時間：2023-02-06 17:10:20
緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發(fā)表網(wǎng)為您精選了8篇虛擬實驗設(shè)計論文，愿這些內(nèi)容能夠啟迪您的思維，激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
一、網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的建立
1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)
虛擬現(xiàn)實VR(VirtualReality)是近幾年來信息技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物,畢業(yè)論文是一門在計算機圖形學、計算機仿真技術(shù)、人機接口技術(shù)、多媒體技術(shù)和傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的交叉學科。其基本方法和目標是集成并利用高性能的計算機軟硬件及各類傳感器創(chuàng)建一個使參與者處于身臨其境的、具有完善的交互能力、能幫助和啟發(fā)構(gòu)思的信息環(huán)境,即讓用戶在人工合成的環(huán)境里獲得角色的體驗。
虛擬現(xiàn)實具有三個基本特征。沉浸性,是指觀察者對虛擬世界的情感反映,這種感覺能使用戶全方位地投入這個虛擬世界,這是虛擬現(xiàn)實的首要特征。交互性,是指虛擬現(xiàn)實是一個開放的環(huán)境,能對用戶的輸入作出響應,并能通過監(jiān)控裝置來影響用戶和被用戶影響。想象性,是指虛擬現(xiàn)實不僅是一個媒體、一個高級用戶界面,還是一個應用系統(tǒng),它以生動形象的形式反映設(shè)計者的思想。虛擬現(xiàn)實的三個基本特征強調(diào)了人在這個系統(tǒng)中的主導作用。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)按其功能不同,可以分為三種類型:沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。其中,桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是運用軟件編程方法在顯示器上顯示三維場景,用戶通過鍵盤、鼠標等設(shè)備與虛擬場景交互,它的特點是結(jié)構(gòu)簡單、成本較低,易于推廣。
2.網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室
所謂網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室,是指利用區(qū)域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng),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),包括相應的實驗室環(huán)境、有關(guān)的實驗儀器設(shè)備、實驗對象及實驗信息資源等。虛擬實驗室可以是某一現(xiàn)實實驗室的真實實現(xiàn),也可以是虛擬構(gòu)想的實驗室,虛擬實驗通過虛擬實驗室進行。在虛擬實驗中,實驗者有逼真的感覺,有身臨其境的感受,好像是真正在現(xiàn)實實驗室里近距離進行現(xiàn)場操作。在虛擬實驗中,沒有一個有形的實驗室,也沒有以實物形態(tài)存在的實驗工具與實驗對象,實驗過程主要是對虛擬物的操作。
3.計算機專業(yè)虛擬實驗室的創(chuàng)建
構(gòu)建專業(yè)虛擬實驗室,其實就是搭建一個網(wǎng)絡(luò)平臺系統(tǒng),包括硬件、軟件及管理三個方面。在硬件上,
目前各校都建立了校園網(wǎng)絡(luò)并接入了互聯(lián)網(wǎng),這些基礎(chǔ)設(shè)施基本可以滿足需求,不需要太多的投入。在軟件方面,一個是實驗室平臺軟件系統(tǒng)的開發(fā),它與網(wǎng)站建設(shè)相聯(lián)系;另一個是網(wǎng)站的內(nèi)容(實驗內(nèi)容)建設(shè),這是實驗室建設(shè)的關(guān)鍵。虛擬實驗室應有可以做的實驗來支撐,不然軟件平臺就是一個空架子,形同虛設(shè)。同時,該平臺上還應有實驗管理的支持,對實驗儀器、實驗報告、實驗指導、實驗成績及網(wǎng)上答疑等進行有效管理,并對虛擬實驗室進行監(jiān)控,計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)各模塊的主要功能如下。
(1)實驗管理模塊,由學生管理、教師管理、儀器管理和學生成績管理等組成。碩士論文在學生管理方面,學生通過瀏覽器進行注冊登錄,登陸成功后可瀏覽實驗項目,查看實驗的詳細資料,預約實驗項目及做實驗的時間,在線發(fā)送和接受消息,進行問題討論,進行實驗登記,實驗完成后可通過網(wǎng)絡(luò)寫實驗報告并提交報告。教師管理方面,可對實驗內(nèi)容添加、修改、整理、刪除,對學生提交的實驗報告列表,批改實驗報告,填寫評語和成績,提交批改結(jié)果,與學生進行討論。儀器管理方面,對新設(shè)計開發(fā)的虛擬儀器上傳并進行分類整理,以便實驗使用。成績管理方面對學生的實驗情況(實驗次數(shù)、實驗報告及完成情況)給出成績,并進行統(tǒng)計分析及提供查詢等。
