前言：中文期刊网精心挑选了虚拟实验设计论文范文供你参考和学习，希望我们的参考范文能激发你的文章创作灵感，欢迎阅读。
虚拟实验设计论文范文1
虚拟实验是依托“虚拟现实”技术产生和发展的一种实验模式，利用计算机及仿真软件来模拟实验环境及过程，学生通过计算机操作来做实验，以代替或加强传统的实物实验。虚拟实验一般通过虚拟实验室进行。虚拟实验室是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，包括虚拟实验室环境、相关实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等，是一个基于网络的实验教学、技术交流、共同研究、协同工作的平台。虚拟实验室最早由美国弗吉尼亚大学的威廉•沃尔夫教授于1989年提出，被称为“无墙的研究中心”。虚拟实验室具有传统实验室无法比拟的特点，如资源共享性、互动操作性、用户自主性、安全性等，并且可以有效地减少实验设备购置经费和实验学时。随着虚拟实验技术的成熟，虚拟实验室在教育领域得到了越来越广泛的应用［8］。
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。
4结束语
虚拟实验设计论文范文2
【关键词】虚拟实验;弹药检测;
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2009)07―0130―02
引言
在弹药检测技术和传感器技术等课程教学中,为了使学员理解讲授内容,需要进行一些必要的实验操作。由于弹药检测实验具有一定的危险性、过程短暂、过程细节不易观察、实验费用高等特点,而虚拟实验作为一种先进的教学手段,以其直观性、灵活性、实时性、形象化的优势,通过创建动画,细化过程细节,可比较轻松地解决传统授课方式无法解决的问题,把抽象的问题变得很直观,使学员能置身于现场实验氛围之中,对突破教学难点起到了较好的作用。教学实践证明,在现有条件下开展虚拟实验与现场实验相结合的实验方法,是一种行之有效的教学方法。
一 虚拟实验的概念和特点
虚拟实验通常是指借助于借助计算机技术,利用文字、图形、图像、声音等在微机屏幕上形成的可部分或全部代替传统实验过程的实验操作环境,实验者利用鼠标和键盘的操作完成实验,使实验者感受到与真实实验相似的过程。我们按照教学要求组成的虚拟实验软件,为学员提供一个虚拟实验环境和过程的操作平台,它包括系统结构组成、实验设计、工作原理、操作过程、实验状态、步骤提示、结论分析等。通过虚拟实验软件把实验设备和教学内容有机地融为一体,加深了学员对实验目的、原理、过程、方法、设备结构、注意事项等的理解,达到现场实验难以实现的效果,培养了学员动手和思维能力,丰富了实验技能,深化了对知识的理解,同时增强了学员对实验的兴趣,提高了教学效果。
二 弹药检测虚拟实验的优点分析
1 保证实验者的安全:在真实的弹药实验中,由于弹药特有的危险性,容易发生安全事故,产生一定的心理负担,而采用虚拟实验由于不使用真枪实弹,可以避免事故发生,杜绝真实弹药实验的风险。
2 降低实验成本:弹药实验的费用较高,少则几十元,多则上万元,而且一旦损坏设备,往往还会伴随人员的伤亡,后果十分严重;采用虚拟实验的投资费用比较低,可以长期使用,并可以不断改进和优化实验内容,近似达到零成本的效果。
3 提高学习效果:虚拟实验软件可以直接安装在微机上,摆脱了传统实验受时间、场合的限制,学员通过调用不同的实验模块,可以自行选择实验项目,实验结果可以通过文字、图形、图像、声音等形式显示给学员,来判断操作是否正确,激发学员的学习兴趣;它还具有重复性的特点,通过多次重复使用,加深学员对实验的理解,使学员熟悉实验设备的应用,锻炼他们观察实验过程和分析实验现象的能力。
4 强化学员对实验细节的认识:弹药实验具有“三高一短”(高温、高速、高压、过程短暂)的特点,其过程复杂而短暂,很难从感官上得到深刻的认识,即使参加了实际的试验过程,如果不采用相应的设备,也很难获得实验结果。弹药发射实验过程通常在数十毫秒内结束,实验结果单凭人的感官是无法得出结论的。而采用虚拟实验的方法,可以将实验过程速度放慢,结合声光效果,细化实验过程,观察细微环节,加深了对实验内容的理解。
三 弹药检测虚拟实验的实现手段[2] [3]
制作实验课件首先要进行总体规划,制定系统总体目标、模块功能和实验流程图,绘制设备或零件图,完成脚本编写。
