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虛擬實驗設計論文范文1
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
虛擬實驗設計論文范文2
【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.
虛擬實驗設計論文范文3
（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。
虛擬實驗設計論文范文4
[關鍵詞]虛擬實驗；整合情境；輕游戲；沉浸理論；整合教學法
[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009—8097（2013）11—0109—06
一 引言
虛擬實驗注重的是實驗操作的交互性和實驗結果的仿真性，主要是借助于圖像/圖形、仿真和虛擬現實等技術在計算機上所營造的可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環節。通過研究發現，現在的虛擬實驗普遍存在以下幾個問題：第一，虛擬實驗缺乏趣味性，枯燥乏味，不能引起學生的興趣，學生很難主動投入學習并維持學習興趣。第二，虛擬實驗缺乏與學生的互動，基本上虛擬實驗是由教師控制界面，學生處于聆聽模式。第三，教學理論陳舊無力，學習者缺少自主探宄，合作分享的機會。以上這些問題容易導致學習者對虛擬實驗缺乏興趣，產生厭煩、急躁甚至排斥的情緒，學習效果大打折扣。歸根到底，出現這些問題的原因是與現代教育理念相悖，現代教育理論倡導教師應由處于中心位置的知識權威轉變為學生學習的指導者和合作伙伴、設計者、教育的研究者，學生應由被動的知識容器和只是受體轉變為知識的主宰、學習的主體，學習環境應由簡單的背景化信息轉變為具有吸引力和復雜情境的功能性教學載體。由此可見，虛擬實驗的設計面臨著改進需求。
按照2002年麻省理工學院和微軟公司提出“現代教學法+藝術化游戲環境=下一代教育媒體”的觀點，虛擬實驗要實現吸引、促進學習者沉浸其中，使學習者深度體驗實驗過程，探究實驗結果，那么有先進并恰當的教學理論為設計依據，加上具有強烈感官刺激、心理挑戰的游戲化環境設計，實現教學、心理、藝術效果的完美結合。據此，我們認為虛擬實驗應創設為能吸引并使學習者沉浸其中的虛擬學習環境，這個虛擬環境具有較強的現實感、交互性、藝術性、娛樂性等特點?；谝陨峡紤]，此本文提出創設整合情境，將“輕游戲”元素增設到虛擬實驗中，設計了基于整合情境的游戲化虛擬實驗模式，并將此設計模式應用到開發的虛擬實驗案例中。
二 整合情境及沉浸理論概述
1 整合情境
（1）整合情境的概念。20世紀80年代，比利時、瑞士、法國等歐洲國家提出整合教學法（Integrative Pedagogy），該教學法是訓練學生聯合調動若干知識和技能，來解決復雜的情境。開始時整合教學法被應用在大學教育、職業培訓中，逐漸應用到中小學教育。整合情境（Situation Integration）是整合教學法的核心，學者有些稱之為靶向情境（SituationCible）或重新投入的情境（Situation Reinvestissement）。德·克特勒等認為，整合情境是“一個包括主要信息、干擾信息，并運用先前學習的一個復雜情境”，它有三個構成要素：物質支持工具、若干任務和若干命令。在物質支持工具中呈現出來的實物、背景、信息、功能等都可能是復雜、凌亂無序的。
