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第1篇

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué) 仿真實(shí)驗(yàn) 探討

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2013）08（b）-0040-02

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工科類專業(yè)素質(zhì)教育的重要組成部分，是鞏固課堂所學(xué)知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究方法、實(shí)驗(yàn)基本技能以及創(chuàng)新能力的重要途徑。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革有助于提升整體教學(xué)水平。實(shí)驗(yàn)室硬件水平是開(kāi)展教學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本保障，但由于人力、物力、財(cái)力的限制，實(shí)驗(yàn)室硬件通常不能滿足實(shí)際教學(xué)需求。比如，實(shí)驗(yàn)室缺乏必要的專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備導(dǎo)致教學(xué)計(jì)劃中的一些教學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)法順利開(kāi)展，或者部分教學(xué)設(shè)備陳舊老化、數(shù)量嚴(yán)重不足，無(wú)法為每個(gè)學(xué)生提供全程動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，另外某些專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴甚至實(shí)驗(yàn)過(guò)程存在一定的危險(xiǎn)性也導(dǎo)致許多學(xué)校在開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)常常有所保留。有些實(shí)驗(yàn)受到場(chǎng)地和課時(shí)限制，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)效果不理想，這些都直接影響了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。上述問(wèn)題除了通過(guò)合理的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和設(shè)備購(gòu)置來(lái)解決外，還可借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)解決。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)是指在交互狀態(tài)下，借助編程軟件、多媒體、仿真等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助、部分替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，學(xué)生可以像在真實(shí)環(huán)境一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所得的結(jié)果甚至優(yōu)于實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)具有很多的優(yōu)點(diǎn)它營(yíng)造了多樣化的教學(xué)環(huán)境，能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；將仿真實(shí)驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)鏈接后，學(xué)生可以利用校園網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間的限制；可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，實(shí)現(xiàn)多種實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

一些高等院校和企業(yè)開(kāi)發(fā)了適用于不同專業(yè)、實(shí)現(xiàn)不同功能的實(shí)驗(yàn)仿真軟件，促進(jìn)了仿真實(shí)驗(yàn)在工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。如能實(shí)現(xiàn)離心泵測(cè)定、精餾、吸收等功能的化工原理仿真實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證電工基本定理的電工電子仿真實(shí)驗(yàn)、大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)、建筑工程仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)等。在熱能與動(dòng)力工程專業(yè)中有西安交通大學(xué)[1]開(kāi)發(fā)的制冷過(guò)程多媒體演示與模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)，浙江大學(xué)[2]開(kāi)發(fā)的基于web的小型冷庫(kù)教學(xué)系統(tǒng)，東南大學(xué)[3]開(kāi)發(fā)的制冷空調(diào)綜合創(chuàng)新模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，長(zhǎng)沙理工大學(xué)[4]開(kāi)發(fā)的能夠?qū)崿F(xiàn)二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、豎壁附近自然對(duì)流換熱和輻射角計(jì)算3個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)的傳熱學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)等。這些仿真實(shí)驗(yàn)借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過(guò)聲音、動(dòng)畫(huà)、彩色圖像等豐富的表現(xiàn)力為學(xué)生提供了內(nèi)容豐富、形象直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，取得了較好的教學(xué)效果。

3 傳熱學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)

傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)，與傳熱學(xué)理論課程互為補(bǔ)充，是課堂理論教學(xué)的繼續(xù)和深化，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的解決工程實(shí)際問(wèn)題能力和研究開(kāi)發(fā)能力具有重要的作用。在傳熱學(xué)教學(xué)中引入仿真實(shí)驗(yàn)，是為了更好地完成大綱中規(guī)定而實(shí)際無(wú)條件實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容。以我校熱能與動(dòng)力工程專業(yè)為例，目前本專業(yè)傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量（10臺(tái)）、外掠管束對(duì)流傳熱系數(shù)測(cè)量（2臺(tái)）、換熱器性能測(cè)試（3臺(tái)）等。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)較少且實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)量太少遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法保證每個(gè)同學(xué)的實(shí)際動(dòng)手操作。另外，因?qū)嶒?yàn)設(shè)備使用過(guò)于頻繁導(dǎo)致其老化加快，實(shí)驗(yàn)中就曾出現(xiàn)因設(shè)備部件故障而無(wú)法繼續(xù)實(shí)驗(yàn)的情況，如換熱器性能實(shí)驗(yàn)中因熱電偶出錯(cuò)影響了實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。因此，在不能保證足夠?qū)嶒?yàn)設(shè)備數(shù)量前提下，借助計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)輔助傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能擴(kuò)展本專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，還能幫助學(xué)生深入了解實(shí)驗(yàn)原理，保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。

3.1 傳熱學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)介紹

根據(jù)傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，我們對(duì)現(xiàn)有的硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了綜合分析，確定了這些設(shè)備能夠開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，把無(wú)法開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)代替。為此，我們開(kāi)發(fā)了一套傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件，下面就此軟件進(jìn)行介紹。

傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件采用的開(kāi)發(fā)工具為Visual Basic 6.0軟件，該軟件可以很方便地實(shí)現(xiàn)用戶界面、菜單、操作按鈕和工具條的制作，能夠完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要的原理演示、實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成顯示、閥門(mén)開(kāi)關(guān)與開(kāi)度調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)幫助等功能，開(kāi)發(fā)的軟件用戶容易上手，使用起來(lái)很方便。圖1為其中的水平圓管壁面自然對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式仿真實(shí)驗(yàn)主界面。界面主要由標(biāo)題欄、狀態(tài)條、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、操作按鈕組成。點(diǎn)擊操作按鈕可以實(shí)現(xiàn)加熱器的電壓調(diào)節(jié)，可以查看并學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的相關(guān)內(nèi)容，還可以查看實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的換熱量和溫度參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化情況以及確定讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件的功能是能實(shí)現(xiàn)圓球法測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)、二維導(dǎo)熱溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算、非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算、水平圓管壁面自然對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式實(shí)驗(yàn)、中溫輻射物體黑度測(cè)試和換熱器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)等6項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備形成互補(bǔ)后，基本上涵蓋了包括導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射和換熱器在內(nèi)的所有傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件采用模塊化建模，開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將每部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為一個(gè)單獨(dú)模塊。每個(gè)模塊中除了包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)動(dòng)畫(huà)圖形外，還包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理方法和思考題等內(nèi)容。開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用了動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)即時(shí)顯示，使模擬實(shí)驗(yàn)更貼近于實(shí)際情形，學(xué)生可根據(jù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化隨時(shí)了解實(shí)驗(yàn)進(jìn)行情況并判斷數(shù)據(jù)讀取的時(shí)機(jī)。由于該仿真軟件詳細(xì)地介紹了每個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理、內(nèi)容、操作步驟、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，所以它也可作為傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)工具使用。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

通過(guò)使用該傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件，取得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。首先，該傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件能夠?qū)崿F(xiàn)因缺少相關(guān)實(shí)驗(yàn)室硬件而無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，完成了傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生使用后，加深了對(duì)數(shù)值計(jì)算、對(duì)流傳熱、輻射、換熱器性能等實(shí)驗(yàn)涉及的理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容的理解，豐富了學(xué)生的傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生對(duì)傳熱學(xué)知識(shí)的全面學(xué)習(xí)和理解。

其次，由于實(shí)驗(yàn)形式新穎，加上界面設(shè)計(jì)友好，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣較高，實(shí)驗(yàn)后普遍反映對(duì)所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)尤其是原理和數(shù)據(jù)處理等相關(guān)內(nèi)容有了更全面和深刻的了解。另外，由于該仿真軟件具有完善的用戶幫助功能，且可以直接在Blackboard教學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行操作，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)不受實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間限制，也可多次進(jìn)行，使用起來(lái)相當(dāng)方便，效果較好。

為了取得更好的教學(xué)效果，未來(lái)將在該傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件中進(jìn)一步增加測(cè)試與評(píng)分模塊，實(shí)現(xiàn)用戶仿真實(shí)驗(yàn)效果的即時(shí)測(cè)試與打分。還將在該實(shí)驗(yàn)仿真軟件中增加更多的動(dòng)態(tài)模擬內(nèi)容，使其更喜迎并方便用戶使用。

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，本文探討了計(jì)算機(jī)仿真在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，分析了仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)我們開(kāi)發(fā)的一套傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真仿真軟件進(jìn)行了介紹，并概括描述了仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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第2篇

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；真實(shí)實(shí)驗(yàn)；儀器

高中生物學(xué)科中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生在教材及教師的指導(dǎo)下自主完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課堂中的扎實(shí)展開(kāi)，能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和操作能力，促進(jìn)學(xué)生在掌握生物原理和操作技能的基礎(chǔ)上，更加全面地認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)生物科學(xué)。在高中生物課堂中，學(xué)生可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單快捷地了解和掌握所學(xué)的生物知識(shí)及原理，感受生物這門(mén)特殊的自然科學(xué)。

