学习者的学习产生激励作用,否则,就会使学习者感到单调、乏味。“趣味性”虚拟实验的应用对象主要是中小学生,其风格应体现学科特性与卡通风格,一般以暖色调为主,布局要注意尽量避免界面元素过于复杂,遵循合理、清晰、简捷、层次分明的原则,让学习者在使用时有一个愉快的心情。“认识人民币”趣味性虚拟实验的界面设计如图4所示,实验的整体风格为暖色调,根据不同的场景选择不同的色彩合理搭配,根据不同情况灵活运用文字、符号、声音、图片、动画等多媒体信息,从视听方面加大对学习者的刺激,给学习者带来享受,促进其对学习内容的理解和掌握。实验的导航包括实验说明、基础知识、模拟购物、查看成绩、帮助文档和退出程序几个模块,模拟购物模块具体又分为商店页面、付款页面、购买成功或失败页面三个小部分,整体清晰直观、简便易用。
4 交互设计
在“趣味性”虚拟实验中,交互不仅是学习者同虚拟实验之间的信息交流,也是虚拟情境展开的手段。“趣味性”虚拟实验中的交互设计包括控制虚拟物体和呈现提示与反馈信息两个方面:
(1) 虚拟物体的控制
虚拟物体的控制是指学习者操作虚拟物体的方式。“趣味性”虚拟实验控制物体的方式有多种,如键盘、鼠标点击、鼠标双击、鼠标滑过、鼠标拖动、鼠标右键等。采样哪种控制方式,应根据实验本身的特点、功能、创设的情境以及技术实现,遵循方便、易懂、合理的原则,要尽量与真实实验控制方式相近或有明显的操作提示。鼠标操作能实现的尽量不使用键盘,鼠标点击能实现的不用双击,而且对于同一类物体要采用相同的控制方式,如控制物体A采用鼠标拖动的方式,控制同类物体B也要采用这种方式,否则二者的操作行为不一致,很容易使学习者产生混乱、不适应。在“认识人民币”趣味性虚拟实验中,选择虚拟物体的行为采用了鼠标滑过和点击两种方式,当鼠标滑时虚拟物体变大并呈现价钱和名称信息(图5A),当鼠标点击后,进入购买页面,可以进行付款操作;对付款的操作采用鼠标拖动的方式,学习者将钱币从位置A拖动到位置B时,即可完成操作,采用这种方式简便、实用,可以降低学习者的认知负载(图5B)。
(2) 提示和反馈信息的呈现
提示和反馈信息是虚拟实验的主要构成元素。提示信息出现在操作动作之前,用以对学习者未来的操作进行引导;反馈信息出现在操作动作之后,用以对当前操作的确定或对错误予以纠正,让学习者及时了解自身状况[2]。在“趣味性”虚拟实验中,主要是针对重难点、学习结果以及学习者可能出现疑问的地方提供适当的提示和反馈。运用提示和反馈信息必须及时准确,能够给学习者针对性的指导,任何的滞后和延时都会给学习者带来思维中断、兴趣转移甚至是厌烦心理的产生;此外提示和反馈信息尽量要人性化,语言要有感彩,尽量以鼓励性的语言来调控学习者的情绪、注意力等,从而促进学习者保持最佳学习状态。在“认识人民币”趣味性虚拟实验中,当学习者选择物品或付款之后,系统都会给出提示信息,以便学习者确认或取消操作;在付款操作之后,若学习者所付金额和物品价格相等,系统给出购买成功反馈并奖励鲜花或玩具,对学习者进行鼓励,见图5(C);若学习者所付金额和物品价格不等,系统给出购买失败的反馈,并告知二者的差距,以便学习者及时纠正自己的错误。
5 测试与
测试是指在“趣味性”虚拟实验完成后进行的整体功能、性能、稳定性的调试和优化,如不同场景之间色彩搭配、交互和链接的可用性、是否存在断点等问题。是将整个虚拟实验程序打包,以便在服务器或单机上运行,可以根据实际情况选择不同的格式,本文开发的“认识人民币”趣味性虚拟实验最终为HTML格式。
四 结语
学习兴趣是保证教学有效性最重要的因素之一。“趣味性”虚拟实验在传统虚拟实验构建的基础上,充分发挥了多媒体技术和虚拟现实技术的优势,以激发学习者兴趣、提高学习动机为主线,将实际问题和教学内容有机结合,创设虚拟情境,界面设计和交互设计围绕虚拟情境展开,给学生创造了一个愉快、轻松、和谐的学习环境,有利于学习者深入理解教学内容,使学习变得更有意义。
参考文献
第8篇
论文摘要:本文对虚拟实验系统的特点做了介绍,指出了虚拟技术在实验教学中的优势,并给出虚拟实验系统构建的基本思想以及系统结构,阐述虚拟现实技术在实验教学中的应用手段和方法。
实验一直都是与教学息息相关的重要活动之一。它可以使学生更好地感受、理解知识的产生和发展过程,让枯燥的理论知识变得形象,易于理解。实验不仅能帮助学生巩固理论知识,提高通过实验手段探索科学知识的能力,还能激发学生探索未知世界的兴趣,增强创新能力。然而,当前实验方面存在的诸多难题却严重限制了教学质量的提高。如实验成本过高,进行实验的仪器和设备往往代价昂贵,实验材料也比较贵,而且有些实验仪器损耗较大,需要经常更新。而许多学校在实验经费上又捉襟见肘,要么是实验配套的设备和仪器不完善,要么就是仪器设备陈旧过时。即使有完善的较新的实验设备,传统实验在空间和时间上的限制也可能无法满足大量学生同时进行实验的需要。为了缓解实验教学的压力,提高实验教学的质量,可以采用虚拟实验系统来辅助实验教学的开展。
一、虚拟现实技术
虚拟现实技术 (ⅵrnjal reaj时,简称 vr技术)出现于 20世纪 60年代,随着处理器技术的大幅度提高以及图形绘制技术、数字信号处理技术、传感技术的发展,近几十年来在国内外形成了对虚拟现实的研究热潮。
虚拟现实系统提供了一种先进的人机界面,它通过为用户提供视觉、听觉、触觉等直观而自然的实时感知交互的方法和手段,最大程度地方便用户的操作,从而减轻了用户的负担,提高了系统的工作效率。虚拟现实技术具有 3个突出特征:沉浸性、交互性、想象性。
虚拟现实系统由两部分组成:一部分为创建的虚拟环境,另一部分为介入者。虚拟现实的核心是强调两者之间的交互操作,即反映出人在虚拟环境中的体验。我们可以给出如图 1的虚拟现实的概念模型。
二、虚拟实验系统
1.虚拟实验系统的特点
(1)共享程度高。虚拟实验系统不同于传统实验在地域和时间上的限制,它不仅可以接受本地用户的访问,有访问权限的异地用户也可以使用系统。并且也无需考虑使用时间的问题,实验者可以随时进行实验。虚拟实验系统为用户提供了一个可以在任何时间、任何地点访问的实验环境,极大地提高了信息与实验资源的共享程度。
(2)强大的交互能力。为了向用户提供一个逼真的实验环境,虚拟实验系统往往都具有强大的交互能力,实验者和虚拟实验对象之间可以通过鼠标的点击或者拖曳操作进行交互,实验者可以实时地观看实验现象和实验结果。
(3)支持协作。虚拟实验系统提供了多种方式来完成用户间的信息交流。
2.虚拟实验系统的建模