选择合适的软件是制作虚拟实验课件的基础,我们根据虚拟实验的特点,由flash、3D Max完成二、三维动画等基本素材的制作,利用它们具有的多媒体编辑、声光效果和控制功能,实现了实验项目的虚拟实验设计功能;课件的部分复杂设备零部件由SolidWorks软件制作,再以图形方式代入flash或3D Max中,充分发挥各自的特点,最后以Authorware为平台进行模块的链接合成及调试,完成课件的,它们最终都可以在Powerpoint下,以超动态链接被调用。
四 虚拟实验的应用范例[1]
在弹药检测技术课程教学中,我们制作了多个虚拟实验模块,经过在课堂应用后,学员们普遍反映教学内容易于理解、印象深刻,通常完成一次虚拟实验后,就可以基本叙述出工作原理和实验过程,而这是教员用语言表述很难达到的效果。在此例举几个虚拟实验的应用范例:
1 初速、膛压虚拟实验
弹药的初速、膛压实验是弹药检测技术课程的重要实验,但是由于现有实验条件的限制,不可能也没有必要每人都进行一次实验,即使实验者亲自参加了实验,也只是在现场听到一声发射的巨响,看到一团火光,从实验设备上得到了一组数据,而对实验中的细节是无法体会的,我们在课堂教学中采用了虚拟实验软件,把实验过程以“慢镜头”的方式,将火药燃烧、弹丸运动、传感器接收测试信号等过程展现给学员,使学员清晰的看到了实验的细节和结果,仿佛亲身经历了现场实验。膛压和初速虚拟实验的部分画面见图1和图2。
2 传感器原理虚拟实验[4]
传感器是新型弹药和检测设备的关键部件之一,掌握传感器的知识对理解教学内容十分重要,由于它们的结构通常精密小巧,理论推导复杂,有时很难用语言讲述清楚。在讲解时通过虚拟实验演示,将结构原理、实验曲线、工作过程等动态地展示给学员,可以取得较好的效果。例如,在讲解热释电传感器和光电二极管时,通过虚拟实验,将传感器的结构组成、工作原理、光谱和阶跃响应、灵敏度等特性形象清晰地表现出来,其部分画面见图3和图4。
五 结束语
由于虚拟实验可以生动形象地反映教学实验内容,教员讲得轻松,学员学得透彻,节约了大量的时间和精力。通过多期的教学实践证明,虚拟实验已经成为弹药检测技术和传感器技术等课程教学的有效教学方法之一,取得了良好的效果,受到了广大师生的青睐。但是虚拟实验毕竟是实验教学的辅助手段,决不能完全取代实际实验,必要时要采用虚实结合的方式,通过个别现场实验、(高速)录像片回放等方法,才能达到更好的教学效果。虚拟实验不是万能的,我们需要把它和传统的实验方法相结合,具体问题具体分析,充分发挥它们各自的优势,才能提高教学效果和质量。
参考文献
[1] 陈雷等.弹药检测技术[M].石家庄:军械工程学院出版社,2007.
[2] 李永等.Flash多媒体课件制作范例导航[M].北京:清华大学出版社, 2006.
虚拟实验设计论文范文3
（1）创建艺工结合开放式实践教学网络管理模式。以实践创新能力培养为核心，以现代教育技术为手段，以计算机网络为支撑，自主研发实验室与实践教学综合管理系统。系统包含三大模块：包含实验项目、实验队伍、实验室数据上报和报表汇总、成果管理等 8 项内容的实验室综合管理模块；贯穿于毕业设计（论文）全部流程的管理子系统；包含本科生科研训练管理、实验室开放项目管理、学科竞赛项目管理 3 个子系统的大学生创新计划管理模块。
（2）构建“三层次、五模块”的实践教学体系。建立基于网络管理的“基础实验技能训练”“专业综合能力训练”和“设计创新能力训练”三层次和“验证性实验设计性与创新性实验跨课程综合性实验艺术创作（工程设计）能力实训集成创新实践（创作、研究开发）”五模块的实践教学体系。
（3）夯实基础，强化创新，多方位拓展和丰富实践教学内容，重塑学生知识结构。创建本科生科研训练、实验室开放和学科竞赛项目，并将其作为实践教学的重要内容。积极开展项目教学，推进产学研合作。将三类项目与相关课程相结合，突破传统内容局限，实现理论与实践的紧密融合。
（4）搭建贯穿人才培养全过程，多方协同、资源共享、产学研合作的“大实践”平台。将相关实验室和工作室、大学生创意工厂、市级实验教学示范中心、校级科研和学科竞赛基地等校内资源与校外人才培养基地等资源进行有机整合。
（5）建立实践教学项目的评审、管理和奖励等长效机制。制定各类项目管理办法，建立教务处、各教学部门、项目负责人的三级项目管理制度。每年以网络为平台，开展项目的立项工作，并强化网上过程管理，定期进行项目验收与总结。
虚拟实验设计论文范文4
[关键词]虚拟实验；整合情境；轻游戏；沉浸理论；整合教学法
[中图分类号]G40-057 [文献标识码]A [论文编号]1009—8097（2013）11—0109—06
一 引言
