仿真教学实验论文（精选11篇）
仿真教学实验论文 第1篇
实验教学重在培养学生的实验研究能力、实际动手能力和观察分析能力,同时也培养学生综合应用所学的理论方法与知识去分析、解决实际问题的能力。通过虚拟、仿真实验,突破原有学科和课程实验的界限,重新构建高等教育的实验课程教学体系,减少单纯验证性实验,增加综合性、设计性及创新性实验,加强现代计算机仿真、实验方法、实验手段的应用,及时地提出有代表性的、启发性的问题以加深学生对相关实验知识的认识理解,激发创新思维与兴趣。建立虚拟仿真实验教学体系,充分发挥学生在实验过程中的主动性,为学生独立自主地进行学习与实践创造良好的条件,从而达到培养学生综合能力的目的。
1 虚拟仪器、计算机仿真实验的概念
虚拟仪器Virtual Instruments(简称VI)是目前国内外测试技术界和仪器制造界十分关注的热门话题。它是在计算机科学和微电子技术迅速发展和普及的今天,出现的一种基于计算机的自动化检测仪器系统,借助于通用的模拟量及数字量输入输出平台,通过计算机软件,按照已知的数学模型和时序实现的,具有信号测量、控制、变换、分析、显示、输出等功能的智能化输入输出系统。虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术完美结合的一种概念性仪器,充分利用了计算机强大的图形界面(软面板)和数据处理功能,能对被测对象进行真实的测量与测试,代表一种创新的设计思想。
计算机仿真是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿。仿真实验是利用计算机创建一个可视化的实验操作环境,其中的每一个可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备,通过操作这些虚拟的实验仪器或设备,即可进行各种实验,达到与真实实验相一致的教学要求和目的,它是虚拟仿真技术、计算机技术和专业理论知识多方面结合的结晶。
2 虚拟仿真实验在当前高校实验教学中的作用
(1)虚拟仪器技术为教学双方都提供了很好的舞台
其内容新,反映了现代测试技术的发展方向;涉及面广,包括数学、物理、电工电子技、计算机软硬件、信号处理及相关专业的测试技术。借助LABVIEW开发平台,利用其强大的图形化编程功能,设计完成实验所需的虚拟仪器,如频谱分析仪、任意函数发生器、数据记录仪、各种功能的滤波器、曲线拟合、概率统计直方图、噪声处理、振动分析仪、动态信号分析(仿真)等,以完成数据采集、参数测量、信号分析处理、动态程序控制、仪器控制及网络频率特性测量等实验教学任务。实验中,可感受相关专业的工作现场氛围和专业仪器设备的规范使用,创建工程实践环境,加强实验技能、创新意识和创新能力的培养。
(2)虚拟仿真实验可以提供开放式实验环境,真正实现实验室向学生开放
学生可以打破时间和地域的限制完成相关的教学实验。由于虚拟仪器系统的支持,学生可以自拟、自选实验题目,自行组织实验,变使用现成的仪器为开发自己的仪器进行实验,摒弃传统的灌输式教学方式,让学生自主参与到教学中来,最大限度地发挥学生的主动性和创造性。这种学生自主探索的学习活动,可使他们的个性得到发展,创造能力得到提高,最大程度地锻炼和开发学生的创新能力,极大地激发学生的学习兴趣。
(3)提高学生科研和工作能力
随着信息技术的迅速发展,电子、通信系统在性能不断提高的同时也变得越来越复杂。正因为如此,不采用计算机技术,很难对这些系统进行分析和设计。而虚拟仿真技术由于其廉价性、高效性和灵活性,成为了该产业中的主要设计和分析手段之一。同时,虚拟仪器、计算机仿真更是电子、通信等方面科研时所必备的工具。通过虚拟仿真实验,学生可以更深入地理解电子信息相关课程的教学内容;通过仿真,学生可以学习到系统工作特性比传统课程上学到的更复杂和更实际。因为在传统课程教学中必须将复杂性限制在较低的程度,以保证能够进行分析,而仿真允许我们改变系统参数,可以通过仿真结果进行交互式和可视化的显示,可以迅速评估这些改变对系统的影响。此外,通晓计算机仿真方法的学生在毕业后进入相关工作领域时,就掌握了业界所需要的技能,为将来的科研和工作打下坚实的基础。
(4)改变实验教学模式,培养创新人才
传统实验大多数以验证性为主,实验内容单一,学生无需思考,按部就班地按照实验步骤就可以做完实验,缺乏设计性和创新能力的培养。引入虚拟仿真实验,可灵活地增加各种设计性实验内容,使学生根据实验要求,自行设计实验方案,以各种形式输出检测结果,实时进行分析。因此,虚拟仿真实验不仅能锻炼学生的独立构思和设计能力,而且能激发学习的兴趣,这样更有利于培养出具有创新精神和实践能力的人才。
(5)虚拟仿真实验可以提高实验教学水平,整合实验教学资源
虚拟仿真实验室易于构建、易于实现,便于异地在线检测和远程测控,在高校实验室中可以发挥重要作用。运用虚拟仪器技术,可以用现有设备搭建功能强大的实验系统,从而节省大量的购置设备费用,显著降低实验室建设和管理成本,提高实验效率。建设虚拟仿真实验室,既能使实验教学上一个新的台阶,又能跟上国际先进水平,争创本学科实验教学的优势。
虚拟仪器技术使过去互不相干、独立分散的信号调理、数据采集、数据处理、数据输出和传输等许多技术领域相互影响、相互融合,并形成新的技术方法和规范,从而提高实验室水平,提高仪器界面的人机交互能力和可视化程度,给实验者更高性能的仪器设备,满足实验教学不断提出的新的教学要求。
3 虚拟仪器及计算机仿真实验平台的建立
(1)基于LabVIEW的虚拟仪器实验平台
美国国家仪器公司(National Instruments TM,NI)多年来在虚拟仪器技术的标准制定、软硬件研发方面是业界公认的权威。LabVIEW是NI公司提供的虚拟仪器开发平台,是一种图形化的编程语言和开发环境,广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受,被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW不仅提供了遵从GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能,还内置了支持TCP/IP、Active X等软件标准的库函数,利用它可以方便地建立起自己的虚拟仪器。
(2)基于MATLAB的系统仿真
MATLAB语言是当今国际上科学界最具影响力、也是最有活力的软件,具有强大的数学运算能力、方便实用的绘图功能及语言的高度集成性。MATLAB在数学计算以外的其他科学与工程领域有着广阔的应用前景,它可以将使用者从烦琐、无谓的底层编程中解放出来,把宝贵的时间更多地花在解决问题中,提高工作效率。
在电子、通信领域MATLAB的应用优势更加明显,因为在电子、通信领域中很多问题是研究系统性能的。传统的方法只有构建一个实验系统,采用各种仪器进行测量得到所需的数据,这样不仅需要花费大量的资金用于实验系统的构建,而且系统构建的周期长,系统参数的调整也十分困难。MATLAB的出现使得通信系统的仿真能够用计算机模拟实现,免去构建实验系统的不便,而且操作简单,只需输入不同的参数就能得到不同情况下系统的性能,同时在结果的观测和数据的存储方面也比传统的方法有很多的优势。
MATLAB最大的特点是提供了很多专用的工具箱和模块库,如通信工具箱和模块库、数字信号处理工具箱和模块库、控制工具箱和模块库等,MATLAB在这些工具箱和模块库中提供了很多常用的函数和模块,使得仿真更容易实现。
(3)基于FPGA的仿真实验
FPGA(现场可编程门阵列)是在PAL、GAL等逻辑器件的基础上发展起来的,但FPGA的规模较大,非常适合于时序、组合等逻辑电路应用场合,它可以替代几十甚至上百块通用IC芯片。应用FPGA可以做成一个系统级芯片,它具有可编程性和实现方案容易修改的特点。基于FPGA的仿真实验可以借助不同的FPGA开发工具如MAXPLUS、QUARTUSII等完成设计输入(原理图或HDL)、仿真、综合、适配、下载等工作,从软硬件的整体角度来测试学生设计方案的正确与否。
(4)基于EWB的电子实验平台
EWB(ELECTRONICS WORKBENCH)是一个虚拟的电子实验平台,它不仅提供了数千种电路元器件,而且提供了与实际极为相似的各种仿真仪器,且都可以直接从屏幕上选取,有14种电路分析方法,可完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析。
(5)SystemView通信仿真系统
SystemView是一个专用于通信系统设计、仿真的动态系统分析工具,可进行信号处理、滤波器设计及复杂的通信系统数学模型的建立等不同层次的设计和仿真,在通信系统分析和设计领域具有广阔的应用前景。SystemView是基于Windows平台下的一个完整的动态系统设计、分析和仿真的可视化开发环境。可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合和各种多速率系统,可用于各种线性、非线性控制系统的设计和仿真。能够进行各种系统的时域与频域分析、谱分析及对各种逻辑电路、射频/模拟电路进行理论分析和失真分析等,广泛应用于现代数字信号处理、通信系统以及控制系统的设计与仿真领域。
4 虚拟仿真实验的开展
(1)软硬件实验环境的建设
对虚拟仿真实验室的结构功能进行详细论证和研究,研究建立高层次虚拟仿真实验室,包括软件建设和硬件建设。将虚拟仪器技术和计算机模拟仿真技术通过数据交换共享结合起来,对一些科学现象和规律利用计算机模拟仿真软件对其进行模拟仿真。仿真的结果通过虚拟仪器系统进行观察、分析、处理,创造一种近乎进行真实的实验环境。
(2)实验教学师资的建设
虚拟仿真实验融合了许多技术领域并相互影响,这就要求从事实验教学的教师具有综合实验能力和雄厚的理论基础,能够紧跟现代化科学技术的发展步伐,能够不断更新和调整实验方法和手段,使实验室的实验教学设备保持科学性、先进性。
(3)虚拟仿真实验项目的合理选择
根据专业培养方案的要求,对每门课程中的每一个实验的目的、内容、要求和实验过程中经常出现的问题进行分析和归纳,为虚拟仿真实验提供准确详实的资料参考。虚拟仿真实验项目的合理选择要求学生在理论与实际结合的基础上解决相关问题。考虑为学生的创造性学习提供充分的空间,最关键的问题是要根据学生的实际情况、实验室的设备条件及课时的限制,确定恰当的项目选题,这些项目选题应当有别于实际工程项目,功能要相对简单,包含一定的算法及信号处理内容。所选实验项目应当融入到相关课程体系中去,本着培养学生自主学习能力的原则,在选题时应以设计型实验项目为主。
(4)逐步扩大综合性、设计性、研究性实验的范围
充分利用虚拟仪器、仿真实验系统,完善实验教学过程,逐步扩大综合性、设计性、研究性实验的范围,将现代测量、测试、仿真技术手段向公共基础实验拓展,实现多学科的实验教学资源共享,提高实验室效率。
(5)综合实验方案的设计
探索能够综合应用所学专业知识的、综合培养学生能力的综合开发应用实验方案,寻求能够为学生提供毕业设计的方法和技术支持。
(6)向学生开放实验室
鼓励支持学生在课余时间参加开放式实验教学、科研,充分发挥虚拟仿真实验室的资源优势,促进实验教学改革。虚拟实验室开放的具体形式可以分为学生参与科研型、学生科技活动型、自选实验课题型等,采用以学生为主体、教师加以启发指导的实验教学模式。
5 结束语
近年来,计算机技术和DSP技术的迅速发展,为虚拟仪器、计算机仿真技术发展创造了良好的外部环境。虚拟仿真技术运用于实验教学中,将给传统的实验教学注入新的活力,进一步加强学生综合能力和创新能力的培养。
摘要：阐述了虚拟仿真实验在实验教学中发挥的重要作用,系统地提出了与电子信息类专业课程体系相适应的虚拟仪器及计算机仿真实验平台的建立方案,从实验环境建设、师资建设、实验项目选择等方面分析了开展虚拟仿真实验的实施方法。
关键词：虚拟仪器,仿真,实验
参考文献
[1]侯国屏等.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社,2005,2.
