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高錳酸鉀制取氧氣是利用酒精燈、試管、鐵架臺、導管、集氣瓶、水槽等儀器，通過加熱高錳酸鉀制取氧氣，利用排水法來收集氧氣。學生不僅要掌握實驗原理、目的，實驗儀器和藥品的使用方法及注意事項，實驗步驟、化學方程式的書寫等內(nèi)容，還要培養(yǎng)觀察、分析能力和實踐操作能力。
（二）《高錳酸鉀制取氧氣》的實驗目的
（1）通過虛擬實驗中的文本展示工具，使學習者了解實驗目的、原理和方法。
（2）通過對虛擬實驗的操作，掌握藥品的選擇以及儀器連接的先后順序，能夠動手制取氧氣。
（3）通過對實驗過程、現(xiàn)象的觀察、分析實驗反應機制，加深對實驗的認知和理解。
（三）《高錳酸鉀制取氧氣》的虛擬實驗活動設計
學生要完成虛擬實驗首先需要安裝Secondlife客戶端，進入Secondlife虛擬環(huán)境，通過以下流程完成整個虛擬實驗。
（1）準備階段：學習者通過Secondlife提供的地圖工具搜索到虛擬實驗室地標并通過瞬間移動工具進入虛擬實驗室。
（2）實驗階段：學習者通過人-機交互選擇事先通過3D建模工具創(chuàng)建好的虛擬實驗儀器、藥品并通過資源工具查詢相關儀器的使用方法及實驗裝置圖，完成實驗儀器的裝置；點擊各個實驗儀器、添加藥品來完成實驗。
（3）評價反饋階段：教師根據(jù)學生提交的實驗報告和學習者的學習記錄對學習者本次實驗進行一個綜合評價，并將評價結(jié)果通過評價反饋系統(tǒng)及時反饋給學習者。
二、《高錳酸鉀制取氧氣》的虛擬實驗環(huán)境設計
本研究以《高錳酸鉀制取氧氣》為例設計的虛擬實驗環(huán)境。以實驗過程的設計為理論基礎從場景及模型設計、交互設計、支持工具設計、特效設計、評價設計這幾方面設計三維虛擬實驗環(huán)境。
（一）實驗環(huán)境的場景及模型主要虛擬教室、虛擬實驗室和儀器設備組成
虛擬教室由講臺、桌椅、多媒體系統(tǒng)、音響設備、電子白板、書柜、書、電腦組成，供學習者實驗后進行交流、報告、探究、形成實驗結(jié)論。虛擬實驗室主要由實驗環(huán)境、實驗操作臺、水池、藥品柜、滅火設備為為學習者完成實驗并獲取實驗數(shù)據(jù)。儀器設備主要是酒精燈、試管、鐵架臺、導管、集氣瓶、水槽、鐵夾、燒杯。藥品耗材主要是高錳酸鉀等。
（二）交互系統(tǒng)設計
（1）人機交互設計：在實驗中通過操作交互，學習者能夠感受到實驗設備的控制感和體驗感。在Secondlife中，利用創(chuàng)建工具可以實現(xiàn)簡單的“點擊”“移動”“坐在上面”等操作，Secondlife提供的林登腳本語言可以設置改變物體的性質(zhì)、運動方式、運動軌跡、對外力的反應等等，能夠較好地支持學習者的操作交互。
（2）交流工具：學習者在實驗過程中和老師、同伴交流的方式主要有在線的同步交流和異步交流。
（三）支持工具設計
實驗支持工具是指支持學習者完成實驗的所有工具，本研究的支持工具主要包括搜索工具、資源工具、實驗認知工具、評價反饋工具等。搜索工具主要是地圖工具和瞬間移動工具通過它們是搜索定位各種學習場所、用戶，并瞬間移動到目的地。資源工具包含Secondlife內(nèi)部資源和外部資源。內(nèi)部資源主要是3D瀏覽器；外部資源包括各大搜索引擎。這些工具可以搜索Secondlife內(nèi)部和外部各種信息資源實驗認知工具主要包括3D建模工具、拍攝工具、記事本工具主要為為實驗過程中學習者觀察記錄實驗現(xiàn)象、采集數(shù)據(jù)提供支持。評價反饋工具主要包括問卷系統(tǒng)（choicer、Quizchair）、學習記錄系統(tǒng)（Tracker）、Web-Intercom，為實驗后學習者自評、反思以及教師評價反饋提供支持。
（四）特效設計
在Secondlife中，通過粒子系統(tǒng)結(jié)合林登腳本語言可以營造煙霧、火焰、氣體、雪花等各種現(xiàn)象。在本實驗中酒精燈加熱的火焰、水槽里面的氣泡、集氣瓶中的氧氣、反應過程中的煙霧、藥品晶體的狀態(tài)變化等效果都可以通過粒子系統(tǒng)來實現(xiàn)。
1.虛擬現(xiàn)實技術
虛擬現(xiàn)實VR(VirtualReality)是近幾年來信息技術迅速發(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、人機接口技術、多媒體技術和傳感技術的基礎上發(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)絡虛擬實驗室
所謂網(wǎng)絡虛擬實驗室,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、有關的實驗儀器設備、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)絡并接入了互聯(lián)網(wǎng),這些基礎設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)站建設相聯(lián)系;另一個是網(wǎng)站的內(nèi)容(實驗內(nèi)容)建設,這是實驗室建設的關鍵。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。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、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,提供相關的實驗報告模板,供學生下載,由學生填寫相關內(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條件,可不斷增加。計算機專業(yè)網(wǎng)絡虛擬實驗室系統(tǒng)的建設,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。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)絡虛擬實驗室的建立,可以很好地解決目前硬件設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)?、一絲不茍的科學實驗作風。
參考文獻
[1]王嗣源.虛擬實驗室建設的初步探討.西安郵電學院學報,2005(4).
2分層次設置實驗內(nèi)容,采用多元化教學方法
按照“扎實基礎、自主開放、鼓勵創(chuàng)新”的原則,大幅度調(diào)整實驗課程內(nèi)容和授課程序,以能力培養(yǎng)為主線呈漸進式銜接,按基本技能實驗(50%)、綜合設計性實驗(40%)、研究創(chuàng)新性實驗(10%)三個層次設置實驗項目,編寫與之相適應的基礎醫(yī)學實驗教學大綱和實驗教材,逐漸形成從宏觀至微觀、從形態(tài)至機能、從簡單至綜合、從基礎至臨床,縱橫相互聯(lián)系的實驗教學模式,以培養(yǎng)學生的科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力。同時,根據(jù)不同學科特點,采用多元化教學方法,最大程度提高學生的學習積極性和主動性[2]。基本技能實驗結(jié)合理論課教學,開設傳統(tǒng)的經(jīng)典驗證性實驗、基本儀器使用、實驗動物手術操作、實驗數(shù)據(jù)和圖形的記錄、采集和處理,訓練學生基本實驗操作和技能。綜合設計性實驗引導學生以“一個問題”為中心,綜合多學科知識點,從人體器官、組織細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)、遺傳特性、生理生化到疾病發(fā)生的分子機理、基本病理過程、藥物作用等多個角度來設計實驗,使學生以跨學科的思維方式建立整體的概念,增強學生對實驗現(xiàn)象的觀察與思考。設計性實驗讓學生選擇自己感興趣的題目,運用已學到的知識和技能,獨立設計并開展帶有研究性質(zhì)的綜合性實驗,搜集必要的實驗數(shù)據(jù)并加以分析,寫出實驗論文,以學術交流會的形式,討論各自的實驗結(jié)果,從而培養(yǎng)學生綜合思維能力及創(chuàng)新意識[3]。研究創(chuàng)新性實驗結(jié)合學?！按髮W生創(chuàng)新實驗計劃支持基金”,學生自行組織課外科研小組,在導師的指導下設計感興趣的小型科研課題,申請創(chuàng)新實驗基金或參加指導老師的在研課題。該實驗從實驗設計、科研實施、結(jié)果整理分析到論文撰寫,全部由學生獨立完成。2007年以來,我校7年制及5年制醫(yī)科各專業(yè)學生共獲得資助15余項,資助經(jīng)費達10萬元,公開發(fā)表科研論文28篇,獲得各種獎勵及發(fā)明專利20余項。以學生為主體、教師為主導的創(chuàng)新實驗,采取自主式、學導式、研究式的教學方法,學生接受了較全面、嚴格、系統(tǒng)的科研訓練,啟發(fā)了他們在科研過程中提出問題、解決問題的邏輯思維方式,提高了獨立工作和科研創(chuàng)新能力[4]。
3積極開展“第二課堂”教學活動,培養(yǎng)學生觀察問題、解決問題能力
