時(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室的建立
1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)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(xué)科。其基本方法和目標(biāo)是集成并利用高性能的計(jì)算機(jī)軟硬件及各類傳感器創(chuàng)建一個(gè)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(yàn)。
虛擬現(xiàn)實(shí)具有三個(gè)基本特征。沉浸性,是指觀察者對(duì)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(gè)虛擬世界,這是虛擬現(xiàn)實(shí)的首要特征。交互性,是指虛擬現(xiàn)實(shí)是一個(gè)開放的環(huán)境,能對(duì)用戶的輸入作出響應(yīng),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(shí)不僅是一個(gè)媒體、一個(gè)高級(jí)用戶界面,還是一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng),它以生動(dòng)形象的形式反映設(shè)計(jì)者的思想。虛擬現(xiàn)實(shí)的三個(gè)基本特征強(qiáng)調(diào)了人在這個(gè)系統(tǒng)中的主導(dǎo)作用。虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)系統(tǒng)、桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。其中,桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是運(yùn)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(biāo)等設(shè)備與虛擬場景交互,它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本較低,易于推廣。
2.網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室
所謂網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室,是指利用區(qū)域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng),由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的一類適于進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),包括相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、有關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對(duì)象及實(shí)驗(yàn)信息資源等。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以是某一現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)實(shí)現(xiàn),也可以是虛擬構(gòu)想的實(shí)驗(yàn)室,虛擬實(shí)驗(yàn)通過虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。在虛擬實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)者有逼真的感覺,有身臨其境的感受,好像是真正在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室里近距離進(jìn)行現(xiàn)場操作。在虛擬實(shí)驗(yàn)中,沒有一個(gè)有形的實(shí)驗(yàn)室,也沒有以實(shí)物形態(tài)存在的實(shí)驗(yàn)工具與實(shí)驗(yàn)對(duì)象,實(shí)驗(yàn)過程主要是對(duì)虛擬物的操作。
3.計(jì)算機(jī)專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建
構(gòu)建專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室,其實(shí)就是搭建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng),包括硬件、軟件及管理三個(gè)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(gè)是實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)軟件系統(tǒng)的開發(fā),它與網(wǎng)站建設(shè)相聯(lián)系;另一個(gè)是網(wǎng)站的內(nèi)容(實(shí)驗(yàn)內(nèi)容)建設(shè),這是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的關(guān)鍵。虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)有可以做的實(shí)驗(yàn)來支撐,不然軟件平臺(tái)就是一個(gè)空架子,形同虛設(shè)。同時(shí),該平臺(tái)上還應(yīng)有實(shí)驗(yàn)管理的支持,對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)成績及網(wǎng)上答疑等進(jìn)行有效管理,并對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行監(jiān)控,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)各模塊的主要功能如下。
(1)實(shí)驗(yàn)管理模塊,由學(xué)生管理、教師管理、儀器管理和學(xué)生成績管理等組成。碩士論文在學(xué)生管理方面,學(xué)生通過瀏覽器進(jìn)行注冊(cè)登錄,登陸成功后可瀏覽實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,查看實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)資料,預(yù)約實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間,在線發(fā)送和接受消息,進(jìn)行問題討論,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)登記,實(shí)驗(yàn)完成后可通過網(wǎng)絡(luò)寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交報(bào)告。教師管理方面,可對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容添加、修改、整理、刪除,對(duì)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告列表,批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告,填寫評(píng)語和成績,提交批改結(jié)果,與學(xué)生進(jìn)行討論。儀器管理方面,對(duì)新設(shè)計(jì)開發(fā)的虛擬儀器上傳并進(jìn)行分類整理,以便實(shí)驗(yàn)使用。成績管理方面對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況(實(shí)驗(yàn)次數(shù)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及完成情況)給出成績,并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及提供查詢等。
(2)儀器展示模塊,對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室可用虛擬元器件、虛擬儀器設(shè)備分門別類地進(jìn)行管理,以圖形的方式直觀呈現(xiàn)出來,供學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行選擇。
(3)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)模塊,包括實(shí)驗(yàn)介紹、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的重點(diǎn)及難點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求及實(shí)驗(yàn)應(yīng)注意的事項(xiàng)等。
(4)實(shí)驗(yàn)報(bào)告模塊,主要對(duì)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后,提供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板,供學(xué)生下載,由學(xué)生填寫相關(guān)內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,完成后上傳電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告,由教師進(jìn)行批閱,并進(jìn)行記載。
(5)實(shí)驗(yàn)答疑模塊,由專業(yè)教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的疑難問題進(jìn)行及時(shí)解答,幫助學(xué)生順利通過實(shí)驗(yàn)。同時(shí)了解學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握程度,并及時(shí)反饋、調(diào)整教學(xué)。
(6)論壇交流模塊,教師和學(xué)生可以通過論壇進(jìn)行充分的交流,學(xué)生可以將實(shí)驗(yàn)中的收獲、經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)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(xué)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(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)反饋信息,以便整改7)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K,是虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要部分。學(xué)生通過該模塊進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn),醫(yī)學(xué)論文以達(dá)到鞏固強(qiáng)化知識(shí)的目的。該模塊內(nèi)容根據(jù)專業(yè)學(xué)習(xí)的具體情況及實(shí)驗(yàn)建設(shè)條件,可不斷增加。計(jì)算機(jī)專業(yè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的建設(shè),可以引入其他學(xué)校的虛擬實(shí)驗(yàn)室中。這種方式比較簡單,容易實(shí)現(xiàn),見效較快。但需要投入較多的軟件購置費(fèi)用,同時(shí)也需要結(jié)合本校的實(shí)際情況進(jìn)行一些調(diào)整,有一個(gè)磨合期。另一種是因地制宜,自主開發(fā)。根據(jù)本校的實(shí)際教學(xué)和實(shí)驗(yàn)情況,結(jié)合學(xué)生的實(shí)際水平,由任課教師或聘請(qǐng)部分專家組成開發(fā)小組,進(jìn)行一系列的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)研究,并將研究的成果連接到虛擬實(shí)驗(yàn)室中,逐漸擴(kuò)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(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā),適合學(xué)生的實(shí)際情況,學(xué)生容易接受,并且經(jīng)費(fèi)投入較少。缺點(diǎn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,二是結(jié)合自身的優(yōu)勢和長處開發(fā)一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,如非交互性的、演示性的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等。
二、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的管理
1.加強(qiáng)用戶管理,為每個(gè)學(xué)生分配賬號(hào)。對(duì)學(xué)生進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室,使用實(shí)驗(yàn)室做虛擬實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行登記保存。鼓勵(lì)學(xué)生經(jīng)常訪問虛擬實(shí)驗(yàn)室,在上面提出問題、發(fā)表見解,做好實(shí)驗(yàn),努力提高虛擬實(shí)驗(yàn)室的人氣。
2.全天候開放虛擬實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生可以隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)自己動(dòng)手組織實(shí)驗(yàn),自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn),整理和總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),職稱論文提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告,培養(yǎng)學(xué)生的分析能力和創(chuàng)新能力,逐步向以“學(xué)生為中心”的自主個(gè)性發(fā)展模式轉(zhuǎn)變。
3.組織專業(yè)教師網(wǎng)上指導(dǎo)與答疑,參與論壇討論交流,及時(shí)批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告,為學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)提供服務(wù)。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中,教師應(yīng)對(duì)學(xué)生提出的疑問盡快給出幫助和解答,并進(jìn)行必要的指導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)室論壇上發(fā)表觀點(diǎn),提出問題讓學(xué)生思考,使師生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中有較強(qiáng)的互動(dòng)性,教師應(yīng)充當(dāng)好學(xué)生實(shí)驗(yàn)的合作者和知識(shí)的建構(gòu)者的角色。
4.對(duì)學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室的表現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行
評(píng)價(jià)。針對(duì)學(xué)生每一門課程的虛擬實(shí)驗(yàn)完成情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、網(wǎng)上提問、論壇發(fā)帖的情況,給學(xué)生一個(gè)成績和評(píng)價(jià),反饋給學(xué)生,英語論文并與該課程的正常實(shí)物實(shí)驗(yàn)一起記入實(shí)驗(yàn)總分。教師也要在對(duì)學(xué)生評(píng)價(jià)的同時(shí),征求學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的意見,對(duì)學(xué)生反饋的信息進(jìn)行整改。
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立,可以很好地解決目前硬件設(shè)備跟不上實(shí)驗(yàn)的要求、學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間不夠用等問題,對(duì)于提高學(xué)生的動(dòng)手能力、分析問題和解決實(shí)際問題的能力具有非常重要的意義。但在具體應(yīng)用中還要注意處理好“虛擬實(shí)驗(yàn)”和“實(shí)物實(shí)驗(yàn)”的關(guān)系,不能一味地強(qiáng)調(diào)虛擬實(shí)驗(yàn),要“虛實(shí)”結(jié)合,既相互補(bǔ)充,又各有側(cè)重,這樣才能取得很好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。同時(shí),在虛擬實(shí)驗(yàn)中要注意培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、一絲不茍的科學(xué)實(shí)驗(yàn)作風(fēng)。
參考文獻(xiàn)
[1]王嗣源.虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的初步探討.西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào),2005(4).
