時間：2023-03-22 17:43:28
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虛擬仿真(VR)即虛擬現實，是一種采用計算機為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產生如同真實環境的感受和體驗。盡管該環境并不真實存在，但它作為一個逼真的三維環境仿佛就在我們周圍。由于用戶對計算機環境的虛擬物體產生了類似于對現實物體的存在意識或幻覺，用戶在計算機所創建的三維虛擬環境中處于一種全身心投入的感覺狀態。
2國內外研究現狀
2．1國內研究現狀
盡管國內虛擬仿真技術起步較晚，但是隨著信息技術在社會各領域中的廣泛應用，信息化教學已成為信息技術和信息資源與教學相結合的教學形態，以計算機仿真技術、多媒體技術和虛擬現實技術為特征的虛擬仿真實驗室開始逐步滲透到教學領域。虛擬仿真技術在醫學教學及某些醫學手術應用領域得到不同程度的應用和研究。在護理學教學中，作為實踐性很強的綜合性應用學科－護理學基礎，其護理專業實踐教學約占該課程總學時的一半，也是培養護生臨床實踐能力的主要途徑之一。然而傳統的由教師演示－學生練習－教師指導的護理實踐教學模式已經不能滿足學生的需要，非常有必要對護理實訓教學進行改革和創新。隨著虛擬仿真技術在一些實踐性要求高的專業中的大量應用及研究，國內某些醫學院校的護理學基礎實驗教學也不同程度地開展了仿真技術在護理實踐教學中的應用與研究，如高仿真模擬人技術早已投入護理專業實踐教學中，并被應用在《內科護理》教學中并收到良好的效果，還有以主要訓練護生的單項護理操作技能為目的的專項護理技能訓練，如手臂模型可以模擬人類真實的血管，穿刺過程中有落空感和模擬真實血液流出，高級電腦心肺復蘇模型可以進行心肺復蘇的模擬訓練，大小與真人相仿，在操作時可有語音提示和報警聲來顯示其操作的正確性。虛擬仿真技術還可以使用在一些不宜在真人身上實練(如鼻飼法、導尿術等)的護理實訓課的應用。2007年大連大學職業技術學院以“探索出適合中等職業技術教育的網絡教學模式，提高中等職業教育運用現代教育技術手段水平”為目的開展的“護理技術模擬教學系統”項目的研發卓有成效，該研發項目提出了包括13個模塊，每個模塊由教學演示、模擬操作、考核測評三大部分構成的護理技術計算機虛擬仿真實訓教學軟件系統，該教學軟件系統的研發為虛擬仿真技術在護理實訓練習中的開展和推廣應用提供了參考。2009年貴州遵義醫學院護理系進行了護理學基礎虛擬實驗室的研發，是一次將虛擬仿真技術應用于基礎護理實踐教學的一種有效嘗試，可推廣應用于國內各護理院校和各大醫院的實驗教學和繼續教育培訓與考核，有著較廣闊的應用前景。重慶市衛生學校已經開展并建成仿真急救護理實訓室，為其他護理院校提供了可借鑒的急救實訓基地模式和實訓方法。同時，虛擬仿真技術在職業技能培訓中發揮的作用越來越大，也正被廣大的職業教育工作者所接受。目前高職院校招生人數逐年增加，學校實驗室及傳統的教學模式已經遠遠不能滿足師生的需要，尋找一種行之有效的技術手段來緩解傳統實踐教學模式所帶來的壓力，是許多高職院校的當務之急，將虛擬仿真技術應用于護理實踐教學是解決以上問題的關鍵，更是培養最優秀的護理畢業生的必由之路。
2．2國外研究現狀
美國在培養護生的過程中由于醫院及患者等方面的原因，護生在臨床實習中很少有機會在患者身上進行練習操作技能，同時護理院校理論課程的增加及實踐教學課程的壓縮也大大減少了護生們開展實踐練習的機會。鑒于此，開展虛擬仿真技術在護理實踐教學中的應用也是非常有必要的。美國的虛擬仿真技術在不同行業的運用，包括在護理教學中的應用開展的都比較早。美國紐約州立大學護理學院早在1996年就開展了虛擬仿真技術在靜脈輸液中的應用研究，虛擬仿真技術在護理實踐中的作用是一些模型、錄像帶等所不能比擬的，后者不能給護生帶來真實的感覺，而虛擬仿真可以，并且大大減少了護生在真實的臨床護理操作中給患者帶來的不適。常用的虛擬仿真技術有兩種，身臨其境式和非身臨其境式，前者技術要求較高，需要利用一些傳感工具，如頭盔、手套、跟蹤器等，讓用戶置身于虛擬境界中，雖然設備昂貴，但因其具有很逼真的護理情境而對護理教學產生深遠的影響，非身臨其境式，因其實用性和實惠性被廣泛運用到護理教學中。隨著從事護理教育的工作人員數量的減少，虛擬仿真技術同樣運用在一些護理學遠程教學、成人繼續教育、護理技能培訓等項目。虛擬災害環境的護理措施的研究更是拓展了虛擬仿真技術在護理教學領域中的運用。20世紀80年代，美國便應用虛擬仿真技術建立了用于考試和教學的臨床病例庫，即虛擬臨床瀏覽(VCE)。到目前為止，在護理教育領域，虛擬臨床瀏覽系列教學軟件和指導手冊已發展到覆蓋內外科護理學、婦產科護理學、兒科護理學和護理學技術等課程，并且提供網絡學習資源。虛擬臨床瀏覽結合護理教科書，建立了虛擬醫院，進入虛擬醫院，可以學習溝通、記錄、評估和安全給藥。虛擬醫院的建立可以幫助護生熟悉日常護理工作，從而提高臨床判斷和批判性思維能力。還有已經在英美許多醫學院校使用的CathSim靜脈穿刺訓練系統包括軟件和觸覺反饋裝置即靜脈穿刺用的胳膊和一臺電腦，可設置在實際工作中可能遇到的不同年齡、血管狀況以及疾病嚴重程度的各類患者。由日本NEC公司研制的“SimCoeur”軟件系統可以模擬急診患者每分鐘的臨床表現，還可以設置1000余種患者情境，可以使護生面對不同的患者，很好的鍛煉了護生的應變能力，并且能夠快速地對護生所進行的操作進行反饋。同時該公司研制的“SimNursing”模擬急診患者軟件系統，已于1998年投入日本市場，該軟件系統可進行護理程序的模擬訓練，學生能按照完整的護理程序對患者進行全程護理。多款軟件的研發和應用為虛擬實驗室的建設提供了技術支持，其中最有代表性的就是Mathworks公司推出的MAllAB語言，美國NI公司推出的LabVIEW圖形化編程語言及美國ELANIX公司推出的SystemView軟件。
3發展趨勢
Abstract: In the actual teaching of project cost, if take the simulation technology in engineering cost course to construct the three-dimensional panoramic display of highways, bridges and tunnels in civil engineering, we can freely control the viewing angle and picture zoom, with real pictures, the effect is direct and can improve the effect of learning. This paper, taking the tunnel project as an example, talks about the applications of simulation technology in engineering cost courses.
