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虛擬實驗設計論文范文第1篇

一、網絡虛擬實驗室的建立

1.虛擬現實技術

虛擬現實VR(VirtualReality)是近幾年來信息技術迅速發展的產物,畢業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、能幫助和啟發構思的信息環境,即讓用戶在人工合成的環境里獲得角色的體驗。

虛擬現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,這是虛擬現實的首要特征。交互性,是指虛擬現實是一個開放的環境,能對用戶的輸入作出響應,并能通過監控裝置來影響用戶和被用戶影響。想象性,是指虛擬現實不僅是一個媒體、一個高級用戶界面,還是一個應用系統,它以生動形象的形式反映設計者的思想。虛擬現實的三個基本特征強調了人在這個系統中的主導作用。虛擬現實系統按其功能不同,可以分為三種類型:沉浸式虛擬現實系統、桌面式虛擬現實系統和分布式虛擬現實系統。其中,桌面式虛擬現實系統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,它的特點是結構簡單、成本較低,易于推廣。

2.網絡虛擬實驗室

所謂網絡虛擬實驗室,是指利用區域網或互聯網,由虛擬現實技術生成的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統,包括相應的實驗室環境、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實實驗室的真實實現,也可以是虛擬構想的實驗室,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,好像是真正在現實實驗室里近距離進行現場操作。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.計算機專業虛擬實驗室的創建

構建專業虛擬實驗室,其實就是搭建一個網絡平臺系統,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絡并接入了互聯網,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的開發,它與網站建設相聯系;另一個是網站的內容(實驗內容)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、實驗成績及網上答疑等進行有效管理,并對虛擬實驗室進行監控,計算機網絡虛擬實驗室系統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絡寫實驗報告并提交報告。教師管理方面,可對實驗內容添加、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,提交批改結果,與學生進行討論。儀器管理方面,對新設計開發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、實驗報告及完成情況)給出成績,并進行統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,由學生填寫相關內容以及實驗的結果,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,由專業教師對學生實驗中出現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境下發表自己的見解,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,醫學論文以達到鞏固強化知識的目的。該模塊內容根據專業學習的具體情況及實驗建設條件,可不斷增加。計算機專業網絡虛擬實驗室系統的建設,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,見效較快。但需要投入較多的軟件購置費用,同時也需要結合本校的實際情況進行一些調整,有一個磨合期。另一種是因地制宜,自主開發。根據本校的實際教學和實驗情況,結合學生的實際水平,由任課教師或聘請部分專家組成開發小組,進行一系列的虛擬實驗項目的開發研究,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,能充分發揮教師的積極性,能有針對性地進行設計開發,適合學生的實際情況,學生容易接受,并且經費投入較少。缺點是開發周期較長,系統性不夠,水平有限。也可以將上述兩種方式結合起來,一是引入、購置部分自己不宜開發的實驗項目,二是結合自身的優勢和長處開發一些實驗項目,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。鼓勵學生經常訪問虛擬實驗室,在上面提出問題、發表見解,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,整理和總結實驗數據,職稱論文提交實驗報告,培養學生的分析能力和創新能力,逐步向以“學生為中心”的自主個性發展模式轉變。

3.組織專業教師網上指導與答疑,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者的角色。

4.對學生在虛擬實驗室的表現及實驗效果進行

評價。針對學生每一門課程的虛擬實驗完成情況、實驗報告、網上提問、論壇發帖的情況,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,不能一味地強調虛擬實驗,要“虛實”結合,既相互補充,又各有側重,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學生嚴謹的、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]蔣光明.基于互聯網的開放式虛擬實驗模型研究.西南師范大學學報(自然科學版),2002(3).