[2]蔣光明.基于互聯(lián)網(wǎng)的開放式虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002(3).
虛擬實(shí)驗(yàn)是依托“虛擬現(xiàn)實(shí)”技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的一種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，利用?jì)算機(jī)及仿真軟件來模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境及過程，學(xué)生通過計(jì)算機(jī)操作來做實(shí)驗(yàn)，以代替或加強(qiáng)傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)一般通過虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。虛擬實(shí)驗(yàn)室是由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的一類適于進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對(duì)象以及實(shí)驗(yàn)信息資源等，是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、技術(shù)交流、共同研究、協(xié)同工作的平臺(tái)。虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無法比擬的特點(diǎn)，如資源共享性、互動(dòng)操作性、用戶自主性、安全性等，并且可以有效地減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備購置經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。隨著虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的成熟，虛擬實(shí)驗(yàn)室在教育領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用［8］。
2機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室
以“CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)”和“CAXA－EB”軟件系統(tǒng)為依托，利用VisualBasic6．0和C/C++開發(fā)了機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室(見圖1)，包括三維虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和二維虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖測繪、齒廓范成原理、減速器拆裝等11個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)。學(xué)員可利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完成并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師可利用該平臺(tái)查閱批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告。機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室由服務(wù)器端核心處理模塊、客戶端實(shí)時(shí)運(yùn)算模塊、用戶管理模塊、機(jī)構(gòu)庫模塊、零件庫模塊等七大模塊組成。其中，機(jī)構(gòu)庫包含40多個(gè)常用機(jī)構(gòu)，零件庫包含80多個(gè)常用零件，標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)庫由100多個(gè)常用標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)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(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室已在全軍院校推廣使用。近幾年的教學(xué)應(yīng)用表明，機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)可部分取代實(shí)物實(shí)驗(yàn)，某些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)如簡圖測繪、齒廓范成等可利用虛擬實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立完成;同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)室大大擴(kuò)展了原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加了機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)、軸的設(shè)計(jì)、連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，并且實(shí)驗(yàn)室為開放性環(huán)境，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還可根據(jù)需要繼續(xù)擴(kuò)充;另外，虛擬實(shí)驗(yàn)室是實(shí)物實(shí)驗(yàn)和課堂教學(xué)的有力補(bǔ)充，連桿機(jī)構(gòu)的基本形式和演化等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)進(jìn)一步理解和鞏固課堂知識(shí)具有重要作用，通過虛擬實(shí)驗(yàn)還可進(jìn)行一些實(shí)物實(shí)驗(yàn)很難實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，如齒廓范成原理實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)室可以任意設(shè)置加工參數(shù)。又如軸的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)修改，并及時(shí)觀測設(shè)計(jì)結(jié)果。虛擬實(shí)驗(yàn)室有效拓展了課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和空間，在提高課程教學(xué)效果和實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量及培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力方面，起到了非常重要的作用。
3虛擬實(shí)驗(yàn)室在課程教學(xué)中的作用
機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室具備強(qiáng)大的模擬實(shí)驗(yàn)和相關(guān)輔助功能，對(duì)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容，集實(shí)驗(yàn)和輔助學(xué)習(xí)功能為一體
機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室不僅可完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖測繪、齒廓范成原理、減速器拆裝等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還增加了機(jī)構(gòu)組成原理、連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)、凸輪設(shè)計(jì)、周轉(zhuǎn)輪系的應(yīng)用、軸的設(shè)計(jì)、齒輪傳動(dòng)等新的實(shí)驗(yàn)，拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。所開發(fā)的11個(gè)實(shí)驗(yàn)既有傳統(tǒng)的基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖測繪、減速器拆裝等，又有設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，如齒輪范成原理、軸的設(shè)計(jì)、凸輪設(shè)計(jì)等。學(xué)員不僅可以通過虛擬環(huán)境完成實(shí)驗(yàn)操作和設(shè)計(jì)，提高機(jī)械設(shè)計(jì)能力，還可利用實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目復(fù)習(xí)鞏固課堂所學(xué)知識(shí)，加深對(duì)知識(shí)的理解。例如連桿機(jī)構(gòu)的型式和演化實(shí)驗(yàn)，學(xué)員可通過實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置機(jī)構(gòu)的桿長參數(shù)和機(jī)架，根據(jù)課堂知識(shí)判斷該機(jī)構(gòu)的型式，再利用虛擬實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證自己的判斷，使知識(shí)得以鞏固和加深。機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室將數(shù)值分析算法應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)開發(fā)中，形象地描述了在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中很難實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的創(chuàng)新。例如齒廓范成實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)使用齒廓范成儀進(jìn)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(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，擴(kuò)展了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。圖3為利用機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行漸開線齒廓的范成加工。
3．2構(gòu)建三維虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)仿真和創(chuàng)新設(shè)計(jì)功能
機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了機(jī)構(gòu)模型庫和零件庫，包含多個(gè)常用機(jī)構(gòu)和通用零件，常用機(jī)構(gòu)具有仿真動(dòng)畫效果，通用零件具有三維渲染效果，學(xué)員在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)可隨時(shí)調(diào)用，也可隨時(shí)運(yùn)行觀察其運(yùn)動(dòng)以進(jìn)行組成和運(yùn)動(dòng)分析。如圖4所示即為機(jī)構(gòu)庫中的飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)模型，學(xué)員可在三維實(shí)驗(yàn)環(huán)境中觀察其組成和運(yùn)動(dòng)情況，或?qū)ζ溥M(jìn)行運(yùn)動(dòng)尺寸測繪，在二維環(huán)境中繪制其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，這是機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的一個(gè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)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(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)時(shí)可隨時(shí)調(diào)用，同時(shí)還可在原模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，以用于所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)。如圖5所示為對(duì)設(shè)計(jì)的階梯軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改。這樣使學(xué)員既有很強(qiáng)的感性認(rèn)識(shí)，又鍛煉了其設(shè)計(jì)能力，為基于想象的開放性創(chuàng)意設(shè)計(jì)提供了虛擬實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)，拓展了學(xué)員的創(chuàng)造空間。
3．3實(shí)驗(yàn)操作方便，相關(guān)功能完善