[2]马晓阳.虚拟仪器技术在教学中的应用[J].中国职业技术教育,2006,(13).
[3]周又平等.虚拟仪器教学实验平台在电子技术类课程的应用[J].实验技术与管理,2006,(03).
物理教师谈虚拟仿真实验教学 第2篇
随着信息化技术的发展，虚拟仿真技术在实验教学中的 运用越来越广泛。日前教育部批准了清华大学数字化制造 系统虚拟仿真实验教学中心等100个国家级虚拟仿真实验教学中心，一些中学也开始建设自己的虚拟仿真实验室，虚拟实验教学得到越来越多的老师的重视。
虚拟仿真实验教学在物理、化学、医学等学科上的运用较普遍，它能部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关操作环境。一些物理老师表示，现在学校提供的实验条件
有限，虚拟实验虽然不能更好地体会动手能力，但对学习这些以实验为主的学科，是一个很好的补充，尤其能反复进行实验。比如在“NB电磁学实验”软件中，灯泡烧坏了可以修复继续使用，而在传统实验中学生基本不允许体验灯泡烧坏的场景。在传统实验中，比如单摆实验，做一次，铁球就少几个，缺失了不能及时补充，导致后面的同学根本做不了，这也是为什么很多学校的实验室成为摆设的原因。
仿真教学实验论文 第3篇
摘要：在当前医学实验教学体系较为落后的情况下，虚拟仿真实验教学作为一种新型实验教学方式极大补充了传统医学实验教学的不足，本文以虚拟仿真实验教学在医学实验教学中的应用为例，讨论分析了虚拟仿真实验教学在医学实验教学中的优缺点和注意事项。
关键词：虚拟仿真；医学教学；优缺点
【中图分类号】G642 ；R-4 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2016）34-0001-02
世界医学教育联合会执行委员会于 2001 年 6 月通过并发布的《医学教育全球标准》指出：“医学毕业生的质量是衡量医学院校教育质量的最终标准，医学专业教育的目标是不仅包括思想道德与职业素质目标、知识目标，还包括技能目标。”医学实验教学则是培养医学生医学技能必不可少的重要手段，而目前传统医学实验教学普遍存在教学体系落后、教学资源不能得到有效共享、成本消耗较大、教学服务难以标准化、效率低等不足的特点[1]。
医学虚拟仿真实验是基于虚拟现实基础之上的 21 世纪新型教学方式， 医学仪器虚拟实验室通过将多媒体计算机模拟仿真技术与医学仪器设备性能相结合，在电脑屏幕上创造出模拟的仪器性能及实验结果，从而达到真实实验的效果[2]。
一、验对象及工具
1.实验对象：随机选我校护理专业6个班300名同学，A组3个班150同学为对照组，B组3个班150名同学为实验组。
2.实验工具：人民卫生出版社《健康评估》教材第三版，心脏体格课件及录像， XF-BT型心肺检查模拟人及配套虚拟软件。
二、验方法
A组班级采用传统教学模式，即教师采用课堂多媒体课件讲授后学生观看教学录像，教师再示范，学生练习后进行考核；B组学生采用结合虚拟仿真实验教学方式，即教师采用课堂多媒体课件讲授，学生采用XF-BT型心肺检查模拟人及配套虚拟软件练习后考核。从教学资源共享程度、学生主动参与教学程度、操作技能掌握熟练度、建立临床思维满意度、教学方法满意度和考核结果六个方面展开调查。
1.教学资源共享程度
通过上表调查，对照组有50%同学认为传统教学模式不能实现教学资源共享，31%同学认为可轻度实现教学资源共享；实验组100%同学认为可在不同程度上实验教学资源共享。
2.学生主动参与教学程度
通过上表调查，对照组能够吸引学生积极参与主动学习10分钟的人数占57.3%，能够坚持主动学习10-20分钟的人数占28.7%，即大部分学生在20分钟后进入被动式教育；实验组能够吸引学生积极参与主动学习30分钟以上人数占87.3%，其中38.7%同学能够主动学习60-70分钟。
3.操作技能掌握熟练度
通过上表调查，对照组对操作技能不掌握的还有26%，57.3%的同学能够进行一般性操作，能够熟练完成检查的人仅占3.3%；实验组操作技能不掌握的仅有2%，61.3%同学虽然手法上还有欠缺，但基本上能够顺利完成整个心脏体格检查。
4.能否建立临床思维满意度
通过上表调查，对照组57.3%同学认为传统教学模式不能培养临床思维模式；而实验组87%同学认为虚拟仿真实验教学有助于培养临床思维模式。
5.教学方法满意度
通过上表调查，对照组79%对教学方法感到满意；而实验组98%对教学方法感到满意，明显高于对照组。
6.考核结果
通过考核结果分析，对照组26%同学在60分以下，57%同学在60-70份范围；实验组2%同学在60分以下，39%同学在81-90分范围。
三、结论
1.能够实现大范围教学资源共享。
《全国医学卫生服务体系规划纲要》中明确指出，要开展健康中国云服务计划，积极应用移动互联网、物联网、云计算、可穿戴设备等新技手术，推动惠及全民的健康信息服务和智慧医学服务，推动健康大数据的应用，逐步转变服务模式，提高服务能力和管理水平。可见，大范围教学资源共享在现代医学发展中的作用越来越大，医学院校实行教学资源共享已经势不可挡，而虚拟仿真实验教学刚好可以实現大范围教学资源共享，对推动惠及全民的健康信息服务和智慧医学服务，推动健康大数据的应用均能够起到重大作用。
2.能够吸引学生主动参与教学。
教学是“教”与“学”相辅相成，只有教师的“教”或学生的“学”均不能称为成功教学，而虚拟实验教学通过其趣味性、互动性，让学生在做中学、学中做，学生通过不断参与和教师的互动实现了教学目的。
3.够有效操作技能掌握熟练度。
虚拟仿真实验教学既有虚拟实验的“虚”，也有仿真实验的 “实”，做到虚实结合。学生既可以通过电脑程序模拟的病房、病人，按照医院流程给患者进行模拟练习，进行技能操作，又可以通过仿真病房在模型中进行加强训练，极大加强学生对操作技能掌握的熟练程度。
4.极大加强培养学生临床思维能力的培养。
医学虚拟仿真实验教学通过计算机模拟了患者从入院到检查、诊断、治疗和护理的整个过程，让学生从视觉上直观感受到患者看病的整个流程，这对医学生建立整体临床思维能力具有极大的促进作用。
5.能够提升学生对教学方法满意度。
与传统教学教师教、学生听的模式相比较，虚拟仿真实验教学法更具趣味性、互动性、直观性和整体性，让学生做中学，学中做，学做结合。
四、注意事项
1.注意虚实结合。
医学虚拟仿真实验教学过程中要注意虚实结合，医学虚拟仿真实验教学过程中部分操作直接由计算机代替学生直接完成，学生没有直接动手的经历，这就要求教师在上课过程中要注意将计算机虚拟实验的“虚”和仿真病房、现实病房中的“实”有机结合，才能让学生真正掌握操作技能。
2.结合专业特点，切忌满目跟风。
医学虚拟仿真实验教学需要教师根据专业、科目特点，什么科目、什么实验内容适合虚拟仿真实验教学要做到胸有成竹，实验内容需要精挑细琢切，切忌不顾专业和实际实验水平，盲目跟风。
3.教师整体素质有待进一步提高。
构建虚拟实验室需要较高素质的人才配备，同时对教师也提出了相应的要求，如何确定一套完善的虚拟实验室实施方案将是一个需要在实践中不断总结、完善的课题。
参考文献：
[1]钟照华，医学教育认证与教学改革[J] 全国医学院校人才培养模式创新与实践报告会2015，7，23。
仿真教学实验论文 第4篇
随着中国-东盟自由贸易区的蓬勃发展,对财经类人才尤其是具有东盟知识背景、扎实财经理论知识及较强动手实践能力的专业人才需求日益明显。因此,高校在财经类人才的培养教育中对更应针对学生的理论储备及实践能力进行培养及训练。实验教学不仅能培养学生的观察分析能力、实际动手能力及实验研究能力,而且可以培养学生综合运用所学的理论知识及方法去发现、分析、解决实际问题的能力。其中,虚拟仿真实验教学作为实验教学的新手段,依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,能够充分发挥学生在实验过程中的主动性,为学生独立自主的开展实践创造良好的条件,达到培养学生综合能力的目的。
2 东盟财经特色虚拟仿真实验教学模式
2.1 虚拟仿真实验教学
总所周知,实验教学相较于理论教学而言,是一种学生积极的、发挥主观能动性的进行科学研究及再创造的过程。以其直观性、实践性、创造性等优点作为教育教学的重要组成部分。随着教育教学改革的不断深化,实验教学在培养学生的科学研究能力和综合素质等方面提出了更高的要求。对高校的实验教学中心而言,如何向学生提供“个性化”、“自主式”、“交互式”、“实时的”实验环境成为首要研究方向。近年来,随着计算机、互联网等先进技术的迅速发展和大面积普及推广,虚拟仿真实验应运而生。虚拟仿真实验是将计算机技术、软件技术、网络技术和传统实验设备结合起来,改变实验系统的构建模式,突破实验操作的时空限制,提升实验设备的整体性能 ,是继理论研究和实验研究之后的第三种科学研究方法。