如何构建教学型虚拟实验系统,使其能够拥有丰富的实验内容表现方式、提供形象生动的实验内容,让让学生实现从感知到理解的过程,一直是研究教学型虚拟实验系统的热点问题之一。
虚拟实验系统的构建是将多种技术综合运用,首先构建实验过程所需要的各种仪器设备,对于场景进行建模。三维虚拟场景模块的建立是以某一实景为基础的,因此在虚拟场景建模之前需要对实验室环境进行实地考察并对建筑物进行筛选,从而构建具有真实感的实验环境。对于仪器设备完全用ⅵ ml语言建立复杂的三维模型是相当烦琐的,而且建模方法缺乏直观性,而3dsmax强大的三维建模功能以及对具有转换为v文件格式输出的功能,使其在三维虚拟场景中广泛应用。我们在实际的建模过程中根据要建立模型的特点选择建模方法。简单模型,直接采用vrml中简单几何体拼贴纹理的方法,对于复杂场景则采用3dsmax建模后以vrmi,文件格式输出。当然在虚拟实验的建模过程中的庞大建模工作量对软件的建模效率以提出了很高的要求,于是,在该建模过程中我还采用了高效的照片建模软件canoma,canoma是metacreations公司 (即现在的vie、vpoint公司)的软件产品,利用它可以让我们无需建模,即可直接从一张或几张照片制作三维模型,因为使用真实照片直接生成三维模型,所以效果非常真实;而且cailoma可生成网络使用的vrm,文件格式。为了能够反映真实仪器设备的特性,有时还采用flash技术来达到仪器设备外观的逼真性,并提供一些基本的交互。
3.虚拟实验系统中的交互
交互性是虚拟实验系统中的一个重要问题。一类是用户在浏览场景的时候,主要的输入设备就是鼠标,这时候检测器实际上是检测用户对于鼠标的各种操作动作,如鼠标的单击、指向、拖动等等,从而场景做出相应的反应。检测这类动作的监测器是接触型监测器。描述这类监测器的节点有接触监测器节点touchsensor以及planesensor节点、spheresensor节点、cylindersens0r节点;另一类是用户和场景中某对象接近的程度,对象做出相应的反应,使得用户和虚拟对象之间形成交互。
将所有仪器设备成功地加入到场景当中之后,用户应该可以随意地拿起自己需要的实验器材进行实验,所以要提供用户选取实验器材的接口。当用户在选择某件仪器,为了提供给用户选择的接口,我们在实验仪器原型中设计了供用户选择的按钮。如果选中时就可以点击按钮“tal(e ,无需使用就只要点击“放回”按钮。由于用户需要与系统进行交互,同时系统需要根据用户的选择与后台数据库进行通信,因此我们使用java applet。applet具有 良好的网络传输透明性,图2显示了浏览器通过appl 访问数据库的整个过程 。
三、虚拟实验集成的系统结构
1.软件程序集成
软件程序是虚拟实验系统的重要内容,是系统的灵魂所在。在虚拟实验系统中,我们将软件程序部分按照层次化和模块化的设计模式进行集成。集成化的软件程序依据集成度的大小分为不同层次的模块,分属不同层次的模块充分体现了整体和部分的关系,各模块都可以看成是下一层次多个模块集成的整体,每一个模块又都可以看成是上一层次模块中的一部分,各层次之间互为整体和部分的关系为系统结构构架提供了灵活的方式。
2.系统功能集成
系统功能集成是建立在软件程序集成的基础之上的,系统功能集成是系统结构集成的重要体现,系统结构的有效集成度是系统功能集成的重要基础。在虚拟实验系统中,软件程序的集成保证了系统功能在不同层面上的集成度和在各层面之间的灵活性。以不同集成度来形成的系统功能整体在系统构建、修改、维护等方面起到了重要的结构化支持作用。
3.仪器软面板集成
仪器软面板是虚拟实验系统的重要特色之一。在传统实验系统中,仪器设备一般会自带一个显示屏,以及相关的操作组件和按钮来形成一个操作面板,这个面板的形式以及各组件和按钮的功能是固定的,不能修改和设置。在虚拟实验系统中,各种仪器设备的操作面板集中显示在计算机的显示屏幕上,这种面板由软件程序来形成和设置,由键盘、鼠标以及其他的外部输入设备来控制,面板的形式以及各组件和按钮的功能可以根据需要自定义,可以将多个仪器的面板组合在一起,也可以将某一个仪器的面板简化。仪器软面板形式和功能上的这种灵活性正是系统集成度的体现。
4。网络集成
网络的出现使得分布式结构成为可能。在虚拟实验系统中,我们通过网络可以突破时间和空间的限制,将更多的协议方和操作方以一定的集成度集成在一起,共同完成实验项目。我们在谈集成性的问题的时候,一定是和相应的分散度联系在一起的,就如同整体和部分之间的关系,每一个整体都可以看作更大的整体的一部分,而每一个部分又都可以看成更多小部分的整体。网络的分布式保证了系统结构的集成性。
四、虚拟实验教学应用的优势
从虚拟实验的技术优势和实验教学的现状需求出发,其优势主要体现在以下几个方面:
1.资源开放
从虚拟实验的技术实现角度来看,实验教学中的有效资源全部开放,这使得实验项目从开发到操作,再到后期数据处理与实验课程的复习全部开放给学生,学生可以利用系统软件程序模块和实验项目设计模板等帮助实验设计方案的形成与开发;利用数据分析与处理工具包进行实验数据的分析与处理,获得规律性认识:教师的指导性意见、学生的交流信息和实验故障和误差分析等信息资料,可以帮助学生在实验课程总结和复习中取长补短、巩固知识。
2.组织形式开放
虚拟实验将实验资源、实验项目开发和实验操作等网络化、平台化,因此实验内容、时间以及地点等组织形式是开放的具备可选择性。针对目前实验教学需要跨学科、跨地域、多项实验同时开展等现状要求,虚拟实验所具备的组织形式开放性为实验教学模式的扩展提供了技术准备。
3.对象开放
虚拟实验的网络功能能够根据不同的对象设置不同权限的系统身份,实验参与人员各取所需,实现学习和交流的目的。在实验教学中,对象的身份基本分为三种层次和三种身份。三种层次指的是系统管理员、教师和技术人员、学生。三种身份是针对学习者而言的:实验课程参与者、远程实验课程学习者、实验爱好和探索者。
五、总结
本文将虚拟现实技术引入到实验教学环节中,这在一定得程度上提高了实验的开放程度,降低了实验的成本,较好地激发了学生对于实验环节的兴趣和主观能动性,但在虚拟实验设置过程中的交互问题仍是一个值得探讨和研究的主要问题。
参考文献:
【l】徐学军.高校实验教学要加强学生创新能力的培养【j】.经济师,2004,(4).
【2】徐婷.教学型虚拟实验通用平台的研究与应用【d】.重庆大学学位论文,2006.11.
【3】朱敏.虚拟实验与教学应用研究【d】.华东师范大学博士学位论文,2006.6.