虛擬實驗設計論文范文第2篇

【關鍵詞】自動控制理論;LabVIEW;實驗系統

【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

高等教育的質量與國家現代化建設密切相關,其中良好的教學實驗設計對于人才的培養有著直接的影響。《自動控制理論》課程作為電氣、自動化專業的一門重要的專業基礎課,是聯系前期基礎課和后續專業課的橋梁。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合的觀點、培養大學生的初步工程實踐能力,符合高校培養具有創新實踐能力的高素質人才的需要。

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環境。具有直觀易學、編程效率高,與Internet方便鏈接等特點。通過改變、增減系統的功能、可方便地擴充系統的復雜性,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、綜合性較強的系統實驗設計,不僅有利于通過直觀形象的實驗圖形與結果激發學生的學習興趣,而且對于全面提升學生動手構建物理系統和軟硬件調試的綜合能力具有重要意義[1-2]。

二 實驗系統設計

近年來基于計算機技術的實驗系統,作為一種工程、教學輔助工具,在簡化問題、節約成本、縮短調試周期等方面特點突出,有利于發展學生借助計算機解決問題的能力。傳統實物模擬實驗,由于外部條件變化對實驗結果及信息的影響不同[3],則對于學生發現問題、通過理論聯系實際綜合解決問題能力的培養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。基于以上分析,所設計的LabVIEW自動控制理論綜合實驗平臺,其系統結構如圖1所示,可以融合以上三種實驗模式的優點,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在數據采集、工業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環境。降低了環境干擾和系統誤差對測量結果的影響,改善了以往費時、費力的實驗過程,便于學生集中精力對結果進行分析。

以非線性系統的描述函數法為例,圖2為非線性系統框圖,其中線性部分的頻率特性函數為 ,非線性部分的算子以 表示。如何求取非線性系統的描述函數并進行分析,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、線性環節的類型、參數進行選擇,而后設定分析的頻率范圍、初值、步長、循環次數等,可有效避免繁復的頻率調整、計數、描點等工作,迅速獲取系統的幅相特性曲線。友好的仿真實驗界面如圖3所示。

設定線性區寬度 ,飽和特性信號限幅 后,輸入到實驗室開發的如圖3所示的仿真實驗系統界面,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、省時地實現對各種非線性環節描述函數的求取與直觀分析,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數據的監測、記錄、顯示及分析,可以簡化實驗數據獲取及后續數據處理等過程。

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電路暫態電壓變化實驗、數據采集及濾波處理實驗以及直流電機轉速測控實驗。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流程、技巧,為后續進行獨立實驗設計與研究奠定基礎。而后,結合基于LabVIEW編程后提供的內置函數發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,完成二階系統時域響應、典型環節頻率特性、系統串聯校正等實物模擬實驗,并與理論分析值進行比較、分析。此處設定為任務驅動型學習方式,課內保留4學時用于提問、測試、成績評定。

如圖5所示,為求取典型積分環節頻率特性而構建的模擬實驗電路。

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。當調節正弦信號幅值 過大時,系統可能進入運算放大器的飽和非線性特性工作區域,系統輸出 信號則會輸出周期畸變信號; 當調節正弦信號幅值 過小, 靜電感應電壓對系統輸出 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)。僅當調節正弦信號幅值 處于適當范圍內,輸出 才可清晰獲取同頻率的正弦信號。針對這一現象,與1節中虛擬仿真實驗積分環節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別與聯系?問題2:確定一個環節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系,激發學生的自主發現與探究意識,引發其解決問題的興趣,鼓勵其進行協作交流,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課程設計的需要,選購了8套球桿(ball balancer)系統作為被控對象。采用LabVIEW編制軟件算法, 通過驅動程序控制伺服電機進行轉速與位置調節,實現對此非線性、不穩定系統的穩定運行控制。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

基于網絡的遠程實驗室可以最大限度地實現實驗資源的共享[5],因此本綜合實驗系統的設計也包含了這部分內容。遠程虛擬儀器能從與Internet/Intranet相連的遠端獲得動態數據或將控制信號傳送到遠端,使在本地PC機上監控遠端成為可能。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,實現了利用網絡進行資源交互學習等目的。

