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時(shí)間：2023-03-16 17:18:15
序論：速發(fā)表網(wǎng)結(jié)合其深厚的文秘經(jīng)驗(yàn)，特別為您篩選了11篇虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)論文范文。如果您需要更多原創(chuàng)資料，歡迎隨時(shí)與我們的客服老師聯(lián)系，希望您能從中汲取靈感和知識(shí)！
高錳酸鉀制取氧氣是利用酒精燈、試管、鐵架臺(tái)、導(dǎo)管、集氣瓶、水槽等儀器，通過加熱高錳酸鉀制取氧氣，利用排水法來收集氧氣。學(xué)生不僅要掌握實(shí)驗(yàn)原理、目的，實(shí)驗(yàn)儀器和藥品的使用方法及注意事項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)步驟、化學(xué)方程式的書寫等內(nèi)容，還要培養(yǎng)觀察、分析能力和實(shí)踐操作能力。
（二）《高錳酸鉀制取氧氣》的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
（1）通過虛擬實(shí)驗(yàn)中的文本展示工具，使學(xué)習(xí)者了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理和方法?/p>
（2）通過對虛擬實(shí)驗(yàn)的操作，掌握藥品的選擇以及儀器連接的先后順序，能夠動(dòng)手制取氧氣。
（3）通過對實(shí)驗(yàn)過程、現(xiàn)象的觀察、分析實(shí)驗(yàn)反應(yīng)機(jī)制，加深對實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知和理解。
（三）《高錳酸鉀制取氧氣》的虛擬實(shí)驗(yàn)活動(dòng)設(shè)計(jì)
學(xué)生要完成虛擬實(shí)驗(yàn)首先需要安裝Secondlife客戶端，進(jìn)入Secondlife虛擬環(huán)境，通過以下流程完成整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)。
（1）準(zhǔn)備階段：學(xué)習(xí)者通過Secondlife提供的地圖工具搜索到虛擬實(shí)驗(yàn)室地標(biāo)并通過瞬間移動(dòng)工具進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室。
（2）實(shí)驗(yàn)階段：學(xué)習(xí)者通過人-機(jī)交互選擇事先通過3D建模工具創(chuàng)建好的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、藥品并通過資源工具查詢相關(guān)儀器的使用方法及實(shí)驗(yàn)裝置圖，完成實(shí)驗(yàn)儀器的裝置；點(diǎn)擊各個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器、添加藥品來完成實(shí)驗(yàn)。
（3）評價(jià)反饋階段：教師根據(jù)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告和學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)記錄對學(xué)習(xí)者本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一個(gè)綜合評價(jià)，并將評價(jià)結(jié)果通過評價(jià)反饋系統(tǒng)及時(shí)反饋給學(xué)習(xí)者。
二、《高錳酸鉀制取氧氣》的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)
本研究以《高錳酸鉀制取氧氣》為例設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。以實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)為理論基礎(chǔ)從場景及模型設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)、支持工具設(shè)計(jì)、特效設(shè)計(jì)、評價(jià)設(shè)計(jì)這幾方面設(shè)計(jì)三維虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
（一）實(shí)驗(yàn)環(huán)境的場景及模型主要虛擬教室、虛擬實(shí)驗(yàn)室和儀器設(shè)備組成
虛擬教室由講臺(tái)、桌椅、多媒體系統(tǒng)、音響設(shè)備、電子白板、書柜、書、電腦組成，供學(xué)習(xí)者實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行交流、報(bào)告、探究、形成實(shí)驗(yàn)結(jié)論。虛擬實(shí)驗(yàn)室主要由實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)、水池、藥品柜、滅火設(shè)備為為學(xué)習(xí)者完成實(shí)驗(yàn)并獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。儀器設(shè)備主要是酒精燈、試管、鐵架臺(tái)、導(dǎo)管、集氣瓶、水槽、鐵夾、燒杯。藥品耗材主要是高錳酸鉀等。
（二）交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（1）人機(jī)交互設(shè)計(jì)：在實(shí)驗(yàn)中通過操作交互，學(xué)習(xí)者能夠感受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的控制感和體驗(yàn)感。在Secondlife中，利用創(chuàng)建工具可以實(shí)現(xiàn)簡單的“點(diǎn)擊”“移動(dòng)”“坐在上面”等操作，Secondlife提供的林登腳本語言可以設(shè)置改變物體的性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)軌跡、對外力的反應(yīng)等等，能夠較好地支持學(xué)習(xí)者的操作交互。
（2）交流工具：學(xué)習(xí)者在實(shí)驗(yàn)過程中和老師、同伴交流的方式主要有在線的同步交流和異步交流。
（三）支持工具設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)支持工具是指支持學(xué)習(xí)者完成實(shí)驗(yàn)的所有工具，本研究的支持工具主要包括搜索工具、資源工具、實(shí)驗(yàn)認(rèn)知工具、評價(jià)反饋工具等。搜索工具主要是地圖工具和瞬間移動(dòng)工具通過它們是搜索定位各種學(xué)習(xí)場所、用戶，并瞬間移動(dòng)到目的地。資源工具包含Secondlife內(nèi)部資源和外部資源。內(nèi)部資源主要是3D瀏覽器；外部資源包括各大搜索引擎。這些工具可以搜索Secondlife內(nèi)部和外部各種信息資源實(shí)驗(yàn)認(rèn)知工具主要包括3D建模工具、拍攝工具、記事本工具主要為為實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)習(xí)者觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、采集數(shù)據(jù)提供支持。評價(jià)反饋工具主要包括問卷系統(tǒng)（choicer、Quizchair）、學(xué)習(xí)記錄系統(tǒng)（Tracker）、Web-Intercom，為實(shí)驗(yàn)后學(xué)習(xí)者自評、反思以及教師評價(jià)反饋提供支持。
（四）特效設(shè)計(jì)
在Secondlife中，通過粒子系統(tǒng)結(jié)合林登腳本語言可以營造煙霧、火焰、氣體、雪花等各種現(xiàn)象。在本實(shí)驗(yàn)中酒精燈加熱的火焰、水槽里面的氣泡、集氣瓶中的氧氣、反應(yīng)過程中的煙霧、藥品晶體的狀態(tài)變化等效果都可以通過粒子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。
1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)VR(VirtualReality)是近幾年來信息技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物,畢業(yè)論文是一門在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)和傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的交叉學(xué)科。其基本方法和目標(biāo)是集成并利用高性能的計(jì)算機(jī)軟硬件及各類傳感器創(chuàng)建一個(gè)使參與者處于身臨其境的、具有完善的交互能力、能幫助和啟發(fā)構(gòu)思的信息環(huán)境,即讓用戶在人工合成的環(huán)境里獲得角色的體驗(yàn)。
虛擬現(xiàn)實(shí)具有三個(gè)基本特征。沉浸性,是指觀察者對虛擬世界的情感反映,這種感覺能使用戶全方位地投入這個(gè)虛擬世界,這是虛擬現(xiàn)實(shí)的首要特征。交互性,是指虛擬現(xiàn)實(shí)是一個(gè)開放的環(huán)境,能對用戶的輸入作出響應(yīng),并能通過監(jiān)控裝置來影響用戶和被用戶影響。想象性,是指虛擬現(xiàn)實(shí)不僅是一個(gè)媒體、一個(gè)高級(jí)用戶界面,還是一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng),它以生動(dòng)形象的形式反映設(shè)計(jì)者的思想。虛擬現(xiàn)實(shí)的三個(gè)基本特征強(qiáng)調(diào)了人在這個(gè)系統(tǒng)中的主導(dǎo)作用。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)按其功能不同,可以分為三種類型:沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。其中,桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是運(yùn)用軟件編程方法在顯示器上顯示三維場景,用戶通過鍵盤、鼠標(biāo)等設(shè)備與虛擬場景交互,它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本較低,易于推廣。
2.網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室
所謂網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室,是指利用區(qū)域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng),由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的一類適于進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),包括相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、有關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對象及實(shí)驗(yàn)信息資源等。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以是某一現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)實(shí)現(xiàn),也可以是虛擬構(gòu)想的實(shí)驗(yàn)室,虛擬實(shí)驗(yàn)通過虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。在虛擬實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)者有逼真的感覺,有身臨其境的感受,好像是真正在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室里近距離進(jìn)行現(xiàn)場操作。在虛擬實(shí)驗(yàn)中,沒有一個(gè)有形的實(shí)驗(yàn)室,也沒有以實(shí)物形態(tài)存在的實(shí)驗(yàn)工具與實(shí)驗(yàn)對象,實(shí)驗(yàn)過程主要是對虛擬物的操作。
3.計(jì)算機(jī)專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建
構(gòu)建專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室,其實(shí)就是搭建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng),包括硬件、軟件及管理三個(gè)方面。在硬件上,
目前各校都建立了校園網(wǎng)絡(luò)并接入了互聯(lián)網(wǎng),這些基礎(chǔ)設(shè)施基本可以滿足需求,不需要太多的投入。在軟件方面,一個(gè)是實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)軟件系統(tǒng)的開發(fā),它與網(wǎng)站建設(shè)相聯(lián)系;另一個(gè)是網(wǎng)站的內(nèi)容(實(shí)驗(yàn)內(nèi)容)建設(shè),這是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的關(guān)鍵。虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)有可以做的實(shí)驗(yàn)來支撐,不然軟件平臺(tái)就是一個(gè)空架子,形同虛設(shè)。同時(shí),該平臺(tái)上還應(yīng)有實(shí)驗(yàn)管理的支持,對實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)成績及網(wǎng)上答疑等進(jìn)行有效管理,并對虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行監(jiān)控,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)各模塊的主要功能如下。
(1)實(shí)驗(yàn)管理模塊,由學(xué)生管理、教師管理、儀器管理和學(xué)生成績管理等組成。碩士論文在學(xué)生管理方面,學(xué)生通過瀏覽器進(jìn)行注冊登錄,登陸成功后可瀏覽實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,查看實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)資料,預(yù)約實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間,在線發(fā)送和接受消息,進(jìn)行問題討論,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)登記,實(shí)驗(yàn)完成后可通過網(wǎng)絡(luò)寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交報(bào)告。教師管理方面,可對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容添加、修改、整理、刪除,對學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告列表,批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告,填寫評語和成績,提交批改結(jié)果,與學(xué)生進(jìn)行討論。儀器管理方面,對新設(shè)計(jì)開發(fā)的虛擬儀器上傳并進(jìn)行分類整理,以便實(shí)驗(yàn)使用。成績管理方面對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況(實(shí)驗(yàn)次數(shù)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及完成情況)給出成績,并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及提供查詢等。
(2)儀器展示模塊,對虛擬實(shí)驗(yàn)室可用虛擬元器件、虛擬儀器設(shè)備分門別類地進(jìn)行管理,以圖形的方式直觀呈現(xiàn)出來,供學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行選擇。
(3)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)模塊,包括實(shí)驗(yàn)介紹、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的重點(diǎn)及難點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求及實(shí)驗(yàn)應(yīng)注意的事項(xiàng)等。
(4)實(shí)驗(yàn)報(bào)告模塊,主要對學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后,提供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板,供學(xué)生下載,由學(xué)生填寫相關(guān)內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,完成后上傳電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告,由教師進(jìn)行批閱,并進(jìn)行記載。
(5)實(shí)驗(yàn)答疑模塊,由專業(yè)教師對學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的疑難問題進(jìn)行及時(shí)解答,幫助學(xué)生順利通過實(shí)驗(yàn)。同時(shí)了解學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的掌握程度,并及時(shí)反饋、調(diào)整教學(xué)。
(6)論壇交流模塊,教師和學(xué)生可以通過論壇進(jìn)行充分的交流,學(xué)生可以將實(shí)驗(yàn)中的收獲、經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)及問題到論壇上,教師可以將一些典型的問題提出來,供大家探討。學(xué)生在這樣寬松的環(huán)境下發(fā)表自己的見解,教師從中可以得到及時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)反饋信息,以便整改7)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K,是虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要部分。學(xué)生通過該模塊進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn),醫(yī)學(xué)論文以達(dá)到鞏固強(qiáng)化知識(shí)的目的。該模塊內(nèi)容根據(jù)專業(yè)學(xué)習(xí)的具體情況及實(shí)驗(yàn)建設(shè)條件,可不斷增加。計(jì)算機(jī)專業(yè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的建設(shè),可以引入其他學(xué)校的虛擬實(shí)驗(yàn)室中。這種方式比較簡單,容易實(shí)現(xiàn),見效較快。但需要投入較多的軟件購置費(fèi)用,同時(shí)也需要結(jié)合本校的實(shí)際情況進(jìn)行一些調(diào)整,有一個(gè)磨合期。另一種是因地制宜,自主開發(fā)。根據(jù)本校的實(shí)際教學(xué)和實(shí)驗(yàn)情況,結(jié)合學(xué)生的實(shí)際水平,由任課教師或聘請部分專家組成開發(fā)小組,進(jìn)行一系列的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)研究,并將研究的成果連接到虛擬實(shí)驗(yàn)室中,逐漸擴(kuò)充直至完善。這種方式比較靈活,能充分發(fā)揮教師的積極性,能有針對性地進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā),適合學(xué)生的實(shí)際情況,學(xué)生容易接受,并且經(jīng)費(fèi)投入較少。缺點(diǎn)是開發(fā)周期較長,系統(tǒng)性不夠,水平有限。也可以將上述兩種方式結(jié)合起來,一是引入、購置部分自己不宜開發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,二是結(jié)合自身的優(yōu)勢和長處開發(fā)一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,如非交互性的、演示性的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等。
二、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的管理
1.加強(qiáng)用戶管理,為每個(gè)學(xué)生分配賬號(hào)。對學(xué)生進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室,使用實(shí)驗(yàn)室做虛擬實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行登記保存。鼓勵(lì)學(xué)生經(jīng)常訪問虛擬實(shí)驗(yàn)室,在上面提出問題、發(fā)表見解,做好實(shí)驗(yàn),努力提高虛擬實(shí)驗(yàn)室的人氣。
2.全天候開放虛擬實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生可以隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)自己動(dòng)手組織實(shí)驗(yàn),自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn),整理和總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),職稱論文提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告,培養(yǎng)學(xué)生的分析能力和創(chuàng)新能力,逐步向以“學(xué)生為中心”的自主個(gè)性發(fā)展模式轉(zhuǎn)變。
3.組織專業(yè)教師網(wǎng)上指導(dǎo)與答疑,參與論壇討論交流,及時(shí)批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告,為學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)提供服務(wù)。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中,教師應(yīng)對學(xué)生提出的疑問盡快給出幫助和解答,并進(jìn)行必要的指導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)室論壇上發(fā)表觀點(diǎn),提出問題讓學(xué)生思考,使師生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中有較強(qiáng)的互動(dòng)性,教師應(yīng)充當(dāng)好學(xué)生實(shí)驗(yàn)的合作者和知識(shí)的建構(gòu)者的角色。
4.對學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室的表現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行
評價(jià)。針對學(xué)生每一門課程的虛擬實(shí)驗(yàn)完成情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、網(wǎng)上提問、論壇發(fā)帖的情況,給學(xué)生一個(gè)成績和評價(jià),反饋給學(xué)生,英語論文并與該課程的正常實(shí)物實(shí)驗(yàn)一起記入實(shí)驗(yàn)總分。教師也要在對學(xué)生評價(jià)的同時(shí),征求學(xué)生對虛擬實(shí)驗(yàn)室的意見,對學(xué)生反饋的信息進(jìn)行整改。
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立,可以很好地解決目前硬件設(shè)備跟不上實(shí)驗(yàn)的要求、學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間不夠用等問題,對于提高學(xué)生的動(dòng)手能力、分析問題和解決實(shí)際問題的能力具有非常重要的意義。但在具體應(yīng)用中還要注意處理好“虛擬實(shí)驗(yàn)”和“實(shí)物實(shí)驗(yàn)”的關(guān)系,不能一味地強(qiáng)調(diào)虛擬實(shí)驗(yàn),要“虛實(shí)”結(jié)合,既相互補(bǔ)充,又各有側(cè)重,這樣才能取得很好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。同時(shí),在虛擬實(shí)驗(yàn)中要注意培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、一絲不茍的科學(xué)實(shí)驗(yàn)作風(fēng)。
參考文獻(xiàn)
[1]王嗣源.虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的初步探討.西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào),2005(4).