開展“第二課堂”活動是中心實驗教學改革的另一大特色。富有內(nèi)涵的第二課堂活動,既強化了學生實習、實踐環(huán)節(jié),也提供了互動的師生交流空間,創(chuàng)造了學生自己動手、動腦的機會。通過引導學生參加社會活動,激發(fā)了學生積極探索的精神,縮短了學生與社會的距離。醫(yī)學昆蟲學課程教學中,采取了專題講授與社會實踐相結(jié)合的教學方式,結(jié)合所講授的專題,把學生組織成若干社會實踐小組,利用周末開展小型調(diào)研活動。學生們在輔導教師的指導下,走出實驗室,制訂醫(yī)學昆蟲調(diào)查、防治技術方案,在鍛煉學生動手能力和實際工作能力的同時,也培養(yǎng)了學生科研工作的能力及興趣。臨床藥理學將實驗課搬到工廠車間,讓學生現(xiàn)場親眼目睹制藥過程。人體解剖學在課余時間將學生組織成若干課外實踐小組,參與解剖技術室的尸體解剖與標本制作,使學生們在實踐中進一步學習掌握解剖學知識[5]。第二課堂教學活動的開展,既強化了學生實習、實踐環(huán)節(jié),也創(chuàng)造了互動的師生交流空間和學生自己動手、動腦的機會,有利于加強學生主動獲取知識和動手能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。2001級7年制臨床醫(yī)學專業(yè)趙菁同學,從大二開始,就參與了“河南省重點科技攻關基金資助項目”的有關課題研究。她提出的將物理和化學中有關載體模型的思想引入到生命科學領域的原理,在我省大中專院校尚屬首例。其研究課題“小鼠IFN-γ真核表達載體的構(gòu)建和轉(zhuǎn)染鼠腹腔巨噬細胞抗腫瘤效應研究”已在基礎研究中獲得了肯定的治療結(jié)果,可為臨床治療提供可靠的實驗依據(jù)。在大學學習的幾年里,趙菁同學將課余時間和節(jié)假日全都用在了科學實驗和科技制作上[6]。當中心開展第二課堂活動來發(fā)展學生的興趣和愛好時,趙菁就找來理工科的學生成立課外科研小組,常常領著小組成員研究生物、電子技術,搞科技制作,一項一項的創(chuàng)造發(fā)明問世,并連續(xù)在“挑戰(zhàn)杯”競賽中獲獎。在第二屆“挑戰(zhàn)杯”河南省大學生課外學術科技作品競賽中,《針劑破口器》、《新型解剖床》榮獲二、三等獎;在第八屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽中,《針劑破口器》榮獲三等獎;在第四屆“挑戰(zhàn)杯”中國大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽中趙菁同學主創(chuàng)的《河南醫(yī)美樂醫(yī)療器械有限責任公司》創(chuàng)業(yè)計劃榮獲銅獎;在第三屆“挑戰(zhàn)杯”河南省大學生課外學術科技作品競賽中,趙菁同學的兩件作品《解剖室空氣凈化裝置》和《便攜式電子防暈動裝置》分別獲得二等獎和優(yōu)秀獎。在校期間,她連續(xù)四年在全省、全國“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽和創(chuàng)業(yè)計劃競賽中獲獎,2003年被授予“中國大學生跨世紀人才獎———建昊獎”,2004年榮獲“青春中華―首屆中國青年文化周特別獎”,2005年8月被授予“第二屆中國青少年科技創(chuàng)新獎”,2005年11月被授予“首屆河南省十佳青少年讀書成才獎”,2005年12月榮獲“中國十大年度大學生創(chuàng)意人物入圍獎”,2006年2月榮獲“首屆河南省十大教育新聞暨教育新聞人物獎”,2006年6月獲得“鄭州市學習標兵獎”,截至目前,她已擁有7項國家專利,被譽為“學生發(fā)明家”[7]。2004級臨床醫(yī)學專業(yè)盧沛琦同學積極參與老師的科研活動,將所學知識與科學實踐結(jié)合在一起,利用第二課堂活動,在指導教師的帶動下順利完成一項科研內(nèi)容,其撰寫的科研論文《骨髓間充質(zhì)干細胞體外誘導為心肌細胞的實驗研究》,在2006年鄭州大學組織的學生科技競賽活動中,榮獲“鄭州大學學生科技創(chuàng)新與科技論文”一等獎。
4利用現(xiàn)代化教學手段,提高實驗教學質(zhì)量
中心將網(wǎng)絡信息技術引入實驗教學,建設了一批數(shù)字化、網(wǎng)絡化的實驗教學平臺。包括人體解剖學虛擬實驗室、數(shù)字網(wǎng)絡多媒體解剖學實驗室、數(shù)碼顯微互動形態(tài)學實驗室、多通道生物信號采集系統(tǒng)和機能學仿真實驗網(wǎng)絡教學系統(tǒng)實驗室等。各實驗室根據(jù)不同需求裝備相應的數(shù)字化網(wǎng)絡設備,使實驗室信息網(wǎng)絡硬件建設處于國內(nèi)高校實驗室領先地位。虛擬、仿真實驗軟件與實驗硬件配合,多媒體技術,網(wǎng)絡教學———三種教學手段,進一步強化了實驗教學效果。我們自行研發(fā)的一套局部解剖學虛擬教學軟件,利用虛擬的人體三維技術實現(xiàn)了“虛擬人體解剖”,學生通過鼠標、鍵盤等工具輸入相應的變量,進行逼真的人體解剖實驗,收到了良好的教學效果,受到學生和省內(nèi)外同行專家的一致好評[8]。借助校園局域網(wǎng)和中心網(wǎng)絡實驗平臺連接,應用現(xiàn)代化網(wǎng)絡信息技術,開辟了試驗項目網(wǎng)上預約、網(wǎng)上預習、網(wǎng)上復習、在線實驗等方式消除空間和時間上的障礙,培養(yǎng)學生利用計算機網(wǎng)絡平臺獵取本專業(yè)發(fā)展前沿信息和新技術的方法。在中心網(wǎng)站創(chuàng)建的局部解剖學虛擬實驗室、機能學網(wǎng)絡仿真實驗室、形態(tài)學網(wǎng)絡標本陳列館。由于網(wǎng)絡教學的個體性和交互性,極大地激發(fā)了學生的學習興趣、主動性與創(chuàng)造性。
5完善實驗考核方式,科學評價實驗教學效果
生物化學是一門醫(yī)藥學的必修課程，是研究生命物質(zhì)的化學組成、結(jié)構(gòu)及生命活動過程中各種化學變化的基礎生命科學。所以生物化學課程應盡量提前，但應在有機化學課程之后，或與有機化學課并進;是病原生物學、內(nèi)科學、人體解剖與組織胚胎學等專業(yè)的必修課程，因此應先打下較牢固的生物化學基礎，并盡量加重生化課的分量，同時避免后繼課程相關內(nèi)容的重復。生物化學以其理論性強、概念抽象、名詞繁多，各種代謝過程復雜繁瑣，堪稱生物學科中最抽象、最難懂的學科之一。如何激發(fā)學生的興趣，寓教于樂，使學生喜歡聽課，樂于參與，積極討論，學到知識，解決實際問題，這是我們在生物化學教學中始終關注的問題。在教師指導下，學生要學會主動培養(yǎng)自己發(fā)現(xiàn)、吸收新信息和提出新問題的能力，積極主動學習，在學習中發(fā)展個性和創(chuàng)造力。為此，我們在教學方法和手段等方面作了一些有益的嘗試，收到良好的效果。
1案例引起興趣，穿插前沿科研
長期以來，我國的基礎教育受應試教育的影響，使得進入本科醫(yī)學院校學習的學生大多數(shù)學習被動，學習自主性差，學習方法機械、呆板，對所學知識不求甚解，知識基礎不扎實、牢固［1］。首先我們的第一堂課，就要充分發(fā)揮教師的引導力，增加學生的興趣，提高同學們的主觀能動性。一些和生活相關案例可以引起學生較大興趣，可以通過課前提問或課后留問方式引起學生注意力。如血清中肌酸激酶同工酶的電泳圖譜用于診斷冠心病、轉(zhuǎn)氨酶用于肝病診斷、淀粉酶用于胰腺炎診斷等的原因是什么?乙酰膽堿酯酶抑制藥可以治療阿爾茨海默病的原因?講到DNA的二級結(jié)構(gòu)模型時，可由雙螺旋模型的提出者Watson和Crick講起，設問他們由此發(fā)現(xiàn)獲得了什么重要科學獎項，并可以借機講一下當時諾貝爾評獎時的小插曲:因論文太短致使評委間產(chǎn)生分歧，最終獲獎說明了科學發(fā)現(xiàn)主要在于其價值而非論文長短。教學效果取決于任課教師的水平，也與任課教師的嚴格要求密切相關［2］。本課程結(jié)合最新進展，涵蓋動態(tài)與前沿知識。介紹國內(nèi)外最新研究成果及歷年與生物化學發(fā)展相關的諾貝爾獎成果，適度地超越教材，查找教材以外的重大事件等必要教學資源并合理組織教學。比如我校老師研究的命運分子cNumb在原腸期胚胎中的表達情況及其基因和編碼蛋白的基本生物學特征，就是利用原位雜交技術檢測cNumb基因在原腸期雞胚中的表達情況，同時應用生物學軟件和在線平臺對cNumb基因及其編碼蛋白進行生物信息學分析［3］。以及碘－淀粉法、Bernfeld法和ESP－G7速率法3種方法檢測酸刺激前后唾液淀粉酶(SAA)活性及其活性比值的差異［4］，結(jié)合實驗課題讓學生對酶的特性有更好的理解。組織學生對研究熱點進行查找資料，了解基礎點，分組討論，解決教師預先給出的問題，或者讓學生自己發(fā)現(xiàn)問題，通過討論甚至爭論，學會分析問題并最終解決問題。鼓勵學生參加本科、研究生校內(nèi)外的學術活動，擴大知識面，開闊視野。
2重復重點內(nèi)容，引入PBL教學促進師生互動