(2)儀器展示模塊,對虛擬實驗室可用虛擬元器件、虛擬儀器設(shè)備分門別類地進行管理,以圖形的方式直觀呈現(xiàn)出來,供學生在實驗時進行選擇。
(3)實驗指導模塊,包括實驗介紹、實驗方法、實驗項目的重點及難點、實驗目的、實驗原理、實驗準備、實驗任務(wù)、實驗過程、實驗報告的要求及實驗應注意的事項等。
(4)實驗報告模塊,主要對學生完成實驗后,提供相關(guān)的實驗報告模板,供學生下載,由學生填寫相關(guān)內(nèi)容以及實驗的結(jié)果,完成后上傳電子版實驗報告,由教師進行批閱,并進行記載。
(5)實驗答疑模塊,由專業(yè)教師對學生實驗中出現(xiàn)的疑難問題進行及時解答,幫助學生順利通過實驗。同時了解學生對實驗的掌握程度,并及時反饋、調(diào)整教學。
(6)論壇交流模塊,教師和學生可以通過論壇進行充分的交流,學生可以將實驗中的收獲、經(jīng)驗和體會及問題到論壇上,教師可以將一些典型的問題提出來,供大家探討。學生在這樣寬松的環(huán)境下發(fā)表自己的見解,教師從中可以得到及時的實驗教學反饋信息,以便整改7)虛擬實驗模塊,是虛擬實驗室建設(shè)的重要部分。學生通過該模塊進行虛擬實驗,醫(yī)學論文以達到鞏固強化知識的目的。該模塊內(nèi)容根據(jù)專業(yè)學習的具體情況及實驗建設(shè)條件,可不斷增加。計算機專業(yè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)的建設(shè),可以引入其他學校的虛擬實驗室中。這種方式比較簡單,容易實現(xiàn),見效較快。但需要投入較多的軟件購置費用,同時也需要結(jié)合本校的實際情況進行一些調(diào)整,有一個磨合期。另一種是因地制宜,自主開發(fā)。根據(jù)本校的實際教學和實驗情況,結(jié)合學生的實際水平,由任課教師或聘請部分專家組成開發(fā)小組,進行一系列的虛擬實驗項目的開發(fā)研究,并將研究的成果連接到虛擬實驗室中,逐漸擴充直至完善。這種方式比較靈活,能充分發(fā)揮教師的積極性,能有針對性地進行設(shè)計開發(fā),適合學生的實際情況,學生容易接受,并且經(jīng)費投入較少。缺點是開發(fā)周期較長,系統(tǒng)性不夠,水平有限。也可以將上述兩種方式結(jié)合起來,一是引入、購置部分自己不宜開發(fā)的實驗項目,二是結(jié)合自身的優(yōu)勢和長處開發(fā)一些實驗項目,如非交互性的、演示性的虛擬實驗項目等。
二、加強網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的管理
1.加強用戶管理,為每個學生分配賬號。對學生進入虛擬實驗室,使用實驗室做虛擬實驗等進行登記保存。鼓勵學生經(jīng)常訪問虛擬實驗室,在上面提出問題、發(fā)表見解,做好實驗,努力提高虛擬實驗室的人氣。
2.全天候開放虛擬實驗室。學生可以隨時進入虛擬實驗實自己動手組織實驗,自己設(shè)計實驗方案,動手完成實驗,整理和總結(jié)實驗數(shù)據(jù),職稱論文提交實驗報告,培養(yǎng)學生的分析能力和創(chuàng)新能力,逐步向以“學生為中心”的自主個性發(fā)展模式轉(zhuǎn)變。
3.組織專業(yè)教師網(wǎng)上指導與答疑,參與論壇討論交流,及時批改實驗報告,為學生順利完成實驗提供服務(wù)。在虛擬實驗室中,教師應對學生提出的疑問盡快給出幫助和解答,并進行必要的指導。在實驗室論壇上發(fā)表觀點,提出問題讓學生思考,使師生在虛擬實驗室中有較強的互動性,教師應充當好學生實驗的合作者和知識的建構(gòu)者的角色。
4.對學生在虛擬實驗室的表現(xiàn)及實驗效果進行
評價。針對學生每一門課程的虛擬實驗完成情況、實驗報告、網(wǎng)上提問、論壇發(fā)帖的情況,給學生一個成績和評價,反饋給學生,英語論文并與該課程的正常實物實驗一起記入實驗總分。教師也要在對學生評價的同時,征求學生對虛擬實驗室的意見,對學生反饋的信息進行整改。
計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的建立,可以很好地解決目前硬件設(shè)備跟不上實驗的要求、學生實驗時間不夠用等問題,對于提高學生的動手能力、分析問題和解決實際問題的能力具有非常重要的意義。但在具體應用中還要注意處理好“虛擬實驗”和“實物實驗”的關(guān)系,不能一味地強調(diào)虛擬實驗,要“虛實”結(jié)合,既相互補充,又各有側(cè)重,這樣才能取得很好的實驗教學效果。同時,在虛擬實驗中要注意培養(yǎng)學生嚴謹?shù)摹⒁唤z不茍的科學實驗作風。
參考文獻
[1]王嗣源.虛擬實驗室建設(shè)的初步探討.西安郵電學院學報,2005(4).
[2]蔣光明.基于互聯(lián)網(wǎng)的開放式虛擬實驗模型研究.西南師范大學學報(自然科學版),2002(3).