第9篇
论文摘要:本文对虚拟实验系统的特点做了介绍，指出了虚拟技术在实验教学中的优势，并给出虚拟实验系统构建的基本思想以及系统结构，阐述虚拟现实技术在实验教学中的应用手段和方法。
实验一直都是与教学息息相关的重要活动之一。它可以使学生更好地感受、理解知识的产生和发展过程，让枯燥的理论知识变得形象，易于理解。实验不仅能帮助学生巩固理论知识，提高通过实验手段探索科学知识的能力，还能激发学生探索未知世界的兴趣，增强创新能力。然而，当前实验方面存在的诸多难题却严重限制了教学质量的提高。如实验成本过高，进行实验的仪器和设备往往代价昂贵，实验材料也比较贵，而且有些实验仪器损耗较大，需要经常更新。而许多学校在实验经费上又捉襟见肘，要么是实验配套的设备和仪器不完善，要么就是仪器设备陈旧过时。即使有完善的较新的实验设备，传统实验在空间和时间上的限制也可能无法满足大量学生同时进行实验的需要。为了缓解实验教学的压力，提高实验教学的质量，可以采用虚拟实验系统来辅助实验教学的开展。
一、虚拟现实技术
虚拟现实技术 (ⅥrnJal ReaJ时，简称 vR技术)出现于 20世纪 60年代，随着处理器技术的大幅度提高以及图形绘制技术、数字信号处理技术、传感技术的发展，近几十年来在国内外形成了对虚拟现实的研究热潮。
虚拟现实系统提供了一种先进的人机界面，它通过为用户提供视觉、听觉、触觉等直观而自然的实时感知交互的方法和手段，最大程度地方便用户的操作，从而减轻了用户的负担，提高了系统的工作效率。虚拟现实技术具有 3个突出特征:沉浸性、交互性、想象性。
虚拟现实系统由两部分组成:一部分为创建的虚拟环境，另一部分为介入者。虚拟现实的核心是强调两者之间的交互操作，即反映出人在虚拟环境中的体验。我们可以给出如图 1的虚拟现实的概念模型。
二、虚拟实验系统
1.虚拟实验系统的特点
(1)共享程度高。虚拟实验系统不同于传统实验在地域和时间上的限制，它不仅可以接受本地用户的访问，有访问权限的异地用户也可以使用系统。并且也无需考虑使用时间的问题，实验者可以随时进行实验。虚拟实验系统为用户提供了一个可以在任何时间、任何地点访问的实验环境，极大地提高了信息与实验资源的共享程度。
(2)强大的交互能力。为了向用户提供一个逼真的实验环境，虚拟实验系统往往都具有强大的交互能力，实验者和虚拟实验对象之间可以通过鼠标的点击或者拖曳操作进行交互，实验者可以实时地观看实验现象和实验结果。
(3)支持协作。虚拟实验系统提供了多种方式来完成用户间的信息交流。
2.虚拟实验系统的建模
如何构建教学型虚拟实验系统，使其能够拥有丰富的实验内容表现方式、提供形象生动的实验内容，让让学生实现从感知到理解的过程，一直是研究教学型虚拟实验系统的热点问题之一。
虚拟实验系统的构建是将多种技术综合运用，首先构建实验过程所需要的各种仪器设备，对于场景进行建模。三维虚拟场景模块的建立是以某一实景为基础的，因此在虚拟场景建模之前需要对实验室环境进行实地考察并对建筑物进行筛选，从而构建具有真实感的实验环境。对于仪器设备完全用Ⅵ ML语言建立复杂的三维模型是相当烦琐的，而且建模方法缺乏直观性，而3DSMAX强大的三维建模功能以及对具有转换为V文件格式输出的功能，使其在三维虚拟场景中广泛应用。我们在实际的建模过程中根据要建立模型的特点选择建模方法。简单模型，直接采用VRML中简单几何体拼贴纹理的方法，对于复杂场景则采用3DsMAx建模后以VRMI，文件格式输出。当然在虚拟实验的建模过程中的庞大建模工作量对软件的建模效率以提出了很高的要求，于是，在该建模过程中我还采用了高效的照片建模软件Canoma，Canoma是MetaCreations公司 (即现在的Vie、vpoint公司)的软件产品，利用它可以让我们无需建模，即可直接从一张或几张照片制作三维模型，因为使用真实照片直接生成三维模型，所以效果非常真实;而且CaIloma可生成网络使用的VRM，文件格式。为了能够反映真实仪器设备的特性，有时还采用FLASH技术来达到仪器设备外观的逼真性，并提供一些基本的交互。
3.虚拟实验系统中的交互
交互性是虚拟实验系统中的一个重要问题。一类是用户在浏览场景的时候，主要的输入设备就是鼠标，这时候检测器实际上是检测用户对于鼠标的各种操作动作，如鼠标的单击、指向、拖动等等，从而场景做出相应的反应。检测这类动作的监测器是接触型监测器。描述这类监测器的节点有接触监测器节点TouchSensor以及PlaneSensor节点、SphereSensor节点、CylinderSenS0r节点;另一类是用户和场景中某对象接近的程度，对象做出相应的反应，使得用户和虚拟对象之间形成交互。
将所有仪器设备成功地加入到场景当中之后，用户应该可以随意地拿起自己需要的实验器材进行实验，所以要提供用户选取实验器材的接口。当用户在选择某件仪器，为了提供给用户选择的接口，我们在实验仪器原型中设计了供用户选择的按钮。如果选中时就可以点击按钮“tal(e ，无需使用就只要点击“放回”按钮。由于用户需要与系统进行交互，同时系统需要根据用户的选择与后台数据库进行通信，因此我们使用Java Applet。Applet具有 良好的网络传输透明性，图2显示了浏览器通过Appl 访问数据库的整个过程 。
三、虚拟实验集成的系统结构
1.软件程序集成
软件程序是虚拟实验系统的重要内容，是系统的灵魂所在。在虚拟实验系统中，我们将软件程序部分按照层次化和模块化的设计模式进行集成。集成化的软件程序依据集成度的大小分为不同层次的模块，分属不同层次的模块充分体现了整体和部分的关系，各模块都可以看成是下一层次多个模块集成的整体，每一个模块又都可以看成是上一层次模块中的一部分，各层次之间互为整体和部分的关系为系统结构构架提供了灵活的方式。转贴于
2.系统功能集成
系统功能集成是建立在软件程序集成的基础之上的，系统功能集成是系统结构集成的重要体现，系统结构的有效集成度是系统功能集成的重要基础。在虚拟实验系统中，软件程序的集成保证了系统功能在不同层面上的集成度和在各层面之间的灵活性。以不同集成度来形成的系统功能整体在系统构建、修改、维护等方面起到了重要的结构化支持作用。
3.仪器软面板集成
仪器软面板是虚拟实验系统的重要特色之一。在传统实验系统中，仪器设备一般会自带一个显示屏，以及相关的操作组件和按钮来形成一个操作面板，这个面板的形式以及各组件和按钮的功能是固定的，不能修改和设置。在虚拟实验系统中，各种仪器设备的操作面板集中显示在计算机的显示屏幕上，这种面板由软件程序来形成和设置，由键盘、鼠标以及其他的外部输入设备来控制，面板的形式以及各组件和按钮的功能可以根据需要自定义，可以将多个仪器的面板组合在一起，也可以将某一个仪器的面板简化。仪器软面板形式和功能上的这种灵活性正是系统集成度的体现。
4。网络集成
网络的出现使得分布式结构成为可能。在虚拟实验系统中，我们通过网络可以突破时间和空间的限制，将更多的协议方和操作方以一定的集成度集成在一起，共同完成实验项目。我们在谈集成性的问题的时候，一定是和相应的分散度联系在一起的，就如同整体和部分之间的关系，每一个整体都可以看作更大的整体的一部分，而每一个部分又都可以看成更多小部分的整体。网络的分布式保证了系统结构的集成性。
四、虚拟实验教学应用的优势
从虚拟实验的技术优势和实验教学的现状需求出发，其优势主要体现在以下几个方面:
1.资源开放
从虚拟实验的技术实现角度来看，实验教学中的有效资源全部开放，这使得实验项目从开发到操作，再到后期数据处理与实验课程的复习全部开放给学生，学生可以利用系统软件程序模块和实验项目设计模板等帮助实验设计方案的形成与开发;利用数据分析与处理工具包进行实验数据的分析与处理，获得规律性认识:教师的指导性意见、学生的交流信息和实验故障和误差分析等信息资料，可以帮助学生在实验课程总结和复习中取长补短、巩固知识。
2.组织形式开放
虚拟实验将实验资源、实验项目开发和实验操作等网络化、平台化，因此实验内容、时间以及地点等组织形式是开放的具备可选择性。针对目前实验教学需要跨学科、跨地域、多项实验同时开展等现状要求，虚拟实验所具备的组织形式开放性为实验教学模式的扩展提供了技术准备。
3.对象开放
虚拟实验的网络功能能够根据不同的对象设置不同权限的系统身份，实验参与人员各取所需，实现学习和交流的目的。在实验教学中，对象的身份基本分为三种层次和三种身份。三种层次指的是系统管理员、教师和技术人员、学生。三种身份是针对学习者而言的:实验课程参与者、远程实验课程学习者、实验爱好和探索者。
五、总结
本文将虚拟现实技术引入到实验教学环节中，这在一定得程度上提高了实验的开放程度，降低了实验的成本，较好地激发了学生对于实验环节的兴趣和主观能动性，但在虚拟实验设置过程中的交互问题仍是一个值得探讨和研究的主要问题。
参考文献
【l】徐学军.高校实验教学要加强学生创新能力的培养【J】.经济师，2004，(4).