關鍵詞：三維空間結構；模擬仿真技術；課程教學；應用
Key words: three-dimensional structure；simulation technology；teaching；application
中圖分類號：G42文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2011）05-0161-02
1工程造價課程的發展瓶頸
在實際的工程造價課程教學中，學生由于缺乏空間想象，對工程結構沒有感性認識，無法理解抽象的理論，給教師教學及學生學習帶來了瓶頸。因此，我們希望通過虛擬仿真系統來解決傳統工程造價教學中存在的種種弊端。在教學中使用仿真技術，可以充分調動學習者的感覺和思維器官，使所觀察的事物栩栩如生地展現在面前，任學習者正面、側面、反面仔細觀察仿真技術的發展被認為是解決傳統工程造價教學瓶頸的一把利器。
本文正是從當前工程造價教學的基本情況以及教學難點出發，將仿真技術引入到開發工程造價教學軟件的過程中。本研究選擇隧道工程作為研究的案例，通過利用目前比較成熟的計算機模擬仿真技術，為老師和學生提供一個模型展示平臺。
2模擬仿真技術的應用的效果
模擬是指用一個數據處理系統，來全部或部分地模仿某一數據處理系統，使得模仿的系統能像被模仿的系統一樣接受同樣的數據，執行同樣的程序，獲得同樣的結果。有時也簡稱為仿真，是用模型（物理模型或數學模型）來模仿實際系統，代替實際系統進行實驗和研究，是產品設計和制造中的常用技術手段。
從國內外職業教育專業信息化可以看出，模擬仿真技術具有先進、便捷、安全等優點，仿真教學系統向工程類職業學校提供了培訓學生的高技術工具，將專業課程和實習環節相結合，培養學生了解生產操作、熟悉生產原理的能力，提高了學生動手操作的興趣與水平。以較少的投入滿足了學生的實踐需要。許多專業課程由于受到設備、場地和經費等條件的限制，可以選擇采用模擬仿真技術。但模擬仿真技術應用于工程造價課程教學實踐的研究很少，可參考的研究成果幾乎沒有。
3研究方法
3.1 文獻研究法在研究中，通過對多種學習資料的閱讀、分析，了解到了當前研究的發展狀況，為論文的撰寫奠定了必要的理論基礎。
3.2 個案研究法在研究中，通過具體的案例，對工程造價教學進行研究，發現問題、解決問題、優化教學策略，設計教學軟件開發方案，最終完成系統的設計與開發。（圖1）
4模擬仿真技術在造價教學中的應用
重點是構建土木工程中公路、橋梁、隧道的立體全景展示。在三維仿真動畫展示過程中，可自由控制觀看角度及畫面縮放，配合實景照片，效果直觀。施工流程部分以簡單的工程施工3D動畫，配以實景圖片及施工工藝文本說明，使學生能更直觀地了解工程施工的流程步驟。公路、橋梁、隧道的分解結構模塊通過點擊結構圖中的交互熱點，顯示該局部結構的名稱、所在位置以及該結構的詳細說明窗口，其中包含局部結構3d展示、工程量復核、定額、工程圖紙。為了滿足課堂教學的需要，支持文本和圖紙的縮放、自由拖動功能，以增強課堂教學實際效果。人性化的人機交互界面及流程分類設計，學生在課余時間也能通過簡單直觀的軟件操作進行學習。選題立足于公路工程造價專業，重點在于利用該模擬仿真技術將造價及工程量復核等內容更加形象地展示出來，使課程的實效性更強（表1）。
5隧道工程案例
在傳統課程教學中，教師都會按照既定的教學過程來實施教學活動，那么在仿真公路系統中，學習者的學習活動應當如何開展？隧道模型概述為由以下幾個部分：
5.1 用戶界面呈現在工程仿真系統中，學習者必須是通過用戶界面與仿真系統進行交互。因此，構建和諧友好、方便操作、逼近工程實體虛擬系統要解決的首要問題。仿真系統的真實性可以豐富學習者在虛擬情境中的體驗，方便性主要表現在學習中按照學習者的進度，適時的為其提出指導性建議（圖2）。
5.2 仿真情景設計仿真系統要依據學習者的經驗、知識背景及需求，呈現具體的公路工程、橋梁工程、隧道工程等信息。設計工程實例，仿真場景和工程對象，通過情境設計，以激發學習者的興趣（圖3）。
5.3 工程造價數據分析通過仿真系統的現象觀察，具體進行工程造價結果的分析，處理工程數據，并根據反饋信息及時調整策略，這有助于提高學習者對造價編制過程的反應能力以及對因果關系的敏感性。該過程中須關注在工程內容的一致性、工程過程的交互性等問題（圖4）。
6實用價值和重要的現實意義
6.1 課件制作方法的探索使用直觀的設計方法取代繁瑣的傳統編程式的課件制作，老師把更多精力放在課程本身的教學設計上，只需根據實際教學需求，設計課件，向學生展示工程結構；體現新一代課件的廣闊應用前景。
6.2 促進學生探索性的學習現在的教學所采用的方法比較單一，學生在上課中往往很被動，面對各種各樣的公路、橋梁、擋土墻，結構物感覺一片茫然，老師怎么說，學生就照著怎么做。很多時候上課只停留在不動腦的機械勞動階段，達不到提高學生動手能力的目的，這樣的知識傳遞過程較為單調，效果也不明顯。在仿真平臺上，學生可以擺脫了原有模型設備條件的約束,在更形象的知識領域內自主探索，促進了學生創新意識和創新能力的培養。
6.3 降低了各類開支費用工程仿真系統降低了科研成本，節省研究經費，并能夠充分發揮現有計算機技術、,提高使用效率。
關鍵詞:土木工程;仿真技術;實習實訓;應用
實踐教學是對教學理論的進一步加強，學生在此過程中也能夠有效提升自身的創新精神與動手能力。過去大眾化、講學式的教育體系對實習實訓的認識不夠，因此很多學生面臨畢業之后找工作難的窘境。通過加強實踐教學、推動創新教育的方式，能夠有效提升學生的綜合素質，為現代社會培養更多實用型人才。
一、土木工程施工實習實訓教學中仿真技術的問題
在我國有很多高校的土木工程專業在教學時依然沒有創新，還是在按照已經過時的模式進行教學，雖然也涉及實習實訓內容，但效果不佳，并且基本上只是流于形式，實際效果有限。通常高職院校會有近一年的實訓期，在這么短的時間內是很難進行施工實訓的。即使在訓練過程中采用集中分散結合的方式，但施工效果仍舊不理想。由于單一教學模式的限制，并且對教學和實訓的安排缺乏合理性，實訓教學通常難以發揮應有的作用。進行實訓教學存在以下幾個問題:第一，不重視實踐教學的重要性;第二，對課程體系的設置缺乏合理性;第三，缺乏實訓教學資源;第四，缺乏足夠的實訓教學時間。
二、土木工程施工實習實訓教學中仿真技術的實現
(一)虛擬場景建模
通過仿真設計軟件能夠設計出具有實際價值的虛擬場景，制作方法為:第一，用攝像頭拍攝現實場景，然后利用仿真技術對所得影響進行全景圖合成設計;第二，通過程序設計語言和編程軟件生成場景［1］;第三，使用仿真設計軟件制作虛擬三維場景。以上步驟需要用到的主要軟件有3DSMAX軟件和VRML軟件，結合兩款軟件的使用方法為:首先，制作場景貼圖、動畫、造型等;其次，將場景導出至VRML;最后，修改源程序代碼，添加所需文件，并進行相應操作。
(二)實現物理建模
通過Export命令，對建模得到的max文件進行導出，導出后的文件為wr1文件，然后對導出的文件進行建模。這一過程可以通過VRML的傳感器節點完成，同時通過事件及路由器實現。
(三)實現行為建模
以Script節點定義及改變場景對象的外觀及行為，當Script節點開始初始化，某個程序腳本就會被調用。該事件在VRML場景中會被檢測出來，并傳遞至JAVA，通過JAVA對其作出相應的響應，也可以進行反向傳遞。
(四)構建網絡系統
虛擬的仿真教學環境可以對網絡中的信息資源進行高效利用，確保實訓教學具有動態有效性。例如Flashmx等工具能夠進行在線虛擬實習活動，具有十分廣泛的教學覆蓋面，在當前常用的輔助實訓教學工具中，最具發展前景。通過信息技術能夠建立遠程服務系統，實現對虛擬仿真實訓教學的系統資源共享，這也是虛擬仿真教學系統未來進展的主要方向之一［2］。利用虛擬仿真實訓教學系統能夠給學生提供大量學習資料，保證學習效率和學習效果。網絡虛擬實訓可以運用web三層結構建立B/S架構的虛擬仿真實訓教學體系。
三、土木工程施工實習實訓中應用仿真技術的方法