（2）整合情境與問題情境。上述的整合情境與我們常提到教學論中的問題情境（Problem Situation）較為相似，為了更好地理解整合情境，在此有必要對兩者做一個比較分析。學者對問題情境的界定不統一，布魯納認為“學習者在一定的問題情境中，經歷對學習材料的親身體驗和發展過程，才是學習者最有價值的東西?！彼傅膯栴}情境可以理解為一種具有特殊意義的教學環境，既是教學背景，也可以是本學科的問題，還可以是其他學科的相關內容等。埃納爾和尤尼爾認為問題情境是“教育者為了以下目的所設計的情境：為學生們創造一個圍繞某個有待解決的問題進行思考和分析的空間；幫助學生們從這一“空間—問題”出發，對關于某個明確主題的新的表現加以概念化。”它包含三個因素：背景、信息和有待完成的任務。從上述概念來看，整合情境與問題情境確實有很大相似之處，都是為了教與學活動，完成某些教學任務的具象化背景，但兩者的內涵和側重點并不相同。兩者的比較如表1所示。
從表1不難看出，整合情境和與我們一般所指的問題情境有很大區別，第一，功能性，整合情境更具明確的目標，教師應考慮如何利用支持工具，也就是情境的利用，而不像問題情境更重視的是情境本身。第二，情境的類型，整合情境傾向于自然情境，需要學習者在真實的環境中辨別、分析，適合學習者個體探究學習，而問題情境更多的是建構的情境，是教師為了教學目的而設計出來的情境，使學習者個體或小組獲得知識和技能。第三，設計整合情境的初衷是為了整個學業的提升或學習評估，相對問題情境的目標要廣泛和深遠。按照達蒂夫¨2J的說法，問題情境是“任務來源”，而整合情境是“任務靶向”，可以理解為一個偏重于問題本身，一個偏重于通過問題來探究的目標。一言蔽之，整合情境是“被瞄準”的問題情境，為了更明確的方向和目的所設計的問題情境，整合情境相對于問題情境更具復雜性和真實性，更適合學習者探索和建構知識和技能。
2 沉浸理論
沉浸理論（Flow Theory）于1975年由Csikszentmihalyi首次提出，解釋當人們在進行某些日?；顒訒r為何會完全投入情境當中，集中注意力，并且過濾掉所有不相關的知覺，進入一種沉浸的狀態，這種狀態被描述為“流”（flow）。Wigand和Nilan將沉浸感分為三個階段：沉浸的先前準備階段、沉浸體驗階段、沉浸體驗的結果。沉浸的先前準備階段所考慮的要素包括注意力的集中、明確的目標、與玩家技能相平衡的挑戰、活動的趣味性、簡單快速的上手；沉浸體驗階段的體驗包括行動與意識的統一、高度專注、對活動的控制感、時間感的變化、遠程監控感；沉浸體驗所帶來的結果是促進學習、激發學習者的探索行為、信息技術的接受及使用、行為控制的認知。從文獻可以看出，國內外游戲的設計和開發基本都與沉浸理論相關，游戲化的學習的設計和開發也當如此。有研究表明，“深度沉浸的學習相對于淺度沉浸的學生而言.在虛擬實驗的環境中更容易獲得滿足”。據此我們認為追求流體驗是游戲化虛擬實驗設計的重要目標和依據。
三 基于整合情境的游戲化虛擬實驗的設計
基于以上的理論討論和實踐研究，本文提出基于整合情境的游戲化虛擬實驗模式，這種虛擬實驗模式以創設整合情境為手段，以“輕游戲”元素為設計元素，目的在于增加學習者虛擬實驗的沉浸感，激發學習動機，維持學習體驗，從而達到提高虛擬實驗學習的效果。
1 基于整合情境的游戲化虛擬實驗的設計機理