虛擬實驗是依托“虛擬現(xiàn)實”技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的一種實驗模式，利用計算機及仿真軟件來模擬實驗環(huán)境及過程，學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、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，標準符號庫由100多個常用標準符號組成，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。近幾年的教學應用表明，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，在提高課程教學效果和實驗教學質(zhì)量及培養(yǎng)學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，集實驗和輔助學習功能為一體
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)的應用和設(shè)計、凸輪設(shè)計、周轉(zhuǎn)輪系的應用、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習鞏固課堂所學知識，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，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，學員在實驗操作中可隨時查閱實驗目的、內(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、批改學生的實驗報告，并將實驗評價反饋給學員。
4結(jié)束語
關(guān)鍵詞：探究性；三維虛擬實驗
中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）02-0055-04
探究性三維虛擬實驗設(shè)計的理論基礎(chǔ)
1.認知主義學習理論
認知主義學習理論把學習看作對信息進行主動選擇和理解的過程，認為人的認知過程實際上是一個信息加工過程，知識不是由外界刺激直接給予的，而是外界刺激和認知主體內(nèi)部心理過程相互作用的結(jié)果。采用三維虛擬實驗進行教學，認知對象從傳統(tǒng)的與現(xiàn)實世界打交道，變成與虛擬世界進行交互，從而產(chǎn)生了一種新的認知方式。因此設(shè)計三維虛擬實驗時，必須從學生的認知心理出發(fā)，注重學生的具體經(jīng)驗和對情境的了解，使學習者新舊知識之間的同化能順利完成，最終促進自己的認知發(fā)展。
2.情境學習理論
情境學習理論認為，特定的知識應該在特定的情境中去學習，學習是一個社會性過程，知識在這個過程中由學習者與周圍環(huán)境相互作用共同構(gòu)建。情境學習理論強調(diào)學習者應經(jīng)歷社會真實情境，通過實際活動使其在真實情境中學習知識、技能和策略，對知識做合理的解釋并能靈活運用知識。因此，設(shè)計三維虛擬實驗時，必須創(chuàng)設(shè)實驗過程所需要的各種情境，為學生主動探究提供環(huán)境支撐。
3.建構(gòu)主義學習理論
建構(gòu)主義認為，學習是建構(gòu)內(nèi)在心理表征的過程，學習者以已有的經(jīng)驗為基礎(chǔ)，通過與外界的相互作用來建構(gòu)新的理解，學習者知識的獲得是個體與外部環(huán)境交互的結(jié)果。因此，設(shè)計三維虛擬實驗時，必須提供靈活的交互方式，同時為學習者提供豐富的資源和工具，方便學生進行科學的探究活動，有效建構(gòu)自己的知識。
中學物理探究性三維虛擬實驗設(shè)計
1.設(shè)計原則
直觀性：三維虛擬實驗設(shè)計要為學習者提供逼真的實驗環(huán)境，增加學生者親身體驗的經(jīng)歷。由于操作步驟復雜、觀測過程漫長、實驗儀器昂貴等原因而無法完成的實驗要逼真模擬，實驗現(xiàn)象抽象和微觀的就要突破時空限制轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^呈現(xiàn)，實驗過程不能及時控制的要設(shè)計關(guān)鍵現(xiàn)象模擬情境，使學習者在虛擬環(huán)境下，便于觀察物理現(xiàn)象，更好地理解和掌握實驗原理。
交互性：三維虛擬實驗設(shè)計要為學習者提供更多交互的環(huán)節(jié)和實時的反饋，方便學習者選擇實驗設(shè)備、操作實驗儀器、設(shè)置實驗條件、改變實驗參數(shù)。使學習者在虛擬環(huán)境下，按照自己的學習特征、學習進度和學習方式進行主動探究。
開放性：三維虛擬實驗設(shè)計要為學習者提供可以自主設(shè)計實驗的學習資源和工具，使學習者能夠按照自己的興趣自由地設(shè)計實驗方案、演示實驗效果，并提供及時的反饋。
趣味性：三維虛擬實驗設(shè)計要為學習者提供能夠激發(fā)好奇心和求知欲的實驗過程和現(xiàn)象，能夠吸引學生的注意力，給學習者悅?cè)さ捏w驗，激發(fā)其學習物理的興趣。
2.設(shè)計過程
（1）實驗類型和主題的設(shè)計
按照實驗內(nèi)容分為：聲音類、光學類、電路類、電磁類、理學類、能量類。本研究從眾多實驗中選擇了部分實驗進行開發(fā)仿真，具體包括真實實驗中不易觀察的實驗、真實實驗中不易控制的實驗兩類。
（2）虛擬實驗模塊設(shè)計
探究性三維虛擬實驗共包括實驗介紹、實驗操作、實驗提示、實驗評價四個模塊。其中，實驗介紹包括儀器介紹和內(nèi)容介紹。儀器介紹闡述虛擬實驗中用到的關(guān)鍵儀器的功能、使用方法等。內(nèi)容介紹闡述實驗目的、實驗原理等；實驗操作是虛擬實驗的核心部分，通過分析該階段學生的認知結(jié)構(gòu)，設(shè)計交互式的用戶界面和探究性實驗環(huán)節(jié)，學生根據(jù)實驗原理和步驟，在三維虛擬實驗場景中對相關(guān)實驗儀器進行操作，完成實驗；實驗提示是指對實驗中容易出錯的地方為學生提供必要的幫助；實驗評價是根據(jù)具體的實驗要求，對學生的實驗操作結(jié)果進行評價。
中學物理探究性三維虛擬實驗的實現(xiàn)
1.主要開發(fā)工具的選擇
探究性三維虛擬實驗的實現(xiàn)主要包括虛擬實驗場景、各種實驗儀器設(shè)備的三維建模，以及提供探究活動的虛擬現(xiàn)實交互體驗的開發(fā)，用到的開發(fā)工具主要包括三維建模工具3ds Max和虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具Unity 3D。