(一)在教學中建立規范化的仿真技術
虛擬仿真技術具有人機互動的特點，娛樂性強并且能夠形象直觀地表現畫面，有助于學生的記憶同互聯網聯系，能夠營造出逼真的場景，增加體驗樂趣。在學生開始土木工程施工實習的后，采用標準化的虛擬仿真技術能夠在很大程度上激發學生的學習興趣，從而提升其學習主動性，而這一點，在傳統的教條主義教學模式下是難以實現的。通過規范的仿真模擬技術，能夠很好地重現施工場景，使學生完美地融入其中。
(二)在教學中安全控制仿真技術實施
仿真技術通過虛擬成像的方式營造一個看起來真實的環境，但由于其特有的虛擬性，因此情境知識看起來和真實環境無異，但卻很好地避免了真實環境中才會出現的各種危險因素。學生可以在課堂中融入真實的施工環境中去，在實踐中應用理論知識，在虛擬的環境中對施工過程進行安全控制操作，即使存在不規范問題或其它缺陷，由于不具有危險性并且并非真實，學生僅僅會感覺到緊張，但并不會造成危險和損失。虛擬仿真技術能夠加強學生規范化管理建筑施工流程，提高施工的安全水平，降低事故發生率。
(三)重視仿真技術的設計及師資培養
在教學中引入并應用仿真技術，也是加強土木工程師資力量的重要因素。土木工程是一門以實踐為主的專業，培養的也主要是實用型人才。因此無論是學生還是教師，都需要具備一定的施工經驗，才能在將來的工作或教學活動中，占據主動。教師在進行仿真技術實訓之前，應首先做好完善的準備工作。在實現實踐教學的科學化和精細化規劃設計過程中，教師也應具有一定的創新能力。另外，學校方面也可以積極引入或自行開發一些具有實訓價值的綜合仿真技術的土木工程實習軟件，充分滿足學生需求。
(四)在實習開展前做好充分準備工作
在開展實訓之前，教師會根據實習的基本綱要給學生安排各種實習任務，此外土木工程專業教師也會專門給學生安排一些工作，學生需要根據自己實習的內容做一份答辯論文。這種方法有助于培養學生總結施工實踐經驗的能力并培養學生養成良好的團隊意識。并且表現優秀的學生所上交的論文內容也能夠為教師日后教學水平的提升打下良好基礎，教師也能從中找到各種有價值的案例以供教學使用。
結束語
土木工程施工實習實訓是非常有必要的，這也符合其側重實踐應用的專業特點。在實訓中應用仿真技術，學校在降低成本的同時，也能夠很好地培養學生的實踐能力和創新能力。
參考文獻
［1］周國恩，梁鑫，周雨等．基于仿真技術在土木工程施工實習實訓教學中的探索與實踐［J］．教育教學論壇，2013，(28):197－198，199．
【論文摘要】將虛擬仿真技術引入教學領域后對傳統教學手段產生了強烈沖擊。本文針對航空電子裝備教學中如何應用虛擬仿真技術給出了應用方法和體會。
1．引言
自 20世紀 9O年代以來，以計算機仿真技術 、多媒體技術和虛擬現實技術為特征的“虛擬仿真實驗室”開始在世界各地出現，并逐步滲透到教學領域。作為一種新型的實驗教學手段，虛擬仿真教學對傳統的教學手段產生了強烈沖擊，并引發了教學領域一系列深刻的變化。種種跡象表明，虛擬仿真教學將是今后實驗教學改革的一個重要發展方向。本文結合多年來在航空電子裝備教學中應用虛擬仿真技術的經驗，探討在航空電子裝備教學軟件中應用虛擬仿真技術的方法和體會。
2．虛擬仿真技術簡介
虛擬仿真技術是對虛擬現實技術和系統仿真技術的合稱。
2．1虛擬現實技術
虛擬現實技術就是利用三維建模技術，構建一個與現實世界的物體和環境相同或相似的虛擬三維場景，并能響應用戶的輸入，根據用戶的不同動作做出相應的反應。虛擬現實的關鍵技術主要有動態環境建模技術、實時三維圖形 生成技術、立體顯示和傳感器技術等。虛擬現實技術主要側重于對真實物體物理特征的仿真，也稱為視景仿真，它主要用于產品設計與展示、商業廣告、游戲設計等。
在航空電子裝備教學中，大量用 到對裝備的外觀 、結構 、組成 、連接 、機安裝位置的展示 ，傳統教學大都采用實物展示 的方法 。近年來隨著大量航空電子裝備 的更新換代，因受經 費、場地及使用壽命等因素的限制 ，傳統教學方法 已遠遠不能滿足要求 ，而采 用虛擬現實技術的展示方法則 以其廉價 、無場地限制和效果 良好得以廣泛應用。
目前有大量成熟的軟件平臺可以進行視景仿 真的開發，主流平臺Creator Vega Vega Prime VTree OPENGVS QUEST3D VRTOLLS EON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中，MULTIGEN公司的虛擬現實數據庫 OPENFLIGHT已經成為 了工業標準 ，在軍事 、航空航天等領域應用都 比較成熟 。在航空 電子裝備虛擬仿真軟件的開發中我們采用r Vega Prime、GLStudio和 EON作為視景仿 真開發的技術平臺 ，解決物理模型的創建、場景顯示等問題。該平臺可以達到照片級 的視景仿真效果 ．同時采用嵌入 OPENGL技術來解決物理模型 的交互問題。
2．2系統仿真技術
系統仿真技術是伴隨著計算機技術的發展而逐步形成的一門新興學科 ．它通過建立實際系統 的數學模 型 ，利用計算機運算來達到對被仿真系統的分析、研究、設計等目的。系統仿真技術主要側重于對真實系統的內在機理、運動方式 的仿真，也稱為行為仿真。系統仿真技術最初主要用于航空、航天、原子反應堆等價格昂貴、周期長、危險性大實際系統試驗難以實現等少數領域，后來逐步發展到電力、石油、化工、冶金、機械等一些主要工業部門，并進一步擴大到社會系統、經濟系統、交通運輸系統、生態系統等一些非工程系統領域。
在航空電子裝備教學中，對裝備工作原理的講解既是重點也是難點。傳統教學方法主要通過教員的講述，配合一些靜態的圖形幫助學員理解 ．教學效果主要依賴于教員的授課水平和技巧 。近年來．我們嘗試將系統仿 真技術應用到航空電子裝備教學中，根據被仿真裝備的工作原理，建立系統的數學模型，并根據裝備的不同工作狀態，對模型進行動態運行．結合虛擬現實技術實現的逼真場景．較好地模擬實際裝備的工作情況。利用該技術開發、研制的教學軟件不但可供教員教學使用．也可供學員自學，并達到了較好的教學效果。
目前，有許多成熟的系統仿真開發平臺軟件．如 Simulink、SystemView等，這些軟件以其功能強大和使用方便、易用性受到廣大用戶歡迎．但價格較為昂貴，且大多未提供對外的仿真數據接口．仿真系統應用的靈活性、擴展性和可變性受到很多限制。當然也可自行開發適用 的仿真開發平臺軟件。在航空電子裝備虛擬仿真軟件的開發中我們采用的是自行開發的系統仿真平臺軟件。
3．虛擬仿真技術在航空電子裝備教學中的應用方法和步驟
3．1建立仿真模型
這里所說的仿真模型既包括反映航空電子裝備外觀、結構的三維物理模型 ，也包括揭示其內在工作機理及行為的數 學模 型。對三維物理模型的建立，主要依據裝備本身的物理狀態，其原則就是在盡量減小面數的同時提高逼真度。對系統數學模型的建立，則需要視系統的復雜程度進行取舍和優化，本著夠用為度的原則 ，以盡量減小運算量。建立數學模型時 ，還應考慮到系統運行時的參數調整。
3．2創建仿真裝備的虛擬場景并驅動
對于虛擬場景的驅動，根據使用方式的不同采用了不同的方式如果進行的僅是裝備外觀、結構的展示，可使用EON進行動作的編輯和驅動；如果需要對裝備進行虛擬操作仿真，則使用 GLStudio軟件先進行操作面板、虛擬儀表的編輯和制作，然后再利用 Vega Prime驅動以實現更復雜的交互操作。
3.3系統集成
系統集成就是將上述做好的模型、場景按照教學軟件所需的形式將其有機的整合在一起，使之成為_個完整的 、規范的教學軟件。系統集成可以使用目前常用的軟件開發平臺如 VB、vc++等。由于上述虛擬現實驅動軟件如 EON、GLStudio及Vega Prime等均以ActiveX控件方式提供 了可用 于常用 軟件開發平臺的運行插件，因此，系統集成變得十分方便。編寫程序時，只需考慮軟件功能的安排，注意程序間的兼容性即可。