虚拟实验注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性，主要是借助于图像/图形、仿真和虚拟现实等技术在计算机上所营造的可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环节。通过研究发现，现在的虚拟实验普遍存在以下几个问题：第一，虚拟实验缺乏趣味性，枯燥乏味，不能引起学生的兴趣，学生很难主动投入学习并维持学习兴趣。第二，虚拟实验缺乏与学生的互动，基本上虚拟实验是由教师控制界面，学生处于聆听模式。第三，教学理论陈旧无力，学习者缺少自主探宄，合作分享的机会。以上这些问题容易导致学习者对虚拟实验缺乏兴趣，产生厌烦、急躁甚至排斥的情绪，学习效果大打折扣。归根到底，出现这些问题的原因是与现代教育理念相悖，现代教育理论倡导教师应由处于中心位置的知识权威转变为学生学习的指导者和合作伙伴、设计者、教育的研究者，学生应由被动的知识容器和只是受体转变为知识的主宰、学习的主体，学习环境应由简单的背景化信息转变为具有吸引力和复杂情境的功能性教学载体。由此可见，虚拟实验的设计面临着改进需求。
按照2002年麻省理工学院和微软公司提出“现代教学法+艺术化游戏环境=下一代教育媒体”的观点，虚拟实验要实现吸引、促进学习者沉浸其中，使学习者深度体验实验过程，探究实验结果，那么有先进并恰当的教学理论为设计依据，加上具有强烈感官刺激、心理挑战的游戏化环境设计，实现教学、心理、艺术效果的完美结合。据此，我们认为虚拟实验应创设为能吸引并使学习者沉浸其中的虚拟学习环境，这个虚拟环境具有较强的现实感、交互性、艺术性、娱乐性等特点。基于以上考虑，此本文提出创设整合情境，将“轻游戏”元素增设到虚拟实验中，设计了基于整合情境的游戏化虚拟实验模式，并将此设计模式应用到开发的虚拟实验案例中。
二 整合情境及沉浸理论概述
1 整合情境
（1）整合情境的概念。20世纪80年代，比利时、瑞士、法国等欧洲国家提出整合教学法（Integrative Pedagogy），该教学法是训练学生联合调动若干知识和技能，来解决复杂的情境。开始时整合教学法被应用在大学教育、职业培训中，逐渐应用到中小学教育。整合情境（Situation Integration）是整合教学法的核心，学者有些称之为靶向情境（SituationCible）或重新投入的情境（Situation Reinvestissement）。德·克特勒等认为，整合情境是“一个包括主要信息、干扰信息，并运用先前学习的一个复杂情境”，它有三个构成要素：物质支持工具、若干任务和若干命令。在物质支持工具中呈现出来的实物、背景、信息、功能等都可能是复杂、凌乱无序的。
（2）整合情境与问题情境。上述的整合情境与我们常提到教学论中的问题情境（Problem Situation）较为相似，为了更好地理解整合情境，在此有必要对两者做一个比较分析。学者对问题情境的界定不统一，布鲁纳认为“学习者在一定的问题情境中，经历对学习材料的亲身体验和发展过程，才是学习者最有价值的东西。”他指的问题情境可以理解为一种具有特殊意义的教学环境，既是教学背景，也可以是本学科的问题，还可以是其他学科的相关内容等。埃纳尔和尤尼尔认为问题情境是“教育者为了以下目的所设计的情境：为学生们创造一个围绕某个有待解决的问题进行思考和分析的空间；帮助学生们从这一“空间—问题”出发，对关于某个明确主题的新的表现加以概念化。”它包含三个因素：背景、信息和有待完成的任务。从上述概念来看，整合情境与问题情境确实有很大相似之处，都是为了教与学活动，完成某些教学任务的具象化背景，但两者的内涵和侧重点并不相同。两者的比较如表1所示。
从表1不难看出，整合情境和与我们一般所指的问题情境有很大区别，第一，功能性，整合情境更具明确的目标，教师应考虑如何利用支持工具，也就是情境的利用，而不像问题情境更重视的是情境本身。第二，情境的类型，整合情境倾向于自然情境，需要学习者在真实的环境中辨别、分析，适合学习者个体探究学习，而问题情境更多的是建构的情境，是教师为了教学目的而设计出来的情境，使学习者个体或小组获得知识和技能。第三，设计整合情境的初衷是为了整个学业的提升或学习评估，相对问题情境的目标要广泛和深远。按照达蒂夫¨2J的说法，问题情境是“任务来源”，而整合情境是“任务靶向”，可以理解为一个偏重于问题本身，一个偏重于通过问题来探究的目标。一言蔽之，整合情境是“被瞄准”的问题情境，为了更明确的方向和目的所设计的问题情境，整合情境相对于问题情境更具复杂性和真实性，更适合学习者探索和建构知识和技能。
2 沉浸理论