（1）3ds Max
3ds Max是Autodesk公司開發(fā)的基于PC的三維動畫制作、編輯、播放與三維建模和渲染軟件。它具有易于使用、功能強大、性價比高等優(yōu)點，是許多個人和公司用戶首選的三維建模與動畫軟件。3ds Max被廣泛應用于廣告、影視、游戲開發(fā)、計算機藝術(shù)、角色動畫、工業(yè)設(shè)計和輔助教學等諸多領(lǐng)域。
（2）Unity 3D
Unity 3D是由Unity Technologies公司推出的一款強大的3D跨平臺游戲引擎，包括圖形、光照、音頻、渲染、物理和網(wǎng)絡(luò)等多方面的引擎支持，目前已不僅僅局限于游戲開發(fā)，而成為強大的綜合性虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具，在虛擬漫游與實時設(shè)計、虛擬現(xiàn)實交互體驗、人體數(shù)字化展示等領(lǐng)域都得到有效應用。
2.開發(fā)流程
三維虛擬實驗的開發(fā)步驟為：①三維虛擬實驗場景、實驗儀器的建模；②分析學生的心理和認知結(jié)構(gòu)，設(shè)計探究環(huán)節(jié)；③設(shè)計交互界面，實現(xiàn)實驗的交互操作；④測試虛擬實驗，進行調(diào)試和優(yōu)化；⑤虛擬實驗。
3.探究性三維虛擬實驗的開發(fā)
（1）實例1：布朗運動
①實驗設(shè)計思路：布朗運動是由微觀分子間做無規(guī)則運動而形成的。在現(xiàn)實生活中，難于操作，不易觀察，只有借助顯微鏡才能觀察，使得學生缺乏創(chuàng)造力和空間想象力。而在三維虛擬實驗中可以克服這些不足，利用Unity 3D提供的物理引擎，可以很好地模擬微觀分子的無規(guī)則運動。本實驗通過設(shè)計交互式的界面接口，使學生可以通過控制溫度變化或調(diào)整微觀分子大小，模擬微觀分子的運動變化情況，從而使實驗者更好地理解布朗運動。
②虛擬實驗場景和實驗器材的三維建模。實驗采用3ds Max對三維仿真實驗中用到的模型進行構(gòu)建，主要包括實驗桌、實驗儀器，實驗主界面如下頁圖1所示。
③虛擬仿真實驗的實現(xiàn)。本實驗提供了兩個觀察角度，即宏觀和微觀，宏觀角度用來展示實驗前的狀況；微觀角度用來展示微觀粒子的運動狀況，通過使用攝像機效果，使得觀察者能夠清晰地看到微觀世界中分子的無規(guī)則運動情況，實驗操作界面如下頁圖2所示。
下面詳細介紹微觀角度下實驗的實現(xiàn)過程。首先，學生點擊微觀按鈕后，攝像機被激活顯示，同時向液體分子拉近，這時出現(xiàn)圖2所示的界面，屏幕下方出現(xiàn)對應的滑動條用于控制條件，一種是溫度變化，一種是分子大小變化。這里用到了NGUI插件里的Tween Position動畫。其次，液體分子的無規(guī)則運動模擬是用Unity自帶的碰撞檢測函數(shù)來實現(xiàn)的。當分子之間相互碰撞時，會觸發(fā)自身的碰撞檢測，從而受到一個反向作用力被反彈回去。當多個分子發(fā)生碰撞時，它們的運動就會變得毫無規(guī)律，從而形成了無規(guī)則運動。
（2）實例2：光的反射與折射
①實驗設(shè)計思路：光的反射與折射定律探究的是光從一種介質(zhì)照射到另一種介質(zhì)時發(fā)生傳播方向改變的光學現(xiàn)象。在現(xiàn)實生活中，為了確保實驗的準確性和靈活性，特別要保證三線共面，需要實驗操作細致，入射角、反射角、折射角的測量也很費時，且不易控制。而在三維虛擬仿真實驗中可以克服這些不足，利用Unity 3D可以很好地模擬光線的反射、折射現(xiàn)象，以及入射角、反射角、折射角之間的關(guān)系。
②虛擬實驗場景和實驗器材的三維建模。本實驗采用3ds Max對三維仿真實驗中用到的模型進行構(gòu)建，主要實驗儀器如圖3所示。
③虛擬仿真實驗的實現(xiàn)。本實驗用來展示入射角變化時，反射角、折射角的變化情況，通過圓盤上的刻度標定，能夠隨時讀出確切的值，實驗者能夠清晰地看到入射角、反射角、折射角的關(guān)系，實驗操作界面如圖4所示。
結(jié)束語
新技術(shù)、新媒體的發(fā)展對傳統(tǒng)教育教學改革具有推動作用，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)初中物理探究性三維虛擬實驗，能夠有效改進傳統(tǒng)中學物理實驗教學的不足，為學生進一步理解基本概念、掌握實驗規(guī)律和實驗原理，提供了主動探究的環(huán)境，對學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)具有重要價值，對探索信息技術(shù)環(huán)境下中學實驗教學新方法具有重要意義。
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【關(guān)鍵詞】自動控制理論;LabVIEW;實驗系統(tǒng)
【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009―8097(2010)08―0139―04
一 引言
高等教育的質(zhì)量與國家現(xiàn)代化建設(shè)密切相關(guān),其中良好的教學實驗設(shè)計對于人才的培養(yǎng)有著直接的影響。《自動控制理論》課程作為電氣、自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,是聯(lián)系前期基礎(chǔ)課和后續(xù)專業(yè)課的橋梁。如何借助于實驗課的輔助教學,生動、形象地幫助學生理解基本概念、建立理論與實際相結(jié)合的觀點、培養(yǎng)大學生的初步工程實踐能力,符合高校培養(yǎng)具有創(chuàng)新實踐能力的高素質(zhì)人才的需要。
LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司推出的一種使用基于圖形化編程方式的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境。具有直觀易學、編程效率高,與Internet方便鏈接等特點。通過改變、增減系統(tǒng)的功能、可方便地擴充系統(tǒng)的復雜性,能為各層次學生提供廣闊的實驗與實踐空間。為此,建立基于LabVIEW的自動控制理論實驗平臺,開展設(shè)計性、綜合性較強的系統(tǒng)實驗設(shè)計,不僅有利于通過直觀形象的實驗圖形與結(jié)果激發(fā)學生的學習興趣,而且對于全面提升學生動手構(gòu)建物理系統(tǒng)和軟硬件調(diào)試的綜合能力具有重要意義[1-2]。
二 實驗系統(tǒng)設(shè)計