一、當(dāng)前高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

然而，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，許多方面存在不足，如實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所需要的材料過(guò)少或者缺少其中某一樣實(shí)驗(yàn)器材都將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法正常開(kāi)展。而有些則是因?yàn)樗M(jìn)行的實(shí)驗(yàn)本身存在一定的危險(xiǎn)性而無(wú)法真正開(kāi)展，以至于實(shí)驗(yàn)教學(xué)在生物課堂中成為一種擺設(shè)，也就無(wú)法發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)本身的輔助作用。這不僅嚴(yán)重影響著教師的教學(xué)活動(dòng)，還減少了學(xué)生全面學(xué)習(xí)生物知識(shí)的方法和途徑。當(dāng)然不免有些教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中為了節(jié)省時(shí)間而演示生物實(shí)驗(yàn)，也就是通常所說(shuō)的教師做、學(xué)生看。這樣一來(lái)，學(xué)生也就不會(huì)積極主動(dòng)地參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，這不僅不利于培養(yǎng)他們的動(dòng)手實(shí)踐和操作能力，還降低了他們運(yùn)用生物知識(shí)去分析和解決實(shí)際問(wèn)題的意識(shí)與能力。由此可見(jiàn)，高中生物教學(xué)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展存在許多的問(wèn)題，而作為高中生物教師，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中要善于科學(xué)合理地運(yùn)用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)于存在危險(xiǎn)性及實(shí)驗(yàn)器材缺乏的實(shí)驗(yàn)，我們可以利用計(jì)算機(jī)、多媒體技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以此突破生物實(shí)驗(yàn)的局限性，實(shí)現(xiàn)生物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的相互交融與

互補(bǔ)。

二、高中生物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的整合

（一）虛擬儀器及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

高中生物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)即利用全新的、先進(jìn)的且富有生命力的虛擬儀器和多媒體計(jì)算機(jī)，對(duì)教材數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，在虛擬操作中為學(xué)生展示其中的實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與智能技術(shù)及音響技術(shù)等多方面的功能，給學(xué)生以直觀形象的感受，促進(jìn)他們更加簡(jiǎn)單快捷地學(xué)習(xí)和掌握生物實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及操作。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)虛擬儀器進(jìn)行，虛擬儀器就是在多媒體計(jì)算機(jī)上配上相應(yīng)的專用軟件和硬件，并設(shè)定和設(shè)計(jì)好的測(cè)試功能，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)儀器所具備及缺乏的特殊實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1.虛擬儀器的特點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器，虛擬儀器更加智能，處理能力更強(qiáng)，且使用起來(lái)更加方便靈活，它的開(kāi)放性和功能軟件的模塊化有利于提高資源的重復(fù)利用率，并縮短系統(tǒng)組建時(shí)間。運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)生物實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分析、存儲(chǔ)、顯示及打印，能夠有效地完善數(shù)據(jù)的傳輸和交換等性能，使得組建系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單快捷。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)使抽象的生物知識(shí)更加形象和具體，運(yùn)用多媒體為學(xué)生提供聲音、圖像、文字等多方面的內(nèi)容，其信息量大且應(yīng)用范圍廣，能夠在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的基礎(chǔ)上，提高他們對(duì)生物知識(shí)的表達(dá)和運(yùn)用能力。在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)之前，教師可以利用多媒體計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃瓦^(guò)程進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，從不同的角度和層次為學(xué)生加以演示和講解，促進(jìn)他們形象化思維的形成。高中生物教學(xué)中進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤為重要，不僅有利于提高生物教與學(xué)的質(zhì)量和效果，還能夠保障實(shí)驗(yàn)設(shè)備及教師的安全，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高效開(kāi)展。相對(duì)于傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)給學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程增加了許多樂(lè)趣，使他們更加熱愛(ài)生物實(shí)驗(yàn)，樂(lè)于學(xué)習(xí)生物知識(shí)。

例如，人教版高一生物必修2第三章《基因的本質(zhì)》中，DNA分子的結(jié)構(gòu)和復(fù)制過(guò)程微觀、抽象，學(xué)生即使制作出DNA物理模型，也難以在不斷犯錯(cuò)和糾正過(guò)程中，準(zhǔn)確模擬整個(gè)復(fù)制過(guò)程。借助虛擬仿真系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)對(duì)DNA分子的復(fù)制步驟進(jìn)行分析整合，使學(xué)生能夠展開(kāi)思維的翅膀，自由模擬想象中的復(fù)制過(guò)程。在各種史料和事實(shí)的支撐下，構(gòu)建、完善DNA復(fù)制模型。在手腦并用操作實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中直觀地感受和理解DNA復(fù)制的方式、特點(diǎn)，大大提高了生物教學(xué)的效率。

（二）真實(shí)實(shí)驗(yàn)

真實(shí)實(shí)驗(yàn)是教師在生物教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，它給學(xué)生以真實(shí)的感受，消除他們對(duì)抽象知識(shí)點(diǎn)及虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)障礙，并在這樣的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)生物產(chǎn)生新的認(rèn)識(shí)和看法，這對(duì)高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)起著重要的作用。

（三）高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系

高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的真實(shí)實(shí)驗(yàn)是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，即虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的模擬，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行У貜浹a(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)和局限性，二者相輔相成。因此，教師在教學(xué)過(guò)程中結(jié)合它們各自的優(yōu)勢(shì)，對(duì)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，可以取得良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1.能真勿虛

對(duì)于生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中那些過(guò)程簡(jiǎn)單且易于操作的實(shí)驗(yàn)，且在現(xiàn)有條件下能夠運(yùn)用真實(shí)實(shí)驗(yàn)完成并達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果的，教師在教學(xué)時(shí)就要運(yùn)用簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)儀器完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2.虛實(shí)互補(bǔ)

在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有的主要是觀察試驗(yàn)中所產(chǎn)生的現(xiàn)象，而有的是以得出結(jié)論為主，也有以理解生物規(guī)律和實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)儀器使用為主的。這就要求教師在實(shí)際教學(xué)中根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的不同，準(zhǔn)確無(wú)誤地確定是要采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還是真實(shí)實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的條件限制，需要采用先進(jìn)技術(shù)或是稀缺儀器的實(shí)驗(yàn)，或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象不太明顯的實(shí)驗(yàn)，一般采用仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，在學(xué)習(xí)新知時(shí)，教師可以先安排相關(guān)的簡(jiǎn)單、易于操作的真實(shí)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在對(duì)主要實(shí)驗(yàn)儀器有了一定的真實(shí)感受之后，再輔之以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，這樣能夠有效地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

總而言之，在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用和發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的作用，并充分結(jié)合這兩者的優(yōu)勢(shì)，以此，在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力的基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)而高效的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)手段，鍛煉理性思維能力。只有這樣，才能更好地達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，并培養(yǎng)出具有扎實(shí)生物實(shí)驗(yàn)?zāi)芰酮?dú)立思維能力的創(chuàng)新型人才。

參考文獻(xiàn)：

第3篇

【關(guān)鍵詞】載運(yùn)工具運(yùn)用工程 研究生仿真訓(xùn)練 汽車綜合仿真

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）06-0161-01

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和專業(yè)仿真技術(shù)的發(fā)展，要求汽車生產(chǎn)企業(yè)在設(shè)計(jì)研發(fā)階段要加快進(jìn)度。在這樣新的形勢(shì)下，對(duì)高校機(jī)械相關(guān)專業(yè)研究生培養(yǎng)提出了更高的要求：不僅要求研究生掌握數(shù)學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、電子電工等傳統(tǒng)基礎(chǔ)課程知識(shí)，同時(shí)還要掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，會(huì)運(yùn)用成熟的專業(yè)仿真計(jì)算軟件進(jìn)行建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)。一個(gè)只懂得用傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、并根據(jù)計(jì)算結(jié)果作機(jī)械零部件圖的學(xué)生，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代企業(yè)的需求。

我校載運(yùn)工具運(yùn)用工程學(xué)科，在充分利用中央地方共建資金和交通運(yùn)輸部建設(shè)資金基礎(chǔ)上，建立了獨(dú)立的載運(yùn)工具運(yùn)用工程仿真實(shí)驗(yàn)室。目前該仿真實(shí)驗(yàn)室有服務(wù)器一臺(tái)、工作電腦20臺(tái)。購(gòu)買(mǎi)了Hyper-mesh、AVL-FIRE、GT-suite等專業(yè)仿真軟件。本綜合仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過(guò)利用這些專業(yè)仿真軟件，分步驟、分階段進(jìn)行模擬仿真訓(xùn)練，在研究生開(kāi)題之前，將課題研究中所用專業(yè)軟件和基本技能訓(xùn)練一遍。下面以“汽車綜合仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”為例，將綜合仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分解為三個(gè)子訓(xùn)練項(xiàng)目，說(shuō)明整個(gè)訓(xùn)練項(xiàng)目的流程。

一、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室三維設(shè)計(jì)仿真訓(xùn)練項(xiàng)目

本訓(xùn)練項(xiàng)目利用Hyper-mesh軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)三維模型，主要是包括燃燒室和進(jìn)氣道部分。然后將發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室及進(jìn)排氣道模型分離出來(lái)。對(duì)燃燒室模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)行缸內(nèi)三維仿真計(jì)算，可以得到燃燒放熱規(guī)律及缸壓曲線。在進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以對(duì)氣道、活塞、凸輪軸（配氣相位）等零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用缸內(nèi)三維仿真模型還可以進(jìn)行氣道流動(dòng)仿真計(jì)算。特別針對(duì)帶有進(jìn)排氣氣道的燃燒室模型，可以對(duì)凸輪軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，開(kāi)展進(jìn)氣流量、發(fā)動(dòng)機(jī)回火等問(wèn)題的研究。

本項(xiàng)目要求學(xué)生能夠熟練掌握三維模型分離技術(shù)、掌握網(wǎng)格劃分技術(shù)、初步掌握三維仿真的理論基礎(chǔ)和三維仿真分析能力。

