虚拟实验论文篇1

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。

虚拟实验论文篇2

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。

虚拟实验论文篇3

在高校中，实验的内容要求具有探索性、创新性和开放性，在整个实验过程中要求学生在开放的环境中主动思考、分组协作来完成。而学校传统的实验采用的是真实的实验器材，在空间和时间上都比较有限，即使是开放实验也是在有限的资源中尽可能地开放。而虚拟实验运用的是虚拟实验软件让学生在借助网络的条件下，在任何时间任何地点完成实验内容。因此，运用虚拟实验技术将新技术融入实验教学，有利于提高实验的教学效果。

（二）虚拟实验有利于潜能的释放和创新意识的培养

在虚拟实验的平台上，学生可以随时随地参与实验，从而拓展了教师的教学空间，这样使得教师可以在教学外的时间里对学生进行跟踪教学，指导学生进行实验，为师生的交流增添了机会和渠道。而且学生之间也可以利用这个平台相互沟通，共同探究问题，解决问题。因此，虚拟实验有利于学生自我潜能的释放和创新意识的培养。

（三）虚拟实验有利于因材施教

虚拟教学平台是以学生为主体的教学平台，学生可以在平台上根据自己的情况选择符合自己实际情况的实验，教师可以根据各个实验对学生进行分类指导。这样，各个阶层能力的学生都能够通过虚拟实验平台与教师进行交流，完成实验。从而使得学生们的自信心得到提高，主动性得到增强。

二、构建虚实结合的计算机专业实验教学平台

本文立足西部地方高校的现状，结合西安科技大学计算机类课程实验教学改革的实际，分析研究实验教学中存在的问题，探索提出优化计算机类课程实验教学体系的有效途径。以计算机解决实际问题的能力为导向，计算机类课程实验教学为研究对象，软件、硬件和网络为专业方向，多层次实验教学体系结构为支撑，虚实结合的实验教学监控与评价为保障，实验教学网络平台为载体，实际实验为主，虚拟实验为辅，构建虚实结合的实验教学平台。

（一）构建虚实结合的实验教学网络平台

1.提供实验室基本服务，如Oracle等数据库服务、Web虚拟主机服务、实验教学管理服务和实验教学资源共享服务等。同时加强管理集中式Web应用服务，如网络安全管理系统、技能考试系统和培训管理系统等。

2.建立虚拟独立服务器系统，实现个性化实验的需求，通过认证实现对外的虚拟化界面和开放的实验服务。

3.整合现有设备和服务，构建虚实结合的实验教学网络平台。

（二）构建虚实结合的实验教学体系结构

结合多年的实验教学经验和虚拟实验室的功能特点，将计算机学院实验教学分为硬件类、软件类和网络类，设计由演示型、基础型、综合型、设计型、创新型五个实验层次构成的虚实结合的实验教学体系结构。演示型：该类实验内容是直接运行虚拟仿真模型，显示运行结果；基础型：学生根据实验指导书给出的组件连接图和组件参数设置表，通过搭建和调试基本模型；综合型：该类实验内容由若干基础实验组合而成；设计型：设计型实验只给出原理框图，该类实验模式是给学生提出一个问题，不限定解决问题的方法，由学生提出设计方案并加以实现；创新型：该类实验教学是针对学有余力的优秀学生，帮助其提高创新能力的进一步训练，鼓励他们自主创新，提出若干具有挑战性的问题，参加各类创新竞赛，申请并完成创新实验项目等。

（三）建立虚拟实验监控评价机制

1.引入虚拟实验后的实验教学监控评价机制需要更新优化，该机制是实验教学过程质量的保证。虚拟实验中，教师除了评价学生分析实验操作的逻辑性、完整性之外，还要将学生在虚拟实验中参与的情况纳入评价范畴来考虑，比如学生参与讨论的次数、与其他同学网上协作的情况、与教师互动的状况等。因此实验教学平台需要对整个虚拟实验教学的全程进行自动记录和监控，为虚拟实验教学效果的评价提供客观依据。

2.根据实验项目的教学目标，把实验按照难易程度分解成若干实验项目，设定每个实验内容的分值，或把一个实验项目按梯级形式分成若干部分，标定每一级分值，根据完成的级数，由学生自我积分，最后由教师根据实验结果对分数做出适当调整。这样实验步骤清晰，有利于一些动手能力比较强、理解问题比较快的学生在规定的时间内多做实验内容，提高实验的积极性，扩大知识面。

（四）解决的实验教学问题

1.自闭型实验教学的问题

实验教学平台将精品课程、创新实验、工程实践、科技竞赛等内容的优质资源引入到实验教学中来，达到优质教学资源的共享，虚拟实验不仅节省了实验成本，还给学生提供了实验自由，并且从空间、设备、时间、内容全方位开放，使得学生能有更好的实验教学资源和更加宽松自由的环境做实验搞科研，极大地提高了学生的工程实践和创新能力。

2.实验教学资源紧张的问题

由于计算机技术发展迅猛，计算机设备更新换代的速度飞快，现有的实验教学资源十分紧张，导致实验教学和科研活动受到了很大的限制，虚实结合的实验教学服务平台可以弥补这方面的不足，通过虚拟实验和优质资源共享，学生在任何地方都可以做各种各样的实验，获得跟真实实验一样的体验，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解，教学活动和学生学习实现了无缝连接。同时，购置实验设备的成本也大幅下降，实验中心实验承载量的压力得到了很大的缓解，实验设备损耗也极大地降低。

虚拟实验论文篇4

2采用虚拟实验管理平台和虚拟仿真软件的对比研究

虚拟仿真软件中元件采用的是元器件符号，仪器仪表采用例化的符号，界面方便整洁、易于调试，但是对于学生认知的能力帮助不大;虚拟实验管理平台内部的元器件和仪表仪器，是按照实际器件模型来进行建模。比如对于电阻来说，采用和实际实物相同的色环电阻，这对于学生认识实验器件和设备具有很大的帮助作用，对于仪器仪表也都是采用和实际仪表相同的操作界面，直观性强，可操作性高，避免了学生在实际实物操作过程中因为不熟悉实验设备而产生损失。虚拟实验管理平台中，在设计搭建电路之前要考虑元器件在整个区域的排放位置，如果摆放不正确就需要删除后重新搭建，这类似于在实际面包板中搭建电路，在设计电路之前必须先对整体进行布局思考;在仿真软件中搭建电路的整体摆放特别方便，如果有错误也可以进行整体移动。从这一点来说，采用虚拟实验管理平台没有采用虚拟仿真软件方便快捷，但是有利于学生提前思考能力的培养，尽量把问题解决在发生之前。对于虚拟实验管理平台和虚拟仿真软件相比，仿真软件的功能更强大，虚拟实验管理平台更加针对学生日常实验，而仿真软件更针对学生进行大型设计。在仿真软件中，如果有两条导线相连一般通过节点的方式，在虚拟实验管理平台中一般通过接到连接的器件管脚的方式，因为在实际中用面包板，不能够使用裸线，因此它们之间的相连是通过接到对应器件节点的方式。针对模拟电子技术课程中的三极管放大电路分别采用虚拟仿真软件和虚拟实验管理平台进行实验，并在学生实验后针对这两种方法和采用硬件实验进行了比较，95%以上的学生认为采用虚拟实验管理平台的方式比采用虚拟仿真软件的方式更加接近真实实验环境，如果能在课程实验中先进行虚拟平台实验，再进行真实实验互补的实验的模式能更加有效地促进实验能力。