機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室具有可視化的實(shí)驗(yàn)界面，交互功能強(qiáng)大，實(shí)驗(yàn)操作簡單，實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀。每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，進(jìn)行基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)時(shí)在實(shí)驗(yàn)界面上及時(shí)提示后續(xù)的操作步驟，操作不正確時(shí)系統(tǒng)會(huì)給出提示。如減速器拆裝實(shí)驗(yàn)，要求能按正確的順序?qū)p速器進(jìn)行拆卸和安裝，在拆裝過程中，如果順序不正確，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)警告，并提示正確的操作。機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室具有在線幫助功能，學(xué)員在實(shí)驗(yàn)操作中可隨時(shí)查閱實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟等。另外，在每個(gè)實(shí)驗(yàn)完成后可在虛擬實(shí)驗(yàn)室中方便地撰寫、修改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并進(jìn)行提交，如圖6所示。教師可在虛擬實(shí)驗(yàn)室中檢查、批改學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并將實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)反饋給學(xué)員。
4結(jié)束語
關(guān)鍵詞：探究性；三維虛擬實(shí)驗(yàn)
中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2016）02-0055-04
探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)
1.認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論
認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論把學(xué)習(xí)看作對(duì)信息進(jìn)行主動(dòng)選擇和理解的過程，認(rèn)為人的認(rèn)知過程實(shí)際上是一個(gè)信息加工過程，知識(shí)不是由外界刺激直接給予的，而是外界刺激和認(rèn)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，認(rèn)知對(duì)象從傳統(tǒng)的與現(xiàn)實(shí)世界打交道，變成與虛擬世界進(jìn)行交互，從而產(chǎn)生了一種新的認(rèn)知方式。因此設(shè)計(jì)三維虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須從學(xué)生的認(rèn)知心理出發(fā)，注重學(xué)生的具體經(jīng)驗(yàn)和對(duì)情境的了解，使學(xué)習(xí)者新舊知識(shí)之間的同化能順利完成，最終促進(jìn)自己的認(rèn)知發(fā)展。
2.情境學(xué)習(xí)理論
情境學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，特定的知識(shí)應(yīng)該在特定的情境中去學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)是一個(gè)社會(huì)性過程，知識(shí)在這個(gè)過程中由學(xué)習(xí)者與周圍環(huán)境相互作用共同構(gòu)建。情境學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者應(yīng)經(jīng)歷社會(huì)真實(shí)情境，通過實(shí)際活動(dòng)使其在真實(shí)情境中學(xué)習(xí)知識(shí)、技能和策略，對(duì)知識(shí)做合理的解釋并能靈活運(yùn)用知識(shí)。因此，設(shè)計(jì)三維虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)過程所需要的各種情境，為學(xué)生主動(dòng)探究提供環(huán)境支撐。
3.建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論
建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)是建構(gòu)內(nèi)在心理表征的過程，學(xué)習(xí)者以已有的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過與外界的相互作用來建構(gòu)新的理解，學(xué)習(xí)者知識(shí)的獲得是個(gè)體與外部環(huán)境交互的結(jié)果。因此，設(shè)計(jì)三維虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須提供靈活的交互方式，同時(shí)為學(xué)習(xí)者提供豐富的資源和工具，方便學(xué)生進(jìn)行科學(xué)的探究活動(dòng)，有效建構(gòu)自己的知識(shí)。
中學(xué)物理探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.設(shè)計(jì)原則
直觀性：三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要為學(xué)習(xí)者提供逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，增加學(xué)生者親身體驗(yàn)的經(jīng)歷。由于操作步驟復(fù)雜、觀測過程漫長、實(shí)驗(yàn)儀器昂貴等原因而無法完成的實(shí)驗(yàn)要逼真模擬，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象抽象和微觀的就要突破時(shí)空限制轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^呈現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過程不能及時(shí)控制的要設(shè)計(jì)關(guān)鍵現(xiàn)象模擬情境，使學(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)原理。
交互性：三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要為學(xué)習(xí)者提供更多交互的環(huán)節(jié)和實(shí)時(shí)的反饋，方便學(xué)習(xí)者選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備、操作實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件、改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)。使學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境下，按照自己的學(xué)習(xí)特征、學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)方式進(jìn)行主動(dòng)探究。
開放性：三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要為學(xué)習(xí)者提供可以自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)資源和工具，使學(xué)習(xí)者能夠按照自己的興趣自由地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、演示實(shí)驗(yàn)效果，并提供及時(shí)的反饋。
趣味性：三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要為學(xué)習(xí)者提供能夠激發(fā)好奇心和求知欲的實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象，能夠吸引學(xué)生的注意力，給學(xué)習(xí)者悅?cè)さ捏w驗(yàn)，激發(fā)其學(xué)習(xí)物理的興趣。
2.設(shè)計(jì)過程
（1）實(shí)驗(yàn)類型和主題的設(shè)計(jì)
按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為：聲音類、光學(xué)類、電路類、電磁類、理學(xué)類、能量類。本研究從眾多實(shí)驗(yàn)中選擇了部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行開發(fā)仿真，具體包括真實(shí)實(shí)驗(yàn)中不易觀察的實(shí)驗(yàn)、真實(shí)實(shí)驗(yàn)中不易控制的實(shí)驗(yàn)兩類。
（2）虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)
探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)共包括實(shí)驗(yàn)介紹、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)提示、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)四個(gè)模塊。其中，實(shí)驗(yàn)介紹包括儀器介紹和內(nèi)容介紹。儀器介紹闡述虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理等；實(shí)驗(yàn)操作是虛擬實(shí)驗(yàn)的核心部分，通過分析該階段學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)交互式的用戶界面和探究性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和步驟，在三維虛擬實(shí)驗(yàn)場景中對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行操作，完成實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)提示是指對(duì)實(shí)驗(yàn)中容易出錯(cuò)的地方為學(xué)生提供必要的幫助；實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)是根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。
中學(xué)物理探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)
1.主要開發(fā)工具的選擇
探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)主要包括虛擬實(shí)驗(yàn)場景、各種實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的三維建模，以及提供探究活動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)交互體驗(yàn)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(shí)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(dòng)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(qiáng)大、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是許多個(gè)人和公司用戶首選的三維建模與動(dòng)畫軟件。3ds Max被廣泛應(yīng)用于廣告、影視、游戲開發(fā)、計(jì)算機(jī)藝術(shù)、角色動(dòng)畫、工業(yè)設(shè)計(jì)和輔助教學(xué)等諸多領(lǐng)域。
（2）Unity 3D
Unity 3D是由Unity Technologies公司推出的一款強(qiáng)大的3D跨平臺(tái)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(qiáng)大的綜合性虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具，在虛擬漫游與實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)交互體驗(yàn)、人體數(shù)字化展示等領(lǐng)域都得到有效應(yīng)用。
2.開發(fā)流程
三維虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)步驟為：①三維虛擬實(shí)驗(yàn)場景、實(shí)驗(yàn)儀器的建模；②分析學(xué)生的心理和認(rèn)知結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)探究環(huán)節(jié)；③設(shè)計(jì)交互界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的交互操作；④測試虛擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化；⑤虛擬實(shí)驗(yàn)。
3.探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)
（1）實(shí)例1：布朗運(yùn)動(dòng)
