虚拟实验设计论文

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虚拟实验设计论文范文第1篇

一、网络虚拟实验室的建立

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).

[2]蒋光明.基于互联网的开放式虚拟实验模型研究.西南师范大学学报(自然科学版),2002(3).

虚拟实验设计论文范文第2篇

【关键词】自动控制理论;LabVIEW;实验系统

【中图分类号】G420 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)08―0139―04

一 引言

高等教育的质量与国家现代化建设密切相关,其中良好的教学实验设计对于人才的培养有着直接的影响。《自动控制理论》课程作为电气、自动化专业的一门重要的专业基础课,是联系前期基础课和后续专业课的桥梁。如何借助于实验课的辅助教学,生动、形象地帮助学生理解基本概念、建立理论与实际相结合的观点、培养大学生的初步工程实践能力,符合高校培养具有创新实践能力的高素质人才的需要。

LabVIEW是由美国国家仪器(NI)公司推出的一种使用基于图形化编程方式的虚拟仪器软件开发环境。具有直观易学、编程效率高,与Internet方便链接等特点。通过改变、增减系统的功能、可方便地扩充系统的复杂性,能为各层次学生提供广阔的实验与实践空间。为此,建立基于LabVIEW的自动控制理论实验平台,开展设计性、综合性较强的系统实验设计,不仅有利于通过直观形象的实验图形与结果激发学生的学习兴趣,而且对于全面提升学生动手构建物理系统和软硬件调试的综合能力具有重要意义[1-2]。

二 实验系统设计

近年来基于计算机技术的实验系统,作为一种工程、教学辅助工具,在简化问题、节约成本、缩短调试周期等方面特点突出,有利于发展学生借助计算机解决问题的能力。传统实物模拟实验,由于外部条件变化对实验结果及信息的影响不同[3],则对于学生发现问题、通过理论联系实际综合解决问题能力的培养具有不可替代的作用。目前,远程实验的开展也逐步获得关注重视。基于以上分析,所设计的LabVIEW自动控制理论综合实验平台,其系统结构如图1所示,可以融合以上三种实验模式的优点,力图通过交替互补,以不同的实验要求,通过设立资源学习、任务驱动与探索学习这三类学习模式,全方位提升学生的实验理论与技能。

1 仿真实验

LabVIEW在数据采集、工业控制等应用领域提供了一个功能强大、方便灵活的虚拟仪器的集成开发环境。降低了环境干扰和系统误差对测量结果的影响,改善了以往费时、费力的实验过程,便于学生集中精力对结果进行分析。

以非线性系统的描述函数法为例,图2为非线性系统框图,其中线性部分的频率特性函数为 ,非线性部分的算子以 表示。如何求取非线性系统的描述函数并进行分析,由于其独特的复杂性与抽象性,一直是自动控制理论教学的难点,理论计算繁琐,实验研究费时。

为此,采用基于图形化的计算机仿真的方法通过对非线性、线性环节的类型、参数进行选择,而后设定分析的频率范围、初值、步长、循环次数等,可有效避免繁复的频率调整、计数、描点等工作,迅速获取系统的幅相特性曲线。友好的仿真实验界面如图3所示。

设定线性区宽度 ,饱和特性信号限幅 后,输入到实验室开发的如图3所示的仿真实验系统界面,运行后,即可获取如图4所示的对应的幅相特性曲线图。

这样,利用仿真实验,学生可以灵活设定仿真条件,方便、省时地实现对各种非线性环节描述函数的求取与直观分析,达到了对抽象的非线性理论概念进行直观理解的目的。这部分内容,设定了2学时由教师讲解LabVIEW的基础知识,安排4学时课后时间用于相关资源学习。

2 模拟型实物实验

NI公司提供的ELVIS实验平台将DAQ硬件和LabVIEW软件组合成的一个定制灵活的教学实验平台。通过DAQ捕获实际系统中真实的物理信号,并输入到计算机中,而后利用LabVIEW编制相应的应用软件实现数据的监测、记录、显示及分析,可以简化实验数据获取及后续数据处理等过程。

目前本实验平台针对实物模拟实验设立了演示实验[4]和学生设计实验两部分。演示实验包括RC电路暂态电压变化实验、数据采集及滤波处理实验以及直流电机转速测控实验。通过演示实验的展示与讲解,以帮助学生逐步掌握NI ELVIS实验平台的使用与开发流程、技巧,为后续进行独立实验设计与研究奠定基础。而后,结合基于LabVIEW编程后提供的内置函数发生器和示波器等检测分析仪表,配合ELVIS提供的实验面包板,要求学生独立在实验板上通过模拟运放电路的搭建,完成二阶系统时域响应、典型环节频率特性、系统串联校正等实物模拟实验,并与理论分析值进行比较、分析。此处设定为任务驱动型学习方式,课内保留4学时用于提问、测试、成绩评定。