虚拟实验论文篇5

二、模拟各种实验现象

引导学生展开主动学习物理基本的概念与定理并不是凭空产生的，而是科学家在大量的实验中总结出来的，是透过大量表象达到对事物的本质认知。只有将基础知识的教学与实验结合起来，再现真理发现全过程，这样才能达到学生对知识的真正理解与掌握。而在现实条件中许多实验是无法完成的。如微观粒子的运动、存在安全隐患的实验以及对实验条件有严格要求的实验等，在以往的教学中这些实验都难以完成，就只能采用机械的灌输，让学生来记忆结论性认知。这样的结果就是学生背得流利，但就是不懂、不会用，只知其然而不知其所以然。网络虚拟实验室可以模拟各种实验现象，可以完成以往教学中所难以完成的各类实验，将这些抽象而枯燥的物理知识寓于直观而形象的实验现象中，让学生通过操作与观察来获取感性认知，并由此上升为理性认知，这样才能达到对抽象知识的深刻理解与灵活运用。

三、开辟师生互动学习平台

实现探究性学习新课改倡导自主合作探究式学习方式，明确提出了以学生为中心的教学理念，我们的教学要更加关注学生学习方式的转变，要由以教师为中心转为以学生为中心，要将重点由教师如何教转向学生如何学上来，构建以教师为主导、学生为主体的双主型教学模式，确立学生在学习中的主体地位，引导学生展开主动探究，实现教学的双向互动。网络虚拟实验室为师生开辟了一个全新的网络互动学习平台，在这里教师与学生可以一起来展开积极的实验探究，通过师生之间的积极思维与主动操作来完成更多的实验方案，并就实验现象与结果在师生之间、生生之间展开积极的交流与讨论，进行思想的交汇与思维的碰撞。这样更加利于学生深刻掌握基本的概念与定理，同时也可以提高学生的实验技能，让学生学会实验操作，这样才能真正地学会物理学习。因此，在具体的教学中，遇到有分歧的问题，我们可以引导学生来制定不同的实验方案，借助网络虚拟实验室这个平台来将实验方案付诸于实践，实现理论与实践同步，这样学生通过这些实验可以获取更多的直观认知，再通过师生之间的共同交流与讨论，就可以达到对这些基本知识点的深刻理解。

虚拟实验论文篇6

2虚拟仿真实验教学的优势与不足

在引入虚拟仿真实验教学平台以后，我们开始尝试使用新的虚拟实验室，选取了部分学生参与虚拟实验的教学过程，让学生和老师共同参与虚拟实验的设计、调试和研究。经过几年的教学实践，我们取得了一些初步的经验和结论。

2．1虚拟仿真实验可以丰富实验教学的内容

作为传统物理实验内容的重要补充，虚拟仿真实验也是学生认识物理现象，掌握物理知识的，培养实验能力的一个重要的途径。我们通过教学实践发现，虚拟仿真实验具有很强的可设计性，既可以完成一些传统的验证性实验，也能开发成为具有创新性的设计性实验和综合性实验，特别是对于一些物理原理较复杂的、实验图像较明显的力学和光学实验，使用虚拟仿真教学，更能激发学生学习物理实验的兴趣，增强学生的求知欲望。因此，恰当地使用虚拟仿真的实验内容不仅可以丰富传统的实验教学内容，也可以提高学生学习物理实验的兴趣。

2．2虚拟仿真实验有助于转变单一的教学方式

虚拟仿真实验的优势还在于可以转变单一的实验教学方式，学生通过计算机仿真软件，进入交互式的，友好的仿真界面，可以在无教师指导的情况下，自主地完成一些较为简单的仿真实验，得到相关的实验结论。因为所有的实验仪器都是虚拟的，因此学生可以进行多次尝试，也不会造成仪器的损坏，特别是对于一些复杂地，较危险的实验，虚拟仿真实验更是不可替代的。另外虚拟仿真实验还可以打破时间和空间的限制，仿真实验可以不用在实验室里完成，也可以在课后独立完成，这对于学生进一步学习和探索物理实验是非常重要，也可以极大锻炼学生的动手能力和创新能力。

2．3虚拟仿真实验有助于客观地反映学生的实验水平

除了让学生独立地完成普通的虚拟实验，我们还进一步鼓励学生参与虚拟仿真实验的设计和开发，让他们学习一些虚拟仿真软件(例如LAB-VIEW，MATLAB/SIMULINK)的基本知识，通过对实验原理的深入理解，抽象出物理模型，利用虚拟仿真环境，构建虚拟的实验仪器，最后调试仪器，得到正确的实验结论。这样既能客观地反映学生对实验目的、实验原理、实验步骤、实验图像和实验结论认知的全过程，也能全面反映学生完成实验的真实水平，也有利于对学生实验成绩客观评价，形成个体差异，提高学生学习物理实验的兴趣和成就感，从而提高物理实验课的教学质量。

2．4虚拟仿真实验在教学和管理上的不足

虚拟仿真实验不能完全取代传统的实验教学方式，它只是传统实验教学方式的重要的补充。在教学中我们也发现虚拟仿真实验的开设需要学生预先学习和掌握一些基本的计算机知识，需要学生对物理原理和物理模型有较深入的理解，另外学生参与虚拟仿真的信心和经验也是制约虚拟仿真实验教学成败的主要原因。此外，在虚拟仿真实验室的管理上也存在一些困难，特别是对虚拟仿真系统的开发和维护上更需要一些专业的管理人员，这也对实验室设备的管理上提出了更高的要求。

虚拟实验论文篇7

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。

虚拟实验论文篇8

1.虚拟现实技术

虚拟现实VR(VirtualReality)是近几年来信息技术迅速发展的产物,毕业论文是一门在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术和传感技术的基础上发展起来的交叉学科。其基本方法和目标是集成并利用高性能的计算机软硬件及各类传感器创建一个使参与者处于身临其境的、具有完善的交互能力、能帮助和启发构思的信息环境,即让用户在人工合成的环境里获得角色的体验。

虚拟现实具有三个基本特征。沉浸性,是指观察者对虚拟世界的情感反映,这种感觉能使用户全方位地投入这个虚拟世界,这是虚拟现实的首要特征。交互性,是指虚拟现实是一个开放的环境,能对用户的输入作出响应,并能通过监控装置来影响用户和被用户影响。想象性,是指虚拟现实不仅是一个媒体、一个高级用户界面,还是一个应用系统,它以生动形象的形式反映设计者的思想。虚拟现实的三个基本特征强调了人在这个系统中的主导作用。虚拟现实系统按其功能不同,可以分为三种类型:沉浸式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。其中,桌面式虚拟现实系统是运用软件编程方法在显示器上显示三维场景,用户通过键盘、鼠标等设备与虚拟场景交互,它的特点是结构简单、成本较低,易于推广。