2分層次設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,采用多元化教學(xué)方法
按照“扎實(shí)基礎(chǔ)、自主開放、鼓勵(lì)創(chuàng)新”的原則,大幅度調(diào)整實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容和授課程序,以能力培養(yǎng)為主線呈漸進(jìn)式銜接,按基本技能實(shí)驗(yàn)(50%)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)(40%)、研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)(10%)三個(gè)層次設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,編寫與之相適應(yīng)的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)教材,逐漸形成從宏觀至微觀、從形態(tài)至機(jī)能、從簡單至綜合、從基礎(chǔ)至臨床,縱橫相互聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,以培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力。同時(shí),根據(jù)不同學(xué)科特點(diǎn),采用多元化教學(xué)方法,最大程度提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性[2]?；炯寄軐?shí)驗(yàn)結(jié)合理論課教學(xué),開設(shè)傳統(tǒng)的經(jīng)典驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、基本儀器使用、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物手術(shù)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖形的記錄、采集和處理,訓(xùn)練學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)操作和技能。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生以“一個(gè)問題”為中心,綜合多學(xué)科知識(shí)點(diǎn),從人體器官、組織細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)、遺傳特性、生理生化到疾病發(fā)生的分子機(jī)理、基本病理過程、藥物作用等多個(gè)角度來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),使學(xué)生以跨學(xué)科的思維方式建立整體的概念,增強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察與思考。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生選擇自己感興趣的題目,運(yùn)用已學(xué)到的知識(shí)和技能,獨(dú)立設(shè)計(jì)并開展帶有研究性質(zhì)的綜合性實(shí)驗(yàn),搜集必要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并加以分析,寫出實(shí)驗(yàn)論文,以學(xué)術(shù)交流會(huì)的形式,討論各自的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,從而培養(yǎng)學(xué)生綜合思維能力及創(chuàng)新意識(shí)[3]。研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)結(jié)合學(xué)?！按髮W(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃支持基金”,學(xué)生自行組織課外科研小組,在導(dǎo)師的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)感興趣的小型科研課題,申請創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基金或參加指導(dǎo)老師的在研課題。該實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、科研實(shí)施、結(jié)果整理分析到論文撰寫,全部由學(xué)生獨(dú)立完成。2007年以來,我校7年制及5年制醫(yī)科各專業(yè)學(xué)生共獲得資助15余項(xiàng),資助經(jīng)費(fèi)達(dá)10萬元,公開發(fā)表科研論文28篇,獲得各種獎(jiǎng)勵(lì)及發(fā)明專利20余項(xiàng)。以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),采取自主式、學(xué)導(dǎo)式、研究式的教學(xué)方法,學(xué)生接受了較全面、嚴(yán)格、系統(tǒng)的科研訓(xùn)練,啟發(fā)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(dú)立工作和科研創(chuàng)新能力[4]。
3積極開展“第二課堂”教學(xué)活動(dòng),培養(yǎng)學(xué)生觀察問題、解決問題能力
開展“第二課堂”活動(dòng)是中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的另一大特色。富有內(nèi)涵的第二課堂活動(dòng),既強(qiáng)化了學(xué)生實(shí)習(xí)、實(shí)踐環(huán)節(jié),也提供了互動(dòng)的師生交流空間,創(chuàng)造了學(xué)生自己動(dòng)手、動(dòng)腦的機(jī)會(huì)。通過引導(dǎo)學(xué)生參加社會(huì)活動(dòng),激發(fā)了學(xué)生積極探索的精神,縮短了學(xué)生與社會(huì)的距離。醫(yī)學(xué)昆蟲學(xué)課程教學(xué)中,采取了專題講授與社會(huì)實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式,結(jié)合所講授的專題,把學(xué)生組織成若干社會(huì)實(shí)踐小組,利用周末開展小型調(diào)研活動(dòng)。學(xué)生們在輔導(dǎo)教師的指導(dǎo)下,走出實(shí)驗(yàn)室,制訂醫(yī)學(xué)昆蟲調(diào)查、防治技術(shù)方案,在鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)際工作能力的同時(shí),也培養(yǎng)了學(xué)生科研工作的能力及興趣。臨床藥理學(xué)將實(shí)驗(yàn)課搬到工廠車間,讓學(xué)生現(xiàn)場親眼目睹制藥過程。人體解剖學(xué)在課余時(shí)間將學(xué)生組織成若干課外實(shí)踐小組,參與解剖技術(shù)室的尸體解剖與標(biāo)本制作,使學(xué)生們在實(shí)踐中進(jìn)一步學(xué)習(xí)掌握解剖學(xué)知識(shí)[5]。第二課堂教學(xué)活動(dòng)的開展,既強(qiáng)化了學(xué)生實(shí)習(xí)、實(shí)踐環(huán)節(jié),也創(chuàng)造了互動(dòng)的師生交流空間和學(xué)生自己動(dòng)手、動(dòng)腦的機(jī)會(huì),有利于加強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)和動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。2001級(jí)7年制臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)趙菁同學(xué),從大二開始,就參與了“河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)基金資助項(xiàng)目”的有關(guān)課題研究。她提出的將物理和化學(xué)中有關(guān)載體模型的思想引入到生命科學(xué)領(lǐng)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(dá)載體的構(gòu)建和轉(zhuǎn)染鼠腹腔巨噬細(xì)胞抗腫瘤效應(yīng)研究”已在基礎(chǔ)研究中獲得了肯定的治療結(jié)果,可為臨床治療提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在大學(xué)學(xué)習(xí)的幾年里,趙菁同學(xué)將課余時(shí)間和節(jié)假日全都用在了科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科技制作上[6]。當(dāng)中心開展第二課堂活動(dòng)來發(fā)展學(xué)生的興趣和愛好時(shí),趙菁就找來理工科的學(xué)生成立課外科研小組,常常領(lǐng)著小組成員研究生物、電子技術(shù),搞科技制作,一項(xiàng)一項(xiàng)的創(chuàng)造發(fā)明問世,并連續(xù)在“挑戰(zhàn)杯”競賽中獲獎(jiǎng)。在第二屆“挑戰(zhàn)杯”河南省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中,《針劑破口器》、《新型解剖床》榮獲二、三等獎(jiǎng);在第八屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中,《針劑破口器》榮獲三等獎(jiǎng);在第四屆“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽中趙菁同學(xué)主創(chuàng)的《河南醫(yī)美樂醫(yī)療器械有限責(zé)任公司》創(chuàng)業(yè)計(jì)劃榮獲銅獎(jiǎng);在第三屆“挑戰(zhàn)杯”河南省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中,趙菁同學(xué)的兩件作品《解剖室空氣凈化裝置》和《便攜式電子防暈動(dòng)裝置》分別獲得二等獎(jiǎng)和優(yōu)秀獎(jiǎng)。在校期間,她連續(xù)四年在全省、全國“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽和創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽中獲獎(jiǎng),2003年被授予“中國大學(xué)生跨世紀(jì)人才獎(jiǎng)———建昊獎(jiǎng)”,2004年榮獲“青春中華―首屆中國青年文化周特別獎(jiǎng)”,2005年8月被授予“第二屆中國青少年科技創(chuàng)新獎(jiǎng)”,2005年11月被授予“首屆河南省十佳青少年讀書成才獎(jiǎng)”,2005年12月榮獲“中國十大年度大學(xué)生創(chuàng)意人物入圍獎(jiǎng)”,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(jiǎng)”,2006年6月獲得“鄭州市學(xué)習(xí)標(biāo)兵獎(jiǎng)”,截至目前,她已擁有7項(xiàng)國家專利,被譽(yù)為“學(xué)生發(fā)明家”[7]。2004級(jí)臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)盧沛琦同學(xué)積極參與老師的科研活動(dòng),將所學(xué)知識(shí)與科學(xué)實(shí)踐結(jié)合在一起,利用第二課堂活動(dòng),在指導(dǎo)教師的帶動(dòng)下順利完成一項(xiàng)科研內(nèi)容,其撰寫的科研論文《骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞體外誘導(dǎo)為心肌細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)研究》,在2006年鄭州大學(xué)組織的學(xué)生科技競賽活動(dòng)中,榮獲“鄭州大學(xué)學(xué)生科技創(chuàng)新與科技論文”一等獎(jiǎng)。
4利用現(xiàn)代化教學(xué)手段,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量
中心將網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué),建設(shè)了一批數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。包括人體解剖學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)多媒體解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)室、數(shù)碼顯微互動(dòng)形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室、多通道生物信號(hào)采集系統(tǒng)和機(jī)能學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室等。各實(shí)驗(yàn)室根據(jù)不同需求裝備相應(yīng)的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,使實(shí)驗(yàn)室信息網(wǎng)絡(luò)硬件建設(shè)處于國內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)先地位。虛擬、仿真實(shí)驗(yàn)軟件與實(shí)驗(yàn)硬件配合,多媒體技術(shù),網(wǎng)絡(luò)教學(xué)———三種教學(xué)手段,進(jìn)一步強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。我們自行研發(fā)的一套局部解剖學(xué)虛擬教學(xué)軟件,利用虛擬的人體三維技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“虛擬人體解剖”,學(xué)生通過鼠標(biāo)、鍵盤等工具輸入相應(yīng)的變量,進(jìn)行逼真的人體解剖實(shí)驗(yàn),收到了良好的教學(xué)效果,受到學(xué)生和省內(nèi)外同行專家的一致好評[8]。借助校園局域網(wǎng)和中心網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接,應(yīng)用現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù),開辟了試驗(yàn)項(xiàng)目網(wǎng)上預(yù)約、網(wǎng)上預(yù)習(xí)、網(wǎng)上復(fù)習(xí)、在線實(shí)驗(yàn)等方式消除空間和時(shí)間上的障礙,培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)獵取本專業(yè)發(fā)展前沿信息和新技術(shù)的方法。在中心網(wǎng)站創(chuàng)建的局部解剖學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室、機(jī)能學(xué)網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)室、形態(tài)學(xué)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)本陳列館。由于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的個(gè)體性和交互性,極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、主動(dòng)性與創(chuàng)造性。
5完善實(shí)驗(yàn)考核方式,科學(xué)評價(jià)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果
生物化學(xué)是一門醫(yī)藥學(xué)的必修課程，是研究生命物質(zhì)的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)及生命活動(dòng)過程中各種化學(xué)變化的基礎(chǔ)生命科學(xué)。所以生物化學(xué)課程應(yīng)盡量提前，但應(yīng)在有機(jī)化學(xué)課程之后，或與有機(jī)化學(xué)課并進(jìn);是病原生物學(xué)、內(nèi)科學(xué)、人體解剖與組織胚胎學(xué)等專業(yè)的必修課程，因此應(yīng)先打下較牢固的生物化學(xué)基礎(chǔ)，并盡量加重生化課的分量，同時(shí)避免后繼課程相關(guān)內(nèi)容的重復(fù)。生物化學(xué)以其理論性強(qiáng)、概念抽象、名詞繁多，各種代謝過程復(fù)雜繁瑣，堪稱生物學(xué)科中最抽象、最難懂的學(xué)科之一。如何激發(fā)學(xué)生的興趣，寓教于樂，使學(xué)生喜歡聽課，樂于參與，積極討論，學(xué)到知識(shí)，解決實(shí)際問題，這是我們在生物化學(xué)教學(xué)中始終關(guān)注的問題。在教師指導(dǎo)下，學(xué)生要學(xué)會(huì)主動(dòng)培養(yǎng)自己發(fā)現(xiàn)、吸收新信息和提出新問題的能力，積極主動(dòng)學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中發(fā)展個(gè)性和創(chuàng)造力。為此，我們在教學(xué)方法和手段等方面作了一些有益的嘗試，收到良好的效果。
1案例引起興趣，穿插前沿科研
長期以來，我國的基礎(chǔ)教育受應(yīng)試教育的影響，使得進(jìn)入本科醫(yī)學(xué)院校學(xué)習(xí)的學(xué)生大多數(shù)學(xué)習(xí)被動(dòng)，學(xué)習(xí)自主性差，學(xué)習(xí)方法機(jī)械、呆板，對所學(xué)知識(shí)不求甚解，知識(shí)基礎(chǔ)不扎實(shí)、牢固［1］。首先我們的第一堂課，就要充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)力，增加學(xué)生的興趣，提高同學(xué)們的主觀能動(dòng)性。一些和生活相關(guān)案例可以引起學(xué)生較大興趣，可以通過課前提問或課后留問方式引起學(xué)生注意力。如血清中肌酸激酶同工酶的電泳圖譜用于診斷冠心病、轉(zhuǎn)氨酶用于肝病診斷、淀粉酶用于胰腺炎診斷等的原因是什么?乙酰膽堿酯酶抑制藥可以治療阿爾茨海默病的原因?講到DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)模型時(shí)，可由雙螺旋模型的提出者Watson和Crick講起，設(shè)問他們由此發(fā)現(xiàn)獲得了什么重要科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)，并可以借機(jī)講一下當(dāng)時(shí)諾貝爾評獎(jiǎng)時(shí)的小插曲:因論文太短致使評委間產(chǎn)生分歧，最終獲獎(jiǎng)?wù)f明了科學(xué)發(fā)現(xiàn)主要在于其價(jià)值而非論文長短。教學(xué)效果取決于任課教師的水平，也與任課教師的嚴(yán)格要求密切相關(guān)［2］。本課程結(jié)合最新進(jìn)展，涵蓋動(dòng)態(tài)與前沿知識(shí)。介紹國內(nèi)外最新研究成果及歷年與生物化學(xué)發(fā)展相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)成果，適度地超越教材，查找教材以外的重大事件等必要教學(xué)資源并合理組織教學(xué)。比如我校老師研究的命運(yùn)分子cNumb在原腸期胚胎中的表達(dá)情況及其基因和編碼蛋白的基本生物學(xué)特征，就是利用原位雜交技術(shù)檢測cNumb基因在原腸期雞胚中的表達(dá)情況，同時(shí)應(yīng)用生物學(xué)軟件和在線平臺(tái)對cNumb基因及其編碼蛋白進(jìn)行生物信息學(xué)分析［3］。以及碘－淀粉法、Bernfeld法和ESP－G7速率法3種方法檢測酸刺激前后唾液淀粉酶(SAA)活性及其活性比值的差異［4］，結(jié)合實(shí)驗(yàn)課題讓學(xué)生對酶的特性有更好的理解。組織學(xué)生對研究熱點(diǎn)進(jìn)行查找資料，了解基礎(chǔ)點(diǎn)，分組討論，解決教師預(yù)先給出的問題，或者讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題，通過討論甚至爭論，學(xué)會(huì)分析問題并最終解決問題。鼓勵(lì)學(xué)生參加本科、研究生校內(nèi)外的學(xué)術(shù)活動(dòng)，擴(kuò)大知識(shí)面，開闊視野。
2重復(fù)重點(diǎn)內(nèi)容，引入PBL教學(xué)促進(jìn)師生互動(dòng)
生物化學(xué)分為三部分內(nèi)容，第一部分主要講述各種生物分子的結(jié)構(gòu)、功能以及相互作用，包括蛋白質(zhì)、核酸、糖復(fù)合物、酶、生物膜、真核生物基因組及線粒體基因組等;第二部分講述分子生物學(xué)部分，如基因信息的傳遞、基因工程的四大要素及實(shí)施要點(diǎn)、基因相關(guān)技術(shù);第三部分講述細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)技術(shù)原理及應(yīng)用等。對于生物化學(xué)內(nèi)容繁多的特點(diǎn)，我們對于重難點(diǎn)內(nèi)容要重復(fù)教學(xué)，在同學(xué)腦中達(dá)到耳熟能詳，舉一反三，而基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)到為止。為了達(dá)到這樣的效果，需要改變傳統(tǒng)課堂填鴨式教學(xué)的呆板模式，老師的角色要發(fā)生變化，從直接教給學(xué)生知識(shí)的“灌輸式”到教給學(xué)生如何學(xué)習(xí)的“自我學(xué)習(xí)式”，讓學(xué)生主動(dòng)吸收知識(shí)、能獨(dú)立思考、分析問題。PBL(problem-basedlearning)教學(xué)模式即通過“提出問題建立假設(shè)自學(xué)解疑論證假設(shè)”的邏輯過程來讓學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)，學(xué)生為主體、教師為導(dǎo)向的小組討論式教學(xué)法，主要培養(yǎng)學(xué)生以解決問題為核心的發(fā)散性思維和主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)，進(jìn)而達(dá)到提高學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的能力的目的［5］。通過互動(dòng)式課堂教學(xué)充分利用學(xué)生的好奇心理，在對問題的好奇與求知欲中，增加學(xué)生對生物化學(xué)的興趣，在此過程中，學(xué)生由被動(dòng)旁觀者變?yōu)橹鲃?dòng)參與者。如設(shè)計(jì)一些關(guān)注點(diǎn)引發(fā)學(xué)生參與互動(dòng)，如燙發(fā)的生化基礎(chǔ)是什么?磺胺類藥物的治病機(jī)理是由于酶的抑制作用嗎?課堂上運(yùn)用PBL教學(xué)法，可以設(shè)置專題講座，把學(xué)生分為幾個(gè)小組，給出一個(gè)主題，每組成員分工合作，任務(wù)明確，每個(gè)人都是責(zé)任人。老師通過對每一環(huán)節(jié)的設(shè)定讓每個(gè)學(xué)生都參與其中，減少了“南郭先生”和渾水摸魚情況的發(fā)生。
3重點(diǎn)章節(jié)小結(jié)，設(shè)計(jì)思維導(dǎo)圖
糖代謝設(shè)定為動(dòng)態(tài)部分的重點(diǎn);酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中Km值和Vmax的計(jì)算與應(yīng)用、生物氧化(生物能學(xué))、物質(zhì)代謝的相互聯(lián)系和調(diào)控機(jī)制等設(shè)定為難點(diǎn)。每章重難點(diǎn)都組織學(xué)生自己小結(jié)，老師評定和總結(jié)，幫助學(xué)生建立完整的知識(shí)框架系統(tǒng)。生物化學(xué)眾多的動(dòng)態(tài)反應(yīng)記憶比較困難，如6－磷酸葡萄糖、ATP、乙酰CoA、NADH+H+、NAD-PH+H+等物質(zhì)的來源和去路，全酶、酶的活性中心、酶原的激活、氧化磷酸化、底物水平磷酸化、三羧酸循環(huán)、脂肪酸的β-氧化、半保留復(fù)制、不對稱轉(zhuǎn)錄。老師課堂上可以通過引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)思維導(dǎo)圖，先把總的章節(jié)框架勾畫出來，再補(bǔ)充具體內(nèi)容，引領(lǐng)學(xué)生的思維，整理歸納，聯(lián)系整體，通過Flas或板書直觀表示。老師應(yīng)當(dāng)盡量在每次課、每一章，乃至整學(xué)期內(nèi)容都繪制出相應(yīng)的思維導(dǎo)圖，以突出教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，理清知識(shí)脈絡(luò)，幫助學(xué)生有效地回顧和復(fù)習(xí)?？梢哉n前預(yù)習(xí)讓學(xué)生設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的思維導(dǎo)圖，小結(jié)也可以用課堂考試形式，讓學(xué)生自己繪出內(nèi)容圖，或者布置課后作業(yè)讓學(xué)生自己選擇動(dòng)態(tài)反應(yīng)，如三羧酸循環(huán)制作Flas，并進(jìn)行課堂展示，考查學(xué)生歸納記憶、理解掌握知識(shí)的能力。每章都進(jìn)行小結(jié)，但每一部分的小結(jié)書寫的思路、側(cè)重點(diǎn)各不同，單元小結(jié)和課程小結(jié)在知識(shí)點(diǎn)的把握及知識(shí)體系的梳理及運(yùn)用也有所不同，能較全面、客觀、公正反映學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度及綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。部分學(xué)生平時(shí)不認(rèn)真學(xué)習(xí)，習(xí)慣于期末突擊應(yīng)付考試，而小結(jié)模式可以較好預(yù)防這種現(xiàn)象的發(fā)生。