根據心理學研究表明，要真正達到教學效果，必須從吸引學習者，維持學習者注意力著手，實現虛擬實驗的沉浸體現。然而內部的心理活動是由外部的刺激，反復強化才能影響。所以外部的教學設計成為虛擬實驗的關鍵，筆者認為可以從創設整合情境入手，給學習者營造一個逼真復雜的情境，這個情境即包括教學情境，還包括現場情境，避免枯燥無味又不具備現實意義的學習環境。本文提出，虛擬實驗過程應是一個“三層”體系結構：教學層、行為層、心理層，實現一個由外至內的心理過程，由教學活動至實驗過程，再到達到學習者沉浸體驗的過程，從而提高學習者學習興趣，維持注意力。具體見圖1。
從圖1可見，教學層、行為層和心理層都包括技術和學習兩個方面，教學層處在基礎的地位，也是最重要的層面，它是引領學習者進行虛擬實驗的關鍵手段和方法，包括創設整合情境，設計實驗界面，教學設計等；行為層是學習者完成虛擬實驗的過程，探究實驗結果；心理層是虛擬實驗的最高層面，實現心理沉浸，保持學習注意力，從而完成虛擬實驗的體驗活動。這三層體系結構是一個從下到上，從外到內，從教學到心理一個完整的過程。
2 基于整合情境的游戲化虛擬實驗設計模式
根據上述基于教學層、行為層、心理層的“三層”游戲化虛擬實驗的設計機理來設計虛擬實驗學習模式。虛擬實驗主要分為：演示實驗、驗證試驗和探索實驗三種，它們一般的實驗流程為激發興趣、獲取知識和經驗、驗證、應用和控制。為了體現實驗的特點本文稱實驗操作為行為層，而每一個實驗行為都對應著教學層的教學活動以及心理層的沉浸過程，它們的相互關系及內涵是學習模式的核心內容，見圖2。
（1）教學層：創設整合情境、設計游戲化元素。為了能吸引學習者全身心地投入到虛擬實驗中，首先可以從教學設計層面設計具有整合情境的虛擬實驗環境，使學習者被生動、自然、復雜的情境所吸引，目標直指虛擬實驗的核心知識：然后重點設計具有游戲化元素的虛擬實驗，包括人物、場景、情節、任務和音效等，以聲音、圖形、視頻等多媒體表現實驗內容；最后通過設計的交互活動達到知識鞏固、反思和激勵的作用。
（2）行為層：操作游戲化虛擬實驗。虛擬實驗教學設計的目的是使學習者能按既定的設計步驟達到相應的實驗目標，虛擬實驗一般分為演示實驗、驗證試驗和探究實驗，一般都有以下幾個步驟：激發興趣、獲取知識和經驗、驗證實驗、實驗的應用和控制等。實驗過程是學習者在教學設計下完成的是可見、可控制的行為活動。
（3）心理層：實現沉浸體現。為了使學習者達到知識的內化，可以通過設計游戲化虛擬實驗吸引并維持學習者達到長時間的心理沉浸感，可以分成沉浸準備階段（吸引）、沉浸體驗階段（維持）、沉浸反饋階段（遷移）三個過程，每個過程都需要和相應的教學設計和實驗操作階段配合發生，整合情境的創設就是為了激發學習者的興趣，達到學習者沉浸體驗的準備階段。游戲化虛擬實驗的設計就是為了使學習者在實驗過程中獲取相應知識和經驗，達到學習者沉浸體驗階段。而教學反思和鞏固為的是使學習者很好的應用實驗知識，達到沉浸反饋階段，實現知識的遷移。
3 基于整合情境的游戲化虛擬實驗的特征
（1）強調自然情境的學習意義。從社會學的視角來看，“情境”指一個人正在進行某種行為時所處的社會環境，是人們社會行為產生的條件；從心理學的視角來看，“情境”指的是事物發生并對機體行為產生影響的環境條件；學習論的視角來看，“情境”則是學生從事學習活動、產生某種學習行為的一種環境和背景?；谡锨榫车挠螒蚧摂M實驗所指的“情境”在學習環境中一般并不存在，它是被建構出來的，任務的結果也不是一目了然，信息復雜，表述曲折，難以理解，具有障礙和隱蔽性，更趨向于真實的自然情境，但它的功能明確，即為了服務教學目標。
