序論：好文章的創(chuàng)作是一個不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]十篇虛擬實驗設(shè)計論文范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。

篇（1）

（1）實驗信息管理。

實驗信息管理主要包括對實驗室工作人員、實驗室規(guī)章制度、實驗室通知以及實驗室辦公文件等信息的集中管理。

（2）實驗課程管理。

實驗課程管理是指面向不同的老師、不同的開設(shè)班級，對實驗課程進行編排，以完成實驗課程的統(tǒng)一集中管理，做到實驗課程的時間、教室不沖突。

（3）實驗設(shè)備管理。

實驗設(shè)備是實驗教學(xué)過程中的重要資源，對實驗設(shè)備統(tǒng)一進行信息登記和管理，有助于實現(xiàn)對實驗設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化管理。

（4）實驗教學(xué)管理。

實驗教學(xué)管理主要包括實驗課程的準(zhǔn)備，學(xué)生實驗過程視頻的保存，實驗報告的電子化及成績評定，以及實驗教學(xué)總結(jié)。

1.2模式設(shè)計

該設(shè)計采用了C/S模式和B/S模式相結(jié)合的設(shè)計模式。整個實驗室信息管理系統(tǒng)在WEB環(huán)境下運行，客戶端與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間采用B/S模式，從而避免了客戶端專用程序的開發(fā)；而數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與應(yīng)用服務(wù)器之間采用C/S模式，適宜滿足應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之間的大批量數(shù)據(jù)訪問和調(diào)用，從而提高了數(shù)據(jù)訪問的靈活性。另一方面，由于數(shù)據(jù)全部存儲在專用的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，而應(yīng)用程序服務(wù)器和客戶端只負責(zé)發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)請求指令，這樣在一定程度上也提高了數(shù)據(jù)的安全性，后期維護也更加趨于合理。

2虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬實驗中的設(shè)計與應(yīng)用

2.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用方法

要將傳統(tǒng)的動手實驗演變?yōu)榛谔摂M現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗，必須要完成三維建模、虛擬場景重建以及動作響應(yīng)設(shè)定等一系列設(shè)置，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)實驗教學(xué)的信息化和虛擬化。目前三維建模主要依賴SolidWorks三維軟件完成，而虛擬場景的重新構(gòu)建，在很大程度上依賴于LabView等圖形化編程軟件的使用。要實現(xiàn)虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計，離不開數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用，因為在虛擬實驗操作過程中，離不開對數(shù)據(jù)庫的實時動態(tài)訪問，因此如何快速訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)成為虛擬技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。目前應(yīng)用在虛擬實驗系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，主要是依賴于數(shù)據(jù)的快速存儲方式。對于底層傳遞來的數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)自身的屬性進行分類，從而將數(shù)據(jù)自動劃分到不同的數(shù)據(jù)類中。在同一數(shù)據(jù)類中，按照所定義的關(guān)鍵字對數(shù)據(jù)進行存儲。采用分類的數(shù)據(jù)存儲和訪問方式，能夠極大地提高數(shù)據(jù)庫訪問的效率。

2.2機電一體化實驗的虛擬化設(shè)計應(yīng)用

本研究課題以具體的機電一體化實驗為例探討虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用。機電一體化實驗主要完成傳感器檢測、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、電機控制等一系列任務(wù)。針對該實驗的內(nèi)容，虛擬化和信息化可以按照如下步驟實施：

（1）三維建模。

借助于SolidWorks三維軟件對傳感器、濾波器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)碼管、CPU控制器、步進電機等進行三維建模，實驗室內(nèi)的萬用表、示波器等其他實驗儀器也要建模，以增強實驗環(huán)境的真實性。

（2）場景重建。

利用LabView圖形化編程軟件，將上述三維模型進行空間布局設(shè)置，構(gòu)建與實驗室完全一致的實驗場景。

（3）界面接口設(shè)計。

僅僅有圖形化場景是遠遠不夠的，還必須借助LabView圖形化編程軟件對接口進行設(shè)計。比如數(shù)據(jù)采集卡的接口應(yīng)當(dāng)與傳感器的輸出接口保持相同的電平規(guī)格；再比如，CPU控制器的輸出脈沖應(yīng)當(dāng)跟步進電機的驅(qū)動電流保持相同電平規(guī)格，以確保電機能夠被驅(qū)動。

（4）虛擬動作響應(yīng)。

設(shè)計了界面接口，就能夠利用VRML工具對虛擬動作響應(yīng)進行設(shè)定，通過設(shè)定使虛擬實驗系統(tǒng)能夠智能地感知到操作者的意圖，從而順利完成虛擬實驗。

（5）數(shù)據(jù)庫的快速訪問。

在機電一體化實驗中，需要保存的數(shù)據(jù)有傳感器采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集卡的采集頻率、CPU控制器的輸出脈沖規(guī)格以及步進電機的相關(guān)參數(shù)。這些參數(shù)按照其自身屬性可以劃分為采集數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)三大類，將上述的數(shù)據(jù)自動地劃分到這三大類中。當(dāng)虛擬動作響應(yīng)需要訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)查詢上述相關(guān)數(shù)據(jù)時，可以首先按照數(shù)據(jù)所在的大類進行查詢，這樣有助于提高數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)訪問的快速性和準(zhǔn)確性。

篇（2）

2機械設(shè)計虛擬實驗室

以“CAXA實體設(shè)計”和“CAXA－EB”軟件系統(tǒng)為依托，利用VisualBasic6．0和C/C++開發(fā)了機械設(shè)計虛擬實驗室(見圖1)，包括三維虛擬實驗環(huán)境和二維虛擬實驗環(huán)境，可進行機構(gòu)運動簡圖測繪、齒廓范成原理、減速器拆裝等11個機械設(shè)計虛擬實驗。學(xué)員可利用虛擬實驗室進行實驗，完成并提交實驗報告，教師可利用該平臺查閱批改實驗報告。機械設(shè)計虛擬實驗室由服務(wù)器端核心處理模塊、客戶端實時運算模塊、用戶管理模塊、機構(gòu)庫模塊、零件庫模塊等七大模塊組成。其中，機構(gòu)庫包含40多個常用機構(gòu)，零件庫包含80多個常用零件，標(biāo)準(zhǔn)符號庫由100多個常用標(biāo)準(zhǔn)符號組成，在線幫助信息庫有近5萬字的在線幫助信息［9－10］。目前機械設(shè)計虛擬實驗室已在全軍院校推廣使用。近幾年的教學(xué)應(yīng)用表明，機械設(shè)計虛擬實驗可部分取代實物實驗，某些傳統(tǒng)實驗如簡圖測繪、齒廓范成等可利用虛擬實驗室獨立完成;同時，虛擬實驗室大大擴展了原有實驗內(nèi)容，增加了機構(gòu)改進設(shè)計、軸的設(shè)計、連桿機構(gòu)的設(shè)計等綜合性和設(shè)計性實驗，并且實驗室為開放性環(huán)境，實驗內(nèi)容還可根據(jù)需要繼續(xù)擴充;另外，虛擬實驗室是實物實驗和課堂教學(xué)的有力補充，連桿機構(gòu)的基本形式和演化等實驗內(nèi)容對進一步理解和鞏固課堂知識具有重要作用，通過虛擬實驗還可進行一些實物實驗很難實現(xiàn)的實驗，如齒廓范成原理實驗，傳統(tǒng)的范成儀只能加工兩種參數(shù)的齒輪，而利用虛擬實驗室可以任意設(shè)置加工參數(shù)。又如軸的設(shè)計實驗，可實時設(shè)計、實時修改，并及時觀測設(shè)計結(jié)果。虛擬實驗室有效拓展了課內(nèi)實驗的時間和空間，在提高課程教學(xué)效果和實驗教學(xué)質(zhì)量及培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力方面，起到了非常重要的作用。

3虛擬實驗室在課程教學(xué)中的作用

機械設(shè)計虛擬實驗室具備強大的模擬實驗和相關(guān)輔助功能，對課程教學(xué)和能力培養(yǎng)具有非常重要的作用。

3．1有效拓展課程實驗內(nèi)容，集實驗和輔助學(xué)習(xí)功能為一體

機械設(shè)計虛擬實驗室不僅可完成機構(gòu)運動簡圖測繪、齒廓范成原理、減速器拆裝等傳統(tǒng)實驗內(nèi)容，還增加了機構(gòu)組成原理、連桿機構(gòu)的應(yīng)用和設(shè)計、凸輪設(shè)計、周轉(zhuǎn)輪系的應(yīng)用、軸的設(shè)計、齒輪傳動等新的實驗，拓展了實驗內(nèi)容。所開發(fā)的11個實驗既有傳統(tǒng)的基礎(chǔ)性、驗證性實驗，如機構(gòu)運動簡圖測繪、減速器拆裝等，又有設(shè)計性實驗，如齒輪范成原理、軸的設(shè)計、凸輪設(shè)計等。學(xué)員不僅可以通過虛擬環(huán)境完成實驗操作和設(shè)計，提高機械設(shè)計能力，還可利用實驗項目復(fù)習(xí)鞏固課堂所學(xué)知識，加深對知識的理解。例如連桿機構(gòu)的型式和演化實驗，學(xué)員可通過實驗環(huán)境設(shè)置機構(gòu)的桿長參數(shù)和機架，根據(jù)課堂知識判斷該機構(gòu)的型式，再利用虛擬實驗室驗證自己的判斷，使知識得以鞏固和加深。機械設(shè)計虛擬實驗室將數(shù)值分析算法應(yīng)用到實驗開發(fā)中，形象地描述了在傳統(tǒng)實驗中很難實現(xiàn)的實驗，實現(xiàn)了實驗內(nèi)容的創(chuàng)新。例如齒廓范成實驗，傳統(tǒng)實驗使用齒廓范成儀進行，一般每種范成儀只能范成同一參數(shù)(模數(shù)、壓力角等)、兩種齒數(shù)的齒輪，而在機械設(shè)計虛擬實驗室中學(xué)員可任意設(shè)置齒輪的齒數(shù)和模數(shù)等參數(shù)(見圖2)，觀察各種參數(shù)的漸開線齒廓的形成過程和齒廓特點，擴展了設(shè)計性實驗的內(nèi)容。圖3為利用機械設(shè)計虛擬實驗室進行漸開線齒廓的范成加工。