二、發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能仿真訓(xùn)練項(xiàng)目

在本訓(xùn)練項(xiàng)目中，首先獲取發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能仿真所需要的基本幾何參數(shù)數(shù)據(jù)，利用GT-POWER軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)仿真計(jì)算模型。在模型中，輸入發(fā)動(dòng)機(jī)管路及缸內(nèi)幾何尺寸、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火順序、氣門(mén)升程曲線、摩擦功曲線、過(guò)量空氣系數(shù)及邊界等條件，將訓(xùn)練1中所得到的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒放熱規(guī)律帶入到整機(jī)模型中，進(jìn)行整機(jī)性能仿真計(jì)算。根據(jù)不同轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷條件設(shè)置一系列計(jì)算工況，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況條件下的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線和萬(wàn)有特性圖。

本訓(xùn)練項(xiàng)目要求學(xué)生掌握發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)仿真模型的建模方法，理解模型中參數(shù)的物理意義，掌握vibe等燃燒模型的設(shè)置方法。能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況對(duì)燃燒放熱規(guī)律進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，得到精確合理的計(jì)算結(jié)果。

三、整車性能仿真訓(xùn)練項(xiàng)目

根據(jù)某整車的基本結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化物理模型，從GT-DRIVE的模板中選用復(fù)合模塊、控制模塊、連接模塊、傳感器及執(zhí)行器模塊等，搭建仿真模型，建立汽車系統(tǒng)的各總成和部件的機(jī)械連接和信號(hào)連接，并對(duì)各部件和總成進(jìn)行參數(shù)化處理，完成整車建模。然后進(jìn)行仿真計(jì)算得到各個(gè)擋位下的加速度、最大爬坡度、最高車速、最大功率等整車動(dòng)力性指標(biāo)和百公里油耗等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。可以進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)一體化研究的認(rèn)識(shí)。

本項(xiàng)目要求學(xué)生在掌握汽車基本結(jié)構(gòu)和電控基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，掌握整車仿真建模方法、能夠根據(jù)不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行仿真計(jì)算，并能夠?qū)τ?jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

四、小結(jié)

汽車綜合仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含了發(fā)動(dòng)機(jī)零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)三維仿真于燃燒排放特性分析、發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能仿真分析、整車動(dòng)力傳動(dòng)性能仿真等一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真的子訓(xùn)練項(xiàng)目。即使不能讓每個(gè)學(xué)生全都做一遍，但通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作，將與本學(xué)科領(lǐng)域相關(guān)的學(xué)生分組，可以分解完成每個(gè)子項(xiàng)目。既可以讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)仿真技術(shù)在汽車現(xiàn)代化設(shè)計(jì)中的作用，又鍛煉了學(xué)生開(kāi)展實(shí)際項(xiàng)目的科研能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 楊秉耀，劉麗葵.加強(qiáng)研究生實(shí)驗(yàn)技能培訓(xùn)的研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009.6.

第4篇

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，所謂物理實(shí)驗(yàn)，就是根據(jù)物理學(xué)研究目的，選用適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)儀器或?qū)嶒?yàn)裝置，用人為的方法讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象再現(xiàn)，并加以觀察和研究的一種科學(xué)活動(dòng)"物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括力、熱、電、光等科學(xué)技術(shù)研究的各個(gè)方面，它是一切科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。大學(xué)中的物理實(shí)驗(yàn)課程已經(jīng)被設(shè)定為必修課程，這一規(guī)定既有助于幫助大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，同時(shí)也是訓(xùn)練大學(xué)生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)端。大學(xué)中物理實(shí)驗(yàn)不僅僅局限于某一領(lǐng)域，而是涉及各個(gè)領(lǐng)域，這說(shuō)明，理工科個(gè)學(xué)科之間存在共性和普遍性，同時(shí)也說(shuō)明了物理實(shí)驗(yàn)在學(xué)科學(xué)習(xí)中的重要性。隨著課程改革目標(biāo)的出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革也進(jìn)一步的落實(shí)，實(shí)驗(yàn)改革在落實(shí)上相比其他課程改革存在一定的難度，實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要依靠的是實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)施的跟進(jìn)，實(shí)驗(yàn)改革最大的目標(biāo)就是放手給學(xué)生去動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，然而很多學(xué)校存在最大的問(wèn)題就是不敢放手讓學(xué)生去使用，限制實(shí)驗(yàn)是開(kāi)放的時(shí)間等等，學(xué)生操作難以進(jìn)行，學(xué)習(xí)成果自然不會(huì)提高。立足于實(shí)驗(yàn)改革中存在的若干問(wèn)題，仿真實(shí)驗(yàn)的誕生無(wú)疑能夠?yàn)檫@些問(wèn)題的解決帶來(lái)福音。特別是作為計(jì)算機(jī)輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的一個(gè)新的發(fā)展，仿真物理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為高校物理實(shí)驗(yàn)改革的亮點(diǎn)。仿真物理實(shí)驗(yàn)最大的優(yōu)勢(shì)就是能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)預(yù)習(xí)準(zhǔn)備的學(xué)習(xí)環(huán)境，可以讓學(xué)生在進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作之前，做得一切準(zhǔn)備工作。

2 對(duì)于仿真實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)概述

所謂仿真實(shí)驗(yàn)，是相對(duì)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)而存在的，兩者的主要差別在于：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所觸及的對(duì)象與事物是否真實(shí)，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中所采用的實(shí)驗(yàn)工具、實(shí)驗(yàn)對(duì)象都是以實(shí)物形態(tài)出現(xiàn)的，而在仿真實(shí)驗(yàn)中，不存在實(shí)物形態(tài)的實(shí)驗(yàn)工具與實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要是對(duì)虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備進(jìn)行操作。仿真物理實(shí)驗(yàn)被作為一種計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件，應(yīng)用于現(xiàn)代教育中，主要是以技能訓(xùn)練為主的一種實(shí)驗(yàn)技能領(lǐng)域的學(xué)習(xí)型軟件，能夠幫助教學(xué)對(duì)象進(jìn)行思想的建構(gòu)，同時(shí)完成實(shí)時(shí)的操作，輔助學(xué)生在開(kāi)始實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作之前進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練。仿真實(shí)驗(yàn)主要提供了一種以教學(xué)理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的一種非實(shí)在性的實(shí)驗(yàn)空間，其本質(zhì)是由計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)的一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)的特征

⑴仿真性。仿真性這一特征從其名稱中就不難看出，作為一款輔助型軟件，其最大的特點(diǎn)就是模擬了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，為學(xué)生虛擬一種真實(shí)實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，同時(shí)在仿真實(shí)驗(yàn)中的一些實(shí)驗(yàn)設(shè)施與實(shí)際中的實(shí)驗(yàn)設(shè)施幾乎相同，學(xué)生在操作的過(guò)程中能夠真實(shí)的感受實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，如同置身真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境一般。

⑵交互性。與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境不同，仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┙o學(xué)生更多的交流感，使其與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行雙向的交流，同時(shí)可以自由的對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)施進(jìn)行操作和選擇，減少了了實(shí)際操中的一些束縛。

⑶靈活性。仿真實(shí)驗(yàn)最大的特點(diǎn)，在教學(xué)改革過(guò)程中改變最大的就是他的靈活性，學(xué)生在進(jìn)行傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中遇到了很多阻力，其中最常見(jiàn)的就是一些教師不敢放手將實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放給學(xué)生，當(dāng)然這里有許多的原因，如設(shè)備的維護(hù)、購(gòu)置、費(fèi)用等等因素。仿真實(shí)驗(yàn)的研發(fā)就大大解決了這一問(wèn)題，仿真實(shí)驗(yàn)易于擴(kuò)充維護(hù)，操作方便，可以隨時(shí)開(kāi)放，反復(fù)實(shí)踐，提高辦學(xué)效率，而且仿真實(shí)驗(yàn)靈活方便，便于實(shí)現(xiàn)資源共享。

3 大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

3.1 營(yíng)造多樣化學(xué)習(xí)環(huán)境，打破了時(shí)間和空間的局限

與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比較，仿真物理實(shí)驗(yàn)主要結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)，建構(gòu)了多媒體的教學(xué)平臺(tái)，為課堂的教學(xué)環(huán)境帶來(lái)了創(chuàng)新點(diǎn)，也大大提高了課堂的新鮮感。同時(shí)仿真物理實(shí)驗(yàn)也在教學(xué)的時(shí)間和空間上得到了延伸，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，總是苦惱于課前的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和課后的實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)室的短暫的學(xué)習(xí)時(shí)間，無(wú)法滿足學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)課的認(rèn)知需求，仿真實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)，大大緩解了這些壓力，學(xué)生可以自由的選擇學(xué)習(xí)的時(shí)間和地點(diǎn)，對(duì)于提高自主學(xué)習(xí)有很大的幫助。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，保證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和數(shù)量

傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，存在一些實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備置購(gòu)得難題，特別是一些近代的物理實(shí)驗(yàn)，需要的實(shí)驗(yàn)器材價(jià)格昂貴，同時(shí)在操作上也相對(duì)復(fù)雜，出于對(duì)資金的考慮，很多高校無(wú)力開(kāi)設(shè)這些實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)課程的縮減必然會(huì)影響學(xué)生的一些正常的學(xué)習(xí)進(jìn)度。仿真物理實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)大大解決了這一難題，有了好的仿真實(shí)驗(yàn)軟件，那些耗資大的實(shí)驗(yàn)同樣可以開(kāi)設(shè)，從而保證了實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目和數(shù)量。

第5篇

關(guān)鍵詞 初中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)；仿真物理實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2015）11-0158-02

仿真物理實(shí)驗(yàn)室是一款面向中學(xué)物理課堂開(kāi)發(fā)的一款軟件，內(nèi)容包含了電學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)等所有實(shí)驗(yàn)的仿真演示，具有集成化程度高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。這種軟件有利于師生在使用中根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)把精力放在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建上而不是操作上。這款軟件為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了極大的方便。