利用LabVIEW軟件設計構建的網絡虛擬實驗室具有易于開發,投資少,擴充方便等特點。在LabVIEW 開發環境中,有多種方式可以方便實現遠程數據的采集和儀器控制,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實現網絡內部的共享采集設備數據;功能強大、但開發將對較復雜的適用于較大規模網絡實驗室的DataSocket數據共享技術;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,構建B/S模式遠程實驗系統。遠程前面板技術是把一個VI的前面板直接嵌入到Web網頁中,并具有自動更新功能。此外,通過授權,不僅可以使得客戶端能觀測到一個動態刷新的實時畫面,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,在預定時間內享有對實驗室內指定編號實驗平臺的控制權限。后續計劃針對大四學生和研究生采用大作業形式,征集優秀的實驗預約管理方案,取消人員管理,實現科學、高效的自動遠程實驗預約、監控、實驗記錄等管理功能。

三 結束語

基于LabVIEW技術開發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合與補充,不僅提供了豐富的計算機與網絡學習資源,而且注重實驗設計的智能化與真實性的協調統一,實現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實踐研究進行跨越式轉變,為探索培養具有創造力與創新性的當代大學生教育進行經驗積累。

參考文獻

[1] 張桐,陳國順,王正林.精通LabVIEW程序設計[M].北京:電子工業出版社,2008:2-5.

[2] 袁浩,朱暢,陳志敏.基于LabVIEW的自動控制仿真系統設計[J].實驗室研究與探索,2006,25(4):457-459.

[3] 沈亦紅.論物理虛擬實驗與真實實驗的互補作用[J].中國電化教育,2004,210(7):42-44.

[4] 楊智,袁媛,賈延江.虛擬儀器教學實驗簡明教程-基于LabVIEW的NI ELVIS [M].北京航空航天大學出版社,2008:90-108.

虛擬實驗設計論文范文第3篇

論文摘要：本文對虛擬實驗系統的特點做了介紹，指出了虛擬技術在實驗教學中的優勢，并給出虛擬實驗系統構建的基本思想以及系統結構，闡述虛擬現實技術在實驗教學中的應用手段和方法。

實驗一直都是與教學息息相關的重要活動之一。它可以使學生更好地感受、理解知識的產生和發展過程，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，還能激發學生探索未知世界的興趣，增強創新能力。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，需要經常更新。而許多學校在實驗經費上又捉襟見肘，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，提高實驗教學的質量，可以采用虛擬實驗系統來輔助實驗教學的開展。

一、虛擬現實技術

虛擬現實技術 (ⅥrnJal ReaJ時，簡稱 vR技術)出現于 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、數字信號處理技術、傳感技術的發展，近幾十年來在國內外形成了對虛擬現實的研究熱潮。

虛擬現實系統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，提高了系統的工作效率。虛擬現實技術具有 3個突出特征：沉浸性、交互性、想象性。

虛擬現實系統由兩部分組成：一部分為創建的虛擬環境，另一部分為介入者。虛擬現實的核心是強調兩者之間的交互操作，即反映出人在虛擬環境中的體驗。我們可以給出如圖 1的虛擬現實的概念模型。

二、虛擬實驗系統

1．虛擬實驗系統的特點

(1)共享程度高。虛擬實驗系統不同于傳統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，有訪問權限的異地用戶也可以使用系統。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境，虛擬實驗系統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象和實驗結果。

(3)支持協作。虛擬實驗系統提供了多種方式來完成用戶間的信息交流。

2．虛擬實驗系統的建模

如何構建教學型虛擬實驗系統，使其能夠擁有豐富的實驗內容表現方式、提供形象生動的實驗內容，讓讓學生實現從感知到理解的過程，一直是研究教學型虛擬實驗系統的熱點問題之一。