系統集成時，還需要將系統行為仿真的結果通過視景仿真表現出來，即用行為仿真的數據來驅動三維物理模型的動作。由于系統行為仿真采用了專門的運行平臺，與視景仿真處于不同的系統進程中．因此這種驅動是通過兩進程間的實時通信來完成的。這里還需要考慮進程間的同步問題。
【關鍵詞】虛擬仿真;數字電路;課程改革;教學方法
【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009―8097(2010)07―0147―04
一 前言
數字電子技術是計算機及通信類專業的重要的專業基礎課,其中關鍵的環節就是培養學生的實踐能力和解決問題的能力,因此,生動形象的課堂教學和全面的實驗體系對教學效果和知識的應用能力有著非常重要的作用。然而,由于實驗儀器的的老舊,數量有限,使得實驗的開出率以及實驗內容的擴展都受到限制。為順應現代教育的發展,實施的現代化遠程開放教育,將計算機虛擬仿真技術應用于數字電路教學中。其中理論教學結合多種教學方法和現代化的教育技術,將基礎知識和理論形象地表現出來,有助于學生理解。課堂教學和實驗教學都利用計算機虛擬仿真軟件將所學理論聯系實際,并加以應用,在此研究基礎上提出了基于虛擬仿真技術的所有電子技術課程教學的新模式。
二 計算機虛擬仿真技術
虛擬現實(Virtual Reality)技術,簡稱VR,涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等多個領域。它由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構成的三維信息的人工環境――虛擬環境,可以逼真地模擬現實世界(甚至是不存在的)的事物和環境,人投入到這種環境中,立即有“親臨其境”的感覺,并可親自操作,與虛擬環境進行交互[1]。
計算機虛擬仿真技術,是在多媒體技術、虛擬現實技術與網絡通信技術等信息科技迅猛發展的基礎上,利用計算機技術將仿真技術與虛擬現實技術相結合,是一種更高級的仿真技術。虛擬仿真技術以構建全系統統一的完整的虛擬環境為典型特征,并通過虛擬環境集成與控制為數眾多的實體。實體可以是模擬器,也可以是其他的虛擬仿真系統,更多的是計算機。實體在虛擬仿真軟件所提供構建的環境中相互作用,以表現客觀世界的真實特征。虛擬仿真技術的這種集成化、虛擬化與網絡化的特征,可以滿足現代教育的發展需求[1]。
三 課程教學的若干問題及改革研究
對于理論教學環節,首先是教學內容陳舊。當前大中專院校所用的教材內容都是十幾年前的,即便是近幾年出版的教材,也只是內容的深淺不同,體系結構基本相同。比如教材中主要說明的74LS系列的芯片在目前實際應用中已經被淘汰,真正是學的沒用,用的沒學。現在的學生在學習中,非常關注所學知識的實用性,如果不能學以致用,就影響到學習興趣和學習積極性。因而在課程教學中要及時更新教學內容,講解傳統芯片的同時多介紹一些現在普遍使用的芯片,當然也要根據學生學習程度,最大可能激發學生的興趣[3]。
其次是教學方法。常用的教學方法無非就是這幾種:講授法、討論法、談話法、閱讀指導法。根據課程的特點和教學要求,不能一成不變的套用傳統的教學方法。這些方法對有些課程很有效,但是對計算機課程不一定全部適合,因此需要探索適合本課程需求的新的教學方法。筆者在教學中通常有如下幾種方法:講授法,這是傳統的教學方法,教師口述基本事實、原理和推理過程。部分定理,原理及產品采用講授法。例舉法,就是以典型例題說明某個定理或元件的應用,這是本課程用的最多的一種方法。在數字電路課程中有很多芯片的實際應用,有些是針對某部分內容的很典型的例子,這些例子對于學生理解和掌握此部分知識非常有用。任務驅動法,就是教師布置一些運用某個知識點的題目,要求學生在課堂上有限的時間里做出來,并檢查完成情況。這樣學生對該節課所學知識從理論到應用有了一個全方位的認識,而且對每個知識點掌握得都比較透徹,這是近年來比較流行的一種教學方法,也是計算機專業課程特有的一種教學方法,對提升教學效果有顯著作用。
再次是教學手段,不是單純的使用多媒體課件,而是結合計算機專業特點引入現代化教育技術和手段,很多典型例題用計算機仿真軟件在課堂驗證,讓學生直觀形象地了解電路的工作情況,從而掌握電路或芯片的應用。
對于實驗教學環節,首先是實驗設備簡陋。很多高校數字電路實驗設備包括我校仍然使用老式實驗箱,即由固定數字電路芯片搭建的實驗,學生只能按實驗教材設計的實驗按步驟做固定的實驗,實驗內容都是以芯片講解為主,目的是對芯片功能進行驗證。因此學生把實驗課當完成任務,實驗環節沒有促進教學,相反影響了教學效果。很多新的芯片不能認識和實踐,使得實驗教學方法與實際應用的要求嚴重脫節。其次在實驗教學過程中,由于實驗設備老化,個別元件被損壞或接觸不良,導致學生實驗中,出現一些問題,電路連接完全正確,但是就是得不到正確結果,結果費了很多時間去排除故障,這樣做實驗當然激發不了學生的興趣,相反還會阻礙他們進一步探索。再次,由于實驗條件的限制,實驗項目只能停留在驗證性實驗層次,學生的設計能力和綜合應用能力都得不到提高,利用電子電路的計算機虛擬仿真軟件multisilm10就可以解決這個問題,利用這個軟件可以自行設計集成電路,綜合應用各種芯片,完成所有的數字電路實驗[4]。在教學實施中,根據學生情況分驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗三個層次完成實驗教學目標。
四 計算機虛擬仿真技術在課程教學中的應用
1 課堂教學中的應用
在課堂講到門電路的工作原理或集成電路的應用時,可以現場用計算機仿真軟件演示電路的工作過程,使學生更好地理解門電路的工作原理和芯片的工作情況。從而掌握電路的應用。這樣,教學過程是由原理到應用,由簡單到復雜,由抽象到現實,循序漸進地完成理論知識的學習。數字電路的基本單元是門電路,那么理解其工作原理非常重要,但是此部分對于大部分同學來說都是難點,如何突破這個難點呢?利用軟件建立仿真電路,真實地展現輸出電壓隨輸入電壓的變化情況,就會獲得很好的效果。下面是利用仿真軟件說明TTL與非門工作原理的課堂實例:
(1) Vi=0V,輸入接低電平。那么Q1導通,Vb1=0.8V,Ib5
(2) Vi=3.6V,輸入高電平。那么Q1的發射極電流從發射極(0.852mA)流入,從集電極流出,Q1的發射極和集電極倒置狀態。Vb1=2.443V,Vb5=0.843V,Vbc1+Vbe2=2.443-0.843=1.6V,導致Q2、Q5導通。由于Vc2=0.886V,Q4、Q5截止。輸出Vo=0.018V。其電路仿真如圖2:
2 實驗教學中的應用
大學生需要有獨立的設計能力和對電子器件的綜合應用能力,這就決定了本課程的實驗體系應該是三個層次,在簡單的驗證性實驗的基礎上必須開設有創造性的設計性實驗和綜合性實驗。然而實驗室有限的數字電路實驗箱只能做幾個簡單的驗證性實驗,無法滿足設計性實驗和綜合性實驗的設備要求。但是,利用電子電路的計算機仿真軟件就可以擴展實驗室,提供所需要的一切電子元件和芯片,搭建任意難度,任意復雜的電路,并驗證其正確性。同時利用仿真軟件的可配置性,配合適當的電路可做出多種不同的應用。在實驗課程中,提前給出了三種實驗的一些題目和內容,要求驗證性實驗必須都完成,設計性實驗可選做一至兩個,綜合性實驗選做一個。下面簡要說明學生利用仿真軟件選做的數字電子鐘邏輯電路的設計實例。
要求用中、小規模集成電路設計一臺能顯示日、時、分秒的數字電子鐘,選用器材主要有:安裝有仿真軟件的計算機若干臺,集成電路(CD4060、74LS74、74LS161、74LS248),晶振、電阻、電容若干,數碼顯示管,三極管、開關若干。
提示設計方案,包括數字電子鐘的電路框圖和四個主要模塊的實現細節,學生依據電路框圖和提示信息設計邏輯電路圖,并將其在虛擬實驗環境中用仿真電路實現。下面給出數字電子鐘的電路框圖。
篇幅所限,參考電路就不給出,但是通過這個實例可以看出虛擬仿真技術在課程實驗中的重要作用。不但節省很多設備購置費用,不受地點和環境的限制,而且和真實實驗具有相同的效果。既然如此,為什么不廣泛應用呢?
