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虛擬實驗設(shè)計論文范文1

虛擬實驗是依托“虛擬現(xiàn)實”技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的一種實驗?zāi)Ｊ剑糜嬎銠C及仿真軟件來模擬實驗環(huán)境及過程，學(xué)生通過計算機操作來做實驗，以代替或加強傳統(tǒng)的實物實驗。虛擬實驗一般通過虛擬實驗室進行。虛擬實驗室是由虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統(tǒng)，包括虛擬實驗室環(huán)境、相關(guān)實驗儀器設(shè)備、實驗對象以及實驗信息資源等，是一個基于網(wǎng)絡(luò)的實驗教學(xué)、技術(shù)交流、共同研究、協(xié)同工作的平臺。虛擬實驗室最早由美國弗吉尼亞大學(xué)的威廉•沃爾夫教授于1989年提出，被稱為“無墻的研究中心”。虛擬實驗室具有傳統(tǒng)實驗室無法比擬的特點，如資源共享性、互動操作性、用戶自主性、安全性等，并且可以有效地減少實驗設(shè)備購置經(jīng)費和實驗學(xué)時。隨著虛擬實驗技術(shù)的成熟，虛擬實驗室在教育領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用［8］。

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(rèn)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。

4結(jié)束語

虛擬實驗設(shè)計論文范文2

【關(guān)鍵詞】虛擬實驗;彈藥檢測;

【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)康摹⒃怼⑦^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(fù)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(rèn)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(rèn)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.

[2] 李永等.Flash多媒體課件制作范例導(dǎo)航[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2006.

虛擬實驗設(shè)計論文范文3

（1）創(chuàng)建藝工結(jié)合開放式實踐教學(xué)網(wǎng)絡(luò)管理模式。以實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心，以現(xiàn)代教育技術(shù)為手段，以計算機網(wǎng)絡(luò)為支撐，自主研發(fā)實驗室與實踐教學(xué)綜合管理系統(tǒng)。系統(tǒng)包含三大模塊：包含實驗項目、實驗隊伍、實驗室數(shù)據(jù)上報和報表匯總、成果管理等 8 項內(nèi)容的實驗室綜合管理模塊；貫穿于畢業(yè)設(shè)計（論文）全部流程的管理子系統(tǒng)；包含本科生科研訓(xùn)練管理、實驗室開放項目管理、學(xué)科競賽項目管理 3 個子系統(tǒng)的大學(xué)生創(chuàng)新計劃管理模塊。

（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。

（5）建立實踐教學(xué)項目的評審、管理和獎勵等長效機制。制定各類項目管理辦法，建立教務(wù)處、各教學(xué)部門、項目負(fù)責(zé)人的三級項目管理制度。每年以網(wǎng)絡(luò)為平臺，開展項目的立項工作，并強化網(wǎng)上過程管理，定期進行項目驗收與總結(jié)。

虛擬實驗設(shè)計論文范文4

[關(guān)鍵詞]虛擬實驗；整合情境；輕游戲；沉浸理論；整合教學(xué)法

[中圖分類號]G40-057 [文獻標(biāo)識碼]A [論文編號]1009—8097（2013）11—0109—06

一 引言

虛擬實驗注重的是實驗操作的交互性和實驗結(jié)果的仿真性，主要是借助于圖像/圖形、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)在計算機上所營造的可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)節(jié)。通過研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在的虛擬實驗普遍存在以下幾個問題：第一，虛擬實驗缺乏趣味性，枯燥乏味，不能引起學(xué)生的興趣，學(xué)生很難主動投入學(xué)習(xí)并維持學(xué)習(xí)興趣。第二，虛擬實驗缺乏與學(xué)生的互動，基本上虛擬實驗是由教師控制界面，學(xué)生處于聆聽模式。第三，教學(xué)理論陳舊無力，學(xué)習(xí)者缺少自主探宄，合作分享的機會。以上這些問題容易導(dǎo)致學(xué)習(xí)者對虛擬實驗缺乏興趣，產(chǎn)生厭煩、急躁甚至排斥的情緒，學(xué)習(xí)效果大打折扣。歸根到底，出現(xiàn)這些問題的原因是與現(xiàn)代教育理念相悖，現(xiàn)代教育理論倡導(dǎo)教師應(yīng)由處于中心位置的知識權(quán)威轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者和合作伙伴、設(shè)計者、教育的研究者，學(xué)生應(yīng)由被動的知識容器和只是受體轉(zhuǎn)變?yōu)橹R的主宰、學(xué)習(xí)的主體，學(xué)習(xí)環(huán)境應(yīng)由簡單的背景化信息轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂形蛷?fù)雜情境的功能性教學(xué)載體。由此可見，虛擬實驗的設(shè)計面臨著改進需求。

按照2002年麻省理工學(xué)院和微軟公司提出“現(xiàn)代教學(xué)法+藝術(shù)化游戲環(huán)境=下一代教育媒體”的觀點，虛擬實驗要實現(xiàn)吸引、促進學(xué)習(xí)者沉浸其中，使學(xué)習(xí)者深度體驗實驗過程，探究實驗結(jié)果，那么有先進并恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)理論為設(shè)計依據(jù)，加上具有強烈感官刺激、心理挑戰(zhàn)的游戲化環(huán)境設(shè)計，實現(xiàn)教學(xué)、心理、藝術(shù)效果的完美結(jié)合。據(jù)此，我們認(rèn)為虛擬實驗應(yīng)創(chuàng)設(shè)為能吸引并使學(xué)習(xí)者沉浸其中的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，這個虛擬環(huán)境具有較強的現(xiàn)實感、交互性、藝術(shù)性、娛樂性等特點。基于以上考慮，此本文提出創(chuàng)設(shè)整合情境，將“輕游戲”元素增設(shè)到虛擬實驗中，設(shè)計了基于整合情境的游戲化虛擬實驗?zāi)Ｊ剑⒋嗽O(shè)計模式應(yīng)用到開發(fā)的虛擬實驗案例中。