2.2 东盟财经特色人才需求
自2010年1月1日“中国—东盟”自由贸易区正式全面启动后,东盟和中国的贸易占到世界贸易的13%,成为一个涵盖11个国家、19亿人口、GDP达6万亿美元的巨大经济体,是目前世界人口最多的自贸区,也是发展中国家间最大的自贸区。因此,培养出一批具有东盟知识背景、扎实财经理论知识、较强动手实践能力的东盟财经特色专业人才迫在眉睫。
财经类高等院校承担着向社会输送高素质财经类人才的任务。由于地理位置得天独厚,广西日渐成为我国面向东盟开放合作的国际枢纽。作为广西唯一一所财经类院校,培养东盟财经特色人才的义务责无旁贷。高校不同于职业技术学院,教学时不能一味突出职业技能,过于注重向学生传授应用性和实际操作性的内容,而应当坚持厚基础、宽口径、文理渗透、专通结合,在促进学生综合素质的基础上针对其未来从业方向寻求个性发展,努力将其培养为既具有比较扎实的理论功底,又具有较强的职业技能,具有创新精神和实践能力,同时具备市场适应能力和国际竞争能力的东盟财经特色人才。
2.3 虚拟仿真实验教学对东盟财经特色人才培养的优势
虚拟仿真实验教学具有情景再现、生动直观、安全可靠、经济省钱、客观真实、精密准确等特点,改变了原有的实验教学模式,提高实验教学水平,整合实验教学资源,对培养科技创新人才有其独特的优势。
首先,在实验教学的“通用人才”教育和“专业人才”教育相互结合又互分层次的现代人才培养目标下,虚拟仿真实验教学以其先进性和精确性来保证实验教学内容的前沿性和科学性。东盟财经虚拟仿真实验教学中心准确抓住了“中国—东盟”经贸发展所带出的财经类人才稀缺这一情况,将东盟背景与财经文化、知识和技术深度融合,利用虚拟仿真实验完成东盟财经类课程的教学。
其次, 虚拟仿真实验平台以硬件作为基础,使用软件来构建平台的整体结构,将目前迅速发展的软件技术和传统实验设备硬件两方面的完美融合,充分利用了计算机优秀的应用特性来帮助提高虚拟仿真实验平台的整体性能。
再次,教师和学生作为平台的主要使用对象,虚拟仿真实验平台以其开放性和灵活性来保证教师和学生在进行实验项目设计构建以及操作过程中的简便适用。
最后,由于时间和空间相对固定所导致的传统实验教学模式产生不足及弊端问题,虚拟实验教学以其优异的网络化特性,有助于实现实验教学模式突破性的发展。以《东盟市场营销》实验教学为例,教师一般无法带领学生真正进入东盟各国实际运作市场营销策略,此时,利用虚拟仿真方式让学生进入东盟国际市场的模拟营销环境开展实验,以低廉的成本达到了类似于在真实环境中获得的教学效果。
3 实验教学资源共享模式
东盟财经虚拟仿真实验教学中心的实验教学资源包括场所设备、教师团队、实验课程、管理制度等等。
3.1 实验教学场所设备的共享
教学场所及实验设备是开展实验教学最基本的物质基础,也是最容易共享的实验教学资源。广西财经学院使用“两地三区”的办学格局(“两地”:广西南宁市和广西防城港市;“三区”:南宁市明秀校区、相思湖校区和防城港市校区),东盟财经虚拟仿真实验教学中心在“两地三区”拥有专属实验楼、百余间公共基础实验室及专业实验室(其中八间是具有东盟特色的财经类专业实验室)、近百套实验教学软件。虽然由于教学场所及实验设备的固定性,会对此类资源的共享产生了一定的制约,只有距离较近的高校之间能实现实验教学场所设备的共享,但明秀校区、相思湖校区均毗邻大学路,周边高校众多,因此对场所设备资源的有效共享打下良好的现实基础。
场所设备资源的共享可以分为场所租借和课程共享两种方式。场所租借即是我方提供教学场所及设备(必要时提供设备维护人员),使得某些由于资源限制达不到单独开设实验教学课程的师生可以租借我方资源完成教学,如某培训机构租借我方实验室进行JAVA编程培训;课程共享则是我方开设某实验教学课程并进行讲授实施,对方承认学生在我方完成实验课程后所取得的成绩,如仿照武汉七校联合开展的跨校跨学科第二学位辅修课程模式或北京学院路地区高校教学共同体开展的跨校选修课程模式,将东盟特色的财经类专业实验课程共享出来让其他高校的学生进行辅修或选修。
3.2 实验教学课程内容的共享
东盟财经虚拟仿真实验教学中心拥有丰富的开放式东盟财经类实验教学网络资源,通过构建统一的网络化智能实验教学和实验室管理信息平台的方式在校园网(内网)和互联网(外网)实现资源共享。实验教学平台提供全方位的虚拟仿真实验教学功能,学生可以通过校园网进行自主选择在线学习、模拟操作网上共享实验课程,实现实验前的预习、实验过程管理、实验成绩统计查询、实验教师答疑等多项内容。实验教学系统中的网络实验教学辅助系统提供网上论坛、网上练习、网上答疑、网上测试及结果评判等功能。此外平台还有配备有相应课程的电子版实验教学大纲和实验项目卡的网络电子版的东盟财经类实验课教程、实验课程视频案例、东盟财经类实验教学课件可供学生下载学习。东盟财经虚拟仿真实验教学中心配备的高清录播系统,可以对教学活动过程通过互联网进行现场直播,或者通过自动/手动拍摄、录制和存储,后期再进行加工制作,不间断的将最新的实验教学视频资源放上实验教学平台。
通过虚拟仿真实验教学平台在网络上的资源共享,为校内外师生提供了远程的实验教学服务,课余时间对外开放的专业实验中更能让学生在空闲时间继续学习,激发学生的科研兴趣和实验学习的主动性。尤其是东盟财经特色实验室及实验课程资源的开放共享,让实体课堂和网络课堂均充满了鲜活的东盟市场气氛,实现了真正意义上实验室的虚拟仿真、开放共享一体化。
3.3 实验教学教师资源的共享
“师者,所以传道授业解惑也。”教师作为授课者,是教学质量好坏与否的关键因素,要求自身有较高的禀赋,且成长周期长,培养成本高,是一种高档稀缺的人力资源。由于连年的高校扩招,本科生、研究生数量剧增,而教师队伍的培养速度跟不上学生数量的发展速度,造成生师比例严重失调。由于通常理论课教师兼任实验课教师,专职实验教师的数目较少,高水平、专业性强的实验教师数目更少,因此在实验教学中,实验教师资源的稀缺更为明显。
由于教师资源的特殊性,不能无限度的进行交流和共享。高校应该在教师做好本职工作的基础下,适当推进教师兼职、校际交流等方式实现师资共享。例如聘请国内和东盟知名高校中理论水平高、实践能力强的教师作为兼职教师;聘请企事业单位、公司实践能力强的专家担任学生实验指导教师,提高实验教学效果;派遣实验教师到高等院校进行继续教育、到东盟各国访问进修、到与东盟财经相关的部门、公司、企业挂职锻炼,提高实验教师队伍的整体素质。
教师资源的共享并不仅仅只是简单的“分享、交换”,更是通过这个交流过程达到自我素质提升的目的。在教师资源的共享中,不仅是被共享的教师在交流教学中完成传授道理,教授学业,解答疑惑的过程,年轻教师更可以把握名师授课的机会,在旁听的过程中提高自身实验教学水平和理论水平。这对打造一个具有东盟财经特色实验教学团队非常有益。
3.4 实验教学管理体系的共享
实验教学的管理体系包括组织保障、制度保障、管理规范等,是实验教学中心运行过程中发现问题、总结经验、思维凝练的结晶。东盟财经虚拟仿真实验教学中心实行立项制项目管理,将特色学科建设与实验室建设相互结合,成立项目负责团队及专家团队,严格依据实验室建设的各项条例,从立项、申报、论证、采购、建设、中期检查、验收等各环节全程双重把关,确保建设资金高效利用。“没有规矩,不成方圆”,管理规范的出台有利于实验室的开放共享、充分利用及系统管理,为中心能够正常运转和健康发展奠定基础和保障。
实验教学管理体系的共享,对其他高校进行同类型建设时提供了经验,在取长补短,健全完善,规避风险,思维创新等方面起到一定的作用。
4 下一步的发展规划
4.1 加强实验教学数字资源建设
在接下来的工作中,应在充分利用好原有实验教学资源的基础上,紧扣“开放、创新、共享”,高起点、高标准、严要求,在实践中不断充实和更新实验内容。深入探索东盟财经实验教学特点,贴近东盟自由贸易活动需求、整合译制越语、泰语等东南亚小语种资源,最终打造出东盟财经特色的专业课程体系及虚拟仿真实验课程体系,建设若干主题鲜明、专业性强的东盟财经特色虚拟仿真专业实验室,最终形成东盟财经实验教学专题数字资源库。
4.2 通过“慕课”方式实现实验教学资源共享
仿真教学实验论文 第5篇
1“仿真物理实验室”的教学模式建立
仿真物理实验室的本质是一个软件，是基于网络和信息技术而开发的一款模拟实验软件。它能真实模拟出一些教学中无法做的实验，也可以模拟最简单的实验。仿真物理实验室包含很多模块，每个模块又可以独立的设置一些实验器材，设置独立的实验环境。教师可以为学生在实验环境中设置不同的组合，而且实验的环境也可以构建出真实的情况。学生在教师的指导下，可以随意的设置参数，通过对实验动画的对比，在结合数据以达到物理实验的教学目的。