①實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路：布朗運(yùn)動(dòng)是由微觀分子間做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)而形成的。在現(xiàn)實(shí)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(xué)生缺乏創(chuàng)造力和空間想象力。而在三維虛擬實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)通過設(shè)計(jì)交互式的界面接口，使學(xué)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(yùn)動(dòng)變化情況，從而使實(shí)驗(yàn)者更好地理解布朗運(yùn)動(dòng)。
②虛擬實(shí)驗(yàn)場景和實(shí)驗(yàn)器材的三維建模。實(shí)驗(yàn)采用3ds Max對(duì)三維仿真實(shí)驗(yàn)中用到的模型進(jìn)行構(gòu)建，主要包括實(shí)驗(yàn)桌、實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)主界面如下頁圖1所示。
③虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)提供了兩個(gè)觀察角度，即宏觀和微觀，宏觀角度用來展示實(shí)驗(yàn)前的狀況；微觀角度用來展示微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀況，通過使用攝像機(jī)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(yùn)動(dòng)情況，實(shí)驗(yàn)操作界面如下頁圖2所示。
下面詳細(xì)介紹微觀角度下實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)過程。首先，學(xué)生點(diǎn)擊微觀按鈕后，攝像機(jī)被激活顯示，同時(shí)向液體分子拉近，這時(shí)出現(xiàn)圖2所示的界面，屏幕下方出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)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(dòng)畫。其次，液體分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)模擬是用Unity自帶的碰撞檢測函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)分子之間相互碰撞時(shí)，會(huì)觸發(fā)自身的碰撞檢測，從而受到一個(gè)反向作用力被反彈回去。當(dāng)多個(gè)分子發(fā)生碰撞時(shí)，它們的運(yùn)動(dòng)就會(huì)變得毫無規(guī)律，從而形成了無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。
（2）實(shí)例2：光的反射與折射
①實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)發(fā)生傳播方向改變的光學(xué)現(xiàn)象。在現(xiàn)實(shí)生活中，為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和靈活性，特別要保證三線共面，需要實(shí)驗(yàn)操作細(xì)致，入射角、反射角、折射角的測量也很費(fèi)時(shí)，且不易控制。而在三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)場景和實(shí)驗(yàn)器材的三維建模。本實(shí)驗(yàn)采用3ds Max對(duì)三維仿真實(shí)驗(yàn)中用到的模型進(jìn)行構(gòu)建，主要實(shí)驗(yàn)儀器如圖3所示。
③虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)用來展示入射角變化時(shí)，反射角、折射角的變化情況，通過圓盤上的刻度標(biāo)定，能夠隨時(shí)讀出確切的值，實(shí)驗(yàn)者能夠清晰地看到入射角、反射角、折射角的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)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(duì)傳統(tǒng)教育教學(xué)改革具有推動(dòng)作用，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)初中物理探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)，能夠有效改進(jìn)傳統(tǒng)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，為學(xué)生進(jìn)一步理解基本概念、掌握實(shí)驗(yàn)規(guī)律和實(shí)驗(yàn)原理，提供了主動(dòng)探究的環(huán)境，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)具有重要價(jià)值，對(duì)探索信息技術(shù)環(huán)境下中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方法具有重要意義。
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【關(guān)鍵詞】自動(dòng)控制理論;LabVIEW;實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
【中圖分類號(hào)】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】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(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)于人才的培養(yǎng)有著直接的影響?！蹲詣?dòng)控制理論》課程作為電氣、自動(dòng)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(shí)驗(yàn)課的輔助教學(xué),生動(dòng)、形象地幫助學(xué)生理解基本概念、建立理論與實(shí)際相結(jié)合的觀點(diǎn)、培養(yǎng)大學(xué)生的初步工程實(shí)踐能力,符合高校培養(yǎng)具有創(chuàng)新實(shí)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(xué)、編程效率高,與Internet方便鏈接等特點(diǎn)。通過改變、增減系統(tǒng)的功能、可方便地?cái)U(kuò)充系統(tǒng)的復(fù)雜性,能為各層次學(xué)生提供廣闊的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐空間。為此,建立基于LabVIEW的自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開展設(shè)計(jì)性、綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),不僅有利于通過直觀形象的實(shí)驗(yàn)圖形與結(jié)果激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,而且對(duì)于全面提升學(xué)生動(dòng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
近年來基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),作為一種工程、教學(xué)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(diǎn)突出,有利于發(fā)展學(xué)生借助計(jì)算機(jī)解決問題的能力。傳統(tǒng)實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn),由于外部條件變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及信息的影響不同[3],則對(duì)于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、通過理論聯(lián)系實(shí)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(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的開展也逐步獲得關(guān)注重視。基于以上分析,所設(shè)計(jì)的LabVIEW自動(dòng)控制理論綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,可以融合以上三種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降膬?yōu)點(diǎn),力圖通過交替互補(bǔ),以不同的實(shí)驗(yàn)要求,通過設(shè)立資源學(xué)習(xí)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)與探索學(xué)習(xí)這三類學(xué)習(xí)模式,全方位提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)理論與技能。
1 仿真實(shí)驗(yàn)
LabVIEW在數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等應(yīng)用領(lǐng)域提供了一個(gè)功能強(qiáng)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(duì)測量結(jié)果的影響,改善了以往費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的實(shí)驗(yàn)過程,便于學(xué)生集中精力對(duì)結(jié)果進(jìn)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(jìn)行分析,由于其獨(dú)特的復(fù)雜性與抽象性,一直是自動(dòng)控制理論教學(xué)的難點(diǎn),理論計(jì)算繁瑣,實(shí)驗(yàn)研究費(fèi)時(shí)。
為此,采用基于圖形化的計(jì)算機(jī)仿真的方法通過對(duì)非線性、線性環(huán)節(jié)的類型、參數(shù)進(jìn)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(fù)的頻率調(diào)整、計(jì)數(shù)、描點(diǎn)等工作,迅速獲取系統(tǒng)的幅相特性曲線。友好的仿真實(shí)驗(yàn)界面如圖3所示。
設(shè)定線性區(qū)寬度 ,飽和特性信號(hào)限幅 后,輸入到實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的如圖3所示的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面,運(yùn)行后,即可獲取如圖4所示的對(duì)應(yīng)的幅相特性曲線圖。
這樣,利用仿真實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以靈活設(shè)定仿真條件,方便、省時(shí)地實(shí)現(xiàn)對(duì)各種非線性環(huán)節(jié)描述函數(shù)的求取與直觀分析,達(dá)到了對(duì)抽象的非線性理論概念進(jìn)行直觀理解的目的。這部分內(nèi)容,設(shè)定了2學(xué)時(shí)由教師講解LabVIEW的基礎(chǔ)知識(shí),安排4學(xué)時(shí)課后時(shí)間用于相關(guān)資源學(xué)習(xí)。
2 模擬型實(shí)物實(shí)驗(yàn)
NI公司提供的ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將DAQ硬件和LabVIEW軟件組合成的一個(gè)定制靈活的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過DAQ捕獲實(shí)際系統(tǒng)中真實(shí)的物理信號(hào),并輸入到計(jì)算機(jī)中,而后利用LabVIEW編制相應(yīng)的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測、記錄、顯示及分析,可以簡化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取及后續(xù)數(shù)據(jù)處理等過程。
目前本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)針對(duì)實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)立了演示實(shí)驗(yàn)[4]和學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)兩部分。演示實(shí)驗(yàn)包括RC電路暫態(tài)電壓變化實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)采集及濾波處理實(shí)驗(yàn)以及直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測控實(shí)驗(yàn)。通過演示實(shí)驗(yàn)的展示與講解,以幫助學(xué)生逐步掌握NI ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用與開發(fā)流程、技巧,為后續(xù)進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)面包板,要求學(xué)生獨(dú)立在實(shí)驗(yàn)板上通過模擬運(yùn)放電路的搭建,完成二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)、典型環(huán)節(jié)頻率特性、系統(tǒng)串聯(lián)校正等實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn),并與理論分析值進(jìn)行比較、分析。此處設(shè)定為任務(wù)驅(qū)動(dòng)型學(xué)習(xí)方式,課內(nèi)保留4學(xué)時(shí)用于提問、測試、成績?cè)u(píng)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(shí)驗(yàn)電路。