五 總結
論文對數字電子技術課程教學提出很多問題,在實際的教學實踐中對這些問題進行了探索,將計算機虛擬仿真技術引入教學中,采用現代化教育手段進行課程改革。課堂教學提出了很多適合本課程并行之有效的教學方法,重要電路工作情況的計算機仿真演示,部分例題的計算機仿真驗證,增強其直觀性和真實性,加強學生的理解。實驗教學也利用計算機仿真軟件,采用虛擬實驗和真實實驗相結合的方式,擴充建立了虛擬實驗室,擴展了實驗內容,在無需花費很大代價的情況下,滿足了設計性實驗和綜合性實驗的條件,從而完成三個層次實驗體系的建設。在本文的研究基礎上,可將虛擬仿真技術推廣應用到所有電子技術課程教學中,引發電子技術課程改革的新局面。
參考文獻
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論文摘要：針對電子信息類專業實驗教學中存在的問題，結合實際的教學條件，對實驗教學提出了改革，將仿真技術應用到實驗體系中，避免了實驗條件的空間和時間限制，充分發揮了學生能動性，提高了實驗教學質量。
實驗是電子信息類專業學生課程教學的一個重要環節，是對理論教學的補充和深化，其開設方式關系到學生對理論知識的掌握和應用，直接影響著學生的操作技能、主觀能動性和實際動手能力的提高，也決定著理論和實驗的教學水平。因此，在教學過程中一定要加強實驗這個實踐性教學環節，充分利用實驗資源來培養和提高學生解決問題的能力和創新能力，使學生能夠更加快速地適應于將來的工作。加強實驗教學環節，最大限度地利用學校的實驗教學資源，對提高教學水平，培養學生的實際應用能力和綜合素質具有重要的意義。
1 實驗教學的傳統模式和問題
在我國高校工科教育中，實驗教學硬件條件普遍不足，或者是硬件實驗條件的發展跟不上技術的要求，同時各高校大幅度擴大招生，實驗教學硬件條件更顯不足。加大對實踐教學條件的投入，加強培養實踐教學科技人才，強化實踐教學內容和條件的改革與建設，在當前來說具有特殊重要性[1]。我國教育主管部門也在積極得進行著推進實踐教學的改革與建設。例如：在全國高校本科教學水平評估中，實驗室建設基地和建設經費以及實驗教學改革就是一項重要的指標內容。越來越多的高校開始響應教育部的號召，實行了“雙基”實驗室，并在此基礎上進一步建設“實驗教學示范中心”。
目前，實驗教學的傳統模式的缺點主要表現有：
1）實驗設備陳舊，實驗模式單一；
2）驗證性實驗分量大，與設計性、綜合性和創新性實驗之間的比例失調；
3）先進的實驗教學手段在實驗教學中的引入還不夠；等。
2 實驗教學方法改革勢在必行
隨著計算機的普及和應用，在教學中也越來越多地借助計算機來輔助設計方法，同樣，在實驗中借助計算機仿真技術具有很大優點：減少實驗中所需的耗材、降低對實驗器材的破壞性、完成更復雜更高難度的設計性實驗、更加全面地分析實驗對象以及結果的性能指標等，具有高效、快速、直觀、完整的優勢。開展仿真實驗作為一種新型的實驗教學方法是在現有實驗室設備的基礎上采用計算機新型軟件對實驗進行模擬，大大提高了學生對本專業知識的應用能力和科研創新能力。因此，在當今的實驗教學中，仿真實驗的引入勢在必行。
對當今高校來說，學生人數不斷增加，實驗室設備和資金滿足不了大學中學生的試驗要求，為了不斷提高實驗教學的質量，又進一步解決實驗設備少、不好維護、建設費用高等問題。將仿真技術引入實驗教學中來，學生一方面可以利用計算機實現實驗方案的設計，又可以直觀地驗證仿真過程和結果，不受實驗室條件和空間的限制，可將實驗設計帶入到課余生活中來進行，大大提高了學生對實驗的操作興趣。利用仿真實驗由于方法的靈活性可以充分發揮學生的想像力和創造力，比起傳統的實驗教學更利于培養科技創新人才，且有利于降低實驗成本，能夠使得實驗室的建設和發展進入一個良性循環中。
3 實驗教學改革方案
3.1 實驗中引入相應的仿真技術來進行虛擬實驗
在實驗教學中引入計算機仿真技術，一方面，充分發揮學生的主觀能動性，激發學生學習興趣，另一方面，老師可以利用計算機技術來觀察學生的實驗過程，采集學生的實驗結果，更好地跟蹤和指導學生，先進的教學理念和教學手段有助于提高實驗教學效果，提高教師的教學水平。而計算機的引入可把實驗設備、理論教學、教師指導和學生的思考、操作有機地融合為一體，克服了傳統實驗教學過程中受到課堂、課時、實驗設備等的限制，使實驗教學內容進一步靈活化，在時間和空間上得到延伸，也進一步激發了學生的實驗熱情。
在實驗中引入相應的仿真技術來進行虛擬實驗，可以使得學生在進行實驗的過程中培養獨立思考能力，激發學生的學習興趣，提高學生的創新意識，同時為學生提供了更加開放靈活的實驗條件。對實驗內容和實驗教材來說，采用仿真技術把將虛擬實驗和真實的電路實驗有機地整合起來，充實了實驗內容，增強了實驗的能動性和趣味性，有利于實現培養學生綜合實踐和探索創新能力[2]。目前，越來越多的高校重新對實驗室建設進行了規劃，利用計算機仿真技術改革實驗教學是一個新的發展方向。在高校實驗室中引入計算機以及相應的軟件技術不僅可改善實驗條件、改革實驗教學方法、充實實驗教學內容，還可大大提高實驗效率，降低實驗成本，增強學生學習的積極性和創新性，為實驗教學和科研提供良好的實驗平臺[3]。
以單片機實驗教學為例，在實驗過程中我們引入proteus仿真軟件，用它來模擬單片機硬件系統。由于軟件的靈活性，可以克服實驗箱硬件電路固定、實驗內容難于改動等局限。整個實驗設計都是基于計算機仿真技術的，除了計算機外不再需要任何硬件即可進行實驗，這樣有利于促成課程和教學改革，更有利于人才的培養。仿真技術的另一應用表現在學生的業余愛好上，比如目前的電子設計大賽，挑戰杯等，學生完全可以利用計算機來進行仿真，先用計算機仿真出相應的實驗模型，在計算機上進行模擬調試，最后用硬件實現。在整個過程中，學生可充分發揮自己的才能，通過大量仿真對比，達到設計目的，學生也可以大膽地反復調試，避免了損壞器件。在電子設計競賽中，我們使用proteus開發環境對學生進行培訓，在不需要硬件投入的條件下，學生普遍反映，對單片機的學習比單純學習書本知識更容易接受，更容易提高。實踐證明，在使用proteus進行系統仿真開發成功之后再進行實際制作，能極大提高單片機系統設計效率。 轉貼于
另外，開展仿真教學對于我國的遠程教學也是一種很好的嘗試，有著重要的意義。
3.2 重新安排各類性質的實驗，適量增加綜合性、設計性實驗