仿真物理实验只是一个教学的平台，实验可以随时进行，不受实验条件的限制，比如实验中对真空的要求，现实实验室的条件不容易满足，但在仿真物理实验中就可模拟出这种效果。实验的条件满足了，得出的数据就会相对准确，缩短实验的时间，失误降到了最低。但是仿真物理实验室中也存在着一些弊端，本质上它只是一个软件，是种虚拟的模式，并没有在真实实验中的触感和体验。一些实验的动画表达只是表面上的，没有现实实验的真实感，比如在电子的偏转中，学生是通过动画的形式去理解，这对学生的知识掌握是有一定影响的。总体来说仿真实验室的使用对教学还有很大的促进作用的。
物理仿真实验的教学建立需要借助“仿真物理实验”在网络的环境中开展，实验教学的理论主要由基本的四个方面组成：一是依据实验的要求提出问题，二是要引导学生去大胆猜想，提出实验的假设条件；三是对学生的假设进行验证；四是结果和数据进行归纳和总结，找出规律。仿真物理实验室需要教师和学生在实践中，逐步建立对物理实验模式的建立。仿真实验教学的过程大致可划分为：学生观看存储在仿真实验中的动画，然后教师要建立情境提出疑问，组织学生对实验结果进行假设，依据实验的难易程度，教师要合理划分实验小组开始实验，学生在实验完成后要进行合理的推断，对实验的结论要准确分析，学生可以对参数的设置进行一些改变，实验创新，以此来验证结论的正确性，最后教师做总结，得出实验的结论。
2“仿真物理实验室”的教学运用实例
2.1提高物理教学水平
仿真物理实验的优点就是没有实物，只是借助里面课件来设计实验学生只要根据需求把实验需要的器材放入设置中。一个实验系统就能组合起来。学生只要操心物理实验的合理性，不用去考虑计算机是如何把它设置出来的。例如在探究“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验中，需要打开电路模块这一项，点击新建实验，根据实验要求去选取实验所要用到的器材。然后依据实验连接实验电路，然后就可以去开始实验。
在本实验中，首先要创设情境，提出问题，小电珠的伏案特性是如何变化的。设置一些假设然后进行实验。实验的目的就是为了把小电珠的伏安特性借助实验描绘出来，通过对曲线变化的规律的总结，分析得出结论。实验的原理：在纯电阻电路中，电压和电阻的关系是线性的，可是由于受到实际因素的影响，电压和电流的变化不是一条直线。实验过程：在选区里选出实验要用到的器材，然后拖入到实验区里；选择实验器材对上面的数据进行一个属性上的设置，额定电压设置为5 v，额定功率为1 W的小电珠。滑动变阻器的总电阻为20 Ω。设置学生电压为5 V，内阻设置为零，确保电源为理想电源；依据实验图纸把每个器材用电线连接起来，注意不要接错；连接完成后就可以点击开关，开关就会闭合。这时在两个表上就会显示读数，这就是需要测量和计算的电压和电流。把得出的数据放在坐标轴中，纵坐标为电流，横坐标为电压。借助鼠标去移动滑动变阻器，把每次得到的数据记录在坐标轴中，最后通过数据分析描绘出曲线。
在实验中我们可以很简单的去设置一些参数，如电流表的内接和外接，变阻器的阻值可以根据需要随意设置和变化，也可以很方便快捷地对滑动变阻器的限流和分流的接法、电源的类型进行模拟和讨论。这样的教学模式可以提升课堂教学的效率，优化课堂教育。
在仿真物理实验室中这款软件中，基本可以分为三个大的模块：运动及力学模块、电学模块、光学模块。每个模块中又分为很多小模块，基本包含了高中物理中所有的实验模型。学生可以利用里面大量的虚拟与元件，随意的组合运用，设置参数，搭建物理模型，收集数据；教师也可以利用它的编程功能做出吸引学生目光的优秀课件。
2.2锻炼学生自主探究能力
知识不是简单的通过教师传授给学生，需要构建一个良好地情境，依据方法才能实现的。仿真物理实验室作为一个简单上手的软件，学生可以自己去设计实验完成，提高独立意识，选取自己需要的元件，或是自己借助软件创造，而后建立模型设置情境。也可以通过教师的指导，把一些问题放到模拟中来，还原一下场景，经过自己独立的探究，对实验的把握也更加深刻，深化对物理知识的理解。
例如在学习透镜的成像时，学生可以设置：
情境问题一：透镜的位置和光屏之间的位置会引起像的变化。在仿真物理实验室中建立模型，设置透镜的焦距为30cm，把蜡烛、透镜和光屏按照顺序排好，使三者的中心在一条直线上。然后开始进行试验，移动光屏可以发现，透镜和光屏之间的位置变化确实会引起像的变化。
情景问题二：调节蜡烛与透镜之间的距离，让物距小于焦距的距离。在模型中进行操作，发现当蜡烛的位置小于焦距时，成像为一个正立、放大的虚像，成像发生了变化。
情境问题三：调节蜡烛与透镜之间的距离，让距物距大于焦距。在模型中操作，开始像是一个倒立放大的实像，但在物距的增大中，像在不断地缩小，在某个值成为一个倒立、等大的实像，此时测量距离得出物距等于焦距的两倍。在扩大物距，会发现像接着缩小。经过对数据的处理可以知道，物距为焦距两倍时，像为倒立等大的；物距大于两倍焦距时，像是倒立缩小的实像物距大于焦距而小于两倍焦距时，像是一个倒立、放大的实像
情境问题四：如果在透镜上遮挡一个物品，还会有像的出现吗？学生预测不会出现像。在模型中操作，让一个物体一点一点去遮挡透镜，会观察到，像会从亮到暗，到没有。
情境问题五：凸透镜换为凹透镜时，像的变化。在模型的操作中，在光屏上是看不到像的，凹透镜的像为虚像。
对单一模型的条件进行稍微修改就可以得出不同的实验结果所以学生自主建立模型，设计实验，寻找透镜的成像规律，这在潜移默化中提高了学生的自主探究能力，让学生对知识的掌握更加牢固，锻炼了学生的思维能力和创新能力。
仿真教学实验论文 第6篇
大学物理是以实验为基础的学科, 在物理教学过程中, 通过实验培养学生的观察能力、动手能力与思维能力, 是物理教学中的重点。物理实验课程的开展并能为后续专业课程的学习打下基础。是其它课程不可替代的。
而传统的物理实验教学模式, 实验往往仅仅只是依附、服务于理论教学, 一般以验证已知的物理定理, 完成既定的实验结论为目的, 开设的实验内容又过于陈旧, 可能由于仪器缺乏、计算结果的过程复杂等种种原因, 学生得出的实验结论往往出现较大的误差, 不能真实反映实验结论。而且在第一次面对实验仪器时又比较陌生, 不知从何下手。过分强调以教师为中心的教学模式, 学生往往兴趣不高, 开设的实验课程没有真正达到培养学生观察、分析和解决问题的能力。
物理仿真实验可以模拟很多物理现象及因果关系, 通过它可以把理论教学和实验教学有机地融为一体, 在进行实物实验前, 先让学生利用仿真实验进行预习, 在对实验原理、仪器功能以及操作方法掌握后再进行实物实验, 使学生在真正进行实验操作时胸有成竹。由于仿真实验可以采用多种形式, 学生操作起来不会有心理压力, 并能更大地激发学生的兴趣, 培养学生的创新能力。下面以两个案例分别进行简述, 供大家参考。
2. 仿真实验的应用
2.1 描绘小电珠的伏安特性曲线
这个实验的目的主要是为了验证伏安法测电阻。其实这个实验过程非常简单。完全可以在学生预习时采用仿真课件自行操作检验实验结果。
当滑动变阻器的阻值由小向大 (A-B) 逐渐改变, 在电压表0～3V范围内读取并记下12组左右不同的电压值U和电流值I。记录十组实验数据, 由EXCEL软件列表绘图, U为横轴, 以I为纵轴, 画出U-I曲线, 分析曲线变化的规律, 一目了然。
2.2 带电粒子在磁场中的运动规律
这个实验教学中使用的仪器是示波管。示波管由电子枪、偏转板和荧光屏三部份组成。由电子枪发出的射线在管内的低压水银蒸气发出辉光显示电子运动轨迹, 在没有加电场或磁场时, 电子的运动轨迹是直线, 打在荧光屏的正中心。正中心位置会显示一个亮点。在管外加电场或制造出匀强磁场时, 可以看到电子打在荧光屏上的位置会发生变化, 证明电子轨迹发生偏转。
这个实验的不足之处是, 粒子运动的轨迹和过程学生看不到, 只能从粒子偏转的位置去推导。给学生的感受不直观、清晰解决的办法可利用FLASH制作课件和FLASH动画, 表现出粒子分别在匀强电场或匀强磁场中的运动轨迹和运动方向, 以及当粒子的电性或磁场的方向发生变化时, 粒子的运动方向会发生改变。然而, 由于FLASH课件完善实物实验的直观性不足, 可采用实物实验以检验课件的真实性。
3. 小结
总之, 结合分层次实验教学, 在原有的教学模式下, 增加综合实验与设计性实验, 给学生自主发挥的空间, 利用仿真实验与实物实验相结合的教学手段, 给出一种新的物理实验教学模式, 如下图所示, 供大家参考。
在实验教学中, 充分利用多媒体、仿真实验课件等教学手段, 与现代化信息技术相结合, 一定能优化教学内容, 提高教学效果。
参考文献
[1]叶昌华.多媒体在物理实验教学中的应用策略[J].中国现代教育装备, 2008.