圖5中運(yùn)算放大器采用op07,輸入正弦信號(hào) ,其幅值 及頻率 可調(diào)。當(dāng)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)幅值 過大時(shí),系統(tǒng)可能進(jìn)入運(yùn)算放大器的飽和非線性特性工作區(qū)域,系統(tǒng)輸出 信號(hào)則會(huì)輸出周期畸變信號(hào); 當(dāng)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)幅值 過小, 靜電感應(yīng)電壓對(duì)系統(tǒng)輸出 信號(hào)的疊加影響不可忽略, 會(huì)影響輸出 信號(hào)測試的準(zhǔn)確度(此處,可引導(dǎo)學(xué)生對(duì)信號(hào)處理方法進(jìn)行思索、研究)。僅當(dāng)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)幅值 處于適當(dāng)范圍內(nèi),輸出 才可清晰獲取同頻率的正弦信號(hào)。針對(duì)這一現(xiàn)象,與1節(jié)中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)積分環(huán)節(jié)頻率特性的求取方法進(jìn)行對(duì)比,提出問題1:仿真實(shí)驗(yàn)與模擬型實(shí)物實(shí)驗(yàn)的區(qū)別與聯(lián)系?問題2:確定一個(gè)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(shí)踐的相互作用關(guān)系在科學(xué)研究中是怎樣的?以此建立新舊知識(shí)的聯(lián)系,激發(fā)學(xué)生的自主發(fā)現(xiàn)與探究意識(shí),引發(fā)其解決問題的興趣,鼓勵(lì)其進(jìn)行協(xié)作交流,進(jìn)而形成自己對(duì)問題的獨(dú)立見解,綜合實(shí)踐能力得到提高。
最后,考慮部分能力較強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求及后續(xù)課程設(shè)計(jì)的需要,選購了8套球桿(ball balancer)系統(tǒng)作為被控對(duì)象。采用LabVIEW編制軟件算法, 通過驅(qū)動(dòng)程序控制伺服電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速與位置調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)對(duì)此非線性、不穩(wěn)定系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行控制。這部分實(shí)驗(yàn)的設(shè)立為探索學(xué)習(xí)模式階段,通過介紹難點(diǎn)的方式,引導(dǎo)學(xué)生深入思索、學(xué)習(xí)、探索前沿的控制方法。
3 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)
基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室可以最大限度地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源的共享[5],因此本綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也包含了這部分內(nèi)容。遠(yuǎn)程虛擬儀器能從與Internet/Intranet相連的遠(yuǎn)端獲得動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)或?qū)⒖刂菩盘?hào)傳送到遠(yuǎn)端,使在本地PC機(jī)上監(jiān)控遠(yuǎn)端成為可能。遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)不僅提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率,而且方便學(xué)生靈活安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間,強(qiáng)化了學(xué)生的主體作用,同時(shí)有利于教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程的管理,實(shí)現(xiàn)了利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源交互學(xué)習(xí)等目的。
利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室具有易于開發(fā),投資少,擴(kuò)充方便等特點(diǎn)。在LabVIEW 開發(fā)環(huán)境中,有多種方式可以方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和儀器控制,主要有:基于NI公司的遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的共享采集設(shè)備數(shù)據(jù);功能強(qiáng)大、但開發(fā)將對(duì)較復(fù)雜的適用于較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的DataSocket數(shù)據(jù)共享技術(shù);簡便、易學(xué)的基于WEB Publish的遠(yuǎn)程前面板(Remote Front Panels)技術(shù)。
考慮實(shí)驗(yàn)規(guī)模不大及時(shí)間限制等因素,本實(shí)驗(yàn)室選用了基于WEB Publish的遠(yuǎn)程前面板(Remote Front Panels)技術(shù),構(gòu)建B/S模式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。遠(yuǎn)程前面板技術(shù)是把一個(gè)VI的前面板直接嵌入到Web網(wǎng)頁中,并具有自動(dòng)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(gè)動(dòng)態(tài)刷新的實(shí)時(shí)畫面,而且還可以對(duì)前面板進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
考慮到一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備在某一確定時(shí)間段內(nèi)只可以由一個(gè)用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)控制,因此,需要設(shè)定教師管理員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)約管理。學(xué)生通過客戶端注冊(cè)登錄后,在預(yù)定時(shí)間內(nèi)享有對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)指定編號(hào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制權(quán)限。后續(xù)計(jì)劃針對(duì)大四學(xué)生和研究生采用大作業(yè)形式,征集優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)預(yù)約管理方案,取消人員管理,實(shí)現(xiàn)科學(xué)、高效的自動(dòng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)預(yù)約、監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)記錄等管理功能。
三 結(jié)束語
基于LabVIEW技術(shù)開發(fā)的自動(dòng)控制理論綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過設(shè)定仿真實(shí)驗(yàn)、真實(shí)模擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)互相結(jié)合與補(bǔ)充,不僅提供了豐富的計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源,而且注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的智能化與真實(shí)性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的簡易性、綜合性和靈活性。通過關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程,改變了傳統(tǒng)教師講授的單一模式,不僅便于學(xué)生形象理解和掌握與課程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn),促進(jìn)學(xué)生的編程能力與動(dòng)手能力的提升,而且使其自信心獲得提升。這些都將助力學(xué)生從理論學(xué)習(xí)向?qū)嵺`研究進(jìn)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(dāng)代大學(xué)生教育進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)積累。
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【關(guān)鍵詞】虛擬實(shí)驗(yàn);彈藥檢測;
【中圖分類號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號(hào)】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(jìn)行一些必要的實(shí)驗(yàn)操作。由于彈藥檢測實(shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性、過程短暫、過程細(xì)節(jié)不易觀察、實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高等特點(diǎn),而虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種先進(jìn)的教學(xué)手段,以其直觀性、靈活性、實(shí)時(shí)性、形象化的優(yōu)勢,通過創(chuàng)建動(dòng)畫,細(xì)化過程細(xì)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(shí)驗(yàn)氛圍之中,對(duì)突破教學(xué)難點(diǎn)起到了較好的作用。教學(xué)實(shí)踐證明,在現(xiàn)有條件下開展虛擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法,是一種行之有效的教學(xué)方法。
一 虛擬實(shí)驗(yàn)的概念和特點(diǎn)
虛擬實(shí)驗(yàn)通常是指借助于借助計(jì)算機(jī)技術(shù),利用文字、圖形、圖像、聲音等在微機(jī)屏幕上形成的可部分或全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境,實(shí)驗(yàn)者利用鼠標(biāo)和鍵盤的操作完成實(shí)驗(yàn),使實(shí)驗(yàn)者感受到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的過程。我們按照教學(xué)要求組成的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件,為學(xué)員提供一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和過程的操作平臺(tái),它包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、工作原理、操作過程、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)、步驟提示、結(jié)論分析等。通過虛擬實(shí)驗(yàn)軟件把實(shí)驗(yàn)設(shè)備和教學(xué)內(nèi)容有機(jī)地融為一體,加深了學(xué)員對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、過程、方法、設(shè)備結(jié)構(gòu)、注意事項(xiàng)等的理解,達(dá)到現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的效果,培養(yǎng)了學(xué)員動(dòng)手和思維能力,豐富了實(shí)驗(yàn)技能,深化了對(duì)知識(shí)的理解,同時(shí)增強(qiáng)了學(xué)員對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣,提高了教學(xué)效果。
二 彈藥檢測虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)分析