如图5所示,为求取典型积分环节频率特性而构建的模拟实验电路。

图5中运算放大器采用op07,输入正弦信号 ,其幅值 及频率 可调。当调节正弦信号幅值 过大时,系统可能进入运算放大器的饱和非线性特性工作区域,系统输出 信号则会输出周期畸变信号; 当调节正弦信号幅值 过小, 静电感应电压对系统输出 信号的叠加影响不可忽略, 会影响输出 信号测试的准确度(此处,可引导学生对信号处理方法进行思索、研究)。仅当调节正弦信号幅值 处于适当范围内,输出 才可清晰获取同频率的正弦信号。针对这一现象,与1节中虚拟仿真实验积分环节频率特性的求取方法进行对比,提出问题1:仿真实验与模拟型实物实验的区别与联系?问题2:确定一个环节是线性还是非线性的原则是什么?问题3:理论与实践的相互作用关系在科学研究中是怎样的?以此建立新旧知识的联系,激发学生的自主发现与探究意识,引发其解决问题的兴趣,鼓励其进行协作交流,进而形成自己对问题的独立见解,综合实践能力得到提高。

最后,考虑部分能力较强学生的实验需求及后续课程设计的需要,选购了8套球杆(ball balancer)系统作为被控对象。采用LabVIEW编制软件算法, 通过驱动程序控制伺服电机进行转速与位置调节,实现对此非线性、不稳定系统的稳定运行控制。这部分实验的设立为探索学习模式阶段,通过介绍难点的方式,引导学生深入思索、学习、探索前沿的控制方法。

3 远程虚拟实验

基于网络的远程实验室可以最大限度地实现实验资源的共享[5],因此本综合实验系统的设计也包含了这部分内容。远程虚拟仪器能从与Internet/Intranet相连的远端获得动态数据或将控制信号传送到远端,使在本地PC机上监控远端成为可能。远程虚拟实验不仅提高了实验设备的利用率,而且方便学生灵活安排实验时间,强化了学生的主体作用,同时有利于教师进行实验过程的管理,实现了利用网络进行资源交互学习等目的。

利用LabVIEW软件设计构建的网络虚拟实验室具有易于开发,投资少,扩充方便等特点。在LabVIEW 开发环境中,有多种方式可以方便实现远程数据的采集和仪器控制,主要有:基于NI公司的远程设备访问(remote device access, RDA)技术,可通过分别配置RDA Server和RDA Client实现网络内部的共享采集设备数据;功能强大、但开发将对较复杂的适用于较大规模网络实验室的DataSocket数据共享技术;简便、易学的基于WEB Publish的远程前面板(Remote Front Panels)技术。

考虑实验规模不大及时间限制等因素,本实验室选用了基于WEB Publish的远程前面板(Remote Front Panels)技术,构建B/S模式远程实验系统。远程前面板技术是把一个VI的前面板直接嵌入到Web网页中,并具有自动更新功能。此外,通过授权,不仅可以使得客户端能观测到一个动态刷新的实时画面,而且还可以对前面板进行远程控制。

考虑到一台实验设备在某一确定时间段内只可以由一个用户进行实验控制,因此,需要设定教师管理员进行实验预约管理。学生通过客户端注册登录后,在预定时间内享有对实验室内指定编号实验平台的控制权限。后续计划针对大四学生和研究生采用大作业形式,征集优秀的实验预约管理方案,取消人员管理,实现科学、高效的自动远程实验预约、监控、实验记录等管理功能。

三 结束语

基于LabVIEW技术开发的自动控制理论综合实验平台,通过设定仿真实验、真实模拟实验和远程实验互相结合与补充,不仅提供了丰富的计算机与网络学习资源,而且注重实验设计的智能化与真实性的协调统一,实现了实验设计的简易性、综合性和灵活性。通过关注实验过程,改变了传统教师讲授的单一模式,不仅便于学生形象理解和掌握与课程相关的知识点,促进学生的编程能力与动手能力的提升,而且使其自信心获得提升。这些都将助力学生从理论学习向实践研究进行跨越式转变,为探索培养具有创造力与创新性的当代大学生教育进行经验积累。

参考文献

[1] 张桐,陈国顺,王正林.精通LabVIEW程序设计[M].北京:电子工业出版社,2008:2-5.

[2] 袁浩,朱畅,陈志敏.基于LabVIEW的自动控制仿真系统设计[J].实验室研究与探索,2006,25(4):457-459.

[3] 沈亦红.论物理虚拟实验与真实实验的互补作用[J].中国电化教育,2004,210(7):42-44.

[4] 杨智,袁媛,贾延江.虚拟仪器教学实验简明教程-基于LabVIEW的NI ELVIS [M].北京航空航天大学出版社,2008:90-108.

