虚拟实验论文范文

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验证性虚拟实验教学过程

(1)验证性虚拟实验网页组成验证性虚拟生物化学实验室的网页页面由图1所示。(2)实验例证基因体外扩增技术(PCR实验)①原理:先图示或动画PCR原理、过程和应用，并解释相关概念，包括引物、DNA聚合酶、核苷酸、模板等基本概念。②样品、材料准备:包括相关试剂、PCR仪、手套、无菌操作台、枪、枪头等，并配上相关图片。③PCR扩增:包含PCR过程、结果，用动画和图片，充分让学生了解其原理和过程。④PCR结果检测:对出现的结果分别进行分析。有单一条带是表明PCR是特异性扩增，无条带可能是什么原因，条带不单一可能是什么原因，每一结果都用不同的图片来显示给实验者，让学生在虚拟情况下就能分析实验结果。用虚拟PCR仪代替传统仪器来进行数据处理，观察和分析实验结果，结合实验图片或动画将每个步骤的过程展现给实验者，把每个步骤中容易出错的部分给标记出来，并对实验的不同结果进行分析，这样能有效地帮助学生理解问题并对错误操作有感性认识。

综合性虚拟实验教学组成

虚拟实验室也可增加综合性实验。在虚拟实验室中，尝试用已有的报道的研究资料作为综合实验的来源。将生物实验研究的学习置于探究的背景下，将综合性实验已有报道看成“问题是什么”，“用何种实验能回答这个问题”，“如何设计实验进行验证”，也就是“What?How?Why?”从而重视在探究过程中获得综合素质的提高，使科学知识能在不断的设问中得到升华。(1)综合性虚拟实验网页组成本实验室所作的综合性实验网页如图2所示。其中研究文献包括本实验的研究报告及相关文献。综合性实验还可通过让学生自由选题，设定实验方案后，利用虚拟仪器进行实验，并作出结果预测，从而来提高学生的创新和科研能力。(2)实验例证研究干旱对植物抗氧化酶的影响［6］。①写出本实验的研究背景，研究目的。首先阐明植物受不良外因影响后，会出现的各种现象。研究干旱地方植物抗旱生理生化状况，对干旱地方植被恢复奠定良好的理论基础。开展植物抗旱的生理抗(耐)性机理能为植物物种栽培提供依据。②列出实验的假设，并据此设计实验过程。植物在不良环境，会出现相应生理生化变化，测定相应气体交换参数，测定相关的抗氧化酶的活性变化。各种抗氧化酶在生物体中的作用，并分别写出相关酶的测定方法。③结果分析。对不同状态下的结果进行分析。④后续实验的进一步完善。对实验证明不完善的地方加以分析，并提出完善的方法，运用多种实验方法加以改进研究。本实验则可以在测定生理生化变化后，进一步进行基因表达的研究，检测不同条件下基因表达的变化。再将相关的文献附上［7－9］，即可让学生明白研究具体课题的一个基本步骤，为其今后的科研打下良好的实验基础。本实验室的综合性实验包括植物的抗氧化酶研究、内生菌的抗菌物质提取、多糖的抗肿瘤研究等8个实验。这些实验，通过选取不同的实验材料，采用不同的实验方法，让学生对科学研究的过程有一个深入的了解，能弥补简单的独立实验不足，对学生今后的更进一步的深造打下坚实基础，效果显著。学生普遍反映对其生物化学知识有了深入的了解，并对科研论文有了基本认识，提高了学生毕业设计的实验设计能力与实际动手能力。

虚拟实验视频

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1.虚拟现实技术

虚拟现实VR(VirtualReality)是近几年来信息技术迅速发展的产物,毕业论文是一门在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术和传感技术的基础上发展起来的交叉学科。其基本方法和目标是集成并利用高性能的计算机软硬件及各类传感器创建一个使参与者处于身临其境的、具有完善的交互能力、能帮助和启发构思的信息环境,即让用户在人工合成的环境里获得角色的体验。