沉浸理论（Flow Theory）于1975年由Csikszentmihalyi首次提出，解释当人们在进行某些日常活动时为何会完全投入情境当中，集中注意力，并且过滤掉所有不相关的知觉，进入一种沉浸的状态，这种状态被描述为“流”（flow）。Wigand和Nilan将沉浸感分为三个阶段：沉浸的先前准备阶段、沉浸体验阶段、沉浸体验的结果。沉浸的先前准备阶段所考虑的要素包括注意力的集中、明确的目标、与玩家技能相平衡的挑战、活动的趣味性、简单快速的上手；沉浸体验阶段的体验包括行动与意识的统一、高度专注、对活动的控制感、时间感的变化、远程监控感；沉浸体验所带来的结果是促进学习、激发学习者的探索行为、信息技术的接受及使用、行为控制的认知。从文献可以看出，国内外游戏的设计和开发基本都与沉浸理论相关，游戏化的学习的设计和开发也当如此。有研究表明，“深度沉浸的学习相对于浅度沉浸的学生而言.在虚拟实验的环境中更容易获得满足”。据此我们认为追求流体验是游戏化虚拟实验设计的重要目标和依据。
三 基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计
基于以上的理论讨论和实践研究，本文提出基于整合情境的游戏化虚拟实验模式，这种虚拟实验模式以创设整合情境为手段，以“轻游戏”元素为设计元素，目的在于增加学习者虚拟实验的沉浸感，激发学习动机，维持学习体验，从而达到提高虚拟实验学习的效果。
1 基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计机理
根据心理学研究表明，要真正达到教学效果，必须从吸引学习者，维持学习者注意力着手，实现虚拟实验的沉浸体现。然而内部的心理活动是由外部的刺激，反复强化才能影响。所以外部的教学设计成为虚拟实验的关键，笔者认为可以从创设整合情境入手，给学习者营造一个逼真复杂的情境，这个情境即包括教学情境，还包括现场情境，避免枯燥无味又不具备现实意义的学习环境。本文提出，虚拟实验过程应是一个“三层”体系结构：教学层、行为层、心理层，实现一个由外至内的心理过程，由教学活动至实验过程，再到达到学习者沉浸体验的过程，从而提高学习者学习兴趣，维持注意力。具体见图1。
从图1可见，教学层、行为层和心理层都包括技术和学习两个方面，教学层处在基础的地位，也是最重要的层面，它是引领学习者进行虚拟实验的关键手段和方法，包括创设整合情境，设计实验界面，教学设计等；行为层是学习者完成虚拟实验的过程，探究实验结果；心理层是虚拟实验的最高层面，实现心理沉浸，保持学习注意力，从而完成虚拟实验的体验活动。这三层体系结构是一个从下到上，从外到内，从教学到心理一个完整的过程。
2 基于整合情境的游戏化虚拟实验设计模式
根据上述基于教学层、行为层、心理层的“三层”游戏化虚拟实验的设计机理来设计虚拟实验学习模式。虚拟实验主要分为：演示实验、验证试验和探索实验三种，它们一般的实验流程为激发兴趣、获取知识和经验、验证、应用和控制。为了体现实验的特点本文称实验操作为行为层，而每一个实验行为都对应着教学层的教学活动以及心理层的沉浸过程，它们的相互关系及内涵是学习模式的核心内容，见图2。
（1）教学层：创设整合情境、设计游戏化元素。为了能吸引学习者全身心地投入到虚拟实验中，首先可以从教学设计层面设计具有整合情境的虚拟实验环境，使学习者被生动、自然、复杂的情境所吸引，目标直指虚拟实验的核心知识：然后重点设计具有游戏化元素的虚拟实验，包括人物、场景、情节、任务和音效等，以声音、图形、视频等多媒体表现实验内容；最后通过设计的交互活动达到知识巩固、反思和激励的作用。
（2）行为层：操作游戏化虚拟实验。虚拟实验教学设计的目的是使学习者能按既定的设计步骤达到相应的实验目标，虚拟实验一般分为演示实验、验证试验和探究实验，一般都有以下几个步骤：激发兴趣、获取知识和经验、验证实验、实验的应用和控制等。实验过程是学习者在教学设计下完成的是可见、可控制的行为活动。
（3）心理层：实现沉浸体现。为了使学习者达到知识的内化，可以通过设计游戏化虚拟实验吸引并维持学习者达到长时间的心理沉浸感，可以分成沉浸准备阶段（吸引）、沉浸体验阶段（维持）、沉浸反馈阶段（迁移）三个过程，每个过程都需要和相应的教学设计和实验操作阶段配合发生，整合情境的创设就是为了激发学习者的兴趣，达到学习者沉浸体验的准备阶段。游戏化虚拟实验的设计就是为了使学习者在实验过程中获取相应知识和经验，达到学习者沉浸体验阶段。而教学反思和巩固为的是使学习者很好的应用实验知识，达到沉浸反馈阶段，实现知识的迁移。
3 基于整合情境的游戏化虚拟实验的特征