虚拟实验设计论文范文第3篇

论文摘要：本文对虚拟实验系统的特点做了介绍，指出了虚拟技术在实验教学中的优势，并给出虚拟实验系统构建的基本思想以及系统结构，阐述虚拟现实技术在实验教学中的应用手段和方法。

实验一直都是与教学息息相关的重要活动之一。它可以使学生更好地感受、理解知识的产生和发展过程，让枯燥的理论知识变得形象，易于理解。实验不仅能帮助学生巩固理论知识，提高通过实验手段探索科学知识的能力，还能激发学生探索未知世界的兴趣，增强创新能力。然而，当前实验方面存在的诸多难题却严重限制了教学质量的提高。如实验成本过高，进行实验的仪器和设备往往代价昂贵，实验材料也比较贵，而且有些实验仪器损耗较大，需要经常更新。而许多学校在实验经费上又捉襟见肘，要么是实验配套的设备和仪器不完善，要么就是仪器设备陈旧过时。即使有完善的较新的实验设备，传统实验在空间和时间上的限制也可能无法满足大量学生同时进行实验的需要。为了缓解实验教学的压力，提高实验教学的质量，可以采用虚拟实验系统来辅助实验教学的开展。

一、虚拟现实技术

虚拟现实技术 (ⅥrnJal ReaJ时，简称 vR技术)出现于 20世纪 60年代，随着处理器技术的大幅度提高以及图形绘制技术、数字信号处理技术、传感技术的发展，近几十年来在国内外形成了对虚拟现实的研究热潮。

虚拟现实系统提供了一种先进的人机界面，它通过为用户提供视觉、听觉、触觉等直观而自然的实时感知交互的方法和手段，最大程度地方便用户的操作，从而减轻了用户的负担，提高了系统的工作效率。虚拟现实技术具有 3个突出特征：沉浸性、交互性、想象性。

虚拟现实系统由两部分组成：一部分为创建的虚拟环境，另一部分为介入者。虚拟现实的核心是强调两者之间的交互操作，即反映出人在虚拟环境中的体验。我们可以给出如图 1的虚拟现实的概念模型。

二、虚拟实验系统

1．虚拟实验系统的特点

(1)共享程度高。虚拟实验系统不同于传统实验在地域和时间上的限制，它不仅可以接受本地用户的访问，有访问权限的异地用户也可以使用系统。并且也无需考虑使用时间的问题，实验者可以随时进行实验。虚拟实验系统为用户提供了一个可以在任何时间、任何地点访问的实验环境，极大地提高了信息与实验资源的共享程度。

(2)强大的交互能力。为了向用户提供一个逼真的实验环境，虚拟实验系统往往都具有强大的交互能力，实验者和虚拟实验对象之间可以通过鼠标的点击或者拖曳操作进行交互，实验者可以实时地观看实验现象和实验结果。

(3)支持协作。虚拟实验系统提供了多种方式来完成用户间的信息交流。

2．虚拟实验系统的建模

如何构建教学型虚拟实验系统，使其能够拥有丰富的实验内容表现方式、提供形象生动的实验内容，让让学生实现从感知到理解的过程，一直是研究教学型虚拟实验系统的热点问题之一。

虚拟实验系统的构建是将多种技术综合运用，首先构建实验过程所需要的各种仪器设备，对于场景进行建模。三维虚拟场景模块的建立是以某一实景为基础的，因此在虚拟场景建模之前需要对实验室环境进行实地考察并对建筑物进行筛选，从而构建具有真实感的实验环境。对于仪器设备完全用Ⅵ ML语言建立复杂的三维模型是相当烦琐的，而且建模方法缺乏直观性，而3DSMAX强大的三维建模功能以及对具有转换为V文件格式输出的功能，使其在三维虚拟场景中广泛应用。我们在实际的建模过程中根据要建立模型的特点选择建模方法。简单模型，直接采用VRML中简单几何体拼贴纹理的方法，对于复杂场景则采用3DsMAx建模后以VRMI，文件格式输出。当然在虚拟实验的建模过程中的庞大建模工作量对软件的建模效率以提出了很高的要求，于是，在该建模过程中我还采用了高效的照片建模软件Canoma，Canoma是MetaCreations公司 (即现在的Vie、vpoint公司)的软件产品，利用它可以让我们无需建模，即可直接从一张或几张照片制作三维模型，因为使用真实照片直接生成三维模型，所以效果非常真实；而且CaIloma可生成网络使用的VRM，文件格式。为了能够反映真实仪器设备的特性，有时还采用FLASH技术来达到仪器设备外观的逼真性，并提供一些基本的交互。

3．虚拟实验系统中的交互

交互性是虚拟实验系统中的一个重要问题。一类是用户在浏览场景的时候，主要的输入设备就是鼠标，这时候检测器实际上是检测用户对于鼠标的各种操作动作，如鼠标的单击、指向、拖动等等，从而场景做出相应的反应。检测这类动作的监测器是接触型监测器。描述这类监测器的节点有接触监测器节点TouchSensor以及PlaneSensor节点、SphereSensor节点、CylinderSenS0r节点；另一类是用户和场景中某对象接近的程度，对象做出相应的反应，使得用户和虚拟对象之间形成交互。