（2）強調游戲對學習興趣的激發。布魯納等認為學習是學習者內部動機驅動的積極主動的建構過程，激發學習者的學習動機尤為重要?；谡锨榫车挠螒蚧摂M實驗強調利用“輕游戲”的設計，給學習者創造“流體驗”，使學習者更容易沉浸，達到深層次的參與。虛擬實驗的激發興趣、獲取知識和經驗、驗證、應用和控制等一般步驟，都可以在游戲化虛擬環境中完成。我們認為，游戲不是虛擬實驗的目的和重點，游戲化的環境設計是讓學習者能沉浸虛擬實驗學習的手段，完成心理層面的沉浸體驗的三個階段，最終實現虛擬實驗的知識獲得或遷移。
（3）強調教師對學習者或學習小組的支持。建構主義學習理論強調學習者積極主動地建構知識，教師的地位發生了變化，從原來的灌輸知識主導教學活動。基于整合情境的游戲化虛擬實驗“情境”的設計者一般是教師，當然也可以是其他成員，情境的發起者和解決者之間形成合約的關系，教師可以讓學習者選擇是否進入學習情境，學習者可以自由選擇學習方式，教師可以提供幫助，督促學習者學習，直到評估合格。整個教學過程的設計十分重要，關系到整個學習過程的展開。學生或者學習小組成了主體，而教師的地位退居其后，成為中介者、支持者，負責情境的建議和發起，更多的學習主動權交給了學生。
（4）強調探宄學習對虛擬實驗的作用。虛擬實驗可充分發揮其優點，根據實驗的特點和學習者的特征，控制實驗的條件，設計、開發具有較強交互的探究性虛擬實驗?；锨榫车挠螒蚧摂M實驗由于其具有較強的現實性、趣味性，更適合也更容易探究學習。學習者或學習小組從整合情境中的復雜信息或自身具體經驗出發，通過觀察和反思概念或認知，設計或驗證試驗方案，這樣的學習過程往往不能一次性完美完成，學習者或學習小組得反復探宄，不斷完善和修正。如此一來，可以發展學習者的積極主動性和探索精神。
綜上，基于整合情境的游戲化虛擬實驗實質上是創建了以學習者為中心，教師為支持的整合學習環境，這個學習環境具有一般虛擬實驗特點的同時還具有情境性、藝術性、娛樂性，吸引并使學習者沉浸其中，完成虛擬實驗的演示、驗證或探究活動。
四 基于整合情境的游戲化虛擬實驗的應用案例設計
近年來食品衛生和安全成為備受關注的熱門話題，為了加強青少年對食品添加劑方面的知識，提高選購安全食品的能力。本研究基于以上提出的基于整合情境的游戲化虛擬實驗的設計理論，設計開發了能進行虛擬實驗和檢測的食品添加劑虛擬實驗室。
1 教學設計。根據“食品安全學”教學大綱和實驗要求，為了學習者能融入并沉浸到虛擬實驗.達到主動探究學習，獲取實驗知識和經驗的目的，本文設計并開發了“添U加C”游戲化虛擬實驗，以下將介紹該虛擬實驗的設計和實現研究。
（1）整合情境創設與游戲化學習活動設計，如表2。
（2）游戲化虛擬實驗。根據以上游戲化學習活動設計，我們可以將游戲化虛擬游戲過程主要分為三個階段：整合學習活動、輕游戲化探究學習、反思分享。
①整合學習活動階段。依照整合教學法的理論，學習是一些展開局部學習2、使用整合情境和評估情境所構成的一個連續體。整合學習活動是本案例的設計重點，主要是從其三要素：物質支持工具、信息、命令來展開設計，該案例將物質支持工具和信息整合在資料中，即物體、背景、信息、功能、信息等。
虛擬實驗教學目標：為了了解食品添加劑知識，學習者進入了一個三維虛擬的超市進行選購食品，學習者可以根據以下資料，了解食品中含有哪些添加劑？推斷食品添加劑對人身體有哪些影響？以及計算出人一天食品添加劑最高劑量是多少？
資料1：選購商品情境，如圖4。
資料2：介紹食品添加劑情境，如圖5。
命令1：完成購物報告，如圖6。
命令2：完成虛擬實驗，如圖7。
命令3：完成實驗報告，如圖8。
命令4：完成添加劑重新選購，如圖9。