二 整合情境及沉浸理論概述

1 整合情境

（1）整合情境的概念。20世紀(jì)80年代，比利時、瑞士、法國等歐洲國家提出整合教學(xué)法（Integrative Pedagogy），該教學(xué)法是訓(xùn)練學(xué)生聯(lián)合調(diào)動若干知識和技能，來解決復(fù)雜的情境。開始時整合教學(xué)法被應(yīng)用在大學(xué)教育、職業(yè)培訓(xùn)中，逐漸應(yīng)用到中小學(xué)教育。整合情境（Situation Integration）是整合教學(xué)法的核心，學(xué)者有些稱之為靶向情境（SituationCible）或重新投入的情境（Situation Reinvestissement）。德·克特勒等認(rèn)為，整合情境是“一個包括主要信息、干擾信息，并運用先前學(xué)習(xí)的一個復(fù)雜情境”，它有三個構(gòu)成要素：物質(zhì)支持工具、若干任務(wù)和若干命令。在物質(zhì)支持工具中呈現(xiàn)出來的實物、背景、信息、功能等都可能是復(fù)雜、凌亂無序的。

（2）整合情境與問題情境。上述的整合情境與我們常提到教學(xué)論中的問題情境（Problem Situation）較為相似，為了更好地理解整合情境，在此有必要對兩者做一個比較分析。學(xué)者對問題情境的界定不統(tǒng)一，布魯納認(rèn)為“學(xué)習(xí)者在一定的問題情境中，經(jīng)歷對學(xué)習(xí)材料的親身體驗和發(fā)展過程，才是學(xué)習(xí)者最有價值的東西。”他指的問題情境可以理解為一種具有特殊意義的教學(xué)環(huán)境，既是教學(xué)背景，也可以是本學(xué)科的問題，還可以是其他學(xué)科的相關(guān)內(nèi)容等。埃納爾和尤尼爾認(rèn)為問題情境是“教育者為了以下目的所設(shè)計的情境：為學(xué)生們創(chuàng)造一個圍繞某個有待解決的問題進行思考和分析的空間；幫助學(xué)生們從這一“空間—問題”出發(fā)，對關(guān)于某個明確主題的新的表現(xiàn)加以概念化。”它包含三個因素：背景、信息和有待完成的任務(wù)。從上述概念來看，整合情境與問題情境確實有很大相似之處，都是為了教與學(xué)活動，完成某些教學(xué)任務(wù)的具象化背景，但兩者的內(nèi)涵和側(cè)重點并不相同。兩者的比較如表1所示。

從表1不難看出，整合情境和與我們一般所指的問題情境有很大區(qū)別，第一，功能性，整合情境更具明確的目標(biāo)，教師應(yīng)考慮如何利用支持工具，也就是情境的利用，而不像問題情境更重視的是情境本身。第二，情境的類型，整合情境傾向于自然情境，需要學(xué)習(xí)者在真實的環(huán)境中辨別、分析，適合學(xué)習(xí)者個體探究學(xué)習(xí)，而問題情境更多的是建構(gòu)的情境，是教師為了教學(xué)目的而設(shè)計出來的情境，使學(xué)習(xí)者個體或小組獲得知識和技能。第三，設(shè)計整合情境的初衷是為了整個學(xué)業(yè)的提升或?qū)W習(xí)評估，相對問題情境的目標(biāo)要廣泛和深遠。按照達蒂夫¨2J的說法，問題情境是“任務(wù)來源”，而整合情境是“任務(wù)靶向”，可以理解為一個偏重于問題本身，一個偏重于通過問題來探究的目標(biāo)。一言蔽之，整合情境是“被瞄準(zhǔn)”的問題情境，為了更明確的方向和目的所設(shè)計的問題情境，整合情境相對于問題情境更具復(fù)雜性和真實性，更適合學(xué)習(xí)者探索和建構(gòu)知識和技能。

2 沉浸理論

沉浸理論（Flow Theory）于1975年由Csikszentmihalyi首次提出，解釋當(dāng)人們在進行某些日常活動時為何會完全投入情境當(dāng)中，集中注意力，并且過濾掉所有不相關(guān)的知覺，進入一種沉浸的狀態(tài)，這種狀態(tài)被描述為“流”（flow）。Wigand和Nilan將沉浸感分為三個階段：沉浸的先前準(zhǔn)備階段、沉浸體驗階段、沉浸體驗的結(jié)果。沉浸的先前準(zhǔn)備階段所考慮的要素包括注意力的集中、明確的目標(biāo)、與玩家技能相平衡的挑戰(zhàn)、活動的趣味性、簡單快速的上手；沉浸體驗階段的體驗包括行動與意識的統(tǒng)一、高度專注、對活動的控制感、時間感的變化、遠程監(jiān)控感；沉浸體驗所帶來的結(jié)果是促進學(xué)習(xí)、激發(fā)學(xué)習(xí)者的探索行為、信息技術(shù)的接受及使用、行為控制的認(rèn)知。從文獻可以看出，國內(nèi)外游戲的設(shè)計和開發(fā)基本都與沉浸理論相關(guān)，游戲化的學(xué)習(xí)的設(shè)計和開發(fā)也當(dāng)如此。有研究表明，“深度沉浸的學(xué)習(xí)相對于淺度沉浸的學(xué)生而言.在虛擬實驗的環(huán)境中更容易獲得滿足”。據(jù)此我們認(rèn)為追求流體驗是游戲化虛擬實驗設(shè)計的重要目標(biāo)和依據(jù)。