（1）强调自然情境的学习意义。从社会学的视角来看，“情境”指一个人正在进行某种行为时所处的社会环境，是人们社会行为产生的条件；从心理学的视角来看，“情境”指的是事物发生并对机体行为产生影响的环境条件；学习论的视角来看，“情境”则是学生从事学习活动、产生某种学习行为的一种环境和背景。基于整合情境的游戏化虚拟实验所指的“情境”在学习环境中一般并不存在，它是被建构出来的，任务的结果也不是一目了然，信息复杂，表述曲折，难以理解，具有障碍和隐蔽性，更趋向于真实的自然情境，但它的功能明确，即为了服务教学目标。
（2）强调游戏对学习兴趣的激发。布鲁纳等认为学习是学习者内部动机驱动的积极主动的建构过程，激发学习者的学习动机尤为重要。基于整合情境的游戏化虚拟实验强调利用“轻游戏”的设计，给学习者创造“流体验”，使学习者更容易沉浸，达到深层次的参与。虚拟实验的激发兴趣、获取知识和经验、验证、应用和控制等一般步骤，都可以在游戏化虚拟环境中完成。我们认为，游戏不是虚拟实验的目的和重点，游戏化的环境设计是让学习者能沉浸虚拟实验学习的手段，完成心理层面的沉浸体验的三个阶段，最终实现虚拟实验的知识获得或迁移。
（3）强调教师对学习者或学习小组的支持。建构主义学习理论强调学习者积极主动地建构知识，教师的地位发生了变化，从原来的灌输知识主导教学活动。基于整合情境的游戏化虚拟实验“情境”的设计者一般是教师，当然也可以是其他成员，情境的发起者和解决者之间形成合约的关系，教师可以让学习者选择是否进入学习情境，学习者可以自由选择学习方式，教师可以提供帮助，督促学习者学习，直到评估合格。整个教学过程的设计十分重要，关系到整个学习过程的展开。学生或者学习小组成了主体，而教师的地位退居其后，成为中介者、支持者，负责情境的建议和发起，更多的学习主动权交给了学生。
（4）强调探宄学习对虚拟实验的作用。虚拟实验可充分发挥其优点，根据实验的特点和学习者的特征，控制实验的条件，设计、开发具有较强交互的探究性虚拟实验。基十整合情境的游戏化虚拟实验由于其具有较强的现实性、趣味性，更适合也更容易探究学习。学习者或学习小组从整合情境中的复杂信息或自身具体经验出发，通过观察和反思概念或认知，设计或验证试验方案，这样的学习过程往往不能一次性完美完成，学习者或学习小组得反复探宄，不断完善和修正。如此一来，可以发展学习者的积极主动性和探索精神。
综上，基于整合情境的游戏化虚拟实验实质上是创建了以学习者为中心，教师为支持的整合学习环境，这个学习环境具有一般虚拟实验特点的同时还具有情境性、艺术性、娱乐性，吸引并使学习者沉浸其中，完成虚拟实验的演示、验证或探究活动。
四 基于整合情境的游戏化虚拟实验的应用案例设计
近年来食品卫生和安全成为备受关注的热门话题，为了加强青少年对食品添加剂方面的知识，提高选购安全食品的能力。本研究基于以上提出的基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计理论，设计开发了能进行虚拟实验和检测的食品添加剂虚拟实验室。
1 教学设计。根据“食品安全学”教学大纲和实验要求，为了学习者能融入并沉浸到虚拟实验.达到主动探究学习，获取实验知识和经验的目的，本文设计并开发了“添U加C”游戏化虚拟实验，以下将介绍该虚拟实验的设计和实现研究。
（1）整合情境创设与游戏化学习活动设计，如表2。
（2）游戏化虚拟实验。根据以上游戏化学习活动设计，我们可以将游戏化虚拟游戏过程主要分为三个阶段：整合学习活动、轻游戏化探究学习、反思分享。
①整合学习活动阶段。依照整合教学法的理论，学习是一些展开局部学习2、使用整合情境和评估情境所构成的一个连续体。整合学习活动是本案例的设计重点，主要是从其三要素：物质支持工具、信息、命令来展开设计，该案例将物质支持工具和信息整合在资料中，即物体、背景、信息、功能、信息等。
虚拟实验教学目标：为了了解食品添加剂知识，学习者进入了一个三维虚拟的超市进行选购食品，学习者可以根据以下资料，了解食品中含有哪些添加剂？推断食品添加剂对人身体有哪些影响？以及计算出人一天食品添加剂最高剂量是多少？
资料1：选购商品情境，如图4。
资料2：介绍食品添加剂情境，如图5。
命令1：完成购物报告，如图6。
命令2：完成虚拟实验，如图7。
命令3：完成实验报告，如图8。
命令4：完成添加剂重新选购，如图9。
通过以上整合学习活动后，学习者将传统学习而来或自有的经验知识整合到复杂的情境中，进行自主学习，该虚拟实验提供了物质的支持工具和信息，教师处于支持或辅导的地位，学习者被生动、自然、复杂的情境所吸引，目标指向虚拟实验的核心知识，完成指定的命令任务。