将所有仪器设备成功地加入到场景当中之后，用户应该可以随意地拿起自己需要的实验器材进行实验，所以要提供用户选取实验器材的接口。当用户在选择某件仪器，为了提供给用户选择的接口，我们在实验仪器原型中设计了供用户选择的按钮。如果选中时就可以点击按钮“tal(e ，无需使用就只要点击“放回”按钮。由于用户需要与系统进行交互，同时系统需要根据用户的选择与后台数据库进行通信，因此我们使用Java Applet。Applet具有 良好的网络传输透明性，图2显示了浏览器通过Appl 访问数据库的整个过程 。

三、虚拟实验集成的系统结构

1．软件程序集成

软件程序是虚拟实验系统的重要内容，是系统的灵魂所在。在虚拟实验系统中，我们将软件程序部分按照层次化和模块化的设计模式进行集成。集成化的软件程序依据集成度的大小分为不同层次的模块，分属不同层次的模块充分体现了整体和部分的关系，各模块都可以看成是下一层次多个模块集成的整体，每一个模块又都可以看成是上一层次模块中的一部分，各层次之间互为整体和部分的关系为系统结构构架提供了灵活的方式。

2．系统功能集成

系统功能集成是建立在软件程序集成的基础之上的，系统功能集成是系统结构集成的重要体现，系统结构的有效集成度是系统功能集成的重要基础。在虚拟实验系统中，软件程序的集成保证了系统功能在不同层面上的集成度和在各层面之间的灵活性。以不同集成度来形成的系统功能整体在系统构建、修改、维护等方面起到了重要的结构化支持作用。

3．仪器软面板集成

仪器软面板是虚拟实验系统的重要特色之一。在传统实验系统中，仪器设备一般会自带一个显示屏，以及相关的操作组件和按钮来形成一个操作面板，这个面板的形式以及各组件和按钮的功能是固定的，不能修改和设置。在虚拟实验系统中，各种仪器设备的操作面板集中显示在计算机的显示屏幕上，这种面板由软件程序来形成和设置，由键盘、鼠标以及其他的外部输入设备来控制，面板的形式以及各组件和按钮的功能可以根据需要自定义，可以将多个仪器的面板组合在一起，也可以将某一个仪器的面板简化。仪器软面板形式和功能上的这种灵活性正是系统集成度的体现。

4。网络集成

网络的出现使得分布式结构成为可能。在虚拟实验系统中，我们通过网络可以突破时间和空间的限制，将更多的协议方和操作方以一定的集成度集成在一起，共同完成实验项目。我们在谈集成性的问题的时候，一定是和相应的分散度联系在一起的，就如同整体和部分之间的关系，每一个整体都可以看作更大的整体的一部分，而每一个部分又都可以看成更多小部分的整体。网络的分布式保证了系统结构的集成性。

四、虚拟实验教学应用的优势

从虚拟实验的技术优势和实验教学的现状需求出发，其优势主要体现在以下几个方面：

1．资源开放

从虚拟实验的技术实现角度来看，实验教学中的有效资源全部开放，这使得实验项目从开发到操作，再到后期数据处理与实验课程的复习全部开放给学生，学生可以利用系统软件程序模块和实验项目设计模板等帮助实验设计方案的形成与开发；利用数据分析与处理工具包进行实验数据的分析与处理，获得规律性认识：教师的指导性意见、学生的交流信息和实验故障和误差分析等信息资料，可以帮助学生在实验课程总结和复习中取长补短、巩固知识。

2．组织形式开放

虚拟实验将实验资源、实验项目开发和实验操作等网络化、平台化，因此实验内容、时间以及地点等组织形式是开放的具备可选择性。针对目前实验教学需要跨学科、跨地域、多项实验同时开展等现状要求，虚拟实验所具备的组织形式开放性为实验教学模式的扩展提供了技术准备。

3．对象开放

虚拟实验的网络功能能够根据不同的对象设置不同权限的系统身份，实验参与人员各取所需，实现学习和交流的目的。在实验教学中，对象的身份基本分为三种层次和三种身份。三种层次指的是系统管理员、教师和技术人员、学生。三种身份是针对学习者而言的：实验课程参与者、远程实验课程学习者、实验爱好和探索者。

五、总结

本文将虚拟现实技术引入到实验教学环节中，这在一定得程度上提高了实验的开放程度，降低了实验的成本，较好地激发了学生对于实验环节的兴趣和主观能动性，但在虚拟实验设置过程中的交互问题仍是一个值得探讨和研究的主要问题。

参考文献

【l】徐学军．高校实验教学要加强学生创新能力的培养【J】．经济师，2004，(4)．

【2】徐婷．教学型虚拟实验通用平台的研究与应用【D】．重庆大学学位论文，2006．11．

【3】朱敏．虚拟实验与教学应用研究【D】．华东师范大学博士学位论文，2006．6．

虚拟实验设计论文范文第4篇

论文摘要：在RC电路中，当电容两端有电压时，关闭开关，通过计算机观察电流通过电阻，在RC电路中电压随时间的变化规律与理论情况比较。实验以RC电路为基础，通过声卡使计算机与实验结合，用CoolEdit软件进行录音，最后通过数学软件MATLAB对图形进行分析，将理论计算值与实际测量值进行比较，结果证实了RC放电的电压随时间的变化趋势。

1引言

本论文主要证明在RC电路放电时电压随时间的变化关系实验.