3．2構(gòu)建三維虛擬實驗環(huán)境，實現(xiàn)三維動態(tài)仿真和創(chuàng)新設(shè)計功能

機械設(shè)計虛擬實驗室構(gòu)建了機構(gòu)模型庫和零件庫，包含多個常用機構(gòu)和通用零件，常用機構(gòu)具有仿真動畫效果，通用零件具有三維渲染效果，學(xué)員在進行實驗時可隨時調(diào)用，也可隨時運行觀察其運動以進行組成和運動分析。如圖4所示即為機構(gòu)庫中的飛機起落架機構(gòu)模型，學(xué)員可在三維實驗環(huán)境中觀察其組成和運動情況，或?qū)ζ溥M行運動尺寸測繪，在二維環(huán)境中繪制其機構(gòu)運動簡圖，這是機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的一個傳統(tǒng)實驗。機械虛擬實驗室的零件庫包含軸、齒輪、軸承等80多種常用零件，學(xué)員在進行設(shè)計性實驗時可隨時調(diào)用，同時還可在原模型的基礎(chǔ)上進行實時修改，以用于所設(shè)計的機構(gòu)。如圖5所示為對設(shè)計的階梯軸進行結(jié)構(gòu)修改。這樣使學(xué)員既有很強的感性認識，又鍛煉了其設(shè)計能力，為基于想象的開放性創(chuàng)意設(shè)計提供了虛擬實現(xiàn)的平臺，拓展了學(xué)員的創(chuàng)造空間。

3．3實驗操作方便，相關(guān)功能完善

機械設(shè)計虛擬實驗室具有可視化的實驗界面，交互功能強大，實驗操作簡單，實驗結(jié)果直觀。每個實驗都有詳細的實驗指導(dǎo)，進行基礎(chǔ)性、驗證性實驗時在實驗界面上及時提示后續(xù)的操作步驟，操作不正確時系統(tǒng)會給出提示。如減速器拆裝實驗，要求能按正確的順序?qū)p速器進行拆卸和安裝，在拆裝過程中，如果順序不正確，系統(tǒng)會出現(xiàn)警告，并提示正確的操作。機械設(shè)計虛擬實驗室具有在線幫助功能，學(xué)員在實驗操作中可隨時查閱實驗?zāi)康摹?nèi)容和實驗步驟等。另外，在每個實驗完成后可在虛擬實驗室中方便地撰寫、修改實驗報告，并進行提交，如圖6所示。教師可在虛擬實驗室中檢查、批改學(xué)生的實驗報告，并將實驗評價反饋給學(xué)員。

篇（3）

[中圖分類號]G40-057　[文獻標(biāo)識碼]A　[論文編號]1009－8097(2012)05－0116-05引言

電腦游戲與網(wǎng)絡(luò)游戲的不斷發(fā)展并被應(yīng)用于企業(yè)、教育、軍事、科學(xué)以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。目前的虛擬實驗無論是設(shè)計方面還是開發(fā)方面，大多數(shù)都只是將實驗器材遷移至計算機中來實現(xiàn)，單純地追求實驗的仿真，而不是從學(xué)習(xí)者的角度考慮其學(xué)習(xí)效果。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論指出：“清境”、“協(xié)作”、“會話”和“意義建構(gòu)”是學(xué)習(xí)環(huán)境中的四大要素，一個自由而充滿趣味性的虛擬環(huán)境對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果有著至關(guān)重要的影響，而游戲性虛擬實驗的構(gòu)建則是實現(xiàn)這一效果的一個有效途徑。游戲性元素的融入對于學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)環(huán)境的改善以及知識建構(gòu)、深層次理解都起著促進的作用，并且吸引著學(xué)習(xí)者愉悅地解決問題。由此可見，游戲性元素的注入需要運用游戲策劃、設(shè)計方法和實現(xiàn)的技術(shù)的結(jié)合來表現(xiàn)一個完整實驗環(huán)境的設(shè)計，這并不是簡單的添加，構(gòu)建模型可以把復(fù)雜的問題清晰的表達出來，使理論的各組成部分可視化并得到檢驗。利用模型構(gòu)建的方法不僅幫助學(xué)習(xí)者理解形成問題的影響因素之間復(fù)雜的相互關(guān)系，還給指導(dǎo)者提供了評估學(xué)生們理解問題的外在表征。系統(tǒng)動力學(xué)建模工具Stella軟件具備強大的建模環(huán)境和簡便的操作方法，以此技術(shù)建?？梢郧逦慕沂境鲇螒蛐耘c虛擬實驗二者之間的融合，為虛擬實驗設(shè)計研究提供一種新的方法。一　相關(guān)理論

1　游戲性的內(nèi)涵

“游戲性”來源于英文“Gameplay”，在中文中，“游戲性”可以被籠統(tǒng)地理解為“游戲的核心性質(zhì)”；但在英文中，“游戲性”(Gameplay)可以指“游戲的具體操作方法”和“游戲的抽象趣味整體”等雙重含義。游戲性并不等同于“游戲的性質(zhì)”，游戲具有極為多樣的屬性，游戲性就是當(dāng)排除畫面、聲音、劇情等因素的刺激所帶給玩家的樂趣。游戲性元素包括沉浸、情節(jié)、扮演、競爭、任務(wù)、動作、益智、成長、管理、創(chuàng)造、探索以及群聚元素，然而虛擬實驗的宗旨是教學(xué)，它不同于游戲的宗旨，因此在引入這些游戲性元素時，必然有所刪減。融入游戲性元素的根本目的在于增強和提高學(xué)習(xí)者操作、探索和挖掘的樂趣以及研究和練習(xí)的樂趣。

在游戲性虛擬實驗中各游戲性元素的概念內(nèi)涵包括以下八個方面的內(nèi)容：①沉浸元素，通過物理方式或者想象進入到一個與通常環(huán)境不同的場景。②情節(jié)元素，按照因果邏輯或意義邏輯組織起來的一系列事件。③扮演元素，有意識地假扮某一特定角色，并從該角色的處境和場合出發(fā)，進行思考、表達和活動的方式。④任務(wù)元素，某個需要被完成的既定目標(biāo)。⑤動作元素，實時付出行動的身體運動。⑥成長元素，成長是指由低級或簡單形態(tài)向較高級或復(fù)雜形態(tài)發(fā)展，或者在數(shù)量、價值或力量上的增長。在角色扮演游戲中多表現(xiàn)為升級和裝備提升。⑦管理元素，管理元素包含兩個層面的意義：第一是促進游戲者的管理性思維的發(fā)展，鼓勵游戲者運用策略和部署來游戲；第二是將游戲者處于一種較高的管理位置，讓游戲者體驗擁有權(quán)勢和掌控大局的樂趣。⑧群聚元素，“把兩個及其以上的玩家聚集在一起的狀態(tài)就是群聚的形式”。

2　游戲性虛擬實驗的特點

在游戲業(yè)初見端倪的歐美自上世紀(jì)80年代初，最早全面論述游戲動機的學(xué)者是Malone，通過對已有游戲的一系列的觀察，對大量玩家訪談，Malone(1980年)總結(jié)出三個主要的讓視頻游戲使人更快樂的因素：挑戰(zhàn)、幻想和好奇。在2002年，Garris等人認為：幻想、規(guī)則、目的、感官刺激、挑戰(zhàn)、神秘和控制是游戲的六個動機特征組件。Asgari與Kaufman(2004年)在前人研究的基礎(chǔ)上，認為游戲的動機組件是：交互、競爭、控制、幻想、好奇、挑戰(zhàn)與反饋。

游戲既有行為層面的游戲，也有心理層面的游戲。將游戲的內(nèi)在品質(zhì)融入虛擬實驗中來，更能提高和豐富學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，有更廣泛的意義。游戲性虛擬實驗設(shè)計應(yīng)著重從學(xué)習(xí)者的心理層面和行為層面兩個方面考慮：

(1)心理層面包括愉悅性和自由性，解決這一層面的問題，可以考慮將游戲中沉浸元素、情節(jié)元素、任務(wù)元素加入到虛擬實驗的設(shè)計中來，以解決這一層面學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的愉悅性和自由性等問題。

(2)行為層面包括規(guī)則性、表演性、體驗性和對話性。在行為層面中，將管理、扮演、動作元素加入游戲性虛擬實驗的設(shè)計中，解決學(xué)習(xí)者行為層面的需求。游戲性虛擬實驗的開發(fā)要以學(xué)習(xí)者為主導(dǎo)，其目的是提高和優(yōu)化學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，促進學(xué)生對實驗中的理論知識的深入理解，鍛煉學(xué)生主動探索和學(xué)習(xí)的能力。

篇（4）

實驗是物理學(xué)發(fā)展的基本動力,它在物理學(xué)發(fā)展中起著發(fā)現(xiàn)探索新規(guī)律、驗證新理論、測定物理常數(shù)以及在現(xiàn)實社會中的推廣應(yīng)用等重要作用。因此實驗是研究物理學(xué)的一種基本方法,同時實驗也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新的一種有效途徑。