近年來基于計算機技術(shù)的實驗系統(tǒng),作為一種工程、教學輔助工具,在簡化問題、節(jié)約成本、縮短調(diào)試周期等方面特點突出,有利于發(fā)展學生借助計算機解決問題的能力。傳統(tǒng)實物模擬實驗,由于外部條件變化對實驗結(jié)果及信息的影響不同[3],則對于學生發(fā)現(xiàn)問題、通過理論聯(lián)系實際綜合解決問題能力的培養(yǎng)具有不可替代的作用。目前,遠程實驗的開展也逐步獲得關(guān)注重視。基于以上分析,所設(shè)計的LabVIEW自動控制理論綜合實驗平臺,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,可以融合以上三種實驗模式的優(yōu)點,力圖通過交替互補,以不同的實驗要求,通過設(shè)立資源學習、任務(wù)驅(qū)動與探索學習這三類學習模式,全方位提升學生的實驗理論與技能。
1 仿真實驗
LabVIEW在數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等應用領(lǐng)域提供了一個功能強大、方便靈活的虛擬儀器的集成開發(fā)環(huán)境。降低了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差對測量結(jié)果的影響,改善了以往費時、費力的實驗過程,便于學生集中精力對結(jié)果進行分析。
以非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)法為例,圖2為非線性系統(tǒng)框圖,其中線性部分的頻率特性函數(shù)為 ,非線性部分的算子以 表示。如何求取非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)并進行分析,由于其獨特的復雜性與抽象性,一直是自動控制理論教學的難點,理論計算繁瑣,實驗研究費時。
為此,采用基于圖形化的計算機仿真的方法通過對非線性、線性環(huán)節(jié)的類型、參數(shù)進行選擇,而后設(shè)定分析的頻率范圍、初值、步長、循環(huán)次數(shù)等,可有效避免繁復的頻率調(diào)整、計數(shù)、描點等工作,迅速獲取系統(tǒng)的幅相特性曲線。友好的仿真實驗界面如圖3所示。
設(shè)定線性區(qū)寬度 ,飽和特性信號限幅 后,輸入到實驗室開發(fā)的如圖3所示的仿真實驗系統(tǒng)界面,運行后,即可獲取如圖4所示的對應的幅相特性曲線圖。
這樣,利用仿真實驗,學生可以靈活設(shè)定仿真條件,方便、省時地實現(xiàn)對各種非線性環(huán)節(jié)描述函數(shù)的求取與直觀分析,達到了對抽象的非線性理論概念進行直觀理解的目的。這部分內(nèi)容,設(shè)定了2學時由教師講解LabVIEW的基礎(chǔ)知識,安排4學時課后時間用于相關(guān)資源學習。
2 模擬型實物實驗
NI公司提供的ELVIS實驗平臺將DAQ硬件和LabVIEW軟件組合成的一個定制靈活的教學實驗平臺。通過DAQ捕獲實際系統(tǒng)中真實的物理信號,并輸入到計算機中,而后利用LabVIEW編制相應的應用軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測、記錄、顯示及分析,可以簡化實驗數(shù)據(jù)獲取及后續(xù)數(shù)據(jù)處理等過程。
目前本實驗平臺針對實物模擬實驗設(shè)立了演示實驗[4]和學生設(shè)計實驗兩部分。演示實驗包括RC電路暫態(tài)電壓變化實驗、數(shù)據(jù)采集及濾波處理實驗以及直流電機轉(zhuǎn)速測控實驗。通過演示實驗的展示與講解,以幫助學生逐步掌握NI ELVIS實驗平臺的使用與開發(fā)流程、技巧,為后續(xù)進行獨立實驗設(shè)計與研究奠定基礎(chǔ)。而后,結(jié)合基于LabVIEW編程后提供的內(nèi)置函數(shù)發(fā)生器和示波器等檢測分析儀表,配合ELVIS提供的實驗面包板,要求學生獨立在實驗板上通過模擬運放電路的搭建,完成二階系統(tǒng)時域響應、典型環(huán)節(jié)頻率特性、系統(tǒng)串聯(lián)校正等實物模擬實驗,并與理論分析值進行比較、分析。此處設(shè)定為任務(wù)驅(qū)動型學習方式,課內(nèi)保留4學時用于提問、測試、成績評定。
如圖5所示,為求取典型積分環(huán)節(jié)頻率特性而構(gòu)建的模擬實驗電路。
圖5中運算放大器采用op07,輸入正弦信號 ,其幅值 及頻率 可調(diào)。當調(diào)節(jié)正弦信號幅值 過大時,系統(tǒng)可能進入運算放大器的飽和非線性特性工作區(qū)域,系統(tǒng)輸出 信號則會輸出周期畸變信號; 當調(diào)節(jié)正弦信號幅值 過小, 靜電感應電壓對系統(tǒng)輸出 信號的疊加影響不可忽略, 會影響輸出 信號測試的準確度(此處,可引導學生對信號處理方法進行思索、研究)。僅當調(diào)節(jié)正弦信號幅值 處于適當范圍內(nèi),輸出 才可清晰獲取同頻率的正弦信號。針對這一現(xiàn)象,與1節(jié)中虛擬仿真實驗積分環(huán)節(jié)頻率特性的求取方法進行對比,提出問題1:仿真實驗與模擬型實物實驗的區(qū)別與聯(lián)系?問題2:確定一個環(huán)節(jié)是線性還是非線性的原則是什么?問題3:理論與實踐的相互作用關(guān)系在科學研究中是怎樣的?以此建立新舊知識的聯(lián)系,激發(fā)學生的自主發(fā)現(xiàn)與探究意識,引發(fā)其解決問題的興趣,鼓勵其進行協(xié)作交流,進而形成自己對問題的獨立見解,綜合實踐能力得到提高。
最后,考慮部分能力較強學生的實驗需求及后續(xù)課程設(shè)計的需要,選購了8套球桿(ball balancer)系統(tǒng)作為被控對象。采用LabVIEW編制軟件算法, 通過驅(qū)動程序控制伺服電機進行轉(zhuǎn)速與位置調(diào)節(jié),實現(xiàn)對此非線性、不穩(wěn)定系統(tǒng)的穩(wěn)定運行控制。這部分實驗的設(shè)立為探索學習模式階段,通過介紹難點的方式,引導學生深入思索、學習、探索前沿的控制方法。
3 遠程虛擬實驗
基于網(wǎng)絡(luò)的遠程實驗室可以最大限度地實現(xiàn)實驗資源的共享[5],因此本綜合實驗系統(tǒng)的設(shè)計也包含了這部分內(nèi)容。遠程虛擬儀器能從與Internet/Intranet相連的遠端獲得動態(tài)數(shù)據(jù)或?qū)⒖刂菩盘杺魉偷竭h端,使在本地PC機上監(jiān)控遠端成為可能。遠程虛擬實驗不僅提高了實驗設(shè)備的利用率,而且方便學生靈活安排實驗時間,強化了學生的主體作用,同時有利于教師進行實驗過程的管理,實現(xiàn)了利用網(wǎng)絡(luò)進行資源交互學習等目的。