在RC电路中，当电容两端有电压时，关闭开关，电流通过电阻，此时电路中电压随时间的变化成何种规律。作者在一本教科书中发现前人已经得出结论，电压与时间的关系式是.作者通过实验测量出5个时间点的电压值与在相同时间点的理论值相比较，看两者是否接近或相等。

2设计原理及方法：

2.1RC电路放电原理：

电路的过渡过程是指从一种稳定状态转到另一种稳定状态所经历的变化过程，其变化十分短暂而且是单次变化过程。对时间常数τ较大的电路，可用慢扫描长余辉示波器观察光点移动的轨迹。对时间常数τ较小的电路，必须使这种单次变化的过程重复出现。为此，我们利用NE555方波发生电路输出的方波来模拟阶跃激励信号，即令方波输出的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；方波下降沿作为零输入响应的负阶跃激励信号，选择方波的重复周期远大于电路的时间常数τ，就可以观测电路的过渡过程.

在阶跃信号下，RC-阶电路的零输入响应和零状态响应分别按指数规律衰减和增长，其变化的快慢决定于电路的时间常数τ.

2.2时间常数τ的测定方法：

⑴根据-阶微分方程的求解得知

（1）

方程⑴为电容放电过程方程，其中U是放电前电容两端的电压.

当t=τ时，U0＝0.368U.此时所对应的时间就等于τ。其零输入响应的波形如图1测试电路如图2⑴所示.

⑵由零状态响应波形增长到0.632U所对应的时间就等于τ。其测试电路及波形如图2⑵和图3所示.

⑶微分电路和积分电路是RC一阶电路中较典型的应用电路，它对电路时间常数τ和输入信号的周期T有着特定的要求.

RC串联电路，如果满足τ＝RC<<T/2（T为方波脉冲中的重复周期），且由R端作为响应输出，这就成了一个微分电路.

（2）

由式（2）可知：电路的输出信号电压与输入信号电压的微分成正比，电路如图4⑴.

将图4⑴中的R与C位置调换一下，即由C端作为响应输出，且当电路参数的选择满足τ＝RC>>T/2条件时，则称为积分电路.

（3）

由式(3)可知：电路的输出电压与输入电压的积分成正比，电路如图4⑵.

2.3实验仪器与软件介绍

声卡是多媒体技术中最基本的组成部分，是实现声波／数字信号相互转换的一种硬件.在一块声卡上有晶振，AD/DA转换芯片和数字处理芯片及其他辅助电路.因此，它可以作为数据采集卡使用，不过被采集号的频率被限制在音频范围之内.设定了采集频率，采样位数，缓冲区大小之后，再利用声卡的DMA方式进行数据采集工作。利用LabWindows/CVI环境下，借助硬件驱动程序对声卡的采集频率，采样位数，缓冲区大小等分别进行控制，根据用户的需要调整波形显示，进行波形分析，从而构成功能强大的虚拟存储示波器.

CoolEdit软件与外电路是通过声卡的连接,当外电路的开关关闭再打开,在CoolEdit软件的界面会显示出电压与时间的关系图形.将图形剪切下来,与.mav的文件形式储存起来.

MATLAB是数学软件,主要用于对图象的研究,精确度较高.

2.4实验设计方法

（1）设置声卡

①打开声音高级控制.

图5

②选择录音属性，打开录音音量控制面板，将输入方式选成Line。

③关闭不必要的声音特效，以免左右声道互相干扰。

④如果无信号时背景噪声较大，可以尝试将一些选项静音，特别是CD音频。

⑤调整输入和输出的平衡，可借助示波器部分和信号发生器部分实现。

这时信号是从LineIn口输入的.在输出音频信号时,输入口是没有信号的.

如果使用其他声卡,可参照以上步骤设置.注意使用万能声卡驱动程序或自带驱动程序,不要使用Windows带的驱动程序.如果仍无法正确工作,可换一个驱动程序试试.可能出现的情况:

a声卡上没有LineIn口,只有MIC口,在一些廉价主板集成的声卡上会有这种情况,因为MIC口通常是声道,也就是示波器只能单踪工作.

b打开信号发生器,示波器上同时显示波形,这是输出反馈到输入端造成的,可修改各项设置.

(2)在实验线路板上选取R=5kΩ,C=10μF组成如图2所示的RC充放电电路.NE555信号发生器输出的方波信号电压U=1.5V,频率f=1kHz,将自制电缆线Φ3.5立体声插头插入声卡的LineIn,另一边接到实验线路板上的激励端口所在位置.

(3)在虚拟示波器上观察激励与响应的变化规律,来测时间常数τ,通过调整虚拟示波器界面上的增益、时基和网格按钮,可清晰地观测RC的响应曲线,并可计算出时间常数τ.对于R=5kΩ,C=10μF的RC响应曲线如图6所示.

图6

(4)适当地改变电容或电阻值,观察波形变化情况,记录观察到的现象.