1 保證實(shí)驗(yàn)者的安全:在真實(shí)的彈藥實(shí)驗(yàn)中,由于彈藥特有的危險(xiǎn)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(shí)驗(yàn)由于不使用真槍實(shí)彈,可以避免事故發(fā)生,杜絕真實(shí)彈藥實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)。
2 降低實(shí)驗(yàn)成本:彈藥實(shí)驗(yàn)的費(fèi)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(huì)伴隨人員的傷亡,后果十分嚴(yán)重;采用虛擬實(shí)驗(yàn)的投資費(fèi)用比較低,可以長期使用,并可以不斷改進(jìn)和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,近似達(dá)到零成本的效果。
3 提高學(xué)習(xí)效果:虛擬實(shí)驗(yàn)軟件可以直接安裝在微機(jī)上,擺脫了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受時(shí)間、場合的限制,學(xué)員通過調(diào)用不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)K,可以自行選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,實(shí)驗(yàn)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(diǎn),通過多次重復(fù)使用,加深學(xué)員對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解,使學(xué)員熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備的應(yīng)用,鍛煉他們觀察實(shí)驗(yàn)過程和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力。
4 強(qiáng)化學(xué)員對(duì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的認(rèn)識(shí):彈藥實(shí)驗(yàn)具有“三高一短”(高溫、高速、高壓、過程短暫)的特點(diǎn),其過程復(fù)雜而短暫,很難從感官上得到深刻的認(rèn)識(shí),即使參加了實(shí)際的試驗(yàn)過程,如果不采用相應(yīng)的設(shè)備,也很難獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。彈藥發(fā)射實(shí)驗(yàn)過程通常在數(shù)十毫秒內(nèi)結(jié)束,實(shí)驗(yàn)結(jié)果單憑人的感官是無法得出結(jié)論的。而采用虛擬實(shí)驗(yàn)的方法,可以將實(shí)驗(yàn)過程速度放慢,結(jié)合聲光效果,細(xì)化實(shí)驗(yàn)過程,觀察細(xì)微環(huán)節(jié),加深了對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解。
三 彈藥檢測虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)手段[2] [3]
制作實(shí)驗(yàn)課件首先要進(jìn)行總體規(guī)劃,制定系統(tǒng)總體目標(biāo)、模塊功能和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課件的基礎(chǔ),我們根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn),由flash、3D Max完成二、三維動(dòng)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(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(diǎn),最后以Authorware為平臺(tái)進(jìn)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(dòng)態(tài)鏈接被調(diào)用。
四 虛擬實(shí)驗(yàn)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(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)后,就可以基本敘述出工作原理和實(shí)驗(yàn)過程,而這是教員用語言表述很難達(dá)到的效果。在此例舉幾個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用范例:
1 初速、膛壓虛擬實(shí)驗(yàn)
彈藥的初速、膛壓實(shí)驗(yàn)是彈藥檢測技術(shù)課程的重要實(shí)驗(yàn),但是由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件的限制,不可能也沒有必要每人都進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn),即使實(shí)驗(yàn)者親自參加了實(shí)驗(yàn),也只是在現(xiàn)場聽到一聲發(fā)射的巨響,看到一團(tuán)火光,從實(shí)驗(yàn)設(shè)備上得到了一組數(shù)據(jù),而對(duì)實(shí)驗(yàn)中的細(xì)節(jié)是無法體會(huì)的,我們?cè)谡n堂教學(xué)中采用了虛擬實(shí)驗(yàn)軟件,把實(shí)驗(yàn)過程以“慢鏡頭”的方式,將火藥燃燒、彈丸運(yùn)動(dòng)、傳感器接收測試信號(hào)等過程展現(xiàn)給學(xué)員,使學(xué)員清晰的看到了實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)和結(jié)果,仿佛親身經(jīng)歷了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。膛壓和初速虛擬實(shí)驗(yàn)的部分畫面見圖1和圖2。
2 傳感器原理虛擬實(shí)驗(yàn)[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(shí)對(duì)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(shí)很難用語言講述清楚。在講解時(shí)通過虛擬實(shí)驗(yàn)演示,將結(jié)構(gòu)原理、實(shí)驗(yàn)曲線、工作過程等動(dòng)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(shí),通過虛擬實(shí)驗(yàn),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(shí)驗(yàn)可以生動(dòng)形象地反映教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)間和精力。通過多期的教學(xué)實(shí)踐證明,虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)畢竟是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助手段,決不能完全取代實(shí)際實(shí)驗(yàn),必要時(shí)要采用虛實(shí)結(jié)合的方式,通過個(gè)別現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)、(高速)錄像片回放等方法,才能達(dá)到更好的教學(xué)效果。虛擬實(shí)驗(yàn)不是萬能的,我們需要把它和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(xiàn)
[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.
國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)于1998年修訂研究生專業(yè)目錄時(shí)，特別設(shè)立了材料物理和化學(xué)專業(yè)。材料物理和材料化學(xué)是材料科學(xué)的重要基礎(chǔ)?，F(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)由過去的宏觀研究和發(fā)展進(jìn)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(dāng)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(xué)家和物理學(xué)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(xué)新專業(yè)無疑是多學(xué)科知識(shí)交叉、滲透的結(jié)果。它給現(xiàn)代材料的研究、開發(fā)和應(yīng)用以及相關(guān)科學(xué)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(dǎo)和技術(shù)保障。因?yàn)椴牧匣瘜W(xué)專業(yè)是技能性、實(shí)踐性極強(qiáng)的學(xué)科領(lǐng)域。如何通過材料化學(xué)各實(shí)驗(yàn)課程的改革，深化學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方式和實(shí)踐能力，從而提高學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合能力，是我們面臨的一個(gè)重要問題。如何通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)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(dú)立操作和控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，培養(yǎng)學(xué)生的研究精神和創(chuàng)造能力是我們材料化學(xué)專業(yè)需要迫切解決的問題。我們通過分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。
分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)法研究
通過分層次開設(shè)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的合理的思維方式和實(shí)踐能力，從而提高學(xué)生研究精神和創(chuàng)造性能力。具體過程分為以下三個(gè)步驟：
1.加強(qiáng)有關(guān)材料化學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)
在材料化學(xué)專業(yè)本科生具有了初步的化學(xué)和物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ幕A(chǔ)上，首先將材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程從相關(guān)理論課程剝離，綜合成材料化學(xué)專業(yè)專門的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，集中訓(xùn)練學(xué)生的材料制備和材料性能檢測技能，并以此為實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)重點(diǎn)，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)基本技能得以鞏固和提高。
2.開展綜合性實(shí)驗(yàn)并結(jié)合本專業(yè)開展遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)
在材料化學(xué)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(shí)驗(yàn)技能基礎(chǔ)上，第二步開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)并結(jié)合遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。綜合性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)是為了適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展和需求，在綜合實(shí)驗(yàn)新體系中，要求開設(shè)的綜合性實(shí)驗(yàn)盡可能反映材料、生命、環(huán)境、信息等學(xué)科的內(nèi)容；了解和學(xué)習(xí)材料化學(xué)研究方法與現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)在高新科技學(xué)科中的應(yīng)用成為我們新的建設(shè)目標(biāo)。因此，不僅要打破專業(yè)的界限，還要打破學(xué)科的界限，使綜合性實(shí)驗(yàn)成為跨學(xué)科、多技能的綜合訓(xùn)練。在我們材料化學(xué)專業(yè)開設(shè)的綜合性實(shí)驗(yàn)中，與材料、信息相關(guān)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)是天然物或中草藥物的提取及指紋圖譜等。這樣可以使學(xué)生掌握無機(jī)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(xué)生的專業(yè)知識(shí)并擴(kuò)展了知識(shí)面。為今后學(xué)生進(jìn)行主導(dǎo)型研究性實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的瓶頸。計(jì)算機(jī)軟、硬件的飛速發(fā)展無疑使得虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境更加逼真、智能。當(dāng)然，虛擬實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)生的誤差分析能力等方面還不可能取代傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。但是開設(shè)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以使接受遠(yuǎn)程教育的學(xué)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(xué)生網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的能力，為終身學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。對(duì)我們專業(yè)來說，因?yàn)槭切麻_的專業(yè)，很多實(shí)驗(yàn)還缺乏必要的實(shí)驗(yàn)器材，很多綜合性實(shí)驗(yàn)課程無法開出。但借助遠(yuǎn)程教育平臺(tái)，可以與兄弟院校和我校其他院系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源實(shí)現(xiàn)共享，從而使相關(guān)實(shí)驗(yàn)得以進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知。