【2】徐婷.教学型虚拟实验通用平台的研究与应用【D】.重庆大学学位论文，2006.11.
【3】朱敏.虚拟实验与教学应用研究【D】.华东师范大学博士学位论文，2006.6.
第10篇
1对象与方法
1.1研究对象
齐齐哈尔医学院2005级预防、管理专业本科生。将所有同学分为2组,其中实验班33人,对照班24人。
1.2研究方法
1.2.1教学改革的实施基础理论教学时数为50学时,同一老师,同一授课方式,从而保证2个班的同学所学的统计学理论知识是完全一样的。在分组的实验课上,对照班采用传统的做题练习,并结合理论知识讲授。实验班则以公开发表的科研论文作为案例,采用案例讲授,根据对论文中的实验设计方案、数据分析方法的讨论,来提高学生解决科研工作中实际问题的能力。
1.2.2考核本学期授课结束后,由教师统一命题,对试验班和对照班的学生进行包括卫生统计学基础理论知识和统计方法应用2个方面的考核,以检测学习效果。试卷由教研室全体教师进行集体评阅。
1.2.3统计分析对数据采用“均数±标准差”形式表达,组间比较采用独立样本的t检验。所有统计方法应用SPSS19.0实现。
2结果
(1)试验班和对照班学生的基础理论知识考试成绩无明显差异(t=0.25,P＝0.8056),表明“案例”教学模式的教学法并不影响学生对基础知识、重点和难点的掌握,见表1。
(2)试验班和对照班学生在统计应用能力测试方面有明显差异(t=2.84,P＝0.0064),表明应用“案例”教学模式,在培养学生灵活应用统计理论,解决实际数据分析问题方面优于传统教学模式,见表2。
3讨论
3.1案例教学提高了学生的实际数据分析能力
研究结果显示,尽管案例教学模式和传统教学法在对学科的基础知识、重点和难点的掌握上没有明显区别(P＝0.8056),但案例教学即实验班的学生在灵活运用所掌握的统计理论知识来解决实际数据分析问题的能力明显强于对照班。因此,在实践性较强的卫生统计学教学中采用案例教学是切实可行的,有助于培养学生的科研思维方式和数据分析技巧,提高学生独立思考和解决问题的能力。
3.2案例教学提高了学生自学的能力
传统教学法使学生处于被动接受的地位,教师只重视将知识灌注给学生,忽视了学生的主观能动性。而案例教学则是以学生为中心,在案例的讨论中使学生能够自觉地获取知识,以解决遇到的问题,提高学生的自学能力。针对科研实例的讨论可以促进学生不断地思考,调动学生的学习积极性,充分发挥了学生的学习主体作用,大大提高了自学的能力。逐渐认为统计学其实是很实用、很有趣的一门课程[3]。
3.3案例讨论提高学生正确选择实验设计方法和统计分析方法的能力
针对当前统计学方法被误用、滥用现象严重的现状,尤其表现在医学期刊中统计分析错误较多的现状,这都是传统教学模式造成的结果。本次实验班在进行案例讨论的过程中,亦发现众多的期刊论文中存在实验设计或统计方法错误的情况,针对这些具体问题着重进行了讨论。从公开发表的医学论文中的各种错误实例进行讨论,使学生“虚拟地”置身于科研第一线,使学生感受了一个个活生生的科研实例,由于所讨论的内容均来自于实际科研工作,可以激发起学生积极思考与讨论的热情,通过个人分析和与他人讨论或辨析,对问题可以有比较全面、准确的理解并找出解决问题的基本途径和方法,培养了学生合理选择统计方法的能力[4]。从而可减少学生在未来从事实际科研工作中应用统计学方法中出现错误的概率,增强处理各种实际问题的能力。
3.4案例教学在实施过程中存在的问题
第11篇
关键词:大学物理实验 嵌入式 交互式 实验教学 创新型人才
中图分类号: O423.1 文献标识码:A文章编号:1007-3973 (2010) 07-162-02
1大学物理实验教学的现状
物理学是探索物质世界奥秘的基础学科,而物理实验是本科生进入大学后系统学习科学实验设计思想、方法和技术的入门课程,它在培养学生的科学实验素养和创新能力、打造综合型的高素质创新人才过程中有着不可替代的重要作用。而目前高校的实验教学课程主要以“教师理论讲解、操作演示―学生动手操作、完成实验”的模式进行。这种方式利于学生在有限的实验课时内完成实验任务,但不利于学生的实践动手能力和创新能力的培养,不能调动学生的学习主动性,学生只需按部就班、循规蹈矩、被动模仿就可完成实验任务。而教育的根本目的是培养高素质的创造性人才,现行的教学模式与教育的这一目的相距深远。
科技的进步对教育提出了越来越高的要求,学校对人才的创新思维和实践能力的培养也必将是一种趋向个性化的教育,而传统教育资源的匮乏和教育模式的陈旧呆板制约了“自主学习”和“个性化教育”的广泛推行,这也是教学改革深入发展的瓶颈之一。
传授学生物理实验的基础知识、实验方法和技术只是物理实验的主要内容之一,而创新意识、创新思维和创造能力的开发与培养则是教育更本质、更核心的内容。我们当前处于一个信息化的时代,各种信息的飞速膨胀使得我们完全有可能探索出一种以能力培养为主线,分层次、多模块,符合现代先进教育思想的开放的新的物理实验教学模式和体系。
2开放的嵌入式和交互式实验教学的特点
NI ELVIS是由美国国家仪器有限公司(National Instruments, 简称NI)的设计与原型开发平台的新版本,被全球众多教师应用于动手实验和项目学习中。它基于强大的LabVIEW图形化系统设计软件与课程资源套件结合在一起使用,可以为科学和工程实验室创建了理想的动手平台。我们可以根据物理实验本身的需求,为学生提供了使用NI ELVIS在交互式环境中对概念进行探索和设计的机会。”
本教学方式是在开发虚拟实验软件的基础上,依据NI ELVIS自身的特点与功能,构建一种开放的嵌入式和能实现人机交互的物理实验教学平台。该平台将具备以下特点:
(1)形象、直观、操作方便、简化了实验室的配置,并且加深了学生对嵌入式和开放式创新实验的理解”。
(2)适合全方位开放、功能强大可以与多种应用软件和硬件连接。
(3)开放式的操作平台,学生可以选作自己感兴趣的实验项目、可以和各种硬件和传感器连接进行自主设计和嵌入,从而完成创新实验内容,可实现自主、交互与创新的教学模式。
(4)教师和学生利用NI ELVIS可以在仿真数据与实测数据之间进行切换,使用同一个仪器查看仿真数据和实测数据,在仿真或测试中利用单一平台查看电路设计过程的整体情况――从设计与原型开发直至实现阶段。
平台建设的成功,将会实现学生真正的以兴趣为导向选择自己的实验内容,使实验教学内容在时间和空间上得到延伸,从而开创物理实验教学的新模式,为其他教师进行多元化教学模式的探索提供新的教学研究平台。
另外,我校物理实验中心多年以来积极开展教学改革与实验室建设,积累了丰富的经验,实验中心在人员、设备、场地及时间等方面具有足够的条件保障,能够确保这种嵌入式、交互式实验教学平台顺利构建和新的实验教学模式的改革和探索。
3嵌入式和交互式实验教学的实施
开放的嵌入式和交互式实验教学平台的探索与建设符合大学教学改革要求,在内容和形式上有创新,并有充分的条件保障支持,能够顺利地进行并圆满完成。它的建设成功必将对促进教学信息化建设的改革进程具有很重要的参考意义和价值。
3.1具体改革内容、改革目标和拟解决的关键问题
