虛擬實驗論文范文

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第1篇

在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，依賴的是硬件實驗設(shè)備，這種實驗設(shè)備價格昂貴，建設(shè)一個實驗室至少需要30～40萬元，在使用的過程中因為學(xué)生不能夠熟練操作實驗設(shè)備和儀器，容易造成損壞，維護(hù)費(fèi)用也很高，使得很多實驗教學(xué)很難開展。虛擬實驗管理平臺(建設(shè)成本大大低于硬件實驗室)放置在學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中即可，依靠信息技術(shù)在計算機(jī)上最大程度地模擬出與硬件實驗相同的實驗環(huán)境，并且提供實驗教學(xué)和管理一體化功能。平臺內(nèi)可以由教師設(shè)計驗證性典型實驗并制定實驗評分標(biāo)準(zhǔn)，平臺會根據(jù)學(xué)生實際實驗情況并依據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)計算出學(xué)生實驗成績和學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)的錯誤及存在的問題，教師再針對性普遍存在的問題進(jìn)行講解，做到教學(xué)重點(diǎn)突出。虛擬實驗管理平臺內(nèi)部具有各種電子元器件和儀器儀表用以進(jìn)行設(shè)計、連接、配置和調(diào)試，并可以根據(jù)需要進(jìn)行添加，器件庫比硬件實驗室配備更加豐富。只要具備網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生可以利用任何能夠支配的時間反復(fù)設(shè)計電子技術(shù)實驗，即使是多個班級的學(xué)生同時做實驗也可以，這樣就解決了實驗時間和實驗場所受限的問題，實驗過程不會造成設(shè)備的損耗;平臺內(nèi)部含有幫助功能，學(xué)生在自主實驗過程中遇到問題可以自行查詢解決問題，增強(qiáng)了學(xué)生的自學(xué)能力。

2采用虛擬實驗管理平臺和虛擬仿真軟件的對比研究

虛擬仿真軟件中元件采用的是元器件符號，儀器儀表采用例化的符號，界面方便整潔、易于調(diào)試，但是對于學(xué)生認(rèn)知的能力幫助不大;虛擬實驗管理平臺內(nèi)部的元器件和儀表儀器，是按照實際器件模型來進(jìn)行建模。比如對于電阻來說，采用和實際實物相同的色環(huán)電阻，這對于學(xué)生認(rèn)識實驗器件和設(shè)備具有很大的幫助作用，對于儀器儀表也都是采用和實際儀表相同的操作界面，直觀性強(qiáng)，可操作性高，避免了學(xué)生在實際實物操作過程中因為不熟悉實驗設(shè)備而產(chǎn)生損失。虛擬實驗管理平臺中，在設(shè)計搭建電路之前要考慮元器件在整個區(qū)域的排放位置，如果擺放不正確就需要刪除后重新搭建，這類似于在實際面包板中搭建電路，在設(shè)計電路之前必須先對整體進(jìn)行布局思考;在仿真軟件中搭建電路的整體擺放特別方便，如果有錯誤也可以進(jìn)行整體移動。從這一點(diǎn)來說，采用虛擬實驗管理平臺沒有采用虛擬仿真軟件方便快捷，但是有利于學(xué)生提前思考能力的培養(yǎng)，盡量把問題解決在發(fā)生之前。對于虛擬實驗管理平臺和虛擬仿真軟件相比，仿真軟件的功能更強(qiáng)大，虛擬實驗管理平臺更加針對學(xué)生日常實驗，而仿真軟件更針對學(xué)生進(jìn)行大型設(shè)計。在仿真軟件中，如果有兩條導(dǎo)線相連一般通過節(jié)點(diǎn)的方式，在虛擬實驗管理平臺中一般通過接到連接的器件管腳的方式，因為在實際中用面包板，不能夠使用裸線，因此它們之間的相連是通過接到對應(yīng)器件節(jié)點(diǎn)的方式。針對模擬電子技術(shù)課程中的三極管放大電路分別采用虛擬仿真軟件和虛擬實驗管理平臺進(jìn)行實驗，并在學(xué)生實驗后針對這兩種方法和采用硬件實驗進(jìn)行了比較，95%以上的學(xué)生認(rèn)為采用虛擬實驗管理平臺的方式比采用虛擬仿真軟件的方式更加接近真實實驗環(huán)境，如果能在課程實驗中先進(jìn)行虛擬平臺實驗，再進(jìn)行真實實驗互補(bǔ)的實驗的模式能更加有效地促進(jìn)實驗?zāi)芰Α?/p>