②“轻游戏”化探究学习阶段
尚俊杰等【22】对“轻游戏”的界定为“轻游戏=教育软件+主流游戏”，认为它首先是一个教育软件，并追求主流游戏的内在特征，如挑战、好奇、控制、目标、竞争、合作等，以此平衡游戏的教育性和游戏性。本虚拟实验的设计遵循“轻游戏”的设计思想，将虚拟实验设计成模拟类游戏。第一，本游戏化虚拟实验具有模拟仿真性，学习者进入的“添u加C”食品超市，其中的人物、货物、货架、标签、背景、音效等完全仿真现实超市。第二，本游戏化虚拟实验具有“轻游戏”元素设计，如情境、系统帮助、导航、虚拟实验关卡逐级递增等。第三，本游戏化虚拟实验具有真实并可完成的任务，学习者在挑选自己喜欢食品时，会出现该商品包括添加剂的情况等信息，这时适时对学习者进行添加剂知识的介绍，而学习者在离开超市前得完成添加剂知识的实验报告和虚拟实验，之后会让学习者重新选择食品的数量和种类。这样的设计是让学习者在知道、了解、掌握、应用食品添加剂的学习过程中，完成探究学习活动，教师或本虚拟实验设计者自始至终处于整合情境的发起地位，学习者主动思考、积极参与、探索食品添加剂知识成为本虚拟实验的重点。
③总结分享阶段
总结分享是一般虚拟实验的应用阶段，本虚拟实验要求学生在完成整合学习活动和“轻游戏”化探究学习后，完成食品添加剂的知识巩固练习，并在退出虚拟实验前在工艺宣传栏中填写自己对食品添加剂的宣传语，分享游戏化虚拟实验的学习心得体会，效果如图10、11所示。
2 模块设计与实现
本虚拟实验仿照了现代超市模式，按照功能进行区分，主要有购物中心、服务中心、支付中心、帮助中心。依次是对食品添加剂的了解、学习、反馈和巩固四个阶段。
（1）购物中心：是对食品添加剂的初步了解阶段。它模拟现代超市购物环境，通过键盘方向键来控制购物车的运动，按照食品的分类主要有五大区域：生鲜蔬果区、休闲食品区、粮油调味区、酒饮冲调区、营养健康区，选购时能显示食品名称、所含添加剂、原料、保质期、生产日期等信息，购物中显示购物清单，结束购物时得出购物报告，告知是否购买的食品添加剂超出国家标准。
（2）服务中心：是以食品添加剂学习和实验阶段，主要分为添加剂原理实验、剂量对比实验、添加剂案例三个部分。通过这样的实验，一方面深刻理解添加剂的功能与副作用，另一方面加强青少年动手能力。离开服务中心时，得出实验报告，告知在该中心做了哪些实验，并得出实验结论。
（3）支付中心：是以对食晶添加剂学习的反馈和巩固阶段。由于之前在服务中心的学习，会对食品添加剂有了一些队识，因此在支付报告中，学习者可以再次决定哪些食品是否要购买，以及购买的数量，还包括有奖测验和公益宣传两个模块。
（4）帮助中心：主要包括课件导航地图和添加剂知以帮助，主要是帮助青少年更好地了解该虚拟实验室的结构及操作及其对各种添加剂的认识。
本虚拟实验经过反复的调试，实现了在整个超市各个中心的数据传递，用Asp连接Access数据库，按照数据结构来组织、存储和管理数据，完善地管理各种数据库对象.实现登录注册页而、购物清单和公益宣传等数据的传递。
五 结束语
本文通过文献调研、设计机理与模式的提炼、案例的设计开发等研究，提出了基于整合情境的游戏化虚拟实验模式，并将此模式进行了初步的应用。实践证明该虚拟实验模式具有很好的艺术性、娱乐性，能很好地将虚拟实验与轻游戏化体验结合起来，能吸引学习者进入虚拟实验过程，有一定的保持吸引的作用，并能保持沉浸效果，对于学习者探究能力和合作能力的培养有一定促进效果。但是，由于研究条件和时间的限制，本研究还存在很多的局限，如案例设计和开发内容有待进一步深入，设计策略不详尽，交互设计何待改进等。我们将在后续研究中，将对该模式进行实验研究，通过数据统计和分析出该模式在维持学习者动机、学习效果、探究认知等方面的情况，为实现吸引学习者并保持沉浸感的虚拟实验进行更深入研究。
虚拟实验设计论文范文5
光通信技术是当今信息技术领域的前沿与支撑技术之一。2013年，国务院颁布“宽带中国”计划，进一步提升了光通信技术在国家发展战略中的地位。简言之，光通信技术是光纤技术与通信技术的综合体，它具有高速、大容量的优点，但亦存在高成本、高复杂度和多学科交叉的特点。这成为该门课程实践教学开展的主要困难。而且，对于省属地方高等院校，同时面临生源基数大、实验教学经费短缺、设备更新缓慢等难题，使得该问题更加凸显。为缓解这一问题所带来的影响，基于专业光通信仿真软件，引入虚拟实验教学时必然趋势。
一、虚拟实验教学改革的背景与意义