改革的内容:借鉴国内外著名高校改革的经验,整合现有的教学资源,优化教学形式。先用LabVIEW开发出一系列的可与其它软件兼容并可和其它硬件、传感器相连接的物理虚拟实验,如霍尔效应、综合光学等实验,然后在此基础上与ELVIS系统整合一起,搭建开放的交互式实验教学平台。学生在了解实验的物理原理的基础上建立相应的实际物理实验模型和实验设计电路。这些初期的模型和电路当做一个可以兼容的实验模块,以后做相关实测实验的时候可以直接拿来使用。
本实验平台的一个突出特点就是可以实现物理实验的虚拟演示和实际信号采集相结合,培养“虚实结合”的教学理念。其中“虚”就是只需一台计算机而不需要其它任何实验设备就可完成相应物理实验的虚拟演示与操作;“实”就是该平台辅以相应的硬件设施又可以完成真实的实验。例如,光的衍射实验,我们可以在开发的实验软件上用虚拟的激光演示实验现象,又可以直接通过ELVIS对实际的激光信号进行采集,从而完成实际的激光衍射实验。“虚实结合”体现了该教学平台的开放性与自主性。
改革目标是在开发该实验平台的基础上,探索出一种更灵活、更能激发学生学习积极性和主动性的符合现代教育思想的新的教学模式。要使平台体现真正的开放性与自主性,让学生真正的参与设计新实验、拓展实验平台的外延性,设计一些与学生自己专业相近或者兴趣相关的实验课题。这必将促使对新教学模式和教学理念做一些有益的尝试与探索。这里,需要解决的关键问题是如何改变学生固有的对实验教师指导实验的依赖性,如何培养学生对实验学习的主动性和参与性;另外,改变实验老师传统的“保姆式”的教学思维和理念也是一个关键的问题。
3.2实施方案、实施方法、具体实施计划及可行性分析
在确定一系列的实验项目和内容后,再开发相应的虚拟实验项目和平台后,而后在实验中心或者学校网站的公告栏里张贴出新实验教学平台的特征和特色,阐述新实验教学模式自主性、灵活性和开放性。让学生以兴趣为导向,在完全开放和自愿的前提下自主报名参加新模式的教学效果尝试。教学结束后,以问卷的形式在报名的学生中间,调查新模式的教学效果,由受教育的主体来检验新的教学平台和模式在提高他们创新意识和自主动手能力是否方面卓有成效。
因为新教学平台和教学模式的实施方案中淡化了传统教学中“教”与“学”某种程度上的对立,注重了学生的个性和兴趣,所以在理论上都有很大的可行性。
目前,全国多数高校中,实验教学突出了教师的主导性,忽略了学生的主体性;同时由于授课内容的整齐划一,很难提高学生的学习兴趣,从而削弱了学生自主动手和自我思考的能力。
这种教学方式的特色与创新之处在于试图改变这一状况:
(1)试图通过引导性的授课方式代替灌输式的上课模式。
(2)试图改变和完善传统的教育模式,推行以学生兴趣为导向的个性化教育。
(3)试图引导学生在实验中发现问题、解决问题进而达到寻求问题、解决问题的能力。
(4)试图通过引导学生进行自主实验设计与操作,从而培养了学生的创新意识、提高学生的综合实验动手能力,并为学生主体价值的自我实现提供了平台,
我校物理实验中心多年以来一直致力于实验室建设与教学改革,不断开出新实验,不断实践新的教学方式及考核方式,不断对教学改革进行总结,在1997年与物理教研室联合完成〈物理课程改革与建设〉教改项目,获省级教学成果二等奖。在2000、2002及2003年完成学校对实验中心的三次投资建设(共投入470万元),先后开出5门应用技术课程,开出了近80个新实验项目,完成了实验课程考核机制教改项目,并对实验室实行了切实有效的开放,先后发表教改论文3篇,编写教材及讲义9种,积累了丰富的教学改革经验。
上述教学方式的实施需要实验中心的人才结构合理,大多数老师都从事过教育教学改革方面的研究与探讨,并具有丰富的经验,对实验项目及实验设备进行深入的探讨和研究,尤其在仪器的性能控制、维修、改造等方面,具有丰富的经验。
河南理工大学高度重视实验室建设,大力投入,仅对物理实验中心,2000年以来就陆续投入470万元用于新实验项目建设。新校区的建设已基本完成,在人员、场地、设备等方面均具有优良的基础条件。目前用于实验项目开发的软件和硬件已经到位,这种实验教学方式已经取得了非常好的效果!
4总结
总而言之,开放的嵌入式和交互式实验教学平台具有一下优点:
(1)由引导性的授课方式代替灌输式的上课模式。
(2)改变和完善传统的教育模式,推行以学生兴趣为导向的个性化教育。
(3)引导学生在实验中发现问题、解决问题进而达到寻求问题、解决问题的能力。
(4)通过引导学生进行自主实验设计与操作,从而培养了学生的创新意识、提高学生的综合实验动手能力,并为学生主体价值的自我实现提供了平台。
参考文献:
[1]杨德广.教育新视野新理念[M].上海:上海教育出版社,2007.
[2]兰明乾.大学物理演示实验教学研究[J].陕西师范大学学报,2007(35).
[3]陈明通,翟秀云.大学物理教学方法与教学手段探讨[J].教育探索,2007(12).
[4]李秀平,杜磊.非物理类大学物理教学改革的新实践[J].教育理论与实践,2007(2).
第12篇
论文摘要：在RC电路中，当电容两端有电压时，关闭开关，通过计算机观察电流通过电阻，在RC电路中电压随时间的变化规律与理论情况比较。实验以RC电路为基础，通过声卡使计算机与实验结合，用Cool Edit软件进行录音，最后通过数学软件MATLAB对图形进行分析，将理论计算值与实际测量值进行比较，结果证实了RC放电的电压随时间的变化趋势。
1引言
本论文主要证明在RC电路放电时电压随时间的变化关系实验.
在RC电路中，当电容两端有电压时，关闭开关，电流通过电阻，此时电路中电压随时间的变化成何种规律。作者在一本教科书中发现前人已经得出结论，电压与时间的关系式是.作者通过实验测量出5个时间点的电压值与在相同时间点的理论值相比较，看两者是否接近或相等。
2 设计原理及方法：
2.1 RC电路放电原理：
电路的过渡过程是指从一种稳定状态转到另一种稳定状态所经历的变化过程，其变化十分短暂而且是单次变化过程。对时间常数τ较大的电路，可用慢扫描长余辉示波器观察光点移动的轨迹。对时间常数τ较小的电路，必须使这种单次变化的过程重复出现。为此，我们利用NE555方波发生电路输出的方波来模拟阶跃激励信号，即令方波输出的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；方波下降沿作为零输入响应的负阶跃激励信号，选择方波的重复周期远大于电路的时间常数τ，就可以观测电路的过渡过程.
在阶跃信号下，RC-阶电路的零输入响应和零状态响应分别按指数规律衰减和增长，其变化的快慢决定于电路的时间常数τ.
2.2 时间常数τ的测定方法：
⑴ 根据-阶微分方程的求解得知
（1）
方程⑴为电容放电过程方程，其中U是放电前电容两端的电压.
当t=τ时，U0＝0.368U.此时所对应的时间就等于τ。其零输入响应的波形如图1测试电路如图2⑴所示.
⑵ 由零状态响应波形增长到0.632U所对应的时间就等于τ。其测试电路及波形如图2⑵和图3所示.
⑶ 微分电路和积分电路是RC一阶电路中较典型的应用电路，它对电路时间常数τ和输入信号的周期T有着特定的要求.
RC串联电路，如果满足τ＝RC
（2）
由式（2）可知：电路的输出信号电压与输入信号电压的微分成正比，电路如图4⑴.
将图4⑴中的R与C位置调换一下，即由C端作为响应输出，且当电路参数的选择满足τ＝RC>>T/2条件时，则称为积分电路.
（3）
由式(3)可知：电路的输出电压与输入电压的积分成正比，电路如图4⑵.