驗證性實驗是實驗中最基本的，可以使學生鞏固理論知識，它的實驗內容相對簡單，重點培養學生的基本操作、數據處理和計算技能，驗證和加深對課本知識的掌握和理解。綜合性實驗則要求學生必須具有一定的專業基礎知識和基本操作技能，能夠運用某一課程或多門課程的綜合知識，進而對實驗技能和實驗方法進行綜合訓練的一種復合性實驗。目前工科高校中越來越多地提出課程設計也是為了加強學生對綜合知識的運用。為充分調動學生的學習積極性和主觀能動性，設計性實驗也必不可少。設計性實驗能加深學生對理論知識的認識，由學生自己負責計劃和執行，充分提高了學生的思維能力、動手能力、分析和解決工程實際問題的能力[3]，發揮了學生的主觀能動性，設計性實驗的完成可以充分借助于計算機仿真技術來完成。
驗證性、綜合性、設計性實驗相結合，培養了學生基本的實驗技能和方法，同時又促進了學生的創新思維，打破了原有實驗教學附屬于理論教學的模式，建立與理論教學并行的，既相對獨立、又相互聯系的實驗教學體系。在某些應用性強的實驗教學中，綜合性和設計性實驗的比例至少要達到60%以上，同時設計性實驗最好要跟得上科學技術的發展。一方面保證基本實驗技能訓練，另一方面，實驗內容應與當今先進技術的發展相結合，適應社會發展的需要，將科研成果轉化為實驗內容，提高實驗的先進性和代表性。那么，工科院校中一方面加大實驗器材的投入，提高實驗教學條件，開設先進的實驗內容，提高學生的積極性，使學生適應當今社會的發展；另一方面，要充分利用現有的條件，引進先進的仿真技術，使得實驗條件進一步升華，充分發揮教師和學生的主觀能動性和創新能力。
3.3 硬件軟件都要抓，都要硬
計算機仿真實驗雖然可以準確地反映整個實驗過程， 是一種新型的應用技術，十分有效，但是仿真技術不是萬能的，它畢竟不是真正的實驗，在許多場合仿真只能起輔助作用。也就是說不能用仿真實驗來全部代替硬件電路實驗，而是將仿真試驗和傳統的硬件實驗相互結合，根據學校的實際情況和實驗的情況靈活運用，虛擬實驗不是萬能的，如果所有的實驗都用虛擬實驗替代的話，學生在虛擬環境中實驗會產生或多或少的不踏實的虛擬感，實踐能力也不可能得到真正的提高。
3.4 加強對實驗課教師的培訓，通過培訓交流更多地了解新的實驗技術
在實驗教學改革的同時，必然對教師提出更高的要求：一是教師也應加強專業知識和技能的學習，來提高自己的業務能力和綜合素質，另外，不斷更新專業知識的結構，了解前沿技術的發展也是必需的；二是高校中要大力創造條件促進教師經常參加基礎理論知識的培訓和實驗的培訓以及學術研討會，從而擴大視野，更新教學觀念，及時了解嵌入式系統發展趨勢和動態，促進電子類實驗技術的發展；三是要大力組織專業教師去積極申報相關的創新實驗和科研項目，提倡以科研資金來促進實驗室的建設，用科研成果去改進實驗內容，同時可以提高教師的科研能力，在科研中更好地去鍛煉自己，為實驗教學服務。
4 結論
隨著社會對人才要求的提高，大力推進實驗教學改革迫在眉睫，而大學實驗教學的改革又直接影響到學生的動手和創新能力。實驗教學必須能夠跟得上時代的腳步，將仿真技術應用到實驗教學中可以充分調動學生的主觀能動性，激發學生的創新能力，加快學生適應社會的能力，同時學習了先進的新技術。
參考文獻：
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關鍵詞：虛擬仿真，3DMAX，GLStudio，Vega
1.概述
大學物理實驗是物理教學中的一個重要組成部分，由于有些物理實驗，特別是近代物理實驗其實驗儀器集成度高，操作步驟復雜，往往成為物理實驗中的難點，再加上條件的限制，除實驗課外，學員很難直接面對設備進行預習或復習，同時在預習中由于操作不善而損壞儀器的現象也時有發生，因此利用虛擬仿真技術，在計算機上仿真物理實驗，來提高學員對物理實驗的學習是十分必要的。采用這種技術，具有方便性、無破壞性、經濟性以及高仿真性等特點，對學員掌握物理實驗具有重要的意義。
對物理實驗的仿真我們首先是對各個獨立的物理實驗進行仿真，然后再把他們集成到一個系統環境下。免費論文參考網。以下我們以夫蘭克—赫茲實驗為例來說明單個物理實驗的仿真過程。實驗儀器如下圖所示：
由于原子能級的存在，當電子與原子發生碰撞并進行能量交換時，每次交換的能量就會受到原子能級的制約，因此我們就可以通過測量碰撞后電子能量的變化來驗證原子能級的存在。由于本實驗的集成化高，屬于驗證性實驗，通過虛擬仿真幾乎可以真實再現實驗的整個過程。
虛擬仿真作為一種新型人機接口，不僅使參與者沉浸于計算機產生的虛擬世界，而且還還提供用戶和虛擬世界之間的直接通信手段。它具備3個基本特征
（1）沉浸：這是VR系統的核心，指使用戶投入到由計算機生成的虛擬場景中的能力。用戶在虛擬操作訓練場景中有“身臨其境”之感。
（2）交互：指用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力。它是人機和諧的關鍵因素。交互性包含對象的可操作程度及用戶從環境中得到反饋的自然程度、虛擬場景中對象依據物理學定律運動的程度等，以用戶的視點變化進行虛擬交換。這個過程中最重要的因素是實時性。實時性是指計算機能夠響應用戶的輸入并立即改變虛擬場景的狀態。免費論文參考網。
（3）構想：虛擬現實不僅是一個用戶與終端的接口，而且可使用戶沉浸于此環境中獲取新知識，提高感性和理性認識，從而產生新的構思。把這種構思結果輸入到系統中去，系統會將處理后的狀態實時顯示或由傳感裝置反饋給用戶。
虛擬仿真的核心是建模與仿真。就建模與仿真本質而言，它是對真實物理系統在某一層次上的抽象。與實際的物理系統相比，用戶在這個抽象模型上可以更高效、更節省、更靈活、更安全地對物理系統進行了解和設計。
2.系統分析與模型的建立
模型的建立分三維立體模型的建立和仿真面板的制作。免費論文參考網。對模型的建立本系統采用3D MAX建模工具對模型進行幾何建模和行為建模。利用3D MAX軟件來進行三維建模和紋理貼圖，生成一個高逼真度的所需模型。首先我們用3D MAX建立夫蘭克—赫茲實驗儀、示波器、微機以及實驗室模型，并在3D MAX中進行貼圖，使所做儀器仿真度更高。
對于儀器面板，本系統采用的是GL Studio軟件進行建模制作，比如夫蘭克—赫茲實驗儀的面板、示波器面板和微機顯示屏上的顯示畫面都是用GL Studio來制作完成的，制作流程如圖所示：