2.网络虚拟实验室

所谓网络虚拟实验室,是指利用区域网或互联网,由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统,包括相应的实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象及实验信息资源等。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现,也可以是虚拟构想的实验室,虚拟实验通过虚拟实验室进行。在虚拟实验中,实验者有逼真的感觉,有身临其境的感受,好像是真正在现实实验室里近距离进行现场操作。在虚拟实验中,没有一个有形的实验室,也没有以实物形态存在的实验工具与实验对象,实验过程主要是对虚拟物的操作。

3.计算机专业虚拟实验室的创建

构建专业虚拟实验室,其实就是搭建一个网络平台系统,包括硬件、软件及管理三个方面。在硬件上,

目前各校都建立了校园网络并接入了互联网,这些基础设施基本可以满足需求,不需要太多的投入。在软件方面,一个是实验室平台软件系统的开发,它与网站建设相联系;另一个是网站的内容(实验内容)建设,这是实验室建设的关键。虚拟实验室应有可以做的实验来支撑,不然软件平台就是一个空架子,形同虚设。同时,该平台上还应有实验管理的支持,对实验仪器、实验报告、实验指导、实验成绩及网上答疑等进行有效管理,并对虚拟实验室进行监控,计算机网络虚拟实验室系统各模块的主要功能如下。

(1)实验管理模块,由学生管理、教师管理、仪器管理和学生成绩管理等组成。硕士论文在学生管理方面,学生通过浏览器进行注册登录,登陆成功后可浏览实验项目,查看实验的详细资料,预约实验项目及做实验的时间,在线发送和接受消息,进行问题讨论,进行实验登记,实验完成后可通过网络写实验报告并提交报告。教师管理方面,可对实验内容添加、修改、整理、删除,对学生提交的实验报告列表,批改实验报告,填写评语和成绩,提交批改结果,与学生进行讨论。仪器管理方面,对新设计开发的虚拟仪器上传并进行分类整理,以便实验使用。成绩管理方面对学生的实验情况(实验次数、实验报告及完成情况)给出成绩,并进行统计分析及提供查询等。

(2)仪器展示模块,对虚拟实验室可用虚拟元器件、虚拟仪器设备分门别类地进行管理,以图形的方式直观呈现出来,供学生在实验时进行选择。

(3)实验指导模块,包括实验介绍、实验方法、实验项目的重点及难点、实验目的、实验原理、实验准备、实验任务、实验过程、实验报告的要求及实验应注意的事项等。

(4)实验报告模块,主要对学生完成实验后,提供相关的实验报告模板,供学生下载,由学生填写相关内容以及实验的结果,完成后上传电子版实验报告,由教师进行批阅,并进行记载。

(5)实验答疑模块,由专业教师对学生实验中出现的疑难问题进行及时解答,帮助学生顺利通过实验。同时了解学生对实验的掌握程度,并及时反馈、调整教学。

(6)论坛交流模块,教师和学生可以通过论坛进行充分的交流,学生可以将实验中的收获、经验和体会及问题到论坛上,教师可以将一些典型的问题提出来,供大家探讨。学生在这样宽松的环境下发表自己的见解,教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息,以便整改。

(7)虚拟实验模块,是虚拟实验室建设的重要部分。学生通过该模块进行虚拟实验,医学论文以达到巩固强化知识的目的。该模块内容根据专业学习的具体情况及实验建设条件,可不断增加。计算机专业网络虚拟实验室系统的建设,可以引入其他学校的虚拟实验室中。这种方式比较简单,容易实现,见效较快。但需要投入较多的软件购置费用,同时也需要结合本校的实际情况进行一些调整,有一个磨合期。另一种是因地制宜,自主开发。根据本校的实际教学和实验情况,结合学生的实际水平,由任课教师或聘请部分专家组成开发小组,进行一系列的虚拟实验项目的开发研究,并将研究的成果连接到虚拟实验室中,逐渐扩充直至完善。这种方式比较灵活,能充分发挥教师的积极性,能有针对性地进行设计开发,适合学生的实际情况,学生容易接受,并且经费投入较少。缺点是开发周期较长,系统性不够,水平有限。也可以将上述两种方式结合起来,一是引入、购置部分自己不宜开发的实验项目,二是结合自身的优势和长处开发一些实验项目,如非交互性的、演示性的虚拟实验项目等。

二、加强网络虚拟实验室的管理

1.加强用户管理,为每个学生分配账号。对学生进入虚拟实验室,使用实验室做虚拟实验等进行登记保存。鼓励学生经常访问虚拟实验室,在上面提出问题、发表见解,做好实验,努力提高虚拟实验室的人气。

2.全天候开放虚拟实验室。学生可以随时进入虚拟实验实自己动手组织实验,自己设计实验方案,动手完成实验,整理和总结实验数据,职称论文提交实验报告,培养学生的分析能力和创新能力,逐步向以“学生为中心”的自主个性发展模式转变。

3.组织专业教师网上指导与答疑,参与论坛讨论交流,及时批改实验报告,为学生顺利完成实验提供服务。在虚拟实验室中,教师应对学生提出的疑问尽快给出帮助和解答,并进行必要的指导。在实验室论坛上发表观点,提出问题让学生思考,使师生在虚拟实验室中有较强的互动性,教师应充当好学生实验的合作者和知识的建构者的角色。

4.对学生在虚拟实验室的表现及实验效果进行

评价。针对学生每一门课程的虚拟实验完成情况、实验报告、网上提问、论坛发帖的情况,给学生一个成绩和评价,反馈给学生,英语论文并与该课程的正常实物实验一起记入实验总分。教师也要在对学生评价的同时,征求学生对虚拟实验室的意见,对学生反馈的信息进行整改。

计算机网络虚拟实验室的建立,可以很好地解决目前硬件设备跟不上实验的要求、学生实验时间不够用等问题,对于提高学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力具有非常重要的意义。但在具体应用中还要注意处理好“虚拟实验”和“实物实验”的关系,不能一味地强调虚拟实验,要“虚实”结合,既相互补充,又各有侧重,这样才能取得很好的实验教学效果。同时,在虚拟实验中要注意培养学生严谨的、一丝不苟的科学实验作风。

参考文献

[1]王嗣源.虚拟实验室建设的初步探讨.西安邮电学院学报,2005(4).

虚拟实验论文篇9

0 引言

工程图学课程教学理论与实践相结合是非常重要的特别是学生的动手及创新能力的培养，是理论性和实践性都较强的课程，因此实验教学环节对学好这门课程至关重要。通过加强实践教学环节，才能使学生真正理解和掌握该学科的理论知识。

工程图学课程的教学是很具体形象的，它注重机构的运动及动作 ，在理论教学中由于缺乏真实感受，学生听课时常会感到枯燥乏味、内容很难理解；机械类课程 中的实验设备大多很昂贵，有些情况下，不能完全满足相应的实验要求，尤其是对每个学生而言，学生实验通常是分组 ，对有些实验，实验设备很少时，分组的人数会很多，这样学生在做实验时会没有很多机会熟练掌握 ；因此，如果能在教学中进行虚拟仿真实验教学，不但在一定程度上可以弥补实验资源的匮乏 ，而且可以提高学生观察问题、分析问题和解决问题的能力，以求达到掌握一门专业技术技能。