在物理實驗教學(xué)過程中,不僅要引導(dǎo)學(xué)生理解物理概念及物理規(guī)律產(chǎn)生的條件、發(fā)生、發(fā)展的過程,掌握實驗的具體做法和基本技能,學(xué)會研究物理問題的實驗方法,更重要的是要通過物理實驗提高學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在全國第三次教育工作會議上曾深刻地指出:“今天,面對世界科技飛速發(fā)展的挑戰(zhàn),我們必須把增強民族創(chuàng)新能力提高到關(guān)系中華民族興衰存亡的高度來認識。一個沒有創(chuàng)新能力的民族,在綜合國力競爭日趨激烈的21世紀(jì)根本沒有立足之地。具有較強的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)新實踐能力的學(xué)生,會更加適合未來社會的發(fā)展需求?？梢娂訌妼W(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)是非常必要的?！?/p>

下面就初中物理實驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力從不同的實驗教學(xué)途徑探討如下:

一、增加科學(xué)探究實驗,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

將科學(xué)探究列入教學(xué)內(nèi)容,旨在將學(xué)習(xí)重心從強調(diào)知識的傳承和積累向知識的探究過程轉(zhuǎn)化,從學(xué)生被動接受知識向主動獲取知識轉(zhuǎn)化,從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、實事求是的科學(xué)態(tài)度和敢于創(chuàng)新的探索精神。與傳統(tǒng)的驗證性實驗相比,探究性實驗的優(yōu)點是能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,鍛煉學(xué)生的各方面能力、培養(yǎng)學(xué)生的性格品質(zhì),更能提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神。

教師在進行科學(xué)探究實驗教學(xué)前,要多下工夫,想方設(shè)法將實驗設(shè)計成探究性實驗,有意識地創(chuàng)設(shè)一種探究的氛圍,擴大探究空間和思維空間,并能在學(xué)生探究過程中尋找創(chuàng)新的突破口。例如,對于“阻力對物體運動的影響”實驗,老師可先提出問題,讓學(xué)生猜想并說出猜想的依據(jù),然后讓學(xué)生結(jié)合書上給出的實驗設(shè)計方案完成實驗,并讓學(xué)生思考幾個問題:為什么每次實驗時都要讓小車從同一斜面的同一高度滑下來?能不能不用斜面直接用手推動小車?能不能改變斜面的坡度或者小車的高度?這一實驗中應(yīng)觀察什么?如何記錄實驗現(xiàn)象?你還能設(shè)計哪些不同實驗進一步來探究這個問題?最后同學(xué)們很好完成了本次探究實驗,并設(shè)計出了幾種新的探究方案,而且還用到了控制變量法和理想化實驗兩種科學(xué)方法。在這樣的科學(xué)探究過程中,使學(xué)生逐步養(yǎng)成敢于探索、質(zhì)疑,善于交流、合作的良好態(tài)度和創(chuàng)新精神,為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。因此,增加科學(xué)探究實驗,不僅有利于理解知識和科學(xué)方法的獲得,更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神和實踐能力。

二、引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

設(shè)計性實驗是對所學(xué)物理原理和所做物理實驗的綜合、應(yīng)用、遷移和創(chuàng)造。它是對學(xué)生應(yīng)用能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力等的全面考查。做設(shè)計性實驗時,要求學(xué)生在充分理解基本原理的基礎(chǔ)上,綜合運用所掌握的基礎(chǔ)理論知識、實驗技能,以及各種測量手段和實驗方法,自行設(shè)計實驗方案、確定實驗方法、選擇配套儀器設(shè)備,進行實驗測試,最后寫出比較完整的實驗報告或論文。因而課題和項目的內(nèi)容需要經(jīng)過精心挑選,它們具有綜合性、典型性和探索性。

在學(xué)生設(shè)計實驗時,提倡“一個實驗、多種方案”的實驗教學(xué)法。這種對思維先進行發(fā)散,再對各種方案進行分析整合的過程,有利于發(fā)散思維和集中思維的培養(yǎng)。如,現(xiàn)有彈簧測力計、天平、量筒、刻度尺、燒杯、水、細線等器材,你有幾種辦法可以測出一個小鐵塊浸沒在水中受到的浮力?答案有五種辦法。這種富有新意的方法,不但提高了學(xué)生靈活應(yīng)用知識的能力,更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生從不同角度、用不同方法解決問題的發(fā)散思維能力,有效地促進了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

三、通過制作小實驗,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

在小實驗中,沒有現(xiàn)成的儀器和用品,這就需要學(xué)生在實驗過程中尋求性能相似的替代品,無疑會讓學(xué)生動手、動腦,這必將激發(fā)學(xué)生潛在的創(chuàng)造能力,培養(yǎng)其創(chuàng)造精神。比如學(xué)生在小實驗中利用家庭中常見的雞蛋就完成了六個實驗:實驗①:把煮熟撈起的蛋立刻浸入冷水中待完全冷卻后,再撈上來剝落比不放入冷水中直接剝要容易多(熱脹冷縮的性質(zhì));實驗②:把剛煮熟的雞蛋從鍋內(nèi)撈起來,直接用手拿時,雖然較燙,但還可以忍受過一會兒,當(dāng)?shù)皻ど系乃闪撕?感到比剛撈上來時燙(液體蒸發(fā)吸熱);實驗③:選一只口徑略小于雞蛋的瓶子,在瓶底鋪上一層干沙,點燃一團浸過酒精的棉花投入瓶內(nèi),接著把一只剝了殼的熟雞蛋堵住瓶口?；鹧嫦绾?蛋被瓶子吞入了瓶中(驗證大氣壓的存在);實驗④:把一只雞蛋,浸沒在一只裝有清水的大口徑玻璃杯中。松開手后,發(fā)現(xiàn)雞蛋緩緩沉入杯底,撈出雞蛋往清水中加入食鹽,調(diào)制成濃度較高的鹽水,再把雞蛋浸沒在鹽溶液中,松開手,雞蛋卻緩緩上浮(浮沉現(xiàn)象);實驗⑤:用手指突然彈擊硬紙片,雞蛋卻不會隨紙片一起飛出(慣性現(xiàn)象);實驗⑥:外殼完好的蛋,放入食鹽水中腌制一段時間,可以制成咸蛋。蛋殼雖然完好,但內(nèi)部的蛋黃都變咸了(分子無規(guī)則運動)。自己動手制作小實驗不僅可以培養(yǎng)學(xué)生思維能力和獨立工作能力以及探索知識的興趣,更重要的是它對學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力有很大幫助。

四、運用數(shù)字化實驗,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

多媒體實驗、虛擬仿真實驗等數(shù)字化實驗應(yīng)運而生,它給教育領(lǐng)域帶來一場深刻的教育改革。學(xué)生通過演示實驗看到物理現(xiàn)象,但實驗過程短,實驗現(xiàn)象稍縱即逝,學(xué)生就來不及細致觀察,不能發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)。多媒體仿真實驗可多次重復(fù)模擬實驗過程,再現(xiàn)物理現(xiàn)象,而且能變小為大、變動為靜、變快為慢、變連續(xù)為定格,使許多看不見摸不著的變成有形、有聲、有色,變說不清為一目了然,這些不僅有助于學(xué)生對物理現(xiàn)象及狀態(tài)的觀察和分析,還有助于學(xué)生創(chuàng)造性思維的激發(fā)。各種仿真實驗室軟件,可以很好地虛擬出各種各樣仿真實驗室,讓學(xué)生用虛擬儀器進行實驗虛擬。通過虛擬實驗和仿真實驗,給學(xué)生提供一個自由的、自組織學(xué)習(xí)的空間和培養(yǎng)設(shè)計、創(chuàng)新能力的良好環(huán)境。比如,在學(xué)習(xí)電學(xué)方面的實驗時,可讓學(xué)生自己在虛擬仿真實驗室設(shè)計一個用于搶答題的電路,要求:不論哪一個組按開關(guān),電鈴都能發(fā)出聲音,而且指示燈會告訴主持人是第幾組按的開關(guān),進行電路模擬仿真,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此,數(shù)字化實驗有利于學(xué)生建立起完整的物理情景,幫助學(xué)生獲得直接經(jīng)驗,直接感知物理規(guī)律,有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

總之,通過實驗的科學(xué)探究、實驗設(shè)計、制作小實驗、運用數(shù)字化實驗等方面可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

還可以開展一些創(chuàng)新思路的課外實驗活動:如舉辦物理實驗專題講座,觀看實驗錄像,參觀工廠等,了解物理實驗在生產(chǎn)中的作用。另外還可對由優(yōu)秀生組成的實驗研究小組,要有計劃地開展創(chuàng)新課題研究活動,如研制教具、制備或制作有實用價值小東西或裝置,舉辦設(shè)計實驗比賽、實驗創(chuàng)新成果展覽、參與實驗課題研究、家庭物理實驗研究活動、撰寫實驗論文等。讓學(xué)生深入研究他們周圍的物理現(xiàn)象,不斷地發(fā)展他們的實驗創(chuàng)新能力,以適應(yīng)未來社會的發(fā)展需求。

參考文獻

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2.張志堅.淺論初中物理實驗教學(xué)與學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].教學(xué)儀器與實驗.第22卷.2006年第1期

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4.黃傳霞.一個實驗探究題的多種設(shè)計方案[J].中學(xué)課程輔導(dǎo)(初二版).2005年04期

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【中圖分類號】G40-057 【文獻標(biāo)識碼】A 【論文編號】1009―8097(2009)07―0130―02