三 基于整合情境的游戲化虛擬實驗的設(shè)計

基于以上的理論討論和實踐研究，本文提出基于整合情境的游戲化虛擬實驗?zāi)Ｊ剑@種虛擬實驗?zāi)Ｊ揭詣?chuàng)設(shè)整合情境為手段，以“輕游戲”元素為設(shè)計元素，目的在于增加學(xué)習(xí)者虛擬實驗的沉浸感，激發(fā)學(xué)習(xí)動機，維持學(xué)習(xí)體驗，從而達到提高虛擬實驗學(xué)習(xí)的效果。

1 基于整合情境的游戲化虛擬實驗的設(shè)計機理

根據(jù)心理學(xué)研究表明，要真正達到教學(xué)效果，必須從吸引學(xué)習(xí)者，維持學(xué)習(xí)者注意力著手，實現(xiàn)虛擬實驗的沉浸體現(xiàn)。然而內(nèi)部的心理活動是由外部的刺激，反復(fù)強化才能影響。所以外部的教學(xué)設(shè)計成為虛擬實驗的關(guān)鍵，筆者認(rèn)為可以從創(chuàng)設(shè)整合情境入手，給學(xué)習(xí)者營造一個逼真復(fù)雜的情境，這個情境即包括教學(xué)情境，還包括現(xiàn)場情境，避免枯燥無味又不具備現(xiàn)實意義的學(xué)習(xí)環(huán)境。本文提出，虛擬實驗過程應(yīng)是一個“三層”體系結(jié)構(gòu)：教學(xué)層、行為層、心理層，實現(xiàn)一個由外至內(nèi)的心理過程，由教學(xué)活動至實驗過程，再到達到學(xué)習(xí)者沉浸體驗的過程，從而提高學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣，維持注意力。具體見圖1。

從圖1可見，教學(xué)層、行為層和心理層都包括技術(shù)和學(xué)習(xí)兩個方面，教學(xué)層處在基礎(chǔ)的地位，也是最重要的層面，它是引領(lǐng)學(xué)習(xí)者進行虛擬實驗的關(guān)鍵手段和方法，包括創(chuàng)設(shè)整合情境，設(shè)計實驗界面，教學(xué)設(shè)計等；行為層是學(xué)習(xí)者完成虛擬實驗的過程，探究實驗結(jié)果；心理層是虛擬實驗的最高層面，實現(xiàn)心理沉浸，保持學(xué)習(xí)注意力，從而完成虛擬實驗的體驗活動。這三層體系結(jié)構(gòu)是一個從下到上，從外到內(nèi)，從教學(xué)到心理一個完整的過程。

2 基于整合情境的游戲化虛擬實驗設(shè)計模式

根據(jù)上述基于教學(xué)層、行為層、心理層的“三層”游戲化虛擬實驗的設(shè)計機理來設(shè)計虛擬實驗學(xué)習(xí)模式。虛擬實驗主要分為：演示實驗、驗證試驗和探索實驗三種，它們一般的實驗流程為激發(fā)興趣、獲取知識和經(jīng)驗、驗證、應(yīng)用和控制。為了體現(xiàn)實驗的特點本文稱實驗操作為行為層，而每一個實驗行為都對應(yīng)著教學(xué)層的教學(xué)活動以及心理層的沉浸過程，它們的相互關(guān)系及內(nèi)涵是學(xué)習(xí)模式的核心內(nèi)容，見圖2。

（1）教學(xué)層：創(chuàng)設(shè)整合情境、設(shè)計游戲化元素。為了能吸引學(xué)習(xí)者全身心地投入到虛擬實驗中，首先可以從教學(xué)設(shè)計層面設(shè)計具有整合情境的虛擬實驗環(huán)境，使學(xué)習(xí)者被生動、自然、復(fù)雜的情境所吸引，目標(biāo)直指虛擬實驗的核心知識：然后重點設(shè)計具有游戲化元素的虛擬實驗，包括人物、場景、情節(jié)、任務(wù)和音效等，以聲音、圖形、視頻等多媒體表現(xiàn)實驗內(nèi)容；最后通過設(shè)計的交互活動達到知識鞏固、反思和激勵的作用。

（2）行為層：操作游戲化虛擬實驗。虛擬實驗教學(xué)設(shè)計的目的是使學(xué)習(xí)者能按既定的設(shè)計步驟達到相應(yīng)的實驗?zāi)繕?biāo)，虛擬實驗一般分為演示實驗、驗證試驗和探究實驗，一般都有以下幾個步驟：激發(fā)興趣、獲取知識和經(jīng)驗、驗證實驗、實驗的應(yīng)用和控制等。實驗過程是學(xué)習(xí)者在教學(xué)設(shè)計下完成的是可見、可控制的行為活動。

（3）心理層：實現(xiàn)沉浸體現(xiàn)。為了使學(xué)習(xí)者達到知識的內(nèi)化，可以通過設(shè)計游戲化虛擬實驗吸引并維持學(xué)習(xí)者達到長時間的心理沉浸感，可以分成沉浸準(zhǔn)備階段（吸引）、沉浸體驗階段（維持）、沉浸反饋階段（遷移）三個過程，每個過程都需要和相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計和實驗操作階段配合發(fā)生，整合情境的創(chuàng)設(shè)就是為了激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣，達到學(xué)習(xí)者沉浸體驗的準(zhǔn)備階段。游戲化虛擬實驗的設(shè)計就是為了使學(xué)習(xí)者在實驗過程中獲取相應(yīng)知識和經(jīng)驗，達到學(xué)習(xí)者沉浸體驗階段。而教學(xué)反思和鞏固為的是使學(xué)習(xí)者很好的應(yīng)用實驗知識，達到沉浸反饋階段，實現(xiàn)知識的遷移。