1 在初中物理教學(xué)中使用虛擬實(shí)驗(yàn)的意義

可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器不足的現(xiàn)狀 實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的靈魂，但在傳統(tǒng)物理教學(xué)中，由于現(xiàn)實(shí)條件和教學(xué)理念等原因，只注重知識(shí)的口頭講解，不重視實(shí)驗(yàn)操作，或在教學(xué)中只做比較簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)儀器嚴(yán)重不足。加之國(guó)家實(shí)施新課改以來(lái)，物理實(shí)驗(yàn)發(fā)生很大變化，很多原來(lái)舊的實(shí)驗(yàn)儀器被淘汰，雖然學(xué)校增添了很多新實(shí)驗(yàn)儀器，但仍不能滿足物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)實(shí)需要。現(xiàn)在學(xué)校安裝的仿真物理實(shí)驗(yàn)室軟件，包括了中學(xué)物理的所有實(shí)驗(yàn)，原來(lái)很多做不了或因儀器不足不能做的實(shí)驗(yàn)都可以用虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)代替，解決了實(shí)驗(yàn)課上不足或因場(chǎng)地儀器數(shù)量不足，實(shí)驗(yàn)跟不上教學(xué)進(jìn)度的現(xiàn)象。

本身具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)可比擬的優(yōu)越性 虛擬實(shí)驗(yàn)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)的相似性原理，運(yùn)用軟件提供的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)搭建自己的實(shí)驗(yàn)。這樣不僅可以做一些因自然條件限制在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無(wú)法做的實(shí)驗(yàn)，如真空狀態(tài)下的物體自由落體運(yùn)動(dòng)；還可以隨時(shí)控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程、節(jié)奏，讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更理想，讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯清晰可見(jiàn)。同時(shí)，避免在物理實(shí)驗(yàn)中因?qū)W生操作的不規(guī)范而產(chǎn)生的危險(xiǎn)性，避免實(shí)驗(yàn)儀器在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的損耗和損壞。

2 在初中物理各類型實(shí)驗(yàn)中哪些實(shí)驗(yàn)需要虛擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的靈魂。在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中會(huì)碰到五大類實(shí)驗(yàn)，分別是測(cè)量型、探究性、演示型、操作型、設(shè)計(jì)型。在這幾類物理實(shí)驗(yàn)中，籠統(tǒng)地來(lái)說(shuō)，筆者認(rèn)為比較適合運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)的有演示型、探究型、設(shè)計(jì)型。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)教學(xué)條件的限制，都實(shí)行大班教學(xué)，演示型實(shí)驗(yàn)如果運(yùn)用傳統(tǒng)方法去做，不能保證每個(gè)學(xué)生都能清晰地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。而虛擬實(shí)驗(yàn)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。探究型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，虛擬實(shí)驗(yàn)可以方便地幫助學(xué)生檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案的正確性，既節(jié)省了時(shí)間，又避免了因?qū)W生設(shè)計(jì)方案錯(cuò)誤導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)儀器的損耗。但也不是絕對(duì)的，其他類型的實(shí)驗(yàn)也有的非常適合運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)，所以在現(xiàn)實(shí)教學(xué)中要具體問(wèn)題具體分析。

虛擬實(shí)驗(yàn)在測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 測(cè)量實(shí)驗(yàn)是物理實(shí)驗(yàn)中比較簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)儀器易得，一般無(wú)需用虛擬實(shí)驗(yàn)。但也有一些測(cè)量實(shí)驗(yàn)比較復(fù)雜，在正常的環(huán)境下實(shí)驗(yàn)很難完成。如初中二年級(jí)物理“伏安法測(cè)小燈泡電阻”，這個(gè)實(shí)驗(yàn)如果用傳統(tǒng)的儀器進(jìn)行，學(xué)生很難獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，且容易造成儀器的損壞。這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要用虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)輔助教學(xué)，操作步驟如下：

第一步，由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)比較抽象，需要教師講解實(shí)驗(yàn)原理；

第二步，學(xué)生根據(jù)原理，利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，連接電路圖；

第三步，教師根據(jù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題進(jìn)行輔導(dǎo)答疑；

第四步，學(xué)生在對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)理解的基礎(chǔ)上進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)之不足，取得良好的教學(xué)效果。

虛擬實(shí)驗(yàn)在探究實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用 探究實(shí)驗(yàn)的目的就是培養(yǎng)學(xué)生透過(guò)現(xiàn)象看到本質(zhì)的能力和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的意識(shí)，所以實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象是很重要的。但在真實(shí)試驗(yàn)中，許多事物的現(xiàn)象會(huì)受外界因素的影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)方案無(wú)法實(shí)施，這就需要借助虛擬實(shí)驗(yàn)。如初中二年級(jí)“探究凸透鏡成像的規(guī)律實(shí)驗(yàn)”，此實(shí)驗(yàn)會(huì)受室內(nèi)光線強(qiáng)弱的影響，室內(nèi)光線控制不好，就得不到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，更談不上規(guī)律的總結(jié)。虛擬實(shí)驗(yàn)則很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

虛擬實(shí)驗(yàn)在演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 在物理實(shí)驗(yàn)中最常見(jiàn)、最普通的實(shí)驗(yàn)就是演示實(shí)驗(yàn)。物理教師在講解概念的時(shí)候，因班級(jí)太大，導(dǎo)致很多學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象觀察不清晰，影響了對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣。虛擬實(shí)驗(yàn)則很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。如初二年級(jí)“光的反射實(shí)驗(yàn)”，學(xué)生既可能因室內(nèi)光線的影響，也可能因在班內(nèi)位置的影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果觀察不明顯，這就需要借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

虛擬實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)重在培養(yǎng)學(xué)生自主解決問(wèn)題的能力。在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生要根據(jù)自己要解決的問(wèn)題來(lái)選擇實(shí)驗(yàn)儀器，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑫r(shí)還要把自己不理解的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象去弄清楚。這就需要虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助。一方面，虛擬實(shí)驗(yàn)可以檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合理；另一方面，虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軒椭鷮W(xué)生理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)避免因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤而造成的儀器損失。如“理解并表述牛頓第一定律實(shí)驗(yàn)”，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，摩擦力是理解牛頓第一定律的關(guān)鍵，摩擦力的大小直接影響了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。但是摩擦力大小參數(shù)的設(shè)置在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中不好控制，虛擬實(shí)驗(yàn)很好地解決了這一問(wèn)題。

虛擬實(shí)驗(yàn)在操作實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 操作實(shí)驗(yàn)是為了培養(yǎng)學(xué)生自己的動(dòng)手能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，一般在操作實(shí)驗(yàn)中不主張運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)。在初中物理教學(xué)中，很多的操作實(shí)驗(yàn)都是電學(xué)實(shí)驗(yàn)。電學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器較貴重且容易因錯(cuò)誤操作而被損壞。所以在教學(xué)中要讓學(xué)生借助虛擬實(shí)驗(yàn)清晰觀察學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，鍛煉正確的實(shí)驗(yàn)操作能力，避免在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)過(guò)失，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)儀器損壞。如初三年級(jí)“串并聯(lián)電阻實(shí)驗(yàn)”，如果不事先加以練習(xí)，在實(shí)驗(yàn)中接線錯(cuò)誤的話，很容易燒壞實(shí)驗(yàn)儀器。但操作實(shí)驗(yàn)一定要在虛擬實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，畢竟虛擬實(shí)驗(yàn)只是一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，起不到鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的目的。在操作實(shí)驗(yàn)中要把真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，這樣既解決了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的困難，也解決了虛擬實(shí)驗(yàn)的不足。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，在新課改注重實(shí)驗(yàn)的今天，虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中確實(shí)起到很大的作用。但是不宜夸大虛擬實(shí)驗(yàn)的作用，虛擬實(shí)驗(yàn)帶來(lái)巨大方便的同時(shí)，也有很大的缺點(diǎn)。如果過(guò)多運(yùn)用虛擬模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)，就會(huì)缺乏實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感，不利于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、合作能力和創(chuàng)新能力，因?yàn)閷W(xué)生親手實(shí)驗(yàn)的經(jīng)歷是虛擬實(shí)驗(yàn)代替不了的。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)，如果使用不規(guī)范，很可能會(huì)生成一個(gè)假的結(jié)果。但像這幾種實(shí)驗(yàn)是可以用虛擬模擬實(shí)驗(yàn)代替的，如危險(xiǎn)性比較大的實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)象不明顯的實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)有條件做不了的實(shí)驗(yàn)。因此，教師應(yīng)該在實(shí)際教學(xué)中，根據(jù)教學(xué)實(shí)際，結(jié)合運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，只有這樣才能發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的最大效能。

參考文獻(xiàn)

[1]李春艷，易燁.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革[J].中國(guó)管理信息化，2014（12）.