在第二個過程中，圖片處理的結果是面板美觀形象的決定性階段；第三個階段則是本實驗仿真的決定性階段，因為實驗的操作響應、交互實現、實驗現象的再現都是在這個過程完成的。這一過程又可分為三個部分來完成：（1）是夫蘭克—赫茲實驗的手動操作，這在GL Studio中一個面板內既可完成；（2）是利用微機采集數據來自動完成實驗，得到實驗數據并在V—I圖中自動繪制數據曲線，在這個過程當中，可以在GL Studio中分別生成夫蘭克—赫茲實驗儀的面板和微機顯示器面板的動態庫，把它們作為元件在導入到另一個GL Studio中進行互聯；（3）是將數據輸出到示波器形成V—I曲線，這個過程的制作方式與第二部分相似。在第四個過程中主要是集成過程，Vega是MultiGen-Paradigm公司開發的一個面向對象的著名的虛擬現實平臺，它包括圖形環境Lynx，一套可以提供最充分的軟件控制和最大程度靈活性的完整的應用編程接口，一系列相關的庫和Audio Work2實時多通道音響系統。Lynx是Vega提供的帶有圖形用戶界面工具集，并通過設定參數與相互間關系，可以實現簡單的仿真應用程序，同時為虛擬系統的開發提供必要的支持，如模型、場景和交互設備等。
3.實驗的最終集成
在單個物理實驗完成之后，要把它們集成到統一的系統當中，我們的系統是用Visual C++作為軟件平臺進行集成。在VC中完成操作界面和目錄，點擊各個目錄進入各個獨立的物理仿真實驗當中由于各個實驗是獨立的，因此過程的制作相對簡單。
結束語
本文提供了一種使用3DMAX、GL Studio和Vega進行虛擬仿真系統開發的方案，這個方案是基于微機平臺設計的，具有較好的通用性，它不受實驗儀器的限制，給學員提供了一種較好的練習和復習的手段，其仿真度高，是其他預習和復習手段所不能代替的。
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論文關鍵詞： 信息技術 微電子專業教學 應用
論文摘 要： 信息技術包括多媒體技術、虛擬仿真技術、網絡技術，等等。它的飛速發展和廣泛普及，使得傳統的教學方法正在向現代教育技術方法轉變。針對新興的多學科綜合的微電子專業，作者討論了信息技術在微電子專業教學中的作用與意義，聯系實際教學實踐，指出了各種信息技術的特點及應用中需注意的關鍵問題。
信息技術是現代教育技術的基石和重要組成部分。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》中提出：“信息技術對教育發展具有革命性影響，必須予以高度重視”；“強化信息技術應用。提高教師應用信息技術水平，更新教學觀念，改進教學方法，提高教學效果”。信息技術與高校專業教學相結合，可以改進教學手段、創新教學方法、提高教學效率、增強教學效果。
微電子專業是我國近年來大力發展的一個多學科綜合、高技術密集的新興專業，主要研究半導體材料、器件與工藝和集成電路與系統的設計、制造和測試等理論和技術。微電子專業教學由于課程開設時間較短、涉及學科多、理論性強、同時又與實踐結合緊密。因此如何有效地改善教學效果，提高教學質量成為微電子專業教學中迫切需要解決的問題。將現代信息技術應用到微電子專業的教學活動中，提高了學生學習的興趣和積極性，促進了教師與學生的互動，取得了很好的教學效果。
1.多媒體技術在專業教學中的應用
多媒體教學是信息技術在教學過程中最典型、最廣泛的具體應用。多媒體信息技術在教學中的應用是指采用圖像、動畫、視頻等新穎的教學形式，將教學內容生動形象地展示給學生，使學生獲得直觀的感性認識。多媒體教學方式有助于學生對教學內容，特別是重難點內容的理解和吸收，是對傳統教學方式的突破和有益的補充。針對于微電子專業的特殊性和綜合性，我們在教學中采用多種多媒體表現方式，分別應用在以下幾個方面。
1.1幻燈片教學
多媒體輔助教學課件通常由多頁幻燈片組成。在幻燈片中可以插入各種對象如文字、圖片、圖形、表格、藝術字和聲音等，把抽象的、難以直接用語言表達的概念和理論以直觀的、易于接受的形式表現出來，有效地增強了教學效果。微電子專業課程理論較多，信息量大，直接講授學生感到比較枯燥。使用幻燈片教學后，色彩豐富，圖形清楚，概念清晰，有助于把抽象概念形象化，復雜問題簡明化，調動學生的積極性，提高學習效率。
1.2動畫演示
電腦動畫的運用能夠進一步提升多媒體技術的作用和效果。動畫能夠將微電子專業課程中遇到的深奧的理論問題和復雜的內部機理，通過簡單的畫面動態地表示出來，從而使學生加快加深理解，特別有利于重點難點的掌握。另外，電腦動畫能夠逼真地再現微電子工藝流程的加工過程，可以模擬實際操作步驟，從而可以代替或輔助部分實踐教學。
1.3錄像放映
微電子專業的實習單位往往是高投資、大規模、貴重設備云集的高科技公司。這些公司管理制度嚴格、專業程度高，對在校學生進企業實習有著很多限制，同學們經常只能去參觀工廠環境，遠眺機器的運作，甚至有些生產企業不對學生開放實習。這樣，教學得不到生產實踐的支持，使得理論與實踐嚴重脫節，降低了教學效果。而將企業內部的生產流程拍成錄像，或者購置相關內容的影像資料，通過多媒體放映給同學觀看，可以近距離地觀摩生產流程和設備運作、了解技術細節，對不甚明白的內容可以反復觀看。采用這種方式進行教學，同學們紛紛反映大開眼界，受益匪淺，不僅對課程里所學的內容有了直觀的認識，而且了解到產業的前沿發展。
2.虛擬仿真技術在專業教學中的應用
得益于計算機硬件的飛速進步和軟件技術的迅猛發展，虛擬仿真技術成為當前流行的新型教學手段。傳統的實驗教學手段，局限于實驗室購置的設備和儀器，特別是微電子專業的實驗設備價格高昂、操作復雜、容易損傷，使同學很難得到上機鍛煉的機會。而使用基于虛擬仿真技術的教學方式，過程簡單靈活，交互方式多樣，結果直觀明了，既能培養學生的動手能力和分析、綜合能力，又能提高學習興趣，激發學生的創造性。
虛擬仿真技術在微電子專業教學中的應用主要體現在兩個方面：一是在電路設計方面，基于電子設計自動化（Electronic Design Automation，EDA）技術實現對電子線路（包括集成電路與版圖）的模擬仿真；二是在微電子工藝與器件方面，基于半導體工藝和器件的計算機輔助技術（Technology Computer Aided Design，TCAD）實現對微電子制造工藝和半導體器件結構及工作過程的仿真與演示。使用仿真軟件所提供的強大功能，包括軟件所具有的可升級性，在課堂和實驗中通過軟件設計微電子電路、工藝和器件，在屏幕上模擬其功能，可使教學概念清晰，內容生動，過程可視，還能夠大幅節省實驗設備的購置和維護費用，經濟高效。
3.網絡技術在專業教學中的應用
近年來網絡技術更加普及，也更加方便，特別是校園局域網的建設，提供了學生隨時隨地使用各種終端進行網絡學習的教育環境。這也促使我們把教學平臺從教室向網絡拓展，必然在一定程度上改變教學的形式和基本架構，帶來革命性的變化。
互聯網和校園局域網一方面可以作為信息資源庫，為微電子專業課程教學提供教學教案、課件、習題等資源的下載和在線瀏覽；另一方面也可以作為師生課外互動的平臺，進行答疑、作業提交、通知等教學活動。這兩種方式也是目前微電子教學中最主要的網絡應用手段。使用網絡教學有助于師生雙方的交流，教學信息的豐富，以及多元化教學，等等。網絡教學的推廣和網絡教學平臺的建設，極大地推動了網絡技術在教學體系中的應用，將會成為現代教育技術的主流之一。
