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【中圖分類號】G420【文獻標識碼】A 【論文編號】1009―8097(2010)06―0132―03
一 引言
模擬仿真實驗作為計算機用于教學的一種基本模式,在教學中有著廣泛的應用前景。它既適合于在教師指導下課
堂教學,也適合于學習者進行探究式自主學習和協(xié)作學習。本課題在認真研究已有模擬仿真實驗基礎上,發(fā)現(xiàn)實驗構建中的模型創(chuàng)建和教學設計存在一些普遍問題,表現(xiàn)在抽象模型,交互性、針對現(xiàn)象反饋和教學性能方面。我們所開發(fā)的模擬物理實驗系統(tǒng),正確地運用了建構主義學習理論,實現(xiàn)了一個全新的面向學習者的學習環(huán)境。
二 模擬仿真實驗
模擬是指在交互控制狀態(tài)下,對某種現(xiàn)象或過程進行表現(xiàn)和展示。按照所要表現(xiàn)的現(xiàn)象,可以把模擬分為兩大類四種情況:物理現(xiàn)象和過程變化的模擬;程序性和情形性的模擬。在計算機輔助真實現(xiàn)象的模擬教學模式中,物理現(xiàn)象的模擬是將一個真實的現(xiàn)象或過程的某種規(guī)律在屏幕上表現(xiàn)出來,以供學習者去學習和研究,如表現(xiàn)光線通過透鏡的成像規(guī)律,光線通過棱鏡的傳播等問題。過程變化的模擬,通常是為學習者說明解釋一個不會明顯表現(xiàn)出來的過程及難以理解的概念所進行的模擬。這兩種模擬一般是不可人為隨意干預或參與的。第二類情況中,大多數(shù)程序性模擬是為了教授一個構成過程的行為或動作順序,它的主要特點是有一個或更多的步驟序列,以供學習者學習或訓練。情形性模擬是在不同的情形下,涉及人的態(tài)度而非技能行為,不像程序性模擬要教一系列規(guī)則,而是展示允許學習者針對某種情形探索,用不同方法或扮演不同的角色時,所產(chǎn)生的影響并實時地表現(xiàn)出來。其中物理現(xiàn)象和過程變化的模擬,最常見的一種就是模擬仿真實驗。
三 模擬仿真實驗設計
隨著信息技術的發(fā)展,人們可以模擬出自然界發(fā)生的各種現(xiàn)象和過程,并實時地加以顯示。在所建立的模擬實驗教學情境中,不但能夠實現(xiàn)隨時觀察到與實際實驗相同的現(xiàn)象或結果,還可以清楚地觀察到實驗發(fā)生和現(xiàn)象演變的過程、擴大或縮小觀察空間、減慢或加快時間上的控制等,還可在有效的范圍內方便地改變某些條件、參數(shù)或儀器進行對比實驗,隨時觸發(fā)對當前狀態(tài)的說明解釋。將其用于教學中將極大地引起學習者的學習興趣,大大提高教學和學習過程的效率,使抽象的概念、規(guī)則和原理變得簡單易學。同時可以做到及時糾正實驗中所犯的錯誤,絕對避免了在實際實驗環(huán)境中可能帶來的可怕后果。
那么,在設計模擬仿真實驗時,要充分考慮其教學設計,以建構主義學習理論作為指導,結合物理現(xiàn)象的特點,建立以計算機模擬物理實驗和對實驗進行分析的學習情境。模擬仿真實驗設計目標,能夠在交互控制下實現(xiàn)對現(xiàn)象、過程、內部機制和原理等內容的展示,易于學習者對系統(tǒng)的運動狀態(tài)、變化過程、受外部條件的影響、概率特性和響應特性等進行觀察思考和分析研究。
1 設計要求
為了方便教師或學習者自身在所創(chuàng)設的情境中,啟發(fā)、誘導或學習者之間通過協(xié)作學習的過程,進行討論和探究來完成意義建構,在探索的環(huán)境和氣氛中實現(xiàn)有目的學習[2]。設計要能夠完全反映真實現(xiàn)象的整個過程,包括儀器設備、裝置及所呈現(xiàn)的現(xiàn)象顯示逼真,模擬過程科學、結果真實、數(shù)據(jù)可靠等。能夠對實驗現(xiàn)象的展示進行多次重復,以利于對現(xiàn)象的規(guī)律、規(guī)則、理論進行詳細深入的探索和研究。能夠實現(xiàn)智能化的模擬仿真,讓學習者觀察到實際實驗中難以或根本觀察不到的實驗發(fā)生過程和微觀內部機制,并通過形象的表現(xiàn)揭示其中內涵、規(guī)律;實現(xiàn)對某些實驗的人為控制,能夠瞬間觀察感興趣的現(xiàn)象或量值;可以把隱藏在現(xiàn)象背后的實質問題突出地展示出來;通過改變實驗條件、參數(shù)或儀器進行對照類比等。這對于學習者理解抽象的概念、掌握或探索有關的規(guī)則、定理或定律會起到非常關鍵的作用。