1 虚拟仿真实验应用于教学中的现实意义

目前国内大多数高校的实验还是采用传统方式，即老师讲解、演示，再由学生自己动手。而国外已经从传统实验转为实物实验与虚拟实验相结合，充分利用先进的计算机设备进行虚拟仿真实验教学，取得了较好的效果。

传统的教学模式以教师为中心，知识的传递主要靠教师对学生的灌输，作为认知主体的学生在教学过程中自始至终处于被动状态，其主动性和积极性难以发挥，不利于培养学生的发散性思维、批判性思维和创造性思维，也不利于创造性人才的培养。虚拟仿真实验突破了传统教学手段上的局限。学生自己动手操作，亲身参与整个实验过程的操作，通过将实际生产的工艺过程以影像、动画等生动的形式表示，从而增强学生的感性认识和学习兴趣，提高教学效果，使其实践能力、观察能力及归纳能力等都得到很好的锻炼。虚拟实验技术创设了一个人性化的学习环境 ，使学生能够在自然、互动的气氛中进行学习。基于以上思考 ，尝试在《工程图学》教学中应用“虚拟仿真实验教学”进行教学改革的探索。

2 虚拟仿真实验设计目标

虚拟实验的开发工具主要是网络虚拟现实建模语言(VRML)和三维建模软件。VRML是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构三维世界的场景建模语言。VRML的基本目标是建立因特网上的交互式虚拟对象、场景、三维模型，基本特征包括分布式、三维、交互性 、多媒体集成、境界逼真性等，是 目前 Intenet上基于“www”的三维互动网站制作的主流语言。

虚拟现实系统的设计要达到以下目标 ：

a)要使参与者有“真实”的体验。这种体验就是“沉浸”或“投入”，即全心地进入，简单地说就是产生在虚拟世界中的幻觉。理想的虚拟环境应达到用户难以分辩真假的程度，甚至比真的还“真”。这种沉浸感的意义在于可以使用户集中注意力。为了达到这个 目标，就必须具有多感知的能力，理想的虚拟现实系统应具备人类所具有的一切感知能力，包括视觉 、听觉、触觉 ，甚至味觉和嗅觉。

b)系统要能提供方便的、丰富的、主要是基于自然技能的人机交互手段。这些手段使得参与者能够对虚拟环境进行实时的操纵，能从虚拟环境中得到反馈信息 ，也能便系统了解参与者的关键部位的位置、状态、变形等各种系统需要知道的数据。实时性是非常重要的，如果在交互时存在较大的延迟，与人的心理经验不一致 ，就谈不上以自然技能的交互，也很难获得沉浸感。

3 零、部件测绘实践虚拟辅助教学

《工程图学》课程为机械类专业一门主要技术基础课，是一门理论性和实践性都较强的课程，因此实验教学环节对学好这门课程至关重要。通过加强实践教学环节，才能使学生真正理解和掌握该学科的理论知识。本项目的实施内容主要是采用 inventor 2008，3D max，AutoCAD及 vrml软件系统设计虚拟实验系统，使之能够对齿轮油泵(图1)、减速器(图2)、虎钳 (图 3)的装配进行动态模拟 ，通过影像、动画等生动的形式对装配过程进行动态模拟 ，可以充分发挥学生的主观能动性，有利于学生获得丰富的感性认识，激发学生进一步提出问题与寻求解决问题的兴趣 ，有助于拓宽学生的知识面，有效地支持理论学习。

零部件测绘实践虚拟辅助教学技术的做法是，以实物模型为基本要素、以实物模型测绘为主线，用计算机虚拟现实的方法，制作图画和动画形式为主的直观形象，去解析零部件的形状结构和测绘过程。

将虚拟辅助教学融于测绘实践教学的过程是：布置测绘任务；观测分析实物模型；教师依据实物模型通过虚拟辅助教学课件集中指导；学生依据实物模型，参照虚拟辅助教学课件自主测绘；教师集中讲评。

虚拟辅助教学主要构件是以虚拟图象为主，配有少量文字说明的电子文档。分别是：以动画为主去表达零部件形状结构的图画集，以对零部件形状结构分析和视图分析为主的图画集，以对零部件测绘方法和过程指导为主的图画集，以对尺寸、技术要求、图样、作业要求指导为主的图画集。

4 零、部件测绘实践虚拟辅助教学技术的特点

a)基于实体的虚拟。计算机虚拟现实、虚拟三维图与构形思维和视觉及视觉心理密切相关。实践表明：没有实体模型做基准没有构形思维和视觉及视觉心理的支持，计算机虚拟现实、虚拟三维图就会成为没有意义的作品；另一方面，没有构形思维和视觉及视觉心理知识去指导计算机虚拟现实、虚拟三维图的创作，也不能获得效果良好的作品。

b)基于图学素质对测绘对象 (零、部件)的选择。选择好测绘对象是保障零、部件测绘实践教学效果的首要条件。简单化和过度复杂化都不可取，都可能给大学总体教学带来损害。选择测绘对象 (零、部件)的第一因素是考虑对学生图学素质培养的要求，其次是考虑后续课的需求。阀类、泵类、夹具类(虎钳)、减速器类是常选测绘对象，其主要原因是便于教学。按图学素质培养的要求考虑，所选零、部件的测绘内容应当尽量多的涵盖图学主要的核心内容。例如，表达方法典型、全面，结构具有代表性。按后续课的需求考虑，所选零、部件的测绘内容要含有后续课的主要要素。

5 结语

开发零、部件虚拟测绘装配实验是为了拓宽实验教学平台，改进测绘方法，提高测绘效率和品质，减轻教学负担。这一教学技术的核心涉及到传统测绘的方方面面，也涉及到现代教育技术的深层理论和技术问题。当然虚拟仿真实验不能完全替代实物实验，但可以探索将其作为实物实验及课堂理论教学的补充。

虚拟实验论文篇10

中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)11-2696-02

Design and Research on Structured Cabling System Virtual Lab

CHEN Ze-bin, GUO Yao-tian, WANG Jian-xin

(School of Information Science Technology, Hainan Normal University, Haikou 571158, China)

Abstract: In this paper, we present effective measures to achieve a structured cabling virtual experiment platformfor the needs of experimental teaching for the structured cabling. According to the Hainan Normal University as a specific application environment and the virtual laboratory performance requirements, the use of three-dimensional virtual modeling, network virtual interaction, data optimization and other key technologies, the virtual laboratory system base on Internet interactive was established.