虛擬實驗系統的構建是將多種技術綜合運用，首先構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境進行實地考察并對建筑物進行篩選，從而構建具有真實感的實驗環境。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 (即現在的Vie、vpoint公司)的軟件產品，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．虛擬實驗系統中的交互

交互性是虛擬實驗系統中的一個重要問題。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。檢測這類動作的監測器是接觸型監測器。描述這類監測器的節點有接觸監測器節點TouchSensor以及PlaneSensor節點、SphereSensor節點、CylinderSenS0r節點；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進行交互，同時系統需要根據用戶的選擇與后臺數據庫進行通信，因此我們使用Java Applet。Applet具有 良好的網絡傳輸透明性，圖2顯示了瀏覽器通過Appl 訪問數據庫的整個過程 。

三、虛擬實驗集成的系統結構

1．軟件程序集成

軟件程序是虛擬實驗系統的重要內容，是系統的靈魂所在。在虛擬實驗系統中，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結構構架提供了靈活的方式。

2．系統功能集成

系統功能集成是建立在軟件程序集成的基礎之上的，系統功能集成是系統結構集成的重要體現，系統結構的有效集成度是系統功能集成的重要基礎。在虛擬實驗系統中，軟件程序的集成保證了系統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功能整體在系統構建、修改、維護等方面起到了重要的結構化支持作用。

3．儀器軟面板集成

儀器軟面板是虛擬實驗系統的重要特色之一。在傳統實驗系統中，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集成度的體現。

4。網絡集成

網絡的出現使得分布式結構成為可能。在虛擬實驗系統中，我們通過網絡可以突破時間和空間的限制，將更多的協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。網絡的分布式保證了系統結構的集成性。

四、虛擬實驗教學應用的優勢

從虛擬實驗的技術優勢和實驗教學的現狀需求出發，其優勢主要體現在以下幾個方面：

1．資源開放

從虛擬實驗的技術實現角度來看，實驗教學中的有效資源全部開放，這使得實驗項目從開發到操作，再到后期數據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；利用數據分析與處理工具包進行實驗數據的分析與處理，獲得規律性認識：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、實驗項目開發和實驗操作等網絡化、平臺化，因此實驗內容、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

虛擬實驗的網絡功能能夠根據不同的對象設置不同權限的系統身份，實驗參與人員各取所需，實現學習和交流的目的。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

本文將虛擬現實技術引入到實驗教學環節中，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，較好地激發了學生對于實驗環節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新能力的培養【J】．經濟師，2004，(4)．

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【3】朱敏．虛擬實驗與教學應用研究【D】．華東師范大學博士學位論文，2006．6．

虛擬實驗設計論文范文第4篇

論文摘要：在RC電路中，當電容兩端有電壓時，關閉開關，通過計算機觀察電流通過電阻，在RC電路中電壓隨時間的變化規律與理論情況比較。實驗以RC電路為基礎，通過聲卡使計算機與實驗結合，用CoolEdit軟件進行錄音，最后通過數學軟件MATLAB對圖形進行分析，將理論計算值與實際測量值進行比較，結果證實了RC放電的電壓隨時間的變化趨勢。

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律。作者在一本教科書中發現前人已經得出結論，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定狀態轉到另一種穩定狀態所經歷的變化過程，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τ較小的電路，必須使這種單次變化的過程重復出現。為此，我們利用NE555方波發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響應分別按指數規律衰減和增長，其變化的快慢決定于電路的時間常數τ.

2.2時間常數τ的測定方法：

⑴根據-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τ和輸入信號的周期T有著特定的要求.