2 實驗設計
根據(jù)模擬實驗的特點和教學性能設計目標,可以將實驗的結構和流程設計成介紹部分、呈現(xiàn)現(xiàn)象、交互活動、系統(tǒng)修改、系統(tǒng)反饋和結束。為了便于說明和設計,這里主要從以下幾個方面討論實驗設計中所涉及的問題。
(1)實驗說明與幫助
說明包括本專題的教學意圖、演示項目和教學建議的總的扼要文字說明、使用與操作指導,其作用在于避免學習者盲目進行操作或對學習過程不知所措;幫助應實現(xiàn)在線幫助,即在實驗過程中可以隨時激活、瀏覽一個幫助窗口,提醒學習者對現(xiàn)象進行特別提示和探究引導。例如,在單擺實驗中使用指導提示和教學建議提示。
(2)基本模型確定
模擬實驗基本模型,是從真實實驗抽象出關鍵的要素,能夠用計算機編程實現(xiàn)模擬的首要一步。建立模型要有足夠的精度。在設計時重點應抓住實驗中最本質的東西,而把非本質的東西盡可能去掉,又不影響反映實驗現(xiàn)象本質的真實程度。例如模擬物理實驗系統(tǒng)中在確定單擺實驗模型時,只考慮擺長和重力加速度對單擺周期的影響,而忽略空氣阻力的作用;只考慮擺線長度,擺球質量及實驗地點的變化,而忽略具體變化擺線長度的調節(jié)過程,擺球質量的稱量過程和實驗地點的轉移過程。擺動過程中的數(shù)據(jù)調節(jié)范圍足以表現(xiàn)其運動規(guī)律,擺線長度的變化范圍在35cm-106cm之間(地面上擺的擺長約99.4cm),利用滑塊變化技術即時調節(jié)擺長;擺球質量有20g、30g、40g、50g幾種。地點有柏林、北京、新加坡、月球等可供選擇。每次變化擺長、質量、地點進行實驗所得的數(shù)據(jù),完全按照單擺周期公式反映了對周期的影響。真實單擺實驗的擺球運動軌跡是弧形的,其擺動過程是連續(xù)的,而模擬擺動實驗卻是跳躍的、間斷的,但在計算機程序代碼運行時利用了人的視覺反應時間,完全可以較逼真地模擬出連續(xù)的效果[1]。
模型要盡量簡單。模型的構造是為了計算機編程實現(xiàn)上的考慮,對所要模擬的現(xiàn)象應從持續(xù)性、分立性和邏輯性方面進行數(shù)學抽象。持續(xù)性是指在視覺反應期間能對模擬現(xiàn)象的連續(xù)變化的描述;分立性是指通過一些分立的量來表現(xiàn)現(xiàn)象的某種規(guī)律或規(guī)則;邏輯性是指對模擬現(xiàn)象表現(xiàn)過程的邏輯方面的考慮。這里的持續(xù)性、分立性和邏輯性,在整個模式構造中要既分開獨立找到特有影響因素或相關量,又要統(tǒng)籌考慮對現(xiàn)象整體效果的影響。在模型中既要考慮模擬現(xiàn)象自身的特性,又要考慮與學習者進行實驗控制操作有關的交互性,涉及到的因素有:模擬中的每個對象、每一個物理量;所遵從的規(guī)律規(guī)則;現(xiàn)象的精確性;實現(xiàn)的順序;幾種解決方案;時間幀;學習者的角色扮演等。在模型確立過程中,要嚴格地按照科學規(guī)律進行設計,同時要注意模擬現(xiàn)象對條件的要求,在何條件下成立,何條件下不成立要明確。如模擬物理實驗系統(tǒng)中,物距與像距是相對透鏡光心而言的,只要物距和像距的調整范圍能夠表現(xiàn)出成像位置及大小的變化規(guī)律即可,無需由于變化透鏡位置給實驗設計及測量帶來麻煩和不便。基于這樣的考慮,要求透鏡固定放在60厘米處,對于焦距是10、15、20厘米來講,物的放置范圍在060厘米之間,物可放在此區(qū)間的任何位置,屏在0110厘米的區(qū)間內通過任意移動,來找到清晰成像的位置及觀察像的大小變化,從而表現(xiàn)出物距u、像距v和焦距f間的位置對應關系及物像大小的變化規(guī)律等。設計時的數(shù)學抽象既簡單又有效,在現(xiàn)象的表現(xiàn)中既涉及到持續(xù)性、分立性,又涉及到邏輯性。
(3)模型建立步驟