3 基于整合情境的游戲化虛擬實驗的特征

（1）強調(diào)自然情境的學(xué)習(xí)意義。從社會學(xué)的視角來看，“情境”指一個人正在進行某種行為時所處的社會環(huán)境，是人們社會行為產(chǎn)生的條件；從心理學(xué)的視角來看，“情境”指的是事物發(fā)生并對機體行為產(chǎn)生影響的環(huán)境條件；學(xué)習(xí)論的視角來看，“情境”則是學(xué)生從事學(xué)習(xí)活動、產(chǎn)生某種學(xué)習(xí)行為的一種環(huán)境和背景。基于整合情境的游戲化虛擬實驗所指的“情境”在學(xué)習(xí)環(huán)境中一般并不存在，它是被建構(gòu)出來的，任務(wù)的結(jié)果也不是一目了然，信息復(fù)雜，表述曲折，難以理解，具有障礙和隱蔽性，更趨向于真實的自然情境，但它的功能明確，即為了服務(wù)教學(xué)目標(biāo)。

（2）強調(diào)游戲?qū)W(xué)習(xí)興趣的激發(fā)。布魯納等認(rèn)為學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者內(nèi)部動機驅(qū)動的積極主動的建構(gòu)過程，激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機尤為重要。基于整合情境的游戲化虛擬實驗強調(diào)利用“輕游戲”的設(shè)計，給學(xué)習(xí)者創(chuàng)造“流體驗”，使學(xué)習(xí)者更容易沉浸，達到深層次的參與。虛擬實驗的激發(fā)興趣、獲取知識和經(jīng)驗、驗證、應(yīng)用和控制等一般步驟，都可以在游戲化虛擬環(huán)境中完成。我們認(rèn)為，游戲不是虛擬實驗的目的和重點，游戲化的環(huán)境設(shè)計是讓學(xué)習(xí)者能沉浸虛擬實驗學(xué)習(xí)的手段，完成心理層面的沉浸體驗的三個階段，最終實現(xiàn)虛擬實驗的知識獲得或遷移。

（3）強調(diào)教師對學(xué)習(xí)者或?qū)W習(xí)小組的支持。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強調(diào)學(xué)習(xí)者積極主動地建構(gòu)知識，教師的地位發(fā)生了變化，從原來的灌輸知識主導(dǎo)教學(xué)活動。基于整合情境的游戲化虛擬實驗“情境”的設(shè)計者一般是教師，當(dāng)然也可以是其他成員，情境的發(fā)起者和解決者之間形成合約的關(guān)系，教師可以讓學(xué)習(xí)者選擇是否進入學(xué)習(xí)情境，學(xué)習(xí)者可以自由選擇學(xué)習(xí)方式，教師可以提供幫助，督促學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)，直到評估合格。整個教學(xué)過程的設(shè)計十分重要，關(guān)系到整個學(xué)習(xí)過程的展開。學(xué)生或者學(xué)習(xí)小組成了主體，而教師的地位退居其后，成為中介者、支持者，負(fù)責(zé)情境的建議和發(fā)起，更多的學(xué)習(xí)主動權(quán)交給了學(xué)生。

（4）強調(diào)探宄學(xué)習(xí)對虛擬實驗的作用。虛擬實驗可充分發(fā)揮其優(yōu)點，根據(jù)實驗的特點和學(xué)習(xí)者的特征，控制實驗的條件，設(shè)計、開發(fā)具有較強交互的探究性虛擬實驗。基十整合情境的游戲化虛擬實驗由于其具有較強的現(xiàn)實性、趣味性，更適合也更容易探究學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)者或?qū)W習(xí)小組從整合情境中的復(fù)雜信息或自身具體經(jīng)驗出發(fā)，通過觀察和反思概念或認(rèn)知，設(shè)計或驗證試驗方案，這樣的學(xué)習(xí)過程往往不能一次性完美完成，學(xué)習(xí)者或?qū)W習(xí)小組得反復(fù)探宄，不斷完善和修正。如此一來，可以發(fā)展學(xué)習(xí)者的積極主動性和探索精神。

綜上，基于整合情境的游戲化虛擬實驗實質(zhì)上是創(chuàng)建了以學(xué)習(xí)者為中心，教師為支持的整合學(xué)習(xí)環(huán)境，這個學(xué)習(xí)環(huán)境具有一般虛擬實驗特點的同時還具有情境性、藝術(shù)性、娛樂性，吸引并使學(xué)習(xí)者沉浸其中，完成虛擬實驗的演示、驗證或探究活動。

四 基于整合情境的游戲化虛擬實驗的應(yīng)用案例設(shè)計

近年來食品衛(wèi)生和安全成為備受關(guān)注的熱門話題，為了加強青少年對食品添加劑方面的知識，提高選購安全食品的能力。本研究基于以上提出的基于整合情境的游戲化虛擬實驗的設(shè)計理論，設(shè)計開發(fā)了能進行虛擬實驗和檢測的食品添加劑虛擬實驗室。

1 教學(xué)設(shè)計。根據(jù)“食品安全學(xué)”教學(xué)大綱和實驗要求，為了學(xué)習(xí)者能融入并沉浸到虛擬實驗.達到主動探究學(xué)習(xí)，獲取實驗知識和經(jīng)驗的目的，本文設(shè)計并開發(fā)了“添U加C”游戲化虛擬實驗，以下將介紹該虛擬實驗的設(shè)計和實現(xiàn)研究。

（1）整合情境創(chuàng)設(shè)與游戲化學(xué)習(xí)活動設(shè)計，如表2。

（2）游戲化虛擬實驗。根據(jù)以上游戲化學(xué)習(xí)活動設(shè)計，我們可以將游戲化虛擬游戲過程主要分為三個階段：整合學(xué)習(xí)活動、輕游戲化探究學(xué)習(xí)、反思分享。