RC串聯電路，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位置調換一下，即由C端作為響應輸出，且當電路參數的選擇滿足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，是實現聲波／數字信號相互轉換的一種硬件.在一塊聲卡上有晶振，AD/DA轉換芯片和數字處理芯片及其他輔助電路.因此，它可以作為數據采集卡使用，不過被采集號的頻率被限制在音頻范圍之內.設定了采集頻率，采樣位數，緩沖區大小之后，再利用聲卡的DMA方式進行數據采集工作。利用LabWindows/CVI環境下，借助硬件驅動程序對聲卡的采集頻率，采樣位數，緩沖區大小等分別進行控制，根據用戶的需要調整波形顯示，進行波形分析，從而構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調整輸入和輸出的平衡，可借助示波器部分和信號發生器部分實現。

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動程序或自帶驅動程序,不要使用Windows帶的驅動程序.如果仍無法正確工作,可換一個驅動程序試試.可能出現的情況:

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律,來測時間常數τ,通過調整虛擬示波器界面上的增益、時基和網格按鈕,可清晰地觀測RC的響應曲線,并可計算出時間常數τ.對于R=5kΩ,C=10μF的RC響應曲線如圖6所示.

圖6

(4)適當地改變電容或電阻值,觀察波形變化情況,記錄觀察到的現象.

①選取R=10kΩ,C=10μF,觀察并繪制響應的波形,繼續增大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數據分析電壓時間

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果的比例進行比較,我們可以發現相同時間的電壓比值幾乎相等,作者在通過改變R與C的值發現相似的結論,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,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:容易受外界環境及本身其他的功能影響.

5結束語

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得出的RC電路放電電壓變化規律，即電壓與時間的關系式結論.

參考文獻

虛擬實驗設計論文范文第5篇

[關鍵詞]教案；學案；雙案；虛擬實驗；教學設計

[中圖分類號]G420　[文獻標識碼]A　[論文編號]1009-8097(2012)01-0113-06

一、引言

化學實驗是化學教學中的一個難點，也是培養學生化學能力的重要途徑。為了更好地實施教學，編寫教案就成了上好課的關鍵步驟之一，但是傳統教案在教學過程中存在注重教材內容而忽視學生實際情況的缺點。為了彌補其不足，近些年提出了“雙案”教學。隨著網絡教學的普及和信息技術的發展，虛擬實驗進入了課堂教學，但是關于虛擬實驗的教案設計鳳毛麟角，其“雙案”教學設計更是空白。在虛擬實驗教學日益普及的今天，教師該如何利用虛擬實驗進行教學，使虛擬實驗貫穿于整個教學過程的始終，而不是僅僅作為教師演示的工具呢?筆者認為虛擬實驗“雙案”教學勢在必行。

二、傳統教案現狀分析

教案是教師為順利而有效地開展教學活動，根據教學大綱的要求，以課時或課題為單位，對教學內容、教學步驟、教學方法等進行具體的安排和設計的一種實用性教學文書。教案也稱課時計劃，通常包括：班級、學科、課題、上課時間、課的類型、教學方法、教學目的、教學內容、課的進程和時間分配等。教案在教學中起著非常重要的作用，但是在提倡素質教育的今天，單一的教案教學存在一些不能忽視的問題，筆者在進行大量文獻分析的基礎上，將出現的問題歸納如下：

1.教案的設計注重對教材內容的梳理，很少考慮學生個體學習情況

傳統教案是教師在精心分析教材內容的基礎上對知識結構、教學內容順序及其教學過程制定的一個實施方案。教案注重教師對知識內容的梳理和組織，但忽視了教師對學生個體情況的考慮。教案導致教師在實際的教學過程中形成了“滿堂灌”，只注重“教”的過程，忽視了學生“學”的效果及接受消化知識能力的差異。“滿堂灌”教學容易使學生形成優劣差距，優等生緊隨其后，差生濫竽充數，使差生喪失對學習的信心。