在明確實驗設計目標基礎上,對實驗進行認真研究,確定主要變量;找出實驗中的各種內部聯(lián)系和關系;確定實驗約束條件;根據(jù)有關學科規(guī)定使用符號或代號;簡化和檢查實驗模型,看它是否可以表現(xiàn)出真實的實驗現(xiàn)象。
3 實驗現(xiàn)象顯示
把模擬現(xiàn)象真實表現(xiàn)出來,既要考慮讓學習者看見的,又要考慮聽見的,同時注意所表現(xiàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的可靠性。在這一階段,首先應明確要表現(xiàn)的主題是為了觀察現(xiàn)象,還是為了說明某個概念。一般情況下,物理模擬主題,通常是觀察現(xiàn)象或通過現(xiàn)象總結出某種規(guī)律。情形性模擬主題,通常要說明某種概念;而程序性和過程模擬通常兩者都包括。其次考慮模擬中項目或儀器的選擇,操作對象,對事件作出的反應,對現(xiàn)象某種規(guī)律的有效觀察等等。另外應考慮模擬表現(xiàn)上的真實性,這就需要充分利用計算機技術,做到生動、直觀、形象真實。如真實摩擦力實驗中,摩擦力不是直接看到的,而在模擬實驗中卻可顯示任一瞬間摩擦力的大小和方向;在彈簧振子的簡諧振動實驗中,學習者可觀察到位移、回復力、速度、加速度矢量隨振動而周期性變化的情況,并可顯示任一位置的位移、回復力、速度、加速度的數(shù)值;在自由落體運動實驗中,類似于閃光照相技術,提供了每隔1/30秒在落體瞬時位置打點的方法,直觀展示出在相同時間間隔內,落體的位移變化情況,同時將數(shù)據(jù)記錄在表格中,以利進一步研究和計算;在楞次定律的真實實驗中,磁感線是不能直接觀察到的,但在模擬物理實驗中則根據(jù)需要讓學習者生動、形象地觀察到磁感線的疏密、方向的變化。為了達到實驗的準確性,在動畫設計上應采用定時處理,既做到模擬的實驗現(xiàn)象與實際的現(xiàn)象相一致,又做到模擬的過程與實際的過程相一致。同時注意動畫的演示不要因機器速度的不同而發(fā)生畸變。有些現(xiàn)象專門為其具有教學性能而展示。
4 交互性設計
模擬實驗設計中的交互控制,主要體現(xiàn)在學習者與模擬事件的交互性作用上,模擬的交互性越強,越真實有效,越具吸引力。模擬實驗有別于一般演示實驗,體現(xiàn)在它具有較強的交互性,主要反映在用戶對各種參數(shù)的選擇、設定和調節(jié)上或儀器的選用上,實現(xiàn)在有效合理范圍內方便地改變參數(shù)或儀器等進行對比實驗?？杀憩F(xiàn)在系統(tǒng)中的角度、位置、速度、溫度等幾何和物理參量變化上,也包括選擇物理模型、樣式或樣品、條件等,還應包括觀察角度、畫面顯示狀態(tài)、計算步長等等。如模擬物理實驗系統(tǒng)中,在交互性方面體現(xiàn)在:可將物、透鏡和屏拖動至光具座的相應位置上,且可對相互位置關系正確與否作出判斷與提示。物和屏可分別放在各自區(qū)間內任意移動,使學習者清楚地觀察到物距與像距、物與像大小的對應關系與規(guī)律。同時允許學習者隨時更換或調節(jié)透鏡焦距和物的大小,這些教學性能給教師的講解和學習者的學習提供了更多的可變參數(shù),便于對問題的深入研究探討。
控制功能要靈活方便,設計時注意參數(shù)的調節(jié)過程和參數(shù)的顯示,要比較直觀、方便、快捷。交互形式最常用的是鍵盤、鼠標、觸摸屏、光筆和語音等。因為學習者的參與主要靠靈活方便的控制來實現(xiàn),通過提供一定的實驗控制或選擇條件,將有利于學習者的進一步鉆研和知識的拓寬[3]。
5 顯示與反饋
當對模擬系統(tǒng)進行某種操作后,系統(tǒng)應給出相應的反饋,這種反饋可以是自然的,也可以是人為的。所謂自然反饋是類似于可能發(fā)生的事,人為反饋是類似于個別指導或練習模式中給出的相應提示或結論性信息,如對當前狀態(tài)的說明解釋。對于前一類情況,應能隨時顯示改變參數(shù)后的實驗結果,即可以實時繪制與顯示。如當物距、物大小、透鏡焦距及屏位置中,只要有一個量發(fā)生變化,屏上所接到的光斑或像就隨之變化。另外考慮提供多種顯示方式,如截面、二維或三維表現(xiàn)等;可調顯示參數(shù),如投影角度、比例、顯示范圍等,體現(xiàn)出顯示的多樣性、可調性。如模擬物理實驗系統(tǒng)中除了在屏上觀察像外,可隨時激活圖標顯示正面畫面,滿足學習者從不同角度進行觀察。這將有利于學習者對同一現(xiàn)象的觀察與思考,能從不同的側面、角度進行全面的觀察與分析比較,經(jīng)過探究而得出結論。