生物化學分為三部分內(nèi)容，第一部分主要講述各種生物分子的結(jié)構(gòu)、功能以及相互作用，包括蛋白質(zhì)、核酸、糖復合物、酶、生物膜、真核生物基因組及線粒體基因組等;第二部分講述分子生物學部分，如基因信息的傳遞、基因工程的四大要素及實施要點、基因相關技術;第三部分講述細胞信號轉(zhuǎn)導技術原理及應用等。對于生物化學內(nèi)容繁多的特點，我們對于重難點內(nèi)容要重復教學，在同學腦中達到耳熟能詳，舉一反三，而基礎知識點到為止。為了達到這樣的效果，需要改變傳統(tǒng)課堂填鴨式教學的呆板模式，老師的角色要發(fā)生變化，從直接教給學生知識的“灌輸式”到教給學生如何學習的“自我學習式”，讓學生主動吸收知識、能獨立思考、分析問題。PBL(problem-basedlearning)教學模式即通過“提出問題建立假設自學解疑論證假設”的邏輯過程來讓學生主動獲取知識，學生為主體、教師為導向的小組討論式教學法，主要培養(yǎng)學生以解決問題為核心的發(fā)散性思維和主動學習意識，進而達到提高學生靈活運用知識的能力的目的［5］。通過互動式課堂教學充分利用學生的好奇心理，在對問題的好奇與求知欲中，增加學生對生物化學的興趣，在此過程中，學生由被動旁觀者變?yōu)橹鲃訁⑴c者。如設計一些關注點引發(fā)學生參與互動，如燙發(fā)的生化基礎是什么?磺胺類藥物的治病機理是由于酶的抑制作用嗎?課堂上運用PBL教學法，可以設置專題講座，把學生分為幾個小組，給出一個主題，每組成員分工合作，任務明確，每個人都是責任人。老師通過對每一環(huán)節(jié)的設定讓每個學生都參與其中，減少了“南郭先生”和渾水摸魚情況的發(fā)生。
3重點章節(jié)小結(jié)，設計思維導圖
糖代謝設定為動態(tài)部分的重點;酶促反應動力學中Km值和Vmax的計算與應用、生物氧化(生物能學)、物質(zhì)代謝的相互聯(lián)系和調(diào)控機制等設定為難點。每章重難點都組織學生自己小結(jié)，老師評定和總結(jié)，幫助學生建立完整的知識框架系統(tǒng)。生物化學眾多的動態(tài)反應記憶比較困難，如6－磷酸葡萄糖、ATP、乙酰CoA、NADH+H+、NAD-PH+H+等物質(zhì)的來源和去路，全酶、酶的活性中心、酶原的激活、氧化磷酸化、底物水平磷酸化、三羧酸循環(huán)、脂肪酸的β-氧化、半保留復制、不對稱轉(zhuǎn)錄。老師課堂上可以通過引導學生設計思維導圖，先把總的章節(jié)框架勾畫出來，再補充具體內(nèi)容，引領學生的思維，整理歸納，聯(lián)系整體，通過Flas或板書直觀表示。老師應當盡量在每次課、每一章，乃至整學期內(nèi)容都繪制出相應的思維導圖，以突出教學的重點、難點，理清知識脈絡，幫助學生有效地回顧和復習?？梢哉n前預習讓學生設計學習內(nèi)容的思維導圖，小結(jié)也可以用課堂考試形式，讓學生自己繪出內(nèi)容圖，或者布置課后作業(yè)讓學生自己選擇動態(tài)反應，如三羧酸循環(huán)制作Flas，并進行課堂展示，考查學生歸納記憶、理解掌握知識的能力。每章都進行小結(jié)，但每一部分的小結(jié)書寫的思路、側(cè)重點各不同，單元小結(jié)和課程小結(jié)在知識點的把握及知識體系的梳理及運用也有所不同，能較全面、客觀、公正反映學生的學習態(tài)度及綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。部分學生平時不認真學習，習慣于期末突擊應付考試，而小結(jié)模式可以較好預防這種現(xiàn)象的發(fā)生。
4虛擬實驗課堂的設計與實踐
所謂“自主設計式教學”，就是以自主設計為主的教學。具體說它是指教學過程是在教師的啟發(fā)誘導下，以學生獨立自主學習和合作討論為前提，以現(xiàn)行教材為基本探究內(nèi)容，以學生周圍世界和生活實際為參照對象，為學生提供自由探究、討論、研究問題的一種教學形式。生物化學探究式虛擬實驗課堂教學的思路是以生物化學經(jīng)典實驗為主線進行發(fā)散性拓展，根據(jù)課程理論內(nèi)容，給出學生一些和實際生活相關的小課題，由學生自主學習、小組研討及班級交流等方式，培養(yǎng)學生的自主學習能力、創(chuàng)新能力、文獻閱讀能力、交流能力和團隊合作精神。在教師層面，教師根據(jù)實驗內(nèi)容，引導設計虛擬實驗題目，指導學生研讀文獻、制作實驗流程并進行全班交流。在學生層面，學生根據(jù)興趣選擇實驗專題，自由組合成學習小組，在充分研讀文獻的基礎上，進行小組討論，制作PPT。允許學生自己組織課題小組、自主設計小課題，教師只作方向指導，給予一定經(jīng)費支持。學生設計實驗流程，并給出具體實施過程，并在全班進行演講、答疑和討論［6］。自主設計實驗課堂，能夠提高學生學習能力、實踐能力、創(chuàng)新能力及一定的科學研究能力，有利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，可以改變傳統(tǒng)的實驗教學在學生能力培養(yǎng)方面只強調(diào)共性的發(fā)展而忽視個性發(fā)展的情況。通過設計虛擬實驗課堂，學生對實驗設計及原理有了更深刻的理解，養(yǎng)成獨立思考的習慣，首先對自己設計的實驗課堂進行展示，進而走進實驗室，從試劑配置到實驗操作，從設計實驗到進行具體實踐的過程，從理論到實踐，從各方面使自身得到鍛煉。老師在其中進行一些必要的指導，允許學生出現(xiàn)一定的錯誤，讓他們在實踐中成長更快。我們將生物化學實驗探究式教學按照預設計、設計階段、具體化、實驗階段、競賽階段等五個階段進行實施。①預設計:在任課老師理論課后，可以給出相應的與課堂內(nèi)容有關的思路或者題目，讓學生課后思考。②設計:通過網(wǎng)絡圖書館等輔助查找資料，然后讓學生設計實驗，給出具體思路和實施過程。③具體化:通過設計虛擬實驗課堂，讓學生對實驗設計及原理有更深刻的理解，使其養(yǎng)成獨立思考的習慣、并對自己設計的實驗課堂進行展示。④實驗階段:虛擬課堂結(jié)束后，部分學生的課題經(jīng)過導師指導可以繼續(xù)深入，讓學生進入實驗室進行實施，體會到自主學習的樂趣。⑤競賽階段:以此為依托組織一個專業(yè)的班級間進行比賽，乃至擴展到全校及其他學校進行，提高積極性，并給予獎勵。這期間教師需要引導、鼓勵同學申報省級乃至全國的創(chuàng)新項目實驗，不但參加課題研究，還要挖掘?qū)W生潛能，讓他們把實驗結(jié)果整理成論文。我校生物化學系已獲得部分成果。目前已有多人次獲得挑戰(zhàn)杯立項，以及國家及省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，并順利完成本科畢業(yè)論文，還有部分學生的實驗正在進行中。在廣東省大學生挑戰(zhàn)杯比賽中，其中由多名學生共同完成的“近海紅樹林環(huán)境抗腫瘤細菌的篩選和鑒定”獲得廣東省大學生挑戰(zhàn)杯二等獎。由系老師指導同學的“一種快速、低成本的葉酸代謝障礙遺傳檢測方法的建立”以及“藥物代謝酶CYP2C19兩個主要突變等位基因聯(lián)合分型方法的建立”等課題獲得國家級、省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目。由學生撰寫的論文“一株抗腫瘤活性的紅樹林細菌的篩選及鑒定”在《河南科技大學自然科學學報》發(fā)表。這些實踐活動培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識及團隊精神，促進其綜合實驗設計、分析能力的提高，使大學生動手能力和實踐技能得以提升。
5多元化考核
“一考定終身”的評價模式忽視平時學習的考核和能力的培養(yǎng)，既不能準確反映教學質(zhì)量和效果，也無法測試學生真實的學習能力，更抹殺了學生主動的學習精神和創(chuàng)造能力［7］。適當?shù)目己藱C制不僅可以科學地檢驗教學效果，同時也能強化學生的學習動機。課程考核不應只注重期末考試，而是應貫穿學習全過程?？己藘?nèi)容應充分體現(xiàn)所學知識和技能及運用這些知識和技能的能力，更重要的是考核分析問題、解決問題的能力和實事求是的科學態(tài)度。因此我們將生物化學課程的考核分為平時成績、章節(jié)小結(jié)、實驗考查和期末考試四部分，從上課出勤態(tài)度、課程預習情況、課程小結(jié)成績、課堂發(fā)言、任務完成表現(xiàn)、實驗動手、創(chuàng)新能力多方面進行考查，最后給出每個學生的綜合評價成績。
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【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)代化建設密切相關,其中良好的教學實驗設計對于人才的培養(yǎng)有著直接的影響?！蹲詣涌刂评碚摗氛n程作為電氣、自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課,是聯(lián)系前期基礎課和后續(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,開展設計性、綜合性較強的系統(tǒng)實驗設計,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)設計
近年來基于計算機技術的實驗系統(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注重視?；谝陨戏治?所設計的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,通過設立資源學習、任務驅(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,設定了2學時由教師講解LabVIEW的基礎知識,安排4學時課后時間用于相關資源學習。
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立了演示實驗[4]和學生設計實驗兩部分。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)進行獨立實驗設計與研究奠定基礎。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。此處設定為任務驅(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)絡進行資源交互學習等目的。