第6篇

實(shí)驗(yàn)報(bào)告（2）

四旋翼飛行器仿真

2012

1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

基于Simulink建立四旋翼飛行器的懸停控制回路，實(shí)現(xiàn)飛行器的懸停控制；

建立UI界面，能夠輸入?yún)?shù)并繪制運(yùn)動(dòng)軌跡；

基于VR

Toolbox建立3D動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景，能夠模擬飛行器的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)在

Matlab

環(huán)境中對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行系統(tǒng)建模，使掌握以下內(nèi)容：

四旋翼飛行器的建模和控制方法

在Matlab下快速建立虛擬可視化環(huán)境的方法。

3實(shí)驗(yàn)器材

硬件：PC機(jī)。

工具軟件：操作系統(tǒng)：Windows系列；軟件工具：MATLAB及simulink。

4實(shí)驗(yàn)原理

4.1四旋翼飛行器

四旋翼飛行器通過(guò)四個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力實(shí)現(xiàn)飛行，

原理與直升機(jī)類似。

四個(gè)旋翼位于一個(gè)幾何對(duì)稱的十字支架前，后，左，右四端，如圖

1

所示。旋翼由電機(jī)控制；整個(gè)飛行器依靠改變每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)控制。

圖1四旋翼飛行器旋轉(zhuǎn)方向示意圖

在圖

1

中，

前端旋翼

1

和后端旋翼

3

逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，

而左端旋翼

2

和右端的旋翼

4

順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，

以平衡旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的反扭轉(zhuǎn)矩。

由此可知，

懸停時(shí)，

四只旋翼的轉(zhuǎn)速應(yīng)該相等，以相互抵消反扭力矩；同時(shí)等量地增大或減小四只旋翼的轉(zhuǎn)速，會(huì)引起上升或下降運(yùn)動(dòng)；增大某一只旋翼的轉(zhuǎn)速，同時(shí)等量地減小同組另一只旋翼的轉(zhuǎn)速，則產(chǎn)生俯仰、橫滾運(yùn)動(dòng)；增大某一組旋翼的轉(zhuǎn)速，同時(shí)等量減小另一組旋翼的轉(zhuǎn)速，將產(chǎn)生偏航運(yùn)動(dòng)。

4.2建模分析

四旋翼飛行器受力分析,如圖

2

所示

圖2四旋翼飛行器受力分析示意圖

旋翼機(jī)體所受外力和力矩為：

重力mg

,

機(jī)體受到重力沿方向；

四個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的升力

(i=

1

,

2

,

3

,

4)，旋翼升力沿方向；

旋翼旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩

(i=

1

,

2

,

3

,

4)。垂直于葉片的旋翼平面，與旋轉(zhuǎn)矢量相反。

力模型為：

，旋翼通過(guò)螺旋槳產(chǎn)生升力。是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力系數(shù)，可取，為電機(jī)轉(zhuǎn)速。旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩Mi(i=1,2,3,4)，力矩Mi的旋向依據(jù)右手定則確定。力矩模型為

，其中是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力系數(shù)，可取為電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)給定期望轉(zhuǎn)速后，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到。實(shí)際轉(zhuǎn)速與期望轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為一階延遲：響應(yīng)延遲時(shí)間可取0.05s(即)。期望轉(zhuǎn)速則需要限制在電機(jī)的最小轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速之間，范圍可分取[1200rpm，7800rpm]。

飛行器受到外界力和力矩的作用，形成線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)。線運(yùn)動(dòng)由合外力引起，符合牛頓第二定律：

r為飛機(jī)的位置矢量。

角運(yùn)動(dòng)由合力矩引起。四旋翼飛行器所受力矩來(lái)源于兩個(gè)方面：1）旋翼升力作用于質(zhì)心產(chǎn)生的力矩；2）旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩。角運(yùn)動(dòng)方程如下式所示。其中，L

為旋翼中心建立飛行器質(zhì)心的距離，I

為慣量矩陣。

4.3控制回路設(shè)計(jì)

控制回路包括內(nèi)外兩層。外回路由Position

Control

模塊實(shí)現(xiàn)。輸入為位置誤差，輸出為期望的滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航角。內(nèi)回路由Attitude

Control

模塊實(shí)現(xiàn)，輸入為期望姿態(tài)角，輸出為期望轉(zhuǎn)速。Motor

Dynamics

模塊模擬電機(jī)特性，輸入為期望轉(zhuǎn)速，輸出為力和力矩。Rigid

Body

Dynamics

是被控對(duì)象，模擬四旋翼飛行器的運(yùn)動(dòng)特性。

圖3包含內(nèi)外兩個(gè)控制回路的控制結(jié)構(gòu)

（1）內(nèi)回路：姿態(tài)控制回路

對(duì)四旋翼飛行器，我們唯一可用的控制手段就是四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速。因此，這里首先對(duì)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的作用進(jìn)行分析。假設(shè)我們希望旋翼1的轉(zhuǎn)速達(dá)到，那么它的效果可分解成以下幾個(gè)分量：

：使飛行器保持懸停的轉(zhuǎn)速分量；

：除懸停所需之外，產(chǎn)生沿ZB軸的凈力；

：使飛行器負(fù)向偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速分量；

：使飛行器正向偏航的轉(zhuǎn)速分量；

因此，可以將期望轉(zhuǎn)速寫(xiě)成幾個(gè)分量的線性組合：

其它幾個(gè)旋翼也可進(jìn)行類似分析，最終得到：

在懸浮狀態(tài)下，四個(gè)旋翼共同的升力應(yīng)抵消重力，因此：

此時(shí)，可以把旋翼角速度分成幾個(gè)部分分別控制，通過(guò)“比例-微分”控制律建立如下公式：

綜合以上三式可得到期望姿態(tài)角-期望轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，即內(nèi)回路。

外回路：位置控制回路

外回路采用以下控制方式：通過(guò)位置偏差計(jì)算控制信號(hào)（加速度）；建立控制信號(hào)與姿態(tài)角之間的幾何關(guān)系；得到期望姿態(tài)角，作為內(nèi)回路的輸入。期望位置記為。可通過(guò)PID

控制器計(jì)算控制信號(hào)：

是目標(biāo)懸停位置是我們的目標(biāo)懸停位置(i=1,2,3)，是期望加速度，即控制信號(hào)。注意：懸停狀態(tài)下線速度和加速度均為0，即。

通過(guò)俯仰角和滾轉(zhuǎn)角控制飛行器在XW和YW平面上的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制偏航角，通過(guò)控制飛行器在ZB軸上的運(yùn)動(dòng)。可得：

根據(jù)上式可按照以下原則進(jìn)行線性化：

（1）將俯仰角、滾轉(zhuǎn)角的變化作為小擾動(dòng)分量，有，，，（2）偏航角不變，有，其中初始偏航角，為期望偏航角（3）在懸停的穩(wěn)態(tài)附近，有

根據(jù)以上原則線性化后，可得到控制信號(hào)（期望加速度）與期望姿態(tài)角之間的關(guān)系：

則內(nèi)回路的輸入為：

5實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果

（1）

根據(jù)控制回路的結(jié)構(gòu)建立simulink模型；

（2）

為了便于對(duì)控制回路進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，利用Matlab軟件為四旋翼飛行器創(chuàng)建GUI參數(shù)界面；

（3）

利用Matlab的VR

Toolbox建立四旋翼飛行器的動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景

（4）

根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，搭建Simulink模塊以實(shí)現(xiàn)模擬飛行器在指定位置的懸停。使用默認(rèn)數(shù)據(jù)，此時(shí)xdes=3，ydes=4，zdes=5，開(kāi)始仿真，可以得到運(yùn)動(dòng)軌跡x、y、z的響應(yīng)函數(shù)，同時(shí)可以得到在xyz坐標(biāo)中的空間運(yùn)動(dòng)軌跡。然后點(diǎn)擊GUI中的VR按鈕使simulink的工作空間中載入系統(tǒng)仿真所需的參數(shù)，把x、y、z的運(yùn)動(dòng)軌跡和Roll，Pitch，Yaw輸入至VR中的模擬飛行器中，觀察飛行器的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，然后再使用一組新的參數(shù)xdes=-8，ydes=3，zdes=6進(jìn)行四旋翼飛行器運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真模擬，可以看出仿真結(jié)果和動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景相吻合。

6實(shí)驗(yàn)總結(jié)與心得

此次MATLAB實(shí)驗(yàn)綜合了SIMULINK、GUI和VR場(chǎng)景等多個(gè)部分，對(duì)四旋翼飛行器運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真模擬。由仿真結(jié)果可以看出，四旋翼飛行器最終位置達(dá)到了期望給定的位置，三個(gè)方向的響應(yīng)曲線最終平穩(wěn)，對(duì)應(yīng)飛行器懸停在期望位置，達(dá)到了控制要求。

第7篇

【關(guān)鍵詞】proteus；仿真實(shí)驗(yàn)室；構(gòu)建

一、proteus仿真實(shí)驗(yàn)室概念

proteus仿真實(shí)驗(yàn)室就是把計(jì)算機(jī)當(dāng)作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)中心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電路分析、數(shù)字電路、嵌入式系統(tǒng)（單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、arm應(yīng)用系統(tǒng)）、模擬電路、微機(jī)原理與接口技術(shù)等課程，在計(jì)算機(jī)軟件上進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試等通常在實(shí)驗(yàn)室完成的實(shí)驗(yàn)。proteus仿真實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)主要是電路分析、數(shù)字電路、模擬電路、嵌入式系統(tǒng)（單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、arm應(yīng)用系統(tǒng)）等課程的實(shí)驗(yàn)和研究。

二、proteus虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

proteus虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，以建立在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的proteus軟件平臺(tái)為基礎(chǔ)，構(gòu)建一個(gè)完整的proteus實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。在proteus實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，從原理圖設(shè)計(jì)、單片機(jī)編程、系統(tǒng)仿真到pcb設(shè)計(jì)一氣呵成，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。