3.開展學(xué)生主導(dǎo)型研究性實(shí)驗(yàn)的模式
學(xué)生主導(dǎo)型研究性實(shí)驗(yàn)是在綜合性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上由學(xué)生自己選題、查閱文獻(xiàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在教師指導(dǎo)下完成研究性實(shí)驗(yàn)論文并進(jìn)行論文答辯。該模式的主要目的是全方位地鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)研究的能力，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，激發(fā)他們從事材料科學(xué)研究的興趣和熱情，為其今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)和將來從事科研工作打下良好的基礎(chǔ)。同時(shí)這種新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭蔡岣吡藢?shí)驗(yàn)室在學(xué)生學(xué)習(xí)中所占的地位，建立了進(jìn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)的意識(shí)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)對(duì)開發(fā)學(xué)生智力和創(chuàng)新能力有著重要作用。但在具體實(shí)施時(shí)，對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)要有一個(gè)由淺入深的過程，我們材料化學(xué)專業(yè)的主導(dǎo)型研究性實(shí)驗(yàn)采取在大學(xué)中后期開設(shè)，在學(xué)生已經(jīng)完成材料化學(xué)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合指導(dǎo)教師的課題或相關(guān)專業(yè)后開設(shè)（可參考材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)教程中的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)）。具體過程一般為以下幾個(gè)步驟：（1）選題； （2）查閱文獻(xiàn)收集資料； （3）研究方案。學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理，方法和步驟，擬定實(shí)驗(yàn)所需藥品、儀器，探討實(shí)驗(yàn)時(shí)可能產(chǎn)生的現(xiàn)象和容易發(fā)生的失誤以及安全等應(yīng)注意的問題，最后獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)方案包括：實(shí)驗(yàn)題目、儀器、藥品、操作步驟和實(shí)驗(yàn)表征儀器等。然后將審閱實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案交給教師，教師在尊重學(xué)生創(chuàng)造精神的原則下選出幾種最佳方法，同時(shí)糾正某些實(shí)驗(yàn)方案的錯(cuò)誤指出某些實(shí)驗(yàn)方案的缺陷，再將設(shè)計(jì)方案反饋給學(xué)生，將教師選中的方案交由全班同學(xué)討論、完善。然后采取論文答辯的方式檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)效果。在整個(gè)形式上基本是本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)的模型，通過這樣的實(shí)驗(yàn)為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)和將來的進(jìn)一步深造奠定基礎(chǔ)。
最后，在整個(gè)分層次法實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們的實(shí)驗(yàn)室采取的是開放式實(shí)驗(yàn)管理模式，在時(shí)間方面，我們安排了中午、晚上和雙休日對(duì)學(xué)生開放，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行一些探索，對(duì)實(shí)驗(yàn)基本技能進(jìn)行鞏固和掌握。同時(shí)，有2~3周開展專門的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。在人員配備方面，采用專業(yè)課教師和實(shí)驗(yàn)室教師結(jié)合的方式，使每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有專業(yè)教師進(jìn)行指導(dǎo)，以保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。
論文摘要：本文對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)做了介紹，指出了虛擬技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢，并給出虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用手段和方法。
實(shí)驗(yàn)一直都是與教學(xué)息息相關(guān)的重要活動(dòng)之一。它可以使學(xué)生更好地感受、理解知識(shí)的產(chǎn)生和發(fā)展過程，讓枯燥的理論知識(shí)變得形象，易于理解。實(shí)驗(yàn)不僅能幫助學(xué)生鞏固理論知識(shí)，提高通過實(shí)驗(yàn)手段探索科學(xué)知識(shí)的能力，還能激發(fā)學(xué)生探索未知世界的興趣，增強(qiáng)創(chuàng)新能力。然而，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)方面存在的諸多難題卻嚴(yán)重限制了教學(xué)質(zhì)量的提高。如實(shí)驗(yàn)成本過高，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的儀器和設(shè)備往往代價(jià)昂貴，實(shí)驗(yàn)材料也比較貴，而且有些實(shí)驗(yàn)儀器損耗較大，需要經(jīng)常更新。而許多學(xué)校在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)上又捉襟見肘，要么是實(shí)驗(yàn)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(shí)。即使有完善的較新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在空間和時(shí)間上的限制也可能無法滿足大量學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的需要。為了緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)的壓力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，可以采用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。
一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) (ⅥrnJal ReaJ時(shí)，簡稱 vR技術(shù))出現(xiàn)于 20世紀(jì) 60年代，隨著處理器技術(shù)的大幅度提高以及圖形繪制技術(shù)、數(shù)字信號(hào)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(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的研究熱潮。
虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供了一種先進(jìn)的人機(jī)界面，它通過為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等直觀而自然的實(shí)時(shí)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(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的工作效率。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有 3個(gè)突出特征：沉浸性、交互性、想象性。
虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)的核心是強(qiáng)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(yàn)。我們可以給出如圖 1的虛擬現(xiàn)實(shí)的概念模型。
二、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
1．虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)
(1)共享程度高。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在地域和時(shí)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(shí)間的問題，實(shí)驗(yàn)者可以隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為用戶提供了一個(gè)可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)訪問的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，極大地提高了信息與實(shí)驗(yàn)資源的共享程度。
(2)強(qiáng)大的交互能力。為了向用戶提供一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)往往都具有強(qiáng)大的交互能力，實(shí)驗(yàn)者和虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象之間可以通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊或者拖曳操作進(jìn)行交互，實(shí)驗(yàn)者可以實(shí)時(shí)地觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
(3)支持協(xié)作。虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建模
如何構(gòu)建教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使其能夠擁有豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容表現(xiàn)方式、提供形象生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)從感知到理解的過程，一直是研究教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的熱點(diǎn)問題之一。
虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建是將多種技術(shù)綜合運(yùn)用，首先構(gòu)建實(shí)驗(yàn)過程所需要的各種儀器設(shè)備，對(duì)于場景進(jìn)行建模。三維虛擬場景模塊的建立是以某一實(shí)景為基礎(chǔ)的，因此在虛擬場景建模之前需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行實(shí)地考察并對(duì)建筑物進(jìn)行篩選，從而構(gòu)建具有真實(shí)感的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。對(duì)于儀器設(shè)備完全用Ⅵ ML語言建立復(fù)雜的三維模型是相當(dāng)煩瑣的，而且建模方法缺乏直觀性，而3DSMAX強(qiáng)大的三維建模功能以及對(duì)具有轉(zhuǎn)換為V文件格式輸出的功能，使其在三維虛擬場景中廣泛應(yīng)用。我們?cè)趯?shí)際的建模過程中根據(jù)要建立模型的特點(diǎn)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(duì)于復(fù)雜場景則采用3DsMAx建模后以VRMI，文件格式輸出。當(dāng)然在虛擬實(shí)驗(yàn)的建模過程中的龐大建模工作量對(duì)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?yàn)槭褂谜鎸?shí)照片直接生成三維模型，所以效果非常真實(shí)；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(shí)儀器設(shè)備的特性，有時(shí)還采用FLASH技術(shù)來達(dá)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的交互
交互性是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要問題。一類是用戶在瀏覽場景的時(shí)候，主要的輸入設(shè)備就是鼠標(biāo)，這時(shí)候檢測器實(shí)際上是檢測用戶對(duì)于鼠標(biāo)的各種操作動(dòng)作，如鼠標(biāo)的單擊、指向、拖動(dòng)等等，從而場景做出相應(yīng)的反應(yīng)。檢測這類動(dòng)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(diǎn)有接觸監(jiān)測器節(jié)點(diǎn)TouchSensor以及PlaneSensor節(jié)點(diǎn)、SphereSensor節(jié)點(diǎn)、CylinderSenS0r節(jié)點(diǎn)；另一類是用戶和場景中某對(duì)象接近的程度，對(duì)象做出相應(yīng)的反應(yīng)，使得用戶和虛擬對(duì)象之間形成交互。
將所有儀器設(shè)備成功地加入到場景當(dāng)中之后，用戶應(yīng)該可以隨意地拿起自己需要的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以要提供用戶選取實(shí)驗(yàn)器材的接口。當(dāng)用戶在選擇某件儀器，為了提供給用戶選擇的接口，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)儀器原型中設(shè)計(jì)了供用戶選擇的按鈕。如果選中時(shí)就可以點(diǎn)擊按鈕“tal(e ，無需使用就只要點(diǎn)擊“放回”按鈕。由于用戶需要與系統(tǒng)進(jìn)行交互，同時(shí)系統(tǒng)需要根據(jù)用戶的選擇與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫進(jìn)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(gè)過程 。
三、虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要內(nèi)容，是系統(tǒng)的靈魂所在。在虛擬實(shí)驗(yàn)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(jì)模式進(jìn)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(gè)模塊集成的整體，每一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(hù)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要特色之一。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，儀器設(shè)備一般會(huì)自帶一個(gè)顯示屏，以及相關(guān)的操作組件和按鈕來形成一個(gè)操作面板，這個(gè)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，各種儀器設(shè)備的操作面板集中顯示在計(jì)算機(jī)的顯示屏幕上，這種面板由軟件程序來形成和設(shè)置，由鍵盤、鼠標(biāo)以及其他的外部輸入設(shè)備來控制，面板的形式以及各組件和按鈕的功能可以根據(jù)需要自定義，可以將多個(gè)儀器的面板組合在一起，也可以將某一個(gè)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，我們通過網(wǎng)絡(luò)可以突破時(shí)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。我們?cè)谡劶尚缘膯栴}的時(shí)候，一定是和相應(yīng)的分散度聯(lián)系在一起的，就如同整體和部分之間的關(guān)系，每一個(gè)整體都可以看作更大的整體的一部分，而每一個(gè)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(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)勢
從虛擬實(shí)驗(yàn)的技術(shù)優(yōu)勢和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀需求出發(fā)，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1．資源開放
從虛擬實(shí)驗(yàn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度來看，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的有效資源全部開放，這使得實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從開發(fā)到操作，再到后期數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)課程的復(fù)習(xí)全部開放給學(xué)生，學(xué)生可以利用系統(tǒng)軟件程序模塊和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)模板等幫助實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的形成與開發(fā)；利用數(shù)據(jù)分析與處理工具包進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理，獲得規(guī)律性認(rèn)識(shí)：教師的指導(dǎo)性意見、學(xué)生的交流信息和實(shí)驗(yàn)故障和誤差分析等信息資料，可以幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程總結(jié)和復(fù)習(xí)中取長補(bǔ)短、鞏固知識(shí)。
2．組織形式開放
虛擬實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)資源、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)和實(shí)驗(yàn)操作等網(wǎng)絡(luò)化、平臺(tái)化，因此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、時(shí)間以及地點(diǎn)等組織形式是開放的具備可選擇性。針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要跨學(xué)科、跨地域、多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)同時(shí)開展等現(xiàn)狀要求，虛擬實(shí)驗(yàn)所具備的組織形式開放性為實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的擴(kuò)展提供了技術(shù)準(zhǔn)備。
3．對(duì)象開放
虛擬實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)功能能夠根據(jù)不同的對(duì)象設(shè)置不同權(quán)限的系統(tǒng)身份，實(shí)驗(yàn)參與人員各取所需，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和交流的目的。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)象的身份基本分為三種層次和三種身份。三種層次指的是系統(tǒng)管理員、教師和技術(shù)人員、學(xué)生。三種身份是針對(duì)學(xué)習(xí)者而言的：實(shí)驗(yàn)課程參與者、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)者、實(shí)驗(yàn)愛好和探索者。
五、總結(jié)
本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，這在一定得程度上提高了實(shí)驗(yàn)的開放程度，降低了實(shí)驗(yàn)的成本，較好地激發(fā)了學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的興趣和主觀能動(dòng)性，但在虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)置過程中的交互問題仍是一個(gè)值得探討和研究的主要問題。
參考文獻(xiàn)
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（1）創(chuàng)建藝工結(jié)合開放式實(shí)踐教學(xué)網(wǎng)絡(luò)管理模式。以實(shí)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為支撐，自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)室與實(shí)踐教學(xué)綜合管理系統(tǒng)。系統(tǒng)包含三大模塊：包含實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)上報(bào)和報(bào)表匯總、成果管理等 8 項(xiàng)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)室綜合管理模塊；貫穿于畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目管理、學(xué)科競賽項(xiàng)目管理 3 個(gè)子系統(tǒng)的大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃管理模塊。
（2）構(gòu)建“三層次、五模塊”的實(shí)踐教學(xué)體系。建立基于網(wǎng)絡(luò)管理的“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練”“專業(yè)綜合能力訓(xùn)練”和“設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力訓(xùn)練”三層次和“驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)跨課程綜合性實(shí)驗(yàn)藝術(shù)創(chuàng)作（工程設(shè)計(jì)）能力實(shí)訓(xùn)集成創(chuàng)新實(shí)踐（創(chuàng)作、研究開發(fā)）”五模塊的實(shí)踐教學(xué)體系。
（3）夯實(shí)基礎(chǔ)，強(qiáng)化創(chuàng)新，多方位拓展和豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，重塑學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)。創(chuàng)建本科生科研訓(xùn)練、實(shí)驗(yàn)室開放和學(xué)科競賽項(xiàng)目，并將其作為實(shí)踐教學(xué)的重要內(nèi)容。積極開展項(xiàng)目教學(xué)，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作。將三類項(xiàng)目與相關(guān)課程相結(jié)合，突破傳統(tǒng)內(nèi)容局限，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)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(shí)踐”平臺(tái)。將相關(guān)實(shí)驗(yàn)室和工作室、大學(xué)生創(chuàng)意工廠、市級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、校級(jí)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(jìn)行有機(jī)整合。
（5）建立實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的評(píng)審、管理和獎(jiǎng)勵(lì)等長效機(jī)制。制定各類項(xiàng)目管理辦法，建立教務(wù)處、各教學(xué)部門、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的三級(jí)項(xiàng)目管理制度。每年以網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)，開展項(xiàng)目的立項(xiàng)工作，并強(qiáng)化網(wǎng)上過程管理，定期進(jìn)行項(xiàng)目驗(yàn)收與總結(jié)。