作者所在的黑龙江大学电子工程学院，《光通信技术》实验需为两个本科专业（光电子技术系和通信工程系）学生（约180人/年）提供课程资源。原有《光通信技术》包含“光纤低损耗熔接”“光纤纤芯分布测量”“光纤微弯损耗测量”“光时域分布反射测量”和“可视光通信传输系统演示”5个基础专业实验，仅能覆盖《光纤技术》和《光通信技术》两门专业必修课程的实验教学任务，学生缺乏对“光电子器件”应用的认知。而且，光纤与光通信技术是本专业最重要的两个研究方向之一，是专业学生就业与求学的主要支撑技术。近10年来，光通信技术在“光传输”“光交换”“光接入”和“可见光电力线通信”等领域高速发展。然而，现有实验教学设备多购置于2001年，部分已陈旧、老化。与此同时，面临教学经费不足，设备台套数有限，仪器价格昂贵，由于普通高校扩招导致生源剧增的双重压力，对应的实验内容无法得到更新，课程讲授内容与实验教学脱节，学生学习兴趣低下。
图1 原有专业基础实验方案
与之相比，专业仿真软件具有价格低廉，覆盖领域广，专业性强，灵活性、操作性好等系列优点，可实现光放大器设计，光电转换器件测试，多光通信系统实时在线模拟等功能，与本专业光纤技术、光电器件与检测、光通信技术课程内容吻合。鉴于此，将虚拟实验与原有的专业实验相结合，以专业实验为基础，虚拟实验为进阶，二者相互补充、取长补短，将可有效缓解专业实验教学中所面临的困难。
二、虚拟实验教学改革的具体实施方法
（一）方案设计与实验室建设
1.保留原有的“光纤低损耗熔接”“光纤纤芯分布测量”“光纤微弯损耗测量”作为基础实验，删除“光时域分布反射测量”和“可视光通信传输系统演示”两个实验，节省6学时的课程资源。
2.开设“光通信仿真设计”课程设计，以虚拟实验教学方式提高学生对于“光通信系统架构”“光纤放大器设计”“光电子器件工作特性”的掌握能力。课程设计采用机房集中教学模式，包含“光发射机/光接收机的实现”，“误码率与质量因子评价”“色散补偿特性测试”“光放大器性能优化”“格式生成与转换”五个模块，共计32学时。其中，讲授学时8学时，实验学时24学时，第一、二模块为必选，后三个模块至少任选其一。
3.将原有机房进行升级与改造，新购置计算机50台套，服务器1台套，投影教学设备1台套。更新原有网络布线与系统，实现教师与学生互动能力，提升学生间的交互学习能力，改善学生个人的实验学习平台环境。购置专业光通信仿真软件OptiSystem（12.0版）1套，可同时满足30人在线仿真需求。
图2 虚拟实验设计方案
（二）虚拟实验教学实施方法
在实际的教学过程中，该门课程对于光电子技术专业学生（年均60人）为必修课程，分成2个教学班级循环教学；对于通信工程专业学生为选修课程，根据以往统计，选修课程人员约60―80人，亦分成2个教学班级循环教学。除讲授8学时外，学生需在2周内完成24实验学时，教学资源采用开放模式提供，学生可自行安排学习时间，学时计算由智能管理系统完成。教学模式除课上教学、实验外，还包括师生在线交流与在线答疑。课程考试采用报告模式提交，3人一组，需分工明确，格式统一，数据与分析清楚有效。
图3 虚拟实验教学的实施与执行
三、效果与评价
对于通信工程专业，该门课程设置在第六学期，需学习前期的光纤基础实验。对于光电子技术专业，该门课程设置在第七学期。作为中间环节，他是专业实验的进阶，同时作为本科毕业设计的前期训练，起到承上启下作用。运行一年来，效果显著。主要体现在：（1）增加了实验教学资源，缓解了实验设备台套数少的困难，提升了学生的实践实训能力；（2）完成了课堂教学与实验教学的完整对接，教学内容与深度得到进一步提升；（3）激发学生学习兴趣，为教师的科学研究提供有效辅助。截至2014年12月，已有11名专业学生参与到教师的科研团队中，并在光通信设计领域发表EI检索科研论文3篇，申报发明专利1项，获授权实用新型专利2项，获批省级、校级创新创业课题2项。
虚拟实验设计论文范文6
1.1改革实验内容，增加综合性、创新性实验，激发学习兴趣
仪器分析实验主要分为：验证性、设计性和综合性三大类．原先我们开设的实验主要偏重于验证性，内容也比较陈旧，我们根据现实情况做了以下改进．
1.1.1压缩验证性实验
为了培养学生的创造思维，打破传统的重理论轻实践的观念，充分调动学生学习积极性，本着强化动手、动脑能力及学生创新能力的培养，压缩了验证性实验的学时数，现开出验证性实验12学时，综合性实验14学时，设计创新性实验项目6学时．
1.1.2增加贴近生活的实验
增加了密切联系实际、贴近生活的实验项目，如奶粉中三聚氰胺含量的测定、地沟油中脂肪酸类的测定、湖泊水样中重金属铜、镉含量的测定等与健康、环境密切相关的问题．如我们让学生检测长江水样中重金属铜的含量，并让其进行评价，从采样、样品的保存和处理及测定全程让学生亲自参与，并要求学生将测定结果与国家标准对照，让其分析评价所采水样是否达标，从好奇心出发激发学生对实验的兴趣，让学生充分发挥主观能动性，增强学生动手能力和操作技能，培育学生的社会责任心和创新能力．