利用LabVIEW軟件設(shè)計構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室具有易于開發(fā),投資少,擴充方便等特點。在LabVIEW 開發(fā)環(huán)境中,有多種方式可以方便實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的采集和儀器控制,主要有:基于NI公司的遠程設(shè)備訪問(remote device access, RDA)技術(shù),可通過分別配置RDA Server和RDA Client實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的共享采集設(shè)備數(shù)據(jù);功能強大、但開發(fā)將對較復雜的適用于較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)實驗室的DataSocket數(shù)據(jù)共享技術(shù);簡便、易學的基于WEB Publish的遠程前面板(Remote Front Panels)技術(shù)。
考慮實驗規(guī)模不大及時間限制等因素,本實驗室選用了基于WEB Publish的遠程前面板(Remote Front Panels)技術(shù),構(gòu)建B/S模式遠程實驗系統(tǒng)。遠程前面板技術(shù)是把一個VI的前面板直接嵌入到Web網(wǎng)頁中,并具有自動更新功能。此外,通過授權(quán),不僅可以使得客戶端能觀測到一個動態(tài)刷新的實時畫面,而且還可以對前面板進行遠程控制。
考慮到一臺實驗設(shè)備在某一確定時間段內(nèi)只可以由一個用戶進行實驗控制,因此,需要設(shè)定教師管理員進行實驗預約管理。學生通過客戶端注冊登錄后,在預定時間內(nèi)享有對實驗室內(nèi)指定編號實驗平臺的控制權(quán)限。后續(xù)計劃針對大四學生和研究生采用大作業(yè)形式,征集優(yōu)秀的實驗預約管理方案,取消人員管理,實現(xiàn)科學、高效的自動遠程實驗預約、監(jiān)控、實驗記錄等管理功能。
三 結(jié)束語
基于LabVIEW技術(shù)開發(fā)的自動控制理論綜合實驗平臺,通過設(shè)定仿真實驗、真實模擬實驗和遠程實驗互相結(jié)合與補充,不僅提供了豐富的計算機與網(wǎng)絡(luò)學習資源,而且注重實驗設(shè)計的智能化與真實性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,實現(xiàn)了實驗設(shè)計的簡易性、綜合性和靈活性。通過關(guān)注實驗過程,改變了傳統(tǒng)教師講授的單一模式,不僅便于學生形象理解和掌握與課程相關(guān)的知識點,促進學生的編程能力與動手能力的提升,而且使其自信心獲得提升。這些都將助力學生從理論學習向?qū)嵺`研究進行跨越式轉(zhuǎn)變,為探索培養(yǎng)具有創(chuàng)造力與創(chuàng)新性的當代大學生教育進行經(jīng)驗積累。
參考文獻
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【關(guān)鍵詞】虛擬實驗;彈藥檢測;
【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】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)等課程教學中,為了使學員理解講授內(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,使學員能置身于現(xiàn)場實驗氛圍之中,對突破教學難點起到了較好的作用。教學實踐證明,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。我們按照教學要求組成的虛擬實驗軟件,為學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)備和教學內(nèi)容有機地融為一體,加深了學員對實驗目的、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,同時增強了學員對實驗的興趣,提高了教學效果。
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,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 提高學習效果: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,學員通過調(diào)用不同的實驗模塊,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員,來判斷操作是否正確,激發(fā)學員的學習興趣;它還具有重復性的特點,通過多次重復使用,加深學員對實驗的理解,使學員熟悉實驗設(shè)備的應用,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、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 虛擬實驗的應用范例[1]
在彈藥檢測技術(shù)課程教學中,我們制作了多個虛擬實驗模塊,經(jīng)過在課堂應用后,學員們普遍反映教學內(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)給學員,使學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,理論推導復雜,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、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實驗內(nèi)容,教員講得輕松,學員學得透徹,節(jié)約了大量的時間和精力。通過多期的教學實踐證明,虛擬實驗已經(jīng)成為彈藥檢測技術(shù)和傳感器技術(shù)等課程教學的有效教學方法之一,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,才能提高教學效果和質(zhì)量。