（1）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。從圖中可知，proteus實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是建立在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的。為了使更多的模擬實(shí)驗(yàn)者參與到仿真實(shí)驗(yàn)中來(lái)，實(shí)現(xiàn)資源共享，要發(fā)揮proteus實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)資源開(kāi)放的作用，實(shí)現(xiàn)多人參與實(shí)驗(yàn)，以proteus服務(wù)器為網(wǎng)絡(luò)中心，實(shí)現(xiàn)proteus仿真實(shí)驗(yàn)的全覆蓋。（2）proteus軟件平臺(tái)。proteus是一種強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件，能夠提供智能原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)，spic模擬電路、數(shù)字電路以及mcu器件混合仿真系統(tǒng)和pcb設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能。（3）proteus實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。proteus實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是仿真實(shí)驗(yàn)室的核心，其系統(tǒng)能夠在實(shí)驗(yàn)中直觀的顯示實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，通過(guò)圖形顯現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的每個(gè)細(xì)節(jié)，使參與實(shí)驗(yàn)操作的人員能夠?qū)?shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)有個(gè)感官的過(guò)程。

三、單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容構(gòu)成

proteus軟件具有動(dòng)態(tài)的模仿優(yōu)勢(shì)，在教學(xué)中可以通過(guò)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》這門(mén)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析研究，對(duì)教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行拆分和綜合，可將proteus單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)性試驗(yàn)、綜合性試驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)性試驗(yàn)是對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的將學(xué)生在課堂上所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行消化，同時(shí)學(xué)會(huì)用pro

teus軟件系統(tǒng)解決課堂上出現(xiàn)的問(wèn)題，使課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合；綜合性實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下，運(yùn)用mcu解決命題性實(shí)驗(yàn)的題目，學(xué)生按照擬定的題目?jī)?nèi)容進(jìn)行電路圖設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試、代碼的編寫(xiě)、pcb設(shè)計(jì)、制作pcb和驗(yàn)證pcb設(shè)計(jì)等一系列過(guò)程。由于在proteus軟件平臺(tái)上，一個(gè)產(chǎn)品項(xiàng)目可以做到從原理圖設(shè)計(jì)、單片機(jī)編程、系統(tǒng)仿真到pcb設(shè)計(jì)的完整過(guò)程，實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。而完整的工作過(guò)程包括資訊、計(jì)劃、決策、實(shí)施、檢查、評(píng)估6個(gè)環(huán)節(jié)，項(xiàng)目化實(shí)驗(yàn)主要有四個(gè)步驟：（1）工作任務(wù)的描述。包括工作任務(wù)在整個(gè)工作體系中所表現(xiàn)的出的作用、所處的地位，完成工作任務(wù)需要的設(shè)備、工具和材料等等；（2）現(xiàn)場(chǎng)演示與理論講解。教師根據(jù)工作任務(wù)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作品演示，演示作品制作的過(guò)程，加深學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)在演示文本的過(guò)程穿插理論的講解，引導(dǎo)學(xué)生在proteus仿真實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建理論知識(shí)；（3）項(xiàng)目的實(shí)施。根據(jù)老師的講解和工作任務(wù)對(duì)題目進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，完成課題項(xiàng)目；（4）對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。教師對(duì)學(xué)生完成的作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括作品的外觀、產(chǎn)品制作水平和質(zhì)量等級(jí)等，在學(xué)生之間進(jìn)行對(duì)比分析，找出優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此，引入proteus虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后的單片機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程，非常適應(yīng)于采用基于工作過(guò)程的項(xiàng)目式教學(xué)模式，利于單片機(jī)系統(tǒng)課程開(kāi)展基于工作過(guò)程的項(xiàng)目化課程教學(xué)改革。

在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，充分的利用學(xué)校現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)設(shè)備，購(gòu)置proteus軟件，幫助學(xué)生消化教學(xué)中的難點(diǎn)，加強(qiáng)學(xué)生的理解能力，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。引入proteus虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，有利于促成課程和教學(xué)改革，更有利于具備工程實(shí)踐能力的應(yīng)用性人才的培養(yǎng)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]岳東海.基于proteus的虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)踐性教學(xué)中的應(yīng)用[j].常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2007（3）：47～49

第8篇

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；土木工程；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

1土木工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)

土木工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)具有行業(yè)的特殊性。

（1）空間體量巨大。土木工程的服務(wù)對(duì)象是建筑物、橋梁、隧道，一般體量巨大。現(xiàn)在世界最高的建筑物高度超過(guò)800m，橋梁的最大跨度達(dá)1991m，超高層建筑物的單根柱子、單根樁基的承載能力上萬(wàn)噸。進(jìn)行這些結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的實(shí)體實(shí)驗(yàn)幾乎是不可能的，即使是縮尺實(shí)驗(yàn)，也存在實(shí)驗(yàn)構(gòu)件及加載設(shè)備體量大、實(shí)驗(yàn)環(huán)境惡劣、實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高的問(wèn)題，限制了學(xué)生的參與。

（2）施工周期長(zhǎng)。土木工程的建設(shè)周期一般比較長(zhǎng)，世界最高建筑物———迪拜塔的建設(shè)歷時(shí)6年，通常一幢普通的住宅樓施工工期也需要1年以上。由于時(shí)間的限制，學(xué)生的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)無(wú)法得到工程建設(shè)全過(guò)程的體驗(yàn)。

（3）工程參與方多。土木工程存在不同的建設(shè)參與方（建設(shè)方、設(shè)計(jì)方、施工方、監(jiān)理方等），在學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)過(guò)程中，往往只能體驗(yàn)其中某一方的工作，無(wú)法從不同參與方的視角去感受和經(jīng)歷工程。

（4）危險(xiǎn)性高。土木工程實(shí)驗(yàn)很多是破壞性試驗(yàn)，并且是脆性破壞，具有一定的突然性，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的安全問(wèn)題十分突出。同時(shí)，由于施工現(xiàn)場(chǎng)工序復(fù)雜、人員眾多，而很多學(xué)生又缺乏施工經(jīng)驗(yàn)和對(duì)危險(xiǎn)源的判別能力，這使得很多施工單位在安排學(xué)生的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)時(shí)存在顧慮。

（5）實(shí)驗(yàn)難度大。在土木工程的實(shí)驗(yàn)中，災(zāi)害環(huán)境（如臺(tái)風(fēng)、火災(zāi)、地震、滑坡和泥石流等）的模擬設(shè)備造價(jià)高（大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)的造價(jià)上億元、大型風(fēng)洞的造價(jià)幾千萬(wàn)元）。災(zāi)害環(huán)境實(shí)驗(yàn)難度大、危險(xiǎn)性大、費(fèi)用高。為解決土木工程傳統(tǒng)理論教學(xué)與學(xué)生工程化培養(yǎng)之間的矛盾，拓展實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)的深度和廣度，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)效，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的緊密結(jié)合，特別是進(jìn)行災(zāi)害環(huán)境對(duì)土木工程影響的分析、解決重大工程的防災(zāi)問(wèn)題，盡可能減少實(shí)驗(yàn)成本和潛在危害，東南大學(xué)在課堂理論教學(xué)、原有實(shí)體實(shí)驗(yàn)、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)的基礎(chǔ)上，利用專業(yè)的仿真軟件，采用多媒體技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，構(gòu)建了具有高度真實(shí)感、直觀性和精確性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，作為實(shí)體實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)的有益補(bǔ)充和創(chuàng)新［1－5］。

2實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)

早在2005年“工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”與2006年“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”國(guó)家精品課程建設(shè)期間，東南大學(xué)就開(kāi)始組建土木工程計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，此后結(jié)合“土木工程施工”、“工程合同管理”、“結(jié)構(gòu)力學(xué)”及“工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)”幾門(mén)國(guó)家精品課程和其他相關(guān)課程的建設(shè)，又相繼成立了土木工程施工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、土木工程管理信息化等實(shí)驗(yàn)室。2013年通過(guò)資源整合，依托國(guó)家級(jí)土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，成立了東南大學(xué)土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。中心面向土木工程、建筑學(xué)、交通工程及其他相關(guān)專業(yè)，形成了“三層次、四模塊、五結(jié)合”的教學(xué)體系。（1）三層次：按照人才培養(yǎng)需求與教學(xué)規(guī)律，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)訓(xùn)練、提高訓(xùn)練和創(chuàng)新訓(xùn)練；（2）四模塊：按專業(yè)知識(shí)體系與工程實(shí)踐規(guī)律，搭建土木工程設(shè)計(jì)、施工、管理、創(chuàng)新實(shí)踐4個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；（3）五結(jié)合：與理論課程相結(jié)合、與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、與科研項(xiàng)目相結(jié)合、與實(shí)際工程相結(jié)合、與企業(yè)實(shí)踐相結(jié)合。其中，四模塊的18門(mén)實(shí)驗(yàn)課程支撐8門(mén)專業(yè)主干課程與12門(mén)實(shí)體實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程，輻射其他16門(mén)專業(yè)課程，基本覆蓋了土木工程專業(yè)的主要專業(yè)課。