仿真教学实验论文 第7篇
我们在过去的教学实践中更多地考虑如何将信息技术与教学过程结合起来, 改变传统“教”的方式, 这对于推动新课改, 提高物理教学方法和手段起到了极大的促进作用。但我们也往往忽略了学生“学”的过程是否也需要这种改变。我们往往重视在课堂上如何实现这种转变, 而忽略了课后如何使学生保持探究的热情。正是基于这些出发点, 我们尝试在以往将信息技术有机地融入到物理教学过程中的基础上, 将仿真实验直接用于学生学习过程中, 支持物理的教与学, 实现有效整合。把提高学生的学科素养作为整合的主要目标之一, 在整合中让学生的信息素养及其它能力自然得到提升作为探索目标。创造一种符合现有国情的虚拟实验和数字化实验室有机结合的现代物理教育的创新之路。
我校自去年使用《仿真物理实验室》后, 受到了学生的普遍喜爱。利用它来制作课件并用于课堂, 使得物理课堂更加丰富活泼, 还可以引导学生利用软件进行课后自主学习。《仿真物理实验室》正在成为中学物理学科的专业化、标准化的教学平台。
一、仿真物理实验的优势
物理是自然科学、生活现象、自然规律等经过归纳、提炼、总结上升到理论高度的一门学科, 在物理的学习中学生由于无法理解一些抽象的理论, 而对物理产生一种畏惧心理, 降低了他们学习物理的积极性。要真正理解这些知识, 学生需要一个从形象认识到知识获取的过程。应用仿真实验教学, 可以直观地解释一些物理现象和规律, 可以化抽象为形象、化微观为宏观、化静态为动态、化不可操作过程为可操作过程, 化解知识难点, 从而激发学生的兴趣, 提高学习的效率。例如:八年级第三章演示凸透镜成像规律的时候, 往往会出现由于环境的光线影响或者蜡烛光线不够而影响学生观察现象, 而且教师在演示过程中, 坐在后面的学生会对实验现象观察不清, 此时如果适当结合“仿真物理实验室”, 建立如图1的透镜成像光路图, 通过投影向学生展示实验过程。例如:用鼠标拖动蜡烛的位置, 可以在光屏上形成不同的像, 让学生感觉到更直观、科学的实验现象, 从而大大提高了学习效果。
现代教学理念认为, 教学活动应当以课堂为主体, 但课堂不是教学过程的全部而是教学活动的开始。对于物理教学也是这样, 真正有效的教学活动可以把教学过程一直延伸到课后, 使学生在动手动脑的过程中产生对学习物理课程的兴趣。因此, 我们应当有计划地引导学生在课后有意识地对教学内容作进一步的思考和讨论。其中, 一种行之有效的手段就是给学生提供一个可以利用的平台, 并且这个平台应具有便捷、易用、有趣味性等特点。而仿真实验为我们所提供开放性的教学实践平台, 从某种意义上说, 可以借助学科性多媒体辅助教学网站, 数字化学习资源库、智能化模拟演示库、互动交流协作学习网络的形成, 擦去课内课外的分界线。所以, 学生的学习过程已不再是与只是以掌握知识为目的, 而是要在学习过程中受到科学素养的培养并掌握科学的学习方法。教师可以通过任务发布的形式完成对物理问题的提出, 利用任务驱动机制, 给学生布置一些能力范围内的学习任务, 例如:让学生自己设计场景、通过虚拟实验得出数据、分析结论、讨论结果。真正激发学生内在的学习兴趣, 使他们能够感受到学习物理的兴趣。学生也不再仅仅局限于课堂进行学习, 可以通过网络在学校和家庭利用仿真实验的手段对问题进行学生间的协作交流, 也可进行师生间的理论探讨。在这个过程中, 学生的主体地位得到充分肯定, 学生的学习时间也不再仅仅局限于课堂, 可以有足够的时间和空间进行思考。这种学习方式改变了以往作业只是单纯做习题的简单模式, 同时, 也摒弃了传统实验需要设备多、在家庭环境中无法实现的矛盾, 有利于帮助学生形成物理场景, 以及对各种物理定律和数学的推导。由于物理的学习是以探索为学习手段, 如果学生能通过软件来探索和研究物理, 那么, 这对于学生能力和思维培养的益处不言而喻。
二、采用虚拟实验变革学生学习方式的具体措施
随着信息化技术的发展, 现在已经有了许多现成可用的专业化软件。值得一提的是采用专业软件实现课件制作的便捷性和科学性。并且随着教学方式的发展, 现在已经有较多专业教育教学平台。我们并不需要从零起点设计一个课件, 只需要在专业平台上搭建我们的教学内容, 就可以很容易地形成一个我们所需要的课件。比如:在《仿真物理实验室》中有一些物理学中常用的实验工具, 例如:木块、平板、小球、电场、磁场、斜面、弹簧等。在做一个课件时, 首先, 在大脑中构想出这个物理模型是什么样的, 然后, 用这些工具搭建出大脑中的模型并给这些工具以适当的物理参数就可以了。软件会自动计算出物理过程且整个过程简单明了。教师和学生不用花太多的时间和精力, 就可以把想法实现, 而且能得到一个十分专业的课件。
经过实验班和普通班的对比实验, 笔者发现这种教学手段有利于激发学生的学习兴趣, 在不同层次的学生身上都有较好的表现, 所表现出来的学习热情和讨论结果的丰富性明显优于传统在学校实验室的学生。利用软件不仅可以仿真真实的实验, 还能完成一些理想实验和带有危险性的实验。例如:在八年级电学教学过程中, 由于短路实验具有一定的危险性, 往往受到实验条件和安全性等因素的限制, 一般的教学设计都采用教师做演示实验与讲述相结合的方式, 学生不能亲身体验。学生对短路问题的认识基本处于一种模糊状态, 面临变式问题和真实情境问题往往一筹莫展。利用“仿真物理实验室”的虚拟实验, 学生不但可以体验生动的短路现象, 而且还可以开展物理探究学习, 从而优化课堂教学的组织形式, 提高课堂教学效率 (如图2) 。
三、采用新实验方法需要解决的问题和解决方法
传统的多媒体教学方式局限于只是将动画课件整合到一起, 仍然以教师讲、学生听为主的授课方式, 学生在学习过程中缺乏交流和实践。采用虚拟实验, 教师教学时往往只作为一种演示, 并没有真正意义上用于实际教学活动中。究其原因, 很大程度上在于学生缺乏相应的信息素养, 学习效果不佳。一些教师反映在教学活动中, 教学进程往往很难控制, 由于学生不熟悉学习环境, 对于教师安排的任务无法完成。比如:像仿真实验室这一类软件虽然操作简单, 可能对于设计好的实验, 学生通过观看他们能够完成学习任务, 而如果让学生设计个类似的实验, 由于对软件比较陌生就不太容易实现了。
所以, 我们通过课题研究, 试图探索出如何在课程整合中为学生构建一个自主学习和探究性学习的环境, 让其在课程整合中提高信息素养、创新能力、自主学习能力、探究性学习能力、以及协作精神和合作意识。
任何实验方案必须具有可操作性, 缺乏可操作性的整合方案注定是无源之水, 无本之木。所以, 物理课程与信息技术整合的方案必须与实际教学联系起来, 可供操作是提出整合方案的前提。通过实践我们发现解决这种问题的方法和途径也很简单, 即对学生进行适当的培训使他们能够在短期内有针对性地提高相应的信息技术能力。在我校开设有信息技术课程, 学生对于一般简单的计算机操作都有一定的基础。所以, 对于特定的软件, 只需要经过短期的培训就可以使他们学会基本的运用。在以后的实际操作过程中, 通过完成课后难度逐层递进的任务, 逐渐加深对软件的理解和掌握。正所谓“磨刀不误砍柴功”, 经过一段时间学生对软件使用的适应, 学生基本上都能够熟练运用软件来解决实际物理问题。既提高了他们的信息素养, 又培养了他们的学科素养和学习物理的兴趣。最终解决了物理学科和信息技术在学生学习方式转变上的整合矛盾。笔者认为这实际上也正是目前物理学科和信息技术整合中容易忽视的问题。
参考文献
[1]范伟.虚拟实验在实验教学中的地位和作用研究[J].佳木斯大学学报 (自然科学版) , 2006, (02) :204-205.
[2]范淑红.基于VRML的实验教学辅助系统研究[D].中南大学, 2006.
[3]朱敏, 张际平.虚拟实验室及其教学应用[J].实验室研究与探索, 2006, (05) :626-628.