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國務(wù)院學位委員會于1998年修訂研究生專業(yè)目錄時，特別設(shè)立了材料物理和化學專業(yè)。材料物理和材料化學是材料科學的重要基礎(chǔ)。現(xiàn)代材料科學的發(fā)展已經(jīng)由過去的宏觀研究和發(fā)展進入到微觀分析和研究，用電子、原子、分子的尺度來研究改變物質(zhì)的性質(zhì)，發(fā)展新興的材料。特別是當今以服務(wù)于高科技，現(xiàn)代工業(yè)和國防為主的現(xiàn)代材料或新材料的需求量越來越大，新材料的研制與開發(fā)速度也越來越快，因而涌現(xiàn)出的新概念、新理論、新技術(shù)、新方法、新工藝、新產(chǎn)品和新問題越來越需要材料學家和物理學家等共同努力來歸納、整理、總結(jié)及創(chuàng)新。由此產(chǎn)生的材料化學新專業(yè)無疑是多學科知識交叉、滲透的結(jié)果。它給現(xiàn)代材料的研究、開發(fā)和應用以及相關(guān)科學的發(fā)展帶來了新的空間，為新材料的可持續(xù)發(fā)展提供完善而系統(tǒng)的理論指導和技術(shù)保障。因為材料化學專業(yè)是技能性、實踐性極強的學科領(lǐng)域。如何通過材料化學各實驗課程的改革，深化學生對課堂知識的理解，培養(yǎng)學生的科學思維方式和實踐能力，從而提高學生創(chuàng)新能力和綜合能力，是我們面臨的一個重要問題。如何通過實驗培養(yǎng)學生多層次、多方向的掌握材料物理性能與材料的制備、工藝和測試手段的關(guān)系。并且通過獨立操作和控制實驗進程，培養(yǎng)學生的研究精神和創(chuàng)造能力是我們材料化學專業(yè)需要迫切解決的問題。我們通過分層次實驗教學，取得了良好的教學效果。
分層次實驗教學法研究
通過分層次開設(shè)實驗，培養(yǎng)學生的合理的思維方式和實踐能力，從而提高學生研究精神和創(chuàng)造性能力。具體過程分為以下三個步驟：
1.加強有關(guān)材料化學專業(yè)基礎(chǔ)性實驗
在材料化學專業(yè)本科生具有了初步的化學和物理實驗能力的基礎(chǔ)上，首先將材料化學專業(yè)實驗課程從相關(guān)理論課程剝離，綜合成材料化學專業(yè)專門的基礎(chǔ)實驗課程，集中訓練學生的材料制備和材料性能檢測技能，并以此為實驗室的開發(fā)重點，使學生的實驗基本技能得以鞏固和提高。
2.開展綜合性實驗并結(jié)合本專業(yè)開展遠程網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學
在材料化學專業(yè)本科生已經(jīng)具有初步的材料制備和性能檢測的實驗技能基礎(chǔ)上，第二步開設(shè)綜合性實驗并結(jié)合遠程網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學。綜合性實驗的開設(shè)是為了適應社會的發(fā)展和需求，在綜合實驗新體系中，要求開設(shè)的綜合性實驗盡可能反映材料、生命、環(huán)境、信息等學科的內(nèi)容；了解和學習材料化學研究方法與現(xiàn)代實驗技術(shù)在高新科技學科中的應用成為我們新的建設(shè)目標。因此，不僅要打破專業(yè)的界限，還要打破學科的界限，使綜合性實驗成為跨學科、多技能的綜合訓練。在我們材料化學專業(yè)開設(shè)的綜合性實驗中，與材料、信息相關(guān)的實驗有新型能源材料的合成，SDC（固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料）的合成和表征，壓電陶瓷的制備和表征等等；與生物相關(guān)的實驗是天然物或中草藥物的提取及指紋圖譜等。這樣可以使學生掌握無機非金屬材料的制備方法和相關(guān)性能測試方法，掌握天然生成物質(zhì)的提取方法和結(jié)構(gòu)確定的手段，從而有效地提高學生的專業(yè)知識并擴展了知識面。為今后學生進行主導型研究性實驗奠定基礎(chǔ)。
目前，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)日益完善，網(wǎng)絡(luò)速度和寬帶不再成為制約網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學的瓶頸。計算機軟、硬件的飛速發(fā)展無疑使得虛擬實驗環(huán)境更加逼真、智能。當然，虛擬實驗在培養(yǎng)學生的動手能力、培養(yǎng)學生的誤差分析能力等方面還不可能取代傳統(tǒng)的實物實驗教學方式。但是開設(shè)遠程網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學可以使接受遠程教育的學生獲得與在校生一樣的從感知到理解的過程。有利于培養(yǎng)學生網(wǎng)絡(luò)學習的能力，為終身學習打下良好基礎(chǔ)。對我們專業(yè)來說，因為是新開的專業(yè)，很多實驗還缺乏必要的實驗器材，很多綜合性實驗課程無法開出。但借助遠程教育平臺，可以與兄弟院校和我校其他院系的實驗教學資源實現(xiàn)共享，從而使相關(guān)實驗得以進行，實現(xiàn)了學生對相關(guān)實驗的認知。
3.開展學生主導型研究性實驗的模式
學生主導型研究性實驗是在綜合性實驗的基礎(chǔ)上由學生自己選題、查閱文獻和設(shè)計實驗，在教師指導下完成研究性實驗論文并進行論文答辯。該模式的主要目的是全方位地鍛煉學生實驗研究的能力，充分調(diào)動學生的主動性和積極性，激發(fā)他們從事材料科學研究的興趣和熱情，為其今后的畢業(yè)設(shè)計和將來從事科研工作打下良好的基礎(chǔ)。同時這種新的實驗模式也提高了實驗室在學生學習中所占的地位，建立了進實驗室學習的意識。設(shè)計性實驗對開發(fā)學生智力和創(chuàng)新能力有著重要作用。但在具體實施時，對學生的培養(yǎng)要有一個由淺入深的過程，我們材料化學專業(yè)的主導型研究性實驗采取在大學中后期開設(shè)，在學生已經(jīng)完成材料化學基礎(chǔ)性實驗和綜合性實驗的基礎(chǔ)上結(jié)合指導教師的課題或相關(guān)專業(yè)后開設(shè)（可參考材料化學實驗教程中的設(shè)計性實驗）。具體過程一般為以下幾個步驟：（1）選題； （2）查閱文獻收集資料； （3）研究方案。學生設(shè)計實驗原理，方法和步驟，擬定實驗所需藥品、儀器，探討實驗時可能產(chǎn)生的現(xiàn)象和容易發(fā)生的失誤以及安全等應注意的問題，最后獨立設(shè)計實驗方案。實驗方案包括：實驗題目、儀器、藥品、操作步驟和實驗表征儀器等。然后將審閱實驗設(shè)計方案交給教師，教師在尊重學生創(chuàng)造精神的原則下選出幾種最佳方法，同時糾正某些實驗方案的錯誤指出某些實驗方案的缺陷，再將設(shè)計方案反饋給學生，將教師選中的方案交由全班同學討論、完善。然后采取論文答辯的方式檢驗實驗效果。在整個形式上基本是本科生畢業(yè)設(shè)計的模型，通過這樣的實驗為學生的畢業(yè)設(shè)計和將來的進一步深造奠定基礎(chǔ)。