虚拟现实具有三个基本特征。沉浸性,是指观察者对虚拟世界的情感反映,这种感觉能使用户全方位地投入这个虚拟世界,这是虚拟现实的首要特征。交互性,是指虚拟现实是一个开放的环境,能对用户的输入作出响应,并能通过监控装置来影响用户和被用户影响。想象性,是指虚拟现实不仅是一个媒体、一个高级用户界面,还是一个应用系统,它以生动形象的形式反映设计者的思想。虚拟现实的三个基本特征强调了人在这个系统中的主导作用。虚拟现实系统按其功能不同,可以分为三种类型:沉浸式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。其中,桌面式虚拟现实系统是运用软件编程方法在显示器上显示三维场景,用户通过键盘、鼠标等设备与虚拟场景交互,它的特点是结构简单、成本较低,易于推广。

2.网络虚拟实验室

所谓网络虚拟实验室,是指利用区域网或互联网,由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统,包括相应的实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象及实验信息资源等。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现,也可以是虚拟构想的实验室,虚拟实验通过虚拟实验室进行。在虚拟实验中,实验者有逼真的感觉,有身临其境的感受,好像是真正在现实实验室里近距离进行现场操作。在虚拟实验中,没有一个有形的实验室,也没有以实物形态存在的实验工具与实验对象,实验过程主要是对虚拟物的操作。

3.计算机专业虚拟实验室的创建

构建专业虚拟实验室,其实就是搭建一个网络平台系统,包括硬件、软件及管理三个方面。在硬件上,

目前各校都建立了校园网络并接入了互联网,这些基础设施基本可以满足需求,不需要太多的投入。在软件方面,一个是实验室平台软件系统的开发,它与网站建设相联系;另一个是网站的内容(实验内容)建设,这是实验室建设的关键。虚拟实验室应有可以做的实验来支撑,不然软件平台就是一个空架子,形同虚设。同时,该平台上还应有实验管理的支持,对实验仪器、实验报告、实验指导、实验成绩及网上答疑等进行有效管理,并对虚拟实验室进行监控,计算机网络虚拟实验室系统各模块的主要功能如下。

(1)实验管理模块,由学生管理、教师管理、仪器管理和学生成绩管理等组成。硕士论文在学生管理方面,学生通过浏览器进行注册登录,登陆成功后可浏览实验项目,查看实验的详细资料,预约实验项目及做实验的时间,在线发送和接受消息,进行问题讨论,进行实验登记,实验完成后可通过网络写实验报告并提交报告。教师管理方面,可对实验内容添加、修改、整理、删除,对学生提交的实验报告列表,批改实验报告,填写评语和成绩,提交批改结果,与学生进行讨论。仪器管理方面,对新设计开发的虚拟仪器上传并进行分类整理,以便实验使用。成绩管理方面对学生的实验情况(实验次数、实验报告及完成情况)给出成绩,并进行统计分析及提供查询等。

(2)仪器展示模块,对虚拟实验室可用虚拟元器件、虚拟仪器设备分门别类地进行管理,以图形的方式直观呈现出来,供学生在实验时进行选择。

(3)实验指导模块,包括实验介绍、实验方法、实验项目的重点及难点、实验目的、实验原理、实验准备、实验任务、实验过程、实验报告的要求及实验应注意的事项等。

(4)实验报告模块,主要对学生完成实验后,提供相关的实验报告模板,供学生下载,由学生填写相关内容以及实验的结果,完成后上传电子版实验报告,由教师进行批阅,并进行记载。