2.3 实验仪器与软件介绍
声卡是多媒体技术中最基本的组成部分，是实现声波／数字信号相互转换的一种硬件.在一块声卡上有晶振，AD/DA转换芯片和数字处理芯片及其他辅助电路.因此，它可以作为数据采集卡使用，不过被采集号的频率被限制在音频范围之内.设定了采集频率，采样位数，缓冲区大小之后，再利用声卡的DMA方式进行数据采集工作。利用LabWindows/CVI环境下，借助硬件驱动程序对声卡的采集频率，采样位数，缓冲区大小等分别进行控制，根据用户的需要调整波形显示，进行波形分析，从而构成功能强大的虚拟存储示波器.
Cool Edit软件与外电路是通过声卡的连接，当外电路的开关关闭再打开，在Cool Edit软件的界面会显示出电压与时间的关系图形.将图形剪切下来，与.mav的文件形式储存起来.
MATLAB是数学软件，主要用于对图象的研究，精确度较高.
2.4 实验设计方法
（1）设置声卡
① 打开声音高级控制.
图5
② 选择录音属性，打开录音音量控制面板，将输入方式选成Line。
③ 关闭不必要的声音特效，以免左右声道互相干扰。
④ 如果无信号时背景噪声较大，可以尝试将一些选项静音，特别是CD音频。
⑤ 调整输入和输出的平衡，可借助示波器部分和信号发生器部分实现。
这时信号是从Line In 口输入的.在输出音频信号时，输入口是没有信号的.
如果使用其他声卡，可参照以上步骤设置.注意使用万能声卡驱动程序或自带驱动程序，不要使用Windows带的驱动程序.如果仍无法正确工作，可换一个驱动程序试试.可能出现的情况:
a 声卡上没有Line In口，只有MIC口，在一些廉价主板集成的声卡上会有这种情况，因为MIC口通常是声道，也就是示波器只能单踪工作.
b 打开信号发生器，示波器上同时显示波形，这是输出反馈到输入端造成的，可修改各项设置.
(2) 在实验线路板上选取R=5kΩ，C=10μF组成如图2所示的RC充放电电路.NE555信号发生器输出的方波信号电压U=1.5V，频率f=1kHz，将自制电缆线Φ3.5立体声插头插入声卡的Line In，另一边接到实验线路板上的激励端口所在位置.
(3) 在虚拟示波器上观察激励与响应的变化规律，来测时间常数τ，通过调整虚拟示波器界面上的增益、时基和网格按钮，可清晰地观测RC的响应曲线，并可计算出时间常数τ.对于R=5kΩ，C=10μF的RC响应曲线如图6所示.
图6
(4) 适当地改变电容或电阻值，观察波形变化情况，记录观察到的现象.
①选取R=10kΩ，C=10μF，观察并绘制响应的波形，继续增大C之值，定性地观察响应的影响.
②选取R=15kΩ，C=20μF，组成如图4(1)所示的微分电路，在同样的方波激励信号作用下，观测并绘制激励与响应的波形.
3 数据分析电压时间
实验所测得电压随时间变化曲线如图7
4 实验结果分析
①通过计算在相同时间点电压理论计算值与电压实际测量的结果的比例进行比较，我们可以发现相同时间的电压比值几乎相等，作者在通过改变R与C的值发现相似的结论，由此可以证实前人研究.
②本实验精确度较高，但难免有误差的出现，首先在截图时，很难从电压最大值开始截取;其次在用MATLAB对图形进行处理时，很难在特定时间内找到所对应的电压值点，作者因此选取在此附近的点，由此产生的误差可达到万分之一.而且用声卡测试仪器时，难免有噪音的的影响.
③声卡测试仪器的优点:可以将电路与计算机连接在一起，并截取录音，传送给计算机处理.
声卡测试仪器的局限性:容易受外界环境及本身其他的功能影响.
5 结束语
本实验室属于计算机应用实验，难度较高。实验要求会使用Cool Edit Pro 2.0，MATLAB6.1等软件，熟悉声卡的原理，计算机基本知识及物理原理等等.在此应该特别感谢鲁晓东老师，胡依杰同学及费芬同学对我的帮助，他们帮助我找到很多关于这方面的资料.在此次实验中证实前人已经得出的RC电路放电电压变化规律，即电压与时间的关系式结论.
参考文献
第13篇
【关键词】虚拟实验室 云计算 实验教学平台
1 现有虚拟实验室的特点
虚拟实验室的概念最初由麻省理工学院提出，发展至今，已经扩展到多个学科领域，成为高校实验教学的重要组成部分。在国外，虚拟实验已成功的应用于解剖教学、放射治疗定位、具有危险性的人体实验、化学虚拟现实系统等等。国内各专业教学系统和虚拟实验系统也逐渐增多。以我校为例，目前很多课程拥有自己的实验平台，如计算机网络实验、模拟医院信息管理、模拟药店、虚拟生化实验系统等。
各种各样的虚拟实验室在教学应用和管理方面的问题也逐渐凸显。主要体现在以下方面。从服务器端的情况看，服务器数量虽多，但差异大，硬件配置性能相差很大，有些托管在网络中心，有些由专业系部自己管理，资源较为分散且利用率低。从客户端的情况看，机房大多通过传统保护卡更新维护，日常管理维护工作量较大，不能满足快速变化的教学需求和实验要求。从实验教学本身来看，高校的实验教学对资源的要求有着显著的时间密集性和资源一致性的特点。在上课时间，大量学生统一访问和使用，而在没有课程的时候，教学资源又是大量闲置，造成高峰资源不足和低峰资源浪费的双重矛盾。
云计算技术是解决这些问题的一个可行方案，云计算将分散的计算、存储、网络资源集中起来，虚拟化成资源池，按需动态的为用户提供所需的资源，具有资源节约、服务能力强、资源动态化和使用动态化等方面的优势。
本文针对医学院校虚拟实验的软硬件要求，结合云计算技术，搭建了统一的实验管理平台，达到合理分配资源，提高资源利用率，以实现实验管理的灵活性，快速响应教学的变化。
2 实验平台整体架构
我们构建的虚拟实验平台是在云计算提供的服务基础上，增加用户层，工作过程是学生通过浏览器，连接到Web服务器，按照不同的学科，将不同实验构件进行组合，进入不同的实验场景，实现实验创建并完成实验。
实验平台的Web服务器连接组成一个内网，运行web服务、实验所需的各种软件和数据库。Web服务负责管理实验流程，响应客户端请求，控制实验节点完成各项实验功能，从数据库中读取实验场景、设备等信息，将操作日志和实验结果保存于数据库。同时，数据库中存有各科实验的参考资料，包括实验教材、指导书、参考代码、视频教程、动画等。客户端只需要普通PC机，通过浏览器登陆即可进行实验。平台整体框架如图1所示。
通过云计算提供的服务，可以在一台物理机上部署多台虚拟机，也可以在虚拟机上配置各种系统环境，安装不同的服务器和数据库软件，而不用面对物理机一台台进行环境的搭建。
3 平台的详细设计与构建
3.1 集智云桌面管理系统的部署
集智桌面云管理系统（ADS）利用虚拟技术和PAAS、SAAS技术，通过校园网将分布在不同地点的计算机进行整合统一，通过一台服务器实现对几百台电脑终端的管理集中化、部署智能化和更新维护自动化。
ADS系统可设置多个组，每组管理多个客户端。因此，我们在应用中，根据不同机房、不同硬件配置、不同软件环境、不同的虚拟实验用途、不同的专业课程要求等对各种类型的计算机采用分组管理策略。在磁盘管理中，ADS允许在服务器上为每个组创建一个与之对应的虚拟磁盘。在该虚拟磁盘上进行“分区规划、系统配置、还原方式、使用者行为管理策略”等创建一个磁盘模版。在进行部署时，我们直接将该模版复制到客户端本地硬盘，并在虚拟磁盘上设置该磁盘的管理策略，进行磁盘剩余空间的调配。
计算机系统部署时，客户端的系统部署与维护在后台自动运行，一切都在客户端正常使用中完成，无须停机停课进行系统部署维护，因而可以大幅度提升机房的日常运营维护效率。
3.2 实验平台网站
实验平台采用B/S模式，客户端通过浏览器登陆网站，进入相应的虚拟实验室，完成实验。网站的主要功能模块包括用户管理、虚拟实验室管理、虚拟实验管理及在线交流协作等。