最后，在整個分層次法實驗教學中，我們的實驗室采取的是開放式實驗管理模式，在時間方面，我們安排了中午、晚上和雙休日對學生開放，讓學生對實驗結(jié)果進行一些探索，對實驗基本技能進行鞏固和掌握。同時，有2~3周開展專門的實驗時間。在人員配備方面，采用專業(yè)課教師和實驗室教師結(jié)合的方式，使每個實驗都有專業(yè)教師進行指導，以保證實驗的順利進行。
論文摘要：本文對虛擬實驗系統(tǒng)的特點做了介紹，指出了虛擬技術(shù)在實驗教學中的優(yōu)勢，并給出虛擬實驗系統(tǒng)構(gòu)建的基本思想以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，闡述虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學中的應用手段和方法。
實驗一直都是與教學息息相關(guān)的重要活動之一。它可以使學生更好地感受、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。實驗不僅能幫助學生鞏固理論知識，提高通過實驗手段探索科學知識的能力，還能激發(fā)學生探索未知世界的興趣，增強創(chuàng)新能力。然而，當前實驗方面存在的諸多難題卻嚴重限制了教學質(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生同時進行實驗的需要。為了緩解實驗教學的壓力，提高實驗教學的質(zhì)量，可以采用虛擬實驗系統(tǒng)來輔助實驗教學的開展。
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 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，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，讓讓學生實現(xiàn)從感知到理解的過程，一直是研究教學型虛擬實驗系統(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語言建立復雜的三維模型是相當煩瑣的，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，對于復雜場景則采用3DsMAx建模后以VRMI，文件格式輸出。當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，這時候檢測器實際上是檢測用戶對于鼠標的各種操作動作，如鼠標的單擊、指向、拖動等等，從而場景做出相應的反應。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，對象做出相應的反應，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中之后，用戶應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、虛擬實驗教學應用的優(yōu)勢
從虛擬實驗的技術(shù)優(yōu)勢和實驗教學的現(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習全部開放給學生，學生可以利用系統(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：教師的指導性意見、學生的交流信息和實驗故障和誤差分析等信息資料，可以幫助學生在實驗課程總結(jié)和復習中取長補短、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。針對目前實驗教學需要跨學科、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模式的擴展提供了技術(shù)準備。
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)學習和交流的目的。在實驗教學中，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、學生。三種身份是針對學習者而言的：實驗課程參與者、遠程實驗課程學習者、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
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（1）創(chuàng)建藝工結(jié)合開放式實踐教學網(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)；包含本科生科研訓練管理、實驗室開放項目管理、學科競賽項目管理 3 個子系統(tǒng)的大學生創(chuàng)新計劃管理模塊。
（2）構(gòu)建“三層次、五模塊”的實踐教學體系。建立基于網(wǎng)絡(luò)管理的“基礎(chǔ)實驗技能訓練”“專業(yè)綜合能力訓練”和“設(shè)計創(chuàng)新能力訓練”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）能力實訓集成創(chuàng)新實踐（創(chuàng)作、研究開發(fā)）”五模塊的實踐教學體系。
（3）夯實基礎(chǔ)，強化創(chuàng)新，多方位拓展和豐富實踐教學內(nèi)容，重塑學生知識結(jié)構(gòu)。創(chuàng)建本科生科研訓練、實驗室開放和學科競賽項目，并將其作為實踐教學的重要內(nèi)容。積極開展項目教學，推進產(chǎn)學研合作。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)學研合作的“大實踐”平臺。將相關(guān)實驗室和工作室、大學生創(chuàng)意工廠、市級實驗教學示范中心、校級科研和學科競賽基地等校內(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、各教學部門、項目負責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)。