(5)实验答疑模块,由专业教师对学生实验中出现的疑难问题进行及时解答,帮助学生顺利通过实验。同时了解学生对实验的掌握程度,并及时反馈、调整教学。

(6)论坛交流模块,教师和学生可以通过论坛进行充分的交流,学生可以将实验中的收获、经验和体会及问题到论坛上,教师可以将一些典型的问题提出来,供大家探讨。学生在这样宽松的环境下发表自己的见解,教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息,以便整改7)虚拟实验模块,是虚拟实验室建设的重要部分。学生通过该模块进行虚拟实验,医学论文以达到巩固强化知识的目的。该模块内容根据专业学习的具体情况及实验建设条件,可不断增加。计算机专业网络虚拟实验室系统的建设,可以引入其他学校的虚拟实验室中。这种方式比较简单,容易实现,见效较快。但需要投入较多的软件购置费用,同时也需要结合本校的实际情况进行一些调整,有一个磨合期。另一种是因地制宜,自主开发。根据本校的实际教学和实验情况,结合学生的实际水平,由任课教师或聘请部分专家组成开发小组,进行一系列的虚拟实验项目的开发研究,并将研究的成果连接到虚拟实验室中,逐渐扩充直至完善。这种方式比较灵活,能充分发挥教师的积极性,能有针对性地进行设计开发,适合学生的实际情况,学生容易接受,并且经费投入较少。缺点是开发周期较长,系统性不够,水平有限。也可以将上述两种方式结合起来,一是引入、购置部分自己不宜开发的实验项目,二是结合自身的优势和长处开发一些实验项目,如非交互性的、演示性的虚拟实验项目等。

二、加强网络虚拟实验室的管理

1.加强用户管理,为每个学生分配账号。对学生进入虚拟实验室,使用实验室做虚拟实验等进行登记保存。鼓励学生经常访问虚拟实验室,在上面提出问题、发表见解,做好实验,努力提高虚拟实验室的人气。

2.全天候开放虚拟实验室。学生可以随时进入虚拟实验实自己动手组织实验,自己设计实验方案,动手完成实验,整理和总结实验数据,职称论文提交实验报告,培养学生的分析能力和创新能力,逐步向以“学生为中心”的自主个性发展模式转变。

3.组织专业教师网上指导与答疑,参与论坛讨论交流,及时批改实验报告,为学生顺利完成实验提供服务。在虚拟实验室中,教师应对学生提出的疑问尽快给出帮助和解答,并进行必要的指导。在实验室论坛上发表观点,提出问题让学生思考,使师生在虚拟实验室中有较强的互动性,教师应充当好学生实验的合作者和知识的建构者的角色。

4.对学生在虚拟实验室的表现及实验效果进行

评价。针对学生每一门课程的虚拟实验完成情况、实验报告、网上提问、论坛发帖的情况,给学生一个成绩和评价,反馈给学生,英语论文并与该课程的正常实物实验一起记入实验总分。教师也要在对学生评价的同时,征求学生对虚拟实验室的意见,对学生反馈的信息进行整改。

计算机网络虚拟实验室的建立,可以很好地解决目前硬件设备跟不上实验的要求、学生实验时间不够用等问题,对于提高学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力具有非常重要的意义。但在具体应用中还要注意处理好“虚拟实验”和“实物实验”的关系,不能一味地强调虚拟实验,要“虚实”结合,既相互补充,又各有侧重,这样才能取得很好的实验教学效果。同时,在虚拟实验中要注意培养学生严谨的、一丝不苟的科学实验作风。

参考文献

[1]王嗣源.虚拟实验室建设的初步探讨.西安邮电学院学报,2005(4).

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（一）实验研究环境

研究中所采用的虚拟物理实验平台是“同步实验：网上实验室实验平台（如图1）。“同步实验室”是把互联网技术应用到中学化学、物理、生物实验课程中，提高学生的实验操作能力和实验探究能力。通过本虚拟实验平台，学生可以预习和复习实验原理，实验的用品、实验的步骤，实验的注意事项；可以实现实验的仿真操作，系统将对学生的实验给予即时的评价；对实验的问题还可给予释疑解惑。值得一提的是，该实验平台的内容与教材及广东科技出版社的《实验手册》配套。