3結(jié)論

第2篇

（一）實驗分析

高錳酸鉀制取氧氣是利用酒精燈、試管、鐵架臺、導(dǎo)管、集氣瓶、水槽等儀器，通過加熱高錳酸鉀制取氧氣，利用排水法來收集氧氣。學(xué)生不僅要掌握實驗原理、目的，實驗儀器和藥品的使用方法及注意事項，實驗步驟、化學(xué)方程式的書寫等內(nèi)容，還要培養(yǎng)觀察、分析能力和實踐操作能力。

（二）《高錳酸鉀制取氧氣》的實驗?zāi)康?/p>

（1）通過虛擬實驗中的文本展示工具，使學(xué)習(xí)者了解實驗?zāi)康?、原理和方法?/p>

（2）通過對虛擬實驗的操作，掌握藥品的選擇以及儀器連接的先后順序，能夠動手制取氧氣。

（3）通過對實驗過程、現(xiàn)象的觀察、分析實驗反應(yīng)機(jī)制，加深對實驗的認(rèn)知和理解。

（三）《高錳酸鉀制取氧氣》的虛擬實驗活動設(shè)計

學(xué)生要完成虛擬實驗首先需要安裝Secondlife客戶端，進(jìn)入Secondlife虛擬環(huán)境，通過以下流程完成整個虛擬實驗。

（1）準(zhǔn)備階段：學(xué)習(xí)者通過Secondlife提供的地圖工具搜索到虛擬實驗室地標(biāo)并通過瞬間移動工具進(jìn)入虛擬實驗室。

（2）實驗階段：學(xué)習(xí)者通過人-機(jī)交互選擇事先通過3D建模工具創(chuàng)建好的虛擬實驗儀器、藥品并通過資源工具查詢相關(guān)儀器的使用方法及實驗裝置圖，完成實驗儀器的裝置；點(diǎn)擊各個實驗儀器、添加藥品來完成實驗。

（3）評價反饋階段：教師根據(jù)學(xué)生提交的實驗報告和學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)記錄對學(xué)習(xí)者本次實驗進(jìn)行一個綜合評價，并將評價結(jié)果通過評價反饋系統(tǒng)及時反饋給學(xué)習(xí)者。

二、《高錳酸鉀制取氧氣》的虛擬實驗環(huán)境設(shè)計

本研究以《高錳酸鉀制取氧氣》為例設(shè)計的虛擬實驗環(huán)境。以實驗過程的設(shè)計為理論基礎(chǔ)從場景及模型設(shè)計、交互設(shè)計、支持工具設(shè)計、特效設(shè)計、評價設(shè)計這幾方面設(shè)計三維虛擬實驗環(huán)境。

（一）實驗環(huán)境的場景及模型主要虛擬教室、虛擬實驗室和儀器設(shè)備組成

虛擬教室由講臺、桌椅、多媒體系統(tǒng)、音響設(shè)備、電子白板、書柜、書、電腦組成，供學(xué)習(xí)者實驗后進(jìn)行交流、報告、探究、形成實驗結(jié)論。虛擬實驗室主要由實驗環(huán)境、實驗操作臺、水池、藥品柜、滅火設(shè)備為為學(xué)習(xí)者完成實驗并獲取實驗數(shù)據(jù)。儀器設(shè)備主要是酒精燈、試管、鐵架臺、導(dǎo)管、集氣瓶、水槽、鐵夾、燒杯。藥品耗材主要是高錳酸鉀等。

