時間：2023-03-22 17:45:50
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1.彈性元件的虛擬模型根據導體材料的應變電阻效應，電阻的相對變化與應變之間的關系。為了獲得電橋輸出與載荷的關系，需要構建彈性元件的數學模型。電阻式傳感器的彈性元件結構有圓筒式、柱環式、懸梁式和輪輻式四種基本類型，各種不同的結構型式的彈性元件應變ε與載荷F的關系如下所示。（1）柱筒式彈性元件其中E為彈性模量，A為橫截面積。（2）柱環式彈性元件其中R0為內環半徑，b為柱環寬度，h為柱環厚度，E為彈性模量。（3）懸梁式彈性元件其中l為有效長度，b為懸梁寬度，h為懸梁厚度，E為彈性模量。（4）輪輻式彈性元件其中b為輪輻條厚度，h為輪輻條寬度，G為剪切模量。將四種彈性元件類型設計在一個子VI中，通過操作“彈性元件類型”下拉列表進行選擇。
2.虛擬電橋模型電橋是目前常用的電阻式傳感器測量電路，整個電橋電路由四個橋臂組成，當橋臂接入應變電阻時則成為應變電橋。當有一個臂被接入應變電阻時，被稱為單臂電橋；兩個臂被接入應變電阻時則為雙臂電橋（也稱半橋）；四個臂均被接入應變電阻時則稱為全橋。在橋路中均未接入應變電阻時。
3.電阻屬性和接橋方式設計前面板（如圖1所示）上電橋部分的電阻屬性分為固定電阻、應變電阻和平衡電阻三種，應變電阻的貼片方式分為受拉應力和受壓應力。（1）電阻屬性。圖1中的電阻R1的屬性只有兩種：應變電阻和固定電阻。該屬性通過操作“R1”設置開關進行選擇。若R1為應變電阻屬性，其阻值會隨載荷F的增減而產生相應的ΔR1以及因溫度變化產生的ΔR1t。電阻R2的屬性與R1相同。通過操作“R2”設置開關可以選擇R2的屬性。若R2作為應變電阻，則會隨載荷F的增減而產生相應的ΔR2以及因溫度變化產生的ΔR2t。若操作“差動設置”開關，則可使R2的受力方式為受壓應力，從而會隨載荷F的增減而產生相應的-ΔR2以及因溫度變化產生的ΔR2t。R3，R4需要參與調平電路的設計，因此接線也會相對復雜。通過操作“R3”和“R4”設置開關對該電阻進行屬性操作。圖中出現的Rr顯示框為調零電路中的R5的右半部分與R6串聯然后再與R3并聯后的阻值。Rl顯示框為R5的左半部分與R6串聯后再與R4并聯后的阻值。（2）接橋方式的設計。虛擬前面板上的電橋工作方式分別為：不工作、單臂工作，半橋工作和全電橋工作方式四大類型。對于半橋和全橋方式，其中應變片又分為差動和非差動兩種布片方式。不工作方式指的是R1，R2，R3和R4都設置成固定電阻。該方式無論怎樣施加外力，輸出始終為零。單臂工作時將R1設置為應變電阻，R2、R3、R4設置為固定電阻。此時，按“R1”按鈕，“R1”按鈕變綠，圖中應變電阻R1如果顯示向上的箭頭，表明該應變電阻受拉應力，對應電阻值增大；如果應變電阻R1顯示向下的箭頭，表明該應變電阻受壓應力，對應電阻值減小。半橋非差動工作時，R1、R2設置為應變電阻，R3、R4設置為固定電阻。按下“R1”、“R2”兩個按鈕，兩者均變綠表示接入工作臂，同時電阻R1、R2上的箭頭方向一致，表示應變片受到相同性質的應力，此時電橋輸出基本為零。半橋差動工作時，R1、R2設置為應變電阻，R3、R4設置為固定電阻。按下“R1”、“R2”兩個按鈕，兩者均變綠表示接入工作臂，同時電阻R1顯示向上箭頭，R2顯示向下的箭頭，表示對應的應變片受到拉應力和壓應力。全橋非差動工作時R1、R2、R3、R4屬性均為應變電阻，此時，按下“R1”、“R2”、“R3”、“R4”按鈕，均變為綠色。四個電阻上的箭頭方向一致，表明四個電阻受相同性質的應力，此時電橋輸出基本為零。全橋差動工作時，“R1”、“R3”電阻箭頭向上，表示受拉應力；“R2”“R4”箭頭向下，表示受壓應力。
4.溫度誤差計算及補償在討論應變計的工作特性時通常是以溫度恒定為前提的，但在實際應用過程中，工作溫度可能會發生變化，從而導致應變電阻的阻值發生變化。設工作溫度變化為Δt℃，則由此引起粘貼在試件上的應變電阻的相對變化為。將公式（11）代入公式（7）-（10），即可以計算出溫度變化時的電橋輸出，該輸出即為溫度誤差。單臂工作時，采用補償塊法進行溫度誤差補償，該方法利用兩塊參數相同的應變計R1、R2，R1貼于試件上并接入工作臂，R2貼于與試件材料相同溫度環境的補償塊上，但該補償塊不參與機械應變，同時接入電橋相鄰臂作為補償臂。當接通電源并施加負載時，補償臂產生的熱輸出與工作臂產生的熱輸出相同，則可達到溫度誤差補償的目的。對于半橋差動和全橋差動工作方式，根據公式（10）的和差特性即能進行溫度誤差補償。5.非線性誤差計算及補償公式（10）是對公式（9）進行線性化后的輸出。對于單臂工作時，非線性誤差可以通過在電路中加入補償臂（該臂不受外加應力作用）。對于半橋差動和全橋差動工作方式，不需要外接補償電路，因為差動工作方式具有很好的非線性補償作用。
二、虛擬操作面板的設計
用LabVIEW軟件開發虛擬儀器，用戶能“量身定制”儀器的操作面板。本實驗根據真實的電阻式傳感器實驗電路接線圖作為虛擬儀器的操作面板，能直觀地闡述電阻式傳感器實驗原理及操作方式，虛擬面板如圖1所示，主要包括虛擬彈性元件選擇、應變電阻布片方式選擇、電橋接法選擇、電橋調零模塊、差動放大模塊、直流電源模塊。此外前面板還包括電阻、外力、溫度的賦值等。
三、遠程虛擬實驗的演示步驟
電阻式傳感器實驗的遠程操作分別由DataSocket技術與Web網絡工具來實現。DataSocket技術以及網絡化技術的結合使虛擬儀器的遠程控制成為可能，可在若干計算機上對傳感器虛擬實驗進行操作及數據處理。這為傳感器虛擬實驗的互動教學提升了便捷性。電阻式傳感器虛擬實驗的遠程操作過程如下：第一步，打開服務器網頁。第二步，輸入R1、R2、R3、R4的阻值。第三步，選擇彈性元件類型。第四步，設置接橋和布片方式。第五步，打開電源開關。第六步，調節調零電位計，直至電橋近似達到初始平衡狀態。第七步，點擊“施力F”按鈕。第八步，查看客戶端網頁，查看電橋輸出曲線。第十步，點擊服務器面板中的“復位鍵”，使所有選項、開關及輸入數據均清零和初始化。第十一步，關閉電源開關。
四、結束語
虛擬實驗是依托“虛擬現實”技術產生和發展的一種實驗模式，利用計算機及仿真軟件來模擬實驗環境及過程，學生通過計算機操作來做實驗，以代替或加強傳統的實物實驗。虛擬實驗一般通過虛擬實驗室進行。虛擬實驗室是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，包括虛擬實驗室環境、相關實驗儀器設備、實驗對象以及實驗信息資源等，是一個基于網絡的實驗教學、技術交流、共同研究、協同工作的平臺。虛擬實驗室最早由美國弗吉尼亞大學的威廉•沃爾夫教授于1989年提出，被稱為“無墻的研究中心”。虛擬實驗室具有傳統實驗室無法比擬的特點，如資源共享性、互動操作性、用戶自主性、安全性等，并且可以有效地減少實驗設備購置經費和實驗學時。隨著虛擬實驗技術的成熟，虛擬實驗室在教育領域得到了越來越廣泛的應用［8］。