綜合運用信息技術的各種方法和手段，結合微電子專業特點，更新教學觀念，加強教學實踐應用，能夠有效地提升教學效率和效果，培養出更優秀的符合社會需求的專業人才。
參考文獻
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【關鍵詞】三維仿真;地理信息系統;環境決策
1、引言
隨著數字環保概念和虛擬現實技術的發展，三維仿真系統在環境業務領域的應用日益成為人們關注的焦點。三維仿真系統全方位、多角度、高效率的管理方法和技術特性奠定了其在環境業務領域的多方面應用優勢。三維仿真系統以直觀、形象的可視化表達方式[1]，真實展現三維環境要素，為環境監控、環境執法監察、環境影響評價（戰略環評、規劃環評、項目環評）、行政審批、環境應急、環境日常業務管理及環境生態領域提供很好的“所見即所得”的平臺。
2、三維仿真系統在環境領域中的應用分析
2.1基于三維仿真系統在環境領域中的應用優勢分析
目前環境業務多是基于二維地理信息系統，對環境現場的分析多是使用現場平面圖和現場圖片等相關資料進行分析，缺乏直觀性。難以對環境地域進行三維綜合研究和空間分析，無法使領導部門及時得到對空間清晰、直觀的認識[2]。同時環境領域涉及地形地貌，如地形起伏較大、管網密集、排口眾多等，用二維的表示方法很難準確描述和進行信息精確管理。
三維仿真系統通過對大范圍海量環境數據進行一體化管理，實現無縫三維實時漫游、空間多媒體信息查詢、表示、分析和輔助決策，為環境管理部門進行更加清晰、直觀、準確的管理環境信息提供技術支持，如：靈活漫游全面巡視重點污染源；真實的還原事故現場用于應急決策[3]；真實的模擬重要治污設施的日常運作狀態。
三維仿真系統在環境業務領域的應用優勢：
（1）重點風險源工藝管線跟蹤分析，為企業環境安全提供可視化監控支持
三維仿真系統可對環境重點風險源如石油石化企業工藝管線進行模擬，動態顯示管線內物質流向，便于管理者實時查看管線運行情況，為查堵泄漏點提供可視化技術支持。
（2）全方位展示重要治污設施運行狀態，為環境安全提供基礎保障
通過三維仿真系統，可實現全廠區漫游，全面展示重要治污設施分布情況及其運行狀態。當某一設施出現異常，系統會進行異常報警，使管理者不必親臨現場即可了解治污設施運行狀態，為環境安全提供保障。
（3）快速還原環境事故現場，為環境應急提供科學決策支持
環境突發事故現場具有不可再現性。為了對事故進行更準確的分析，可通過三維仿真系統對事故現場進行模擬還原，再現事故發生過程，為領導提供更詳盡的現場信息，為環境應急提供科學決策支持。
（4）更真實表現地形地貌，輔以模型分析，為指揮調度、優化路徑提供輔助支持
三維仿真系統既有地理信息系統的圖形展示功能，又有真實模擬地貌的優勢。在環境應急中可以通過三維仿真系統展現事故現場及周邊敏感區分布情況，真實展現地勢起伏及路況信息，通過模型分析為應急指揮調度及路徑優化提供輔助支持。
2.2三維仿真系統在環境監控領域中的應用分析
目前環境監控領域中采用視頻、紅外、數采儀等形式將監控數據傳至監控中心，無法對整個監控場所進行全面、多角度的監控。三維仿真系統可通過對監控場所的真實模擬實現對環境的日常監控，包括：重大風險源企業廠區漫游仿真；圍繞風險單元多角度查看周邊地貌信息；真實模擬工況運行狀態；真實模擬設備運行狀態；全面立體展現三維空間污染源分布；對環境空間及風險單元等進行屬性查詢等。
三維仿真系統可為環保系統領導提供了多角度、可視化的監控平臺，不用親臨現場，即可掌控所有環境監控區域的風險源及工況等多種信息，提高工作效率，為決策的質量和效率提供保障。
2.3三維仿真系統在環境應急領域中的應用分析
目前的二維信息平臺由于立體表現不完整，無法整體直觀反映環境事故現場情況，容易導致宏觀分析、決策的偏差[4]。三維仿真系統能夠全面分析事故現場及周邊情況，進行三維擴散模型分析，包括氣象應急模型、地質應急模型、水應急模型（水淹模型、泥沙模型、水污染模型）及化學/核污染應急模型，通過模型分析直觀立體展現污染擴散趨勢及周邊敏感源，為應急監測、指揮調度及現場處置提供重要依據；可依據地勢，通過路徑優化分析，為應急疏散提供直觀、可視化指導，為領導決策提供全方面、直觀、真實的決策支持。領導不必深入事故現場就能掌握現場真實情況，并組織專家討論并制定正確的應急措施，發出正確的調度指令，保證應急指揮和應急調度的科學性和正確性。
同時，通過三維仿真系統可進行事故應急演練及事故回放[5]，真實模擬事故應急演練，直觀展示應急流程，為完善應急預案體系、強化應急指揮體系提供參考依據；事故回放是針對事故現場不可保存性，進行事故現場還原，通過仿真事故發生過程，為領導提供應急決策支持，并為事故后評估提供有力依據。
2.4三維仿真系統在環境日常業務領域中的應用分析
三維仿真系統在環境日常業務領域的應用包括：與12369結合，快速定位事故現場，直觀查看事故現場地勢地形三維景觀，為準確預警提供更為詳盡的可視化三維信息；建設項目審批，通過三維仿真系統進行區域地形地貌查看，將設計方案導入三維場景中進行審查，在真實再現規劃現狀的前提下，用戶可以從任意路徑，以任意視點、任意視角考察設計方案，對方案進行從全局到細部的推敲和修改；環境監察、移動執法，通過三維仿真系統可真實模擬環境監察、移動執法車輛的出勤路徑，為執法監督提供可視化督查功能。
2.5三維仿真系統在環境生態領域中的應用分析
環境生態日益受到人們重視，如何有效保護生態，形成良好生態人文環境已成為人們關注的熱點。三維仿真系統為生態保護、生態規劃提供三維仿真技術支持，領導無需到達現場即可通過三維仿真系統漫游重要生態區域并進行分析，如漫游引用水水源地、防洪堤壩、庫區防洪堤拆除后對周邊生態的影響分析等。對環境生態區域的規劃也可通過三維仿真系統進行模擬展示，將規劃前及規劃后的場景進行真實模擬對比，為領導進行正確、科學的生態規劃提供直觀可視化的科學依據。
3、結語
隨著數字環保的推進、物聯網技術及三維仿真技術的發展，三維仿真系統在環境業務領域的應用越來越顯現出無法替代的優勢。通過三維仿真系統可真實展現環境業務領域現時情景，并可漫游于場景之中，為環境業務領域提供立體化、全方位展示，為領導進行科學的環境決策提供支持。因此，應加強三維仿真技術的研究，使其在環境業務領域的應用更為深入，為環境管理部門更加清晰、直觀、準確的管理環境信息提供技術支持。
參考文獻
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