①选取R=10kΩ,C=10μF,观察并绘制响应的波形,继续增大C之值,定性地观察响应的影响.

②选取R=15kΩ,C=20μF,组成如图4(1)所示的微分电路,在同样的方波激励信号作用下,观测并绘制激励与响应的波形.

3数据分析电压时间

实验所测得电压随时间变化曲线如图7

4实验结果分析

①通过计算在相同时间点电压理论计算值与电压实际测量的结果的比例进行比较,我们可以发现相同时间的电压比值几乎相等,作者在通过改变R与C的值发现相似的结论,由此可以证实前人研究.

②本实验精确度较高,但难免有误差的出现,首先在截图时,很难从电压最大值开始截取;其次在用MATLAB对图形进行处理时,很难在特定时间内找到所对应的电压值点,作者因此选取在此附近的点,由此产生的误差可达到万分之一.而且用声卡测试仪器时,难免有噪音的的影响.

③声卡测试仪器的优点:可以将电路与计算机连接在一起,并截取录音,传送给计算机处理.

声卡测试仪器的局限性:容易受外界环境及本身其他的功能影响.

5结束语

本实验室属于计算机应用实验，难度较高。实验要求会使用CoolEditPro2.0，MATLAB6.1等软件,熟悉声卡的原理，计算机基本知识及物理原理等等.在此应该特别感谢鲁晓东老师,胡依杰同学及费芬同学对我的帮助,他们帮助我找到很多关于这方面的资料.在此次实验中证实前人已经得出的RC电路放电电压变化规律，即电压与时间的关系式结论.

参考文献

虚拟实验设计论文范文第5篇

[关键词]教案；学案；双案；虚拟实验；教学设计

[中图分类号]G420　[文献标识码]A　[论文编号]1009-8097(2012)01-0113-06

一、引言

化学实验是化学教学中的一个难点，也是培养学生化学能力的重要途径。为了更好地实施教学，编写教案就成了上好课的关键步骤之一，但是传统教案在教学过程中存在注重教材内容而忽视学生实际情况的缺点。为了弥补其不足，近些年提出了“双案”教学。随着网络教学的普及和信息技术的发展，虚拟实验进入了课堂教学，但是关于虚拟实验的教案设计凤毛麟角，其“双案”教学设计更是空白。在虚拟实验教学日益普及的今天，教师该如何利用虚拟实验进行教学，使虚拟实验贯穿于整个教学过程的始终，而不是仅仅作为教师演示的工具呢?笔者认为虚拟实验“双案”教学势在必行。

二、传统教案现状分析

教案是教师为顺利而有效地开展教学活动，根据教学大纲的要求，以课时或课题为单位，对教学内容、教学步骤、教学方法等进行具体的安排和设计的一种实用性教学文书。教案也称课时计划，通常包括：班级、学科、课题、上课时间、课的类型、教学方法、教学目的、教学内容、课的进程和时间分配等。教案在教学中起着非常重要的作用，但是在提倡素质教育的今天，单一的教案教学存在一些不能忽视的问题，笔者在进行大量文献分析的基础上，将出现的问题归纳如下：

1.教案的设计注重对教材内容的梳理，很少考虑学生个体学习情况

传统教案是教师在精心分析教材内容的基础上对知识结构、教学内容顺序及其教学过程制定的一个实施方案。教案注重教师对知识内容的梳理和组织，但忽视了教师对学生个体情况的考虑。教案导致教师在实际的教学过程中形成了“满堂灌”，只注重“教”的过程，忽视了学生“学”的效果及接受消化知识能力的差异。“满堂灌”教学容易使学生形成优劣差距，优等生紧随其后，差生滥竽充数，使差生丧失对学习的信心。

2.教案的设计注重知识的传授，缺少对学生参与活动的设计

在应试教育的影响之下，教师教案的设计只是为了能够很好地完成教学任务，达到教学目标，使学生考出一个好成绩就是教师最大的荣誉和收获。在设计教案的过程中，教师考虑的只是自身“教”的活动，很少设计到学生“学”的活动。教师是整个教学过程的主导者，忽视了学生的主体地位，使学生的主观能动性受到一定的限制，容易形成思维定势。但是在素质教育的今天，教师要传授给学生的不仅是知识与技能，更重要的还要培养学生“会学”的能力。教师不能只关注“学会”而忽视了“会学”。古人云“授人以鱼，不如授人以渔”说的就是这个道理。在整个教学过程中教师和学生处于同样重要的地位，教学只有通过学生积极主动的参与，才能使教师的“教”变得更加灵活。同时，也只有学生充分地发挥能动性，才能反映出教师教学能力水平的高低和教学效果的好坏。因此学生活动的设计可以帮助教师实现“因材施教”，而不是一个模式的固定教学。