4虛擬實(shí)驗(yàn)課堂的設(shè)計(jì)與實(shí)踐
所謂“自主設(shè)計(jì)式教學(xué)”，就是以自主設(shè)計(jì)為主的教學(xué)。具體說它是指教學(xué)過程是在教師的啟發(fā)誘導(dǎo)下，以學(xué)生獨(dú)立自主學(xué)習(xí)和合作討論為前提，以現(xiàn)行教材為基本探究內(nèi)容，以學(xué)生周圍世界和生活實(shí)際為參照對象，為學(xué)生提供自由探究、討論、研究問題的一種教學(xué)形式。生物化學(xué)探究式虛擬實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的思路是以生物化學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)為主線進(jìn)行發(fā)散性拓展，根據(jù)課程理論內(nèi)容，給出學(xué)生一些和實(shí)際生活相關(guān)的小課題，由學(xué)生自主學(xué)習(xí)、小組研討及班級(jí)交流等方式，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、文獻(xiàn)閱讀能力、交流能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。在教師層面，教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引導(dǎo)設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)題目，指導(dǎo)學(xué)生研讀文獻(xiàn)、制作實(shí)驗(yàn)流程并進(jìn)行全班交流。在學(xué)生層面，學(xué)生根據(jù)興趣選擇實(shí)驗(yàn)專題，自由組合成學(xué)習(xí)小組，在充分研讀文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行小組討論，制作PPT。允許學(xué)生自己組織課題小組、自主設(shè)計(jì)小課題，教師只作方向指導(dǎo)，給予一定經(jīng)費(fèi)支持。學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程，并給出具體實(shí)施過程，并在全班進(jìn)行演講、答疑和討論［6］。自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課堂，能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力及一定的科學(xué)研究能力，有利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，可以改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在學(xué)生能力培養(yǎng)方面只強(qiáng)調(diào)共性的發(fā)展而忽視個(gè)性發(fā)展的情況。通過設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)課堂，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及原理有了更深刻的理解，養(yǎng)成獨(dú)立思考的習(xí)慣，首先對自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)課堂進(jìn)行展示，進(jìn)而走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，從試劑配置到實(shí)驗(yàn)操作，從設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)到進(jìn)行具體實(shí)踐的過程，從理論到實(shí)踐，從各方面使自身得到鍛煉。老師在其中進(jìn)行一些必要的指導(dǎo)，允許學(xué)生出現(xiàn)一定的錯(cuò)誤，讓他們在實(shí)踐中成長更快。我們將生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究式教學(xué)按照預(yù)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)階段、具體化、實(shí)驗(yàn)階段、競賽階段等五個(gè)階段進(jìn)行實(shí)施。①預(yù)設(shè)計(jì):在任課老師理論課后，可以給出相應(yīng)的與課堂內(nèi)容有關(guān)的思路或者題目，讓學(xué)生課后思考。②設(shè)計(jì):通過網(wǎng)絡(luò)圖書館等輔助查找資料，然后讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，給出具體思路和實(shí)施過程。③具體化:通過設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)課堂，讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及原理有更深刻的理解，使其養(yǎng)成獨(dú)立思考的習(xí)慣、并對自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)課堂進(jìn)行展示。④實(shí)驗(yàn)階段:虛擬課堂結(jié)束后，部分學(xué)生的課題經(jīng)過導(dǎo)師指導(dǎo)可以繼續(xù)深入，讓學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)施，體會(huì)到自主學(xué)習(xí)的樂趣。⑤競賽階段:以此為依托組織一個(gè)專業(yè)的班級(jí)間進(jìn)行比賽，乃至擴(kuò)展到全校及其他學(xué)校進(jìn)行，提高積極性，并給予獎(jiǎng)勵(lì)。這期間教師需要引導(dǎo)、鼓勵(lì)同學(xué)申報(bào)省級(jí)乃至全國的創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，不但參加課題研究，還要挖掘?qū)W生潛能，讓他們把實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理成論文。我校生物化學(xué)系已獲得部分成果。目前已有多人次獲得挑戰(zhàn)杯立項(xiàng)，以及國家及省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，并順利完成本科畢業(yè)論文，還有部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中。在廣東省大學(xué)生挑戰(zhàn)杯比賽中，其中由多名學(xué)生共同完成的“近海紅樹林環(huán)境抗腫瘤細(xì)菌的篩選和鑒定”獲得廣東省大學(xué)生挑戰(zhàn)杯二等獎(jiǎng)。由系老師指導(dǎo)同學(xué)的“一種快速、低成本的葉酸代謝障礙遺傳檢測方法的建立”以及“藥物代謝酶CYP2C19兩個(gè)主要突變等位基因聯(lián)合分型方法的建立”等課題獲得國家級(jí)、省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。由學(xué)生撰寫的論文“一株抗腫瘤活性的紅樹林細(xì)菌的篩選及鑒定”在《河南科技大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)》發(fā)表。這些實(shí)踐活動(dòng)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)及團(tuán)隊(duì)精神，促進(jìn)其綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、分析能力的提高，使大學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)踐技能得以提升。
5多元化考核
“一考定終身”的評價(jià)模式忽視平時(shí)學(xué)習(xí)的考核和能力的培養(yǎng)，既不能準(zhǔn)確反映教學(xué)質(zhì)量和效果，也無法測試學(xué)生真實(shí)的學(xué)習(xí)能力，更抹殺了學(xué)生主動(dòng)的學(xué)習(xí)精神和創(chuàng)造能力［7］。適當(dāng)?shù)目己藱C(jī)制不僅可以科學(xué)地檢驗(yàn)教學(xué)效果，同時(shí)也能強(qiáng)化學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。課程考核不應(yīng)只注重期末考試，而是應(yīng)貫穿學(xué)習(xí)全過程?？己藘?nèi)容應(yīng)充分體現(xiàn)所學(xué)知識(shí)和技能及運(yùn)用這些知識(shí)和技能的能力，更重要的是考核分析問題、解決問題的能力和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。因此我們將生物化學(xué)課程的考核分為平時(shí)成績、章節(jié)小結(jié)、實(shí)驗(yàn)考查和期末考試四部分，從上課出勤態(tài)度、課程預(yù)習(xí)情況、課程小結(jié)成績、課堂發(fā)言、任務(wù)完成表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手、創(chuàng)新能力多方面進(jìn)行考查，最后給出每個(gè)學(xué)生的綜合評價(jià)成績。
參考文獻(xiàn):
［1］潘虹，呂紅，吳立連．一般本科醫(yī)學(xué)院校PBL教學(xué)模式的思考
［J］．中國高等醫(yī)學(xué)教育，2009，(5):105－106．
［2］李月英，胡海濤，王唯析，等．加強(qiáng)綜合管理提高留學(xué)生教學(xué)質(zhì)量［J］．西北醫(yī)學(xué)教育，2005，13(6):681．
［3］顧取良，陳佳園，王廣，等．命運(yùn)分子cNumb在原腸期胚胎的表達(dá)及其生物信息學(xué)分析［J］．廣東藥學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，31(3):383－387．
［4］楊澤民，林靜，楊小蓉，等．3種方法對酸刺激前后唾液淀粉酶活性及其活性比值檢測的影響［J］．國際檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志，2015，36(11):1488－1490．
［5］黃亞玲，鄭孝清，金潤銘，等．PBL教學(xué)模式探索［J］．醫(yī)學(xué)與社會(huì)，2005，18(6):56－57．
【中圖分類號(hào)】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009―8097(2010)08―0139―04
一 引言
高等教育的質(zhì)量與國家現(xiàn)代化建設(shè)密切相關(guān),其中良好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對于人才的培養(yǎng)有著直接的影響?！蹲詣?dòng)控制理論》課程作為電氣、自動(dòng)化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,是聯(lián)系前期基礎(chǔ)課和后續(xù)專業(yè)課的橋梁。如何借助于實(shí)驗(yàn)課的輔助教學(xué),生動(dòng)、形象地幫助學(xué)生理解基本概念、建立理論與實(shí)際相結(jié)合的觀點(diǎn)、培養(yǎng)大學(xué)生的初步工程實(shí)踐能力,符合高校培養(yǎng)具有創(chuàng)新實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才的需要。
LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司推出的一種使用基于圖形化編程方式的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境。具有直觀易學(xué)、編程效率高,與Internet方便鏈接等特點(diǎn)。通過改變、增減系統(tǒng)的功能、可方便地?cái)U(kuò)充系統(tǒng)的復(fù)雜性,能為各層次學(xué)生提供廣闊的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐空間。為此,建立基于LabVIEW的自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開展設(shè)計(jì)性、綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),不僅有利于通過直觀形象的實(shí)驗(yàn)圖形與結(jié)果激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,而且對于全面提升學(xué)生動(dòng)手構(gòu)建物理系統(tǒng)和軟硬件調(diào)試的綜合能力具有重要意義[1-2]。
二 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
近年來基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),作為一種工程、教學(xué)輔助工具,在簡化問題、節(jié)約成本、縮短調(diào)試周期等方面特點(diǎn)突出,有利于發(fā)展學(xué)生借助計(jì)算機(jī)解決問題的能力。傳統(tǒng)實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn),由于外部條件變化對實(shí)驗(yàn)結(jié)果及信息的影響不同[3],則對于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、通過理論聯(lián)系實(shí)際綜合解決問題能力的培養(yǎng)具有不可替代的作用。目前,遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的開展也逐步獲得關(guān)注重視。基于以上分析,所設(shè)計(jì)的LabVIEW自動(dòng)控制理論綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,可以融合以上三種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降膬?yōu)點(diǎn),力圖通過交替互補(bǔ),以不同的實(shí)驗(yàn)要求,通過設(shè)立資源學(xué)習(xí)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)與探索學(xué)習(xí)這三類學(xué)習(xí)模式,全方位提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)理論與技能。
1 仿真實(shí)驗(yàn)
LabVIEW在數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等應(yīng)用領(lǐng)域提供了一個(gè)功能強(qiáng)大、方便靈活的虛擬儀器的集成開發(fā)環(huán)境。降低了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差對測量結(jié)果的影響,改善了以往費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的實(shí)驗(yàn)過程,便于學(xué)生集中精力對結(jié)果進(jìn)行分析。
以非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)法為例,圖2為非線性系統(tǒng)框圖,其中線性部分的頻率特性函數(shù)為 ,非線性部分的算子以 表示。如何求取非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)并進(jìn)行分析,由于其獨(dú)特的復(fù)雜性與抽象性,一直是自動(dòng)控制理論教學(xué)的難點(diǎn),理論計(jì)算繁瑣,實(shí)驗(yàn)研究費(fèi)時(shí)。
為此,采用基于圖形化的計(jì)算機(jī)仿真的方法通過對非線性、線性環(huán)節(jié)的類型、參數(shù)進(jìn)行選擇,而后設(shè)定分析的頻率范圍、初值、步長、循環(huán)次數(shù)等,可有效避免繁復(fù)的頻率調(diào)整、計(jì)數(shù)、描點(diǎn)等工作,迅速獲取系統(tǒng)的幅相特性曲線。友好的仿真實(shí)驗(yàn)界面如圖3所示。
設(shè)定線性區(qū)寬度 ,飽和特性信號(hào)限幅 后,輸入到實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的如圖3所示的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面,運(yùn)行后,即可獲取如圖4所示的對應(yīng)的幅相特性曲線圖。
這樣,利用仿真實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以靈活設(shè)定仿真條件,方便、省時(shí)地實(shí)現(xiàn)對各種非線性環(huán)節(jié)描述函數(shù)的求取與直觀分析,達(dá)到了對抽象的非線性理論概念進(jìn)行直觀理解的目的。這部分內(nèi)容,設(shè)定了2學(xué)時(shí)由教師講解LabVIEW的基礎(chǔ)知識(shí),安排4學(xué)時(shí)課后時(shí)間用于相關(guān)資源學(xué)習(xí)。
2 模擬型實(shí)物實(shí)驗(yàn)
NI公司提供的ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將DAQ硬件和LabVIEW軟件組合成的一個(gè)定制靈活的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過DAQ捕獲實(shí)際系統(tǒng)中真實(shí)的物理信號(hào),并輸入到計(jì)算機(jī)中,而后利用LabVIEW編制相應(yīng)的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測、記錄、顯示及分析,可以簡化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取及后續(xù)數(shù)據(jù)處理等過程。
目前本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)針對實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)立了演示實(shí)驗(yàn)[4]和學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)兩部分。演示實(shí)驗(yàn)包括RC電路暫態(tài)電壓變化實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)采集及濾波處理實(shí)驗(yàn)以及直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測控實(shí)驗(yàn)。通過演示實(shí)驗(yàn)的展示與講解,以幫助學(xué)生逐步掌握NI ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用與開發(fā)流程、技巧,為后續(xù)進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究奠定基礎(chǔ)。而后,結(jié)合基于LabVIEW編程后提供的內(nèi)置函數(shù)發(fā)生器和示波器等檢測分析儀表,配合ELVIS提供的實(shí)驗(yàn)面包板,要求學(xué)生獨(dú)立在實(shí)驗(yàn)板上通過模擬運(yùn)放電路的搭建,完成二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)、典型環(huán)節(jié)頻率特性、系統(tǒng)串聯(lián)校正等實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn),并與理論分析值進(jìn)行比較、分析。此處設(shè)定為任務(wù)驅(qū)動(dòng)型學(xué)習(xí)方式,課內(nèi)保留4學(xué)時(shí)用于提問、測試、成績評定。
如圖5所示,為求取典型積分環(huán)節(jié)頻率特性而構(gòu)建的模擬實(shí)驗(yàn)電路。
圖5中運(yùn)算放大器采用op07,輸入正弦信號(hào) ,其幅值 及頻率 可調(diào)。當(dāng)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)幅值 過大時(shí),系統(tǒng)可能進(jìn)入運(yùn)算放大器的飽和非線性特性工作區(qū)域,系統(tǒng)輸出 信號(hào)則會(huì)輸出周期畸變信號(hào); 當(dāng)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)幅值 過小, 靜電感應(yīng)電壓對系統(tǒng)輸出 信號(hào)的疊加影響不可忽略, 會(huì)影響輸出 信號(hào)測試的準(zhǔn)確度(此處,可引導(dǎo)學(xué)生對信號(hào)處理方法進(jìn)行思索、研究)。僅當(dāng)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)幅值 處于適當(dāng)范圍內(nèi),輸出 才可清晰獲取同頻率的正弦信號(hào)。針對這一現(xiàn)象,與1節(jié)中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)積分環(huán)節(jié)頻率特性的求取方法進(jìn)行對比,提出問題1:仿真實(shí)驗(yàn)與模擬型實(shí)物實(shí)驗(yàn)的區(qū)別與聯(lián)系?問題2:確定一個(gè)環(huán)節(jié)是線性還是非線性的原則是什么?問題3:理論與實(shí)踐的相互作用關(guān)系在科學(xué)研究中是怎樣的?以此建立新舊知識(shí)的聯(lián)系,激發(fā)學(xué)生的自主發(fā)現(xiàn)與探究意識(shí),引發(fā)其解決問題的興趣,鼓勵(lì)其進(jìn)行協(xié)作交流,進(jìn)而形成自己對問題的獨(dú)立見解,綜合實(shí)踐能力得到提高。
最后,考慮部分能力較強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求及后續(xù)課程設(shè)計(jì)的需要,選購了8套球桿(ball balancer)系統(tǒng)作為被控對象。采用LabVIEW編制軟件算法, 通過驅(qū)動(dòng)程序控制伺服電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速與位置調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)對此非線性、不穩(wěn)定系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行控制。這部分實(shí)驗(yàn)的設(shè)立為探索學(xué)習(xí)模式階段,通過介紹難點(diǎn)的方式,引導(dǎo)學(xué)生深入思索、學(xué)習(xí)、探索前沿的控制方法。
3 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)
基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室可以最大限度地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源的共享[5],因此本綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也包含了這部分內(nèi)容。遠(yuǎn)程虛擬儀器能從與Internet/Intranet相連的遠(yuǎn)端獲得動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)或?qū)⒖刂菩盘?hào)傳送到遠(yuǎn)端,使在本地PC機(jī)上監(jiān)控遠(yuǎn)端成為可能。遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)不僅提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率,而且方便學(xué)生靈活安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間,強(qiáng)化了學(xué)生的主體作用,同時(shí)有利于教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程的管理,實(shí)現(xiàn)了利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源交互學(xué)習(xí)等目的。