Key words: virtual reality; digital modeling; interactive; virtual lab

1 概述

我国的高等教育历来强调理论性、系统性,学时安排也以理论教学为主,实践教学为辅;重理论、轻实践、重知识、轻能力的现象普遍存在。另外,我国的高等教育投入不足,扩招使一些学校,特别是理工科学校面临的硬件设施不足和经费短缺方面的困难更加突出,实践教学环节被进一步削弱。这就不可避免地导致学生在一定程度上理论与实践脱节,创新素质不高,动手能力不强。结构化综合布线课程在理工科专业中已经占据了非常重要的地位,是在同类课程中以上问题最突出的专业基础课程之一。建设虚拟实验室目的是运用现代教育和教学理论,结合先进的计算机及网络技术,改革传统的实验教学模式,构建一个基于虚拟现实技术的网络实践教学平台,解决目前所存在的问题,提高实践教学效果。

2 基于VRML结构化综合布线虚拟实验室的设计

结构化综合布线虚拟实验室是以结构化布线理论为指导,利用现代网络技术与虚拟现实技术,集理论教学、实验项目演示和虚拟实验训练一体的网络虚拟教学平台。按照结构化综合布线课程实验教学大纲的实验项目设置,建立一个使得实验者具有身临其境的现实感觉,通过网络随时随地的进行课程实验,提高实践学习的兴趣,提高学习的效率。

2.1 虚拟实验室设计与分析

虚拟实验室是针对结构化综合布线实验室进行虚拟建模,要求的虚拟环境完成结构化综合布线课程的相关实验,具有高仿真度、全交互、可视化、易访问等特点,结合VRML、3DS MAX、Photoshop和Javascript等开发工具[1-3],使用户可以随时随地的访问,通过鼠标和键盘对实验设备模型进行多角度多方位操作,完成实验项目的演示和虚拟训练,使用户对虚拟实验教学内容有直观认识,达到远程虚拟实验教学的目的,提高学生的动手能力。 具体的实验清单如表1所示。

2.2 虚拟实验对象建模

根据以上结构化综合布线实践项目清单,实验环境和实验项目主题对象包括了实验室的实验展示台、网线、打线器、配线架、机柜和线槽等,建模要求的数量多,形状复杂,直接采用虚拟语言逐一编写模型代码非常繁琐,因此,本文采用3DMAX工具预先建立三维模型,在应用环境中对建模进行拍错调整,减小文件大小,以更好的匹配实际的实验场景模型[4-5]。其中,实验室环境模型主要是静态试题模型,如:门,窗,实验台,凳子等,可采用几何建模技术实现,通过VRML自身自带功能,如Scale,Inline等实现环境造型,且数据量小,方便网络传输应用。而其他实验器材工具模型的构建非常复杂度,需要借助三维建模软件建模,本文采用3DMAX软件完成,但是,采用3DMAX建模对不规则物体建模转换为VRML代码后,产生大量无效代码,影响浏览效果,需要对代码进行优化。

首先,VRML文件的数据量直接影响网络实时浏览,需要减少文件传输数据。三维模型中的重复建模造成VRML文件存在重复代码,通过重用代码来减小代码的数量;同时,适当降低数据精度,在可接受的浏览效果范围内,尽量多采用整数数据,并对数据进行压缩处理。其次,提高渲染速度。多使用规则几何节点来建模,简化模型的复杂度;实验场景光照单一,相应使用单一光源;非关键部分使用贴图的形式。本虚拟实验室的模型如图1所示。

2.3 虚拟实验交互设计

VRML文件包括场景描述与动态交互处理,采用场景描述来构造实验虚拟场景,实验场景由各种实验器材或场景实物节点组成,它们之间通过消息来进行联系。动态交互处理通过VRML的节点和路由连接而成,节点产生事件,路由传播和处理事件[6-7]。虚拟实验项目操作过程即为事件的动态处理过程,VRML中定义了时间感应器、触发感应器、邻近感应器、可见感应器、平面感应器、球面感应器和圆柱感应器来对不同的动态变化进行检测,经过感应器检测动态交互引起的动态变化。

VRML的节点之间的事件处理只能达到简单虚拟动态变化效果,不能满足实验虚拟操作的细节要求,为了提高VRML事件之间的控制能力,扩展交互功能,采用Java编程为VRML浏览器提供相应的功能增强支持。通过VRML内部Script节点和外部编程接口与java连接,管理内部事件之间的变化和网络交互控制。将Java与VRML结合,能够很好地实现网络虚拟实验平台。使用VRML进行场景构造,内嵌用Java编写的程序设计实现对象的编程行为。这使VRML在网上创建充满真实感的三维虚拟世界,为用户提供一种自然的、身临其境的体验方式,包括交互性、动态效果、连续性及参与感。

3 结论

本文阐述了虚拟实验教学在实践教学中的发展意义,对结构化综合布线实验进行了系统的分析、设计与实现。并研究了3D建模技术和虚拟现实编程语言等关键技术,结合结构化综合布线的实际问题,选用适当的三维建模工具和网上交互方式,以达到结构化综合布线实验的实践教学要求。

参考文献:

[1] 何书前,桂占吉,高慧鸿.多用户网络虚拟校园漫游系统的构建与研究[J].现代计算机,2009(2):17-19.

[2] 吴金来.基于VRML的坦克火炮网络教学系统的研究[D].大连:大连理工大学,2007.

[3] 严子翔.VRML虚拟现实网页语言[M].北京:清华大学出版社,2001.

[4] 邱进冬,杨志雄,顾新建.基于Web的虚拟现实的开发与应用[J].计算机应用研究,2003,20(3):92-95.

虚拟实验论文篇11

[中图分类号]G40-057 [文献标识码]A [论文编号]1009—8097（2013）11—0109—06

一 引言

虚拟实验注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性，主要是借助于图像/图形、仿真和虚拟现实等技术在计算机上所营造的可辅助、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节。通过研究发现，现在的虚拟实验普遍存在以下几个问题：第一，虚拟实验缺乏趣味性，枯燥乏味，不能引起学生的兴趣，学生很难主动投入学习并维持学习兴趣。第二，虚拟实验缺乏与学生的互动，基本上虚拟实验是由教师控制界面，学生处于聆听模式。第三，教学理论陈旧无力，学习者缺少自主探宄，合作分享的机会。以上这些问题容易导致学习者对虚拟实验缺乏兴趣，产生厌烦、急躁甚至排斥的情绪，学习效果大打折扣。归根到底，出现这些问题的原因是与现代教育理念相悖，现代教育理论倡导教师应由处于中心位置的知识权威转变为学生学习的指导者和合作伙伴、设计者、教育的研究者，学生应由被动的知识容器和只是受体转变为知识的主宰、学习的主体，学习环境应由简单的背景化信息转变为具有吸引力和复杂情境的功能性教学载体。由此可见，虚拟实验的设计面临着改进需求。

按照2002年麻省理工学院和微软公司提出“现代教学法+艺术化游戏环境=下一代教育媒体”的观点，虚拟实验要实现吸引、促进学习者沉浸其中，使学习者深度体验实验过程，探究实验结果，那么有先进并恰当的教学理论为设计依据，加上具有强烈感官刺激、心理挑战的游戏化环境设计，实现教学、心理、艺术效果的完美结合。据此，我们认为虚拟实验应创设为能吸引并使学习者沉浸其中的虚拟学习环境，这个虚拟环境具有较强的现实感、交互性、艺术性、娱乐性等特点。基于以上考虑，此本文提出创设整合情境，将“轻游戏”元素增设到虚拟实验中，设计了基于整合情境的游戏化虚拟实验模式，并将此设计模式应用到开发的虚拟实验案例中。

二 整合情境及沉浸理论概述

1 整合情境

（1）整合情境的概念。20世纪80年代，比利时、瑞士、法国等欧洲国家提出整合教学法（Integrative Pedagogy），该教学法是训练学生联合调动若干知识和技能，来解决复杂的情境。开始时整合教学法被应用在大学教育、职业培训中，逐渐应用到中小学教育。整合情境（Situation Integration）是整合教学法的核心，学者有些称之为靶向情境（SituationCible）或重新投入的情境（Situation Reinvestissement）。德·克特勒等认为，整合情境是“一个包括主要信息、干扰信息，并运用先前学习的一个复杂情境”，它有三个构成要素：物质支持工具、若干任务和若干命令。在物质支持工具中呈现出来的实物、背景、信息、功能等都可能是复杂、凌乱无序的。