引言

在彈藥檢測技術(shù)和傳感器技術(shù)等課程教學(xué)中,為了使學(xué)員理解講授內(nèi)容,需要進行一些必要的實驗操作。由于彈藥檢測實驗具有一定的危險性、過程短暫、過程細節(jié)不易觀察、實驗費用高等特點,而虛擬實驗作為一種先進的教學(xué)手段,以其直觀性、靈活性、實時性、形象化的優(yōu)勢,通過創(chuàng)建動畫,細化過程細節(jié),可比較輕松地解決傳統(tǒng)授課方式無法解決的問題,把抽象的問題變得很直觀,使學(xué)員能置身于現(xiàn)場實驗氛圍之中,對突破教學(xué)難點起到了較好的作用。教學(xué)實踐證明,在現(xiàn)有條件下開展虛擬實驗與現(xiàn)場實驗相結(jié)合的實驗方法,是一種行之有效的教學(xué)方法。

一 虛擬實驗的概念和特點

虛擬實驗通常是指借助于借助計算機技術(shù),利用文字、圖形、圖像、聲音等在微機屏幕上形成的可部分或全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗過程的實驗操作環(huán)境,實驗者利用鼠標(biāo)和鍵盤的操作完成實驗,使實驗者感受到與真實實驗相似的過程。我們按照教學(xué)要求組成的虛擬實驗軟件,為學(xué)員提供一個虛擬實驗環(huán)境和過程的操作平臺,它包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、實驗設(shè)計、工作原理、操作過程、實驗狀態(tài)、步驟提示、結(jié)論分析等。通過虛擬實驗軟件把實驗設(shè)備和教學(xué)內(nèi)容有機地融為一體,加深了學(xué)員對實驗?zāi)康?、原理、過程、方法、設(shè)備結(jié)構(gòu)、注意事項等的理解,達到現(xiàn)場實驗難以實現(xiàn)的效果,培養(yǎng)了學(xué)員動手和思維能力,豐富了實驗技能,深化了對知識的理解,同時增強了學(xué)員對實驗的興趣,提高了教學(xué)效果。

二 彈藥檢測虛擬實驗的優(yōu)點分析

1 保證實驗者的安全:在真實的彈藥實驗中,由于彈藥特有的危險性,容易發(fā)生安全事故,產(chǎn)生一定的心理負擔(dān),而采用虛擬實驗由于不使用真槍實彈,可以避免事故發(fā)生,杜絕真實彈藥實驗的風(fēng)險。

2 降低實驗成本:彈藥實驗的費用較高,少則幾十元,多則上萬元,而且一旦損壞設(shè)備,往往還會伴隨人員的傷亡,后果十分嚴(yán)重;采用虛擬實驗的投資費用比較低,可以長期使用,并可以不斷改進和優(yōu)化實驗內(nèi)容,近似達到零成本的效果。

3 提高學(xué)習(xí)效果:虛擬實驗軟件可以直接安裝在微機上,擺脫了傳統(tǒng)實驗受時間、場合的限制,學(xué)員通過調(diào)用不同的實驗?zāi)K,可以自行選擇實驗項目,實驗結(jié)果可以通過文字、圖形、圖像、聲音等形式顯示給學(xué)員,來判斷操作是否正確,激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣;它還具有重復(fù)性的特點,通過多次重復(fù)使用,加深學(xué)員對實驗的理解,使學(xué)員熟悉實驗設(shè)備的應(yīng)用,鍛煉他們觀察實驗過程和分析實驗現(xiàn)象的能力。

4 強化學(xué)員對實驗細節(jié)的認識:彈藥實驗具有“三高一短”(高溫、高速、高壓、過程短暫)的特點,其過程復(fù)雜而短暫,很難從感官上得到深刻的認識,即使參加了實際的試驗過程,如果不采用相應(yīng)的設(shè)備,也很難獲得實驗結(jié)果。彈藥發(fā)射實驗過程通常在數(shù)十毫秒內(nèi)結(jié)束,實驗結(jié)果單憑人的感官是無法得出結(jié)論的。而采用虛擬實驗的方法,可以將實驗過程速度放慢,結(jié)合聲光效果,細化實驗過程,觀察細微環(huán)節(jié),加深了對實驗內(nèi)容的理解。

三 彈藥檢測虛擬實驗的實現(xiàn)手段[2] [3]

制作實驗課件首先要進行總體規(guī)劃,制定系統(tǒng)總體目標(biāo)、模塊功能和實驗流程圖,繪制設(shè)備或零件圖,完成腳本編寫。

選擇合適的軟件是制作虛擬實驗課件的基礎(chǔ),我們根據(jù)虛擬實驗的特點,由flash、3D Max完成二、三維動畫等基本素材的制作,利用它們具有的多媒體編輯、聲光效果和控制功能,實現(xiàn)了實驗項目的虛擬實驗設(shè)計功能;課件的部分復(fù)雜設(shè)備零部件由SolidWorks軟件制作,再以圖形方式代入flash或3D Max中,充分發(fā)揮各自的特點,最后以Authorware為平臺進行模塊的鏈接合成及調(diào)試,完成課件的,它們最終都可以在Powerpoint下,以超動態(tài)鏈接被調(diào)用。

四 虛擬實驗的應(yīng)用范例[1]

在彈藥檢測技術(shù)課程教學(xué)中,我們制作了多個虛擬實驗?zāi)K,經(jīng)過在課堂應(yīng)用后,學(xué)員們普遍反映教學(xué)內(nèi)容易于理解、印象深刻,通常完成一次虛擬實驗后,就可以基本敘述出工作原理和實驗過程,而這是教員用語言表述很難達到的效果。在此例舉幾個虛擬實驗的應(yīng)用范例:

1 初速、膛壓虛擬實驗

彈藥的初速、膛壓實驗是彈藥檢測技術(shù)課程的重要實驗,但是由于現(xiàn)有實驗條件的限制,不可能也沒有必要每人都進行一次實驗,即使實驗者親自參加了實驗,也只是在現(xiàn)場聽到一聲發(fā)射的巨響,看到一團火光,從實驗設(shè)備上得到了一組數(shù)據(jù),而對實驗中的細節(jié)是無法體會的,我們在課堂教學(xué)中采用了虛擬實驗軟件,把實驗過程以“慢鏡頭”的方式,將火藥燃燒、彈丸運動、傳感器接收測試信號等過程展現(xiàn)給學(xué)員,使學(xué)員清晰的看到了實驗的細節(jié)和結(jié)果,仿佛親身經(jīng)歷了現(xiàn)場實驗。膛壓和初速虛擬實驗的部分畫面見圖1和圖2。

2 傳感器原理虛擬實驗[4]

傳感器是新型彈藥和檢測設(shè)備的關(guān)鍵部件之一,掌握傳感器的知識對理解教學(xué)內(nèi)容十分重要,由于它們的結(jié)構(gòu)通常精密小巧,理論推導(dǎo)復(fù)雜,有時很難用語言講述清楚。在講解時通過虛擬實驗演示,將結(jié)構(gòu)原理、實驗曲線、工作過程等動態(tài)地展示給學(xué)員,可以取得較好的效果。例如,在講解熱釋電傳感器和光電二極管時,通過虛擬實驗,將傳感器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、光譜和階躍響應(yīng)、靈敏度等特性形象清晰地表現(xiàn)出來,其部分畫面見圖3和圖4。

五 結(jié)束語

由于虛擬實驗可以生動形象地反映教學(xué)實驗內(nèi)容,教員講得輕松,學(xué)員學(xué)得透徹,節(jié)約了大量的時間和精力。通過多期的教學(xué)實踐證明,虛擬實驗已經(jīng)成為彈藥檢測技術(shù)和傳感器技術(shù)等課程教學(xué)的有效教學(xué)方法之一,取得了良好的效果,受到了廣大師生的青睞。但是虛擬實驗畢竟是實驗教學(xué)的輔助手段,決不能完全取代實際實驗,必要時要采用虛實結(jié)合的方式,通過個別現(xiàn)場實驗、(高速)錄像片回放等方法,才能達到更好的教學(xué)效果。虛擬實驗不是萬能的,我們需要把它和傳統(tǒng)的實驗方法相結(jié)合,具體問題具體分析,充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢,才能提高教學(xué)效果和質(zhì)量。

參考文獻

[1] 陳雷等.彈藥檢測技術(shù)[M].石家莊:軍械工程學(xué)院出版社,2007.

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驗證性虛擬實驗教學(xué)過程

(1)驗證性虛擬實驗網(wǎng)頁組成驗證性虛擬生物化學(xué)實驗室的網(wǎng)頁頁面由圖1所示。(2)實驗例證基因體外擴增技術(shù)(PCR實驗)①原理:先圖示或動畫PCR原理、過程和應(yīng)用，并解釋相關(guān)概念，包括引物、DNA聚合酶、核苷酸、模板等基本概念。②樣品、材料準(zhǔn)備:包括相關(guān)試劑、PCR儀、手套、無菌操作臺、槍、槍頭等，并配上相關(guān)圖片。③PCR擴增:包含PCR過程、結(jié)果，用動畫和圖片，充分讓學(xué)生了解其原理和過程。④PCR結(jié)果檢測:對出現(xiàn)的結(jié)果分別進行分析。有單一條帶是表明PCR是特異性擴增，無條帶可能是什么原因，條帶不單一可能是什么原因，每一結(jié)果都用不同的圖片來顯示給實驗者，讓學(xué)生在虛擬情況下就能分析實驗結(jié)果。用虛擬PCR儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器來進行數(shù)據(jù)處理，觀察和分析實驗結(jié)果，結(jié)合實驗圖片或動畫將每個步驟的過程展現(xiàn)給實驗者，把每個步驟中容易出錯的部分給標(biāo)記出來，并對實驗的不同結(jié)果進行分析，這樣能有效地幫助學(xué)生理解問題并對錯誤操作有感性認識。