利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室具有易于開發(fā),投資少,擴(kuò)充方便等特點(diǎn)。在LabVIEW 開發(fā)環(huán)境中,有多種方式可以方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和儀器控制,主要有:基于NI公司的遠(yuǎn)程設(shè)備訪問(remote device access, RDA)技術(shù),可通過分別配置RDA Server和RDA Client實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的共享采集設(shè)備數(shù)據(jù);功能強(qiáng)大、但開發(fā)將對較復(fù)雜的適用于較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的DataSocket數(shù)據(jù)共享技術(shù);簡便、易學(xué)的基于WEB Publish的遠(yuǎn)程前面板(Remote Front Panels)技術(shù)。
考慮實(shí)驗(yàn)規(guī)模不大及時(shí)間限制等因素,本實(shí)驗(yàn)室選用了基于WEB Publish的遠(yuǎn)程前面板(Remote Front Panels)技術(shù),構(gòu)建B/S模式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。遠(yuǎn)程前面板技術(shù)是把一個(gè)VI的前面板直接嵌入到Web網(wǎng)頁中,并具有自動(dòng)更新功能。此外,通過授權(quán),不僅可以使得客戶端能觀測到一個(gè)動(dòng)態(tài)刷新的實(shí)時(shí)畫面,而且還可以對前面板進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
考慮到一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備在某一確定時(shí)間段內(nèi)只可以由一個(gè)用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)控制,因此,需要設(shè)定教師管理員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)約管理。學(xué)生通過客戶端注冊登錄后,在預(yù)定時(shí)間內(nèi)享有對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)指定編號(hào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制權(quán)限。后續(xù)計(jì)劃針對大四學(xué)生和研究生采用大作業(yè)形式,征集優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)預(yù)約管理方案,取消人員管理,實(shí)現(xiàn)科學(xué)、高效的自動(dòng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)預(yù)約、監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)記錄等管理功能。
三 結(jié)束語
基于LabVIEW技術(shù)開發(fā)的自動(dòng)控制理論綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過設(shè)定仿真實(shí)驗(yàn)、真實(shí)模擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)互相結(jié)合與補(bǔ)充,不僅提供了豐富的計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源,而且注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的智能化與真實(shí)性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的簡易性、綜合性和靈活性。通過關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程,改變了傳統(tǒng)教師講授的單一模式,不僅便于學(xué)生形象理解和掌握與課程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn),促進(jìn)學(xué)生的編程能力與動(dòng)手能力的提升,而且使其自信心獲得提升。這些都將助力學(xué)生從理論學(xué)習(xí)向?qū)嵺`研究進(jìn)行跨越式轉(zhuǎn)變,為探索培養(yǎng)具有創(chuàng)造力與創(chuàng)新性的當(dāng)代大學(xué)生教育進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)積累。
參考文獻(xiàn)
[1] 張桐,陳國順,王正林.精通LabVIEW程序設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008:2-5.
[2] 袁浩,朱暢,陳志敏.基于LabVIEW的自動(dòng)控制仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2006,25(4):457-459.
[3] 沈亦紅.論物理虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)作用[J].中國電化教育,2004,210(7):42-44.
[中圖分類號(hào)]G420 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [論文編號(hào)]1009－8097(2011)08－0092－04
虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種特殊的實(shí)驗(yàn)形式，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展受到各領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。相對于一般的真實(shí)實(shí)驗(yàn)，盡管虛擬實(shí)驗(yàn)擁有許多顯而易見的優(yōu)勢，但卻不能給學(xué)習(xí)者帶來真實(shí)觸覺等完全的真實(shí)世界中的認(rèn)知體驗(yàn)，而當(dāng)前的虛擬實(shí)驗(yàn)大多只注重實(shí)驗(yàn)本身的可用性，往往忽略了學(xué)習(xí)者的心理過程。虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者的元認(rèn)知體驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)效果產(chǎn)生重要影響，從情感體驗(yàn)層次上進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以改善和優(yōu)化學(xué)習(xí)者在不同水平上的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提高學(xué)習(xí)者的元認(rèn)知能力。筆者認(rèn)為，設(shè)計(jì)優(yōu)秀的虛擬實(shí)驗(yàn)所引起的學(xué)習(xí)者元認(rèn)知體驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)世界所體驗(yàn)到的認(rèn)知與情感存在相似性，以情感體驗(yàn)設(shè)計(jì)來促進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者的元認(rèn)知體驗(yàn)的形成，從而尋求有助于虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果與學(xué)習(xí)者元認(rèn)知能力的設(shè)計(jì)模式。
一 元認(rèn)知體驗(yàn)概述
B?約瑟夫?派恩和詹姆斯?H?吉爾摩在《體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)》中指出：“體驗(yàn)是一種創(chuàng)造難忘經(jīng)歷的活動(dòng)，其特征是：在這里，消費(fèi)是一個(gè)過程，當(dāng)過程結(jié)束后，體驗(yàn)的記憶將恒久存在。”對于虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)者而言，體驗(yàn)是其在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知過程中獲得的“恒久存在”的情感、知識(shí)和技能的過程。對于虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，滿足實(shí)驗(yàn)本身的物理設(shè)計(jì)和可用性設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是虛擬實(shí)驗(yàn)想要實(shí)現(xiàn)的最終目標(biāo)，基于體驗(yàn)的設(shè)計(jì)成為虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的落腳點(diǎn)，虛擬實(shí)驗(yàn)的“消費(fèi)者”即學(xué)習(xí)者，在虛擬實(shí)驗(yàn)認(rèn)知過程中全部的情感體驗(yàn)是決定其“認(rèn)知程度”和“自我實(shí)現(xiàn)”程度的重要因素，而且使個(gè)人與理想自我、他人或是文化產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。
元認(rèn)知體驗(yàn)是伴隨學(xué)習(xí)者的認(rèn)知活動(dòng)而產(chǎn)生的有意識(shí)的認(rèn)知體驗(yàn)或情感體驗(yàn)。相關(guān)學(xué)者指出，元認(rèn)知體驗(yàn)激活了相關(guān)的元認(rèn)知知識(shí)，使那些存儲(chǔ)在長時(shí)記憶中的元認(rèn)知知識(shí)能夠與當(dāng)前的調(diào)解活動(dòng)產(chǎn)生聯(lián)系，把處于靜態(tài)的元認(rèn)知知識(shí)與動(dòng)態(tài)的元認(rèn)知調(diào)節(jié)連接起來。虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)只有通過元認(rèn)知體驗(yàn)才能不斷獲得當(dāng)前正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的有關(guān)信息，利用相關(guān)的元認(rèn)知知識(shí)，對虛擬實(shí)驗(yàn)活動(dòng)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。
二 虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者元認(rèn)知體驗(yàn)形成過程中的體驗(yàn)層次
學(xué)習(xí)者在虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程中的元認(rèn)知體驗(yàn)，是伴隨其認(rèn)知活動(dòng)而產(chǎn)生的認(rèn)知情感體驗(yàn)，這種體驗(yàn)是學(xué)習(xí)者有意識(shí)的情感與反思(學(xué)習(xí)者怎樣理解、學(xué)習(xí)者怎樣感覺和評價(jià)等)活動(dòng)。
貝恩特?施密特通過“人腦模塊分析”和心理社會(huì)學(xué)說提出了用戶的五大體驗(yàn)體系，即感官體驗(yàn)、情感體驗(yàn)、思考體驗(yàn)、行為體驗(yàn)和關(guān)聯(lián)體驗(yàn)。感官體驗(yàn)是視覺、聽覺、觸覺、味覺和嗅覺的體驗(yàn)；情感體驗(yàn)是使用者內(nèi)心的感覺和情感創(chuàng)造；思考體驗(yàn)是使用者創(chuàng)造認(rèn)知和解決問題的體驗(yàn)；行為體驗(yàn)是影響身體體驗(yàn)、生活方式并與使用者產(chǎn)生互動(dòng)的體驗(yàn)；關(guān)聯(lián)體驗(yàn)則包含感官、情感、思考，以及與行動(dòng)體驗(yàn)。
針對用戶的產(chǎn)品可以是有形的，也可以是無形的，用戶、對于產(chǎn)品的體驗(yàn)，無論產(chǎn)品是有形的還是無形的，這種體驗(yàn)都是相同的和可類比的。貝恩特?施密特根據(jù)有形的產(chǎn)品提出了用戶的體驗(yàn)體系，而針對無形的產(chǎn)品――虛擬實(shí)驗(yàn)，這一“體驗(yàn)”是學(xué)習(xí)者在特定的情境(虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境)中從事的認(rèn)知活動(dòng)的全部體驗(yàn)，即在這一過程中學(xué)習(xí)者全部的認(rèn)知與元認(rèn)知體驗(yàn)。此外，對于虛擬實(shí)驗(yàn)這一特定的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)環(huán)境認(rèn)知理論可作為分析虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境與學(xué)習(xí)者元認(rèn)知體驗(yàn)形成過程的依據(jù)。學(xué)習(xí)環(huán)境認(rèn)知理論認(rèn)為，“學(xué)習(xí)者對與其相關(guān)的學(xué)習(xí)環(huán)境信息的感知、印象及其評價(jià)，包含了學(xué)習(xí)環(huán)境知覺、學(xué)習(xí)環(huán)境印象和學(xué)習(xí)環(huán)境判斷三個(gè)過程”，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)包含了對學(xué)習(xí)環(huán)境的認(rèn)知過程和學(xué)習(xí)心理與行為，其中，學(xué)習(xí)者的元認(rèn)知體驗(yàn)是認(rèn)知上升為元認(rèn)知過程中的全部體驗(yàn)，并最終形成學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)的反饋或影響。
根據(jù)用戶五大體驗(yàn)體系與學(xué)習(xí)者元認(rèn)知體驗(yàn)以及環(huán)境認(rèn)知理論可知，在一般的實(shí)驗(yàn)操作中，學(xué)習(xí)者主要是被動(dòng)的認(rèn)知與接收，其主要的途徑在于感覺上的感官接受經(jīng)過人的思維過程而形成的一種認(rèn)知，而虛擬實(shí)驗(yàn)操作所要達(dá)到的最終目標(biāo)應(yīng)該是使學(xué)習(xí)者由被動(dòng)的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向主動(dòng)的學(xué)習(xí)，即達(dá)到元認(rèn)知狀態(tài)。在這一過程中，學(xué)習(xí)者全部的體驗(yàn)即是由認(rèn)知體驗(yàn)上升到元認(rèn)知體驗(yàn)的過程，使得學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)中更清楚自己的實(shí)驗(yàn)定位和實(shí)驗(yàn)操作行為，達(dá)到真正的主動(dòng)地學(xué)習(xí)與探索，進(jìn)而提升實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者元認(rèn)知體驗(yàn)形成的過程可表述為：認(rèn)知體驗(yàn)一行為體驗(yàn)一元認(rèn)知體驗(yàn)。其中，認(rèn)知體驗(yàn)包含了感覺體驗(yàn)到認(rèn)知體驗(yàn)的過程，行為體驗(yàn)是學(xué)習(xí)者主動(dòng)的實(shí)踐行為的體驗(yàn)，最高層次的元認(rèn)知體驗(yàn)即意識(shí)性情感體驗(yàn)，是學(xué)習(xí)者的價(jià)值與情感判斷以及印象與自我實(shí)現(xiàn)的體驗(yàn)。由此，構(gòu)建了虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者元認(rèn)知體驗(yàn)形成過程中的體驗(yàn)層次。
1 認(rèn)知體驗(yàn)層(感覺體驗(yàn)一認(rèn)知體驗(yàn))
在虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者首先從實(shí)驗(yàn)環(huán)境中獲得感官上的感覺體驗(yàn)(聽覺、視覺、觸覺等)，這種感覺體驗(yàn)經(jīng)過大腦中樞的處理和判斷形成了學(xué)習(xí)者對虛擬實(shí)驗(yàn)的一個(gè)完整的形象認(rèn)識(shí)。感覺體驗(yàn)的積累與整合形成了學(xué)習(xí)者虛擬實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知體驗(yàn)。認(rèn)知體驗(yàn)層包含了對知識(shí)信息等的記憶、想象、辨別和綜合的過程，并由此形成學(xué)習(xí)者的實(shí)驗(yàn)認(rèn)知記憶。學(xué)習(xí)者認(rèn)知體驗(yàn)的形成是虛擬實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知活動(dòng)與學(xué)習(xí)者的認(rèn)知需求發(fā)生聯(lián)系而產(chǎn)生的認(rèn)知層面的體驗(yàn)。認(rèn)知的發(fā)生到內(nèi)心體驗(yàn)的形成是學(xué)習(xí)者感覺體驗(yàn)不斷積累聯(lián)結(jié)的結(jié)果。環(huán)境心理學(xué)表明，良好的感官刺激能夠增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的參與性，形成整體性認(rèn)知，引發(fā)學(xué)習(xí)者更加積極的認(rèn)知體驗(yàn)。
2 行為體驗(yàn)層(主動(dòng)的實(shí)踐)
由認(rèn)知體驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)，學(xué)習(xí)者做出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)行為。學(xué)習(xí)者主動(dòng)實(shí)踐的行為體驗(yàn)，是學(xué)習(xí)者的行為模式的自我體驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)互動(dòng)所產(chǎn)生的體驗(yàn)，是學(xué)習(xí)者體驗(yàn)著的帶有目的性的行動(dòng)過程的集合。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)習(xí)者根據(jù)既往的經(jīng)驗(yàn)及認(rèn)知水平進(jìn)行主動(dòng)的、有意識(shí)的行為活動(dòng)，從而獲得自我認(rèn)知程度、創(chuàng)造認(rèn)知并進(jìn)行問題解決的體驗(yàn)。在此過程中，學(xué)習(xí)者通過行為的體驗(yàn)不斷獲得與完善操作技能與心智技能的同時(shí)，反過來也能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知體驗(yàn)，使學(xué)習(xí)者對虛擬實(shí)驗(yàn)的操作與目的產(chǎn)生更深層次的認(rèn)知。
3 元認(rèn)知體驗(yàn)層(意識(shí)性情感體驗(yàn))
學(xué)習(xí)者元認(rèn)知體驗(yàn)的形成，不僅能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)者認(rèn)知能力的提高，也能深化學(xué)習(xí)者的認(rèn)知體驗(yàn)。以主動(dòng)的行為體驗(yàn)的產(chǎn)生為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)者產(chǎn)生了更深刻的情感體驗(yàn)，這種情感體驗(yàn)是學(xué)習(xí)者主觀的價(jià)值判斷，而不再是被動(dòng)的感性認(rèn)知，這是學(xué)習(xí)者通過虛擬實(shí)驗(yàn)主動(dòng)地行為實(shí)踐的結(jié)果，是學(xué)習(xí)者內(nèi)心可意識(shí)到的自我感覺和主動(dòng)的情感創(chuàng)造。也就是說，元
認(rèn)知體驗(yàn)層面上的情感體驗(yàn)超越了感知覺層面的被動(dòng)接受的情感范疇，是學(xué)習(xí)者對實(shí)驗(yàn)認(rèn)知與進(jìn)程的價(jià)值與情感判斷，并引發(fā)了學(xué)習(xí)者對實(shí)驗(yàn)行為的控制與調(diào)整。另外，印象與自我實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)是學(xué)習(xí)者通過與實(shí)驗(yàn)的交互對虛擬實(shí)驗(yàn)形成的記憶以及對自我價(jià)值提升的自我肯定的體驗(yàn)，是學(xué)習(xí)者元認(rèn)知情感體驗(yàn)的進(jìn)一步內(nèi)化與升華，以及自我滿足、自我釋放的最高體驗(yàn)，這一體驗(yàn)不僅僅停留在此次實(shí)驗(yàn)過程中，而是對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)能力產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的促進(jìn)作用，有利于提升學(xué)習(xí)者對實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)任務(wù)的積極的自我效能感和學(xué)習(xí)反思。
三 基于元認(rèn)知的虛擬實(shí)驗(yàn)情感體驗(yàn)設(shè)計(jì)模型構(gòu)建
基于元認(rèn)知的虛擬實(shí)驗(yàn)情感體驗(yàn)設(shè)計(jì)超越了以往僅關(guān)注于可用性的范疇，不僅要包含豐富的虛擬實(shí)驗(yàn)和教學(xué)功能，也要將實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)者元認(rèn)知體驗(yàn)的形成過程與虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合，使虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與學(xué)習(xí)者在情感體驗(yàn)上達(dá)成共鳴。
Norman[7]在《Emotional Design》一書中指出，人類體驗(yàn)的情感由三種水平引起：本能水平(visceral level)、行為水平(behavioral level)、反思水平(reflective level)。本能水平的設(shè)計(jì)涉及最初的效果，包含產(chǎn)品的外觀；行為水平的設(shè)計(jì)集中于產(chǎn)品的效用，注重功能、性能和可用性；反思水平的設(shè)計(jì)注重信息、認(rèn)知效果的意義以及設(shè)計(jì)帶來的美好的回憶。
這三個(gè)水平的設(shè)計(jì)反映了人(用戶、學(xué)習(xí)者)使用產(chǎn)品時(shí)體驗(yàn)過程的本質(zhì)規(guī)律，以學(xué)習(xí)者元認(rèn)知為基礎(chǔ)的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)同樣遵循Norman關(guān)于設(shè)計(jì)的三個(gè)情感層次的規(guī)律。學(xué)習(xí)者元認(rèn)知情感體驗(yàn)的三個(gè)層次，即認(rèn)知體驗(yàn)層、行為體驗(yàn)層、元認(rèn)知體驗(yàn)層與虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相互作用，指導(dǎo)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，最終促進(jìn)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效率。由此，根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)者元認(rèn)知體驗(yàn)形成過程中的體驗(yàn)分析，以及虛擬實(shí)驗(yàn)的情感體驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，構(gòu)建出基于元認(rèn)知的虛擬實(shí)驗(yàn)情感體驗(yàn)設(shè)計(jì)模型。如圖l所示，該模型由實(shí)驗(yàn)分析、實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)、自我監(jiān)控與自我評價(jià)三個(gè)部分組成，并融合了元認(rèn)知的情感體驗(yàn)的三個(gè)層次。
1 實(shí)驗(yàn)分析