（2）整合情境与问题情境。上述的整合情境与我们常提到教学论中的问题情境（Problem Situation）较为相似，为了更好地理解整合情境，在此有必要对两者做一个比较分析。学者对问题情境的界定不统一，布鲁纳认为“学习者在一定的问题情境中，经历对学习材料的亲身体验和发展过程，才是学习者最有价值的东西。”他指的问题情境可以理解为一种具有特殊意义的教学环境，既是教学背景，也可以是本学科的问题，还可以是其他学科的相关内容等。埃纳尔和尤尼尔认为问题情境是“教育者为了以下目的所设计的情境：为学生们创造一个围绕某个有待解决的问题进行思考和分析的空间；帮助学生们从这一“空间—问题”出发，对关于某个明确主题的新的表现加以概念化。”它包含三个因素：背景、信息和有待完成的任务。从上述概念来看，整合情境与问题情境确实有很大相似之处，都是为了教与学活动，完成某些教学任务的具象化背景，但两者的内涵和侧重点并不相同。两者的比较如表1所示。

从表1不难看出，整合情境和与我们一般所指的问题情境有很大区别，第一，功能性，整合情境更具明确的目标，教师应考虑如何利用支持工具，也就是情境的利用，而不像问题情境更重视的是情境本身。第二，情境的类型，整合情境倾向于自然情境，需要学习者在真实的环境中辨别、分析，适合学习者个体探究学习，而问题情境更多的是建构的情境，是教师为了教学目的而设计出来的情境，使学习者个体或小组获得知识和技能。第三，设计整合情境的初衷是为了整个学业的提升或学习评估，相对问题情境的目标要广泛和深远。按照达蒂夫¨2J的说法，问题情境是“任务来源”，而整合情境是“任务靶向”，可以理解为一个偏重于问题本身，一个偏重于通过问题来探究的目标。一言蔽之，整合情境是“被瞄准”的问题情境，为了更明确的方向和目的所设计的问题情境，整合情境相对于问题情境更具复杂性和真实性，更适合学习者探索和建构知识和技能。

2 沉浸理论

沉浸理论（Flow Theory）于1975年由Csikszentmihalyi首次提出，解释当人们在进行某些日常活动时为何会完全投入情境当中，集中注意力，并且过滤掉所有不相关的知觉，进入一种沉浸的状态，这种状态被描述为“流”（flow）。Wigand和Nilan将沉浸感分为三个阶段：沉浸的先前准备阶段、沉浸体验阶段、沉浸体验的结果。沉浸的先前准备阶段所考虑的要素包括注意力的集中、明确的目标、与玩家技能相平衡的挑战、活动的趣味性、简单快速的上手；沉浸体验阶段的体验包括行动与意识的统一、高度专注、对活动的控制感、时间感的变化、远程监控感；沉浸体验所带来的结果是促进学习、激发学习者的探索行为、信息技术的接受及使用、行为控制的认知。从文献可以看出，国内外游戏的设计和开发基本都与沉浸理论相关，游戏化的学习的设计和开发也当如此。有研究表明，“深度沉浸的学习相对于浅度沉浸的学生而言.在虚拟实验的环境中更容易获得满足”。据此我们认为追求流体验是游戏化虚拟实验设计的重要目标和依据。

三 基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计

基于以上的理论讨论和实践研究，本文提出基于整合情境的游戏化虚拟实验模式，这种虚拟实验模式以创设整合情境为手段，以“轻游戏”元素为设计元素，目的在于增加学习者虚拟实验的沉浸感，激发学习动机，维持学习体验，从而达到提高虚拟实验学习的效果。

1 基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计机理

根据心理学研究表明，要真正达到教学效果，必须从吸引学习者，维持学习者注意力着手，实现虚拟实验的沉浸体现。然而内部的心理活动是由外部的刺激，反复强化才能影响。所以外部的教学设计成为虚拟实验的关键，笔者认为可以从创设整合情境入手，给学习者营造一个逼真复杂的情境，这个情境即包括教学情境，还包括现场情境，避免枯燥无味又不具备现实意义的学习环境。本文提出，虚拟实验过程应是一个“三层”体系结构：教学层、行为层、心理层，实现一个由外至内的心理过程，由教学活动至实验过程，再到达到学习者沉浸体验的过程，从而提高学习者学习兴趣，维持注意力。具体见图1。

从图1可见，教学层、行为层和心理层都包括技术和学习两个方面，教学层处在基础的地位，也是最重要的层面，它是引领学习者进行虚拟实验的关键手段和方法，包括创设整合情境，设计实验界面，教学设计等；行为层是学习者完成虚拟实验的过程，探究实验结果；心理层是虚拟实验的最高层面，实现心理沉浸，保持学习注意力，从而完成虚拟实验的体验活动。这三层体系结构是一个从下到上，从外到内，从教学到心理一个完整的过程。

2 基于整合情境的游戏化虚拟实验设计模式

根据上述基于教学层、行为层、心理层的“三层”游戏化虚拟实验的设计机理来设计虚拟实验学习模式。虚拟实验主要分为：演示实验、验证试验和探索实验三种，它们一般的实验流程为激发兴趣、获取知识和经验、验证、应用和控制。为了体现实验的特点本文称实验操作为行为层，而每一个实验行为都对应着教学层的教学活动以及心理层的沉浸过程，它们的相互关系及内涵是学习模式的核心内容，见图2。

（1）教学层：创设整合情境、设计游戏化元素。为了能吸引学习者全身心地投入到虚拟实验中，首先可以从教学设计层面设计具有整合情境的虚拟实验环境，使学习者被生动、自然、复杂的情境所吸引，目标直指虚拟实验的核心知识：然后重点设计具有游戏化元素的虚拟实验，包括人物、场景、情节、任务和音效等，以声音、图形、视频等多媒体表现实验内容；最后通过设计的交互活动达到知识巩固、反思和激励的作用。

（2）行为层：操作游戏化虚拟实验。虚拟实验教学设计的目的是使学习者能按既定的设计步骤达到相应的实验目标，虚拟实验一般分为演示实验、验证试验和探究实验，一般都有以下几个步骤：激发兴趣、获取知识和经验、验证实验、实验的应用和控制等。实验过程是学习者在教学设计下完成的是可见、可控制的行为活动。

（3）心理层：实现沉浸体现。为了使学习者达到知识的内化，可以通过设计游戏化虚拟实验吸引并维持学习者达到长时间的心理沉浸感，可以分成沉浸准备阶段（吸引）、沉浸体验阶段（维持）、沉浸反馈阶段（迁移）三个过程，每个过程都需要和相应的教学设计和实验操作阶段配合发生，整合情境的创设就是为了激发学习者的兴趣，达到学习者沉浸体验的准备阶段。游戏化虚拟实验的设计就是为了使学习者在实验过程中获取相应知识和经验，达到学习者沉浸体验阶段。而教学反思和巩固为的是使学习者很好的应用实验知识，达到沉浸反馈阶段，实现知识的迁移。