交通仿真实验教学改革与探索 第8篇
关键词：交通仿真,实验教学,改革
1 交通仿真的研究意义
交通仿真不仅可以复现交通流时空变化的技术、为交通道路设计规划提供技术依据, 而且还可以对各种参数以及环境的影响进行比较和评价。同时, 交通仿真系统通过计算机动画手段能够非常直观地表现出路网上车辆的运行情况, 动画过程中哪个局部位置的交通拥挤比较突出, 哪个地方比较畅通?均可一目了然。因此, 交通仿真就成了交通工程研究人员测试和优化各种道路交通规划、设计方案、描述复杂道路交通现象的一种直观、方便、灵活、有效的交通分析工具。
2 当前交通仿真存在的不足
尽管目前国内外应用和推出的仿真软件和模型各有其特性和优势, 但因其研究定位和重点的不同, 在一定程度上都存在或多或少的缺陷与不足。主要表现在以下三个方面:
2.1 模型描述
大多数模型都只是局限于单个交叉口的运行情况, 不能反映出上、下游路段以及整个路网的动态状况;车辆的运行模型中没有关于自行车等非机动车的描述;没有行人行为的描述;极少有模型考虑交通车辆对环境的影响与评价;模型多局限于交通环境的某一个方面或几个方面, 很少涉及到交通的大环境;对于公交优先只考虑了道路优先而没有关于车辆优先的描述。
2.2 合作与联系
现在, 从事交通仿真研究的单位都是从自身情况出发来开展工作, 不同单位不同地域有不同的标准, 缺乏全国性的统一协作, 易造成重复性的研究, 从而导致有限资金的浪费。
2.3 信息技术
已有的仿真软件与模型都是局限于交通环境自身而言的, 没有真正与GPS和GIS等与信息技术相关的信息系统联系起来进行仿真研究。
针对以上目前交通仿真存在的问题以及结合《交通系统仿真》课程的特点, 以培养学生的实践能力、应用能力、综合能力为目标, 结合课程教学学时的实际问题和实验室的设备建设就如何改革交通仿真实验教学, 进一步加强学生动手能力和素质的培养进行了初步的探索。
3 交通仿真实验教学改革的思路和方法
3.1 实验教学改革的总体思路
我们对实验教学者提出的要求是确立科学的知识观、课程观与学习观, 奠定教学实验的理论基础。
实验教学知识是个人主动构建的, 是不断发展变化的课程的重点所在, 在学习时候重点不应放在学习的内容和材料上, 而应放在思维发展上, 使学生要最大可能地发展创造潜力。只有具有深厚的教育理论素养, 才能使教学实验的推广向纵深发展。提高教学实验的价值标准。判断教学实验是否成功, 关键要看学生的创造精神和实践能力的形成。要长期跟踪教学实验, 考察实验班学生的未来发展情况。鼓励教学实验者在实验的过程中及时发现新问题, 总结新经验, 经提炼与升华, 形成自己的教育思想, 完成由“经验型”、“教书型”向“科研型”、“学者型”的转变。
3.2 实验教学方法的改革
为了贯彻“以人为本”的教学理念, 我们采用了新的教学模式, 这种新的教学模式要求学生能自行或参考相关资料设计实验方案。它包括指导预习、设计方案、操作观察、推断结论和完成报告。指导预习指的是教师根据实验内容和要求, 提出预习的要求。学生通过预习, 就可以在实验过程中带着问题去操作, 并在操作过程中解决问题。最后是完成实验报告, 包括数据的处理、误差的原因分析和实验心得体会等。
3.2.1 缩减分组人数, 增加学生实验机会。
由于交通仿真的实验项目一般都不太大, 因此应尽可能一人一组或两人一组, 这样做既给每个学生提供了动手的机会, 又迫使他们动脑思考, 否则实验就无法完成, 从而改变了那种纸上谈兵的局面。
3.2.2 多思考多练习, 充分调动学生主观能动性。
在每个实验前, 教师只给学生集中讲难点、讲新知识, 内容要少而精。加深了对理论教学内容的理解, 增强了独立思考、动手解决实际问题的能力。在实际教学过程中, 教师可根据实验内容和复杂程度的不同, 将部分实验交由学生自行设计完成。实验完成后, 教师应针对实验情况进行总结。对于学生提出的问题, 老师一般不直接给出答案, 也不亲手帮助学生排除障碍, 而是采用启发式教学, 引导学生将实际问题与理论相联系, 自己动手解决问题。
3.2.3 教学方式多样性转变。
充分利用现代教学手段, 如:幻灯片、多媒体课件等, 使学生化更少的时间, 掌握更多的科技信息以及GPS和GIS等与信息技术相关的信息系统联系起来的实验仿真教学, 拓宽知识面, 激活创新思维, 了解各种先进的测试手段及测试工具等。
3.2.4 总结实验。
为了进一步丰富学生的理论知识, 提高其实验能力, 实验后通过对得到的数据、实验结论进行细致的分析, 寻求事物的内部规律并进行总结。教会学生分析思考问题的方法, 使之做到触类旁通、举一反三。对于实验报告, 要求学生围绕思考题展开讨论, 大胆质疑, 开拓思路, 进一步丰富理论知识, 提高实验能力。
3.2.5 考核方式改革。
加强实验的现场考核, 编制了《学生实验实操记录表》, 记录每个班级、每个学生、每次实验的情况, 对于实验速度快操作熟练、实验确性高的学生, 实操成绩打“优”;其次打“良”, 对于实验速度一般的学生, 实操成绩打“合格”;而对于上课时不认真听讲, 不认真实验或操作不当损坏实验仪器的学生, 实操成绩打“不合格”。这样做可以大大提高了学生实验的积极性, 尤为重要的是培养了学生科学、严谨的工作作风。最终的结果将大大提高了实验效果。
采取实验报告成绩与实际操作成绩相结合的方法, 既使得实验成绩更加合理, 也使得学生更加重视实际操作, 从而使得学生的动手创新能力有了较为明显的提高。另外, 实验成绩占相应课程学期总评成绩的比例也明显地提高, 引起了学生的重视, 最终使实验效果明显提高。
3.3 实验教学内容的改革
教学内容的改革是教育改革中的一个非常重要的方面, 它也有助于提高教学质量, 因此要通过不断更新实验教学内容来确保学生从实验中提高了动手能力和创新能力。以往的实验教材着重于一些验证性的实验, 很难提高学生的学习积极性和创新性, 因此我们希望能在教材中加进一些综合性、设计性和趣味性的实验内容, 这样不仅可以提高学生对实验课的兴趣, 而且还可以锻炼他们的分析、设计和动手能力。
3.3.1 树立教学实验的长效观和正确的教学评价观。
在应试教育的影响下, 教师进行实验教学遇到很大的障碍, 即使想进行彻底的实验, 也没有时间与条件。很多学生大都把主要精力投人到考试科目, 导致相当一部分本专科学生甚至研究生的人文素质和创造力低下。针对这一现实, 推广实验教学的关键是构建崭新的教学评价观。眼下最需要做的事情是加大平时考查的权重, 把课堂回答问题、课外作业成绩与最终的选拔考试结合起来。强化学生的综合能力尤其是创造能力的培养。重视对学生性格、理想、自信心、价值观的考察, 通过实施真正的素质教育来大力推广教学实验。
3.3.2 抓住教学实质。
在进行实验教学的过程中实验教学者应该深入研究教学实验的理论基础, 在实验的推广中渗透其精神所在。我们希望实验教学者能不断丰富自己的教育理论素养, 用心吃透教学实验的实质和背景, 学其精髓, 尤其对实验的基本概念应深入理解, 对教学实验的本质特性等问题要有清晰认识。在扎扎实实推广教学实验的基础上, 及时进行理论反思, 揭示实验规律, 构建自己的教学理论体系, 全面、客观地认识教学实验。每一项教学实验都是在一定条件下产生的, 既有闪光之点也有不足之处, 因此, 在推广教学实验时, 应客观认识其局限, 使推广应用尽快地步入良性循环之路。推广应用任何实验都应搞清其优点和不足, 对实验的评价有褒有贬, 以达到使推广者心中有数, 扬长避短的目的。同时实验教学者应持实事求是的态度, 从而能从不同角度最大限度地展示教学实验的优势。
3.3.3 定期地举行创新设计制作大赛。
为了开阔学生的思路, 增强学生的实验兴趣, 激发其主动参与实践的热情, 培养学生求真务实的科学态度, 提高学生理解、分析、解决问题的能力, 拟定期地举行全院性的交通仿真实验创新设计大赛, 由专家和学生对实验结果共同进行评审鉴定, 对较为优秀的学生给予一定的奖励, 以资鼓励。
4 结束语
本文就交通仿真实验教学系统地提出了一些研究思路, 抛砖引玉, 期望有更多的学者关注这方面的研究。既然是探索, 也就肯定有不足之处。但我们坚信, 只要通过不懈的努力, 就一定能够使我们的实验教学水平更上一层楼, 同时也使学生的实践动手能力得到大幅度的提高。
实验改革重要的是更新实验观念, 细化改革内容。只有从实验的准备、实验安排、实验成绩的评定等各个实验环节扎扎实实作好工作, 才能形成良好的实验机制, 利用有限的实验设备, 真正使更多的学生受益于实验的改革, 达到教育改革的目的, 培养更多的优秀工程技术人员。
参考文献
[1]吴娇蓉交通系统仿真及应用同济大学出版社.
[2]张国华交通流微观仿真系统研究及在我国的应用[J].城市交通, 2000, (4) .
仿真教学实验论文 第9篇
一、虚拟仿真实验的应用优势
虚拟仿真实验系统是以计算机虚拟现实和数码仿真技术为核心, 生物仿真引擎、处理因素数据库、虚拟环境界面等多种技术为支撑的虚拟现实系统。在计算机环境中建立的虚拟实验环境使实验者可以像在真实的环境中一样运用各种虚拟实验器械和设备, 对实验对象进行虚拟操作, 完成各种预定的实验项目, 起到学习训练的作用。该系统由于不受试验动物、试剂的制约, 学生在预习、复习或拓展训练时采用虚拟实验比实时实验有更大的优越性。虚拟仿真实验教学是教师综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通讯等多种技术, 通过构建一个逼真可视化的实验操作环境和实验对象, 使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验, 达到真实实验不具备或难以实现的教学效果。虚拟仿真实验教学具有明显优势, 并对传统实验教学思想、体系、 模式、内容、方法以及手段等都产生了颠覆性影响。学生通过对仿真实验系统的反复多次模拟操作, 可以加深对实验原理及操作步骤的理解, 还可节省大量时间进行综合性、设计性、探究性的实验, 为学生综合能力、创新精神和创新能力的培养提供保障。
二、虚拟仿真实验应用于医学实验教学的必要性