①整合學(xué)習(xí)活動階段。依照整合教學(xué)法的理論，學(xué)習(xí)是一些展開局部學(xué)習(xí)2、使用整合情境和評估情境所構(gòu)成的一個連續(xù)體。整合學(xué)習(xí)活動是本案例的設(shè)計重點，主要是從其三要素：物質(zhì)支持工具、信息、命令來展開設(shè)計，該案例將物質(zhì)支持工具和信息整合在資料中，即物體、背景、信息、功能、信息等。

虛擬實驗教學(xué)目標(biāo)：為了了解食品添加劑知識，學(xué)習(xí)者進入了一個三維虛擬的超市進行選購食品，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)以下資料，了解食品中含有哪些添加劑？推斷食品添加劑對人身體有哪些影響？以及計算出人一天食品添加劑最高劑量是多少？

資料1：選購商品情境，如圖4。

資料2：介紹食品添加劑情境，如圖5。

命令1：完成購物報告，如圖6。

命令2：完成虛擬實驗，如圖7。

命令3：完成實驗報告，如圖8。

命令4：完成添加劑重新選購，如圖9。

通過以上整合學(xué)習(xí)活動后，學(xué)習(xí)者將傳統(tǒng)學(xué)習(xí)而來或自有的經(jīng)驗知識整合到復(fù)雜的情境中，進行自主學(xué)習(xí)，該虛擬實驗提供了物質(zhì)的支持工具和信息，教師處于支持或輔導(dǎo)的地位，學(xué)習(xí)者被生動、自然、復(fù)雜的情境所吸引，目標(biāo)指向虛擬實驗的核心知識，完成指定的命令任務(wù)。

②“輕游戲”化探究學(xué)習(xí)階段

尚俊杰等【22】對“輕游戲”的界定為“輕游戲=教育軟件+主流游戲”，認(rèn)為它首先是一個教育軟件，并追求主流游戲的內(nèi)在特征，如挑戰(zhàn)、好奇、控制、目標(biāo)、競爭、合作等，以此平衡游戲的教育性和游戲性。本虛擬實驗的設(shè)計遵循“輕游戲”的設(shè)計思想，將虛擬實驗設(shè)計成模擬類游戲。第一，本游戲化虛擬實驗具有模擬仿真性，學(xué)習(xí)者進入的“添u加C”食品超市，其中的人物、貨物、貨架、標(biāo)簽、背景、音效等完全仿真現(xiàn)實超市。第二，本游戲化虛擬實驗具有“輕游戲”元素設(shè)計，如情境、系統(tǒng)幫助、導(dǎo)航、虛擬實驗關(guān)卡逐級遞增等。第三，本游戲化虛擬實驗具有真實并可完成的任務(wù)，學(xué)習(xí)者在挑選自己喜歡食品時，會出現(xiàn)該商品包括添加劑的情況等信息，這時適時對學(xué)習(xí)者進行添加劑知識的介紹，而學(xué)習(xí)者在離開超市前得完成添加劑知識的實驗報告和虛擬實驗，之后會讓學(xué)習(xí)者重新選擇食品的數(shù)量和種類。這樣的設(shè)計是讓學(xué)習(xí)者在知道、了解、掌握、應(yīng)用食品添加劑的學(xué)習(xí)過程中，完成探究學(xué)習(xí)活動，教師或本虛擬實驗設(shè)計者自始至終處于整合情境的發(fā)起地位，學(xué)習(xí)者主動思考、積極參與、探索食品添加劑知識成為本虛擬實驗的重點。

③總結(jié)分享階段

總結(jié)分享是一般虛擬實驗的應(yīng)用階段，本虛擬實驗要求學(xué)生在完成整合學(xué)習(xí)活動和“輕游戲”化探究學(xué)習(xí)后，完成食品添加劑的知識鞏固練習(xí)，并在退出虛擬實驗前在工藝宣傳欄中填寫自己對食品添加劑的宣傳語，分享游戲化虛擬實驗的學(xué)習(xí)心得體會，效果如圖10、11所示。

2 模塊設(shè)計與實現(xiàn)

本虛擬實驗仿照了現(xiàn)代超市模式，按照功能進行區(qū)分，主要有購物中心、服務(wù)中心、支付中心、幫助中心。依次是對食品添加劑的了解、學(xué)習(xí)、反饋和鞏固四個階段。

（1）購物中心：是對食品添加劑的初步了解階段。它模擬現(xiàn)代超市購物環(huán)境，通過鍵盤方向鍵來控制購物車的運動，按照食品的分類主要有五大區(qū)域：生鮮蔬果區(qū)、休閑食品區(qū)、糧油調(diào)味區(qū)、酒飲沖調(diào)區(qū)、營養(yǎng)健康區(qū)，選購時能顯示食品名稱、所含添加劑、原料、保質(zhì)期、生產(chǎn)日期等信息，購物中顯示購物清單，結(jié)束購物時得出購物報告，告知是否購買的食品添加劑超出國家標(biāo)準(zhǔn)。

（2）服務(wù)中心：是以食品添加劑學(xué)習(xí)和實驗階段，主要分為添加劑原理實驗、劑量對比實驗、添加劑案例三個部分。通過這樣的實驗，一方面深刻理解添加劑的功能與副作用，另一方面加強青少年動手能力。離開服務(wù)中心時，得出實驗報告，告知在該中心做了哪些實驗，并得出實驗結(jié)論。

（3）支付中心：是以對食晶添加劑學(xué)習(xí)的反饋和鞏固階段。由于之前在服務(wù)中心的學(xué)習(xí)，會對食品添加劑有了一些隊識，因此在支付報告中，學(xué)習(xí)者可以再次決定哪些食品是否要購買，以及購買的數(shù)量，還包括有獎測驗和公益宣傳兩個模塊。