2機械設計虛擬實驗室
以“CAXA實體設計”和“CAXA－EB”軟件系統為依托，利用VisualBasic6．0和C/C++開發了機械設計虛擬實驗室(見圖1)，包括三維虛擬實驗環境和二維虛擬實驗環境，可進行機構運動簡圖測繪、齒廓范成原理、減速器拆裝等11個機械設計虛擬實驗。學員可利用虛擬實驗室進行實驗，完成并提交實驗報告，教師可利用該平臺查閱批改實驗報告。機械設計虛擬實驗室由服務器端核心處理模塊、客戶端實時運算模塊、用戶管理模塊、機構庫模塊、零件庫模塊等七大模塊組成。其中，機構庫包含40多個常用機構，零件庫包含80多個常用零件，標準符號庫由100多個常用標準符號組成，在線幫助信息庫有近5萬字的在線幫助信息［9－10］。目前機械設計虛擬實驗室已在全軍院校推廣使用。近幾年的教學應用表明，機械設計虛擬實驗可部分取代實物實驗，某些傳統實驗如簡圖測繪、齒廓范成等可利用虛擬實驗室獨立完成;同時，虛擬實驗室大大擴展了原有實驗內容，增加了機構改進設計、軸的設計、連桿機構的設計等綜合性和設計性實驗，并且實驗室為開放性環境，實驗內容還可根據需要繼續擴充;另外，虛擬實驗室是實物實驗和課堂教學的有力補充，連桿機構的基本形式和演化等實驗內容對進一步理解和鞏固課堂知識具有重要作用，通過虛擬實驗還可進行一些實物實驗很難實現的實驗，如齒廓范成原理實驗，傳統的范成儀只能加工兩種參數的齒輪，而利用虛擬實驗室可以任意設置加工參數。又如軸的設計實驗，可實時設計、實時修改，并及時觀測設計結果。虛擬實驗室有效拓展了課內實驗的時間和空間，在提高課程教學效果和實驗教學質量及培養學生工程實踐能力方面，起到了非常重要的作用。
3虛擬實驗室在課程教學中的作用
機械設計虛擬實驗室具備強大的模擬實驗和相關輔助功能，對課程教學和能力培養具有非常重要的作用。
3．1有效拓展課程實驗內容，集實驗和輔助學習功能為一體
機械設計虛擬實驗室不僅可完成機構運動簡圖測繪、齒廓范成原理、減速器拆裝等傳統實驗內容，還增加了機構組成原理、連桿機構的應用和設計、凸輪設計、周轉輪系的應用、軸的設計、齒輪傳動等新的實驗，拓展了實驗內容。所開發的11個實驗既有傳統的基礎性、驗證性實驗，如機構運動簡圖測繪、減速器拆裝等，又有設計性實驗，如齒輪范成原理、軸的設計、凸輪設計等。學員不僅可以通過虛擬環境完成實驗操作和設計，提高機械設計能力，還可利用實驗項目復習鞏固課堂所學知識，加深對知識的理解。例如連桿機構的型式和演化實驗，學員可通過實驗環境設置機構的桿長參數和機架，根據課堂知識判斷該機構的型式，再利用虛擬實驗室驗證自己的判斷，使知識得以鞏固和加深。機械設計虛擬實驗室將數值分析算法應用到實驗開發中，形象地描述了在傳統實驗中很難實現的實驗，實現了實驗內容的創新。例如齒廓范成實驗，傳統實驗使用齒廓范成儀進行，一般每種范成儀只能范成同一參數(模數、壓力角等)、兩種齒數的齒輪，而在機械設計虛擬實驗室中學員可任意設置齒輪的齒數和模數等參數(見圖2)，觀察各種參數的漸開線齒廓的形成過程和齒廓特點，擴展了設計性實驗的內容。圖3為利用機械設計虛擬實驗室進行漸開線齒廓的范成加工。
3．2構建三維虛擬實驗環境，實現三維動態仿真和創新設計功能
機械設計虛擬實驗室構建了機構模型庫和零件庫，包含多個常用機構和通用零件，常用機構具有仿真動畫效果，通用零件具有三維渲染效果，學員在進行實驗時可隨時調用，也可隨時運行觀察其運動以進行組成和運動分析。如圖4所示即為機構庫中的飛機起落架機構模型，學員可在三維實驗環境中觀察其組成和運動情況，或對其進行運動尺寸測繪，在二維環境中繪制其機構運動簡圖，這是機械設計基礎課程的一個傳統實驗。機械虛擬實驗室的零件庫包含軸、齒輪、軸承等80多種常用零件，學員在進行設計性實驗時可隨時調用，同時還可在原模型的基礎上進行實時修改，以用于所設計的機構。如圖5所示為對設計的階梯軸進行結構修改。這樣使學員既有很強的感性認識，又鍛煉了其設計能力，為基于想象的開放性創意設計提供了虛擬實現的平臺，拓展了學員的創造空間。
3．3實驗操作方便，相關功能完善
機械設計虛擬實驗室具有可視化的實驗界面，交互功能強大，實驗操作簡單，實驗結果直觀。每個實驗都有詳細的實驗指導，進行基礎性、驗證性實驗時在實驗界面上及時提示后續的操作步驟，操作不正確時系統會給出提示。如減速器拆裝實驗，要求能按正確的順序將減速器進行拆卸和安裝，在拆裝過程中，如果順序不正確，系統會出現警告，并提示正確的操作。機械設計虛擬實驗室具有在線幫助功能，學員在實驗操作中可隨時查閱實驗目的、內容和實驗步驟等。另外，在每個實驗完成后可在虛擬實驗室中方便地撰寫、修改實驗報告，并進行提交，如圖6所示。教師可在虛擬實驗室中檢查、批改學生的實驗報告，并將實驗評價反饋給學員。
4結束語
鄭州大學基礎醫學實驗教學中心組建于2001年9月。根據“學科交叉、設備共享”的原則,充分結合各課程特點及資源分布,中心下屬各專業實驗室優化重組為4大實驗室板塊,構建起醫學形態學、醫學機能學、分子醫學及人體解剖學四個醫學基礎實驗教學平臺。以培養學生綜合能力為核心,針對實驗教學課程體系與實驗教學內容進行了整合,從而組成了與實驗教學平臺相對應的形態學實驗、機能學實驗、分子醫學實驗,人體解剖學實驗四大模塊。從根本上改革實驗教學依附于理論教學的傳統觀念,構建了既與相應學科的理論教學保持有機聯系又相對獨立,具有鮮明特色的“一體化,模塊式,綜合型、開放性”實驗教學課程體系。
2分層次設置實驗內容,采用多元化教學方法
按照“扎實基礎、自主開放、鼓勵創新”的原則,大幅度調整實驗課程內容和授課程序,以能力培養為主線呈漸進式銜接,按基本技能實驗(50%)、綜合設計性實驗(40%)、研究創新性實驗(10%)三個層次設置實驗項目,編寫與之相適應的基礎醫學實驗教學大綱和實驗教材,逐漸形成從宏觀至微觀、從形態至機能、從簡單至綜合、從基礎至臨床,縱橫相互聯系的實驗教學模式,以培養學生的科研素質和創新能力。同時,根據不同學科特點,采用多元化教學方法,最大程度提高學生的學習積極性和主動性[2]。基本技能實驗結合理論課教學,開設傳統的經典驗證性實驗、基本儀器使用、實驗動物手術操作、實驗數據和圖形的記錄、采集和處理,訓練學生基本實驗操作和技能。綜合設計性實驗引導學生以“一個問題”為中心,綜合多學科知識點,從人體器官、組織細胞的形態結構、遺傳特性、生理生化到疾病發生的分子機理、基本病理過程、藥物作用等多個角度來設計實驗,使學生以跨學科的思維方式建立整體的概念,增強學生對實驗現象的觀察與思考。設計性實驗讓學生選擇自己感興趣的題目,運用已學到的知識和技能,獨立設計并開展帶有研究性質的綜合性實驗,搜集必要的實驗數據并加以分析,寫出實驗論文,以學術交流會的形式,討論各自的實驗結果,從而培養學生綜合思維能力及創新意識[3]。研究創新性實驗結合學校“大學生創新實驗計劃支持基金”,學生自行組織課外科研小組,在導師的指導下設計感興趣的小型科研課題,申請創新實驗基金或參加指導老師的在研課題。該實驗從實驗設計、科研實施、結果整理分析到論文撰寫,全部由學生獨立完成。2007年以來,我校7年制及5年制醫科各專業學生共獲得資助15余項,資助經費達10萬元,公開發表科研論文28篇,獲得各種獎勵及發明專利20余項。以學生為主體、教師為主導的創新實驗,采取自主式、學導式、研究式的教學方法,學生接受了較全面、嚴格、系統的科研訓練,啟發了他們在科研過程中提出問題、解決問題的邏輯思維方式,提高了獨立工作和科研創新能力[4]。