网站允许用户通过浏览器远程访问服务器端的实验程序，服务器端接受浏览器端发送的实验请求，分析和处理实验参数，经过计算模拟将结果返回。有些课程的虚拟实验为了呈现动态交互，每一步命令执行都需要更新显示，这增加了网络的通信量，易导致过载。如果服务器只负责数据检索，计算和可视化都在浏览器端实现，易造成网页显示速度太慢。因此，均衡考虑，我们将网站设计为在服务器端进行数据检索和处理，可视化和交互在浏览器端完成，通过JavaScript脚本等实现。
3.3 用户单点登录
虚拟实验平台采用统一的用户认证机制，用户在单点登陆后，可以平台中无障碍的穿梭于各个虚拟实验室之间。单点登录的实现可以是以服务器为中心的单点登录、以客户端为中心的单点登录或客户/服务器模式的单点登录。单点登录常见的实现机制有基于经纪人的方式、基于人的方式、基于网关的方式、基于令牌的方式、基于人和经纪人的方式等。我们利用CAS开源软件，建立以服务器为中心的单点登录模型，将用户认证信息存储在身份认证服务器上，该信息用于验证用户身份的合法性，由服务器为应用生成唯一不可篡改的票据。
3.4 虚拟实验设计及运行
已有的虚拟实验，需要将其数据库迁移，通过Web服务提供数据存取。新的虚拟实验，实现流程分为建模和运行两步。建模的主要功能是建立虚拟实验模型，包括实验对象模型、实验流程、实验场景等，学科专业性较强。运行是基于预定义的实验模型，运行虚拟实验，存储实验结果，并对实验结果评分。这一步需要实验平台的支持。
虚拟实验运行的流程是：
（1）加载实验模型。学生登录系统，进入实验中，系统首先从虚拟实验模型数据库中，加载对应的实验模型。
（2）虚拟实验运行。虚拟实验引擎根据实验模型，渲染生成界面，展现给学生，并接收用户输入，驱动实验每个步骤，当实验完成时，保存实验结果。
（3）结果评分。学生完成实验室，系统给出实验评分。
4 结论
虚拟化和云计算技术从一开始就是面向应用的。本文结合虚拟实验教学的实际情况，提出了一个基于云计算的虚拟实验平台，利用桌面云系统，将各学科虚拟实验室联结起来，支持用户通过浏览器开展实验，从而使实验管理更为灵活高效，提高资源利用率。
参考文献
[1]Yi C.Zhao，MBBSa，Gregor Kennedy，Differentiating levels of surgical experience on a virtual reality temporal bone simulator[J]. Otolaryngology-Head and Neck Surgery， 2010.11，143（5）.
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[3]张宇，虚拟心脏解剖及电生理数学建模[J].浙江大学（博士学位论文），2009.4.
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[5]Armbrust M，Fox A，Griffith R，et al.Above the Clouds：A Berkeley View of Cloud Computing[R/OL]. UCBerkeley，RAD Laboratory，2009.
第14篇
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综论
(1)从自主设计型实验教学谈学生实验技能的培养 王冰 王世仪 张成鸿 周万春 黄敏 刘佳
实验技术
(4)履带式双人休闲运动车的研制 张印 李小昱 王为 向德虎 冀牧野
(8)6-甲基尿嘧啶的绿色合成 耿静漪 姜文清 贾定先
(11)fe／cu-edta络合电极电势的影响因素及探索 王新红 戴兢陶
(14)自噬与阿尔茨海默病的实验设计及结果初探 金岳心子 高超 李婷
(17)基于fpga的立体停车场控制程序设计 韩延义 尹睿涵 徐帅 李岳
(21)带式输送机从动轴的疲劳分析 周立彬 陈焕国
(24)换热器性能参数实验台自动测试系统的改进 王亚辉 田瑞 冯志诚 王召阳
(27)基于gsm技术的温度报警系统的设计与实现 周曦国 陶薇薇
实验研究
(30)小麦幼苗微管结合蛋白map65s体外对微管聚合影响的研究 马爱珍 韩榕
(34)几种生物质活性炭处理有机实验室废水的研究 屈军艳 胡成 殷明义
(38)试管比色法检测淀粉酶值实验教学中的问题探讨 杨萍萍 徐瑞雪 刘美 崔言顺
(41)bifeo3及其掺杂体系薄膜的结构及性能研究 吕平 宋涛 张曰理 闫宁
(45)茶叶渣负载羟基氧化铁的制备、表征及吸附性能的研究 黄秋香 张庆乐 李娜 李敏 葛海燕
无
(49)参考文献 无
实验研究
(50)絮凝固液分离技术处理废弃泥浆试验研究 杨春英 白晨光 马庆松
无
(53)如何写科技论文的“结果与讨论” 无
实验教学
(54)基于matlab的电力电子技术课程的教学探索 陈宏
(58)面向工程实践能力培养的高分子物理实验教改与实践 李景庆 郑俊萍 崔振铎 原续波 沈永涛 王玮 冯奕钰
(62)强化实验教学管理 提高实验教学质量的措施 段祖安
(65)基于cdio模式的微机原理与接口技术课程实验教学改革与实践 李珍香 李全福
(69)仪器分析实验教学的探索与研究 于专妮 王强
(71)基于创新型人才培养的开放性实验教学在生物专业的实践 洪军 胡建业 王福梅
(74)“公能”素质教育与电子信息实验教学改革与探索 高艺 孙桂玲 李晓晨
(77)地方理工院校微生物学实验教学体系的构建 于洪飞 龚红梅
(80)地球物理专业数字信号处理实验教学的探索 郑晶 彭苏萍 朱国维
何登科
(83)计算机导论实验教学的探索与改进 陈武
(86)卓越工程师培养目标下的液压传动实验教学改革探讨 韩克镇 刘军营 王勇 刘同义 许同乐
(89)测试技术实验教学的特色创新实践 袁庆丹 刘军 唐东炜
(92)以培养创新型人才为目标的计算机硬件实验教学的研究与探索 王晓迪 孙建国 武俊鹏 张国印
(95)兽医外科手术学实验教学改革 王华 周孝琼
(98)虚拟实验在医学化学实验中的应用 刘慧中 周金娥 李月琴 蔡玉兴 金玉杰 方敏
计算机应用
(101)高校校园网网络系统安全隐患防范对策探讨 姜贵平 时鑫 秦羽丰 孙海龙
(104)信息技术教育中的联想教学法研究 陈美芳 毛淑娟
(108)使用excel软件求取反应级数的快速方法 葛华才 朱明丽
(111)基于校园网的统一威胁管理研究与应用 孙恒
(115)结合多媒体技术的实验教学改革 王良成
实验室建设与管理
(118)开放与共享实验室教学模式的构建 王玉法 梅兰兰
无
(121)高校本科实验教学工作水平评估标准介绍 无
实验室建设与管理
(122)基于卓越工程师培养的工厂供电实验室建设 刘燕 鲁明丽 秦维勇
(125)基于局域网的金属材料热处理虚拟实验室构建 包俊成 王志奇 毕大森 高新树
无
(128)如何写科技论文的“实验方法” 无
实验室建设与管理
(129)高校实验室开放与管理模式的实践与探索 彭儒武 徐海花
(133)大类专业招生制下的实验室构建 严家斌
(137)浅谈经管类专业实验室的建设 王永会
(140)电气控制实验室管理模式研究与实践 赵亚范
(143)独立学院建立经管实验教学示范中心的思考 熊小芬
实习与实训
(146)以基础化学实验为载体培养学生绿色化意识与技能 林晓辉 董建 陈震 葛燕青 姜洪丽 曹晓群
(150)研究型自然地理实践教学模式探讨 衣华鹏 张鹏宴
(153)构建安全科学与工程实验教学平台的探索与实践 杨永良 李增华 侯世松 左树勋
(156)基于知识网络的高校数字教学资源平台的共建与共享 郭广航
(159)基于协同模式的中药资源专业实践教学体系的研究与方法 毕建杰 祝丽香 张明忠 霍学慧 叶宝兴 孙印石
(162)船用柴油机实践教学的探索与实践 欧大生 陈萍 王悦民 张剑平