3.教案设计忽视了教学中师生之间和生生之间的交互

在不少教案中，无论是师生之间还是生生之间的交互都较少设计到。原因大致如下：首先，教师为了完成教学进度忽略了交互的设计。应试教育要的是学生的成绩，教师的评估看的也是学生的成绩，所以教师的教学目的就是为了提高学生的成绩。其次，教师教学任务繁重，中小学教师每天都会有大量的教学任务，在自己有限的备课时间里很难去考虑较多的交互设计，只是为了明天的教学做点准备。再次，教师教案形式固定，很少变更，抄教案现象明显，写教案只是为了应付检查。种种情况导致了教师的教案缺乏对交互的关注，但是交互的作用又是教学不能忽视的，师生之间的交互可以让教师反思与变化教学，从而改进教师的教学。生生之间的交互能够体现学生协作与沟通的能力，互帮互助，使教学成效整体上升。

三、“双案”的提出

面对传统教案在实际教学中出现的一些弊端，在素质教育和新课改的背景之下，“双案”教学模式浮出水面。教案和学案合在一起简称“双案”，其中“学案”是指教师依据学生的认知水平、知识经验，为指导学生进行主动的知识建构而编制的学习方案。学案实质上是教师用以帮助学生掌握教材内容，沟通学与教的桥梁，也是培养学生自主学习和建构知识能力的一种重要媒介，具有“导读、导听、导思、导做”的作用。“双案”教学体现了双主教学的思想，要求以教师为主导、学生为主体，通过教师的引导使学生最大限度地参与到教学的全过程当中，充分地发挥学生学习的积极性、主动性、能动性等作用。“双案”教学教给学生的不仅是知识，更重要的是培养学生自主学习的能力。“双案”教学体现了教学过程中“学教并重”、“教学相长”的思想，并且是以建构主义理论、教与学的理论为基础的。

近些年出现了“双案”教学的研究，其中“单元‘双案’教学模式的研究及在高中物理课程中的试用”、“高中地理‘两案’设计与实施策略研究”等文献对“双案”教学做了比较全面的分析和研究。上述文献对“双案”在教学过程中的应用和实施做了较好的设计，图1、图2是其设计的模式结构图：

从图1和图2中可以看出，两种模式都体现了学生的主体地位，体现了学生自主学习的因素，这是二者共同的也是值得借鉴的地方。但是图1将教师的作用减轻了，重头戏放在了学生的自学上，忽视了教师的主导地位，教师的作用只体现在师生共探环节。图2中教师和学生的联系较图1紧密，但是学生的自学发生在课前，形成教案和学案的脱节，也就是没有将教案和学案统一地应用在教师的整个课堂教学过程当中，教师的主导作用仍然不够。但是任何形式的学习都离不开教师的引导，特别是对学习定向还很不明确的初中生来说更是如此。教师是学生学习的引导者、促进者，没有了教师的引导，学生的学习只会走弯路、走远路，还有可能形成事倍功半的反效应。要想实现高效率的学习，必须将教师的教和学生的学相统一整合。笔者在借鉴前人研究“双案”教学的基础之上，对虚拟实验环境下的“双案”教学提出了图3所示的教学模式。

这里对虚拟实验环境下的“双案”教学模式的意义进行简要说明。首先，它将教师的主导地位和学生的主体地位都体现了出来，学生的学习是在教师的引导和组织之下进行的，避免了学生自学时的盲目性。其次，教学中对实验的观察、训练和对问题的探索、分析和总结都是在学生操作实验的过程中形成的，充分发挥了学生的主观能动性。再次，教师的教和学生的学是在课堂中发生并完成的，教师能够随时解决个别学生的个别问题，这样对教师的教学也有一定的促进作用。最后，在教学过程的设计中还加入了小组学习的形

式，可以对差生的学习起到一定的帮扶作用。

四、氢气还原氧化铜虚拟实验“双案”设计案倒

“氢气还原氧化铜”虚拟实验的设计是按照教师为主导、学生为主体的思想进行的。在整个设计过程中吸取了以往虚拟实验设计的优点，并且弥补了其缺点。实验包括教师、学生、管理者三大模块。教师模块是针对教师的教进行设计的。学生模块是针对学生的学进行设计的，其中包括实验准备、实验操作、实验报告填写、实验报告批改查询、实验作业、实验拓展等内容。管理者模块主要负责虚拟实验平台的后台管理。我们的虚拟实验不是一个简单的演示模块，它是一个全面的、系统的实验平台，在学生操作实验的过程中会动态地记录学生实验仪器和药品选择的结果、实验装置组装的结果、实验参数调整的结果、实验现象观察的结果、化学方程式书写的结果等内容。实验完成后增加了实验报告填写，其报告是半自动生成的(由学生在实验操作时完成且计算机自动获取并填写的客观部分和实验报告中需要手工填写的主观部分组成)。虚拟实验是在全面的教学设计分析的基础上进行的，虚拟实验设计架构如图4所示，虚拟实验截图如图5所示。

下面是“氢气还原氧化铜”虚拟实验“双案”教学设计案例：

教学过程：

1.导入新课

通过上节课的学习，同学们知道了氢气具有可燃性，那么氢气还有没有别的化学性质呢?我们知道任何物质的性质都不是单一的，就像是同学们一样，每个人的优点或特长都不是唯一的，那么这节课老师将和同学们一起去探索氢气的另一种化学性质，它的另一种化学性质究竟是什么呢?