（4）幫助中心：主要包括課件導(dǎo)航地圖和添加劑知以幫助，主要是幫助青少年更好地了解該虛擬實驗室的結(jié)構(gòu)及操作及其對各種添加劑的認(rèn)識。

本虛擬實驗經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試，實現(xiàn)了在整個超市各個中心的數(shù)據(jù)傳遞，用Asp連接Access數(shù)據(jù)庫，按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織、存儲和管理數(shù)據(jù)，完善地管理各種數(shù)據(jù)庫對象.實現(xiàn)登錄注冊頁而、購物清單和公益宣傳等數(shù)據(jù)的傳遞。

五 結(jié)束語

本文通過文獻調(diào)研、設(shè)計機理與模式的提煉、案例的設(shè)計開發(fā)等研究，提出了基于整合情境的游戲化虛擬實驗?zāi)Ｊ剑⒋四Ｊ竭M行了初步的應(yīng)用。實踐證明該虛擬實驗?zāi)Ｊ骄哂泻芎玫乃囆g(shù)性、娛樂性，能很好地將虛擬實驗與輕游戲化體驗結(jié)合起來，能吸引學(xué)習(xí)者進入虛擬實驗過程，有一定的保持吸引的作用，并能保持沉浸效果，對于學(xué)習(xí)者探究能力和合作能力的培養(yǎng)有一定促進效果。但是，由于研究條件和時間的限制，本研究還存在很多的局限，如案例設(shè)計和開發(fā)內(nèi)容有待進一步深入，設(shè)計策略不詳盡，交互設(shè)計何待改進等。我們將在后續(xù)研究中，將對該模式進行實驗研究，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析出該模式在維持學(xué)習(xí)者動機、學(xué)習(xí)效果、探究認(rèn)知等方面的情況，為實現(xiàn)吸引學(xué)習(xí)者并保持沉浸感的虛擬實驗進行更深入研究。

虛擬實驗設(shè)計論文范文5

光通信技術(shù)是當(dāng)今信息技術(shù)領(lǐng)域的前沿與支撐技術(shù)之一。2013年，國務(wù)院頒布“寬帶中國”計劃，進一步提升了光通信技術(shù)在國家發(fā)展戰(zhàn)略中的地位。簡言之，光通信技術(shù)是光纖技術(shù)與通信技術(shù)的綜合體，它具有高速、大容量的優(yōu)點，但亦存在高成本、高復(fù)雜度和多學(xué)科交叉的特點。這成為該門課程實踐教學(xué)開展的主要困難。而且，對于省屬地方高等院校，同時面臨生源基數(shù)大、實驗教學(xué)經(jīng)費短缺、設(shè)備更新緩慢等難題，使得該問題更加凸顯。為緩解這一問題所帶來的影響，基于專業(yè)光通信仿真軟件，引入虛擬實驗教學(xué)時必然趨勢。

一、虛擬實驗教學(xué)改革的背景與意義

作者所在的黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院，《光通信技術(shù)》實驗需為兩個本科專業(yè)（光電子技術(shù)系和通信工程系）學(xué)生（約180人/年）提供課程資源。原有《光通信技術(shù)》包含“光纖低損耗熔接”“光纖纖芯分布測量”“光纖微彎損耗測量”“光時域分布反射測量”和“可視光通信傳輸系統(tǒng)演示”5個基礎(chǔ)專業(yè)實驗，僅能覆蓋《光纖技術(shù)》和《光通信技術(shù)》兩門專業(yè)必修課程的實驗教學(xué)任務(wù)，學(xué)生缺乏對“光電子器件”應(yīng)用的認(rèn)知。而且，光纖與光通信技術(shù)是本專業(yè)最重要的兩個研究方向之一，是專業(yè)學(xué)生就業(yè)與求學(xué)的主要支撐技術(shù)。近10年來，光通信技術(shù)在“光傳輸”“光交換”“光接入”和“可見光電力線通信”等領(lǐng)域高速發(fā)展。然而，現(xiàn)有實驗教學(xué)設(shè)備多購置于2001年，部分已陳舊、老化。與此同時，面臨教學(xué)經(jīng)費不足，設(shè)備臺套數(shù)有限，儀器價格昂貴，由于普通高校擴招導(dǎo)致生源劇增的雙重壓力，對應(yīng)的實驗內(nèi)容無法得到更新，課程講授內(nèi)容與實驗教學(xué)脫節(jié)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下。

圖1 原有專業(yè)基礎(chǔ)實驗方案

與之相比，專業(yè)仿真軟件具有價格低廉，覆蓋領(lǐng)域廣，專業(yè)性強，靈活性、操作性好等系列優(yōu)點，可實現(xiàn)光放大器設(shè)計，光電轉(zhuǎn)換器件測試，多光通信系統(tǒng)實時在線模擬等功能，與本專業(yè)光纖技術(shù)、光電器件與檢測、光通信技術(shù)課程內(nèi)容吻合。鑒于此，將虛擬實驗與原有的專業(yè)實驗相結(jié)合，以專業(yè)實驗為基礎(chǔ)，虛擬實驗為進階，二者相互補充、取長補短，將可有效緩解專業(yè)實驗教學(xué)中所面臨的困難。

二、虛擬實驗教學(xué)改革的具體實施方法

（一）方案設(shè)計與實驗室建設(shè)

1.保留原有的“光纖低損耗熔接”“光纖纖芯分布測量”“光纖微彎損耗測量”作為基礎(chǔ)實驗，刪除“光時域分布反射測量”和“可視光通信傳輸系統(tǒng)演示”兩個實驗，節(jié)省6學(xué)時的課程資源。