目前我国高校医学专业实验教学面对日益扩大的招生规模, 师资力量相对不足;医学生学习过程中, 开设动物实验是增加学生学习兴趣、降低理论学习难度, 应用学习技术的有效措施, 但在目前的基础医学教学中, 由于受实验动物、试剂、器材、实验准备、教师、场所及时间协调和一些特殊设备的影响, 很多实验课的大规模开设非常困难。试剂的配置、仪器的检修、人员的配套, 开设大规模实验课的运作成本也居高不下;教学资源的限制不能满足每个学生独立完成整套实验操作;很多医学院校的基础医学教学只能开设有限的几个传统性实验, 这使学生理解实验机制受到了很大的限制;多数医学院校使用的教材因受出版周期和征订程序等因素的影响, 其更新速度远不及医学理论的飞速发展, 最新的科研进展往往难以在教科书中得到及时的体现[2];部分学生过分关注分数, 对实验课程没兴趣, 不重视, 更忽略对实验过程和结果的讨论分析, 平时也很少关注新技术新理论的发展, 缺少创新思维, 走入临床后动手操作能力比较弱, 对异常结果无法做出合理的解释。面临这种人才培养与临床实际需求之间脱轨的现状, 迫切要求采用一种新的教学模式来适应社会的发展。要将科研成果有效地应用于教学, 使学生在掌握已成定论的基础知识的基础上, 又能理解有关疾病发生机制的最新进展, 就更需要借助于来自于实验的感性认识, 以进一步增强学生的创新能力[3]。
三、虚拟仿真实验在基础及临床实验中的应用
在基础医学实验方面, 门秀丽等将虚拟仿真实验系统有效应用于病理生理学实验教学, 对比传统教学模式班级和引入虚拟仿真实验系统的实验班级的教学效果, 采用座谈会、问卷调查、期末考试成绩分析及一年后抽样考试等形式, 对比结果显示实验班级成绩明显优于对照班, 说明虚拟仿真实验的应用在一定程度上提高了学生的学习效果[4]。西南大学药学实验教学中心开发构建了药物制备工程虚拟仿真实验模块、 药理生理学虚拟仿真实验模块、体内药物分析虚拟仿真实验模块和药物分子虚拟筛选实验模块等虚拟仿真实验项目, 使学生更加全面、系统的掌握药理学实验技能和基本操作。王少康等以食物中毒事件为核心, 利用计算机虚拟现实和数码仿真技术, 虚拟食物中毒现场情景, 通过人机对话, 使学生像在真实的环境中一样运用各种虚拟实验器械和手段, 结合食品卫生学专业知识和我国食物中毒的相关法律法规, 从食物中毒经常性准备、现场卫生学调查、可疑食物的控制和污染样品采集、实验室检测、中毒人群救治、行政处罚实施等方面对食物中毒进行虚拟处理, 提高学生食物中毒事件的现场应急处理能力。食物中毒虚拟仿真实验的建立和开展, 能够在解决上述实际问题之余, 提高推动预防医学专业的教学改革, 提高学生的主观能动性和就业竞争力, 更加符合精英教育的教学理念[5]。
乔明曦等针对药剂学专业特点, 将药剂学虚拟仿真实验教学作为传统实体实验教学的重要补充, 通过完善药剂学虚拟仿真实验教学课程体系的建设, 加强药剂学虚拟仿真实验教学队伍建设, 完善药剂学虚拟仿真实验教学平台建设等途径进行研究[6]。谭珂等人研发的肝脏手术虚拟仿真教学系统, 能较好地展现出肝组织以及肝内管道之间的空间毗邻关系, 有效地提高了虚拟场景的沉浸感, 虚拟膝关节镜手术仿真训练系统仿真腔镜下的手术场景, 提供的视觉、听觉信息使得用户产生一种正在进行真实手术的沉浸感。该系统在国家执业医师协会培训基地用于培训关节镜医师, 取得了良好的教学效果[7]。虚拟仿真技术在我国口腔医学教育领域也有了初步的尝试和应用。国内一些知名院校已在各专业课程的教学过程中逐步借助虚拟仿真技术来实现特定的教学功能, 改进或替代传统的教学方式, 其教学效果获得了师生的认可与好评, 实现了教学质量的提升[8]。华西口腔实验教学中心现阶段虚拟仿真实验教学中心包含数字化3D虚拟口腔解剖实习平台、穆格数字化虚拟口腔技能培训系统及口腔医学机器人训练机等, 虚拟仿真实验教学中心能实现传统实验不具备或难以完成的教学功能, 在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作, 以及高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时, 为医学人才培养提供可靠、安全和经济的实验项目。张冬芹等在3DS MAX中完成人物面部唇裂畸变形态的建模, 将得到的头部模型导入软件进行面部数据处理, 应用虚拟仿真技术完成医学手术过程的三维虚拟仿真[9]。
四、虚拟仿真实验教学应用可行性及应用前景
医学虚拟仿真实验教学具有教学训练过程安全无风险、高效率、学习体验真实、教学过程可调控以及知识库多样性等优点, 对促进医学教育与训练模式的改革, 提高训练效率和质量有着重要意义, 在医学教育领域具有广阔的应用前景, 但医学实验对象因其复杂性, 对实验技术操作要求高, 现阶段的虚拟仿真实验操作软件开发种类及数量有限, 已开发的软件尚有待进一步完善提升品质, 实验建模方面要求更高的逼真度、更准确人体几何模型、体现人体的生物物理特性、触觉反馈的精确性和实时性提高;医学虚拟仿真教学环境架构方面要求更加完善, 教师教学过程中以及学生实验中的实际可操作性也要求更高。需要使用者与网络技术人员合作, 将医学理论及实验知识与网络技术完美结合, 教师在教学过程中做到取长补短, 学生通过虚拟实验课程的学习与训练, 减少其现实操作时出现许多失误问题[10], 将虚拟实验和真实实验结合起来, 争取达到完美的教学目的和效果。
虚拟仿真实验教学模式已成为一种高速发展的新型实验教学模式, 实验教学平台的建设和发展对于推动实验和实践教学改革、完善传统实验的不足及提高教学质量具有重要意义。随着计算机科技水平的发展, 医学实验教学课程体系的完善和建设将为虚拟仿真实验教学可持续发展注入活力, 虚拟仿真实验的内容将不断的发展, 对医学实验教学水平带来持续的提高, 实现传统实验无法完成的教学功能, 为医学生进入临床操作前的学习提供先进、高效的实验平台, 推进医学教育的不断改革与发展。
参考文献
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仿真教学实验论文 第10篇
摘 要： 文章根据广州大学现有电路实验教学的实际情况，提出了虚拟仿真电路实验教学改革的探索，提出了虚拟仿真实验平台的搭建方案，以及逐步应用于实践教学的方法，并对教材的编写和团队建设进行了探讨，为虚拟仿真电路实验教学提供了改革的总体框架。
关键词： 虚拟仿真 电路实验 立体化 实验教学改革
1.引言
电路实验系列课程（以下统称为电路实验）包括：电路实验、电工与电子技术、电路基础实验、电工电子学实验，是高等学校电类、非电类各专业的技术基础课程。目前国内大中专院校绝大部分仍然延续传统的实验方式，即在教授理论知识的同时，根据课程设置，延后一段时间进行实验的验证。显然，这种实验安排方法造成了实验验证落后于理论教学的进度，特别是工科专业较多的学校，由于实验时间安排的限制，甚至出现实验课提前于理论知识的情况。学生在实验过程中无法获得实验的感性知识，理论—实验—认知这一传统的教学模式被割裂的同时，也不利于知识的吸收、转化。
虚拟仿真实验允许学生在网络虚拟环境中进行实验，不依赖于具体的实验室和实验仪器，克服了以前实验教学中受到实验时间、场地、器材限制等弊端。同时由于学生操作具有不可预知性，教师在开发和指导实验时都需要预知可能出现的问题，这对教师教学方式的变化和教学能力的提高都有着积极的作用。
虚拟仿真技术的发展，为现存的理论与实验教学的矛盾提供了很好的解决方案。国内部分高校的电路实验课程加入了软件仿真实验项目，有利于学生对电路基础理论和实验验证的理解吸收。为此，本项目旨在探索将虚拟仿真技术引入电路实验的教学，将“课程+实验”的理念引向深入，创建“理论授课—虚拟实验—实验室教学”融合的高校实验教学新模式，最大限度地共享实验资源，降低实验成本，提高实验的使用效率，并在此基础上，进行实验教学方案的初步推广试行。
2.存在的问题
据2012年全校本科专业人才培养计划，广州大学校内现有三个学院八个专业四门课，年均292个学时，共14000人机时数电路实验。可以说电工学基础实验是培养相关专业人才的基石，但由于历史及其他各方面原因，我校目前电类实验存在以下几方面的问题：
（1）由于经费有限，加上近几年专业的扩招，部分班级的学生人数甚至超过50人，导致实验室的硬件跟不上，仪器设备陈旧老化且数量不足（影响了正常实验教学的开展，进而影响了实验教学质量）。
（2）传统的实验教学模式，受到实验时间的限制，造成学生动手实验的时间不够，虽然可在课后预约开放实验，但受到实验场地的限制，无法完成。因此，部分学生为了在正常教学时间内完成实验数据，抄袭他人实验结果。
（3）传统实验教学受到实验器材的限制，严重落后于理论教学和科研的发展。
（4）在学校扩招这一大环境下，功能实验室的设备数量无法满足教学大纲所要求的一人一套设备等条件，使得部分实验必须将一个自然班分成几个组进行排课，大大影响了教学效果，也不利于教务部门的教学管理与监督。
（5）综合设计性实验，受到实验器材、实验设备的限制，无法达到教学大纲规定的实验教学质量。
基于以上考虑，本章旨在探索将虚拟仿真技术引入电路实验的教学，一方面，最大限度地共享实验资源，降低实验成本，提高实验的使用效率，有利于实验设备的更新，另一方面，学生可以突破时空的限制在计算机上完成各种实验，获得与真实实验一样的体会。
3.虚拟实验改革的实施方案
广州大学实验中心电子信息实验室在《电路实验》平台课程的基础上，提出了虚拟仿真电路实验的改革方案。首先选取了“基尔霍夫定律的验证”、“一阶电路过渡过程的研究”两个典型的电路实验，在大学一年级电类专业学生试运行，得到了第一手资料，在此基础上，根据原有电工实验台的参数，编写了与之对应的虚拟仿真实验指导书和电子课件教案，对一些关键项目提供了DV视频。随后在学校电工平台课程的教学大纲中，将原有“电路仿真软件入门”实验调整为虚拟仿真相关实验，并最终将虚拟仿真实验推广至所有电类、非电类专业，直至电类选修课。
（1）虚拟仿真实验平台的应用。跟相关公司合作，提出了适合本校电路实验仿真的典型案例，并将所搭建的虚拟仿真实验平台逐步在低年级学生中推广。首先挑选了基尔霍夫定律的验证、一阶电路过渡过程的研究两个实验，在14级电信专业大学一年级下学期的《电路实验》中进行测试。广州大学电信专业14级有四个班，共计180余人，其中参与了《电路实验》虚拟仿真实验的约120余人。在进行对应的实物实验之前，实验教师安排了学生进行实验内容的预习，并提前一个星期进行虚拟仿真实验的学习和试做。在实物实验的前两天，实验教师查看虚拟仿真实验结果并进行分析，了解了学生在实验内容方面的难点和错误之处，并有针对性地讲解。在实物实验过程中，实验教师普遍反映，学生对实验内容的掌握程度较之以前更好，进行实验的速度更快，实验纠错能力也有一定的提高。
在本学期，广州大学将购置《电路实验》虚拟仿真平台，并在15级电信专业、电子专业中全面展开，为基础实验提供新的思路和方法。
（2）立体化实验教材的编制。为了加强虚拟仿真实验与实物实验的相互结合与促进，作者致力于进行虚拟仿真实验教学教材编制，编写了与原有实验台和元器件参数相关的虚拟仿真实验教材，并在虚拟仿真实验的学生中进行了适用，对虚拟仿真实验的推广起到了一定的作用。