1.2利用现代教学手段，提高实验教学效果
由于分析仪器存在原理抽象、结构复杂、课堂教学与实验脱节等问题，在仪器分析实验的教学中借助多媒体技术可以降低学习难度，突破教学难点，加深学生对基本理论、仪器结构和微观过程的理解，使抽象的内容具体化，复杂的内容简单化．在光学分析实验中，我们比较了紫外—可见吸收分光光度计和荧光光谱仪的结构，将这两种仪器的结构流程图、各元件内部结构和测试原理通过多媒体图片向同学们讲解，使学生掌握了荧光光谱仪的光源与检测器成直角型，而紫外—可见吸收分光光度计的光源与检测器成直线型，同时还比较了它们在单色器方面的差异．又比如质谱仪、核磁共振波谱仪和毛细管电泳等学校暂时没有的仪器，采用虚拟仿真实验的方式，通过多媒体课件让学生观看了解这些仪器的结构流程、各部件的作用、操作规程等，弥补了大型仪器不足的问题．多媒体技术图、文、声、像并茂，生动活泼，可以化静为动、化虚为实、化抽象为直观，具有表现形式多样化、感染力和吸引力强等优点，能激发学生兴趣，活跃思维，显著提高了实验教学效果．
1.3完善考核办法，激发学生学习积极性
实验考核是研讨教学规律、检查教学质量、改革教学内容及方法的重要依据，是实验教学成功的有力保障．科学的考核手段可以提高学生学习的积极性和主动性，引导学生向良好的方向发展．为此，我们根据仪器分析实验课程特点，制定了能客观反映学生综合素质的多元实验考核办法：平时成绩与期末考试成绩相结合的方法，期末考试包括理论笔试和实验操作技能．具体办法如下：
（1）平时成绩为60%，主要包括：实验预习、实验操作、原始数据记录、实验作风、数据结果处理及误差等．实验报告强调实验步骤描述的准确性、书写的规范性；实验结果和数据要与原始实验记录的一致性；
（2）理论考试为20%，对实验涉及的分析仪器的原理、结构、使用对象及条件进行考核；
（3）操作考试为20%，在事先出好的10套操作测试题中由学生抽签决定实验项目，在给定时间内独立完成实验，改变传统“照方抓药”的实验方式，培养学生分析、解决问题和综合运用知识的能力，以考代学，有效提高了学习效果．
1.4加大实验室开放力度，培养学生的创新思维和科研素养
为适应新的人才培养目标要求，激活学生创新潜能，强化学生创新思维、创新能力的发展，我们加大了实验室大型仪器向不同层次学生开放的力度，完善了开放实验室管理条例．其中，开放实验主要分为两种形式．
1.4.1设计型实验
鼓励学生在掌握基本实验技能的基础上，完成自己感兴趣的设计型实验．设计型实验一般由老师列出相应实验题目供学生选择，学生根据自己兴趣选定一个题目后查阅资料．以“三峡库区水样中有机污染物荧光光谱特性”这一实验为例，实验老师首先向同学们讲解实验设计的基本原则和要求，培养学生查阅资料能力．学生根据老师提出的实验设计理念查阅相关文献写出实验方案，经与指导老师讨论并经指导老师审查和验收合格后利用课余时间进行实验．学生可通过自由组合的方式成立实验团队，统筹安排好实验仪器和试剂，实验过程中尽量体现学生的自主性，对实验中所产生的问题要求及时记录并想办法解决，最后写出实验报告．实验完成后，指导老师及时的组织同学们进行交流总结，升华同学们的研究性学习成果．
1.4.2科研型实验
让专业知识扎实、操作技能娴熟的同学参与相关教师的科研课题和课外科技活动项目（如大学生创新性实验项目，“挑战杯”等），整个实验以学生为主，教师为辅．实验室在时间和空间上为学生提供宽松的学术环境和氛围，目的是让学生了解本学科的科学前沿，引导学生去思考问题，以增强学生求知欲，培养他们的创新能力和科研素养．如教师结合其研究成果，开设了科研型实验项目“磁性四氧化三铁用于环境水样中亚甲基蓝的吸附研究”．实验需应用共沉淀法制备纳米材料，并研究其对水样中亚甲基蓝的吸附等．要求学生通过文献查阅了解纳米材料的主要化学制备技术，重点掌握共沉淀法；研究纳米材料对染料亚甲基蓝的吸附性能并熟悉紫外—可见分光光度计、红外光谱仪等仪器的原理和操作技能．学生通过查阅文献，设计方案，独立实验及论文写作，把所学的理论、实践及相关知识综合运用，使学生的知识、能力和素质三者融合发展，充分发挥学生的创造性和积极性；加强师生间的沟通，培养了学生提出问题、分析问题、解决问题的能力和创新思维及科研素养．学期末教学质量调查结果显示学生普遍对此类实验具有浓厚兴趣，学生的实验研究兴趣和动手能力均得到了提高．
2结语