2．1土木工程結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)虛擬仿真模塊

模塊主要包括：（1）基本構(gòu)件虛擬仿真、樓蓋設(shè)計(jì)虛擬仿真及單層工業(yè)廠房設(shè)計(jì)虛擬仿真等基礎(chǔ)訓(xùn)練層次的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；（2）建筑結(jié)構(gòu)抗震虛擬仿真、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真、大跨空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真及橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真等提高訓(xùn)練層次的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；（3）復(fù)雜結(jié)構(gòu)虛擬仿真、基于MTS混合實(shí)驗(yàn)、大跨橋梁抗風(fēng)虛擬仿真、結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火虛擬仿真等創(chuàng)新訓(xùn)練層次的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是“工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”、“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”與“工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)”這3門(mén)國(guó)家級(jí)精品資源共享課的重要建設(shè)內(nèi)容。結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目充分體現(xiàn)了CDIO（conceive－design－implement－operate）的工程教育理念［6－7］，是從工程的構(gòu)思到概念設(shè)計(jì)，再進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真分析結(jié)果對(duì)概念設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，最后按優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)的全過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)。以特色實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“基于MTS系統(tǒng)混合模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”為例，傳統(tǒng)的建筑物抗震防災(zāi)實(shí)驗(yàn)大多數(shù)是對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，由于整體實(shí)驗(yàn)成本較高且實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較多，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排緊張。為了提高實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)際效果和設(shè)備的有效利用，將結(jié)構(gòu)的大部分替換為數(shù)值子結(jié)構(gòu)并采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，而只有小部分結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行足尺實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖1）。仿真實(shí)驗(yàn)具有參數(shù)可調(diào)、實(shí)驗(yàn)方案可擴(kuò)展、不存在硬件損耗的特點(diǎn)，能夠加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解；實(shí)體實(shí)驗(yàn)具有真實(shí)可靠、直觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠提高學(xué)生的動(dòng)手能力和觀察能力。采用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段，可以有效提高學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力。同時(shí)，實(shí)時(shí)混合實(shí)驗(yàn)作為目前最先進(jìn)的抗震防災(zāi)實(shí)驗(yàn)手段之一，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)術(shù)水平。

2．2土木工程施工虛擬仿真模塊

該模塊主要包含基本施工技術(shù)虛擬仿真、復(fù)雜工程施工技術(shù)虛擬仿真及關(guān)鍵施工技術(shù)仿真分析3部分。基本施工技術(shù)虛擬仿真主要包括土方、樁基礎(chǔ)、模板、鋼筋工程等施工過(guò)程的虛擬仿真，是模塊的基礎(chǔ)訓(xùn)練部分；復(fù)雜工程施工技術(shù)虛擬仿真主要是針對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)、大跨空間結(jié)構(gòu)、大跨橋梁結(jié)構(gòu)等典型工程施工全過(guò)程的虛擬仿真，向?qū)W生介紹最新的施工技術(shù)和復(fù)雜工程的施工組織，它是模塊的提高訓(xùn)練部分；關(guān)鍵施工技術(shù)仿真分析部分主要針對(duì)全新的施工技術(shù)，通過(guò)對(duì)施工過(guò)程中關(guān)鍵部分的仿真分析，確保施工的順利和安全，它是模塊的創(chuàng)新訓(xùn)練部分。以典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“大跨橋梁結(jié)構(gòu)施工虛擬仿真”為例，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以銅陵長(zhǎng)江大橋工程為案例，與中鐵大橋局集團(tuán)和柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司合作完成。對(duì)該工程的施工全過(guò)程進(jìn)行了虛擬仿真，包含樁基礎(chǔ)施工、沉井施工、主塔施工、鋼桁梁吊裝施工、斜拉索施工等子系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）。通過(guò)該項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解大跨斜拉橋施工的主要步驟、施工工藝、技術(shù)措施等。

2．3土木工程管理虛擬仿真模塊

該模塊包含工程項(xiàng)目管理、工程造價(jià)管理、工程合同管理和工程管理BIM綜合4個(gè)部分。傳統(tǒng)的信息技術(shù)類課程教學(xué)模式比較注重信息系統(tǒng)管理知識(shí)的介紹和基礎(chǔ)軟件操作，但是存在信息技術(shù)類知識(shí)體系在不同部分之間的割裂問(wèn)題，使學(xué)生難以形成結(jié)構(gòu)化、模塊化的專業(yè)信息技術(shù)能力和素質(zhì)。土木工程管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)傳統(tǒng)課程設(shè)置模式進(jìn)行了改革，根據(jù)多學(xué)科對(duì)信息技術(shù)的應(yīng)用需求，注重學(xué)生專業(yè)核心能力的培養(yǎng)，形成信息技術(shù)類實(shí)驗(yàn)課程平臺(tái)。以典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“工程管理BIM綜合虛擬仿真”為例，該項(xiàng)目根據(jù)給定的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)（包括建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等）方案、相應(yīng)的城市規(guī)劃條件以及有關(guān)的地理環(huán)境數(shù)據(jù)，從施工單位、設(shè)計(jì)單位或咨詢單位的角度進(jìn)行項(xiàng)目建筑設(shè)計(jì)方案的多維可視化仿真（見(jiàn)圖3），并利用BIM模型進(jìn)行輔助施工管理，包括項(xiàng)目的日照分析、建筑能耗分析、綠色建筑評(píng)價(jià)、建筑體量計(jì)算等。

2．4土木工程創(chuàng)新實(shí)踐虛擬仿真模塊

本模塊主要分為基于創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃的虛擬仿真和基于學(xué)生參加科技競(jìng)賽的虛擬仿真兩部分，以滿足學(xué)生課外研學(xué)課程的需要，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)上充分體現(xiàn)CDIO的工程教育理念。學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目的要求，利用已學(xué)的專業(yè)知識(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，然后運(yùn)用仿真分析軟件進(jìn)行模型計(jì)算分析，根據(jù)仿真分析結(jié)果對(duì)模型設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，完成實(shí)體模型的制作，將制作好的模型進(jìn)行加載或讓其完成特定功能。通過(guò)本模塊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的訓(xùn)練，可以加深學(xué)生對(duì)各類結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計(jì)分析的理解和認(rèn)識(shí)，使學(xué)生在知識(shí)運(yùn)用能力、創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神等方面得到全面提升［8－9］。以典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”為例（見(jiàn)圖4），要求學(xué)生設(shè)計(jì)并制作創(chuàng)新結(jié)構(gòu)模型，以反映學(xué)生的力學(xué)概念、結(jié)構(gòu)概念和創(chuàng)新思維。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目鼓勵(lì)節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的創(chuàng)新思路，旨在通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)、基本構(gòu)件受力狀態(tài)、空間結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)、典型工程案例分析等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生勤于觀察與思考，并動(dòng)手制作結(jié)構(gòu)模型的能力，使學(xué)生能夠從結(jié)構(gòu)整體上把握建筑物的結(jié)構(gòu)體系及受力特點(diǎn)，并通過(guò)學(xué)習(xí)報(bào)告、制作模型及加載體驗(yàn)的方式提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。

3教學(xué)特色

3．1依托優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心長(zhǎng)期堅(jiān)持實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)和虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)相結(jié)合，通過(guò)國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的規(guī)劃，完善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并將學(xué)生實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的學(xué)時(shí)數(shù)比例由總學(xué)時(shí)的19％增加到25％。中心依托國(guó)家級(jí)土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，與理論教學(xué)緊密結(jié)合，進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)，有力地支撐了6門(mén)國(guó)家精品課程、5門(mén)國(guó)家級(jí)精品資源共享課程和1門(mén)國(guó)家級(jí)視頻公開(kāi)課的建設(shè)，提升了課程建設(shè)和專業(yè)建設(shè)的水平。2013年，土木工程專業(yè)以優(yōu)秀成績(jī)第4次通過(guò)住建部高等教育土木工程專業(yè)評(píng)估委員會(huì)的評(píng)估，在2012年的全國(guó)學(xué)科評(píng)估中，東南大學(xué)土木工程學(xué)科名列全國(guó)第三。

3．2來(lái)源于科研項(xiàng)目，面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)

中心依托“國(guó)家預(yù)應(yīng)力工程技術(shù)中心”、“混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”等國(guó)家和部省級(jí)科研基地，不斷地將最新科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過(guò)把科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，把科研方法融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，向?qū)W生傳授科研理念、科研文化、科研價(jià)值，使學(xué)生了解科技最新發(fā)展和學(xué)術(shù)前沿動(dòng)態(tài)，激發(fā)科研興趣，啟發(fā)科研思維，培養(yǎng)科研道德，提升學(xué)生科學(xué)研究和科技創(chuàng)新能力。

3．3來(lái)源于工程實(shí)踐，面向工程實(shí)踐能力培養(yǎng)

中心的大量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)自于真實(shí)的工程實(shí)例，是以實(shí)際工程為背景，解決工程實(shí)際問(wèn)題為目標(biāo)的“實(shí)戰(zhàn)型”項(xiàng)目。通過(guò)真實(shí)項(xiàng)目的演練，指導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)和實(shí)踐能力，為社會(huì)輸送合格的“來(lái)之能戰(zhàn)”的畢業(yè)生。已將典型重大工程轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)例有：（1）山東博物館屋蓋薄壁箱型結(jié)構(gòu)虛擬仿真；（2）廣州南站大跨空間結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力虛擬仿真；（3）廣州白云機(jī)場(chǎng)復(fù)雜鑄鋼節(jié)點(diǎn)虛擬仿真；（4）潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋大跨橋梁抗風(fēng)虛擬仿真；（5）深圳大運(yùn)會(huì)體育館鋼結(jié)構(gòu)安裝施工虛擬仿真；（6）滬通長(zhǎng)江大橋橋梁沉井施工全過(guò)程虛擬仿真。