2.教案的設計注重知識的傳授，缺少對學生參與活動的設計

在應試教育的影響之下，教師教案的設計只是為了能夠很好地完成教學任務，達到教學目標，使學生考出一個好成績就是教師最大的榮譽和收獲。在設計教案的過程中，教師考慮的只是自身“教”的活動，很少設計到學生“學”的活動。教師是整個教學過程的主導者，忽視了學生的主體地位，使學生的主觀能動性受到一定的限制，容易形成思維定勢。但是在素質教育的今天，教師要傳授給學生的不僅是知識與技能，更重要的還要培養學生“會學”的能力。教師不能只關注“學會”而忽視了“會學”。古人云“授人以魚，不如授人以漁”說的就是這個道理。在整個教學過程中教師和學生處于同樣重要的地位，教學只有通過學生積極主動的參與，才能使教師的“教”變得更加靈活。同時，也只有學生充分地發揮能動性，才能反映出教師教學能力水平的高低和教學效果的好壞。因此學生活動的設計可以幫助教師實現“因材施教”，而不是一個模式的固定教學。

3.教案設計忽視了教學中師生之間和生生之間的交互

在不少教案中，無論是師生之間還是生生之間的交互都較少設計到。原因大致如下：首先，教師為了完成教學進度忽略了交互的設計。應試教育要的是學生的成績，教師的評估看的也是學生的成績，所以教師的教學目的就是為了提高學生的成績。其次，教師教學任務繁重，中小學教師每天都會有大量的教學任務，在自己有限的備課時間里很難去考慮較多的交互設計，只是為了明天的教學做點準備。再次，教師教案形式固定，很少變更，抄教案現象明顯，寫教案只是為了應付檢查。種種情況導致了教師的教案缺乏對交互的關注，但是交互的作用又是教學不能忽視的，師生之間的交互可以讓教師反思與變化教學，從而改進教師的教學。生生之間的交互能夠體現學生協作與溝通的能力，互幫互助，使教學成效整體上升。

三、“雙案”的提出

面對傳統教案在實際教學中出現的一些弊端，在素質教育和新課改的背景之下，“雙案”教學模式浮出水面。教案和學案合在一起簡稱“雙案”，其中“學案”是指教師依據學生的認知水平、知識經驗，為指導學生進行主動的知識建構而編制的學習方案。學案實質上是教師用以幫助學生掌握教材內容，溝通學與教的橋梁，也是培養學生自主學習和建構知識能力的一種重要媒介，具有“導讀、導聽、導思、導做”的作用。“雙案”教學體現了雙主教學的思想，要求以教師為主導、學生為主體，通過教師的引導使學生最大限度地參與到教學的全過程當中，充分地發揮學生學習的積極性、主動性、能動性等作用。“雙案”教學教給學生的不僅是知識，更重要的是培養學生自主學習的能力。“雙案”教學體現了教學過程中“學教并重”、“教學相長”的思想，并且是以建構主義理論、教與學的理論為基礎的。

近些年出現了“雙案”教學的研究，其中“單元‘雙案’教學模式的研究及在高中物理課程中的試用”、“高中地理‘兩案’設計與實施策略研究”等文獻對“雙案”教學做了比較全面的分析和研究。上述文獻對“雙案”在教學過程中的應用和實施做了較好的設計，圖1、圖2是其設計的模式結構圖：

從圖1和圖2中可以看出，兩種模式都體現了學生的主體地位，體現了學生自主學習的因素，這是二者共同的也是值得借鑒的地方。但是圖1將教師的作用減輕了，重頭戲放在了學生的自學上，忽視了教師的主導地位，教師的作用只體現在師生共探環節。圖2中教師和學生的聯系較圖1緊密，但是學生的自學發生在課前，形成教案和學案的脫節，也就是沒有將教案和學案統一地應用在教師的整個課堂教學過程當中，教師的主導作用仍然不夠。但是任何形式的學習都離不開教師的引導，特別是對學習定向還很不明確的初中生來說更是如此。教師是學生學習的引導者、促進者，沒有了教師的引導，學生的學習只會走彎路、走遠路，還有可能形成事倍功半的反效應。要想實現高效率的學習，必須將教師的教和學生的學相統一整合。筆者在借鑒前人研究“雙案”教學的基礎之上，對虛擬實驗環境下的“雙案”教學提出了圖3所示的教學模式。