3積極開展“第二課堂”教學活動,培養學生觀察問題、解決問題能力
開展“第二課堂”活動是中心實驗教學改革的另一大特色。富有內涵的第二課堂活動,既強化了學生實習、實踐環節,也提供了互動的師生交流空間,創造了學生自己動手、動腦的機會。通過引導學生參加社會活動,激發了學生積極探索的精神,縮短了學生與社會的距離。醫學昆蟲學課程教學中,采取了專題講授與社會實踐相結合的教學方式,結合所講授的專題,把學生組織成若干社會實踐小組,利用周末開展小型調研活動。學生們在輔導教師的指導下,走出實驗室,制訂醫學昆蟲調查、防治技術方案,在鍛煉學生動手能力和實際工作能力的同時,也培養了學生科研工作的能力及興趣。臨床藥理學將實驗課搬到工廠車間,讓學生現場親眼目睹制藥過程。人體解剖學在課余時間將學生組織成若干課外實踐小組,參與解剖技術室的尸體解剖與標本制作,使學生們在實踐中進一步學習掌握解剖學知識[5]。第二課堂教學活動的開展,既強化了學生實習、實踐環節,也創造了互動的師生交流空間和學生自己動手、動腦的機會,有利于加強學生主動獲取知識和動手能力、創新能力的培養。2001級7年制臨床醫學專業趙菁同學,從大二開始,就參與了“河南省重點科技攻關基金資助項目”的有關課題研究。她提出的將物理和化學中有關載體模型的思想引入到生命科學領域的原理,在我省大中專院校尚屬首例。其研究課題“小鼠IFN-γ真核表達載體的構建和轉染鼠腹腔巨噬細胞抗腫瘤效應研究”已在基礎研究中獲得了肯定的治療結果,可為臨床治療提供可靠的實驗依據。在大學學習的幾年里,趙菁同學將課余時間和節假日全都用在了科學實驗和科技制作上[6]。當中心開展第二課堂活動來發展學生的興趣和愛好時,趙菁就找來理工科的學生成立課外科研小組,常常領著小組成員研究生物、電子技術,搞科技制作,一項一項的創造發明問世,并連續在“挑戰杯”競賽中獲獎。在第二屆“挑戰杯”河南省大學生課外學術科技作品競賽中,《針劑破口器》、《新型解剖床》榮獲二、三等獎;在第八屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽中,《針劑破口器》榮獲三等獎;在第四屆“挑戰杯”中國大學生創業計劃競賽中趙菁同學主創的《河南醫美樂醫療器械有限責任 公司》創業計劃榮獲銅獎;在第三屆“挑戰杯”河南省大學生課外學術科技作品競賽中,趙菁同學的兩件作品《解剖室空氣凈化裝置》和《便攜式電子防暈動裝置》分別獲得二等獎和優秀獎。在校期間,她連續四年在全省、全國“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽和創業計劃競賽中獲獎,2003年被授予“中國大學生跨世紀人才獎———建昊獎”,2004年榮獲“青春中華―首屆中國青年文化周特別獎”,2005年8月被授予“第二屆中國青少年科技創新獎”,2005年11月被授予“首屆河南省十佳青少年讀書成才獎”,2005年12月榮獲“中國十大年度大學生創意人物入圍獎”,2006年2月榮獲“首屆河南省十大教育新聞暨教育新聞人物獎”,2006年6月獲得“鄭州市學習標兵獎”,截至目前,她已擁有7項國家專利,被譽為“學生發明家”[7]。2004級臨床醫學專業盧沛琦同學積極參與老師的科研活動,將所學知識與科學實踐結合在一起,利用第二課堂活動,在指導教師的帶動下順利完成一項科研內容,其撰寫的科研論文《骨髓間充質干細胞體外誘導為心肌細胞的實驗研究》,在2006年鄭州大學組織的學生科技競賽活動中,榮獲“鄭州大學學生科技創新與科技論文”一等獎。
4利用現代化教學手段,提高實驗教學質量
中心將網絡信息技術引入實驗教學,建設了一批數字化、網絡化的實驗教學平臺。包括人體解剖學虛擬實驗室、數字網絡多媒體解剖學實驗室、數碼顯微互動形態學實驗室、多通道生物信號采集系統和機能學仿真實驗網絡教學系統實驗室等。各實驗室根據不同需求裝備相應的數字化網絡設備,使實驗室信息網絡硬件建設處于國內高校實驗室領先地位。虛擬、仿真實驗軟件與實驗硬件配合,多媒體技術,網絡教學———三種教學手段,進一步強化了實驗教學效果。我們自行研發的一套局部解剖學虛擬教學軟件,利用虛擬的人體三維技術實現了“虛擬人體解剖”,學生通過鼠標、鍵盤等工具輸入相應的變量,進行逼真的人體解剖實驗,收到了良好的教學效果,受到學生和省內外同行專家的一致好評[8]。借助校園局域網和中心網絡實驗平臺連接,應用現代化網絡信息技術,開辟了試驗項目網上預約、網上預習、網上復習、在線實驗等方式消除空間和時間上的障礙,培養學生利用計算機網絡平臺獵取本專業發展前沿信息和新技術的方法。在中心網站創建的局部解剖學虛擬實驗室、機能學網絡仿真實驗室、形態學網絡標本陳列館。由于網絡教學的個體性和交互性,極大地激發了學生的學習興趣、主動性與創造性。
5完善實驗考核方式,科學評價實驗教學效果
針對不同層次的實驗,采取不同的考核方式,客觀、準確、科學地評價學生成績,構建了以教學督導與信息反饋為主要手段、以實驗過程監控為主要內容、以完善的規章制度為保障的實驗教學質量保證體系。基本技能實驗的考核主要依據:實驗預習與報告,實驗操作,實驗考試[9];綜合設計性實驗的考核主要依據:選題的合理性和難度,設計方案的完整性、合理性、經濟性,仿真優化的正確性,硬件制作、測試結果和設計報告;研究創新性實驗的考核主要與課題、論文完成情況,答辯情況以及競賽結果相結合。
[關鍵詞]人體解剖學 實驗教學 創新能力 臨床應用
一、研究背景
實驗教學是學生鞏固和深化理論知識的重要途徑，也是培養學生基本技能、發現和解決實際問題能力、自主學習能力、創新和臨床思維能力的重要途徑。目前，我國大多數醫學院校的人體解剖學主要有《系統解剖學》和《局部解剖學》兩門課程組成，實驗課基本上還是按課程孤立設置，學生按照編好的實驗指導書的要求，由教師指導下的學習模式，學生都是在“接受性學習”，缺乏“自主探究學習”，整個實驗缺乏系統性、全面性以及創新性。因此，通過對原有的實驗教學定位、教學理念、教學模式、教學方法和手段進行改革，對培養學生的臨床應用能力、創新精神和創新能力等綜合素質有著非常重要的意義。
二、教學模式的改革