2.開設(shè)“光通信仿真設(shè)計”課程設(shè)計，以虛擬實驗教學(xué)方式提高學(xué)生對于“光通信系統(tǒng)架構(gòu)”“光纖放大器設(shè)計”“光電子器件工作特性”的掌握能力。課程設(shè)計采用機房集中教學(xué)模式，包含“光發(fā)射機/光接收機的實現(xiàn)”，“誤碼率與質(zhì)量因子評價”“色散補償特性測試”“光放大器性能優(yōu)化”“格式生成與轉(zhuǎn)換”五個模塊，共計32學(xué)時。其中，講授學(xué)時8學(xué)時，實驗學(xué)時24學(xué)時，第一、二模塊為必選，后三個模塊至少任選其一。

3.將原有機房進行升級與改造，新購置計算機50臺套，服務(wù)器1臺套，投影教學(xué)設(shè)備1臺套。更新原有網(wǎng)絡(luò)布線與系統(tǒng)，實現(xiàn)教師與學(xué)生互動能力，提升學(xué)生間的交互學(xué)習(xí)能力，改善學(xué)生個人的實驗學(xué)習(xí)平臺環(huán)境。購置專業(yè)光通信仿真軟件OptiSystem（12.0版）1套，可同時滿足30人在線仿真需求。

圖2 虛擬實驗設(shè)計方案

（二）虛擬實驗教學(xué)實施方法

在實際的教學(xué)過程中，該門課程對于光電子技術(shù)專業(yè)學(xué)生（年均60人）為必修課程，分成2個教學(xué)班級循環(huán)教學(xué)；對于通信工程專業(yè)學(xué)生為選修課程，根據(jù)以往統(tǒng)計，選修課程人員約60―80人，亦分成2個教學(xué)班級循環(huán)教學(xué)。除講授8學(xué)時外，學(xué)生需在2周內(nèi)完成24實驗學(xué)時，教學(xué)資源采用開放模式提供，學(xué)生可自行安排學(xué)習(xí)時間，學(xué)時計算由智能管理系統(tǒng)完成。教學(xué)模式除課上教學(xué)、實驗外，還包括師生在線交流與在線答疑。課程考試采用報告模式提交，3人一組，需分工明確，格式統(tǒng)一，數(shù)據(jù)與分析清楚有效。

圖3 虛擬實驗教學(xué)的實施與執(zhí)行

三、效果與評價

對于通信工程專業(yè)，該門課程設(shè)置在第六學(xué)期，需學(xué)習(xí)前期的光纖基礎(chǔ)實驗。對于光電子技術(shù)專業(yè)，該門課程設(shè)置在第七學(xué)期。作為中間環(huán)節(jié)，他是專業(yè)實驗的進階，同時作為本科畢業(yè)設(shè)計的前期訓(xùn)練，起到承上啟下作用。運行一年來，效果顯著。主要體現(xiàn)在：（1）增加了實驗教學(xué)資源，緩解了實驗設(shè)備臺套數(shù)少的困難，提升了學(xué)生的實踐實訓(xùn)能力；（2）完成了課堂教學(xué)與實驗教學(xué)的完整對接，教學(xué)內(nèi)容與深度得到進一步提升；（3）激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為教師的科學(xué)研究提供有效輔助。截至2014年12月，已有11名專業(yè)學(xué)生參與到教師的科研團隊中，并在光通信設(shè)計領(lǐng)域發(fā)表EI檢索科研論文3篇，申報發(fā)明專利1項，獲授權(quán)實用新型專利2項，獲批省級、校級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題2項。

虛擬實驗設(shè)計論文范文6

1.1改革實驗內(nèi)容，增加綜合性、創(chuàng)新性實驗，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

儀器分析實驗主要分為：驗證性、設(shè)計性和綜合性三大類．原先我們開設(shè)的實驗主要偏重于驗證性，內(nèi)容也比較陳舊，我們根據(jù)現(xiàn)實情況做了以下改進．

1.1.1壓縮驗證性實驗

為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維，打破傳統(tǒng)的重理論輕實踐的觀念，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，本著強化動手、動腦能力及學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，壓縮了驗證性實驗的學(xué)時數(shù)，現(xiàn)開出驗證性實驗12學(xué)時，綜合性實驗14學(xué)時，設(shè)計創(chuàng)新性實驗項目6學(xué)時．

1.1.2增加貼近生活的實驗

增加了密切聯(lián)系實際、貼近生活的實驗項目，如奶粉中三聚氰胺含量的測定、地溝油中脂肪酸類的測定、湖泊水樣中重金屬銅、鎘含量的測定等與健康、環(huán)境密切相關(guān)的問題．如我們讓學(xué)生檢測長江水樣中重金屬銅的含量，并讓其進行評價，從采樣、樣品的保存和處理及測定全程讓學(xué)生親自參與，并要求學(xué)生將測定結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)對照，讓其分析評價所采水樣是否達標(biāo)，從好奇心出發(fā)激發(fā)學(xué)生對實驗的興趣，讓學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動性，增強學(xué)生動手能力和操作技能，培育學(xué)生的社會責(zé)任心和創(chuàng)新能力．