通過以上整合學習活動后，學習者將傳統學習而來或自有的經驗知識整合到復雜的情境中，進行自主學習，該虛擬實驗提供了物質的支持工具和信息，教師處于支持或輔導的地位，學習者被生動、自然、復雜的情境所吸引，目標指向虛擬實驗的核心知識，完成指定的命令任務。
②“輕游戲”化探究學習階段
尚俊杰等【22】對“輕游戲”的界定為“輕游戲=教育軟件+主流游戲”，認為它首先是一個教育軟件，并追求主流游戲的內在特征，如挑戰、好奇、控制、目標、競爭、合作等，以此平衡游戲的教育性和游戲性。本虛擬實驗的設計遵循“輕游戲”的設計思想，將虛擬實驗設計成模擬類游戲。第一，本游戲化虛擬實驗具有模擬仿真性，學習者進入的“添u加C”食品超市，其中的人物、貨物、貨架、標簽、背景、音效等完全仿真現實超市。第二，本游戲化虛擬實驗具有“輕游戲”元素設計，如情境、系統幫助、導航、虛擬實驗關卡逐級遞增等。第三，本游戲化虛擬實驗具有真實并可完成的任務，學習者在挑選自己喜歡食品時，會出現該商品包括添加劑的情況等信息，這時適時對學習者進行添加劑知識的介紹，而學習者在離開超市前得完成添加劑知識的實驗報告和虛擬實驗，之后會讓學習者重新選擇食品的數量和種類。這樣的設計是讓學習者在知道、了解、掌握、應用食品添加劑的學習過程中，完成探究學習活動，教師或本虛擬實驗設計者自始至終處于整合情境的發起地位，學習者主動思考、積極參與、探索食品添加劑知識成為本虛擬實驗的重點。
③總結分享階段
總結分享是一般虛擬實驗的應用階段，本虛擬實驗要求學生在完成整合學習活動和“輕游戲”化探究學習后，完成食品添加劑的知識鞏固練習，并在退出虛擬實驗前在工藝宣傳欄中填寫自己對食品添加劑的宣傳語，分享游戲化虛擬實驗的學習心得體會，效果如圖10、11所示。
2 模塊設計與實現
本虛擬實驗仿照了現代超市模式，按照功能進行區分，主要有購物中心、服務中心、支付中心、幫助中心。依次是對食品添加劑的了解、學習、反饋和鞏固四個階段。
（1）購物中心：是對食品添加劑的初步了解階段。它模擬現代超市購物環境，通過鍵盤方向鍵來控制購物車的運動，按照食品的分類主要有五大區域：生鮮蔬果區、休閑食品區、糧油調味區、酒飲沖調區、營養健康區，選購時能顯示食品名稱、所含添加劑、原料、保質期、生產日期等信息，購物中顯示購物清單，結束購物時得出購物報告，告知是否購買的食品添加劑超出國家標準。
（2）服務中心：是以食品添加劑學習和實驗階段，主要分為添加劑原理實驗、劑量對比實驗、添加劑案例三個部分。通過這樣的實驗，一方面深刻理解添加劑的功能與副作用，另一方面加強青少年動手能力。離開服務中心時，得出實驗報告，告知在該中心做了哪些實驗，并得出實驗結論。
（3）支付中心：是以對食晶添加劑學習的反饋和鞏固階段。由于之前在服務中心的學習，會對食品添加劑有了一些隊識，因此在支付報告中，學習者可以再次決定哪些食品是否要購買，以及購買的數量，還包括有獎測驗和公益宣傳兩個模塊。
（4）幫助中心：主要包括課件導航地圖和添加劑知以幫助，主要是幫助青少年更好地了解該虛擬實驗室的結構及操作及其對各種添加劑的認識。
本虛擬實驗經過反復的調試，實現了在整個超市各個中心的數據傳遞，用Asp連接Access數據庫，按照數據結構來組織、存儲和管理數據，完善地管理各種數據庫對象.實現登錄注冊頁而、購物清單和公益宣傳等數據的傳遞。
五 結束語