利用LabVIEW軟件設計構(gòu)建的網(wǎng)絡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公司的遠程設備訪問(remote device access, RDA)技術,可通過分別配置RDA Server和RDA Client實現(xiàn)網(wǎng)絡內(nèi)部的共享采集設備數(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)絡實驗室的DataSocket數(shù)據(jù)共享技術;簡便、易學的基于WEB Publish的遠程前面板(Remote Front Panels)技術。
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,構(gòu)建B/S模式遠程實驗系統(tǒng)。遠程前面板技術是把一個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技術開發(fā)的自動控制理論綜合實驗平臺,通過設定仿真實驗、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)絡學習資源,而且注重實驗設計的智能化與真實性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,實現(xiàn)了實驗設計的簡易性、綜合性和靈活性。通過關注實驗過程,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。
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[中圖分類號]G420 [文獻標識碼]A [論文編號]1009－8097(2011)08－0092－04
虛擬實驗作為一種特殊的實驗形式，隨著計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展受到各領域的廣泛關注。相對于一般的真實實驗，盡管虛擬實驗擁有許多顯而易見的優(yōu)勢，但卻不能給學習者帶來真實觸覺等完全的真實世界中的認知體驗，而當前的虛擬實驗大多只注重實驗本身的可用性，往往忽略了學習者的心理過程。虛擬實驗學習者的元認知體驗對實驗效果產(chǎn)生重要影響，從情感體驗層次上進行設計，可以改善和優(yōu)化學習者在不同水平上的實驗學習體驗，提高學習者的元認知能力。筆者認為，設計優(yōu)秀的虛擬實驗所引起的學習者元認知體驗與現(xiàn)實世界所體驗到的認知與情感存在相似性，以情感體驗設計來促進虛擬實驗學習者的元認知體驗的形成，從而尋求有助于虛擬實驗學習效果與學習者元認知能力的設計模式。
一 元認知體驗概述
B?約瑟夫?派恩和詹姆斯?H?吉爾摩在《體驗經(jīng)濟》中指出：“體驗是一種創(chuàng)造難忘經(jīng)歷的活動，其特征是：在這里，消費是一個過程，當過程結(jié)束后，體驗的記憶將恒久存在。”對于虛擬實驗的學習者而言，體驗是其在整個實驗的認知過程中獲得的“恒久存在”的情感、知識和技能的過程。對于虛擬實驗的設計，滿足實驗本身的物理設計和可用性設計遠遠不是虛擬實驗想要實現(xiàn)的最終目標，基于體驗的設計成為虛擬實驗設計的落腳點，虛擬實驗的“消費者”即學習者，在虛擬實驗認知過程中全部的情感體驗是決定其“認知程度”和“自我實現(xiàn)”程度的重要因素，而且使個人與理想自我、他人或是文化產(chǎn)生關聯(lián)。
元認知體驗是伴隨學習者的認知活動而產(chǎn)生的有意識的認知體驗或情感體驗。相關學者指出，元認知體驗激活了相關的元認知知識，使那些存儲在長時記憶中的元認知知識能夠與當前的調(diào)解活動產(chǎn)生聯(lián)系，把處于靜態(tài)的元認知知識與動態(tài)的元認知調(diào)節(jié)連接起來。虛擬實驗的學習只有通過元認知體驗才能不斷獲得當前正在進行的實驗活動的有關信息，利用相關的元認知知識，對虛擬實驗活動進行有效調(diào)節(jié)。
二 虛擬實驗學習者元認知體驗形成過程中的體驗層次
學習者在虛擬實驗學習過程中的元認知體驗，是伴隨其認知活動而產(chǎn)生的認知情感體驗，這種體驗是學習者有意識的情感與反思(學習者怎樣理解、學習者怎樣感覺和評價等)活動。
貝恩特?施密特通過“人腦模塊分析”和心理社會學說提出了用戶的五大體驗體系，即感官體驗、情感體驗、思考體驗、行為體驗和關聯(lián)體驗。感官體驗是視覺、聽覺、觸覺、味覺和嗅覺的體驗；情感體驗是使用者內(nèi)心的感覺和情感創(chuàng)造；思考體驗是使用者創(chuàng)造認知和解決問題的體驗；行為體驗是影響身體體驗、生活方式并與使用者產(chǎn)生互動的體驗；關聯(lián)體驗則包含感官、情感、思考，以及與行動體驗。
針對用戶的產(chǎn)品可以是有形的，也可以是無形的，用戶、對于產(chǎn)品的體驗，無論產(chǎn)品是有形的還是無形的，這種體驗都是相同的和可類比的。貝恩特?施密特根據(jù)有形的產(chǎn)品提出了用戶的體驗體系，而針對無形的產(chǎn)品――虛擬實驗，這一“體驗”是學習者在特定的情境(虛擬實驗環(huán)境)中從事的認知活動的全部體驗，即在這一過程中學習者全部的認知與元認知體驗。此外，對于虛擬實驗這一特定的實驗學習環(huán)境，學習環(huán)境認知理論可作為分析虛擬實驗環(huán)境與學習者元認知體驗形成過程的依據(jù)。學習環(huán)境認知理論認為，“學習者對與其相關的學習環(huán)境信息的感知、印象及其評價，包含了學習環(huán)境知覺、學習環(huán)境印象和學習環(huán)境判斷三個過程”，學習者的學習包含了對學習環(huán)境的認知過程和學習心理與行為，其中，學習者的元認知體驗是認知上升為元認知過程中的全部體驗，并最終形成學習者對學習的反饋或影響。
根據(jù)用戶五大體驗體系與學習者元認知體驗以及環(huán)境認知理論可知，在一般的實驗操作中，學習者主要是被動的認知與接收，其主要的途徑在于感覺上的感官接受經(jīng)過人的思維過程而形成的一種認知，而虛擬實驗操作所要達到的最終目標應該是使學習者由被動的學習轉(zhuǎn)向主動的學習，即達到元認知狀態(tài)。在這一過程中，學習者全部的體驗即是由認知體驗上升到元認知體驗的過程，使得學習者在學習中更清楚自己的實驗定位和實驗操作行為，達到真正的主動地學習與探索，進而提升實驗學習效果。虛擬實驗學習者元認知體驗形成的過程可表述為：認知體驗一行為體驗一元認知體驗。其中，認知體驗包含了感覺體驗到認知體驗的過程，行為體驗是學習者主動的實踐行為的體驗，最高層次的元認知體驗即意識性情感體驗，是學習者的價值與情感判斷以及印象與自我實現(xiàn)的體驗。由此，構(gòu)建了虛擬實驗學習者元認知體驗形成過程中的體驗層次。
1 認知體驗層(感覺體驗一認知體驗)
在虛擬實驗學習中，學習者首先從實驗環(huán)境中獲得感官上的感覺體驗(聽覺、視覺、觸覺等)，這種感覺體驗經(jīng)過大腦中樞的處理和判斷形成了學習者對虛擬實驗的一個完整的形象認識。感覺體驗的積累與整合形成了學習者虛擬實驗的認知體驗。認知體驗層包含了對知識信息等的記憶、想象、辨別和綜合的過程，并由此形成學習者的實驗認知記憶。學習者認知體驗的形成是虛擬實驗的認知活動與學習者的認知需求發(fā)生聯(lián)系而產(chǎn)生的認知層面的體驗。認知的發(fā)生到內(nèi)心體驗的形成是學習者感覺體驗不斷積累聯(lián)結(jié)的結(jié)果。環(huán)境心理學表明，良好的感官刺激能夠增強學習者的參與性，形成整體性認知，引發(fā)學習者更加積極的認知體驗。
2 行為體驗層(主動的實踐)
由認知體驗的驅(qū)動，學習者做出相應的實驗行為。學習者主動實踐的行為體驗，是學習者的行為模式的自我體驗與實驗系統(tǒng)互動所產(chǎn)生的體驗，是學習者體驗著的帶有目的性的行動過程的集合。在實驗中，學習者根據(jù)既往的經(jīng)驗及認知水平進行主動的、有意識的行為活動，從而獲得自我認知程度、創(chuàng)造認知并進行問題解決的體驗。在此過程中，學習者通過行為的體驗不斷獲得與完善操作技能與心智技能的同時，反過來也能夠促進學習者的認知體驗，使學習者對虛擬實驗的操作與目的產(chǎn)生更深層次的認知。
3 元認知體驗層(意識性情感體驗)
學習者元認知體驗的形成，不僅能夠促進學習者認知能力的提高，也能深化學習者的認知體驗。以主動的行為體驗的產(chǎn)生為基礎，學習者產(chǎn)生了更深刻的情感體驗，這種情感體驗是學習者主觀的價值判斷，而不再是被動的感性認知，這是學習者通過虛擬實驗主動地行為實踐的結(jié)果，是學習者內(nèi)心可意識到的自我感覺和主動的情感創(chuàng)造。也就是說，元
認知體驗層面上的情感體驗超越了感知覺層面的被動接受的情感范疇，是學習者對實驗認知與進程的價值與情感判斷，并引發(fā)了學習者對實驗行為的控制與調(diào)整。另外，印象與自我實現(xiàn)體驗是學習者通過與實驗的交互對虛擬實驗形成的記憶以及對自我價值提升的自我肯定的體驗，是學習者元認知情感體驗的進一步內(nèi)化與升華，以及自我滿足、自我釋放的最高體驗，這一體驗不僅僅停留在此次實驗過程中，而是對學習者學習能力產(chǎn)生更加深遠的促進作用，有利于提升學習者對實驗學習任務的積極的自我效能感和學習反思。