綜合性虛擬實驗教學(xué)組成

虛擬實驗室也可增加綜合性實驗。在虛擬實驗室中，嘗試用已有的報道的研究資料作為綜合實驗的來源。將生物實驗研究的學(xué)習(xí)置于探究的背景下，將綜合性實驗已有報道看成“問題是什么”，“用何種實驗?zāi)芑卮疬@個問題”，“如何設(shè)計實驗進行驗證”，也就是“What?How?Why?”從而重視在探究過程中獲得綜合素質(zhì)的提高，使科學(xué)知識能在不斷的設(shè)問中得到升華。(1)綜合性虛擬實驗網(wǎng)頁組成本實驗室所作的綜合性實驗網(wǎng)頁如圖2所示。其中研究文獻包括本實驗的研究報告及相關(guān)文獻。綜合性實驗還可通過讓學(xué)生自由選題，設(shè)定實驗方案后，利用虛擬儀器進行實驗，并作出結(jié)果預(yù)測，從而來提高學(xué)生的創(chuàng)新和科研能力。(2)實驗例證研究干旱對植物抗氧化酶的影響［6］。①寫出本實驗的研究背景，研究目的。首先闡明植物受不良外因影響后，會出現(xiàn)的各種現(xiàn)象。研究干旱地方植物抗旱生理生化狀況，對干旱地方植被恢復(fù)奠定良好的理論基礎(chǔ)。開展植物抗旱的生理抗(耐)性機理能為植物物種栽培提供依據(jù)。②列出實驗的假設(shè)，并據(jù)此設(shè)計實驗過程。植物在不良環(huán)境，會出現(xiàn)相應(yīng)生理生化變化，測定相應(yīng)氣體交換參數(shù)，測定相關(guān)的抗氧化酶的活性變化。各種抗氧化酶在生物體中的作用，并分別寫出相關(guān)酶的測定方法。③結(jié)果分析。對不同狀態(tài)下的結(jié)果進行分析。④后續(xù)實驗的進一步完善。對實驗證明不完善的地方加以分析，并提出完善的方法，運用多種實驗方法加以改進研究。本實驗則可以在測定生理生化變化后，進一步進行基因表達的研究，檢測不同條件下基因表達的變化。再將相關(guān)的文獻附上［7－9］，即可讓學(xué)生明白研究具體課題的一個基本步驟，為其今后的科研打下良好的實驗基礎(chǔ)。本實驗室的綜合性實驗包括植物的抗氧化酶研究、內(nèi)生菌的抗菌物質(zhì)提取、多糖的抗腫瘤研究等8個實驗。這些實驗，通過選取不同的實驗材料，采用不同的實驗方法，讓學(xué)生對科學(xué)研究的過程有一個深入的了解，能彌補簡單的獨立實驗不足，對學(xué)生今后的更進一步的深造打下堅實基礎(chǔ)，效果顯著。學(xué)生普遍反映對其生物化學(xué)知識有了深入的了解，并對科研論文有了基本認識，提高了學(xué)生畢業(yè)設(shè)計的實驗設(shè)計能力與實際動手能力。

虛擬實驗視頻

篇（7）

    實驗一直都是與教學(xué)息息相關(guān)的重要活動之一。它可以使學(xué)生更好地感受、理解知識的產(chǎn)生和發(fā)展過程,讓枯燥的理論知識變得形象,易于理解。實驗不僅能幫助學(xué)生鞏固理論知識,提高通過實驗手段探索科學(xué)知識的能力,還能激發(fā)學(xué)生探索未知世界的興趣,增強創(chuàng)新能力。然而,當(dāng)前實驗方面存在的諸多難題卻嚴(yán)重限制了教學(xué)質(zhì)量的提高。如實驗成本過高,進行實驗的儀器和設(shè)備往往代價昂貴,實驗材料也比較貴,而且有些實驗儀器損耗較大,需要經(jīng)常更新。而許多學(xué)校在實驗經(jīng)費上又捉襟見肘,要么是實驗配套的設(shè)備和儀器不完善,要么就是儀器設(shè)備陳舊過時。即使有完善的較新的實驗設(shè)備,傳統(tǒng)實驗在空間和時間上的限制也可能無法滿足大量學(xué)生同時進行實驗的需要。為了緩解實驗教學(xué)的壓力,提高實驗教學(xué)的質(zhì)量,可以采用虛擬實驗系統(tǒng)來輔助實驗教學(xué)的開展。

    一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)

    虛擬現(xiàn)實技術(shù) (ⅵrnjal reaj時,簡稱 vr技術(shù))出現(xiàn)于 20世紀(jì) 60年代,隨著處理器技術(shù)的大幅度提高以及圖形繪制技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、傳感技術(shù)的發(fā)展,近幾十年來在國內(nèi)外形成了對虛擬現(xiàn)實的研究熱潮。

    虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供了一種先進的人機界面,它通過為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等直觀而自然的實時感知交互的方法和手段,最大程度地方便用戶的操作,從而減輕了用戶的負擔(dān),提高了系統(tǒng)的工作效率。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有 3個突出特征:沉浸性、交互性、想象性。

    虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由兩部分組成:一部分為創(chuàng)建的虛擬環(huán)境,另一部分為介入者。虛擬現(xiàn)實的核心是強調(diào)兩者之間的交互操作,即反映出人在虛擬環(huán)境中的體驗。我們可以給出如圖 1的虛擬現(xiàn)實的概念模型。

    二、虛擬實驗系統(tǒng)

    1.虛擬實驗系統(tǒng)的特點

    (1)共享程度高。虛擬實驗系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)實驗在地域和時間上的限制,它不僅可以接受本地用戶的訪問,有訪問權(quán)限的異地用戶也可以使用系統(tǒng)。并且也無需考慮使用時間的問題,實驗者可以隨時進行實驗。虛擬實驗系統(tǒng)為用戶提供了一個可以在任何時間、任何地點訪問的實驗環(huán)境,極大地提高了信息與實驗資源的共享程度。

    (2)強大的交互能力。為了向用戶提供一個逼真的實驗環(huán)境,虛擬實驗系統(tǒng)往往都具有強大的交互能力,實驗者和虛擬實驗對象之間可以通過鼠標(biāo)的點擊或者拖曳操作進行交互,實驗者可以實時地觀看實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果。

    (3)支持協(xié)作。虛擬實驗系統(tǒng)提供了多種方式來完成用戶間的信息交流。

    2.虛擬實驗系統(tǒng)的建模

    如何構(gòu)建教學(xué)型虛擬實驗系統(tǒng),使其能夠擁有豐富的實驗內(nèi)容表現(xiàn)方式、提供形象生動的實驗內(nèi)容,讓讓學(xué)生實現(xiàn)從感知到理解的過程,一直是研究教學(xué)型虛擬實驗系統(tǒng)的熱點問題之一。

    虛擬實驗系統(tǒng)的構(gòu)建是將多種技術(shù)綜合運用,首先構(gòu)建實驗過程所需要的各種儀器設(shè)備,對于場景進行建模。三維虛擬場景模塊的建立是以某一實景為基礎(chǔ)的,因此在虛擬場景建模之前需要對實驗室環(huán)境進行實地考察并對建筑物進行篩選,從而構(gòu)建具有真實感的實驗環(huán)境。對于儀器設(shè)備完全用ⅵ ml語言建立復(fù)雜的三維模型是相當(dāng)煩瑣的,而且建模方法缺乏直觀性,而3dsmax強大的三維建模功能以及對具有轉(zhuǎn)換為v文件格式輸出的功能,使其在三維虛擬場景中廣泛應(yīng)用。我們在實際的建模過程中根據(jù)要建立模型的特點選擇建模方法。簡單模型,直接采用vrml中簡單幾何體拼貼紋理的方法,對于復(fù)雜場景則采用3dsmax建模后以vrmi,文件格式輸出。當(dāng)然在虛擬實驗的建模過程中的龐大建模工作量對軟件的建模效率以提出了很高的要求,于是,在該建模過程中我還采用了高效的照片建模軟件canoma,canoma是metacreations公司 (即現(xiàn)在的vie、vpoint公司)的軟件產(chǎn)品,利用它可以讓我們無需建模,即可直接從一張或幾張照片制作三維模型,因為使用真實照片直接生成三維模型,所以效果非常真實;而且cailoma可生成網(wǎng)絡(luò)使用的vrm,文件格式。為了能夠反映真實儀器設(shè)備的特性,有時還采用flash技術(shù)來達到儀器設(shè)備外觀的逼真性,并提供一些基本的交互。

    3.虛擬實驗系統(tǒng)中的交互

    交互性是虛擬實驗系統(tǒng)中的一個重要問題。一類是用戶在瀏覽場景的時候,主要的輸入設(shè)備就是鼠標(biāo),這時候檢測器實際上是檢測用戶對于鼠標(biāo)的各種操作動作,如鼠標(biāo)的單擊、指向、拖動等等,從而場景做出相應(yīng)的反應(yīng)。檢測這類動作的監(jiān)測器是接觸型監(jiān)測器。描述這類監(jiān)測器的節(jié)點有接觸監(jiān)測器節(jié)點touchsensor以及planesensor節(jié)點、spheresensor節(jié)點、cylindersens0r節(jié)點;另一類是用戶和場景中某對象接近的程度,對象做出相應(yīng)的反應(yīng),使得用戶和虛擬對象之間形成交互。

    將所有儀器設(shè)備成功地加入到場景當(dāng)中之后,用戶應(yīng)該可以隨意地拿起自己需要的實驗器材進行實驗,所以要提供用戶選取實驗器材的接口。當(dāng)用戶在選擇某件儀器,為了提供給用戶選擇的接口,我們在實驗儀器原型中設(shè)計了供用戶選擇的按鈕。如果選中時就可以點擊按鈕“tal(e  ,無需使用就只要點擊“放回”按鈕。由于用戶需要與系統(tǒng)進行交互,同時系統(tǒng)需要根據(jù)用戶的選擇與后臺數(shù)據(jù)庫進行通信,因此我們使用java applet。applet具有 良好的網(wǎng)絡(luò)傳輸透明性,圖2顯示了瀏覽器通過appl  訪問數(shù)據(jù)庫的整個過程 。