我校五年制醫學專業采用系統解剖學和局部解剖學分別在大一下學期和大二上學期完成的模式，我們初步嘗試將原有的《系統解剖學》和局《部解剖學》實驗進行整合，在前期系統解剖學驗證性實驗學習的基礎上，加強綜合性實驗，增加設計性、創新性實驗，由教師根據學生所學的知識和教學安排，分不同層次、由淺入深提出實驗任務，學生自主選擇綜合性設計性和創新性的實驗內容、確定實驗步驟及注意事項、經老師審核后開始實驗過程，并對實驗結果進行分析判斷、完成實驗報告或實驗論文的新模式。通過一系列的有系統、有計劃的實驗教學，使學生達到由理論知識到實踐操作，再由實踐操作到創新和臨床思維能力的不斷由量變到質變的轉變。在時間安排上，課內課外并重，充分利用學生的課余時間，要求學生在課余時間完成部分標本制作的實驗內容。另外，在基礎知識的基礎上對局部解剖學的部分實驗進行獨立的設計，改變原來的實驗依托理論的模式，要求學生根據臨床手術操作中遇到的問題進行設計，在尸體和標本上進行模擬手術，進一步加深學生對局部解剖學知識的理解。同時將現有的課堂教學、課外專題講座、課程實驗、課外第二課堂等實踐形式向課外科技創新、科研訓練（student research train，SRT）、大學生科技創新競賽、新苗計劃等活動延伸，不斷豐富課內外一體化自主研學平臺的內涵，使學生盡可能多的學做合一，擴大學生自主創新實踐的內容，有效的啟發學生的發散思維。推進學生的個性化發展和全面發展。人體解剖學實驗教學就是要構建教與學為一體、理論教學與實踐教學為一體、課內與課外教學為一體的實驗教學模式。
三、教學內容改革
對現有的《系統解剖學》和《局部解剖學》的實驗教學內容和課程體系進行改革，結合教學大綱和高等教育教學加強實踐教學環節薄弱改革的需求，按照分層式實驗教學的模式；增加實驗內容和實驗項目；增加實驗的開放性，綜合性、設計創新性的思維方式，對人體解剖學實驗教學課程進行了改革。
1.拓展基礎理論知識、基本技能訓練實驗層
在系統學習解剖學的基礎理論知識的基礎上，穿插講解對尸體解剖的一般方法、解剖器械和操作方法、基本解剖方法、標本防腐固定法、血管灌注技術、淋巴管灌注方法等實驗對學生進行解剖學實驗技能訓練。課堂并以學術講座的形式向學生講解解剖學科學研究方法，文獻綜述撰寫，布置學生查閱文獻，撰寫文獻綜述。使學生掌握解剖學實驗的基本知識、基本方法與基本技能，熟悉常用儀器的操作，培養學生觀察、記錄實驗結果及整理、分析實驗數據的能力。
2.以臨床應用為導向的解剖學實驗教學
將系統解剖學和局部解剖學內容相互穿插并與臨床及其他相關基礎學科結合起來。將實驗課內容分為骨學、節學、下肢、上肢、頭頸部、脊柱區、胸部、腹部、盆部與會陰、感官、中樞神經系統十一部分。在教學實施過程中，每一章節（如上肢、軀干、頭頸部等）實驗開始和結束都由教師進行15min的結合臨床案例的前言和總結的講座，使學生認識到解剖學在臨床醫學中的重要性及其如何與臨床結合。以頸部為例，我們通過和臨床醫師及其他相關基礎學科的教師一起討論，把頸部的內容提煉成以下幾個問題：（1）簡述頸動脈鞘內結構的排列關系；（2）甲狀腺切除術時，從皮膚切口到暴露甲狀腺依次有哪些層次結構，術中需特別注意對哪些重要結構的處理，為什么？（3）氣管切開術選擇何部位，到達氣管要經過哪些層次結構？（4）左、右喉返神經的來源和走向有何不同？（5）頸部皮神經的分支分布有何特點？頸部局部麻醉宜選在何處？（6）頸內靜脈和鎖骨下靜脈有何結構特點和重要毗鄰，對深靜脈穿刺有何影響？上課時先由帶教教師介紹甲狀腺次全切除術手術步驟、手術中應注意事項，并發癥及其處理措施，然后將問題一一列出。
3.以創新為導向的解剖學實驗教學
該部分實驗分為設計創新型實驗教學和課外研究創新型實驗兩類。設計創新型實驗教學由教師提出實驗任務，學生獨立實施過程，教師全程指導、啟發和評價，使學生從科研選題、實驗設計、實驗操作、結果分析、文獻查閱、論文撰寫、報告與答辯等各個環節得到一次全面的創新能力和方法的訓練。比如教師結合某些知識點或關鍵的實驗技術，提供一些與臨床聯系較緊密且學生感興趣的題目作為實驗教學內容以供學生選擇，讓學生在第一、第二階段已掌握的理論和的技能的基礎上自主完成實驗，并根據完成情況提交實驗報告、實驗作品或學術論文。
課外研究創新型實驗主要形式為：給定有關題目；各種大學生科技活動；學生直接參與教師科研子課題等項目。讓學生通過課外科技創新活動培養學生的創新精神、實踐能力和臨床思維意識，同時培養學生的團隊精神、交流溝通能力和責任感。
四、教學方法與手段的改革
1.以學生為中心，實現自主實踐為主的教學模式。將傳統的實驗指導書修改為由淺入深、由驗證、綜合再到設計創新的實驗項目，充分調動學生學習的主動性。學生通過驗證性實驗掌握基本實驗操作方法，學會正確查找資料，設計綜合實驗，正確記錄觀察實驗結果，分析實驗結果，對實驗結果進一步作出判斷、推理的能力；正確的通過查閱相關文獻、書籍、工具書及其他信息源信息已解決臨床應用中的問題的能力。同時借鑒借鑒PBL（problem based learning）改變傳統的教學方式，在教學過程中根據進度安排臨床病例討論課，提供相應的病例設計問題和相關的參考書籍書目，讓學生圍繞病例，通過書籍雜志和網絡、用解剖學知識解決問題。
2.運用現代化技術及先進的實驗教學手段。對臨床應用中的實際問題如常見病的手術治療采用計算機虛擬技術、虛擬人、醫學仿真技術等現代化實驗信息技術手段，結合學校的BB平臺、已經建好的人體解剖學PBL教學平臺和人體形態學數字化教學平臺，把虛擬實驗、醫學仿真實驗和臨床實踐問題想結合起來，使實驗教學與創新和臨床應用接軌，可以有效提高學生的學習興趣，刺激學生參與實驗的積極性。將尸體上的實際操作和虛擬仿真、現場授課和多媒體課件、網絡化遠程互動和掌上智能式平板虛擬有機結合起來，充分利用網絡、教學平臺及各種實驗教學媒體進行實驗教學，激發學生學習興趣，提高實驗技術的臨床應用性和常見手術操作的前瞻性，促進學生科學的臨床思維方法與創新能力的結合。同時讓學生了解先進的手術操作技術及其應用，拓寬知識面，培養他們的實驗技能和科研能力。
3.課外開放實驗。在開放性實驗室里，學生可以在自己支配的時間內從事提前設計的，教師審核通過的實驗，也可以完成課外的實驗，以學生為中心，自主設計制作的人體解剖學標本制作大賽。開展“解剖學實踐大賽”，學生根據自己興趣，自愿參加，自由組合，設計方案，擬定操作步驟和程序，在教師和實驗師指導下，完善方案，獨立完成解剖學標本制作和實驗報告。如學生制作闌尾炎手術的解剖學入路。
4.運用先進的實驗教學考核方法。實驗成績采取平時成績同實驗報告和實驗論文相結合的做法。鼓勵學生實驗中有創新。（1）實驗報告為平時成績，主要考察學生對實驗結果的整理、分析、總結能力。此部分成績約占總成績的30%；（2）以實驗考試、考核成績反映學生對人體解剖學的基本理論、基本技能的掌握（考試、考核的內容除解剖、觀察標本外，還應包括X光片、螺旋CT圖片閱讀及相關臨床病例分析、討論等）。此部分成績約占40%；（3）學生設計方案及實施考核，主要考察學生創新意識、科學思維方式與實踐能力。教師根據學生查閱文獻情況、實驗設計水平、實驗方案的實施情況、以及實驗結果的分析能力和科研論文撰寫情況綜合評定實驗成績，此部分成績占30%。