三 基于元認知的虛擬實驗情感體驗設計模型構(gòu)建
基于元認知的虛擬實驗情感體驗設計超越了以往僅關注于可用性的范疇，不僅要包含豐富的虛擬實驗和教學功能，也要將實驗中學習者元認知體驗的形成過程與虛擬實驗設計相結(jié)合，使虛擬實驗系統(tǒng)與學習者在情感體驗上達成共鳴。
Norman[7]在《Emotional Design》一書中指出，人類體驗的情感由三種水平引起：本能水平(visceral level)、行為水平(behavioral level)、反思水平(reflective level)。本能水平的設計涉及最初的效果，包含產(chǎn)品的外觀；行為水平的設計集中于產(chǎn)品的效用，注重功能、性能和可用性；反思水平的設計注重信息、認知效果的意義以及設計帶來的美好的回憶。
這三個水平的設計反映了人(用戶、學習者)使用產(chǎn)品時體驗過程的本質(zhì)規(guī)律，以學習者元認知為基礎的虛擬實驗設計同樣遵循Norman關于設計的三個情感層次的規(guī)律。學習者元認知情感體驗的三個層次，即認知體驗層、行為體驗層、元認知體驗層與虛擬實驗系統(tǒng)相互作用，指導虛擬實驗的設計，最終促進實驗學習效率。由此，根據(jù)虛擬實驗學習者元認知體驗形成過程中的體驗分析，以及虛擬實驗的情感體驗設計思想，結(jié)合虛擬實驗學習的特點，構(gòu)建出基于元認知的虛擬實驗情感體驗設計模型。如圖l所示，該模型由實驗分析、實驗學習、自我監(jiān)控與自我評價三個部分組成，并融合了元認知的情感體驗的三個層次。
1 實驗分析
實驗分析包括學習者分析、情境分析和任務分析。在基于元認知的虛擬實驗情感體驗的模型構(gòu)建中，學習者情感等方面的因素是實驗設計的核心，分析學習者實驗中的情感體驗從而挖掘?qū)W習者的實驗需求，并結(jié)合學習者的實驗背景與認知特性、學習者特征等方面的分析，指導虛擬實驗的設計。此外，學習情境對于虛擬環(huán)境下的實驗操作至關重要，在類比具體實驗情境的基礎上，要充分發(fā)揮虛擬實驗的優(yōu)勢，實現(xiàn)方便、快捷、有效的情感化知識鏈接與知識遷移，以實現(xiàn)學習者意圖與虛擬實驗情境的友好匹配為原則，建立虛擬實驗學習的情感體驗情境，彌補一般實驗未能考慮學習者情感、忽略學習者元認知體驗的不足。
在實驗分析中，將對學習者和實驗情境的分析轉(zhuǎn)化為具體的任務，明確實驗目標、具體的實驗操作過程和學習者的實驗行為方式，使實驗操作與學習者有目的的實驗行為有機地融合起來，從認知體驗、行為體驗和元認知體驗出發(fā)，綜合學習者的心理需求及其與虛擬實驗的交互關系。
2 實驗學習
實驗學習包括實驗學習方式、實驗內(nèi)容、交互界面和虛擬環(huán)境等。在實驗學習中，虛擬實驗系統(tǒng)與學習者的情感體驗各層次間相互溝通。在認知體驗層上，虛擬實驗的物理外觀占支配地位，主要與實驗系統(tǒng)中學習者的視覺體驗、聽覺體驗、觸覺體驗等物理特征相聯(lián)系。其中，主要以交互界面的視覺設計為主，實驗帶給學習者的視覺體驗主要是顏色與布局。運用印象性、象征性的實驗色彩設計能夠引起學習者的愉悅感；實驗布局上的設計要求做到適當大小的實驗器材和設施、以及統(tǒng)一的實驗界面風格等。感官上的體驗直接引起了學習者的認知體驗，喚起學習者關于實驗難度、渴望進入實驗狀態(tài)的本能情感體驗。如果實驗界面設計給學習者的第一感覺不滿意，就會引起消極體驗，影響后續(xù)的實驗操作。
在學習者行為體驗層面上，虛擬實驗的學習主要通過以下幾方面影響學習者的行為體驗：虛擬實驗支持學習者的哪些實驗活動，即這個虛擬實驗的功能性是否符合學習者對實驗操作的需求；學習者在虛擬實驗環(huán)境下進行的實驗操作是否流暢、易懂，即這個虛擬實驗的設計概念是否與學習者的認知概念相匹配；實驗操作內(nèi)容能夠在多大程度上使學習者的認知水平有所提高，即這個虛擬實驗能夠多好地實現(xiàn)其功能性。因此，在此層次上，主要是以學習者為中心，探究實驗與學習者行為心理相一致的虛擬實驗模式。虛擬實驗要滿足易用性和功能性的需求，最重要的是明確學習者的學習方式和對實驗操作的需求。心理學研究的結(jié)論告訴我們，易用性高的設計會讓使用者覺得舒服，進而提高使用效率。也就是說，虛擬實驗的設計要在可用性的基礎上，實現(xiàn)其“功能美”，使學習者自然地與實驗系統(tǒng)進行交互操作，從而獲得主動的行為體驗。
實驗學習的最高層次是元認知體驗層，在此層中，學習者與實驗的交互體驗是一種有意識的情感體驗，主要表現(xiàn)為學習者的價值與情感判斷以及印象與自我實現(xiàn)體驗。元認知體驗層目標指向使學習者感到滿足和愉快，獲得自我認同感。Noman將其情感層次設計的反思水平表述為能夠“引起回憶的設計”，虛擬實驗設計主要是其與學習者間的聯(lián)系與交互，學習者沉浸于其中并最終“產(chǎn)生美好的回憶”。該層的設計注重實驗設計的傳達性，基于元認知的虛擬實驗情感體驗的設計不僅使學習者有效地完成實驗操作部分，而且加入反思的設計，注重對實驗完成情況的主動反思，即主動的、有意識的價值和情感判斷。印象與自我實現(xiàn)體驗，是學習者對實驗回憶的印象和自我評價、自我肯定與自我反思。元認知體驗層的設計不僅使學習者停留在實驗操作平臺上，而是形成了記憶印象，使學習者達到主動的元認知體驗狀態(tài)，反思實驗學習，指導虛擬實驗設計。
3 自我監(jiān)控與自我評價
自我監(jiān)控與自我評價是獲得實驗反饋、促進激發(fā)元認知能力的關鍵，主要包括實時監(jiān)控、修正調(diào)整和評價反思。實時監(jiān)控是形成反饋的前提，主要通過錄制實時視頻和記錄實驗操作步驟中的關鍵參數(shù)的方式加以實現(xiàn)，據(jù)此得到及時反饋，并加以修正調(diào)整。學習者通過實驗反饋對實驗進行評價與自我反思，此過程即是一個元認知體驗的過程，同時，學習者的自我反思亦調(diào)整了虛擬實驗的學習策略，提高了學習者的元認知能力。
綜上可見，基于元認知的虛擬實驗情感體驗設計模型充分考慮了學習者在實驗學習中的情感體驗因素，既包含了情感化的實驗分析和有效的自我監(jiān)控與自我評價，又融合了虛擬實驗情感體驗的層次設計思想，體現(xiàn)了虛擬實驗對形成學習者元認知體驗的優(yōu)勢所在。
四 結(jié)語
在科學技術日新月異的今天，教學中對學生實踐性的要求越來越高，單一的虛擬實驗學習很難促進學習者對實驗的深層次理解，元認知體驗作為連接靜態(tài)元認知知識和動態(tài)元認知調(diào)節(jié)的中介，將其與虛擬實驗有機地結(jié)合能夠有效地提升學習者學科實驗的學習效果?；趯W習者元認知的虛擬實驗情感體驗設計為促進學習者元認知技能和虛擬實驗學習提供了依據(jù)，幫助學習者更加深入地理解問題和解決問題。
隨著學習高度數(shù)字化和體驗經(jīng)濟時代的到來，虛擬實驗的學習將更加注重影響學習者認知和情感的深層次因素。虛擬實驗情感體驗設計的不斷完善和發(fā)展，將使虛擬實驗的學習者能夠清晰地認識到學習目標的價值，產(chǎn)生更強烈的內(nèi)部動機，最終得到更好的實驗學習效果。
參考文獻
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實驗一直都是與教學息息相關的重要活動之一。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備和儀器不完善，要么就是儀器設備陳舊過時。即使有完善的較新的實驗設備，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
虛擬現(xiàn)實技術 (ⅥrnJal ReaJ時，簡稱 vR技術)出現(xiàn)于 20世紀 60年代，隨著處理器技術的大幅度提高以及圖形繪制技術、數(shù)字信號處理技術、傳感技術的發(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)建是將多種技術綜合運用，首先構(gòu)建實驗過程所需要的各種儀器設備，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)絡使用的VRM，文件格式。為了能夠反映真實儀器設備的特性，有時還采用FLASH技術來達到儀器設備外觀的逼真性，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系為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)架提供了靈活的方式。轉(zhuǎn)貼于
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。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，儀器設備一般會自帶一個顯示屏，以及相關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，不能修改和設置。在虛擬實驗系統(tǒng)中，各種儀器設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置，由鍵盤、鼠標以及其他的外部輸入設備來控制，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)絡集成