這里對虛擬實驗環境下的“雙案”教學模式的意義進行簡要說明。首先，它將教師的主導地位和學生的主體地位都體現了出來，學生的學習是在教師的引導和組織之下進行的，避免了學生自學時的盲目性。其次，教學中對實驗的觀察、訓練和對問題的探索、分析和總結都是在學生操作實驗的過程中形成的，充分發揮了學生的主觀能動性。再次，教師的教和學生的學是在課堂中發生并完成的，教師能夠隨時解決個別學生的個別問題，這樣對教師的教學也有一定的促進作用。最后，在教學過程的設計中還加入了小組學習的形

式，可以對差生的學習起到一定的幫扶作用。

四、氫氣還原氧化銅虛擬實驗“雙案”設計案倒

“氫氣還原氧化銅”虛擬實驗的設計是按照教師為主導、學生為主體的思想進行的。在整個設計過程中吸取了以往虛擬實驗設計的優點，并且彌補了其缺點。實驗包括教師、學生、管理者三大模塊。教師模塊是針對教師的教進行設計的。學生模塊是針對學生的學進行設計的，其中包括實驗準備、實驗操作、實驗報告填寫、實驗報告批改查詢、實驗作業、實驗拓展等內容。管理者模塊主要負責虛擬實驗平臺的后臺管理。我們的虛擬實驗不是一個簡單的演示模塊，它是一個全面的、系統的實驗平臺，在學生操作實驗的過程中會動態地記錄學生實驗儀器和藥品選擇的結果、實驗裝置組裝的結果、實驗參數調整的結果、實驗現象觀察的結果、化學方程式書寫的結果等內容。實驗完成后增加了實驗報告填寫，其報告是半自動生成的(由學生在實驗操作時完成且計算機自動獲取并填寫的客觀部分和實驗報告中需要手工填寫的主觀部分組成)。虛擬實驗是在全面的教學設計分析的基礎上進行的，虛擬實驗設計架構如圖4所示，虛擬實驗截圖如圖5所示。

下面是“氫氣還原氧化銅”虛擬實驗“雙案”教學設計案例：

教學過程：

1.導入新課

通過上節課的學習，同學們知道了氫氣具有可燃性，那么氫氣還有沒有別的化學性質呢?我們知道任何物質的性質都不是單一的，就像是同學們一樣，每個人的優點或特長都不是唯一的，那么這節課老師將和同學們一起去探索氫氣的另一種化學性質，它的另一種化學性質究竟是什么呢?

2.學習新課

(1)情境創設，學生探索學習

教師展示虛擬實驗平臺中教師講解模塊中的實驗演示部分(包括真實實驗的視頻錄像和以往的Flas實驗)，教師在展示實驗、學生觀看實驗的情境創設過程中，對學生提出以下導向問題：

1)實驗開始前，做了那些準備工作?

2)實驗中做了哪些工作?觀察到的實驗現象有哪些?

3)實驗完成后又做了哪些工作?

4)實驗得出了怎樣的結論?

演示觀察完成以后，請同學們對以上問題做出回答?

(學生答：實驗開始前儀器的安裝、藥品的取裝……實驗過程中有水珠生成……實驗完成先撤酒精燈……等等)

(2)教師梳理知識并引導(教師主導)

教師根據同學們的回答，肯定正確的，糾正錯誤的，并將知識梳理如下：

1)實驗中儀器的組裝順序及正確的位置

實驗儀器組裝的時候要依據從下往上，從左到右的順序，試管要略向下傾斜，導管要通入試管底部并且要在藥品的上方。(展示實驗演示部分內容)

2)實驗中藥品的取裝方法

實驗中藥品取出后先平放入試管口，然后傾斜試管使其慢慢滑入試管底部，并蓋上藥品蓋。

3)實驗過程中的注意點(真實錄像和Flash演示都會有所提示)