（二）研究过程及结果调查情况

本研究抽取了广州市花都区新华中学对照班：高二（6）、（7）班。这一组对照班实验前成绩和学生各方面表现基本相同。其中，高二（6）班(实验班)共39人采用虚拟实验模式教学；高二（7）班(对比班)共38人采用传统模式教学。1.对照组实验成绩情况分析在分别进行了真实物理实验和虚拟物理实验的教学后，笔者当堂对学生的实验掌握情况进行了简单的测验，主要考查学生对实验理论知识的掌握、实验误差的认识和实验步骤与细节的掌握。从两组对照班的初步实验结果获知，与实验过程密切相关的实验步骤与细节、减少实验误差的方法的考查，实验班则比对比班掌握相对更为牢固。分析其具体原因，在虚拟实验环境进行训练的实验班学生，实验操作过程简便、快捷，受其他无关因素干扰少，对于实验步骤认识清晰，而实验过程操作训练机会也比较多，所以对实验的掌握更加牢固。2.实验问卷调查本研究共发放了问卷100份，共回收86份，有效问卷86份。通过对问卷进行统计分析后，得到以下结果：（1）学生对虚拟物理实验室的看法对于问题“你觉得电脑上的虚拟实验环境有哪些优势（多选）”，实验班学生的情况从调查结果显示，体验过虚拟实验环境的学生有近80%认为网络虚拟实验平台操作简便，节约课堂时间，而且操作灵活，可以快速获得实验结果，同时实验步骤和目标清晰明确。（2）对于学生进行虚拟实验的课堂参与情况调查在问题“与平时的物理实验室相比，你觉得在电脑上进行物理虚拟实验，大家的课堂参与度有什么变化”的调查中，笔者分成了几个小问题进行调查，获得以下结果：①与小组组员的交流、沟通同以前的变化（如图2）从学生的调查结果来看，超过一半的学生认为在虚拟实验室中，与小组组员的交流、沟通比在真实物理实验室多。根据实验现场观察，我们发现在虚拟实验室的课堂上，学生的交流主要是实验如何操作上，比较适合学生的自主探究操作。在虚拟实验室与小组组员的交流、沟通变化有76%的学生认为有更多时间可以自己做实验。在对比虚拟实验室和真实实验室的教学后，发现在虚拟实验室中，学生操作起来更加快，有更多自主实验操作时间，并且大部分学生可以做3次实验以上，所以实验误差也小。而在真实物理实验室中，有部分学生可以做2次，但还有相当一部分学生只做了1次，所以对实验步骤的掌握还不够扎实。③在电脑上进行物理虚拟实验，学生对老师的依赖的变化为了了解在虚拟实验室与真实实验室相比，学生对老师的依赖情况，笔者也对此做了调查：有92%的学生认为“可以更多地自己完成实验”，学生对老师的依赖没有那么强，学生自主性强。（3）实验教师对虚拟物理实验环境的评价为了较为全面的了解虚拟物理实验环境对教学的影响，笔者还对参与实验的老师进行访谈。从访谈中笔者了解到，传统的物理实验环境存在着一些问题，比如实验前器具和环境准备繁琐，容易发生遗漏；为了节约课堂操作时间，老师更多地以小组为单位进行实验，这样不利于学生自主探究的培养；部分实验存在安全隐患等等。而虚拟物理实验环境能较好地解决这些问题。当然老师们也对虚拟物理实验环境的缺陷提出自己的看法。比如虚拟物理实验环境操作步骤比较生硬、固定，缺乏灵活性；可能会影响学生动手能力的培养；需要借助电脑设备和网络环境；小组内的合作与交流有所变化等等。

二、网络虚拟实验室在高中物理实验教学中应用的思考

通过虚拟物理实验环境的研究，我们发现网络虚拟实验室有其明显的优势，特别是学生参与实验的兴趣和对实验操作掌握的训练方面。那么在什么情况下运用虚拟物理实验环境能够更好地提高高中物理实验的有效性，弥补真实物理实验室的不足呢？以下笔者从虚拟物理实验室的优势及缺陷进行总结，并提出初步研究结论。