網(wǎng)絡的出現(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計模板等幫助實驗設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準備。
3.對象開放
虛擬實驗的網(wǎng)絡功能能夠根據(jù)不同的對象設置不同權(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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實驗一直都是與教學息息相關的重要活動之一。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備和儀器不完善，要么就是儀器設備陳舊過時。即使有完善的較新的實驗設備，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
虛擬現(xiàn)實技術 (ⅥrnJal ReaJ時，簡稱 vR技術)出現(xiàn)于 20世紀 60年代，隨著處理器技術的大幅度提高以及圖形繪制技術、數(shù)字信號處理技術、傳感技術的發(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)建是將多種技術綜合運用，首先構(gòu)建實驗過程所需要的各種儀器設備，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)絡使用的VRM，文件格式。為了能夠反映真實儀器設備的特性，有時還采用FLASH技術來達到儀器設備外觀的逼真性，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。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，儀器設備一般會自帶一個顯示屏，以及相關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，不能修改和設置。在虛擬實驗系統(tǒng)中，各種儀器設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置，由鍵盤、鼠標以及其他的外部輸入設備來控制，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)絡集成
網(wǎng)絡的出現(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計模板等幫助實驗設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準備。
3．對象開放
虛擬實驗的網(wǎng)絡功能能夠根據(jù)不同的對象設置不同權(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】徐學軍．高校實驗教學要加強學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)【J】．經(jīng)濟師，2004，(4)．
【2】徐婷．教學型虛擬實驗通用平臺的研究與應用【D】．重慶大學學位論文，2006．11．
實驗是電子信息類專業(yè)學生課程教學的一個重要環(huán)節(jié)，是對理論教學的補充和深化，其開設方式關系到學生對理論知識的掌握和應用，直接影響著學生的操作技能、主觀能動性和實際動手能力的提高，也決定著理論和實驗的教學水平。因此，在教學過程中一定要加強實驗這個實踐性教學環(huán)節(jié)，充分利用實驗資源來培養(yǎng)和提高學生解決問題的能力和創(chuàng)新能力，使學生能夠更加快速地適應于將來的工作。加強實驗教學環(huán)節(jié)，最大限度地利用學校的實驗教學資源，對提高教學水平，培養(yǎng)學生的實際應用能力和綜合素質(zhì)具有重要的意義。
1 實驗教學的傳統(tǒng)模式和問題
在我國高校工科教育中，實驗教學硬件條件普遍不足，或者是硬件實驗條件的發(fā)展跟不上技術的要求，同時各高校大幅度擴大招生，實驗教學硬件條件更顯不足。加大對實踐教學條件的投入，加強培養(yǎng)實踐教學科技人才，強化實踐教學內(nèi)容和條件的改革與建設，在當前來說具有特殊重要性[1]。我國教育主管部門也在積極得進行著推進實踐教學的改革與建設。例如：在全國高校本科教學水平評估中，實驗室建設基地和建設經(jīng)費以及實驗教學改革就是一項重要的指標內(nèi)容。越來越多的高校開始響應教育部的號召，實行了“雙基”實驗室，并在此基礎上進一步建設“實驗教學示范中心”。
目前，實驗教學的傳統(tǒng)模式的缺點主要表現(xiàn)有：
1）實驗設備陳舊，實驗模式單一；
2）驗證性實驗分量大，與設計性、綜合性和創(chuàng)新性實驗之間的比例失調(diào)；
3）先進的實驗教學手段在實驗教學中的引入還不夠；等。
2 實驗教學方法改革勢在必行
隨著計算機的普及和應用，在教學中也越來越多地借助計算機來輔助設計方法，同樣，在實驗中借助計算機仿真技術具有很大優(yōu)點：減少實驗中所需的耗材、降低對實驗器材的破壞性、完成更復雜更高難度的設計性實驗、更加全面地分析實驗對象以及結(jié)果的性能指標等，具有高效、快速、直觀、完整的優(yōu)勢。開展仿真實驗作為一種新型的實驗教學方法是在現(xiàn)有實驗室設備的基礎上采用計算機新型軟件對實驗進行模擬，大大提高了學生對本專業(yè)知識的應用能力和科研創(chuàng)新能力。因此，在當今的實驗教學中，仿真實驗的引入勢在必行。
對當今高校來說，學生人數(shù)不斷增加，實驗室設備和資金滿足不了大學中學生的試驗要求，為了不斷提高實驗教學的質(zhì)量，又進一步解決實驗設備少、不好維護、建設費用高等問題。將仿真技術引入實驗教學中來，學生一方面可以利用計算機實現(xiàn)實驗方案的設計，又可以直觀地驗證仿真過程和結(jié)果，不受實驗室條件和空間的限制，可將實驗設計帶入到課余生活中來進行，大大提高了學生對實驗的操作興趣。利用仿真實驗由于方法的靈活性可以充分發(fā)揮學生的想像力和創(chuàng)造力，比起傳統(tǒng)的實驗教學更利于培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才，且有利于降低實驗成本，能夠使得實驗室的建設和發(fā)展進入一個良性循環(huán)中。
3 實驗教學改革方案
3.1 實驗中引入相應的仿真技術來進行虛擬實驗
在實驗教學中引入計算機仿真技術，一方面，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，激發(fā)學生學習興趣，另一方面，老師可以利用計算機技術來觀察學生的實驗過程，采集學生的實驗結(jié)果，更好地跟蹤和指導學生，先進的教學理念和教學手段有助于提高實驗教學效果，提高教師的教學水平。而計算機的引入可把實驗設備、理論教學、教師指導和學生的思考、操作有機地融合為一體，克服了傳統(tǒng)實驗教學過程中受到課堂、課時、實驗設備等的限制，使實驗教學內(nèi)容進一步靈活化，在時間和空間上得到延伸，也進一步激發(fā)了學生的實驗熱情。
在實驗中引入相應的仿真技術來進行虛擬實驗，可以使得學生在進行實驗的過程中培養(yǎng)獨立思考能力，激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的創(chuàng)新意識，同時為學生提供了更加開放靈活的實驗條件。對實驗內(nèi)容和實驗教材來說，采用仿真技術把將虛擬實驗和真實的電路實驗有機地整合起來，充實了實驗內(nèi)容，增強了實驗的能動性和趣味性，有利于實現(xiàn)培養(yǎng)學生綜合實踐和探索創(chuàng)新能力[2]。目前，越來越多的高校重新對實驗室建設進行了規(guī)劃，利用計算機仿真技術改革實驗教學是一個新的發(fā)展方向。在高校實驗室中引入計算機以及相應的軟件技術不僅可改善實驗條件、改革實驗教學方法、充實實驗教學內(nèi)容，還可大大提高實驗效率，降低實驗成本，增強學生學習的積極性和創(chuàng)新性，為實驗教學和科研提供良好的實驗平臺[3]。
以單片機實驗教學為例，在實驗過程中我們引入proteus仿真軟件，用它來模擬單片機硬件系統(tǒng)。由于軟件的靈活性，可以克服實驗箱硬件電路固定、實驗內(nèi)容難于改動等局限。整個實驗設計都是基于計算機仿真技術的，除了計算機外不再需要任何硬件即可進行實驗，這樣有利于促成課程和教學改革，更有利于人才的培養(yǎng)。仿真技術的另一應用表現(xiàn)在學生的業(yè)余愛好上，比如目前的電子設計大賽，挑戰(zhàn)杯等，學生完全可以利用計算機來進行仿真，先用計算機仿真出相應的實驗模型，在計算機上進行模擬調(diào)試，最后用硬件實現(xiàn)。在整個過程中，學生可充分發(fā)揮自己的才能，通過大量仿真對比，達到設計目的，學生也可以大膽地反復調(diào)試，避免了損壞器件。在電子設計競賽中，我們使用proteus開發(fā)環(huán)境對學生進行培訓，在不需要硬件投入的條件下，學生普遍反映，對單片機的學習比單純學習書本知識更容易接受，更容易提高。實踐證明，在使用proteus進行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進行實際制作，能極大提高單片機系統(tǒng)設計效率。
另外，開展仿真教學對于我國的遠程教學也是一種很好的嘗試，有著重要的意義。
3.2 重新安排各類性質(zhì)的實驗，適量增加綜合性、設計性實驗