本文通過文獻調研、設計機理與模式的提煉、案例的設計開發等研究，提出了基于整合情境的游戲化虛擬實驗模式，并將此模式進行了初步的應用。實踐證明該虛擬實驗模式具有很好的藝術性、娛樂性，能很好地將虛擬實驗與輕游戲化體驗結合起來，能吸引學習者進入虛擬實驗過程，有一定的保持吸引的作用，并能保持沉浸效果，對于學習者探究能力和合作能力的培養有一定促進效果。但是，由于研究條件和時間的限制，本研究還存在很多的局限，如案例設計和開發內容有待進一步深入，設計策略不詳盡，交互設計何待改進等。我們將在后續研究中，將對該模式進行實驗研究，通過數據統計和分析出該模式在維持學習者動機、學習效果、探究認知等方面的情況，為實現吸引學習者并保持沉浸感的虛擬實驗進行更深入研究。
虛擬實驗設計論文范文5
光通信技術是當今信息技術領域的前沿與支撐技術之一。2013年，國務院頒布“寬帶中國”計劃，進一步提升了光通信技術在國家發展戰略中的地位。簡言之，光通信技術是光纖技術與通信技術的綜合體，它具有高速、大容量的優點，但亦存在高成本、高復雜度和多學科交叉的特點。這成為該門課程實踐教學開展的主要困難。而且，對于省屬地方高等院校，同時面臨生源基數大、實驗教學經費短缺、設備更新緩慢等難題，使得該問題更加凸顯。為緩解這一問題所帶來的影響，基于專業光通信仿真軟件，引入虛擬實驗教學時必然趨勢。
一、虛擬實驗教學改革的背景與意義
作者所在的黑龍江大學電子工程學院，《光通信技術》實驗需為兩個本科專業（光電子技術系和通信工程系）學生（約180人/年）提供課程資源。原有《光通信技術》包含“光纖低損耗熔接”“光纖纖芯分布測量”“光纖微彎損耗測量”“光時域分布反射測量”和“可視光通信傳輸系統演示”5個基礎專業實驗，僅能覆蓋《光纖技術》和《光通信技術》兩門專業必修課程的實驗教學任務，學生缺乏對“光電子器件”應用的認知。而且，光纖與光通信技術是本專業最重要的兩個研究方向之一，是專業學生就業與求學的主要支撐技術。近10年來，光通信技術在“光傳輸”“光交換”“光接入”和“可見光電力線通信”等領域高速發展。然而，現有實驗教學設備多購置于2001年，部分已陳舊、老化。與此同時，面臨教學經費不足，設備臺套數有限，儀器價格昂貴，由于普通高校擴招導致生源劇增的雙重壓力，對應的實驗內容無法得到更新，課程講授內容與實驗教學脫節，學生學習興趣低下。
圖1 原有專業基礎實驗方案
與之相比，專業仿真軟件具有價格低廉，覆蓋領域廣，專業性強，靈活性、操作性好等系列優點，可實現光放大器設計，光電轉換器件測試，多光通信系統實時在線模擬等功能，與本專業光纖技術、光電器件與檢測、光通信技術課程內容吻合。鑒于此，將虛擬實驗與原有的專業實驗相結合，以專業實驗為基礎，虛擬實驗為進階，二者相互補充、取長補短，將可有效緩解專業實驗教學中所面臨的困難。
二、虛擬實驗教學改革的具體實施方法
（一）方案設計與實驗室建設
1.保留原有的“光纖低損耗熔接”“光纖纖芯分布測量”“光纖微彎損耗測量”作為基礎實驗，刪除“光時域分布反射測量”和“可視光通信傳輸系統演示”兩個實驗，節省6學時的課程資源。
2.開設“光通信仿真設計”課程設計，以虛擬實驗教學方式提高學生對于“光通信系統架構”“光纖放大器設計”“光電子器件工作特性”的掌握能力。課程設計采用機房集中教學模式，包含“光發射機/光接收機的實現”，“誤碼率與質量因子評價”“色散補償特性測試”“光放大器性能優化”“格式生成與轉換”五個模塊，共計32學時。其中，講授學時8學時，實驗學時24學時，第一、二模塊為必選，后三個模塊至少任選其一。