先通氫氣后加熱。目的是排盡試管里面的空氣，防止生成的銅繼續被殘余的空氣氧化。加熱之前要給試管進行預熱，以防局部受熱引起試管底部炸裂。實驗完成后要先熄滅酒精燈，后停止通入氫氣，以防銅被氧化。

4)實驗現象

按照同學們的回答將實驗現象總結如下：實驗過程中黑色的氧化銅逐漸變成什么顏色的金屬銅?并且觀察試管壁前后反應的變化。

5)實驗結果

通過實驗展示，同學們會發現氫氣具有還原性。下面請同學們自行操作。

(3)教師提供虛擬實驗學習環境，學生進行虛擬實驗操作。(學生主體)

同學們用自己的學號和密碼進入虛擬實驗學習環境后選擇操作模塊進行虛擬實驗操作，操作過程中同學們要注意實驗要點。并且實驗過程會將同學們的主要實驗操作內容動態地記錄下來，希望同學們認真地完成實驗操作。實驗操作過程部分畫面截圖如圖6所示。

(4)學生填寫實驗報告(學生主體)

學生在完成實驗操作后進入實驗報告填寫部分，認真地填寫實驗報告，將你在做實驗過程中遇到的問題和實驗注意點認真規范地填寫在實驗報告中。部分實驗報告填寫內容已經在同學們做實驗的過程中動態生成，無需填寫。填寫完成后請同學們提交實驗報告。實驗報告填寫部分如圖7所示。

(5)教師組織學生分組討論(學生主體)

教師在確定了同學們的實驗報告都提交完畢以后，將學生進行分組，進行小組協作討論式學習。在討論交流學習的過程中將遇到的問題的疑難點按照下面表1形式做總結。

教師在學生討論的同時進行實驗報告的批改，將實驗報告中呈現的問題與同學們小組上交的學習問題歸納總結后一一做詳細的講解，以達到使每個同學都能領會和理解。

(6)教師組織學生溫故知新(實驗操作不做記錄，學生自主學習)

為了達到同學們對知識和實驗操作過程的全面掌握，請同學們再次進入虛擬實驗學習環境進行學習。這次同學們從實驗準備進入，依次進行學習，在15分鐘學習時間內完成“實驗準備”和“實驗操作”的二次學習，達到溫故而知新的效果。

(7)完成實驗作業

同學們認真學習之后請完成實驗作業并且提交，一天后查閱自己完成作業的情況。

(8)實驗拓展，形成知識遷移

同學們在學習完了本節課的內容后學有余力的同學可以進入實驗拓展部分進行興趣學習，讓同學們看到生活中的化學，看到化學給大家帶來的五彩繽紛的生活，大家一起熱愛科學，熱愛生活，爭取讓科學帶給我們更加豐富的生活。

(9)教師總結反思，修改教學

教師根據同學們掌握知識內容的程度和效率，對自己的教學進行一定的評估，并且寫出自己的教學心得。每個教師面臨的不是一個班，面對不同的班級，教師要從一個班代課的經驗中總結后續教學的經驗，也就是要具備“窺一斑而知全豹”的能力。教師課后反思按照下面表2形式做總結。

虛擬實驗的“雙案”設計既注重了教師的主導地位，又強調了學生的主體地位，在教師的整個教學過程中以學生的自主訓練為主線，培養了學生自主學習、探索新知識的能力，并且在學習過程中加強了同學之間相互協作能力的培養。“雙案”教學在課堂教學中的實施，不僅對學生進行了很好的引導作用，而且對教師完善自己的教學起到了很大的作用，有利于新課改背景下素質教育的進一步完善和發展。

基金項目：本文受教育部人文社會科學研究規劃基金項目“初中化學網絡綜合虛擬實驗教學平臺的開發與應用研究”(編號：10YJA880182)的階段性研究成果。