驗證性實驗是實驗中最基本的，可以使學生鞏固理論知識，它的實驗內(nèi)容相對簡單，重點培養(yǎng)學生的基本操作、數(shù)據(jù)處理和計算技能，驗證和加深對課本知識的掌握和理解。綜合性實驗則要求學生必須具有一定的專業(yè)基礎知識和基本操作技能，能夠運用某一課程或多門課程的綜合知識，進而對實驗技能和實驗方法進行綜合訓練的一種復合性實驗。目前工科高校中越來越多地提出課程設計也是為了加強學生對綜合知識的運用。為充分調(diào)動學生的學習積極性和主觀能動性，設計性實驗也必不可少。設計性實驗能加深學生對理論知識的認識，由學生自己負責計劃和執(zhí)行，充分提高了學生的思維能力、動手能力、分析和解決工程實際問題的能力[3]，發(fā)揮了學生的主觀能動性，設計性實驗的完成可以充分借助于計算機仿真技術來完成。
驗證性、綜合性、設計性實驗相結(jié)合，培養(yǎng)了學生基本的實驗技能和方法，同時又促進了學生的創(chuàng)新思維，打破了原有實驗教學附屬于理論教學的模式，建立與理論教學并行的，既相對獨立、又相互聯(lián)系的實驗教學體系。在某些應用性強的實驗教學中，綜合性和設計性實驗的比例至少要達到60%以上，同時設計性實驗最好要跟得上科學技術的發(fā)展。一方面保證基本實驗技能訓練，另一方面，實驗內(nèi)容應與當今先進技術的發(fā)展相結(jié)合，適應社會發(fā)展的需要，將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗內(nèi)容，提高實驗的先進性和代表性。那么，工科院校中一方面加大實驗器材的投入，提高實驗教學條件，開設先進的實驗內(nèi)容，提高學生的積極性，使學生適應當今社會的發(fā)展；另一方面，要充分利用現(xiàn)有的條件，引進先進的仿真技術，使得實驗條件進一步升華，充分發(fā)揮教師和學生的主觀能動性和創(chuàng)新能力。
3.3 硬件軟件都要抓，都要硬
計算機仿真實驗雖然可以準確地反映整個實驗過程， 是一種新型的應用技術，十分有效，但是仿真技術不是萬能的，它畢竟不是真正的實驗，在許多場合仿真只能起輔助作用。也就是說不能用仿真實驗來全部代替硬件電路實驗，而是將仿真試驗和傳統(tǒng)的硬件實驗相互結(jié)合，根據(jù)學校的實際情況和實驗的情況靈活運用，虛擬實驗不是萬能的，如果所有的實驗都用虛擬實驗替代的話，學生在虛擬環(huán)境中實驗會產(chǎn)生或多或少的不踏實的虛擬感，實踐能力也不可能得到真正的提高。
3.4 加強對實驗課教師的培訓，通過培訓交流更多地了解新的實驗技術
在實驗教學改革的同時，必然對教師提出更高的要求：一是教師也應加強專業(yè)知識和技能的學習，來提高自己的業(yè)務能力和綜合素質(zhì)，另外，不斷更新專業(yè)知識的結(jié)構(gòu)，了解前沿技術的發(fā)展也是必需的；二是高校中要大力創(chuàng)造條件促進教師經(jīng)常參加基礎理論知識的培訓和實驗的培訓以及學術研討會，從而擴大視野，更新教學觀念，及時了解嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢和動態(tài)，促進電子類實驗技術的發(fā)展；三是要大力組織專業(yè)教師去積極申報相關的創(chuàng)新實驗和科研項目，提倡以科研資金來促進實驗室的建設，用科研成果去改進實驗內(nèi)容，同時可以提高教師的科研能力，在科研中更好地去鍛煉自己，為實驗教學服務。
4 結(jié)論
隨著社會對人才要求的提高，大力推進實驗教學改革迫在眉睫，而大學實驗教學的改革又直接影響到學生的動手和創(chuàng)新能力。實驗教學必須能夠跟得上時代的腳步，將仿真技術應用到實驗教學中可以充分調(diào)動學生的主觀能動性，激發(fā)學生的創(chuàng)新能力，加快學生適應社會的能力，同時學習了先進的新技術。
參考文獻：
[1] 丁美榮,柴少明.基于虛擬實驗與真實實驗整合的計算機網(wǎng)絡實驗教學改革[j].現(xiàn)代教育技術,2007,7(17):99-102.
1引言
本論文主要證明在RC電路放電時電壓隨時間的變化關系實驗.
在RC電路中，當電容兩端有電壓時，關閉開關，電流通過電阻，此時電路中電壓隨時間的變化成何種規(guī)律。作者在一本教科書中發(fā)現(xiàn)前人已經(jīng)得出結(jié)論，電壓與時間的關系式是.作者通過實驗測量出5個時間點的電壓值與在相同時間點的理論值相比較，看兩者是否接近或相等。
2 設計原理及方法：
2.1 RC電路放電原理：
電路的過渡過程是指從一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種穩(wěn)定狀態(tài)所經(jīng)歷的變化過程，其變化十分短暫而且是單次變化過程。對時間常數(shù)τ較大的電路，可用慢掃描長余輝示波器觀察光點移動的軌跡。對時間常數(shù)τ較小的電路，必須使這種單次變化的過程重復出現(xiàn)。為此，我們利用NE555方波發(fā)生電路輸出的方波來模擬階躍激勵信號，即令方波輸出的上升沿作為零狀態(tài)響應的正階躍激勵信號；方波下降沿作為零輸入響應的負階躍激勵信號，選擇方波的重復周期遠大于電路的時間常數(shù)τ，就可以觀測電路的過渡過程.
在階躍信號下，RC-階電路的零輸入響應和零狀態(tài)響應分別按指數(shù)規(guī)律衰減和增長，其變化的快慢決定于電路的時間常數(shù)τ.
2.2 時間常數(shù)τ的測定方法：
⑴ 根據(jù)-階微分方程的求解得知
（1）
方程⑴為電容放電過程方程，其中U是放電前電容兩端的電壓.
當t=τ時，U0＝0.368U.此時所對應的時間就等于τ。其零輸入響應的波形如圖1測試電路如圖2⑴所示.
⑵ 由零狀態(tài)響應波形增長到0.632U所對應的時間就等于τ。其測試電路及波形如圖2⑵和圖3所示.
⑶ 微分電路和積分電路是RC一階電路中較典型的應用電路，它對電路時間常數(shù)τ和輸入信號的周期T有著特定的要求.
RC串聯(lián)電路，如果滿足τ＝RC
（2）
由式（2）可知：電路的輸出信號電壓與輸入信號電壓的微分成正比，電路如圖4⑴.
將圖4⑴中的R與C位置調(diào)換一下，即由C端作為響應輸出，且當電路參數(shù)的選擇滿足τ＝RC>>T/2條件時，則稱為積分電路.
（3）
由式(3)可知：電路的輸出電壓與輸入電壓的積分成正比，電路如圖4⑵.
2.3 實驗儀器與軟件介紹
聲卡是多媒體技術中最基本的組成部分，是實現(xiàn)聲波／數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換的一種硬件.在一塊聲卡上有晶振，AD/DA轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)字處理芯片及其他輔助電路.因此，它可以作為數(shù)據(jù)采集卡使用，不過被采集號的頻率被限制在音頻范圍之內(nèi).設定了采集頻率，采樣位數(shù)，緩沖區(qū)大小之后，再利用聲卡的DMA方式進行數(shù)據(jù)采集工作。利用LabWindows/CVI環(huán)境下，借助硬件驅(qū)動程序?qū)β暱ǖ牟杉l率，采樣位數(shù)，緩沖區(qū)大小等分別進行控制，根據(jù)用戶的需要調(diào)整波形顯示，進行波形分析，從而構(gòu)成功能強大的虛擬存儲示波器.
Cool Edit軟件與外電路是通過聲卡的連接，當外電路的開關關閉再打開，在Cool Edit軟件的界面會顯示出電壓與時間的關系圖形.將圖形剪切下來，與.mav的文件形式儲存起來.
MATLAB是數(shù)學軟件，主要用于對圖象的研究，精確度較高.
2.4 實驗設計方法
（1）設置聲卡
① 打開聲音高級控制.
圖5
② 選擇錄音屬性，打開錄音音量控制面板，將輸入方式選成Line。
③ 關閉不必要的聲音特效，以免左右聲道互相干擾。
④ 如果無信號時背景噪聲較大，可以嘗試將一些選項靜音，特別是CD音頻。
⑤ 調(diào)整輸入和輸出的平衡，可借助示波器部分和信號發(fā)生器部分實現(xiàn)。
這時信號是從Line In 口輸入的.在輸出音頻信號時，輸入口是沒有信號的.
如果使用其他聲卡，可參照以上步驟設置.注意使用萬能聲卡驅(qū)動程序或自帶驅(qū)動程序，不要使用Windows帶的驅(qū)動程序.如果仍無法正確工作，可換一個驅(qū)動程序試試.可能出現(xiàn)的情況:
a 聲卡上沒有Line In口，只有MIC口，在一些廉價主板集成的聲卡上會有這種情況，因為MIC口通常是聲道，也就是示波器只能單蹤工作.
b 打開信號發(fā)生器，示波器上同時顯示波形，這是輸出反饋到輸入端造成的，可修改各項設置.
(2) 在實驗線路板上選取R=5kΩ，C=10μF組成如圖2所示的RC充放電電路.NE555信號發(fā)生器輸出的方波信號電壓U=1.5V，頻率f=1kHz，將自制電纜線Φ3.5立體聲插頭插入聲卡的Line In，另一邊接到實驗線路板上的激勵端口所在位置.
(3) 在虛擬示波器上觀察激勵與響應的變化規(guī)律，來測時間常數(shù)τ，通過調(diào)整虛擬示波器界面上的增益、時基和網(wǎng)格按鈕，可清晰地觀測RC的響應曲線，并可計算出時間常數(shù)τ.對于R=5kΩ，C=10μF的RC響應曲線如圖6所示.
圖6
(4) 適當?shù)馗淖冸娙莼螂娮柚?，觀察波形變化情況，記錄觀察到的現(xiàn)象.
①選取R=10kΩ，C=10μF，觀察并繪制響應的波形，繼續(xù)增大C之值，定性地觀察響應的影響.