（二）交互系統(tǒng)設(shè)計

（1）人機(jī)交互設(shè)計：在實驗中通過操作交互，學(xué)習(xí)者能夠感受到實驗設(shè)備的控制感和體驗感。在Secondlife中，利用創(chuàng)建工具可以實現(xiàn)簡單的“點(diǎn)擊”“移動”“坐在上面”等操作，Secondlife提供的林登腳本語言可以設(shè)置改變物體的性質(zhì)、運(yùn)動方式、運(yùn)動軌跡、對外力的反應(yīng)等等，能夠較好地支持學(xué)習(xí)者的操作交互。

（2）交流工具：學(xué)習(xí)者在實驗過程中和老師、同伴交流的方式主要有在線的同步交流和異步交流。

（三）支持工具設(shè)計

實驗支持工具是指支持學(xué)習(xí)者完成實驗的所有工具，本研究的支持工具主要包括搜索工具、資源工具、實驗認(rèn)知工具、評價反饋工具等。搜索工具主要是地圖工具和瞬間移動工具通過它們是搜索定位各種學(xué)習(xí)場所、用戶，并瞬間移動到目的地。資源工具包含Secondlife內(nèi)部資源和外部資源。內(nèi)部資源主要是3D瀏覽器；外部資源包括各大搜索引擎。這些工具可以搜索Secondlife內(nèi)部和外部各種信息資源實驗認(rèn)知工具主要包括3D建模工具、拍攝工具、記事本工具主要為為實驗過程中學(xué)習(xí)者觀察記錄實驗現(xiàn)象、采集數(shù)據(jù)提供支持。評價反饋工具主要包括問卷系統(tǒng)（choicer、Quizchair）、學(xué)習(xí)記錄系統(tǒng)（Tracker）、Web-Intercom，為實驗后學(xué)習(xí)者自評、反思以及教師評價反饋提供支持。

（四）特效設(shè)計

在Secondlife中，通過粒子系統(tǒng)結(jié)合林登腳本語言可以營造煙霧、火焰、氣體、雪花等各種現(xiàn)象。在本實驗中酒精燈加熱的火焰、水槽里面的氣泡、集氣瓶中的氧氣、反應(yīng)過程中的煙霧、藥品晶體的狀態(tài)變化等效果都可以通過粒子系統(tǒng)來實現(xiàn)。

三、結(jié)論

第3篇

1.1功能設(shè)計

（1）實驗信息管理。

實驗信息管理主要包括對實驗室工作人員、實驗室規(guī)章制度、實驗室通知以及實驗室辦公文件等信息的集中管理。

（2）實驗課程管理。

實驗課程管理是指面向不同的老師、不同的開設(shè)班級，對實驗課程進(jìn)行編排，以完成實驗課程的統(tǒng)一集中管理，做到實驗課程的時間、教室不沖突。

（3）實驗設(shè)備管理。

實驗設(shè)備是實驗教學(xué)過程中的重要資源，對實驗設(shè)備統(tǒng)一進(jìn)行信息登記和管理，有助于實現(xiàn)對實驗設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化管理。

（4）實驗教學(xué)管理。

實驗教學(xué)管理主要包括實驗課程的準(zhǔn)備，學(xué)生實驗過程視頻的保存，實驗報告的電子化及成績評定，以及實驗教學(xué)總結(jié)。

1.2模式設(shè)計

該設(shè)計采用了C/S模式和B/S模式相結(jié)合的設(shè)計模式。整個實驗室信息管理系統(tǒng)在WEB環(huán)境下運(yùn)行，客戶端與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間采用B/S模式，從而避免了客戶端專用程序的開發(fā)；而數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與應(yīng)用服務(wù)器之間采用C/S模式，適宜滿足應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之間的大批量數(shù)據(jù)訪問和調(diào)用，從而提高了數(shù)據(jù)訪問的靈活性。另一方面，由于數(shù)據(jù)全部存儲在專用的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，而應(yīng)用程序服務(wù)器和客戶端只負(fù)責(zé)發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)請求指令，這樣在一定程度上也提高了數(shù)據(jù)的安全性，后期維護(hù)也更加趨于合理。

2虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬實驗中的設(shè)計與應(yīng)用

2.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用方法

要將傳統(tǒng)的動手實驗演變?yōu)榛谔摂M現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗，必須要完成三維建模、虛擬場景重建以及動作響應(yīng)設(shè)定等一系列設(shè)置，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)實驗教學(xué)的信息化和虛擬化。目前三維建模主要依賴SolidWorks三維軟件完成，而虛擬場景的重新構(gòu)建，在很大程度上依賴于LabView等圖形化編程軟件的使用。要實現(xiàn)虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計，離不開數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用，因為在虛擬實驗操作過程中，離不開對數(shù)據(jù)庫的實時動態(tài)訪問，因此如何快速訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)成為虛擬技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。目前應(yīng)用在虛擬實驗系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，主要是依賴于數(shù)據(jù)的快速存儲方式。對于底層傳遞來的數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)自身的屬性進(jìn)行分類，從而將數(shù)據(jù)自動劃分到不同的數(shù)據(jù)類中。在同一數(shù)據(jù)類中，按照所定義的關(guān)鍵字對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。采用分類的數(shù)據(jù)存儲和訪問方式，能夠極大地提高數(shù)據(jù)庫訪問的效率。

2.2機(jī)電一體化實驗的虛擬化設(shè)計應(yīng)用

本研究課題以具體的機(jī)電一體化實驗為例探討虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用。機(jī)電一體化實驗主要完成傳感器檢測、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、電機(jī)控制等一系列任務(wù)。針對該實驗的內(nèi)容，虛擬化和信息化可以按照如下步驟實施：

（1）三維建模。

借助于SolidWorks三維軟件對傳感器、濾波器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)碼管、CPU控制器、步進(jìn)電機(jī)等進(jìn)行三維建模，實驗室內(nèi)的萬用表、示波器等其他實驗儀器也要建模，以增強(qiáng)實驗環(huán)境的真實性。

（2）場景重建。

利用LabView圖形化編程軟件，將上述三維模型進(jìn)行空間布局設(shè)置，構(gòu)建與實驗室完全一致的實驗場景。

（3）界面接口設(shè)計。

僅僅有圖形化場景是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須借助LabView圖形化編程軟件對接口進(jìn)行設(shè)計。比如數(shù)據(jù)采集卡的接口應(yīng)當(dāng)與傳感器的輸出接口保持相同的電平規(guī)格；再比如，CPU控制器的輸出脈沖應(yīng)當(dāng)跟步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電流保持相同電平規(guī)格，以確保電機(jī)能夠被驅(qū)動。

（4）虛擬動作響應(yīng)。

設(shè)計了界面接口，就能夠利用VRML工具對虛擬動作響應(yīng)進(jìn)行設(shè)定，通過設(shè)定使虛擬實驗系統(tǒng)能夠智能地感知到操作者的意圖，從而順利完成虛擬實驗。

（5）數(shù)據(jù)庫的快速訪問。

在機(jī)電一體化實驗中，需要保存的數(shù)據(jù)有傳感器采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集卡的采集頻率、CPU控制器的輸出脈沖規(guī)格以及步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)。這些參數(shù)按照其自身屬性可以劃分為采集數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)三大類，將上述的數(shù)據(jù)自動地劃分到這三大類中。當(dāng)虛擬動作響應(yīng)需要訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)查詢上述相關(guān)數(shù)據(jù)時，可以首先按照數(shù)據(jù)所在的大類進(jìn)行查詢，這樣有助于提高數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)訪問的快速性和準(zhǔn)確性。

3結(jié)語