3．4面向防災(zāi)減災(zāi)，開(kāi)展災(zāi)害虛擬仿真

現(xiàn)代土木工程的最大威脅來(lái)自于各種自然災(zāi)害和人為災(zāi)害———地震、臺(tái)風(fēng)、海嘯、火災(zāi)、爆炸、泥石流等。各種災(zāi)害因其巨大的時(shí)空尺度而難以再現(xiàn)，因其復(fù)雜的生成原因而無(wú)法重復(fù)，所以要借助現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行演示。中心依托云計(jì)算中心每秒37萬(wàn)億次峰值浮點(diǎn)計(jì)算能力，運(yùn)用大型虛擬仿真分析軟件，開(kāi)展地震、臺(tái)風(fēng)、火災(zāi)及爆炸等災(zāi)害的模擬，提升學(xué)生防災(zāi)意識(shí)和減災(zāi)水平。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)多年的建設(shè)，東南大學(xué)土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心已經(jīng)成為由國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)及國(guó)家級(jí)教學(xué)名師負(fù)責(zé)規(guī)劃和建設(shè)，面向土木工程、工程管理2個(gè)國(guó)家級(jí)高等教育特色專業(yè)和其他相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)基地，為“結(jié)構(gòu)力學(xué)”、“工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”、“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”、“工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)”、“土木工程施工”、“工程合同管理”等6門(mén)國(guó)家級(jí)精品課程和其他相關(guān)課程開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，面向7個(gè)專業(yè)的學(xué)生開(kāi)展創(chuàng)新訓(xùn)練。2014年，該中心獲批為國(guó)家級(jí)土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

參考文獻(xiàn)（References）

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第9篇

關(guān)鍵詞：仿真實(shí)驗(yàn)；物理實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0118（2012）06-0039-02

物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要部分，在物理學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展中物理實(shí)驗(yàn)占有十分重要的地位，同時(shí)在推動(dòng)其他科學(xué)、工程技術(shù)的發(fā)展中也起到重要的作用。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后接收系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開(kāi)端，是理工類各專業(yè)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)訓(xùn)練的重要基礎(chǔ)。它的目的是:（1）培養(yǎng)學(xué)生的以下幾方面的科學(xué)實(shí)驗(yàn)工作能力：即正確使用儀器、進(jìn)行測(cè)量、出來(lái)數(shù)據(jù)、分析結(jié)果以及撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告等，使學(xué)生初步掌握實(shí)驗(yàn)科學(xué)的思想和方法；（2）培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)思維，使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)研究的基本方法，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和分析能力；（3）提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)格、細(xì)致、實(shí)事求是、認(rèn)真嚴(yán)肅、一絲不茍的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生積極主動(dòng)的探索精神以及團(tuán)結(jié)合作、愛(ài)護(hù)國(guó)家財(cái)產(chǎn)的道德品質(zhì)；（4）培養(yǎng)學(xué)生善于動(dòng)腦、樂(lè)于動(dòng)手、講究科學(xué)方法、遵守操作規(guī)程、注意安全等科學(xué)習(xí)慣［1］。總之，是為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作奠定一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

一、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

（一）由于學(xué)校擴(kuò)招及多很實(shí)驗(yàn)設(shè)備耗資太大、實(shí)驗(yàn)室不能購(gòu)買(mǎi)等原因，很多高校實(shí)驗(yàn)室存在儀器設(shè)備落后、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一等問(wèn)題［2］。嚴(yán)重制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高及實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展，不利于培養(yǎng)與時(shí)俱進(jìn)的人才。

（二）每個(gè)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，都要求學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，但是學(xué)生在寫(xiě)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)［3］，往往是照抄照搬教材上的內(nèi)容，對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)備、操作步驟和操作過(guò)程中的注意事項(xiàng)根本沒(méi)有用心去閱讀并體會(huì)，這樣的應(yīng)付性勞動(dòng)，極大的限制了學(xué)生的思維。

二、物理仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的積極作用

（一）提高教學(xué)質(zhì)量和效率

物理仿真實(shí)驗(yàn)是虛擬環(huán)境下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)儀器主要是虛擬儀器，只需購(gòu)置計(jì)算機(jī)等少量的硬件資源和軟件《大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)》即可開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)。《大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)》分為三部分，包含了凱特?cái)[測(cè)重力加速度、核磁共振、螺線管磁場(chǎng)及其測(cè)量、檢流計(jì)的特性、單透鏡物理實(shí)驗(yàn)、分光計(jì)實(shí)驗(yàn)、空氣比熱容比測(cè)定、電子荷質(zhì)比的測(cè)定、楊氏模量、邁克耳遜干涉儀、牛頓環(huán)測(cè)量曲率半徑、介電常數(shù)的測(cè)量等豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，只要將仿真軟件安裝到計(jì)算機(jī)上，就可以進(jìn)行軟件里面的任何實(shí)驗(yàn)，這就解決了實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備落后、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一的問(wèn)題，而且由于有豐富的資源,更有利于學(xué)生自主開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn),故更利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力和創(chuàng)新思維。有些實(shí)驗(yàn)儀器比較昂貴，易于損耗，普通高校一般難以開(kāi)出［4］。而仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軤I(yíng)造一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境使無(wú)法開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)得以開(kāi)設(shè)，學(xué)生只要在裝有《大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)》軟件的電腦上就能進(jìn)行整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作，并且能看到測(cè)量結(jié)果完成實(shí)驗(yàn)。由于是在虛擬環(huán)境下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，所以不存在儀器設(shè)備的損壞，操作者的心理壓力小，更樂(lè)于去動(dòng)手，在操作過(guò)程中遇到問(wèn)題解決問(wèn)題。

仿真實(shí)驗(yàn)是一種新的實(shí)驗(yàn)方式，它利用計(jì)算機(jī)把實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教師指導(dǎo)和學(xué)生操作有機(jī)地融為一體［4］。如果學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)之前沒(méi)接觸過(guò)該實(shí)驗(yàn)儀器，很多學(xué)生就會(huì)拿著書(shū)與儀器的部件一一進(jìn)行對(duì)照，甚至在不清楚儀器正確使用方法和操作注意事項(xiàng)的情況下而進(jìn)行了錯(cuò)誤的操作，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中斷、儀器損壞。仿真實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)儀器的關(guān)鍵部位能夠拆卸，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)儀器功能的熟悉和使用方法的訓(xùn)練。而如果課前學(xué)生通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)所用儀器的整體結(jié)構(gòu)建立起直觀的認(rèn)識(shí)后，那么上面損壞儀器的情況出現(xiàn)的幾率就會(huì)大大降低。比如分光計(jì)的調(diào)整與使用實(shí)驗(yàn)，每臺(tái)儀器近乎萬(wàn)元，讓學(xué)生在對(duì)儀器毫不熟悉的情況下直接接觸實(shí)驗(yàn)儀器會(huì)增加儀器受損的風(fēng)險(xiǎn)。所以我們首先進(jìn)行分光計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),學(xué)生通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，對(duì)儀器的結(jié)構(gòu)和調(diào)試技術(shù)有了整體認(rèn)識(shí)，而通過(guò)計(jì)算機(jī)操作，也掌握了一定的操作技巧，然后我們?cè)僮寣W(xué)生去做相關(guān)實(shí)物實(shí)驗(yàn)。而對(duì)于實(shí)驗(yàn)難度較高的實(shí)驗(yàn),也是先進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),再進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn),如此就縮短了做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)后,學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí),然后在進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)感到心中有數(shù)，操作起來(lái)更輕松，這樣就大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和質(zhì)量。

（二）營(yíng)造多樣化教學(xué)環(huán)境［5］。我們學(xué)院專門(mén)拿出一間計(jì)算機(jī)機(jī)房作為物理仿真實(shí)驗(yàn)室，每周周一至周五開(kāi)放，學(xué)生可以隨時(shí)去進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。如果學(xué)生自己擁有計(jì)算機(jī)，便可在課外繼續(xù)實(shí)驗(yàn)亦可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自學(xué)，為學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)帶來(lái)了方便。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)使實(shí)驗(yàn)教學(xué)走出實(shí)驗(yàn)室,克服了實(shí)驗(yàn)教學(xué)長(zhǎng)期受到場(chǎng)地、課時(shí)限制的困擾,使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容在時(shí)間和空間上得到延伸，學(xué)生能夠充分的學(xué)習(xí)和掌握實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容［5］，這也利于學(xué)生根據(jù)自己的興趣選擇實(shí)驗(yàn),可滿足不同層次學(xué)生的需求，極大的調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

（三）對(duì)于實(shí)物實(shí)驗(yàn),實(shí)際操作中由于儀器的缺陷、實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及人為不當(dāng)操作等因素的影響,致使結(jié)果誤差較大,從而影響學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。仿真實(shí)驗(yàn)采用虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,最大限度地避免了實(shí)際中存在的各種不利因素,實(shí)驗(yàn)結(jié)果較準(zhǔn)確,所以通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以極大地增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)的信心,有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)實(shí)驗(yàn)態(tài)度,是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一個(gè)有益的必要的補(bǔ)充［2］。

三、仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的不足之處

盡管仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中有一定的積極作用，但它仍具有有一定的局限性。一方面，仿真實(shí)驗(yàn)中的儀器相對(duì)比較精確,使學(xué)生不能通過(guò)數(shù)據(jù)處理、誤差分析等環(huán)節(jié)訓(xùn)練來(lái)體驗(yàn)和分析產(chǎn)生誤差的主要原因。另一方面，在使用仿真軟件的過(guò)程中，對(duì)儀器的操作主要是通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊來(lái)實(shí)現(xiàn)，缺乏真實(shí)感，并且缺少實(shí)際動(dòng)手的機(jī)會(huì)，從而減少了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到實(shí)驗(yàn)故障并排除故障的機(jī)會(huì)。

四、結(jié)論

綜上所述，我們清楚的知道，仿真實(shí)驗(yàn)不能完全取代實(shí)物實(shí)驗(yàn)，為了更好的教學(xué)質(zhì)量，最好的辦法是在教學(xué)過(guò)程中將仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,正確處理好仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系［6］，開(kāi)創(chuàng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式，使仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中起到應(yīng)有的作用。

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