②選取R=15kΩ，C=20μF，組成如圖4(1)所示的微分電路，在同樣的方波激勵信號作用下，觀測并繪制激勵與響應的波形.
3 數(shù)據(jù)分析電壓時間
實驗所測得電壓隨時間變化曲線如圖7
4 實驗結(jié)果分析
①通過計算在相同時間點電壓理論計算值與電壓實際測量的結(jié)果的比例進行比較，我們可以發(fā)現(xiàn)相同時間的電壓比值幾乎相等，作者在通過改變R與C的值發(fā)現(xiàn)相似的結(jié)論，由此可以證實前人研究.
②本實驗精確度較高，但難免有誤差的出現(xiàn)，首先在截圖時，很難從電壓最大值開始截取;其次在用MATLAB對圖形進行處理時，很難在特定時間內(nèi)找到所對應的電壓值點，作者因此選取在此附近的點，由此產(chǎn)生的誤差可達到萬分之一.而且用聲卡測試儀器時，難免有噪音的的影響.
③聲卡測試儀器的優(yōu)點:可以將電路與計算機連接在一起，并截取錄音，傳送給計算機處理.
聲卡測試儀器的局限性:容易受外界環(huán)境及本身其他的功能影響.
5 結(jié)束語
本實驗室屬于計算機應用實驗，難度較高。實驗要求會使用Cool Edit Pro 2.0，MATLAB6.1等軟件，熟悉聲卡的原理，計算機基本知識及物理原理等等.在此應該特別感謝魯曉東老師，胡依杰同學及費芬同學對我的幫助，他們幫助我找到很多關于這方面的資料.在此次實驗中證實前人已經(jīng)得出的RC電路放電電壓變化規(guī)律，即電壓與時間的關系式結(jié)論.
1引言
本論文主要證明在RC電路放電時電壓隨時間的變化關系實驗.
在RC電路中，當電容兩端有電壓時，關閉開關，電流通過電阻，此時電路中電壓隨時間的變化成何種規(guī)律。作者在一本教科書中發(fā)現(xiàn)前人已經(jīng)得出結(jié)論，電壓與時間的關系式是.作者通過實驗測量出5個時間點的電壓值與在相同時間點的理論值相比較，看兩者是否接近或相等。
2設計原理及方法：
2.1RC電路放電原理：
電路的過渡過程是指從一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種穩(wěn)定狀態(tài)所經(jīng)歷的變化過程，其變化十分短暫而且是單次變化過程。對時間常數(shù)τ較大的電路，可用慢掃描長余輝示波器觀察光點移動的軌跡。對時間常數(shù)τ較小的電路，必須使這種單次變化的過程重復出現(xiàn)。為此，我們利用NE555方波發(fā)生電路輸出的方波來模擬階躍激勵信號，即令方波輸出的上升沿作為零狀態(tài)響應的正階躍激勵信號；方波下降沿作為零輸入響應的負階躍激勵信號，選擇方波的重復周期遠大于電路的時間常數(shù)τ，就可以觀測電路的過渡過程.
在階躍信號下，RC-階電路的零輸入響應和零狀態(tài)響應分別按指數(shù)規(guī)律衰減和增長，其變化的快慢決定于電路的時間常數(shù)τ.
2.2時間常數(shù)τ的測定方法：
⑴根據(jù)-階微分方程的求解得知
（1）
方程⑴為電容放電過程方程，其中U是放電前電容兩端的電壓.
當t=τ時，U0＝0.368U.此時所對應的時間就等于τ。其零輸入響應的波形如圖1測試電路如圖2⑴所示.
⑵由零狀態(tài)響應波形增長到0.632U所對應的時間就等于τ。其測試電路及波形如圖2⑵和圖3所示.
⑶微分電路和積分電路是RC一階電路中較典型的應用電路，它對電路時間常數(shù)τ和輸入信號的周期T有著特定的要求.
RC串聯(lián)電路，如果滿足τ＝RC<<T/2（T為方波脈沖中的重復周期），且由R端作為響應輸出，這就成了一個微分電路.
（2）
由式（2）可知：電路的輸出信號電壓與輸入信號電壓的微分成正比，電路如圖4⑴.
將圖4⑴中的R與C位置調(diào)換一下，即由C端作為響應輸出，且當電路參數(shù)的選擇滿足τ＝RC>>T/2條件時，則稱為積分電路.
（3）
由式(3)可知：電路的輸出電壓與輸入電壓的積分成正比，電路如圖4⑵.
2.3實驗儀器與軟件介紹
聲卡是多媒體技術中最基本的組成部分，是實現(xiàn)聲波／數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換的一種硬件.在一塊聲卡上有晶振，AD/DA轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)字處理芯片及其他輔助電路.因此，它可以作為數(shù)據(jù)采集卡使用，不過被采集號的頻率被限制在音頻范圍之內(nèi).設定了采集頻率，采樣位數(shù)，緩沖區(qū)大小之后，再利用聲卡的DMA方式進行數(shù)據(jù)采集工作。利用LabWindows/CVI環(huán)境下，借助硬件驅(qū)動程序?qū)β暱ǖ牟杉l率，采樣位數(shù)，緩沖區(qū)大小等分別進行控制，根據(jù)用戶的需要調(diào)整波形顯示，進行波形分析，從而構(gòu)成功能強大的虛擬存儲示波器.
CoolEdit軟件與外電路是通過聲卡的連接,當外電路的開關關閉再打開,在CoolEdit軟件的界面會顯示出電壓與時間的關系圖形.將圖形剪切下來,與.mav的文件形式儲存起來.
MATLAB是數(shù)學軟件,主要用于對圖象的研究,精確度較高.
2.4實驗設計方法
（1）設置聲卡
①打開聲音高級控制.
圖5
②選擇錄音屬性，打開錄音音量控制面板，將輸入方式選成Line。
③關閉不必要的聲音特效，以免左右聲道互相干擾。
④如果無信號時背景噪聲較大，可以嘗試將一些選項靜音，特別是CD音頻。
⑤調(diào)整輸入和輸出的平衡，可借助示波器部分和信號發(fā)生器部分實現(xiàn)。
這時信號是從LineIn口輸入的.在輸出音頻信號時,輸入口是沒有信號的.
如果使用其他聲卡,可參照以上步驟設置.注意使用萬能聲卡驅(qū)動程序或自帶驅(qū)動程序,不要使用Windows帶的驅(qū)動程序.如果仍無法正確工作,可換一個驅(qū)動程序試試.可能出現(xiàn)的情況:
a聲卡上沒有LineIn口,只有MIC口,在一些廉價主板集成的聲卡上會有這種情況,因為MIC口通常是聲道,也就是示波器只能單蹤工作.
b打開信號發(fā)生器,示波器上同時顯示波形,這是輸出反饋到輸入端造成的,可修改各項設置.
(2)在實驗線路板上選取R=5kΩ,C=10μF組成如圖2所示的RC充放電電路.NE555信號發(fā)生器輸出的方波信號電壓U=1.5V,頻率f=1kHz,將自制電纜線Φ3.5立體聲插頭插入聲卡的LineIn,另一邊接到實驗線路板上的激勵端口所在位置.
(3)在虛擬示波器上觀察激勵與響應的變化規(guī)律,來測時間常數(shù)τ,通過調(diào)整虛擬示波器界面上的增益、時基和網(wǎng)格按鈕,可清晰地觀測RC的響應曲線,并可計算出時間常數(shù)τ.對于R=5kΩ,C=10μF的RC響應曲線如圖6所示.
圖6
(4)適當?shù)馗淖冸娙莼螂娮柚?觀察波形變化情況,記錄觀察到的現(xiàn)象.
①選取R=10kΩ,C=10μF,觀察并繪制響應的波形,繼續(xù)增大C之值,定性地觀察響應的影響.
②選取R=15kΩ,C=20μF,組成如圖4(1)所示的微分電路,在同樣的方波激勵信號作用下,觀測并繪制激勵與響應的波形.
3數(shù)據(jù)分析電壓時間
實驗所測得電壓隨時間變化曲線如圖7
4實驗結(jié)果分析
①通過計算在相同時間點電壓理論計算值與電壓實際測量的結(jié)果的比例進行比較,我們可以發(fā)現(xiàn)相同時間的電壓比值幾乎相等,作者在通過改變R與C的值發(fā)現(xiàn)相似的結(jié)論,由此可以證實前人研究.
②本實驗精確度較高,但難免有誤差的出現(xiàn),首先在截圖時,很難從電壓最大值開始截取;其次在用MATLAB對圖形進行處理時,很難在特定時間內(nèi)找到所對應的電壓值點,作者因此選取在此附近的點,由此產(chǎn)生的誤差可達到萬分之一.而且用聲卡測試儀器時,難免有噪音的的影響.
③聲卡測試儀器的優(yōu)點:可以將電路與計算機連接在一起,并截取錄音,傳送給計算機處理.
聲卡測試儀器的局限性:容易受外界環(huán)境及本身其他的功能影響.
5結(jié)束語
本實驗室屬于計算機應用實驗，難度較高。實驗要求會使用CoolEditPro2.0，MATLAB6.1等軟件,熟悉聲卡的原理，計算機基本知識及物理原理等等.在此應該特別感謝魯曉東老師,胡依杰同學及費芬同學對我的幫助,他們幫助我找到很多關于這方面的資料.在此次實驗中證實前人已經(jīng)得出的RC電路放電電壓變化規(guī)律，即電壓與時間的關系式結(jié)論.