2.学习新课

(1)情境创设，学生探索学习

教师展示虚拟实验平台中教师讲解模块中的实验演示部分(包括真实实验的视频录像和以往的Flas实验)，教师在展示实验、学生观看实验的情境创设过程中，对学生提出以下导向问题：

1)实验开始前，做了那些准备工作?

2)实验中做了哪些工作?观察到的实验现象有哪些?

3)实验完成后又做了哪些工作?

4)实验得出了怎样的结论?

演示观察完成以后，请同学们对以上问题做出回答?

(学生答：实验开始前仪器的安装、药品的取装……实验过程中有水珠生成……实验完成先撤酒精灯……等等)

(2)教师梳理知识并引导(教师主导)

教师根据同学们的回答，肯定正确的，纠正错误的，并将知识梳理如下：

1)实验中仪器的组装顺序及正确的位置

实验仪器组装的时候要依据从下往上，从左到右的顺序，试管要略向下倾斜，导管要通入试管底部并且要在药品的上方。(展示实验演示部分内容)

2)实验中药品的取装方法

实验中药品取出后先平放入试管口，然后倾斜试管使其慢慢滑入试管底部，并盖上药品盖。

3)实验过程中的注意点(真实录像和Flash演示都会有所提示)

先通氢气后加热。目的是排尽试管里面的空气，防止生成的铜继续被残余的空气氧化。加热之前要给试管进行预热，以防局部受热引起试管底部炸裂。实验完成后要先熄灭酒精灯，后停止通入氢气，以防铜被氧化。

4)实验现象

按照同学们的回答将实验现象总结如下：实验过程中黑色的氧化铜逐渐变成什么颜色的金属铜?并且观察试管壁前后反应的变化。

5)实验结果

通过实验展示，同学们会发现氢气具有还原性。下面请同学们自行操作。

(3)教师提供虚拟实验学习环境，学生进行虚拟实验操作。(学生主体)

同学们用自己的学号和密码进入虚拟实验学习环境后选择操作模块进行虚拟实验操作，操作过程中同学们要注意实验要点。并且实验过程会将同学们的主要实验操作内容动态地记录下来，希望同学们认真地完成实验操作。实验操作过程部分画面截图如图6所示。

(4)学生填写实验报告(学生主体)

学生在完成实验操作后进入实验报告填写部分，认真地填写实验报告，将你在做实验过程中遇到的问题和实验注意点认真规范地填写在实验报告中。部分实验报告填写内容已经在同学们做实验的过程中动态生成，无需填写。填写完成后请同学们提交实验报告。实验报告填写部分如图7所示。

(5)教师组织学生分组讨论(学生主体)

教师在确定了同学们的实验报告都提交完毕以后，将学生进行分组，进行小组协作讨论式学习。在讨论交流学习的过程中将遇到的问题的疑难点按照下面表1形式做总结。

教师在学生讨论的同时进行实验报告的批改，将实验报告中呈现的问题与同学们小组上交的学习问题归纳总结后一一做详细的讲解，以达到使每个同学都能领会和理解。

(6)教师组织学生温故知新(实验操作不做记录，学生自主学习)

为了达到同学们对知识和实验操作过程的全面掌握，请同学们再次进入虚拟实验学习环境进行学习。这次同学们从实验准备进入，依次进行学习，在15分钟学习时间内完成“实验准备”和“实验操作”的二次学习，达到温故而知新的效果。

(7)完成实验作业

同学们认真学习之后请完成实验作业并且提交，一天后查阅自己完成作业的情况。

(8)实验拓展，形成知识迁移

同学们在学习完了本节课的内容后学有余力的同学可以进入实验拓展部分进行兴趣学习，让同学们看到生活中的化学，看到化学给大家带来的五彩缤纷的生活，大家一起热爱科学，热爱生活，争取让科学带给我们更加丰富的生活。

(9)教师总结反思，修改教学

教师根据同学们掌握知识内容的程度和效率，对自己的教学进行一定的评估，并且写出自己的教学心得。每个教师面临的不是一个班，面对不同的班级，教师要从一个班代课的经验中总结后续教学的经验，也就是要具备“窥一斑而知全豹”的能力。教师课后反思按照下面表2形式做总结。

虚拟实验的“双案”设计既注重了教师的主导地位，又强调了学生的主体地位，在教师的整个教学过程中以学生的自主训练为主线，培养了学生自主学习、探索新知识的能力，并且在学习过程中加强了同学之间相互协作能力的培养。“双案”教学在课堂教学中的实施，不仅对学生进行了很好的引导作用，而且对教师完善自己的教学起到了很大的作用，有利于新课改背景下素质教育的进一步完善和发展。

基金项目：本文受教育部人文社会科学研究规划基金项目“初中化学网络综合虚拟实验教学平台的开发与应用研究”(编号：10YJA880182)的阶段性研究成果。