實(shí)驗(yàn)分析包括學(xué)習(xí)者分析、情境分析和任務(wù)分析。在基于元認(rèn)知的虛擬實(shí)驗(yàn)情感體驗(yàn)的模型構(gòu)建中，學(xué)習(xí)者情感等方面的因素是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心，分析學(xué)習(xí)者實(shí)驗(yàn)中的情感體驗(yàn)從而挖掘?qū)W習(xí)者的實(shí)驗(yàn)需求，并結(jié)合學(xué)習(xí)者的實(shí)驗(yàn)背景與認(rèn)知特性、學(xué)習(xí)者特征等方面的分析，指導(dǎo)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。此外，學(xué)習(xí)情境對于虛擬環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)操作至關(guān)重要，在類比具體實(shí)驗(yàn)情境的基礎(chǔ)上，要充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)方便、快捷、有效的情感化知識(shí)鏈接與知識(shí)遷移，以實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者意圖與虛擬實(shí)驗(yàn)情境的友好匹配為原則，建立虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的情感體驗(yàn)情境，彌補(bǔ)一般實(shí)驗(yàn)未能考慮學(xué)習(xí)者情感、忽略學(xué)習(xí)者元認(rèn)知體驗(yàn)的不足。
在實(shí)驗(yàn)分析中，將對學(xué)習(xí)者和實(shí)驗(yàn)情境的分析轉(zhuǎn)化為具體的任務(wù)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、具體的實(shí)驗(yàn)操作過程和學(xué)習(xí)者的實(shí)驗(yàn)行為方式，使實(shí)驗(yàn)操作與學(xué)習(xí)者有目的的實(shí)驗(yàn)行為有機(jī)地融合起來，從認(rèn)知體驗(yàn)、行為體驗(yàn)和元認(rèn)知體驗(yàn)出發(fā)，綜合學(xué)習(xí)者的心理需求及其與虛擬實(shí)驗(yàn)的交互關(guān)系。
2 實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)
實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)包括實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)方式、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、交互界面和虛擬環(huán)境等。在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與學(xué)習(xí)者的情感體驗(yàn)各層次間相互溝通。在認(rèn)知體驗(yàn)層上，虛擬實(shí)驗(yàn)的物理外觀占支配地位，主要與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中學(xué)習(xí)者的視覺體驗(yàn)、聽覺體驗(yàn)、觸覺體驗(yàn)等物理特征相聯(lián)系。其中，主要以交互界面的視覺設(shè)計(jì)為主，實(shí)驗(yàn)帶給學(xué)習(xí)者的視覺體驗(yàn)主要是顏色與布局。運(yùn)用印象性、象征性的實(shí)驗(yàn)色彩設(shè)計(jì)能夠引起學(xué)習(xí)者的愉悅感；實(shí)驗(yàn)布局上的設(shè)計(jì)要求做到適當(dāng)大小的實(shí)驗(yàn)器材和設(shè)施、以及統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)界面風(fēng)格等。感官上的體驗(yàn)直接引起了學(xué)習(xí)者的認(rèn)知體驗(yàn)，喚起學(xué)習(xí)者關(guān)于實(shí)驗(yàn)難度、渴望進(jìn)入實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的本能情感體驗(yàn)。如果實(shí)驗(yàn)界面設(shè)計(jì)給學(xué)習(xí)者的第一感覺不滿意，就會(huì)引起消極體驗(yàn)，影響后續(xù)的實(shí)驗(yàn)操作。
在學(xué)習(xí)者行為體驗(yàn)層面上，虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)主要通過以下幾方面影響學(xué)習(xí)者的行為體驗(yàn)：虛擬實(shí)驗(yàn)支持學(xué)習(xí)者的哪些實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，即這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)的功能性是否符合學(xué)習(xí)者對實(shí)驗(yàn)操作的需求；學(xué)習(xí)者在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作是否流暢、易懂，即這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)概念是否與學(xué)習(xí)者的認(rèn)知概念相匹配；實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容能夠在多大程度上使學(xué)習(xí)者的認(rèn)知水平有所提高，即這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚨嗪玫貙?shí)現(xiàn)其功能性。因此，在此層次上，主要是以學(xué)習(xí)者為中心，探究實(shí)驗(yàn)與學(xué)習(xí)者行為心理相一致的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｌ摂M實(shí)驗(yàn)要滿足易用性和功能性的需求，最重要的是明確學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)方式和對實(shí)驗(yàn)操作的需求。心理學(xué)研究的結(jié)論告訴我們，易用性高的設(shè)計(jì)會(huì)讓使用者覺得舒服，進(jìn)而提高使用效率。也就是說，虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要在可用性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其“功能美”，使學(xué)習(xí)者自然地與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行交互操作，從而獲得主動(dòng)的行為體驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的最高層次是元認(rèn)知體驗(yàn)層，在此層中，學(xué)習(xí)者與實(shí)驗(yàn)的交互體驗(yàn)是一種有意識(shí)的情感體驗(yàn)，主要表現(xiàn)為學(xué)習(xí)者的價(jià)值與情感判斷以及印象與自我實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)。元認(rèn)知體驗(yàn)層目標(biāo)指向使學(xué)習(xí)者感到滿足和愉快，獲得自我認(rèn)同感。Noman將其情感層次設(shè)計(jì)的反思水平表述為能夠“引起回憶的設(shè)計(jì)”，虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要是其與學(xué)習(xí)者間的聯(lián)系與交互，學(xué)習(xí)者沉浸于其中并最終“產(chǎn)生美好的回憶”。該層的設(shè)計(jì)注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的傳達(dá)性，基于元認(rèn)知的虛擬實(shí)驗(yàn)情感體驗(yàn)的設(shè)計(jì)不僅使學(xué)習(xí)者有效地完成實(shí)驗(yàn)操作部分，而且加入反思的設(shè)計(jì)，注重對實(shí)驗(yàn)完成情況的主動(dòng)反思，即主動(dòng)的、有意識(shí)的價(jià)值和情感判斷。印象與自我實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)，是學(xué)習(xí)者對實(shí)驗(yàn)回憶的印象和自我評價(jià)、自我肯定與自我反思。元認(rèn)知體驗(yàn)層的設(shè)計(jì)不僅使學(xué)習(xí)者停留在實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)上，而是形成了記憶印象，使學(xué)習(xí)者達(dá)到主動(dòng)的元認(rèn)知體驗(yàn)狀態(tài)，反思實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，指導(dǎo)虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。
3 自我監(jiān)控與自我評價(jià)
自我監(jiān)控與自我評價(jià)是獲得實(shí)驗(yàn)反饋、促進(jìn)激發(fā)元認(rèn)知能力的關(guān)鍵，主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、修正調(diào)整和評價(jià)反思。實(shí)時(shí)監(jiān)控是形成反饋的前提，主要通過錄制實(shí)時(shí)視頻和記錄實(shí)驗(yàn)操作步驟中的關(guān)鍵參數(shù)的方式加以實(shí)現(xiàn)，據(jù)此得到及時(shí)反饋，并加以修正調(diào)整。學(xué)習(xí)者通過實(shí)驗(yàn)反饋對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評價(jià)與自我反思，此過程即是一個(gè)元認(rèn)知體驗(yàn)的過程，同時(shí)，學(xué)習(xí)者的自我反思亦調(diào)整了虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)策略，提高了學(xué)習(xí)者的元認(rèn)知能力。
綜上可見，基于元認(rèn)知的虛擬實(shí)驗(yàn)情感體驗(yàn)設(shè)計(jì)模型充分考慮了學(xué)習(xí)者在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中的情感體驗(yàn)因素，既包含了情感化的實(shí)驗(yàn)分析和有效的自我監(jiān)控與自我評價(jià)，又融合了虛擬實(shí)驗(yàn)情感體驗(yàn)的層次設(shè)計(jì)思想，體現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)對形成學(xué)習(xí)者元認(rèn)知體驗(yàn)的優(yōu)勢所在。
四 結(jié)語
在科學(xué)技術(shù)日新月異的今天，教學(xué)中對學(xué)生實(shí)踐性的要求越來越高，單一的虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)很難促進(jìn)學(xué)習(xí)者對實(shí)驗(yàn)的深層次理解，元認(rèn)知體驗(yàn)作為連接靜態(tài)元認(rèn)知知識(shí)和動(dòng)態(tài)元認(rèn)知調(diào)節(jié)的中介，將其與虛擬實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合能夠有效地提升學(xué)習(xí)者學(xué)科實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)效果?；趯W(xué)習(xí)者元認(rèn)知的虛擬實(shí)驗(yàn)情感體驗(yàn)設(shè)計(jì)為促進(jìn)學(xué)習(xí)者元認(rèn)知技能和虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)提供了依據(jù)，幫助學(xué)習(xí)者更加深入地理解問題和解決問題。
隨著學(xué)習(xí)高度數(shù)字化和體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來，虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)將更加注重影響學(xué)習(xí)者認(rèn)知和情感的深層次因素。虛擬實(shí)驗(yàn)情感體驗(yàn)設(shè)計(jì)的不斷完善和發(fā)展，將使虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)者能夠清晰地認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)目標(biāo)的價(jià)值，產(chǎn)生更強(qiáng)烈的內(nèi)部動(dòng)機(jī)，最終得到更好的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。
參考文獻(xiàn)
[1]B?喲瑟夫?派恩，詹姆斯?H?吉爾摩．夏業(yè)良，盧煒等譯．體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002；10-31
[2]戴培興，高蘊(yùn)華，阮瑾等．論網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)的功效與學(xué)習(xí)者元認(rèn)知的發(fā)展[J]．華東大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2010，10(3)：196―199
[3]梁寧建．當(dāng)代認(rèn)知心理學(xué)[M]．上海教育出版社，2003：307-317
[4]羅仕鑒，朱上上．用戶體驗(yàn)與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社,2010：4-6
[5]譚千保．學(xué)習(xí)環(huán)境認(rèn)知的理論依據(jù)與研究價(jià)值[J]．當(dāng)代教育論壇,2006,(11)：32-33
[6]Paul A.Bell,Thomas C.Greene,Jeffrey D.Fisher,Andrew Baum．朱建軍，吳建平等譯．環(huán)境心理學(xué)[M]．第5版．中國人民大學(xué)出版社,2009：56-90
實(shí)驗(yàn)一直都是與教學(xué)息息相關(guān)的重要活動(dòng)之一。它可以使學(xué)生更好地感受、理解知識(shí)的產(chǎn)生和發(fā)展過程，讓枯燥的理論知識(shí)變得形象，易于理解。實(shí)驗(yàn)不僅能幫助學(xué)生鞏固理論知識(shí)，提高通過實(shí)驗(yàn)手段探索科學(xué)知識(shí)的能力，還能激發(fā)學(xué)生探索未知世界的興趣，增強(qiáng)創(chuàng)新能力。然而，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)方面存在的諸多難題卻嚴(yán)重限制了教學(xué)質(zhì)量的提高。如實(shí)驗(yàn)成本過高，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的儀器和設(shè)備往往代價(jià)昂貴，實(shí)驗(yàn)材料也比較貴，而且有些實(shí)驗(yàn)儀器損耗較大，需要經(jīng)常更新。而許多學(xué)校在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)上又捉襟見肘，要么是實(shí)驗(yàn)配套的設(shè)備和儀器不完善，要么就是儀器設(shè)備陳舊過時(shí)。即使有完善的較新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在空間和時(shí)間上的限制也可能無法滿足大量學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的需要。為了緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)的壓力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，可以采用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。
一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) (ⅥrnJal ReaJ時(shí)，簡稱 vR技術(shù))出現(xiàn)于 20世紀(jì) 60年代，隨著處理器技術(shù)的大幅度提高以及圖形繪制技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、傳感技術(shù)的發(fā)展，近幾十年來在國內(nèi)外形成了對虛擬現(xiàn)實(shí)的研究熱潮。
虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供了一種先進(jìn)的人機(jī)界面，它通過為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等直觀而自然的實(shí)時(shí)感知交互的方法和手段，最大程度地方便用戶的操作，從而減輕了用戶的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的工作效率。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有 3個(gè)突出特征:沉浸性、交互性、想象性。
虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由兩部分組成:一部分為創(chuàng)建的虛擬環(huán)境，另一部分為介入者。虛擬現(xiàn)實(shí)的核心是強(qiáng)調(diào)兩者之間的交互操作，即反映出人在虛擬環(huán)境中的體驗(yàn)。我們可以給出如圖 1的虛擬現(xiàn)實(shí)的概念模型。
二、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
1.虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)
(1)共享程度高。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在地域和時(shí)間上的限制，它不僅可以接受本地用戶的訪問，有訪問權(quán)限的異地用戶也可以使用系統(tǒng)。并且也無需考慮使用時(shí)間的問題，實(shí)驗(yàn)者可以隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為用戶提供了一個(gè)可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)訪問的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，極大地提高了信息與實(shí)驗(yàn)資源的共享程度。
(2)強(qiáng)大的交互能力。為了向用戶提供一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)往往都具有強(qiáng)大的交互能力，實(shí)驗(yàn)者和虛擬實(shí)驗(yàn)對象之間可以通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊或者拖曳操作進(jìn)行交互，實(shí)驗(yàn)者可以實(shí)時(shí)地觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
(3)支持協(xié)作。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了多種方式來完成用戶間的信息交流。
2.虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建模
如何構(gòu)建教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使其能夠擁有豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容表現(xiàn)方式、提供形象生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)從感知到理解的過程，一直是研究教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的熱點(diǎn)問題之一。
虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建是將多種技術(shù)綜合運(yùn)用，首先構(gòu)建實(shí)驗(yàn)過程所需要的各種儀器設(shè)備，對于場景進(jìn)行建模。三維虛擬場景模塊的建立是以某一實(shí)景為基礎(chǔ)的，因此在虛擬場景建模之前需要對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行實(shí)地考察并對建筑物進(jìn)行篩選，從而構(gòu)建具有真實(shí)感的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。對于儀器設(shè)備完全用Ⅵ ML語言建立復(fù)雜的三維模型是相當(dāng)煩瑣的，而且建模方法缺乏直觀性，而3DSMAX強(qiáng)大的三維建模功能以及對具有轉(zhuǎn)換為V文件格式輸出的功能，使其在三維虛擬場景中廣泛應(yīng)用。我們在實(shí)際的建模過程中根據(jù)要建立模型的特點(diǎn)選擇建模方法。簡單模型，直接采用VRML中簡單幾何體拼貼紋理的方法，對于復(fù)雜場景則采用3DsMAx建模后以VRMI，文件格式輸出。當(dāng)然在虛擬實(shí)驗(yàn)的建模過程中的龐大建模工作量對軟件的建模效率以提出了很高的要求，于是，在該建模過程中我還采用了高效的照片建模軟件Canoma，Canoma是MetaCreations公司 (即現(xiàn)在的Vie、vpoint公司)的軟件產(chǎn)品，利用它可以讓我們無需建模，即可直接從一張或幾張照片制作三維模型，因?yàn)槭褂谜鎸?shí)照片直接生成三維模型，所以效果非常真實(shí);而且CaIloma可生成網(wǎng)絡(luò)使用的VRM，文件格式。為了能夠反映真實(shí)儀器設(shè)備的特性，有時(shí)還采用FLASH技術(shù)來達(dá)到儀器設(shè)備外觀的逼真性，并提供一些基本的交互。
3.虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的交互
交互性是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要問題。一類是用戶在瀏覽場景的時(shí)候，主要的輸入設(shè)備就是鼠標(biāo)，這時(shí)候檢測器實(shí)際上是檢測用戶對于鼠標(biāo)的各種操作動(dòng)作，如鼠標(biāo)的單擊、指向、拖動(dòng)等等，從而場景做出相應(yīng)的反應(yīng)。檢測這類動(dòng)作的監(jiān)測器是接觸型監(jiān)測器。描述這類監(jiān)測器的節(jié)點(diǎn)有接觸監(jiān)測器節(jié)點(diǎn)TouchSensor以及PlaneSensor節(jié)點(diǎn)、SphereSensor節(jié)點(diǎn)、CylinderSenS0r節(jié)點(diǎn);另一類是用戶和場景中某對象接近的程度，對象做出相應(yīng)的反應(yīng)，使得用戶和虛擬對象之間形成交互。
將所有儀器設(shè)備成功地加入到場景當(dāng)中之后，用戶應(yīng)該可以隨意地拿起自己需要的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以要提供用戶選取實(shí)驗(yàn)器材的接口。當(dāng)用戶在選擇某件儀器，為了提供給用戶選擇的接口，我們在實(shí)驗(yàn)儀器原型中設(shè)計(jì)了供用戶選擇的按鈕。如果選中時(shí)就可以點(diǎn)擊按鈕“tal(e ，無需使用就只要點(diǎn)擊“放回”按鈕。由于用戶需要與系統(tǒng)進(jìn)行交互，同時(shí)系統(tǒng)需要根據(jù)用戶的選擇與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信，因此我們使用Java Applet。Applet具有 良好的網(wǎng)絡(luò)傳輸透明性，圖2顯示了瀏覽器通過Appl 訪問數(shù)據(jù)庫的整個(gè)過程 。
三、虛擬實(shí)驗(yàn)集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.軟件程序集成
軟件程序是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要內(nèi)容，是系統(tǒng)的靈魂所在。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，我們將軟件程序部分按照層次化和模塊化的設(shè)計(jì)模式進(jìn)行集成。集成化的軟件程序依據(jù)集成度的大小分為不同層次的模塊，分屬不同層次的模塊充分體現(xiàn)了整體和部分的關(guān)系，各模塊都可以看成是下一層次多個(gè)模塊集成的整體，每一個(gè)模塊又都可以看成是上一層次模塊中的一部分，各層次之間互為整體和部分的關(guān)系為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)架提供了靈活的方式。轉(zhuǎn)貼于
2.系統(tǒng)功能集成
系統(tǒng)功能集成是建立在軟件程序集成的基礎(chǔ)之上的，系統(tǒng)功能集成是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成的重要體現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有效集成度是系統(tǒng)功能集成的重要基礎(chǔ)。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，軟件程序的集成保證了系統(tǒng)功能在不同層面上的集成度和在各層面之間的靈活性。以不同集成度來形成的系統(tǒng)功能整體在系統(tǒng)構(gòu)建、修改、維護(hù)等方面起到了重要的結(jié)構(gòu)化支持作用。
3.儀器軟面板集成