（一）网络虚拟实验室的优势

1.弥补实验器材的不足，避免实验器材老化、损坏等而影响实验效果。2.便于管理和维护。传统的物理实验仪器经过多次使用，不可避免会出现问题。很多时候器材都是勉强用着，给教学活动带来不便，大大降低教师和学生的实验热情[4]。而虚拟物理实验也可以减少实验前一些繁琐、重复的准备工作，提高教学效率。3.虚拟实验环境仿真强。“同步实验室”网络平台提供了与物理教材同步的各种仿真实验，与现实实验较为接近。通过对参与虚拟实验的学生的观察，我们发现由于虚拟实验平台的高仿真效果，学生进行实验也是非常感兴趣。4.实验过程、步骤清晰易懂。例如本研究采用的“同步实验室”网络平台，提供了“实验目的实验原理实验器材实验过程开始实验实验结论实验评价”这样一套完整的实验过程。从我们调查研究结果来看，参与虚拟物理实验环境的学生对实验步骤和细节的掌握也确实比对照班的学生更为扎实。这是因为“同步实验室”平台提供了完整、清晰的实验指引，及时的实验评价，同时也避免了一些无关因素对实验过程的影响。5.有利于学生自主探究能力培养。由于虚拟实验平台能提供一系列、完整的指导，学生可以通过自主尝试、探究，较为顺利地体验实验过程，获得实验结果，而不会过分依赖老师和同伴。

（二）网络虚拟实验室的缺陷

当然，虚拟物理实验环境也存在着自己的缺陷，主要有：（1）需要依赖电脑室、网络环境；（2）目前由于技术局限，虚拟环境平台还是只能实现简单、固定的实验操作，与真实的物理实验环境还是存在一定的差距；（3）难以实现小组分工合作；（4）一些科学素养的培养仅凭虚拟物理实验难以实现。例如学生动手操作能力，解决实际问题能力，实验结果评估与改进等。

（三）网络虚拟实验室的应用范围

从研究调查中我们可以发现虚拟物理实验环境有其明显的优势，但也存在不足，只有根据实际教学情况巧用网络虚拟实验室，才能更好地保证物理实验效果。那么在什么情况下运用虚拟物理实验环境能够更好地提高高中物理实验的有效性呢？笔者通过研究调查，总结出虚拟物理实验环境比较适用于以下情况：（1）现有物理实验器材无法满足实验需要的情况，如器材不足、损坏严重。（2）物理实验要求精确度高、操作比较繁杂的情况。由于课堂时间非常有限，而虚拟物理实验环境操作简便、步骤清晰，能得到预期的实验效果。（3）某些抽象的、微观的，难以通过传统物理实验室进行实验得到结论的物理实验。（4）要求学生通过自主学习、实验获得实验结果。

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2机械设计虚拟实验室

以“CAXA实体设计”和“CAXA－EB”软件系统为依托，利用VisualBasic6．0和C/C++开发了机械设计虚拟实验室(见图1)，包括三维虚拟实验环境和二维虚拟实验环境，可进行机构运动简图测绘、齿廓范成原理、减速器拆装等11个机械设计虚拟实验。学员可利用虚拟实验室进行实验，完成并提交实验报告，教师可利用该平台查阅批改实验报告。机械设计虚拟实验室由服务器端核心处理模块、客户端实时运算模块、用户管理模块、机构库模块、零件库模块等七大模块组成。其中，机构库包含40多个常用机构，零件库包含80多个常用零件，标准符号库由100多个常用标准符号组成，在线帮助信息库有近5万字的在线帮助信息［9－10］。目前机械设计虚拟实验室已在全军院校推广使用。近几年的教学应用表明，机械设计虚拟实验可部分取代实物实验，某些传统实验如简图测绘、齿廓范成等可利用虚拟实验室独立完成;同时，虚拟实验室大大扩展了原有实验内容，增加了机构改进设计、轴的设计、连杆机构的设计等综合性和设计性实验，并且实验室为开放性环境，实验内容还可根据需要继续扩充;另外，虚拟实验室是实物实验和课堂教学的有力补充，连杆机构的基本形式和演化等实验内容对进一步理解和巩固课堂知识具有重要作用，通过虚拟实验还可进行一些实物实验很难实现的实验，如齿廓范成原理实验，传统的范成仪只能加工两种参数的齿轮，而利用虚拟实验室可以任意设置加工参数。又如轴的设计实验，可实时设计、实时修改，并及时观测设计结果。虚拟实验室有效拓展了课内实验的时间和空间，在提高课程教学效果和实验教学质量及培养学生工程实践能力方面，起到了非常重要的作用。