新编写的虚拟仿真实验教材力争内容和形式的立体化，具体包括以下内容：
内容立体化：研究已学课程和后续课程内容和定位，融入进阶提高和未来课外创新等需求，激发学生学习兴趣，编入了部分在实验课程中无法进行的提高实验，比如对二阶电路动态响应特性实验，加入了RLC串联、并联，并观察电感电流的暂态响应的实验；
形式立体化：充分利用信息化技术和现代教育技术，编制了包括纸质教材、PPT、典型环节演示的DV视频、PC操作演示屏幕录像，网络课程等各类教学资源，方便学生自主学习。
（3）虚拟仿真实验教学团队建设。考虑到核心教学团队的建设和相关培训问题，在此基础上形成定期培训、交流参访的机制，确保团队建设稳中有升；定期举办教研会议，邀请专家或厂家专题讲座，鼓励相关老师外出培训和进修，持续改善教学内容、教学设计与教学组织方式，为教学改革的推行提供了可靠保障。
4.结语
本文章针对目前电路实验教学亟待解决的问题，提出了利用虚拟仿真实验平台，高效管理实验教学资源，实现校内电路实验教学资源共享的方案，并在14级电信专业学生中试行了《电路实验》虚拟仿真实验。基于这些初步的探索，探讨了电路这一系列实验教学改革的路径。
研究表明，可在建立虚拟仿真实验平台的基础上，根据高校电路实验教学实际情况，逐步在电类专业推行虚拟仿真实验与实际电路实验相结合的教学模式，并且编写立体化实验教材，指导学生课后、课外的预习、复习及创新实践。由此提高了学生对实验内容的掌握程度、实验纠错能力，加快了实验进行的速度，实现了“理论—仿真—实物实验—验证理论”的良性循环，增强了实验教学的效果，有利于促进学生提高实验兴趣，强化科研创新能力。
本文提出的改革方案具有实用性、可行性和可操作性，适用于各大中专院校，特别是工科专业较多学校的实验教学改革。
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煤矿开采虚拟仿真实验教学技术研究 第11篇
1 采矿工程实验教学现状与分析
(1) 实验手段落后, 学生参与程度低, 教学效果较差。煤矿开采是一个高危险、高成本、高能耗行业, 几乎不可能在实验室开展真实生产过程的实验项目。目前, 煤矿开采的实验手段主要是模型参观和演示, 辅以实验课老师讲解, 技术落后, 且不能反映真实煤矿生产情况, 无法给学生提供想象空间。有些学校、煤炭企业建立了地面实训基地, 但操作大型设备存在高能耗、高危险问题, 故此多数成了模型或设备展示, 受训人员不容易参与到实验项目当中[2]。
(2) 煤矿安全形势严峻, 实践教学难以开展。采矿工程专业在教学过程中虽安排了认识实习、生产实习, 以及毕业实习等教学环节, 但由于煤矿安全形势严峻, 实习安排困难, 很多矿区不愿意接收实习, 即使接收也是出于校友情意, 应付差事, 减少下井次数, 或者井下走马观花式的浏览。况且井下实习仅能看到局部情况, 学生下井后也往往由于出于新奇或者恐惧, 只顾低头朝前走, 一次井下实习不可能完全达到课程实习的要求, 而且学校的其余专业甚至不安排矿井认识实习。制订的实习计划一般都难于完成, 基本流于形式。
(3) 实验教学手段单一, 实验内容更新缓慢, 教学效果有待提升。煤矿开采是一个综合性学科, 包括采矿工程、安全工程、地质工程、煤矿机电、测绘等专业, 骨干课程主要包括《采矿学》、《井巷工程》、《矿井通风》、《矿山压力与岩层控制》、《煤矿地质》、《矿山机械》、《矿山电工》等[3,4]。目前实验手段主要是模型参观和演示, 手段落后, 且多数模型与真实矿井相去甚远, 甚至与现行的国家政策相违背;学生靠老师讲解获取信息, 教学方式被动, 学生不能参与其中。
总之, 现有的手段在引导采矿工程专业学生进行实验研究时, 存在着课堂教学与实验环节、实验教学内容与当前采矿技术发展脱节的现象。借助于虚拟现实技术、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术发展起来的虚拟仿真实验, 为学生专业技能和创新能力的培养搭建高度仿真的实验环境, 所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果[5,6,7]。因此, 开展煤矿开采虚拟仿真实验教学技术研究显得尤为必要。河南理工大学是百年矿业高等学府, 长期致力于煤矿开采虚拟仿真实验教学技术研究, 取得了5项国家专利和近10项软件著作权, 2014年度获批国家级虚拟仿真实验教学中心, 所开发的采矿工程虚拟仿真实验教学系统已经在国内一些本科院校和煤炭技校教学过程中推广应用, 并取得了良好的教学效果。
2 煤矿开采虚拟仿真实验教学系统
2.1 系统模块设计
煤矿开采虚拟仿真实验教学系统按照煤矿开采相关专业培养方案, 以专业骨干课程实验教学要求为基础进行划分, 划分为采矿工程模块、安全工程模块、地质工程模块及机电工程模块4个模块 (图1) 。采矿工程模块包括《煤矿开采学》、《采煤概论》、《矿山压力及其控制》、《井巷工程》、《采动损害与保护》等专业骨干课程, 包含矿井开拓、采煤工艺、掘进工艺、爆破工艺、矿山压力等50多项实验教学内容;安全工程模块主要包括《矿井通风》、《矿井通风与空气调节》、《矿井灾害及防治》等课程, 包含矿井通风、矿井灾害及防治、瓦斯抽采, 以及探放水等近30项实验教学内容;地质工程模块以《煤矿地质学》教学需要为主, 包含地质构造形成及结构形态、地质构造应力、地质图件的绘制、地质构造对矿井生产的影响等仿真实验项目;机电工程模块是为《矿山机械》、《矿山电工》等课程而开发的实验教学系统, 主要目的是让学生能够了解矿用设备、矿用电气等的机构、工作原理等。此外, 同时也开发了矿井系统仿真、矿井认识实习等虚拟仿真实验项目, 通过三维沉浸式虚拟仿真系统, 以人机交互方式进入虚拟场景, 配以动画和解说等, 使学生以自主学习方式了解矿井作业环境, 作为实习教育的重要补充手段[8]。
2.2 实验项目实现方式
实验教学项目实现方式主要包括网络共享式和虚实结合式2种方式 (图2、图3) 。对一些复杂的工艺过程、矿井灾害、空间关系, 以及大型设备结构等演示性实验教学内容, 制作和开发了大量的三维动画、人机交互式仿真程序, 并置于校园网上, 实现了网络共享化。学生可以通过网络视频点播平台, 以及仿真漫游程序等自主进行实验, 部分实验项目如矿井认知仿真系统采取游戏通关方式, 使学生在娱乐中了解矿井系统的构成以及井下作业环境。对于一些操作性的实验项目, 则坚持虚实结合、相互补充、能实不虚的原则, 开发虚实结合式的虚拟仿真实验平台, 如综采工艺、综掘工艺、放炮工艺、矿井提升等虚拟仿真实验教学项目均采用了虚实结合形式, 且采用了分布式虚拟仿真技术, 实现了多虚拟仿真设备的连接和融合, 如综采工艺仿真涵盖了采煤机、液压支架、胶带转载机、刮板输送机等虚拟仿真设备, 这些设备可以单独操作, 也可以多人联合操作, 从而实现整个综采工艺过程的仿真实验[8]。
3 虚拟仿真实验技术的应用
采矿工程虚拟仿真实验为学生营造“自主学习”的环境, 替代传统的“以教促学”的学习方式, 通过学习者自身与信息环境的相互作用为其提供知识、技能的新型学习方式, 从而弥补目前煤矿开采实验教学中的不足。本节以综合机械化采煤工艺虚拟实验教学仪为例, 简单介绍了煤矿开采虚拟仿真实验的教学方式。
3.1 综采工艺虚拟仿真教学仪
该煤矿综合机械化采煤工艺虚拟仿真实验教学仪的结构包括:采煤机司机操作台及其操作按钮、支架工操作台 (3台) 及其操纵杆和操作按钮、辅助设备操作台及其操作台按钮、高清投影仪、采煤机端显示屏2个、采煤机机身仪表显示屏2个、液压支架端显示屏3个、辅助设备显示屏、电路板、单片机等其他辅助设备等。
该煤矿综合机械化采煤工艺虚拟仿真实验教学仪的采煤机司机操作台, 可以由两位采煤机司机A、B分别操作左、右滚筒的启动、升降、割煤, 以及采煤机启动, 行走等基本操作, 也可通过配合展现不同的进刀方式和割煤方式等;3台支架工操作台可以由3名支架工C、D、E分别操作, 完成采煤机割煤前方的护帮板收起、割煤后方的护帮板放下、支架割煤后及时支护、推移刮板输送机等;辅助设备操作台可以由1名辅助工F代替操作乳化液泵、胶带输送机、转载机、刮板输送机和工作面破碎机的启动停止。通过6人的协同操作, 虚拟地在采煤工作面内按照一定顺序完成各项工序, 如采煤机进刀、割煤工作、支架前移、刮板输送机移动等, 并可在投影仪上同步整体显示 (图4) 。
3.2 实验项目
综采工艺主要包括采煤机割煤和装煤、刮板输送机运煤、液压支架支护顶板、采空区处理等工序, 是通过采煤机、液压支架、刮板输送机等设备和相关人员协作完成。该实验教学仪实现了多个仿真设备的融合, 学生实验时采用多人协作模式, 分别模拟采煤机司机、支架工、推刮板机工, 以及其他辅助工种, 在同一个虚拟场景中, 操作不同设备, 相互协调完成整个采煤工艺过程。通过该实验平台可以完成采煤机、支架、刮板输送机等单个设备操作训练, 采煤机进刀过程、工作面割煤方式、移架方式和推刮板机工作、采空区矸石处理等 (表1) 。
4 实验教学效果
(1) 虚拟仿真实验效果良好。这种学生自主学习的模式, 促进了学生个性的发展, 创造能力大大提高, 最大限度地锻炼和开发了学生的创新能力, 激发了学生的学习兴趣, 学生参与程度较高, 实验教学效果较好。
(2) 实验成本低。传统的实践教学过程通常伴随材料消耗, 很多仪器设备长年超负荷运转易损坏、难维护, 综合运行成本高, 而虚拟仿真实验室可长期、大范围重复使用, 实物消耗费用几乎可以忽略不计, 不存在仓储或材料不足、材料积压等问题, 使用寿命和适用周期长。
(3) 实验项目升级、扩充方便。作为传统的硬件教学资源和实践教学仪器设备, 随着技术进步速度加快, 一些贵重仪器设备没用多久就可能因技术落伍濒临淘汰;购入新设备又可能面临同样风险, 而虚拟仿真技术改进和升级速度快、风险小, 能根据教学计划和实验内容及时扩充所需信息。
总之, 与传统实践教学模式相比, 采用虚拟仿真技术进行实践课教学具有明显优势。
摘要：煤矿开采具有高危险、高成本、高能耗行业特性, 很难在实验室开展真实的实验项目。综合运用信息化的技术, 开发网络共享化和虚实结合式的虚拟仿真实验项目是解决当前实验教学手段落后、教学效果差这一问题的有效途径。介绍了煤矿开采虚拟仿真实验教学系统模块构成和典型的实验项目。
关键词：煤矿开采,虚拟仿真实验,虚实结合,人机交互
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