3 基于整合情境的游戏化虚拟实验的特征

（1）强调自然情境的学习意义。从社会学的视角来看，“情境”指一个人正在进行某种行为时所处的社会环境，是人们社会行为产生的条件；从心理学的视角来看，“情境”指的是事物发生并对机体行为产生影响的环境条件；学习论的视角来看，“情境”则是学生从事学习活动、产生某种学习行为的一种环境和背景。基于整合情境的游戏化虚拟实验所指的“情境”在学习环境中一般并不存在，它是被建构出来的，任务的结果也不是一目了然，信息复杂，表述曲折，难以理解，具有障碍和隐蔽性，更趋向于真实的自然情境，但它的功能明确，即为了服务教学目标。

（2）强调游戏对学习兴趣的激发。布鲁纳等认为学习是学习者内部动机驱动的积极主动的建构过程，激发学习者的学习动机尤为重要。基于整合情境的游戏化虚拟实验强调利用“轻游戏”的设计，给学习者创造“流体验”，使学习者更容易沉浸，达到深层次的参与。虚拟实验的激发兴趣、获取知识和经验、验证、应用和控制等一般步骤，都可以在游戏化虚拟环境中完成。我们认为，游戏不是虚拟实验的目的和重点，游戏化的环境设计是让学习者能沉浸虚拟实验学习的手段，完成心理层面的沉浸体验的三个阶段，最终实现虚拟实验的知识获得或迁移。

（3）强调教师对学习者或学习小组的支持。建构主义学习理论强调学习者积极主动地建构知识，教师的地位发生了变化，从原来的灌输知识主导教学活动。基于整合情境的游戏化虚拟实验“情境”的设计者一般是教师，当然也可以是其他成员，情境的发起者和解决者之间形成合约的关系，教师可以让学习者选择是否进入学习情境，学习者可以自由选择学习方式，教师可以提供帮助，督促学习者学习，直到评估合格。整个教学过程的设计十分重要，关系到整个学习过程的展开。学生或者学习小组成了主体，而教师的地位退居其后，成为中介者、支持者，负责情境的建议和发起，更多的学习主动权交给了学生。

（4）强调探宄学习对虚拟实验的作用。虚拟实验可充分发挥其优点，根据实验的特点和学习者的特征，控制实验的条件，设计、开发具有较强交互的探究性虚拟实验。基十整合情境的游戏化虚拟实验由于其具有较强的现实性、趣味性，更适合也更容易探究学习。学习者或学习小组从整合情境中的复杂信息或自身具体经验出发，通过观察和反思概念或认知，设计或验证试验方案，这样的学习过程往往不能一次性完美完成，学习者或学习小组得反复探宄，不断完善和修正。如此一来，可以发展学习者的积极主动性和探索精神。

综上，基于整合情境的游戏化虚拟实验实质上是创建了以学习者为中心，教师为支持的整合学习环境，这个学习环境具有一般虚拟实验特点的同时还具有情境性、艺术性、娱乐性，吸引并使学习者沉浸其中，完成虚拟实验的演示、验证或探究活动。

四 基于整合情境的游戏化虚拟实验的应用案例设计

近年来食品卫生和安全成为备受关注的热门话题，为了加强青少年对食品添加剂方面的知识，提高选购安全食品的能力。本研究基于以上提出的基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计理论，设计开发了能进行虚拟实验和检测的食品添加剂虚拟实验室。

1 教学设计。根据“食品安全学”教学大纲和实验要求，为了学习者能融入并沉浸到虚拟实验.达到主动探究学习，获取实验知识和经验的目的，本文设计并开发了“添U加C”游戏化虚拟实验，以下将介绍该虚拟实验的设计和实现研究。

（1）整合情境创设与游戏化学习活动设计，如表2。

（2）游戏化虚拟实验。根据以上游戏化学习活动设计，我们可以将游戏化虚拟游戏过程主要分为三个阶段：整合学习活动、轻游戏化探究学习、反思分享。

①整合学习活动阶段。依照整合教学法的理论，学习是一些展开局部学习2、使用整合情境和评估情境所构成的一个连续体。整合学习活动是本案例的设计重点，主要是从其三要素：物质支持工具、信息、命令来展开设计，该案例将物质支持工具和信息整合在资料中，即物体、背景、信息、功能、信息等。

虚拟实验教学目标：为了了解食品添加剂知识，学习者进入了一个三维虚拟的超市进行选购食品，学习者可以根据以下资料，了解食品中含有哪些添加剂？推断食品添加剂对人身体有哪些影响？以及计算出人一天食品添加剂最高剂量是多少？

资料1：选购商品情境，如图4。

资料2：介绍食品添加剂情境，如图5。

命令1：完成购物报告，如图6。

命令2：完成虚拟实验，如图7。

命令3：完成实验报告，如图8。

命令4：完成添加剂重新选购，如图9。

通过以上整合学习活动后，学习者将传统学习而来或自有的经验知识整合到复杂的情境中，进行自主学习，该虚拟实验提供了物质的支持工具和信息，教师处于支持或辅导的地位，学习者被生动、自然、复杂的情境所吸引，目标指向虚拟实验的核心知识，完成指定的命令任务。

②“轻游戏”化探究学习阶段

尚俊杰等【22】对“轻游戏”的界定为“轻游戏=教育软件+主流游戏”，认为它首先是一个教育软件，并追求主流游戏的内在特征，如挑战、好奇、控制、目标、竞争、合作等，以此平衡游戏的教育性和游戏性。本虚拟实验的设计遵循“轻游戏”的设计思想，将虚拟实验设计成模拟类游戏。第一，本游戏化虚拟实验具有模拟仿真性，学习者进入的“添u加C”食品超市，其中的人物、货物、货架、标签、背景、音效等完全仿真现实超市。第二，本游戏化虚拟实验具有“轻游戏”元素设计，如情境、系统帮助、导航、虚拟实验关卡逐级递增等。第三，本游戏化虚拟实验具有真实并可完成的任务，学习者在挑选自己喜欢食品时，会出现该商品包括添加剂的情况等信息，这时适时对学习者进行添加剂知识的介绍，而学习者在离开超市前得完成添加剂知识的实验报告和虚拟实验，之后会让学习者重新选择食品的数量和种类。这样的设计是让学习者在知道、了解、掌握、应用食品添加剂的学习过程中，完成探究学习活动，教师或本虚拟实验设计者自始至终处于整合情境的发起地位，学习者主动思考、积极参与、探索食品添加剂知识成为本虚拟实验的重点。

③总结分享阶段

总结分享是一般虚拟实验的应用阶段，本虚拟实验要求学生在完成整合学习活动和“轻游戏”化探究学习后，完成食品添加剂的知识巩固练习，并在退出虚拟实验前在工艺宣传栏中填写自己对食品添加剂的宣传语，分享游戏化虚拟实验的学习心得体会，效果如图10、11所示。