五、結語
人體解剖學實驗教學是醫學院校學生學習基礎與臨床課程橋梁的重要組成部分，是人才培養的重要基礎環節，是學生鞏固和深化醫學基礎理論知識的重要途徑，也是培養學生基礎技能、發現和解決臨床應用問題能力、自主學習能力、創新能力的重要途徑。因此我們非常重視實驗、實踐教學環節，從實驗教學理念、教學內容、教學方法和手段等多方面進行改革，保證實驗教學適應新形勢下對人才培養的總體要求，不斷對實驗教學進行改革，提高實驗教學的質量和水平。
【關鍵詞】虛擬實驗;彈藥檢測;
【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009―8097(2009)07―0130―02
引言
在彈藥檢測技術和傳感器技術等課程教學中,為了使學員理解講授內容,需要進行一些必要的實驗操作。由于彈藥檢測實驗具有一定的危險性、過程短暫、過程細節不易觀察、實驗費用高等特點,而虛擬實驗作為一種先進的教學手段,以其直觀性、靈活性、實時性、形象化的優勢,通過創建動畫,細化過程細節,可比較輕松地解決傳統授課方式無法解決的問題,把抽象的問題變得很直觀,使學員能置身于現場實驗氛圍之中,對突破教學難點起到了較好的作用。教學實踐證明,在現有條件下開展虛擬實驗與現場實驗相結合的實驗方法,是一種行之有效的教學方法。
一 虛擬實驗的概念和特點
虛擬實驗通常是指借助于借助計算機技術,利用文字、圖形、圖像、聲音等在微機屏幕上形成的可部分或全部代替傳統實驗過程的實驗操作環境,實驗者利用鼠標和鍵盤的操作完成實驗,使實驗者感受到與真實實驗相似的過程。我們按照教學要求組成的虛擬實驗軟件,為學員提供一個虛擬實驗環境和過程的操作平臺,它包括系統結構組成、實驗設計、工作原理、操作過程、實驗狀態、步驟提示、結論分析等。通過虛擬實驗軟件把實驗設備和教學內容有機地融為一體,加深了學員對實驗目的、原理、過程、方法、設備結構、注意事項等的理解,達到現場實驗難以實現的效果,培養了學員動手和思維能力,豐富了實驗技能,深化了對知識的理解,同時增強了學員對實驗的興趣,提高了教學效果。
二 彈藥檢測虛擬實驗的優點分析
1 保證實驗者的安全:在真實的彈藥實驗中,由于彈藥特有的危險性,容易發生安全事故,產生一定的心理負擔,而采用虛擬實驗由于不使用真槍實彈,可以避免事故發生,杜絕真實彈藥實驗的風險。
2 降低實驗成本:彈藥實驗的費用較高,少則幾十元,多則上萬元,而且一旦損壞設備,往往還會伴隨人員的傷亡,后果十分嚴重;采用虛擬實驗的投資費用比較低,可以長期使用,并可以不斷改進和優化實驗內容,近似達到零成本的效果。
3 提高學習效果:虛擬實驗軟件可以直接安裝在微機上,擺脫了傳統實驗受時間、場合的限制,學員通過調用不同的實驗模塊,可以自行選擇實驗項目,實驗結果可以通過文字、圖形、圖像、聲音等形式顯示給學員,來判斷操作是否正確,激發學員的學習興趣;它還具有重復性的特點,通過多次重復使用,加深學員對實驗的理解,使學員熟悉實驗設備的應用,鍛煉他們觀察實驗過程和分析實驗現象的能力。
4 強化學員對實驗細節的認識:彈藥實驗具有“三高一短”(高溫、高速、高壓、過程短暫)的特點,其過程復雜而短暫,很難從感官上得到深刻的認識,即使參加了實際的試驗過程,如果不采用相應的設備,也很難獲得實驗結果。彈藥發射實驗過程通常在數十毫秒內結束,實驗結果單憑人的感官是無法得出結論的。而采用虛擬實驗的方法,可以將實驗過程速度放慢,結合聲光效果,細化實驗過程,觀察細微環節,加深了對實驗內容的理解。
三 彈藥檢測虛擬實驗的實現手段[2] [3]
制作實驗課件首先要進行總體規劃,制定系統總體目標、模塊功能和實驗流程圖,繪制設備或零件圖,完成腳本編寫。
選擇合適的軟件是制作虛擬實驗課件的基礎,我們根據虛擬實驗的特點,由flash、3D Max完成二、三維動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,實現了實驗項目的虛擬實驗設計功能;課件的部分復雜設備零部件由SolidWorks軟件制作,再以圖形方式代入flash或3D Max中,充分發揮各自的特點,最后以Authorware為平臺進行模塊的鏈接合成及調試,完成課件的,它們最終都可以在Powerpoint下,以超動態鏈接被調用。
四 虛擬實驗的應用范例[1]
在彈藥檢測技術課程教學中,我們制作了多個虛擬實驗模塊,經過在課堂應用后,學員們普遍反映教學內容易于理解、印象深刻,通常完成一次虛擬實驗后,就可以基本敘述出工作原理和實驗過程,而這是教員用語言表述很難達到的效果。在此例舉幾個虛擬實驗的應用范例:
1 初速、膛壓虛擬實驗
彈藥的初速、膛壓實驗是彈藥檢測技術課程的重要實驗,但是由于現有實驗條件的限制,不可能也沒有必要每人都進行一次實驗,即使實驗者親自參加了實驗,也只是在現場聽到一聲發射的巨響,看到一團火光,從實驗設備上得到了一組數據,而對實驗中的細節是無法體會的,我們在課堂教學中采用了虛擬實驗軟件,把實驗過程以“慢鏡頭”的方式,將火藥燃燒、彈丸運動、傳感器接收測試信號等過程展現給學員,使學員清晰的看到了實驗的細節和結果,仿佛親身經歷了現場實驗。膛壓和初速虛擬實驗的部分畫面見圖1和圖2。
2 傳感器原理虛擬實驗[4]
傳感器是新型彈藥和檢測設備的關鍵部件之一,掌握傳感器的知識對理解教學內容十分重要,由于它們的結構通常精密小巧,理論推導復雜,有時很難用語言講述清楚。在講解時通過虛擬實驗演示,將結構原理、實驗曲線、工作過程等動態地展示給學員,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,通過虛擬實驗,將傳感器的結構組成、工作原理、光譜和階躍響應、靈敏度等特性形象清晰地表現出來,其部分畫面見圖3和圖4。
五 結束語
由于虛擬實驗可以生動形象地反映教學實驗內容,教員講得輕松,學員學得透徹,節約了大量的時間和精力。通過多期的教學實踐證明,虛擬實驗已經成為彈藥檢測技術和傳感器技術等課程教學的有效教學方法之一,取得了良好的效果,受到了廣大師生的青睞。但是虛擬實驗畢竟是實驗教學的輔助手段,決不能完全取代實際實驗,必要時要采用虛實結合的方式,通過個別現場實驗、(高速)錄像片回放等方法,才能達到更好的教學效果。虛擬實驗不是萬能的,我們需要把它和傳統的實驗方法相結合,具體問題具體分析,充分發揮它們各自的優勢,才能提高教學效果和質量。
參考文獻
[1] 陳雷等.彈藥檢測技術[M].石家莊:軍械工程學院出版社,2007.
[2] 李永等.Flash多媒體課件制作范例導航[M].北京:清華大學出版社, 2006.