    三、虛擬實驗集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    1.軟件程序集成

    軟件程序是虛擬實驗系統(tǒng)的重要內(nèi)容,是系統(tǒng)的靈魂所在。在虛擬實驗系統(tǒng)中,我們將軟件程序部分按照層次化和模塊化的設(shè)計模式進行集成。集成化的軟件程序依據(jù)集成度的大小分為不同層次的模塊,分屬不同層次的模塊充分體現(xiàn)了整體和部分的關(guān)系,各模塊都可以看成是下一層次多個模塊集成的整體,每一個模塊又都可以看成是上一層次模塊中的一部分,各層次之間互為整體和部分的關(guān)系為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)架提供了靈活的方式。

    2.系統(tǒng)功能集成

    系統(tǒng)功能集成是建立在軟件程序集成的基礎(chǔ)之上的,系統(tǒng)功能集成是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成的重要體現(xiàn),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有效集成度是系統(tǒng)功能集成的重要基礎(chǔ)。在虛擬實驗系統(tǒng)中,軟件程序的集成保證了系統(tǒng)功能在不同層面上的集成度和在各層面之間的靈活性。以不同集成度來形成的系統(tǒng)功能整體在系統(tǒng)構(gòu)建、修改、維護等方面起到了重要的結(jié)構(gòu)化支持作用。

    3.儀器軟面板集成

    儀器軟面板是虛擬實驗系統(tǒng)的重要特色之一。在傳統(tǒng)實驗系統(tǒng)中,儀器設(shè)備一般會自帶一個顯示屏,以及相關(guān)的操作組件和按鈕來形成一個操作面板,這個面板的形式以及各組件和按鈕的功能是固定的,不能修改和設(shè)置。在虛擬實驗系統(tǒng)中,各種儀器設(shè)備的操作面板集中顯示在計算機的顯示屏幕上,這種面板由軟件程序來形成和設(shè)置,由鍵盤、鼠標(biāo)以及其他的外部輸入設(shè)備來控制,面板的形式以及各組件和按鈕的功能可以根據(jù)需要自定義,可以將多個儀器的面板組合在一起,也可以將某一個儀器的面板簡化。儀器軟面板形式和功能上的這種靈活性正是系統(tǒng)集成度的體現(xiàn)。

    4。網(wǎng)絡(luò)集成

    網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使得分布式結(jié)構(gòu)成為可能。在虛擬實驗系統(tǒng)中,我們通過網(wǎng)絡(luò)可以突破時間和空間的限制,將更多的協(xié)議方和操作方以一定的集成度集成在一起,共同完成實驗項目。我們在談集成性的問題的時候,一定是和相應(yīng)的分散度聯(lián)系在一起的,就如同整體和部分之間的關(guān)系,每一個整體都可以看作更大的整體的一部分,而每一個部分又都可以看成更多小部分的整體。網(wǎng)絡(luò)的分布式保證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的集成性。

    四、虛擬實驗教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)勢

    從虛擬實驗的技術(shù)優(yōu)勢和實驗教學(xué)的現(xiàn)狀需求出發(fā),其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

    1.資源開放

    從虛擬實驗的技術(shù)實現(xiàn)角度來看,實驗教學(xué)中的有效資源全部開放,這使得實驗項目從開發(fā)到操作,再到后期數(shù)據(jù)處理與實驗課程的復(fù)習(xí)全部開放給學(xué)生,學(xué)生可以利用系統(tǒng)軟件程序模塊和實驗項目設(shè)計模板等幫助實驗設(shè)計方案的形成與開發(fā);利用數(shù)據(jù)分析與處理工具包進行實驗數(shù)據(jù)的分析與處理,獲得規(guī)律性認識:教師的指導(dǎo)性意見、學(xué)生的交流信息和實驗故障和誤差分析等信息資料,可以幫助學(xué)生在實驗課程總結(jié)和復(fù)習(xí)中取長補短、鞏固知識。

    2.組織形式開放

    虛擬實驗將實驗資源、實驗項目開發(fā)和實驗操作等網(wǎng)絡(luò)化、平臺化,因此實驗內(nèi)容、時間以及地點等組織形式是開放的具備可選擇性。針對目前實驗教學(xué)需要跨學(xué)科、跨地域、多項實驗同時開展等現(xiàn)狀要求,虛擬實驗所具備的組織形式開放性為實驗教學(xué)模式的擴展提供了技術(shù)準(zhǔn)備。

    3.對象開放

    虛擬實驗的網(wǎng)絡(luò)功能能夠根據(jù)不同的對象設(shè)置不同權(quán)限的系統(tǒng)身份,實驗參與人員各取所需,實現(xiàn)學(xué)習(xí)和交流的目的。在實驗教學(xué)中,對象的身份基本分為三種層次和三種身份。三種層次指的是系統(tǒng)管理員、教師和技術(shù)人員、學(xué)生。三種身份是針對學(xué)習(xí)者而言的:實驗課程參與者、遠程實驗課程學(xué)習(xí)者、實驗愛好和探索者。

    五、總結(jié)

    本文將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中,這在一定得程度上提高了實驗的開放程度,降低了實驗的成本,較好地激發(fā)了學(xué)生對于實驗環(huán)節(jié)的興趣和主觀能動性,但在虛擬實驗設(shè)置過程中的交互問題仍是一個值得探討和研究的主要問題。

    參考文獻: 

    【l】徐學(xué)軍.高校實驗教學(xué)要加強學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)【j】.經(jīng)濟師,2004,(4).

    【2】徐婷.教學(xué)型虛擬實驗通用平臺的研究與應(yīng)用【d】.重慶大學(xué)學(xué)位論文,2006.11.

篇（8）

（2）構(gòu)建“三層次、五模塊”的實踐教學(xué)體系。建立基于網(wǎng)絡(luò)管理的“基礎(chǔ)實驗技能訓(xùn)練”“專業(yè)綜合能力訓(xùn)練”和“設(shè)計創(chuàng)新能力訓(xùn)練”三層次和“驗證性實驗設(shè)計性與創(chuàng)新性實驗跨課程綜合性實驗藝術(shù)創(chuàng)作（工程設(shè)計）能力實訓(xùn)集成創(chuàng)新實踐（創(chuàng)作、研究開發(fā)）”五模塊的實踐教學(xué)體系。

（3）夯實基礎(chǔ)，強化創(chuàng)新，多方位拓展和豐富實踐教學(xué)內(nèi)容，重塑學(xué)生知識結(jié)構(gòu)。創(chuàng)建本科生科研訓(xùn)練、實驗室開放和學(xué)科競賽項目，并將其作為實踐教學(xué)的重要內(nèi)容。積極開展項目教學(xué)，推進產(chǎn)學(xué)研合作。將三類項目與相關(guān)課程相結(jié)合，突破傳統(tǒng)內(nèi)容局限，實現(xiàn)理論與實踐的緊密融合。

（4）搭建貫穿人才培養(yǎng)全過程，多方協(xié)同、資源共享、產(chǎn)學(xué)研合作的“大實踐”平臺。將相關(guān)實驗室和工作室、大學(xué)生創(chuàng)意工廠、市級實驗教學(xué)示范中心、校級科研和學(xué)科競賽基地等校內(nèi)資源與校外人才培養(yǎng)基地等資源進行有機整合。

篇（9）

實驗教學(xué)是課程改革的重要內(nèi)容，必須緊緊圍繞教育改革和發(fā)展的大局?！笆濉逼陂g，浙江教育發(fā)展的主要任務(wù)是全面加強內(nèi)涵建設(shè)。對此，我們在推進實驗教學(xué)工作中，緊扣下一步浙江教育發(fā)展面臨的質(zhì)量、公平兩大中心任務(wù)，注重實驗室建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化和多樣化，注重對教育技術(shù)環(huán)境的構(gòu)建。

強化政策引領(lǐng) 2010年，浙江省省委、省政府印發(fā)《浙江省中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》，提出要“緊緊圍繞解決培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人這一教育核心問題，堅定不移地推進素質(zhì)教育，切實增強學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的實踐能力”，并提出要“構(gòu)建更有效的教育技術(shù)支撐基礎(chǔ)”。2011年，浙江省率先教育信息化專項規(guī)劃——《浙江省教育信息化“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，要求加強和完善學(xué)校教育信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，應(yīng)用信息技術(shù)手段加強對傳統(tǒng)教室、功能室和實驗室的改造，并積極探索與推進基于移動終端、3G技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和下一代互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、虛擬實驗、電子書包和移動學(xué)習(xí)等現(xiàn)代信息化教學(xué)學(xué)習(xí)方式。

突出實驗室多樣化發(fā)展 為滿足新課程改革和素質(zhì)教育的需求，我們以促進多樣發(fā)展為基本理念，自2009年開始啟動實施了中小學(xué)實驗室建設(shè)工程，按照“實驗室標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、創(chuàng)新實驗室多樣化建設(shè)和基礎(chǔ)教育裝備達標(biāo)建設(shè)”的基本思路，開展了標(biāo)準(zhǔn)化實驗室、中小學(xué)科學(xué)探究實驗室、高中新課程配套實驗室、創(chuàng)新實驗室等建設(shè)項目，服務(wù)教育均衡和多樣化發(fā)展。2012年，專門組織力量修訂了《浙江省中小學(xué)教育技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)》，遵循“必配標(biāo)準(zhǔn)化、選配多樣化”的基本理念，對各類實驗室建設(shè)提出了具體技術(shù)要求，為學(xué)校教育技術(shù)裝備提供了有效指導(dǎo)。2013年，浙江省在為全省義務(wù)教育階段中小學(xué)校建設(shè)和更新科學(xué)實驗室和專用功能教室的同時，為全省民辦外來務(wù)工人員子女學(xué)校配備科學(xué)實驗室，促進教育均衡發(fā)展，并為學(xué)校特色發(fā)展和提高教育質(zhì)量提供了有效支撐。