3虚拟实验室在课程教学中的作用

机械设计虚拟实验室具备强大的模拟实验和相关辅助功能，对课程教学和能力培养具有非常重要的作用。

3．1有效拓展课程实验内容，集实验和辅助学习功能为一体

机械设计虚拟实验室不仅可完成机构运动简图测绘、齿廓范成原理、减速器拆装等传统实验内容，还增加了机构组成原理、连杆机构的应用和设计、凸轮设计、周转轮系的应用、轴的设计、齿轮传动等新的实验，拓展了实验内容。所开发的11个实验既有传统的基础性、验证性实验，如机构运动简图测绘、减速器拆装等，又有设计性实验，如齿轮范成原理、轴的设计、凸轮设计等。学员不仅可以通过虚拟环境完成实验操作和设计，提高机械设计能力，还可利用实验项目复习巩固课堂所学知识，加深对知识的理解。例如连杆机构的型式和演化实验，学员可通过实验环境设置机构的杆长参数和机架，根据课堂知识判断该机构的型式，再利用虚拟实验室验证自己的判断，使知识得以巩固和加深。机械设计虚拟实验室将数值分析算法应用到实验开发中，形象地描述了在传统实验中很难实现的实验，实现了实验内容的创新。例如齿廓范成实验，传统实验使用齿廓范成仪进行，一般每种范成仪只能范成同一参数(模数、压力角等)、两种齿数的齿轮，而在机械设计虚拟实验室中学员可任意设置齿轮的齿数和模数等参数(见图2)，观察各种参数的渐开线齿廓的形成过程和齿廓特点，扩展了设计性实验的内容。图3为利用机械设计虚拟实验室进行渐开线齿廓的范成加工。

3．2构建三维虚拟实验环境，实现三维动态仿真和创新设计功能

机械设计虚拟实验室构建了机构模型库和零件库，包含多个常用机构和通用零件，常用机构具有仿真动画效果，通用零件具有三维渲染效果，学员在进行实验时可随时调用，也可随时运行观察其运动以进行组成和运动分析。如图4所示即为机构库中的飞机起落架机构模型，学员可在三维实验环境中观察其组成和运动情况，或对其进行运动尺寸测绘，在二维环境中绘制其机构运动简图，这是机械设计基础课程的一个传统实验。机械虚拟实验室的零件库包含轴、齿轮、轴承等80多种常用零件，学员在进行设计性实验时可随时调用，同时还可在原模型的基础上进行实时修改，以用于所设计的机构。如图5所示为对设计的阶梯轴进行结构修改。这样使学员既有很强的感性认识，又锻炼了其设计能力，为基于想象的开放性创意设计提供了虚拟实现的平台，拓展了学员的创造空间。

3．3实验操作方便，相关功能完善

机械设计虚拟实验室具有可视化的实验界面，交互功能强大，实验操作简单，实验结果直观。每个实验都有详细的实验指导，进行基础性、验证性实验时在实验界面上及时提示后续的操作步骤，操作不正确时系统会给出提示。如减速器拆装实验，要求能按正确的顺序将减速器进行拆卸和安装，在拆装过程中，如果顺序不正确，系统会出现警告，并提示正确的操作。机械设计虚拟实验室具有在线帮助功能，学员在实验操作中可随时查阅实验目的、内容和实验步骤等。另外，在每个实验完成后可在虚拟实验室中方便地撰写、修改实验报告，并进行提交，如图6所示。教师可在虚拟实验室中检查、批改学生的实验报告，并将实验评价反馈给学员。