2 模块设计与实现

本虚拟实验仿照了现代超市模式，按照功能进行区分，主要有购物中心、服务中心、支付中心、帮助中心。依次是对食品添加剂的了解、学习、反馈和巩固四个阶段。

（1）购物中心：是对食品添加剂的初步了解阶段。它模拟现代超市购物环境，通过键盘方向键来控制购物车的运动，按照食品的分类主要有五大区域：生鲜蔬果区、休闲食品区、粮油调味区、酒饮冲调区、营养健康区，选购时能显示食品名称、所含添加剂、原料、保质期、生产日期等信息，购物中显示购物清单，结束购物时得出购物报告，告知是否购买的食品添加剂超出国家标准。

（2）服务中心：是以食品添加剂学习和实验阶段，主要分为添加剂原理实验、剂量对比实验、添加剂案例三个部分。通过这样的实验，一方面深刻理解添加剂的功能与副作用，另一方面加强青少年动手能力。离开服务中心时，得出实验报告，告知在该中心做了哪些实验，并得出实验结论。

（3）支付中心：是以对食晶添加剂学习的反馈和巩固阶段。由于之前在服务中心的学习，会对食品添加剂有了一些队识，因此在支付报告中，学习者可以再次决定哪些食品是否要购买，以及购买的数量，还包括有奖测验和公益宣传两个模块。

（4）帮助中心：主要包括课件导航地图和添加剂知以帮助，主要是帮助青少年更好地了解该虚拟实验室的结构及操作及其对各种添加剂的认识。

本虚拟实验经过反复的调试，实现了在整个超市各个中心的数据传递，用Asp连接Access数据库，按照数据结构来组织、存储和管理数据，完善地管理各种数据库对象.实现登录注册页而、购物清单和公益宣传等数据的传递。

五 结束语

虚拟实验论文篇12

0引言

工程图学课程教学理论与实践相结合是非常重要的特别是学生的动手及创新能力的培养，是理论性和实践性都较强的课程，因此实验教学环节对学好这门课程至关重要。通过加强实践教学环节，才能使学生真正理解和掌握该学科的理论知识。

工程图学课程的教学是很具体形象的，它注重机构的运动及动作，在理论教学中由于缺乏真实感受，学生听课时常会感到枯燥乏味、内容很难理解；机械类课程中的实验设备大多很昂贵，有些情况下，不能完全满足相应的实验要求，尤其是对每个学生而言，学生实验通常是分组，对有些实验，实验设备很少时，分组的人数会很多，这样学生在做实验时会没有很多机会熟练掌握；因此，如果能在教学中进行虚拟仿真实验教学，不但在一定程度上可以弥补实验资源的匮乏，而且可以提高学生观察问题、分析问题和解决问题的能力，以求达到掌握一门专业技术技能。WwW.133229.CoM

1虚拟仿真实验应用于教学中的现实意义

目前国内大多数高校的实验还是采用传统方式，即老师讲解、演示，再由学生自己动手。而国外已经从传统实验转为实物实验与虚拟实验相结合，充分利用先进的 计算 机设备进行虚拟仿真实验教学，取得了较好的效果。

传统的教学模式以教师为中心，知识的传递主要靠教师对学生的灌输，作为认知主体的学生在教学过程中自始至终处于被动状态，其主动性和积极性难以发挥，不利于培养学生的发散性思维、批判性思维和创造性思维，也不利于创造性人才的培养。虚拟仿真实验突破了传统教学手段上的局限。学生自己动手操作，亲身参与整个实验过程的操作，通过将实际生产的工艺过程以影像、动画等生动的形式表示，从而增强学生的感性认识和学习兴趣，提高教学效果，使其实践能力、观察能力及归纳能力等都得到很好的锻炼。虚拟实验技术创设了一个人性化的学习环境，使学生能够在 自然 、互动的气氛中进行学习。基于以上思考，尝试在《工程图学》教学中应用“虚拟仿真实验教学”进行教学改革的探索。

2虚拟仿真实验设计目标

虚拟实验的开发工具主要是 网络 虚拟现实建模语言(vrml)和三维建模软件。vrml是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构三维世界的场景建模语言。vrml的基本目标是建立因特网上的交互式虚拟对象、场景、三维模型，基本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等，是目前intenet上基于“/xinlixue/" target="_blank" title="">心理经验不一致，就谈不上以自然技能的交互，也很难获得沉浸感。

3零、部件测绘实践虚拟辅助教学

《工程图学》课程为机械类专业一门主要技术基础课，是一门理论性和实践性都较强的课程，因此实验教学环节对学好这门课程至关重要。通过加强实践教学环节，才能使学生真正理解和掌握该学科的理论知识。本项目的实施内容主要是采用inventor2008，3dmax，autocad及vrml软件系统设计虚拟实验系统，使之能够对齿轮油泵(图1)、减速器(图2)、虎钳(图3)的装配进行动态模拟，通过影像、动画等生动的形式对装配过程进行动态模拟，可以充分发挥学生的主观能动性，有利于学生获得丰富的感性认识，激发学生进一步提出问题与寻求解决问题的兴趣，有助于拓宽学生的知识面，有效地支持理论学习。

零部件测绘实践虚拟辅助教学技术的做法是，以实物模型为基本要素、以实物模型测绘为主线，用 计算 机虚拟现实的方法，制作图画和动画形式为主的直观形象，去解析零部件的形状结构和测绘过程。

将虚拟辅助教学融于测绘实践教学的过程是：布置测绘任务；观测分析实物模型；教师依据实物模型通过虚拟辅助教学课件集中指导；学生依据实物模型，参照虚拟辅助教学课件自主测绘；教师集中讲评。

虚拟辅助教学主要构件是以虚拟图象为主，配有少量文字说明的 电子 文档。分别是：以动画为主去表达零部件形状结构的图画集，以对零部件形状结构分析和视图分析为主的图画集，以对零部件测绘方法和过程指导为主的图画集，以对尺寸、技术要求、图样、作业要求指导为主的图画集。

4零、部件测绘实践虚拟辅助教学技术的特点

a)基于实体的虚拟。计算机虚拟现实、虚拟三维图与构形思维和视觉及视觉心理密切相关。实践表明：没有实体模型做基准没有构形思维和视觉及视觉心理的支持，计算机虚拟现实、虚拟三维图就会成为没有意义的作品；另一方面，没有构形思维和视觉及视觉心理知识去指导计算机虚拟现实、虚拟三维图的创作，也不能获得效果良好的作品。

b)基于图学素质对测绘对象(零、部件)的选择。选择好测绘对象是保障零、部件测绘实践教学效果的首要条件。简单化和过度复杂化都不可取，都可能给大学总体教学带来损害。选择测绘对象(零、部件)的第一因素是考虑对学生图学素质培养的要求，其次是考虑后续课的需求。阀类、泵类、夹具类(虎钳)、减速器类是常选测绘对象，其主要原因是便于教学。按图学素质培养的要求考虑，所选零、部件的测绘内容应当尽量多的涵盖图学主要的核心内容。例如，表达方法典型、全面，结构具有代表性。按后续课的需求考虑，所选零、部件的测绘内容要含有后续课的主要要素。

5结语

开发零、部件虚拟测绘装配实验是为了拓宽实验教学平台，改进测绘方法，提高测绘效率和品质，减轻教学负担。这一教学技术的核心涉及到传统测绘的方方面面，也涉及到 现代 教育 技术的深层理论和技术问题。当然虚拟仿真实验不能完全替代实物实验，但可以探索将其作为实物实验及课堂理论教学的补充。