2 緊抓課堂應(yīng)用，深化實驗教學(xué)

深化實驗教學(xué)的關(guān)鍵在于促進技術(shù)與課堂教學(xué)的融合。近年來，浙江省堅持以新課程標(biāo)準(zhǔn)提出的三維目標(biāo)為基本要求，積極探索新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，著力在“改變實驗裝置、優(yōu)化實驗設(shè)計、創(chuàng)設(shè)實驗情境、轉(zhuǎn)變實驗方式”等方面下功夫，深化實驗教學(xué)。

優(yōu)化實驗設(shè)計，突破教學(xué)難點 實驗教學(xué)的成效如何，關(guān)鍵在于實驗設(shè)計。傳統(tǒng)的實驗設(shè)計往往受實驗設(shè)備等客觀因素的影響，難以形象、生動地呈現(xiàn)知識點、創(chuàng)設(shè)學(xué)生自主探究的實驗環(huán)境。技術(shù)環(huán)境的更新和配備，為實現(xiàn)優(yōu)化驗設(shè)計創(chuàng)設(shè)了條件。如應(yīng)用新材料可以改進實驗器材，將光傳輸、熱傳導(dǎo)等原來實驗難以直觀展現(xiàn)的概念和規(guī)律通過簡便的實驗操作明顯呈現(xiàn)，順利打破了教學(xué)的瓶頸。應(yīng)用新設(shè)備重構(gòu)實驗設(shè)計，針對瞬時速度、靜摩擦力、電場強度、庫侖定律、光彈性形變、渦流的成因、牛頓第二定律、熱力學(xué)第二定律等難以理解的抽象物理概念和規(guī)律，利用傳感器等現(xiàn)代教育技術(shù)裝備優(yōu)化方案設(shè)計，化無形為有形，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)思維的臺階，有效降低學(xué)習(xí)難度，突破知識難點。應(yīng)用新技術(shù)優(yōu)化實驗過程，借助傳感等技術(shù)從定量的角度精細反映實驗過程中的變化，充分延伸學(xué)生感觀，變傳統(tǒng)實驗的不可能為可能，讓學(xué)生在數(shù)字化條件下對實驗現(xiàn)象進行多角度的感知和多視角的探究。杭州市蕭山區(qū)義蓬小學(xué)利用“溫變油墨”這一新材料，讓學(xué)生直觀地觀察到熱傳導(dǎo)現(xiàn)象；富陽中學(xué)利用傳感器等現(xiàn)代技術(shù)裝備優(yōu)化實驗方案設(shè)計，研發(fā)了100多個與新課程高中物理教學(xué)配套的創(chuàng)新實驗，有效突破了教學(xué)難點。

創(chuàng)設(shè)實驗情境，提高教學(xué)效果 新技術(shù)，特別是信息技術(shù)的應(yīng)用，為實驗教學(xué)中實驗情境的創(chuàng)設(shè)提供了有效方法。如應(yīng)用多媒體輔助實驗教學(xué)，可以直觀展現(xiàn)抽象的知識，不僅用圖形、圖像、動畫、聲音、和色彩等方式向?qū)W生提供豐富的感性材料，還用二維和三維的圖像、動畫進行模擬，從而把文字材料獲得的抽象概念具體化，把難以想象的微觀世界宏觀化、把難以演示的實驗形象化。應(yīng)用虛擬仿真實驗，為學(xué)生展現(xiàn)理想狀態(tài)下的實驗環(huán)境，突破傳統(tǒng)實驗在時間、空間和器材等方面的限制，讓原來不讓做、不便做和不能做的實驗得以生動展現(xiàn)。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為實驗教學(xué)創(chuàng)設(shè)特定教學(xué)情景，使學(xué)生突破時空限制，產(chǎn)生“超越現(xiàn)實、身臨其境”的感受和體驗，實現(xiàn)情景互動教學(xué)。溫州市龍灣中學(xué)借助谷歌地球開展地理實驗教學(xué)，將地球玩轉(zhuǎn)于手掌間，有效提升教學(xué)質(zhì)量；湖州市安吉縣孝豐鎮(zhèn)中學(xué)利用三維虛擬顯示技術(shù)開展“食物的消化與吸收”等實驗教學(xué)，化靜為動，讓學(xué)生如身臨其境般地進行直觀感受，有效激發(fā)學(xué)生興趣，提高教學(xué)效果。

創(chuàng)新實驗?zāi)Ｊ?，培養(yǎng)探究能力 實驗教學(xué)的目標(biāo)除了知識和技能的培養(yǎng)外，更重要的是對學(xué)生解決問題的能力和方法的培養(yǎng)。多年來，我們積極探索利用新技術(shù)、新設(shè)備，創(chuàng)新實驗方式，倡導(dǎo)參與式、啟發(fā)式、探究式、討論式教學(xué)。如應(yīng)用數(shù)碼顯微技術(shù)，為教師和學(xué)生提供高清晰度、多畫面、無延遲的交互式實驗教學(xué)手段，變傳統(tǒng)的、孤立的實驗觀察為生生、師生之間的信息共享與合作探究；應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)，自動采集校園內(nèi)各種動態(tài)數(shù)據(jù)并進行智能分析，為學(xué)生構(gòu)建開放、有序的自主探究實驗教學(xué)環(huán)境；應(yīng)用二維碼等現(xiàn)代信息技術(shù)，使實驗探究走出校園，通過家校聯(lián)動等方式，讓學(xué)生針對生活、學(xué)習(xí)中遇到的科學(xué)問題自發(fā)開展各種小課題研究；應(yīng)用信息化管理手段，對實驗室實行開放管理，讓學(xué)生進行自主設(shè)計并開展實驗探究，探索建立自助式實驗運作方式和評價體系。德清縣德清一中開展自助式實驗教學(xué)，讓學(xué)生進行自主設(shè)計并開展實驗探究；嘉興市實驗小學(xué)借助二維碼和無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，指導(dǎo)學(xué)生開展課題研究，為學(xué)生自主探究校園樹木提供便捷學(xué)習(xí)方法的同時，培養(yǎng)創(chuàng)新思維、溝通協(xié)調(diào)和團隊合作能力。

3 加強組織管理，保障教學(xué)成效

嚴(yán)把教學(xué)儀器質(zhì)量關(guān) 教學(xué)儀器設(shè)備是實施實驗教學(xué)活動的物質(zhì)基礎(chǔ)和條件保障，其本質(zhì)是一種教學(xué)設(shè)計，宗旨是滿足教學(xué)需求、提高教育質(zhì)量。因此，教學(xué)儀器設(shè)備質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到實驗教學(xué)的效果。自2009年開始，我們建立了教學(xué)儀器產(chǎn)品教育適應(yīng)性評審制度，對教學(xué)儀器設(shè)計方案、安全性能、材料工藝和實驗效果進行第三方評審，確保優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品進校園、進課堂。同時，針對教學(xué)儀器采購的實際困難，我們在不斷探索的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了教學(xué)儀器設(shè)備政府采購整體解決方案，提出了“公開招標(biāo)、資質(zhì)入圍——網(wǎng)上競價、擇優(yōu)選用——合同簽訂、集中配送——驗收結(jié)算、綜合評價”的政府采購整體思路，開通了普教儀器政府采購協(xié)議平臺，有效避免了教學(xué)儀器設(shè)備政府采購中存在的程序合法但結(jié)果不公等問題，最大限度保證了政府采購效益。

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中圖分類號: O423.1 文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1007-3973 (2010) 07-162-02

1大學(xué)物理實驗教學(xué)的現(xiàn)狀

物理學(xué)是探索物質(zhì)世界奧秘的基礎(chǔ)學(xué)科,而物理實驗是本科生進入大學(xué)后系統(tǒng)學(xué)習(xí)科學(xué)實驗設(shè)計思想、方法和技術(shù)的入門課程,它在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實驗素養(yǎng)和創(chuàng)新能力、打造綜合型的高素質(zhì)創(chuàng)新人才過程中有著不可替代的重要作用。而目前高校的實驗教學(xué)課程主要以“教師理論講解、操作演示―學(xué)生動手操作、完成實驗”的模式進行。這種方式利于學(xué)生在有限的實驗課時內(nèi)完成實驗任務(wù),但不利于學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),不能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性,學(xué)生只需按部就班、循規(guī)蹈矩、被動模仿就可完成實驗任務(wù)。而教育的根本目的是培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)造性人才,現(xiàn)行的教學(xué)模式與教育的這一目的相距深遠。

科技的進步對教育提出了越來越高的要求,學(xué)校對人才的創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)也必將是一種趨向個性化的教育,而傳統(tǒng)教育資源的匱乏和教育模式的陳舊呆板制約了“自主學(xué)習(xí)”和“個性化教育”的廣泛推行,這也是教學(xué)改革深入發(fā)展的瓶頸之一。

傳授學(xué)生物理實驗的基礎(chǔ)知識、實驗方法和技術(shù)只是物理實驗的主要內(nèi)容之一,而創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力的開發(fā)與培養(yǎng)則是教育更本質(zhì)、更核心的內(nèi)容。我們當(dāng)前處于一個信息化的時代,各種信息的飛速膨脹使得我們完全有可能探索出一種以能力培養(yǎng)為主線,分層次、多模塊,符合現(xiàn)代先進教育思想的開放的新的物理實驗教學(xué)模式和體系。