&
nbsp; (166)面向实践的“微机原理及应用”教学探索 刘迎澍 金文 陈曦 张慧群
(169)探析独立学院手工会计实务综合设计性实验的必要性 李淑芳
(173)案例教学法在智能仪器设计教学实践中的应用 陈颖 林育兹
仪器、设备、技术
(176)离心泵综合演示装置的研制 曹亚鹏 袁中凯 任少锋 杜恪听
(179)水源热泵机组性能测试实验台设计方案探讨 崔四齐 杨晓明
(184)硅mems陀螺教学实验平台搭建 郭占社 曹乐 王显波 韩景轩
实验物资购、供、管
(187)高校可共用资源管理模式和运行机制研究 武向侠 落巨福 王惟远 白垅 梁宏 张月琪
无
(189)加强教学基础建设提高人才培养的能力和水平 无
研讨与交流
(190)植物组织培养实验课程取材途径 刘清波 黄红梅 陈智勇 覃静萍 赵燕 黄丽华
(193)机械设计制造及其自动化专业毕业实习的改革 何荣华 王一鹏
(196)谈物理化学实验的有效数字问题 任聚杰 郭子成
(199)巧妙利用生物化学实验中的错误 冯俊荣
(202)物理实验与基础力学实验承继和衔接问题探索与实践 王润永 杜宁 王琳 张敬东
无
(206)如何写论文摘要 无
研讨与交流
(207)颁获 无
(208)《实验室科学》2012年1-6期（总69-74期）目次索引 无
第15篇
【关键词】LabVIEW;PXI-5152;数据采集
1.引言
由于传统测控设备一般只能独立完成一项功能，而虚拟仪器可以将原来多种传统测控设备集中于一套系统中，同时它的开放与灵活性能使之与计算机技术保持同步发展[1]。虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块性、可重复使用及互换性等特点。为提高测试系统的性能，可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不用购买一个完全新的系统，有利于测试系统的扩展[2]。本文主要基于PXI-5152板卡利用LabVIEW进行信号进行采集和分析的设计。
2.数据采集系统的设计
由于LabVIEW是基于模块化程序设计思想，故在开发过程中也是基本上遵循这一基本思想。在总体方案确定后，根据所需的不同功能分别组建各种功能模块，最后再集成和调试。创建虚拟仪器的过程的过程分为三步：
（1）编写虚拟仪器流程图。
（2）设计虚拟仪器的前面板。
（3）确定虚拟仪器的图标和连接[3]。
采用模块化的软件设计思想编写，每个功能的实现由一个模块完成，系统软件总体包括数据采集、参数测量、相位、幅频分析、数据存储和回放等模块，最终实现数据采集、处理、记录、显示等功能。系统软件组成框图，软件设计整体界面分别如图1，图2所示：
图1 软件组成框图
图2 PXI-5152多功能示波器前面板
2.1 信号采集模块
LabVIEW集成了功能强大的数据采集函数库Data Acquisition。NI公司也设计了NI-SCOPE模块，使得编程更加简洁化[4]。本设计应用的PXI-5152板卡所采用的软件编写设计模块正是NI-SCOPE模块。使用NI-SCOPE模块数据采集函数建立采集程序非常简单，其流程如图3所示，基本过程如下：
参数设置如图4所示，采样方式选择普通采样（Normal），采样率为200MHz，采集通道（channels）为通道0和通道1，记录长度为1000，输入阻抗为1欧姆，电压耦合（vertical coupling）选择DC方式即直接耦合，参考位置选择50%，电压偏移（vertical offset）为0，电压幅值（vertical range）为10V。
图3 数据采集程序流程图
图4 配置参数
触发参数选择如图5所示：触发耦合选择DC耦合，触发类型选择Immediate即直接触发，触发源选择0通道，即采集为1通道，触发延迟为0s，触发极性选择正极，触发电平为5V。
图5 触发选项
2.2 数据读取和数据存储模块
LabVIEW有丰富的文件操作函数库，本设计由于采样率的提高，使用传统的编写程序可能会导致采样点数的丢失，为了使采集到的数据能实时的读取和存储起来，本设计所采用TDMS模块对数据进行实时采集和存储，更好的保证了数据的准确性[5]。
采集时数据的读取、存储程序如图所示。新建一个“.tdms”文件夹以便对采集数据进行存储，打开TDMS，TDMS属性设置，TDMS数据读取（接入队列进行对数据进行同步采集），关闭TDMS。程序图如图6所示。
图6 数据读取、存储程序图
3.实验设计及结果
本设计所做实验室为了研究，铝板的裂纹深度不同时，检测到的反射信号的某一特征量呈现规律性变化，即研究裂纹深度与信号特征量之间的单调关系。
实验过程如下：实验装置框图如图7所示，激励激光器采用150mJ能量激励，经过聚焦透镜后照射到标准试件上，光斑直径为0.9mm，由烧蚀效应产生超声波，通过表面波探头探测信号，经数据采集系统采集、记录实验数据。
图7 实验装置框图
实验过程：本次实验采用的铝板尺寸为200mm×50mm×8mm，表面裂纹距铝板左边界左侧80mm，裂纹规格分别为无损、0.1×0.3mm、0.1×0.5mm、0.1×0.7mm、0.1×0.9mm（宽度×深度），由于加工误差，实际规格为0.111×0.302mm、0.130×0.536mm、0.13×0.70mm、0.15×0.872mm。本次实验目的是探测反射波，激励源距裂纹10mm，在铝板上激励出超声波，传播到裂纹位置处，超声波会在裂纹位置处发生反射，反射的超声波被距激励源右侧10mm的超声探头接收。通过采集系统初步观察并记录数据波形，采集系统参数设置如下：采样率：200MHz，采样时间：50us，采用外部触发，触发位置：50%。为了减少实验误差，不同深度的裂纹分别做五次实验并保存数据。
实验结果中的一组数据（有裂纹时的反射及相应的频域图）经过MATLAB软件进行进一步的分析，放大之后所得到的波形图如图8所示。
图8 有裂纹时反射波形
4.结论
实验结果表明：
（1）本文所设计的PXI-5152多功能示波器能高效的对数据进行采集和存储;
（2）通过对实验所采集到的波形分析能反应出其数据的正确性，即反应出程序设计的正确性;
（3）采集程序运行时体现了程序设计的合理性和流畅性，运行界面具有工整性、简洁性和实用性。
虚拟仪器将所有的仪器控制信息均集中在软件模块中，可以采用多种方式显示采集的数据、分析的结果和控制过程。这种对关键部分的转移进一步增加了虚拟仪器的灵活性;虚拟仪器价格低，而且其基于软件的体系结构还大大节省了开发和维护费用;由于虚拟仪器关键在于软件，硬件的局限性较小，因此与其他仪器设各连接比较容易实现;虚拟仪器可实时、直接地对数据进行编辑，也可通过计算机总线将数据传输到存储器或打印机。这样做一方面解决了数据的传输问题，一方面充分利用了计算机的存储能力，从而使虚拟仪器具有几乎无限的数据记录容量。
参考文献
[1]张毅，周绍磊，杨秀霞.虚拟仪器技术分析与应用[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2]林正盛.虚拟仪器技术及其发展[J].国外电子测量技术，1997（2）：35-40.
[3]杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW程序设计与应用（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2004.
[4]邓振杰.基于LabVIEW构建虚拟仪器实验系统[D].天津大学硕士学位论文，2001，11
[5]石博强，赵德永，李畅，雷振山.LabVIEW6.1编程技术实用教程[M].中国铁道出版社，2002，11.
作者简介：