3.將原有機房進行升級與改造，新購置計算機50臺套，服務器1臺套，投影教學設備1臺套。更新原有網絡布線與系統，實現教師與學生互動能力，提升學生間的交互學習能力，改善學生個人的實驗學習平臺環境。購置專業光通信仿真軟件OptiSystem（12.0版）1套，可同時滿足30人在線仿真需求。
圖2 虛擬實驗設計方案
（二）虛擬實驗教學實施方法
在實際的教學過程中，該門課程對于光電子技術專業學生（年均60人）為必修課程，分成2個教學班級循環教學；對于通信工程專業學生為選修課程，根據以往統計，選修課程人員約60―80人，亦分成2個教學班級循環教學。除講授8學時外，學生需在2周內完成24實驗學時，教學資源采用開放模式提供，學生可自行安排學習時間，學時計算由智能管理系統完成。教學模式除課上教學、實驗外，還包括師生在線交流與在線答疑。課程考試采用報告模式提交，3人一組，需分工明確，格式統一，數據與分析清楚有效。
圖3 虛擬實驗教學的實施與執行
三、效果與評價
對于通信工程專業，該門課程設置在第六學期，需學習前期的光纖基礎實驗。對于光電子技術專業，該門課程設置在第七學期。作為中間環節，他是專業實驗的進階，同時作為本科畢業設計的前期訓練，起到承上啟下作用。運行一年來，效果顯著。主要體現在：（1）增加了實驗教學資源，緩解了實驗設備臺套數少的困難，提升了學生的實踐實訓能力；（2）完成了課堂教學與實驗教學的完整對接，教學內容與深度得到進一步提升；（3）激發學生學習興趣，為教師的科學研究提供有效輔助。截至2014年12月，已有11名專業學生參與到教師的科研團隊中，并在光通信設計領域發表EI檢索科研論文3篇，申報發明專利1項，獲授權實用新型專利2項，獲批省級、校級創新創業課題2項。
虛擬實驗設計論文范文6
1.1改革實驗內容，增加綜合性、創新性實驗，激發學習興趣
儀器分析實驗主要分為：驗證性、設計性和綜合性三大類．原先我們開設的實驗主要偏重于驗證性，內容也比較陳舊，我們根據現實情況做了以下改進．
1.1.1壓縮驗證性實驗
為了培養學生的創造思維，打破傳統的重理論輕實踐的觀念，充分調動學生學習積極性，本著強化動手、動腦能力及學生創新能力的培養，壓縮了驗證性實驗的學時數，現開出驗證性實驗12學時，綜合性實驗14學時，設計創新性實驗項目6學時．
1.1.2增加貼近生活的實驗
增加了密切聯系實際、貼近生活的實驗項目，如奶粉中三聚氰胺含量的測定、地溝油中脂肪酸類的測定、湖泊水樣中重金屬銅、鎘含量的測定等與健康、環境密切相關的問題．如我們讓學生檢測長江水樣中重金屬銅的含量，并讓其進行評價，從采樣、樣品的保存和處理及測定全程讓學生親自參與，并要求學生將測定結果與國家標準對照，讓其分析評價所采水樣是否達標，從好奇心出發激發學生對實驗的興趣，讓學生充分發揮主觀能動性，增強學生動手能力和操作技能，培育學生的社會責任心和創新能力．
1.2利用現代教學手段，提高實驗教學效果
由于分析儀器存在原理抽象、結構復雜、課堂教學與實驗脫節等問題，在儀器分析實驗的教學中借助多媒體技術可以降低學習難度，突破教學難點，加深學生對基本理論、儀器結構和微觀過程的理解，使抽象的內容具體化，復雜的內容簡單化．在光學分析實驗中，我們比較了紫外—可見吸收分光光度計和熒光光譜儀的結構，將這兩種儀器的結構流程圖、各元件內部結構和測試原理通過多媒體圖片向同學們講解，使學生掌握了熒光光譜儀的光源與檢測器成直角型，而紫外—可見吸收分光光度計的光源與檢測器成直線型，同時還比較了它們在單色器方面的差異．又比如質譜儀、核磁共振波譜儀和毛細管電泳等學校暫時沒有的儀器，采用虛擬仿真實驗的方式，通過多媒體課件讓學生觀看了解這些儀器的結構流程、各部件的作用、操作規程等，彌補了大型儀器不足的問題．多媒體技術圖、文、聲、像并茂，生動活潑，可以化靜為動、化虛為實、化抽象為直觀，具有表現形式多樣化、感染力和吸引力強等優點，能激發學生興趣，活躍思維，顯著提高了實驗教學效果．