2開放的嵌入式和交互式實驗教學(xué)的特點

NI ELVIS是由美國國家儀器有限公司(National Instruments, 簡稱NI)的設(shè)計與原型開發(fā)平臺的新版本,被全球眾多教師應(yīng)用于動手實驗和項目學(xué)習(xí)中。它基于強大的LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計軟件與課程資源套件結(jié)合在一起使用,可以為科學(xué)和工程實驗室創(chuàng)建了理想的動手平臺。我們可以根據(jù)物理實驗本身的需求,為學(xué)生提供了使用NI ELVIS在交互式環(huán)境中對概念進行探索和設(shè)計的機會?！?/p>

本教學(xué)方式是在開發(fā)虛擬實驗軟件的基礎(chǔ)上,依據(jù)NI ELVIS自身的特點與功能,構(gòu)建一種開放的嵌入式和能實現(xiàn)人機交互的物理實驗教學(xué)平臺。該平臺將具備以下特點:

(1)形象、直觀、操作方便、簡化了實驗室的配置,并且加深了學(xué)生對嵌入式和開放式創(chuàng)新實驗的理解”。

(2)適合全方位開放、功能強大可以與多種應(yīng)用軟件和硬件連接。

(3)開放式的操作平臺,學(xué)生可以選作自己感興趣的實驗項目、可以和各種硬件和傳感器連接進行自主設(shè)計和嵌入,從而完成創(chuàng)新實驗內(nèi)容,可實現(xiàn)自主、交互與創(chuàng)新的教學(xué)模式。

(4)教師和學(xué)生利用NI ELVIS可以在仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)之間進行切換,使用同一個儀器查看仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù),在仿真或測試中利用單一平臺查看電路設(shè)計過程的整體情況――從設(shè)計與原型開發(fā)直至實現(xiàn)階段。

平臺建設(shè)的成功,將會實現(xiàn)學(xué)生真正的以興趣為導(dǎo)向選擇自己的實驗內(nèi)容,使實驗教學(xué)內(nèi)容在時間和空間上得到延伸,從而開創(chuàng)物理實驗教學(xué)的新模式,為其他教師進行多元化教學(xué)模式的探索提供新的教學(xué)研究平臺。

另外,我校物理實驗中心多年以來積極開展教學(xué)改革與實驗室建設(shè),積累了豐富的經(jīng)驗,實驗中心在人員、設(shè)備、場地及時間等方面具有足夠的條件保障,能夠確保這種嵌入式、交互式實驗教學(xué)平臺順利構(gòu)建和新的實驗教學(xué)模式的改革和探索。

3嵌入式和交互式實驗教學(xué)的實施

開放的嵌入式和交互式實驗教學(xué)平臺的探索與建設(shè)符合大學(xué)教學(xué)改革要求,在內(nèi)容和形式上有創(chuàng)新,并有充分的條件保障支持,能夠順利地進行并圓滿完成。它的建設(shè)成功必將對促進教學(xué)信息化建設(shè)的改革進程具有很重要的參考意義和價值。

3.1具體改革內(nèi)容、改革目標(biāo)和擬解決的關(guān)鍵問題

改革的內(nèi)容:借鑒國內(nèi)外著名高校改革的經(jīng)驗,整合現(xiàn)有的教學(xué)資源,優(yōu)化教學(xué)形式。先用LabVIEW開發(fā)出一系列的可與其它軟件兼容并可和其它硬件、傳感器相連接的物理虛擬實驗,如霍爾效應(yīng)、綜合光學(xué)等實驗,然后在此基礎(chǔ)上與ELVIS系統(tǒng)整合一起,搭建開放的交互式實驗教學(xué)平臺。學(xué)生在了解實驗的物理原理的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的實際物理實驗?zāi)Ｐ秃蛯嶒炘O(shè)計電路。這些初期的模型和電路當(dāng)做一個可以兼容的實驗?zāi)K,以后做相關(guān)實測實驗的時候可以直接拿來使用。

本實驗平臺的一個突出特點就是可以實現(xiàn)物理實驗的虛擬演示和實際信號采集相結(jié)合,培養(yǎng)“虛實結(jié)合”的教學(xué)理念。其中“虛”就是只需一臺計算機而不需要其它任何實驗設(shè)備就可完成相應(yīng)物理實驗的虛擬演示與操作;“實”就是該平臺輔以相應(yīng)的硬件設(shè)施又可以完成真實的實驗。例如,光的衍射實驗,我們可以在開發(fā)的實驗軟件上用虛擬的激光演示實驗現(xiàn)象,又可以直接通過ELVIS對實際的激光信號進行采集,從而完成實際的激光衍射實驗?！疤搶嵔Y(jié)合”體現(xiàn)了該教學(xué)平臺的開放性與自主性。

改革目標(biāo)是在開發(fā)該實驗平臺的基礎(chǔ)上,探索出一種更靈活、更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性的符合現(xiàn)代教育思想的新的教學(xué)模式。要使平臺體現(xiàn)真正的開放性與自主性,讓學(xué)生真正的參與設(shè)計新實驗、拓展實驗平臺的外延性,設(shè)計一些與學(xué)生自己專業(yè)相近或者興趣相關(guān)的實驗課題。這必將促使對新教學(xué)模式和教學(xué)理念做一些有益的嘗試與探索。這里,需要解決的關(guān)鍵問題是如何改變學(xué)生固有的對實驗教師指導(dǎo)實驗的依賴性,如何培養(yǎng)學(xué)生對實驗學(xué)習(xí)的主動性和參與性;另外,改變實驗老師傳統(tǒng)的“保姆式”的教學(xué)思維和理念也是一個關(guān)鍵的問題。

3.2實施方案、實施方法、具體實施計劃及可行性分析

在確定一系列的實驗項目和內(nèi)容后,再開發(fā)相應(yīng)的虛擬實驗項目和平臺后,而后在實驗中心或者學(xué)校網(wǎng)站的公告欄里張貼出新實驗教學(xué)平臺的特征和特色,闡述新實驗教學(xué)模式自主性、靈活性和開放性。讓學(xué)生以興趣為導(dǎo)向,在完全開放和自愿的前提下自主報名參加新模式的教學(xué)效果嘗試。教學(xué)結(jié)束后,以問卷的形式在報名的學(xué)生中間,調(diào)查新模式的教學(xué)效果,由受教育的主體來檢驗新的教學(xué)平臺和模式在提高他們創(chuàng)新意識和自主動手能力是否方面卓有成效。

因為新教學(xué)平臺和教學(xué)模式的實施方案中淡化了傳統(tǒng)教學(xué)中“教”與“學(xué)”某種程度上的對立,注重了學(xué)生的個性和興趣,所以在理論上都有很大的可行性。

目前,全國多數(shù)高校中,實驗教學(xué)突出了教師的主導(dǎo)性,忽略了學(xué)生的主體性;同時由于授課內(nèi)容的整齊劃一,很難提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,從而削弱了學(xué)生自主動手和自我思考的能力。

這種教學(xué)方式的特色與創(chuàng)新之處在于試圖改變這一狀況:

(1)試圖通過引導(dǎo)性的授課方式代替灌輸式的上課模式。

(2)試圖改變和完善傳統(tǒng)的教育模式,推行以學(xué)生興趣為導(dǎo)向的個性化教育。

(3)試圖引導(dǎo)學(xué)生在實驗中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題進而達到尋求問題、解決問題的能力。

(4)試圖通過引導(dǎo)學(xué)生進行自主實驗設(shè)計與操作,從而培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識、提高學(xué)生的綜合實驗動手能力,并為學(xué)生主體價值的自我實現(xiàn)提供了平臺,

我校物理實驗中心多年以來一直致力于實驗室建設(shè)與教學(xué)改革,不斷開出新實驗,不斷實踐新的教學(xué)方式及考核方式,不斷對教學(xué)改革進行總結(jié),在1997年與物理教研室聯(lián)合完成〈物理課程改革與建設(shè)〉教改項目,獲省級教學(xué)成果二等獎。在2000、2002及2003年完成學(xué)校對實驗中心的三次投資建設(shè)(共投入470萬元),先后開出5門應(yīng)用技術(shù)課程,開出了近80個新實驗項目,完成了實驗課程考核機制教改項目,并對實驗室實行了切實有效的開放,先后發(fā)表教改論文3篇,編寫教材及講義9種,積累了豐富的教學(xué)改革經(jīng)驗。

上述教學(xué)方式的實施需要實驗中心的人才結(jié)構(gòu)合理,大多數(shù)老師都從事過教育教學(xué)改革方面的研究與探討,并具有豐富的經(jīng)驗,對實驗項目及實驗設(shè)備進行深入的探討和研究,尤其在儀器的性能控制、維修、改造等方面,具有豐富的經(jīng)驗。

河南理工大學(xué)高度重視實驗室建設(shè),大力投入,僅對物理實驗中心,2000年以來就陸續(xù)投入470萬元用于新實驗項目建設(shè)。新校區(qū)的建設(shè)已基本完成,在人員、場地、設(shè)備等方面均具有優(yōu)良的基礎(chǔ)條件。目前用于實驗項目開發(fā)的軟件和硬件已經(jīng)到位,這種實驗教學(xué)方式已經(jīng)取得了非常好的效果!

4總結(jié)

總而言之,開放的嵌入式和交互式實驗教學(xué)平臺具有一下優(yōu)點:

(1)由引導(dǎo)性的授課方式代替灌輸式的上課模式。

(2)改變和完善傳統(tǒng)的教育模式,推行以學(xué)生興趣為導(dǎo)向的個性化教育。

(3)引導(dǎo)學(xué)生在實驗中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題進而達到尋求問題、解決問題的能力。

(4)通過引導(dǎo)學(xué)生進行自主實驗設(shè)計與操作,從而培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識、提高學(xué)生的綜合實驗動手能力,并為學(xué)生主體價值的自我實現(xiàn)提供了平臺。

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