論文摘要：工程圖學課程是理論性和實踐性都較強的課程，在理論教學中由于缺乏真實感受，學生聽課時常會感到枯燥乏味、內容很難理解，因此，在教學中進行虛擬仿真實驗教學，不但在一定程度上可以彌補實驗資源的匱乏，而且可以提高學生觀察問題、分析問題和解決問題 的能力。因此，在《工程圖學》教學中應用“虛擬仿真實驗教學”進行教學改革的探索。
0 引言
工程圖學課程教學理論與實踐相結合是非常重要的特別是學生的動手及創新能力的培養，是理論性和實踐性都較強的課程，因此實驗教學環節對學好這門課程至關重要。通過加強實踐教學環節，才能使學生真正理解和掌握該學科的理論知識。
工程圖學課程的教學是很具體形象的，它注重機構的運動及動作 ，在理論教學中由于缺乏真實感受，學生聽課時常會感到枯燥乏味、內容很難理解；機械類課程 中的實驗設備大多很昂貴，有些情況下，不能完全滿足相應的實驗要求，尤其是對每個學生而言，學生實驗通常是分組 ，對有些實驗，實驗設備很少時，分組的人數會很多，這樣學生在做實驗時會沒有很多機會熟練掌握 ；因此，如果能在教學中進行虛擬仿真實驗教學，不但在一定程度上可以彌補實驗資源的匱乏 ，而且可以提高學生觀察問題、分析問題和解決問題的能力，以求達到掌握一門專業技術技能。
1 虛擬仿真實驗應用于教學中的現實意義
目前國內大多數高校的實驗還是采用傳統方式，即老師講解、演示，再由學生自己動手。而國外已經從傳統實驗轉為實物實驗與虛擬實驗相結合，充分利用先進的計算機設備進行虛擬仿真實驗教學，取得了較好的效果。
傳統的教學模式以教師為中心，知識的傳遞主要靠教師對學生的灌輸，作為認知主體的學生在教學過程中自始至終處于被動狀態，其主動性和積極性難以發揮，不利于培養學生的發散性思維、批判性思維和創造性思維，也不利于創造性人才的培養。虛擬仿真實驗突破了傳統教學手段上的局限。學生自己動手操作，親身參與整個實驗過程的操作，通過將實際生產的工藝過程以影像、動畫等生動的形式表示，從而增強學生的感性認識和學習興趣，提高教學效果，使其實踐能力、觀察能力及歸納能力等都得到很好的鍛煉。虛擬實驗技術創設了一個人性化的學習環境 ，使學生能夠在自然、互動的氣氛中進行學習。基于以上思考 ，嘗試在《工程圖學》教學中應用“虛擬仿真實驗教學”進行教學改革的探索。
2 虛擬仿真實驗設計目標
虛擬實驗的開發工具主要是網絡虛擬現實建模語言(VRML)和三維建模軟件。VRML是一種用于建立真實世界的場景模型或人們虛構三維世界的場景建模語言。VRML的基本目標是建立因特網上的交互式虛擬對象、場景、三維模型，基本特征包括分布式、三維、交互性 、多媒體集成、境界逼真性等，是 目前 Intenet上基于“www”的三維互動網站制作的主流語言。
虛擬現實系統的設計要達到以下目標 ：
a)要使參與者有“真實”的體驗。這種體驗就是“沉浸”或“投入”，即全心地進入，簡單地說就是產生在虛擬世界中的幻覺。理想的虛擬環境應達到用戶難以分辯真假的程度，甚至比真的還“真”。這種沉浸感的意義在于可以使用戶集中注意力。為了達到這個 目標，就必須具有多感知的能力，理想的虛擬現實系統應具備人類所具有的一切感知能力，包括視覺 、聽覺、觸覺 ，甚至味覺和嗅覺。
b)系統要能提供方便的、豐富的、主要是基于自然技能的人機交互手段。這些手段使得參與者能夠對虛擬環境進行實時的操縱，能從虛擬環境中得到反饋信息 ，也能便系統了解參與者的關鍵部位的位置、狀態、變形等各種系統需要知道的數據。實時性是非常重要的，如果在交互時存在較大的延遲，與人的心理經驗不一致 ，就談不上以自然技能的交互，也很難獲得沉浸感。
3 零、部件測繪實踐虛擬輔助教學
《工程圖學》課程為機械類專業一門主要技術基礎課，是一門理論性和實踐性都較強的課程，因此實驗教學環節對學好這門課程至關重要。通過加強實踐教學環節，才能使學生真正理解和掌握該學科的理論知識。本項目的實施內容主要是采用 inventor 2008，3D max，AutoCAD及 vrml軟件系統設計虛擬實驗系統，使之能夠對齒輪油泵(圖1)、減速器(圖2)、虎鉗 (圖 3)的裝配進行動態模擬 ，通過影像、動畫等生動的形式對裝配過程進行動態模擬 ，可以充分發揮學生的主觀能動性，有利于學生獲得豐富的感性認識，激發學生進一步提出問題與尋求解決問題的興趣 ，有助于拓寬學生的知識面，有效地支持理論學習。
零部件測繪實踐虛擬輔助教學技術的做法是，以實物模型為基本要素、以實物模型測繪為主線，用計算機虛擬現實的方法，制作圖畫和動畫形式為主的直觀形象，去解析零部件的形狀結構和測繪過程。
將虛擬輔助教學融于測繪實踐教學的過程是：布置測繪任務；觀測分析實物模型；教師依據實物模型通過虛擬輔助教學課件集中指導；學生依據實物模型，參照虛擬輔助教學課件自主測繪；教師集中講評。
虛擬輔助教學主要構件是以虛擬圖象為主，配有少量文字說明的電子文檔。分別是：以動畫為主去表達零部件形狀結構的圖畫集，以對零部件形狀結構分析和視圖分析為主的圖畫集，以對零部件測繪方法和過程指導為主的圖畫集，以對尺寸、技術要求、圖樣、作業要求指導為主的圖畫集。
4 零、部件測繪實踐虛擬輔助教學技術的特點
a)基于實體的虛擬。計算機虛擬現實、虛擬三維圖與構形思維和視覺及視覺心理密切相關。實踐表明：沒有實體模型做基準沒有構形思維和視覺及視覺心理的支持，計算機虛擬現實、虛擬三維圖就會成為沒有意義的作品；另一方面，沒有構形思維和視覺及視覺心理知識去指導計算機虛擬現實、虛擬三維圖的創作，也不能獲得效果良好的作品。
b)基于圖學素質對測繪對象 (零、部件)的選擇。選擇好測繪對象是保障零、部件測繪實踐教學效果的首要條件。簡單化和過度復雜化都不可取，都可能給大學總體教學帶來損害。選擇測繪對象 (零、部件)的第一因素是考慮對學生圖學素質培養的要求，其次是考慮后續課的需求。閥類、泵類、夾具類(虎鉗)、減速器類是常選測繪對象，其主要原因是便于教學。按圖學素質培養的要求考慮，所選零、部件的測繪內容應當盡量多的涵蓋圖學主要的核心內容。例如，表達方法典型、全面，結構具有代表性。按后續課的需求考慮，所選零、部件的測繪內容要含有后續課的主要要素。
5 結語
開發零、部件虛擬測繪裝配實驗是為了拓寬實驗教學平臺，改進測繪方法，提高測繪效率和品質，減輕教學負擔。這一教學技術的核心涉及到傳統測繪的方方面面，也涉及到現代教育技術的深層理論和技術問題。當然虛擬仿真實驗不能完全替代實物實驗，但可以探索將其作為實物實驗及課堂理論教學的補充。
參考文獻
【關鍵詞】趣味性;虛擬實驗;設計;層次;情境
【中圖分類號】G40―057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009―8097(2009)10―0134―04
一 引言