儀器軟面板是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要特色之一。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，儀器設(shè)備一般會(huì)自帶一個(gè)顯示屏，以及相關(guān)的操作組件和按鈕來形成一個(gè)操作面板，這個(gè)面板的形式以及各組件和按鈕的功能是固定的，不能修改和設(shè)置。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，各種儀器設(shè)備的操作面板集中顯示在計(jì)算機(jī)的顯示屏幕上，這種面板由軟件程序來形成和設(shè)置，由鍵盤、鼠標(biāo)以及其他的外部輸入設(shè)備來控制，面板的形式以及各組件和按鈕的功能可以根據(jù)需要自定義，可以將多個(gè)儀器的面板組合在一起，也可以將某一個(gè)儀器的面板簡化。儀器軟面板形式和功能上的這種靈活性正是系統(tǒng)集成度的體現(xiàn)。
4。網(wǎng)絡(luò)集成
網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使得分布式結(jié)構(gòu)成為可能。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，我們通過網(wǎng)絡(luò)可以突破時(shí)間和空間的限制，將更多的協(xié)議方和操作方以一定的集成度集成在一起，共同完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。我們在談集成性的問題的時(shí)候，一定是和相應(yīng)的分散度聯(lián)系在一起的，就如同整體和部分之間的關(guān)系，每一個(gè)整體都可以看作更大的整體的一部分，而每一個(gè)部分又都可以看成更多小部分的整體。網(wǎng)絡(luò)的分布式保證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的集成性。
四、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)勢
從虛擬實(shí)驗(yàn)的技術(shù)優(yōu)勢和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀需求出發(fā)，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1.資源開放
從虛擬實(shí)驗(yàn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度來看，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的有效資源全部開放，這使得實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從開發(fā)到操作，再到后期數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)課程的復(fù)習(xí)全部開放給學(xué)生，學(xué)生可以利用系統(tǒng)軟件程序模塊和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)模板等幫助實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的形成與開發(fā);利用數(shù)據(jù)分析與處理工具包進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理，獲得規(guī)律性認(rèn)識(shí):教師的指導(dǎo)性意見、學(xué)生的交流信息和實(shí)驗(yàn)故障和誤差分析等信息資料，可以幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程總結(jié)和復(fù)習(xí)中取長補(bǔ)短、鞏固知識(shí)。
2.組織形式開放
虛擬實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)資源、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)和實(shí)驗(yàn)操作等網(wǎng)絡(luò)化、平臺(tái)化，因此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、時(shí)間以及地點(diǎn)等組織形式是開放的具備可選擇性。針對目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要跨學(xué)科、跨地域、多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)同時(shí)開展等現(xiàn)狀要求，虛擬實(shí)驗(yàn)所具備的組織形式開放性為實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的擴(kuò)展提供了技術(shù)準(zhǔn)備。
3.對象開放
虛擬實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)功能能夠根據(jù)不同的對象設(shè)置不同權(quán)限的系統(tǒng)身份，實(shí)驗(yàn)參與人員各取所需，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和交流的目的。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對象的身份基本分為三種層次和三種身份。三種層次指的是系統(tǒng)管理員、教師和技術(shù)人員、學(xué)生。三種身份是針對學(xué)習(xí)者而言的:實(shí)驗(yàn)課程參與者、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)者、實(shí)驗(yàn)愛好和探索者。
五、總結(jié)
本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，這在一定得程度上提高了實(shí)驗(yàn)的開放程度，降低了實(shí)驗(yàn)的成本，較好地激發(fā)了學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的興趣和主觀能動(dòng)性，但在虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)置過程中的交互問題仍是一個(gè)值得探討和研究的主要問題。
參考文獻(xiàn)
【l】徐學(xué)軍.高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)要加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)【J】.經(jīng)濟(jì)師，2004，(4).
【2】徐婷.教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)通用平臺(tái)的研究與應(yīng)用【D】.重慶大學(xué)學(xué)位論文，2006.11.
實(shí)驗(yàn)一直都是與教學(xué)息息相關(guān)的重要活動(dòng)之一。它可以使學(xué)生更好地感受、理解知識(shí)的產(chǎn)生和發(fā)展過程，讓枯燥的理論知識(shí)變得形象，易于理解。實(shí)驗(yàn)不僅能幫助學(xué)生鞏固理論知識(shí)，提高通過實(shí)驗(yàn)手段探索科學(xué)知識(shí)的能力，還能激發(fā)學(xué)生探索未知世界的興趣，增強(qiáng)創(chuàng)新能力。然而，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)方面存在的諸多難題卻嚴(yán)重限制了教學(xué)質(zhì)量的提高。如實(shí)驗(yàn)成本過高，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的儀器和設(shè)備往往代價(jià)昂貴，實(shí)驗(yàn)材料也比較貴，而且有些實(shí)驗(yàn)儀器損耗較大，需要經(jīng)常更新。而許多學(xué)校在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)上又捉襟見肘，要么是實(shí)驗(yàn)配套的設(shè)備和儀器不完善，要么就是儀器設(shè)備陳舊過時(shí)。即使有完善的較新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在空間和時(shí)間上的限制也可能無法滿足大量學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的需要。為了緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)的壓力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，可以采用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。
一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) (ⅥrnJal ReaJ時(shí)，簡稱 vR技術(shù))出現(xiàn)于 20世紀(jì) 60年代，隨著處理器技術(shù)的大幅度提高以及圖形繪制技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、傳感技術(shù)的發(fā)展，近幾十年來在國內(nèi)外形成了對虛擬現(xiàn)實(shí)的研究熱潮。
虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供了一種先進(jìn)的人機(jī)界面，它通過為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等直觀而自然的實(shí)時(shí)感知交互的方法和手段，最大程度地方便用戶的操作，從而減輕了用戶的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的工作效率。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有 3個(gè)突出特征：沉浸性、交互性、想象性。
虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由兩部分組成：一部分為創(chuàng)建的虛擬環(huán)境，另一部分為介入者。虛擬現(xiàn)實(shí)的核心是強(qiáng)調(diào)兩者之間的交互操作，即反映出人在虛擬環(huán)境中的體驗(yàn)。我們可以給出如圖 1的虛擬現(xiàn)實(shí)的概念模型。
二、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
1．虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)
(1)共享程度高。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在地域和時(shí)間上的限制，它不僅可以接受本地用戶的訪問，有訪問權(quán)限的異地用戶也可以使用系統(tǒng)。并且也無需考慮使用時(shí)間的問題，實(shí)驗(yàn)者可以隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為用戶提供了一個(gè)可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)訪問的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，極大地提高了信息與實(shí)驗(yàn)資源的共享程度。
(2)強(qiáng)大的交互能力。為了向用戶提供一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)往往都具有強(qiáng)大的交互能力，實(shí)驗(yàn)者和虛擬實(shí)驗(yàn)對象之間可以通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊或者拖曳操作進(jìn)行交互，實(shí)驗(yàn)者可以實(shí)時(shí)地觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
(3)支持協(xié)作。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了多種方式來完成用戶間的信息交流。
2．虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建模
如何構(gòu)建教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使其能夠擁有豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容表現(xiàn)方式、提供形象生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)從感知到理解的過程，一直是研究教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的熱點(diǎn)問題之一。
虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建是將多種技術(shù)綜合運(yùn)用，首先構(gòu)建實(shí)驗(yàn)過程所需要的各種儀器設(shè)備，對于場景進(jìn)行建模。三維虛擬場景模塊的建立是以某一實(shí)景為基礎(chǔ)的，因此在虛擬場景建模之前需要對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行實(shí)地考察并對建筑物進(jìn)行篩選，從而構(gòu)建具有真實(shí)感的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。對于儀器設(shè)備完全用Ⅵ ML語言建立復(fù)雜的三維模型是相當(dāng)煩瑣的，而且建模方法缺乏直觀性，而3DSMAX強(qiáng)大的三維建模功能以及對具有轉(zhuǎn)換為V文件格式輸出的功能，使其在三維虛擬場景中廣泛應(yīng)用。我們在實(shí)際的建模過程中根據(jù)要建立模型的特點(diǎn)選擇建模方法。簡單模型，直接采用VRML中簡單幾何體拼貼紋理的方法，對于復(fù)雜場景則采用3DsMAx建模后以VRMI，文件格式輸出。當(dāng)然在虛擬實(shí)驗(yàn)的建模過程中的龐大建模工作量對軟件的建模效率以提出了很高的要求，于是，在該建模過程中我還采用了高效的照片建模軟件Canoma，Canoma是MetaCreations公司 (即現(xiàn)在的Vie、vpoint公司)的軟件產(chǎn)品，利用它可以讓我們無需建模，即可直接從一張或幾張照片制作三維模型，因?yàn)槭褂谜鎸?shí)照片直接生成三維模型，所以效果非常真實(shí)；而且CaIloma可生成網(wǎng)絡(luò)使用的VRM，文件格式。為了能夠反映真實(shí)儀器設(shè)備的特性，有時(shí)還采用FLASH技術(shù)來達(dá)到儀器設(shè)備外觀的逼真性，并提供一些基本的交互。
3．虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的交互
交互性是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要問題。一類是用戶在瀏覽場景的時(shí)候，主要的輸入設(shè)備就是鼠標(biāo)，這時(shí)候檢測器實(shí)際上是檢測用戶對于鼠標(biāo)的各種操作動(dòng)作，如鼠標(biāo)的單擊、指向、拖動(dòng)等等，從而場景做出相應(yīng)的反應(yīng)。檢測這類動(dòng)作的監(jiān)測器是接觸型監(jiān)測器。描述這類監(jiān)測器的節(jié)點(diǎn)有接觸監(jiān)測器節(jié)點(diǎn)TouchSensor以及PlaneSensor節(jié)點(diǎn)、SphereSensor節(jié)點(diǎn)、CylinderSenS0r節(jié)點(diǎn)；另一類是用戶和場景中某對象接近的程度，對象做出相應(yīng)的反應(yīng)，使得用戶和虛擬對象之間形成交互。
將所有儀器設(shè)備成功地加入到場景當(dāng)中之后，用戶應(yīng)該可以隨意地拿起自己需要的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以要提供用戶選取實(shí)驗(yàn)器材的接口。當(dāng)用戶在選擇某件儀器，為了提供給用戶選擇的接口，我們在實(shí)驗(yàn)儀器原型中設(shè)計(jì)了供用戶選擇的按鈕。如果選中時(shí)就可以點(diǎn)擊按鈕“tal(e ，無需使用就只要點(diǎn)擊“放回”按鈕。由于用戶需要與系統(tǒng)進(jìn)行交互，同時(shí)系統(tǒng)需要根據(jù)用戶的選擇與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信，因此我們使用Java Applet。Applet具有 良好的網(wǎng)絡(luò)傳輸透明性，圖2顯示了瀏覽器通過Appl 訪問數(shù)據(jù)庫的整個(gè)過程 。
三、虛擬實(shí)驗(yàn)集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1．軟件程序集成
軟件程序是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要內(nèi)容，是系統(tǒng)的靈魂所在。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，我們將軟件程序部分按照層次化和模塊化的設(shè)計(jì)模式進(jìn)行集成。集成化的軟件程序依據(jù)集成度的大小分為不同層次的模塊，分屬不同層次的模塊充分體現(xiàn)了整體和部分的關(guān)系，各模塊都可以看成是下一層次多個(gè)模塊集成的整體，每一個(gè)模塊又都可以看成是上一層次模塊中的一部分，各層次之間互為整體和部分的關(guān)系為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)架提供了靈活的方式。
2．系統(tǒng)功能集成
系統(tǒng)功能集成是建立在軟件程序集成的基礎(chǔ)之上的，系統(tǒng)功能集成是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成的重要體現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有效集成度是系統(tǒng)功能集成的重要基礎(chǔ)。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，軟件程序的集成保證了系統(tǒng)功能在不同層面上的集成度和在各層面之間的靈活性。以不同集成度來形成的系統(tǒng)功能整體在系統(tǒng)構(gòu)建、修改、維護(hù)等方面起到了重要的結(jié)構(gòu)化支持作用。
3．儀器軟面板集成
儀器軟面板是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要特色之一。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，儀器設(shè)備一般會(huì)自帶一個(gè)顯示屏，以及相關(guān)的操作組件和按鈕來形成一個(gè)操作面板，這個(gè)面板的形式以及各組件和按鈕的功能是固定的，不能修改和設(shè)置。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，各種儀器設(shè)備的操作面板集中顯示在計(jì)算機(jī)的顯示屏幕上，這種面板由軟件程序來形成和設(shè)置，由鍵盤、鼠標(biāo)以及其他的外部輸入設(shè)備來控制，面板的形式以及各組件和按鈕的功能可以根據(jù)需要自定義，可以將多個(gè)儀器的面板組合在一起，也可以將某一個(gè)儀器的面板簡化。儀器軟面板形式和功能上的這種靈活性正是系統(tǒng)集成度的體現(xiàn)。
4。網(wǎng)絡(luò)集成
網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使得分布式結(jié)構(gòu)成為可能。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，我們通過網(wǎng)絡(luò)可以突破時(shí)間和空間的限制，將更多的協(xié)議方和操作方以一定的集成度集成在一起，共同完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。我們在談集成性的問題的時(shí)候，一定是和相應(yīng)的分散度聯(lián)系在一起的，就如同整體和部分之間的關(guān)系，每一個(gè)整體都可以看作更大的整體的一部分，而每一個(gè)部分又都可以看成更多小部分的整體。網(wǎng)絡(luò)的分布式保證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的集成性。
四、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)勢
從虛擬實(shí)驗(yàn)的技術(shù)優(yōu)勢和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀需求出發(fā)，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1．資源開放
從虛擬實(shí)驗(yàn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度來看，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的有效資源全部開放，這使得實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從開發(fā)到操作，再到后期數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)課程的復(fù)習(xí)全部開放給學(xué)生，學(xué)生可以利用系統(tǒng)軟件程序模塊和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)模板等幫助實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的形成與開發(fā)；利用數(shù)據(jù)分析與處理工具包進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理，獲得規(guī)律性認(rèn)識(shí)：教師的指導(dǎo)性意見、學(xué)生的交流信息和實(shí)驗(yàn)故障和誤差分析等信息資料，可以幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程總結(jié)和復(fù)習(xí)中取長補(bǔ)短、鞏固知識(shí)。
2．組織形式開放
虛擬實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)資源、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)和實(shí)驗(yàn)操作等網(wǎng)絡(luò)化、平臺(tái)化，因此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、時(shí)間以及地點(diǎn)等組織形式是開放的具備可選擇性。針對目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要跨學(xué)科、跨地域、多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)同時(shí)開展等現(xiàn)狀要求，虛擬實(shí)驗(yàn)所具備的組織形式開放性為實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的擴(kuò)展提供了技術(shù)準(zhǔn)備。
3．對象開放
虛擬實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)功能能夠根據(jù)不同的對象設(shè)置不同權(quán)限的系統(tǒng)身份，實(shí)驗(yàn)參與人員各取所需，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和交流的目的。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對象的身份基本分為三種層次和三種身份。三種層次指的是系統(tǒng)管理員、教師和技術(shù)人員、學(xué)生。三種身份是針對學(xué)習(xí)者而言的：實(shí)驗(yàn)課程參與者、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)者、實(shí)驗(yàn)愛好和探索者。
五、總結(jié)
本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，這在一定得程度上提高了實(shí)驗(yàn)的開放程度，降低了實(shí)驗(yàn)的成本，較好地激發(fā)了學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的興趣和主觀能動(dòng)性，但在虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)置過程中的交互問題仍是一個(gè)值得探討和研究的主要問題。
參考文獻(xiàn)
【l】徐學(xué)軍．高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)要加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)【J】．經(jīng)濟(jì)師，2004，(4)．
【2】徐婷．教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)通用平臺(tái)的研究與應(yīng)用【D】．重慶大學(xué)學(xué)位論文，2006．11．