1.3完善考核辦法，激發學生學習積極性
實驗考核是研討教學規律、檢查教學質量、改革教學內容及方法的重要依據，是實驗教學成功的有力保障．科學的考核手段可以提高學生學習的積極性和主動性，引導學生向良好的方向發展．為此，我們根據儀器分析實驗課程特點，制定了能客觀反映學生綜合素質的多元實驗考核辦法：平時成績與期末考試成績相結合的方法，期末考試包括理論筆試和實驗操作技能．具體辦法如下：
（1）平時成績為60%，主要包括：實驗預習、實驗操作、原始數據記錄、實驗作風、數據結果處理及誤差等．實驗報告強調實驗步驟描述的準確性、書寫的規范性；實驗結果和數據要與原始實驗記錄的一致性；
（2）理論考試為20%，對實驗涉及的分析儀器的原理、結構、使用對象及條件進行考核；
（3）操作考試為20%，在事先出好的10套操作測試題中由學生抽簽決定實驗項目，在給定時間內獨立完成實驗，改變傳統“照方抓藥”的實驗方式，培養學生分析、解決問題和綜合運用知識的能力，以考代學，有效提高了學習效果．
1.4加大實驗室開放力度，培養學生的創新思維和科研素養
為適應新的人才培養目標要求，激活學生創新潛能，強化學生創新思維、創新能力的發展，我們加大了實驗室大型儀器向不同層次學生開放的力度，完善了開放實驗室管理條例．其中，開放實驗主要分為兩種形式．
1.4.1設計型實驗
鼓勵學生在掌握基本實驗技能的基礎上，完成自己感興趣的設計型實驗．設計型實驗一般由老師列出相應實驗題目供學生選擇，學生根據自己興趣選定一個題目后查閱資料．以“三峽庫區水樣中有機污染物熒光光譜特性”這一實驗為例，實驗老師首先向同學們講解實驗設計的基本原則和要求，培養學生查閱資料能力．學生根據老師提出的實驗設計理念查閱相關文獻寫出實驗方案，經與指導老師討論并經指導老師審查和驗收合格后利用課余時間進行實驗．學生可通過自由組合的方式成立實驗團隊，統籌安排好實驗儀器和試劑，實驗過程中盡量體現學生的自主性，對實驗中所產生的問題要求及時記錄并想辦法解決，最后寫出實驗報告．實驗完成后，指導老師及時的組織同學們進行交流總結，升華同學們的研究性學習成果．
1.4.2科研型實驗
讓專業知識扎實、操作技能嫻熟的同學參與相關教師的科研課題和課外科技活動項目（如大學生創新性實驗項目，“挑戰杯”等），整個實驗以學生為主，教師為輔．實驗室在時間和空間上為學生提供寬松的學術環境和氛圍，目的是讓學生了解本學科的科學前沿，引導學生去思考問題，以增強學生求知欲，培養他們的創新能力和科研素養．如教師結合其研究成果，開設了科研型實驗項目“磁性四氧化三鐵用于環境水樣中亞甲基藍的吸附研究”．實驗需應用共沉淀法制備納米材料，并研究其對水樣中亞甲基藍的吸附等．要求學生通過文獻查閱了解納米材料的主要化學制備技術，重點掌握共沉淀法；研究納米材料對染料亞甲基藍的吸附性能并熟悉紫外—可見分光光度計、紅外光譜儀等儀器的原理和操作技能．學生通過查閱文獻，設計方案，獨立實驗及論文寫作，把所學的理論、實踐及相關知識綜合運用，使學生的知識、能力和素質三者融合發展，充分發揮學生的創造性和積極性；加強師生間的溝通，培養了學生提出問題、分析問題、解決問題的能力和創新思維及科研素養．學期末教學質量調查結果顯示學生普遍對此類實驗具有濃厚興趣，學生的實驗研究興趣和動手能力均得到了提高．
2結語