從目前虛擬實驗的研究來看,多數局限在研究虛擬實驗的開發、虛擬實驗的優缺點以及虛擬實驗的教學模式等問題上,而對虛擬實驗如何與學習者建立情感上的交流,從而激發學習者的學習興趣、增強學習者的求知欲望等問題上,關注的較少,這也正是虛擬實驗教學效果優劣的關鍵因素之一。例如中學物理電學實驗要求學生掌握電學的基本元器件和連接方法,互聯網上相關的虛擬實驗大多可以實現元器件的識別和繪制電路圖這些基本功能,然而這些虛擬實驗僅僅是對教學內容的呈現,并沒有創設與之相關的情境和任務,缺乏與學習者的情感交流,在交互行為上也較為復雜,導致了學習者對該類虛擬實驗不感興趣、沒有好奇心,很容易產生厭煩、急躁和排斥情緒,學習效果大打折扣。愛因斯坦曾說過:“興趣是最好的老師”。興趣是求知的巨大動力、發明創造的源泉。對于正處于學習厭倦期的青少年來說,學習興趣對他們知識的掌握、能力的發展乃至才能的形成都有巨大影響。因此,虛擬實驗如何能更有趣味性、更能激發學習者的求知欲望是非常值得研究的,構建這類虛擬實驗即“趣味性”虛擬實驗具有一定現實意義。
二 “趣味性”虛擬實驗設計的三個層次
“趣味性”虛擬實驗通過創設虛擬情境,優化學習者學習的外部條件,能激發學習者的學習興趣,但還要保證學習者在學習過程中全身心投入、避免產生厭煩情緒。“趣味性”虛擬實驗的設計應從情感、表現和行為三個層次把握(如圖1),每一個層次在虛擬實驗中發揮的作用不同,每一層次也需要不同的設計風格。
1 情感層次――結合實際問題創設虛擬情境的設計
情境教學是指在教學過程中,教師有目的地引入或創設具有一定情緒色彩的生動具體的場景,以引起學生一定的態度體驗,從而達到對教材的深入理解和熟練把握。“趣味性”虛擬實驗借鑒了情境教學的理念,將教學目的、教學內容同實際問題聯系起來,創設能引起學生態度體驗的虛擬情境。對于實際問題,學生看得見,摸得著,有的親身經歷過,當學生在學習過程中遇到這些問題時,他們都躍躍欲試,想學以致用。結合實際問題創設虛擬情境,學生置身其中,身臨其境,觸景生情,能激發學生的情感體驗,調動學生的積極性,使學習由被動變為主動,學生由旁觀者變為參與者,發揮了學生的最大潛能。此外,在創設的情境中,要體現具有一定挑戰性的任務,根據學生完成任務的情況,給予相應的獎勵與懲罰,有助于提高學習的內在吸引力,使學習更有意義。
2 表現層次――恰當地運用多媒體元素的界面設計
多媒體技術對教育的發展起著巨大的推動作用,并逐步影響著教學手段、教學方式的變化和教學觀念的更新。“趣味性”虛擬實驗不僅是對現實世界的模擬,更是在創設一個有益于激發學生興趣和探究欲望,并引起學生思維和想象的環境。這種環境的創設離不開多媒體元素,一方面多媒體元素形象鮮明,畫面逼真,形象直觀,可以真實的再現現實世界中的景物,很容易將學習者帶入情境中,進而激發學生興趣,有利于學習活動的持續進行;另一方面將圖片、聲音、視頻等多媒體元素加入到“趣味性”虛擬實驗中來,對學生的感官起到一定得刺激作用,使枯燥的學習變得生動活潑。
在“趣味性”虛擬實驗中運用多媒體元素要恰如其分,必須注意“度”的問題。例如有些虛擬實驗設計者會在角落里放一個活潑生動的小動物,這雖然可以激發學習者的學習興趣,但同時也分散了學生的注意力,很容易產生負面影響。因此,“趣味性”虛擬實驗中的多媒體元素要和主題息息相關,慎重選擇,合理運用。
3 行為層次――操作簡捷、適時準確的交互設計
心理學研究表明:人的認知心理雖然有求新求變的特點,但在完成具體任務時卻要求越簡單越好,即認知負荷越輕越好[1]。“趣味性”虛擬實驗在提高中小學生的學習效果方面更為明顯,由于他們的計算機水平、思維能力有限,根據認知負荷理論,對于控制虛擬物體的設計方面,要在能體現真實行為的前提下,控制方式越簡捷越好,過于復雜的控制方式往往會增加學習者的認知負載,從而降低學習者的學習動機甚至放棄學習。而且,對于學習者容易出現疑問、錯誤的地方和學習結果要給予適時準確的提示和反饋,適時、準確、人性化的提示和反饋信息能對學習者進行鼓勵和引導,提高其學習的自信心并激發其進一步學習的欲望。
三 “趣味性”虛擬實驗的設計流程
按照“趣味性”虛擬實驗設計的三個層次,同時借鑒電腦游戲故事情節、環境設置和角色控制三個要素及教育性原則,將“趣味性”虛擬實驗的設計分為教學分析、情境創設、界面設計、交互設計和測試五個環節,這五個環節相互影響,層層遞進,逐步細化,其中情境創設、界面設計和交互設計三個環節同“趣味性”虛擬實驗設計的三個層次相互照應,是構建“趣味性”虛擬實驗的關鍵(如圖2)。下面結合“認識人民幣”虛擬實驗來具體分析“趣味性”虛擬實驗的設計流程、實現方法以及注意事項。
1 教學分析
為了保證“趣味性”虛擬實驗的教育性和科學性,首先要運用教學系統設計的理論進行需求分析、教學內容分析、教學目標分析和學習者分析,明確構建虛擬實驗的必要性、所要解決的問題及達到的程度。
“認識人民幣”是小學一年級數學課本中的教學內容。小學生的好奇心強、自制力差、思維水平較低,對學習有一定的厭煩心理。“認識人民幣”這一教學內容是在學習者初步的生活經驗基礎上對人民幣進行的系統學習。經調查發現,在講授該教學內容時存在兩個問題:①學生的學習積極性不高、注意力不集中;②部分學生雖能掌握“一元=10角,一角=10分”這一知識點,但對換畢、取幣、購物等問題始終模糊不清。針對這些問題有必要開發虛擬實驗,以提高學習者的學習動機,進而更好的掌握“認識人民幣”這一知識點及其應用。
2 情境創設
德國教育家第斯多惠說:“教育的藝術不在于傳播的本領,而在于激勵、喚醒和鼓舞”。教學情境的創設正是激勵、喚醒和鼓舞學生的一種教學手段。在“趣味性”虛擬實驗中創設教學情境應遵循以下原則:①真實性:所設情境必須符合學生學習的認知規律,注重聯系學生的現實生活,不能盲目創設。②形象性:形象的、具體的、感性的情境能有效的激發和刺激學生的想象和聯想。③任務性:所創設情境需體現一定的任務,這樣學習者的注意力容易穩定下來,也愿意圍繞這一任務展開思考。
“趣味性”虛擬實驗的特點是將人的學習與虛擬環境相統一、將抽象的知識和生動的情境相結合。結合教學分析,將“認識人民幣”的教學內容劃分為基礎知識和模擬購物兩個模塊(如圖3)。
基礎知識模塊包括識幣、換畢和取幣三個基本知識點,模擬購物模塊用于創設“購買物品”的情境。學習者在完成基礎知識后,進入購物模塊,對基本知識進行鞏固、提高和應用。購物模塊的設計具體分為情節、挑戰和幫助三個部分:
(1) 情節:在“虛擬商店”中設置了食品、動物和用品三類商品,教師(即實驗說明)要求學生到虛擬商店購買若干種物品,并說明相應的懲罰與獎勵措施。
(2) 挑戰:在模擬購物模塊中設置了生命值和時間,隨著時間的推移生命值逐漸降低,當生命值為零或時間耗盡時,系統自動退出該模塊。學習者若正確購買所選物品,回饋一定的生命值,并隨機獎勵玩具、鮮花等,反之,則懲罰臭雞蛋或炸彈,根據學習者獎勵和懲罰所獲得的分數,進行英雄榜排名。學習者可以通過“查看成績”模塊查看排名情況。