1.2利用現(xiàn)代教學(xué)手段，提高實驗教學(xué)效果

由于分析儀器存在原理抽象、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、課堂教學(xué)與實驗脫節(jié)等問題，在儀器分析實驗的教學(xué)中借助多媒體技術(shù)可以降低學(xué)習(xí)難度，突破教學(xué)難點，加深學(xué)生對基本理論、儀器結(jié)構(gòu)和微觀過程的理解，使抽象的內(nèi)容具體化，復(fù)雜的內(nèi)容簡單化．在光學(xué)分析實驗中，我們比較了紫外—可見吸收分光光度計和熒光光譜儀的結(jié)構(gòu)，將這兩種儀器的結(jié)構(gòu)流程圖、各元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和測試原理通過多媒體圖片向同學(xué)們講解，使學(xué)生掌握了熒光光譜儀的光源與檢測器成直角型，而紫外—可見吸收分光光度計的光源與檢測器成直線型，同時還比較了它們在單色器方面的差異．又比如質(zhì)譜儀、核磁共振波譜儀和毛細管電泳等學(xué)校暫時沒有的儀器，采用虛擬仿真實驗的方式，通過多媒體課件讓學(xué)生觀看了解這些儀器的結(jié)構(gòu)流程、各部件的作用、操作規(guī)程等，彌補了大型儀器不足的問題．多媒體技術(shù)圖、文、聲、像并茂，生動活潑，可以化靜為動、化虛為實、化抽象為直觀，具有表現(xiàn)形式多樣化、感染力和吸引力強等優(yōu)點，能激發(fā)學(xué)生興趣，活躍思維，顯著提高了實驗教學(xué)效果．

1.3完善考核辦法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性

實驗考核是研討教學(xué)規(guī)律、檢查教學(xué)質(zhì)量、改革教學(xué)內(nèi)容及方法的重要依據(jù)，是實驗教學(xué)成功的有力保障．科學(xué)的考核手段可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，引導(dǎo)學(xué)生向良好的方向發(fā)展．為此，我們根據(jù)儀器分析實驗課程特點，制定了能客觀反映學(xué)生綜合素質(zhì)的多元實驗考核辦法：平時成績與期末考試成績相結(jié)合的方法，期末考試包括理論筆試和實驗操作技能．具體辦法如下：

（1）平時成績?yōu)?0%，主要包括：實驗預(yù)習(xí)、實驗操作、原始數(shù)據(jù)記錄、實驗作風(fēng)、數(shù)據(jù)結(jié)果處理及誤差等．實驗報告強調(diào)實驗步驟描述的準(zhǔn)確性、書寫的規(guī)范性；實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)要與原始實驗記錄的一致性；

（2）理論考試為20%，對實驗涉及的分析儀器的原理、結(jié)構(gòu)、使用對象及條件進行考核；

（3）操作考試為20%，在事先出好的10套操作測試題中由學(xué)生抽簽決定實驗項目，在給定時間內(nèi)獨立完成實驗，改變傳統(tǒng)“照方抓藥”的實驗方式，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題和綜合運用知識的能力，以考代學(xué)，有效提高了學(xué)習(xí)效果．

1.4加大實驗室開放力度，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研素養(yǎng)

為適應(yīng)新的人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，激活學(xué)生創(chuàng)新潛能，強化學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的發(fā)展，我們加大了實驗室大型儀器向不同層次學(xué)生開放的力度，完善了開放實驗室管理條例．其中，開放實驗主要分為兩種形式．

1.4.1設(shè)計型實驗

鼓勵學(xué)生在掌握基本實驗技能的基礎(chǔ)上，完成自己感興趣的設(shè)計型實驗．設(shè)計型實驗一般由老師列出相應(yīng)實驗題目供學(xué)生選擇，學(xué)生根據(jù)自己興趣選定一個題目后查閱資料．以“三峽庫區(qū)水樣中有機污染物熒光光譜特性”這一實驗為例，實驗老師首先向同學(xué)們講解實驗設(shè)計的基本原則和要求，培養(yǎng)學(xué)生查閱資料能力．學(xué)生根據(jù)老師提出的實驗設(shè)計理念查閱相關(guān)文獻寫出實驗方案，經(jīng)與指導(dǎo)老師討論并經(jīng)指導(dǎo)老師審查和驗收合格后利用課余時間進行實驗．學(xué)生可通過自由組合的方式成立實驗團隊，統(tǒng)籌安排好實驗儀器和試劑，實驗過程中盡量體現(xiàn)學(xué)生的自主性，對實驗中所產(chǎn)生的問題要求及時記錄并想辦法解決，最后寫出實驗報告．實驗完成后，指導(dǎo)老師及時的組織同學(xué)們進行交流總結(jié)，升華同學(xué)們的研究性學(xué)習(xí)成果．

1.4.2科研型實驗

讓專業(yè)知識扎實、操作技能嫻熟的同學(xué)參與相關(guān)教師的科研課題和課外科技活動項目（如大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目，“挑戰(zhàn)杯”等），整個實驗以學(xué)生為主，教師為輔．實驗室在時間和空間上為學(xué)生提供寬松的學(xué)術(shù)環(huán)境和氛圍，目的是讓學(xué)生了解本學(xué)科的科學(xué)前沿，引導(dǎo)學(xué)生去思考問題，以增強學(xué)生求知欲，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)．如教師結(jié)合其研究成果，開設(shè)了科研型實驗項目“磁性四氧化三鐵用于環(huán)境水樣中亞甲基藍的吸附研究”．實驗需應(yīng)用共沉淀法制備納米材料，并研究其對水樣中亞甲基藍的吸附等．要求學(xué)生通過文獻查閱了解納米材料的主要化學(xué)制備技術(shù)，重點掌握共沉淀法；研究納米材料對染料亞甲基藍的吸附性能并熟悉紫外—可見分光光度計、紅外光譜儀等儀器的原理和操作技能．學(xué)生通過查閱文獻，設(shè)計方案，獨立實驗及論文寫作，把所學(xué)的理論、實踐及相關(guān)知識綜合運用，使學(xué)生的知識、能力和素質(zhì)三者融合發(fā)展，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性和積極性；加強師生間的溝通，培養(yǎng)了學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新思維及科研素養(yǎng)．學(xué)期末教學(xué)質(zhì)量調(diào)查結(jié)果顯示學(xué)生普遍對此類實驗具有濃厚興趣，學(xué)生的實驗研究興趣和動手能力均得到了提高．

2結(jié)語