實(shí)驗(yàn)是電子信息類專業(yè)學(xué)生課程教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是對理論教學(xué)的補(bǔ)充和深化，其開設(shè)方式關(guān)系到學(xué)生對理論知識(shí)的掌握和應(yīng)用，直接影響著學(xué)生的操作技能、主觀能動(dòng)性和實(shí)際動(dòng)手能力的提高，也決定著理論和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)水平。因此，在教學(xué)過程中一定要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)這個(gè)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，充分利用實(shí)驗(yàn)資源來培養(yǎng)和提高學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新能力，使學(xué)生能夠更加快速地適應(yīng)于將來的工作。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，最大限度地利用學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，對提高教學(xué)水平，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)具有重要的意義。
1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的傳統(tǒng)模式和問題
在我國高校工科教育中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件條件普遍不足，或者是硬件實(shí)驗(yàn)條件的發(fā)展跟不上技術(shù)的要求，同時(shí)各高校大幅度擴(kuò)大招生，實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件條件更顯不足。加大對實(shí)踐教學(xué)條件的投入，加強(qiáng)培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)科技人才，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和條件的改革與建設(shè)，在當(dāng)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(jìn)行著推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)的改革與建設(shè)。例如：在全國高校本科教學(xué)水平評估中，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)基地和建設(shè)經(jīng)費(fèi)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革就是一項(xiàng)重要的指標(biāo)內(nèi)容。越來越多的高校開始響應(yīng)教育部的號(hào)召，實(shí)行了“雙基”實(shí)驗(yàn)室，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建設(shè)“實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”。
目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的傳統(tǒng)模式的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)有：
1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絾我唬?nbsp;
2）驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)分量大，與設(shè)計(jì)性、綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)之間的比例失調(diào)；
3）先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的引入還不夠；等。
2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革勢在必行
隨著計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用，在教學(xué)中也越來越多地借助計(jì)算機(jī)來輔助設(shè)計(jì)方法，同樣，在實(shí)驗(yàn)中借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)具有很大優(yōu)點(diǎn)：減少實(shí)驗(yàn)中所需的耗材、降低對實(shí)驗(yàn)器材的破壞性、完成更復(fù)雜更高難度的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、更加全面地分析實(shí)驗(yàn)對象以及結(jié)果的性能指標(biāo)等，具有高效、快速、直觀、完整的優(yōu)勢。開展仿真實(shí)驗(yàn)作為一種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法是在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的基礎(chǔ)上采用計(jì)算機(jī)新型軟件對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，大大提高了學(xué)生對本專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用能力和科研創(chuàng)新能力。因此，在當(dāng)今的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，仿真實(shí)驗(yàn)的引入勢在必行。
對當(dāng)今高校來說，學(xué)生人數(shù)不斷增加，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和資金滿足不了大學(xué)中學(xué)生的試驗(yàn)要求，為了不斷提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，又進(jìn)一步解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備少、不好維護(hù)、建設(shè)費(fèi)用高等問題。將仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來，學(xué)生一方面可以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，又可以直觀地驗(yàn)證仿真過程和結(jié)果，不受實(shí)驗(yàn)室條件和空間的限制，可將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)帶入到課余生活中來進(jìn)行，大大提高了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的操作興趣。利用仿真實(shí)驗(yàn)由于方法的靈活性可以充分發(fā)揮學(xué)生的想像力和創(chuàng)造力，比起傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)更利于培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才，且有利于降低實(shí)驗(yàn)成本，能夠使得實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展進(jìn)入一個(gè)良性循環(huán)中。
3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案
3.1 實(shí)驗(yàn)中引入相應(yīng)的仿真技術(shù)來進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，一方面，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，另一方面，老師可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來觀察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程，采集學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更好地跟蹤和指導(dǎo)學(xué)生，先進(jìn)的教學(xué)理念和教學(xué)手段有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提高教師的教學(xué)水平。而計(jì)算機(jī)的引入可把實(shí)驗(yàn)設(shè)備、理論教學(xué)、教師指導(dǎo)和學(xué)生的思考、操作有機(jī)地融合為一體，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中受到課堂、課時(shí)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等的限制，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步靈活化，在時(shí)間和空間上得到延伸，也進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情。
在實(shí)驗(yàn)中引入相應(yīng)的仿真技術(shù)來進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，可以使得學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中培養(yǎng)獨(dú)立思考能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，同時(shí)為學(xué)生提供了更加開放靈活的實(shí)驗(yàn)條件。對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教材來說，采用仿真技術(shù)把將虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)的電路實(shí)驗(yàn)有機(jī)地整合起來，充實(shí)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的能動(dòng)性和趣味性，有利于實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐和探索創(chuàng)新能力[2]。目前，越來越多的高校重新對實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)行了規(guī)劃，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)新的發(fā)展方向。在高校實(shí)驗(yàn)室中引入計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)的軟件技術(shù)不僅可改善實(shí)驗(yàn)條件、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、充實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，還可大大提高實(shí)驗(yàn)效率，降低實(shí)驗(yàn)成本，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)新性，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研提供良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[3]。
以單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，在實(shí)驗(yàn)過程中我們引入proteus仿真軟件，用它來模擬單片機(jī)硬件系統(tǒng)。由于軟件的靈活性，可以克服實(shí)驗(yàn)箱硬件電路固定、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難于改動(dòng)等局限。整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)都是基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的，除了計(jì)算機(jī)外不再需要任何硬件即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣有利于促成課程和教學(xué)改革，更有利于人才的培養(yǎng)。仿真技術(shù)的另一應(yīng)用表現(xiàn)在學(xué)生的業(yè)余愛好上，比如目前的電子設(shè)計(jì)大賽，挑戰(zhàn)杯等，學(xué)生完全可以利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行仿真，先用計(jì)算機(jī)仿真出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在?jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬調(diào)試，最后用硬件實(shí)現(xiàn)。在整個(gè)過程中，學(xué)生可充分發(fā)揮自己的才能，通過大量仿真對比，達(dá)到設(shè)計(jì)目的，學(xué)生也可以大膽地反復(fù)調(diào)試，避免了損壞器件。在電子設(shè)計(jì)競賽中，我們使用proteus開發(fā)環(huán)境對學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，在不需要硬件投入的條件下，學(xué)生普遍反映，對單片機(jī)的學(xué)習(xí)比單純學(xué)習(xí)書本知識(shí)更容易接受，更容易提高。實(shí)踐證明，在使用proteus進(jìn)行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作，能極大提高單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。
另外，開展仿真教學(xué)對于我國的遠(yuǎn)程教學(xué)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(zhì)的實(shí)驗(yàn)，適量增加綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)
驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)中最基本的，可以使學(xué)生鞏固理論知識(shí)，它的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對簡單，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的基本操作、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算技能，驗(yàn)證和加深對課本知識(shí)的掌握和理解。綜合性實(shí)驗(yàn)則要求學(xué)生必須具有一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和基本操作技能，能夠運(yùn)用某一課程或多門課程的綜合知識(shí)，進(jìn)而對實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行綜合訓(xùn)練的一種復(fù)合性實(shí)驗(yàn)。目前工科高校中越來越多地提出課程設(shè)計(jì)也是為了加強(qiáng)學(xué)生對綜合知識(shí)的運(yùn)用。為充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動(dòng)性，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)也必不可少。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)芗由顚W(xué)生對理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)，由學(xué)生自己負(fù)責(zé)計(jì)劃和執(zhí)行，充分提高了學(xué)生的思維能力、動(dòng)手能力、分析和解決工程實(shí)際問題的能力[3]，發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的完成可以充分借助于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來完成。
驗(yàn)證性、綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)技能和方法，同時(shí)又促進(jìn)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，打破了原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)附屬于理論教學(xué)的模式，建立與理論教學(xué)并行的，既相對獨(dú)立、又相互聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。在某些應(yīng)用性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例至少要達(dá)到60%以上，同時(shí)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)最好要跟得上科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。一方面保證基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，另一方面，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)與當(dāng)今先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展相結(jié)合，適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)性和代表性。那么，工科院校中一方面加大實(shí)驗(yàn)器材的投入，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，開設(shè)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生的積極性，使學(xué)生適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展；另一方面，要充分利用現(xiàn)有的條件，引進(jìn)先進(jìn)的仿真技術(shù)，使得實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)一步升華，充分發(fā)揮教師和學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新能力。
3.3 硬件軟件都要抓，都要硬
計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)雖然可以準(zhǔn)確地反映整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程， 是一種新型的應(yīng)用技術(shù)，十分有效，但是仿真技術(shù)不是萬能的，它畢竟不是真正的實(shí)驗(yàn)，在許多場合仿真只能起輔助作用。也就是說不能用仿真實(shí)驗(yàn)來全部代替硬件電路實(shí)驗(yàn)，而是將仿真試驗(yàn)和傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)相互結(jié)合，根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)的情況靈活運(yùn)用，虛擬實(shí)驗(yàn)不是萬能的，如果所有的實(shí)驗(yàn)都用虛擬實(shí)驗(yàn)替代的話，學(xué)生在虛擬環(huán)境中實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生或多或少的不踏實(shí)的虛擬感，實(shí)踐能力也不可能得到真正的提高。
3.4 加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)課教師的培訓(xùn)，通過培訓(xùn)交流更多地了解新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)
在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的同時(shí)，必然對教師提出更高的要求：一是教師也應(yīng)加強(qiáng)專業(yè)知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)，來提高自己的業(yè)務(wù)能力和綜合素質(zhì)，另外，不斷更新專業(yè)知識(shí)的結(jié)構(gòu)，了解前沿技術(shù)的發(fā)展也是必需的；二是高校中要大力創(chuàng)造條件促進(jìn)教師經(jīng)常參加基礎(chǔ)理論知識(shí)的培訓(xùn)和實(shí)驗(yàn)的培訓(xùn)以及學(xué)術(shù)研討會(huì)，從而擴(kuò)大視野，更新教學(xué)觀念，及時(shí)了解嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢和動(dòng)態(tài)，促進(jìn)電子類實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展；三是要大力組織專業(yè)教師去積極申報(bào)相關(guān)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和科研項(xiàng)目，提倡以科研資金來促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，用科研成果去改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。
4 結(jié)論
隨著社會(huì)對人才要求的提高，大力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革迫在眉睫，而大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革又直接影響到學(xué)生的動(dòng)手和創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須能夠跟得上時(shí)代的腳步，將仿真技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，加快學(xué)生適應(yīng)社會(huì)的能力，同時(shí)學(xué)習(xí)了先進(jìn)的新技術(shù)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 丁美榮,柴少明.基于虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)整合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[j].現(xiàn)代教育技術(shù),2007,7(17):99-102.
1引言
本論文主要證明在RC電路放電時(shí)電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系實(shí)驗(yàn).
在RC電路中，當(dāng)電容兩端有電壓時(shí)，關(guān)閉開關(guān)，電流通過電阻，此時(shí)電路中電壓隨時(shí)間的變化成何種規(guī)律。作者在一本教科書中發(fā)現(xiàn)前人已經(jīng)得出結(jié)論，電壓與時(shí)間的關(guān)系式是.作者通過實(shí)驗(yàn)測量出5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的電壓值與在相同時(shí)間點(diǎn)的理論值相比較，看兩者是否接近或相等。
2 設(shè)計(jì)原理及方法：
2.1 RC電路放電原理：
電路的過渡過程是指從一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種穩(wěn)定狀態(tài)所經(jīng)歷的變化過程，其變化十分短暫而且是單次變化過程。對時(shí)間常數(shù)τ較大的電路，可用慢掃描長余輝示波器觀察光點(diǎn)移動(dòng)的軌跡。對時(shí)間常數(shù)τ較小的電路，必須使這種單次變化的過程重復(fù)出現(xiàn)。為此，我們利用NE555方波發(fā)生電路輸出的方波來模擬階躍激勵(lì)信號(hào)，即令方波輸出的上升沿作為零狀態(tài)響應(yīng)的正階躍激勵(lì)信號(hào)；方波下降沿作為零輸入響應(yīng)的負(fù)階躍激勵(lì)信號(hào)，選擇方波的重復(fù)周期遠(yuǎn)大于電路的時(shí)間常數(shù)τ，就可以觀測電路的過渡過程.
在階躍信號(hào)下，RC-階電路的零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)分別按指數(shù)規(guī)律衰減和增長，其變化的快慢決定于電路的時(shí)間常數(shù)τ.