(3) 幫助:為學習者提供學習方面的支持與幫助。學習者在虛擬實驗學習中遇到困難時,如不知某個物品該付多少錢,通過尋求幫助系統會給出正確的答案,每個學習者共有三次使用幫助的機會。
人都有力求成功的天性,在創設了這樣的情境后,以任務和排名為誘因,一方面激發了學習者學習的積極性和主動性,另一方面也有利于學習者對所學知識的深入理解,順利的實現了知識的遷移和應用。學習者在娛樂的同時,也收獲了知識。
3 界面設計
學習者與虛擬實驗的一切操作都是通過界面進行的,界面設計的好壞直接影響著學習者的學習興趣和學習效果。虛擬實驗的界面設計包括風格和布局兩方面,風格是指虛擬實驗的整體形象給學習者的綜合感受,包括虛擬實驗的色彩、字體、標志等諸多內容;布局是指虛擬實驗的分塊結構,功能元素的尺寸位置,涉及的內容有結構、標題、導航等。風格獨特、美觀大方的界面會對學習者的學習產生激勵作用,否則,就會使學習者感到單調、乏味。“趣味性”虛擬實驗的應用對象主要是中小學生,其風格應體現學科特性與卡通風格,一般以暖色調為主,布局要注意盡量避免界面元素過于復雜,遵循合理、清晰、簡捷、層次分明的原則,讓學習者在使用時有一個愉快的心情。“認識人民幣”趣味性虛擬實驗的界面設計如圖4所示,實驗的整體風格為暖色調,根據不同的場景選擇不同的色彩合理搭配,根據不同情況靈活運用文字、符號、聲音、圖片、動畫等多媒體信息,從視聽方面加大對學習者的刺激,給學習者帶來享受,促進其對學習內容的理解和掌握。實驗的導航包括實驗說明、基礎知識、模擬購物、查看成績、幫助文檔和退出程序幾個模塊,模擬購物模塊具體又分為商店頁面、付款頁面、購買成功或失敗頁面三個小部分,整體清晰直觀、簡便易用。
4 交互設計
在“趣味性”虛擬實驗中,交互不僅是學習者同虛擬實驗之間的信息交流,也是虛擬情境展開的手段。“趣味性”虛擬實驗中的交互設計包括控制虛擬物體和呈現提示與反饋信息兩個方面:
(1) 虛擬物體的控制
虛擬物體的控制是指學習者操作虛擬物體的方式。“趣味性”虛擬實驗控制物體的方式有多種,如鍵盤、鼠標點擊、鼠標雙擊、鼠標滑過、鼠標拖動、鼠標右鍵等。采樣哪種控制方式,應根據實驗本身的特點、功能、創設的情境以及技術實現,遵循方便、易懂、合理的原則,要盡量與真實實驗控制方式相近或有明顯的操作提示。鼠標操作能實現的盡量不使用鍵盤,鼠標點擊能實現的不用雙擊,而且對于同一類物體要采用相同的控制方式,如控制物體A采用鼠標拖動的方式,控制同類物體B也要采用這種方式,否則二者的操作行為不一致,很容易使學習者產生混亂、不適應。在“認識人民幣”趣味性虛擬實驗中,選擇虛擬物體的行為采用了鼠標滑過和點擊兩種方式,當鼠標滑時虛擬物體變大并呈現價錢和名稱信息(圖5A),當鼠標點擊后,進入購買頁面,可以進行付款操作;對付款的操作采用鼠標拖動的方式,學習者將錢幣從位置A拖動到位置B時,即可完成操作,采用這種方式簡便、實用,可以降低學習者的認知負載(圖5B)。
(2) 提示和反饋信息的呈現
提示和反饋信息是虛擬實驗的主要構成元素。提示信息出現在操作動作之前,用以對學習者未來的操作進行引導;反饋信息出現在操作動作之后,用以對當前操作的確定或對錯誤予以糾正,讓學習者及時了解自身狀況[2]。在“趣味性”虛擬實驗中,主要是針對重難點、學習結果以及學習者可能出現疑問的地方提供適當的提示和反饋。運用提示和反饋信息必須及時準確,能夠給學習者針對性的指導,任何的滯后和延時都會給學習者帶來思維中斷、興趣轉移甚至是厭煩心理的產生;此外提示和反饋信息盡量要人性化,語言要有感彩,盡量以鼓勵性的語言來調控學習者的情緒、注意力等,從而促進學習者保持最佳學習狀態。在“認識人民幣”趣味性虛擬實驗中,當學習者選擇物品或付款之后,系統都會給出提示信息,以便學習者確認或取消操作;在付款操作之后,若學習者所付金額和物品價格相等,系統給出購買成功反饋并獎勵鮮花或玩具,對學習者進行鼓勵,見圖5(C);若學習者所付金額和物品價格不等,系統給出購買失敗的反饋,并告知二者的差距,以便學習者及時糾正自己的錯誤。
5 測試與
測試是指在“趣味性”虛擬實驗完成后進行的整體功能、性能、穩定性的調試和優化,如不同場景之間色彩搭配、交互和鏈接的可用性、是否存在斷點等問題。是將整個虛擬實驗程序打包,以便在服務器或單機上運行,可以根據實際情況選擇不同的格式,本文開發的“認識人民幣”趣味性虛擬實驗最終為HTML格式。
四 結語
學習興趣是保證教學有效性最重要的因素之一。“趣味性”虛擬實驗在傳統虛擬實驗構建的基礎上,充分發揮了多媒體技術和虛擬現實技術的優勢,以激發學習者興趣、提高學習動機為主線,將實際問題和教學內容有機結合,創設虛擬情境,界面設計和交互設計圍繞虛擬情境展開,給學生創造了一個愉快、輕松、和諧的學習環境,有利于學習者深入理解教學內容,使學習變得更有意義。
參考文獻
（1）創建藝工結合開放式實踐教學網絡管理模式。以實踐創新能力培養為核心，以現代教育技術為手段，以計算機網絡為支撐，自主研發實驗室與實踐教學綜合管理系統。系統包含三大模塊：包含實驗項目、實驗隊伍、實驗室數據上報和報表匯總、成果管理等 8 項內容的實驗室綜合管理模塊；貫穿于畢業設計（論文）全部流程的管理子系統；包含本科生科研訓練管理、實驗室開放項目管理、學科競賽項目管理 3 個子系統的大學生創新計劃管理模塊。
（2）構建“三層次、五模塊”的實踐教學體系。建立基于網絡管理的“基礎實驗技能訓練”“專業綜合能力訓練”和“設計創新能力訓練”三層次和“驗證性實驗設計性與創新性實驗跨課程綜合性實驗藝術創作（工程設計）能力實訓集成創新實踐（創作、研究開發）”五模塊的實踐教學體系。
（3）夯實基礎，強化創新，多方位拓展和豐富實踐教學內容，重塑學生知識結構。創建本科生科研訓練、實驗室開放和學科競賽項目，并將其作為實踐教學的重要內容。積極開展項目教學，推進產學研合作。將三類項目與相關課程相結合，突破傳統內容局限，實現理論與實踐的緊密融合。
（4）搭建貫穿人才培養全過程，多方協同、資源共享、產學研合作的“大實踐”平臺。將相關實驗室和工作室、大學生創意工廠、市級實驗教學示范中心、校級科研和學科競賽基地等校內資源與校外人才培養基地等資源進行有機整合。
（5）建立實踐教學項目的評審、管理和獎勵等長效機制。制定各類項目管理辦法，建立教務處、各教學部門、項目負責人的三級項目管理制度。每年以網絡為平臺，開展項目的立項工作，并強化網上過程管理，定期進行項目驗收與總結。
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：
[1] 丁美榮，柴少明.基于虛擬實驗與真實實驗整合的計算機網絡實驗教學改革[J].現代教育技術，2007，7(17):99-102.
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