2.2 時(shí)間常數(shù)τ的測定方法：
⑴ 根據(jù)-階微分方程的求解得知
（1）
方程⑴為電容放電過程方程，其中U是放電前電容兩端的電壓.
當(dāng)t=τ時(shí)，U0＝0.368U.此時(shí)所對應(yīng)的時(shí)間就等于τ。其零輸入響應(yīng)的波形如圖1測試電路如圖2⑴所示.
⑵ 由零狀態(tài)響應(yīng)波形增長到0.632U所對應(yīng)的時(shí)間就等于τ。其測試電路及波形如圖2⑵和圖3所示.
⑶ 微分電路和積分電路是RC一階電路中較典型的應(yīng)用電路，它對電路時(shí)間常數(shù)τ和輸入信號(hào)的周期T有著特定的要求.
RC串聯(lián)電路，如果滿足τ＝RC
（2）
由式（2）可知：電路的輸出信號(hào)電壓與輸入信號(hào)電壓的微分成正比，電路如圖4⑴.
將圖4⑴中的R與C位置調(diào)換一下，即由C端作為響應(yīng)輸出，且當(dāng)電路參數(shù)的選擇滿足τ＝RC>>T/2條件時(shí)，則稱為積分電路.
（3）
由式(3)可知：電路的輸出電壓與輸入電壓的積分成正比，電路如圖4⑵.
2.3 實(shí)驗(yàn)儀器與軟件介紹
聲卡是多媒體技術(shù)中最基本的組成部分，是實(shí)現(xiàn)聲波／數(shù)字信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的一種硬件.在一塊聲卡上有晶振，AD/DA轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)字處理芯片及其他輔助電路.因此，它可以作為數(shù)據(jù)采集卡使用，不過被采集號(hào)的頻率被限制在音頻范圍之內(nèi).設(shè)定了采集頻率，采樣位數(shù)，緩沖區(qū)大小之后，再利用聲卡的DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。利用LabWindows/CVI環(huán)境下，借助硬件驅(qū)動(dòng)程序?qū)β暱ǖ牟杉l率，采樣位數(shù)，緩沖區(qū)大小等分別進(jìn)行控制，根據(jù)用戶的需要調(diào)整波形顯示，進(jìn)行波形分析，從而構(gòu)成功能強(qiáng)大的虛擬存儲(chǔ)示波器.
Cool Edit軟件與外電路是通過聲卡的連接，當(dāng)外電路的開關(guān)關(guān)閉再打開，在Cool Edit軟件的界面會(huì)顯示出電壓與時(shí)間的關(guān)系圖形.將圖形剪切下來，與.mav的文件形式儲(chǔ)存起來.
MATLAB是數(shù)學(xué)軟件，主要用于對圖象的研究，精確度較高.
2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法
（1）設(shè)置聲卡
① 打開聲音高級(jí)控制.
圖5
② 選擇錄音屬性，打開錄音音量控制面板，將輸入方式選成Line。
③ 關(guān)閉不必要的聲音特效，以免左右聲道互相干擾。
④ 如果無信號(hào)時(shí)背景噪聲較大，可以嘗試將一些選項(xiàng)靜音，特別是CD音頻。
⑤ 調(diào)整輸入和輸出的平衡，可借助示波器部分和信號(hào)發(fā)生器部分實(shí)現(xiàn)。
這時(shí)信號(hào)是從Line In 口輸入的.在輸出音頻信號(hào)時(shí)，輸入口是沒有信號(hào)的.
如果使用其他聲卡，可參照以上步驟設(shè)置.注意使用萬能聲卡驅(qū)動(dòng)程序或自帶驅(qū)動(dòng)程序，不要使用Windows帶的驅(qū)動(dòng)程序.如果仍無法正確工作，可換一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序試試.可能出現(xiàn)的情況:
a 聲卡上沒有Line In口，只有MIC口，在一些廉價(jià)主板集成的聲卡上會(huì)有這種情況，因?yàn)镸IC口通常是聲道，也就是示波器只能單蹤工作.
b 打開信號(hào)發(fā)生器，示波器上同時(shí)顯示波形，這是輸出反饋到輸入端造成的，可修改各項(xiàng)設(shè)置.
(2) 在實(shí)驗(yàn)線路板上選取R=5kΩ，C=10μF組成如圖2所示的RC充放電電路.NE555信號(hào)發(fā)生器輸出的方波信號(hào)電壓U=1.5V，頻率f=1kHz，將自制電纜線Φ3.5立體聲插頭插入聲卡的Line In，另一邊接到實(shí)驗(yàn)線路板上的激勵(lì)端口所在位置.
(3) 在虛擬示波器上觀察激勵(lì)與響應(yīng)的變化規(guī)律，來測時(shí)間常數(shù)τ，通過調(diào)整虛擬示波器界面上的增益、時(shí)基和網(wǎng)格按鈕，可清晰地觀測RC的響應(yīng)曲線，并可計(jì)算出時(shí)間常數(shù)τ.對于R=5kΩ，C=10μF的RC響應(yīng)曲線如圖6所示.
圖6
(4) 適當(dāng)?shù)馗淖冸娙莼螂娮柚?，觀察波形變化情況，記錄觀察到的現(xiàn)象.
①選取R=10kΩ，C=10μF，觀察并繪制響應(yīng)的波形，繼續(xù)增大C之值，定性地觀察響應(yīng)的影響.
②選取R=15kΩ，C=20μF，組成如圖4(1)所示的微分電路，在同樣的方波激勵(lì)信號(hào)作用下，觀測并繪制激勵(lì)與響應(yīng)的波形.
3 數(shù)據(jù)分析電壓時(shí)間
實(shí)驗(yàn)所測得電壓隨時(shí)間變化曲線如圖7
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
①通過計(jì)算在相同時(shí)間點(diǎn)電壓理論計(jì)算值與電壓實(shí)際測量的結(jié)果的比例進(jìn)行比較，我們可以發(fā)現(xiàn)相同時(shí)間的電壓比值幾乎相等，作者在通過改變R與C的值發(fā)現(xiàn)相似的結(jié)論，由此可以證實(shí)前人研究.
②本實(shí)驗(yàn)精確度較高，但難免有誤差的出現(xiàn)，首先在截圖時(shí)，很難從電壓最大值開始截取;其次在用MATLAB對圖形進(jìn)行處理時(shí)，很難在特定時(shí)間內(nèi)找到所對應(yīng)的電壓值點(diǎn)，作者因此選取在此附近的點(diǎn)，由此產(chǎn)生的誤差可達(dá)到萬分之一.而且用聲卡測試儀器時(shí)，難免有噪音的的影響.
③聲卡測試儀器的優(yōu)點(diǎn):可以將電路與計(jì)算機(jī)連接在一起，并截取錄音，傳送給計(jì)算機(jī)處理.
聲卡測試儀器的局限性:容易受外界環(huán)境及本身其他的功能影響.
5 結(jié)束語
本實(shí)驗(yàn)室屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，難度較高。實(shí)驗(yàn)要求會(huì)使用Cool Edit Pro 2.0，MATLAB6.1等軟件，熟悉聲卡的原理，計(jì)算機(jī)基本知識(shí)及物理原理等等.在此應(yīng)該特別感謝魯曉東老師，胡依杰同學(xué)及費(fèi)芬同學(xué)對我的幫助，他們幫助我找到很多關(guān)于這方面的資料.在此次實(shí)驗(yàn)中證實(shí)前人已經(jīng)得出的RC電路放電電壓變化規(guī)律，即電壓與時(shí)間的關(guān)系式結(jié)論.
1引言
本論文主要證明在RC電路放電時(shí)電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系實(shí)驗(yàn).
在RC電路中，當(dāng)電容兩端有電壓時(shí)，關(guān)閉開關(guān)，電流通過電阻，此時(shí)電路中電壓隨時(shí)間的變化成何種規(guī)律。作者在一本教科書中發(fā)現(xiàn)前人已經(jīng)得出結(jié)論，電壓與時(shí)間的關(guān)系式是.作者通過實(shí)驗(yàn)測量出5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的電壓值與在相同時(shí)間點(diǎn)的理論值相比較，看兩者是否接近或相等。
2設(shè)計(jì)原理及方法：
2.1RC電路放電原理：
電路的過渡過程是指從一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種穩(wěn)定狀態(tài)所經(jīng)歷的變化過程，其變化十分短暫而且是單次變化過程。對時(shí)間常數(shù)τ較大的電路，可用慢掃描長余輝示波器觀察光點(diǎn)移動(dòng)的軌跡。對時(shí)間常數(shù)τ較小的電路，必須使這種單次變化的過程重復(fù)出現(xiàn)。為此，我們利用NE555方波發(fā)生電路輸出的方波來模擬階躍激勵(lì)信號(hào)，即令方波輸出的上升沿作為零狀態(tài)響應(yīng)的正階躍激勵(lì)信號(hào)；方波下降沿作為零輸入響應(yīng)的負(fù)階躍激勵(lì)信號(hào)，選擇方波的重復(fù)周期遠(yuǎn)大于電路的時(shí)間常數(shù)τ，就可以觀測電路的過渡過程.
在階躍信號(hào)下，RC-階電路的零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)分別按指數(shù)規(guī)律衰減和增長，其變化的快慢決定于電路的時(shí)間常數(shù)τ.
2.2時(shí)間常數(shù)τ的測定方法：
⑴根據(jù)-階微分方程的求解得知
（1）
方程⑴為電容放電過程方程，其中U是放電前電容兩端的電壓.
當(dāng)t=τ時(shí)，U0＝0.368U.此時(shí)所對應(yīng)的時(shí)間就等于τ。其零輸入響應(yīng)的波形如圖1測試電路如圖2⑴所示.
⑵由零狀態(tài)響應(yīng)波形增長到0.632U所對應(yīng)的時(shí)間就等于τ。其測試電路及波形如圖2⑵和圖3所示.
⑶微分電路和積分電路是RC一階電路中較典型的應(yīng)用電路，它對電路時(shí)間常數(shù)τ和輸入信號(hào)的周期T有著特定的要求.
RC串聯(lián)電路，如果滿足τ＝RC<<T/2（T為方波脈沖中的重復(fù)周期），且由R端作為響應(yīng)輸出，這就成了一個(gè)微分電路.
（2）
由式（2）可知：電路的輸出信號(hào)電壓與輸入信號(hào)電壓的微分成正比，電路如圖4⑴.
將圖4⑴中的R與C位置調(diào)換一下，即由C端作為響應(yīng)輸出，且當(dāng)電路參數(shù)的選擇滿足τ＝RC>>T/2條件時(shí)，則稱為積分電路.
（3）
由式(3)可知：電路的輸出電壓與輸入電壓的積分成正比，電路如圖4⑵.
2.3實(shí)驗(yàn)儀器與軟件介紹
聲卡是多媒體技術(shù)中最基本的組成部分，是實(shí)現(xiàn)聲波／數(shù)字信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的一種硬件.在一塊聲卡上有晶振，AD/DA轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)字處理芯片及其他輔助電路.因此，它可以作為數(shù)據(jù)采集卡使用，不過被采集號(hào)的頻率被限制在音頻范圍之內(nèi).設(shè)定了采集頻率，采樣位數(shù)，緩沖區(qū)大小之后，再利用聲卡的DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。利用LabWindows/CVI環(huán)境下，借助硬件驅(qū)動(dòng)程序?qū)β暱ǖ牟杉l率，采樣位數(shù)，緩沖區(qū)大小等分別進(jìn)行控制，根據(jù)用戶的需要調(diào)整波形顯示，進(jìn)行波形分析，從而構(gòu)成功能強(qiáng)大的虛擬存儲(chǔ)示波器.
CoolEdit軟件與外電路是通過聲卡的連接,當(dāng)外電路的開關(guān)關(guān)閉再打開,在CoolEdit軟件的界面會(huì)顯示出電壓與時(shí)間的關(guān)系圖形.將圖形剪切下來,與.mav的文件形式儲(chǔ)存起來.
MATLAB是數(shù)學(xué)軟件,主要用于對圖象的研究,精確度較高.
2.4實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法
（1）設(shè)置聲卡
①打開聲音高級(jí)控制.
圖5
②選擇錄音屬性，打開錄音音量控制面板，將輸入方式選成Line。
③關(guān)閉不必要的聲音特效，以免左右聲道互相干擾。
④如果無信號(hào)時(shí)背景噪聲較大，可以嘗試將一些選項(xiàng)靜音，特別是CD音頻。
⑤調(diào)整輸入和輸出的平衡，可借助示波器部分和信號(hào)發(fā)生器部分實(shí)現(xiàn)。
這時(shí)信號(hào)是從LineIn口輸入的.在輸出音頻信號(hào)時(shí),輸入口是沒有信號(hào)的.
如果使用其他聲卡,可參照以上步驟設(shè)置.注意使用萬能聲卡驅(qū)動(dòng)程序或自帶驅(qū)動(dòng)程序,不要使用Windows帶的驅(qū)動(dòng)程序.如果仍無法正確工作,可換一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序試試.可能出現(xiàn)的情況:
a聲卡上沒有LineIn口,只有MIC口,在一些廉價(jià)主板集成的聲卡上會(huì)有這種情況,因?yàn)镸IC口通常是聲道,也就是示波器只能單蹤工作.
b打開信號(hào)發(fā)生器,示波器上同時(shí)顯示波形,這是輸出反饋到輸入端造成的,可修改各項(xiàng)設(shè)置.
(2)在實(shí)驗(yàn)線路板上選取R=5kΩ,C=10μF組成如圖2所示的RC充放電電路.NE555信號(hào)發(fā)生器輸出的方波信號(hào)電壓U=1.5V,頻率f=1kHz,將自制電纜線Φ3.5立體聲插頭插入聲卡的LineIn,另一邊接到實(shí)驗(yàn)線路板上的激勵(lì)端口所在位置.
(3)在虛擬示波器上觀察激勵(lì)與響應(yīng)的變化規(guī)律,來測時(shí)間常數(shù)τ,通過調(diào)整虛擬示波器界面上的增益、時(shí)基和網(wǎng)格按鈕,可清晰地觀測RC的響應(yīng)曲線,并可計(jì)算出時(shí)間常數(shù)τ.對于R=5kΩ,C=10μF的RC響應(yīng)曲線如圖6所示.
圖6
(4)適當(dāng)?shù)馗淖冸娙莼螂娮柚?觀察波形變化情況,記錄觀察到的現(xiàn)象.
①選取R=10kΩ,C=10μF,觀察并繪制響應(yīng)的波形,繼續(xù)增大C之值,定性地觀察響應(yīng)的影響.
②選取R=15kΩ,C=20μF,組成如圖4(1)所示的微分電路,在同樣的方波激勵(lì)信號(hào)作用下,觀測并繪制激勵(lì)與響應(yīng)的波形.
3數(shù)據(jù)分析電壓時(shí)間
實(shí)驗(yàn)所測得電壓隨時(shí)間變化曲線如圖7
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
①通過計(jì)算在相同時(shí)間點(diǎn)電壓理論計(jì)算值與電壓實(shí)際測量的結(jié)果的比例進(jìn)行比較,我們可以發(fā)現(xiàn)相同時(shí)間的電壓比值幾乎相等,作者在通過改變R與C的值發(fā)現(xiàn)相似的結(jié)論,由此可以證實(shí)前人研究.
②本實(shí)驗(yàn)精確度較高,但難免有誤差的出現(xiàn),首先在截圖時(shí),很難從電壓最大值開始截取;其次在用MATLAB對圖形進(jìn)行處理時(shí),很難在特定時(shí)間內(nèi)找到所對應(yīng)的電壓值點(diǎn),作者因此選取在此附近的點(diǎn),由此產(chǎn)生的誤差可達(dá)到萬分之一.而且用聲卡測試儀器時(shí),難免有噪音的的影響.
③聲卡測試儀器的優(yōu)點(diǎn):可以將電路與計(jì)算機(jī)連接在一起,并截取錄音,傳送給計(jì)算機(jī)處理.
聲卡測試儀器的局限性:容易受外界環(huán)境及本身其他的功能影響.
5結(jié)束語
本實(shí)驗(yàn)室屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，難度較高。實(shí)驗(yàn)要求會(huì)使用CoolEditPro2.0，MATLAB6.1等軟件,熟悉聲卡的原理，計(jì)算機(jī)基本知識(shí)及物理原理等等.在此應(yīng)該特別感謝魯曉東老師,胡依杰同學(xué)及費(fèi)芬同學(xué)對我的幫助,他們幫助我找到很多關(guān)于這方面的資料.在此次實(shí)驗(yàn)中證實(shí)前人已經(jīng)得出的RC電路放電電壓變化規(guī)律，即電壓與時(shí)間的關(guān)系式結(jié)論.