四 模擬仿真實驗教學應用
對于模擬仿真實驗系統(tǒng),它既適用于教師課堂進行教學,也適用于學習者自己進行探究式學習。教師利用這種特定實驗情境,啟發(fā)學習者主動探討研究,完全像做實驗一樣歸納和總結出相關的規(guī)律。利用情境或在情境中進行教學,能夠讓學習者參與進來,做到教師只是引導者而非講演者,更利于學習者主動進行學習。教師再也不會感到物理難教,一些原來單純利用黑板和演示不容易講得清楚的東西,現(xiàn)在在模擬實驗中實實在在地動態(tài)顯示出來,便于講解。從學習者角度也不會再感到物理難學,原來僅僅靠想象的抽象東西,現(xiàn)在活靈活現(xiàn)地出現(xiàn)在面前,你可以仔細觀察,反復實驗,經(jīng)過思考后得出結論。對學習者而言,完全可以獨立或與學習伙伴一起進行實驗,利用系統(tǒng)關鍵提示和解釋,實現(xiàn)探究學習。因此,利用這樣的模擬實驗開展教學,能夠大大激發(fā)學習者的求知欲,滿足學習者的探索欲,最大限度地發(fā)揮學習者的認知主體作用,讓學習回歸本體,就是實現(xiàn)學習者自主學習,不再是“被教會”。
五 結論
通過結合作者開發(fā)的模擬物理實驗系統(tǒng)項目設計與實踐,文章探討了模擬仿真實驗設計及其教學設計的方法,由于不同學科有其自身的特點,在進行設計時應該根據(jù)實際情況進行具體處理,但總體目標都是要求實現(xiàn)隨時觀察到與實際實驗相同的現(xiàn)象或結果。歸納為以下幾點:(1)模型構建時要簡潔,抓住最基本要素,排除非本質的東西。(2)實驗要有很強交互性。(3)模擬過程要清晰、可重復。(4)模擬的結果要真實可信。(5)現(xiàn)象呈現(xiàn)時關鍵幀有說明解釋。(6)有學習指導和使用說明。這樣設計出來的模擬仿真實驗,在教學上有利于學習者的啟發(fā)式、探究式學習。隨著計算機技術不斷進步,計算機用于教育教學,特別是模擬實驗這種教學模式,必將在教學和學習中發(fā)揮愈來愈大的作用。
參考文獻
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關鍵詞：傳熱學 仿真實驗 探討
中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（b）-0040-02
1 實驗教學存在的問題
實驗教學是工科類專業(yè)素質教育的重要組成部分，是鞏固課堂所學知識、培養(yǎng)學生的科學研究方法、實驗基本技能以及創(chuàng)新能力的重要途徑。加強實驗教學改革有助于提升整體教學水平。實驗室硬件水平是開展教學實驗的基本保障，但由于人力、物力、財力的限制，實驗室硬件通常不能滿足實際教學需求。比如，實驗室缺乏必要的專業(yè)實驗設備導致教學計劃中的一些教學實驗無法順利開展，或者部分教學設備陳舊老化、數(shù)量嚴重不足，無法為每個學生提供全程動手操作的機會，另外某些專業(yè)實驗設備價格昂貴甚至實驗過程存在一定的危險性也導致許多學校在開設實驗項目時常常有所保留。有些實驗受到場地和課時限制，在規(guī)定的時間內無法完成實驗或實驗效果不理想，這些都直接影響了實驗課的教學效果。上述問題除了通過合理的實驗室建設和設備購置來解決外，還可借助現(xiàn)代計算機仿真技術開展仿真實驗教學來解決。
2 仿真實驗
仿真實驗是指在交互狀態(tài)下，借助編程軟件、多媒體、仿真等技術在計算機上營造可輔助、部分替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關軟硬件操作環(huán)境，學生可以像在真實環(huán)境一樣完成各種實驗項目，所得的結果甚至優(yōu)于實際實驗結果。仿真實驗具有很多的優(yōu)點它營造了多樣化的教學環(huán)境，能大大提高學生的學習興趣；將仿真實驗與網(wǎng)絡鏈接后，學生可以利用校園網(wǎng)進行實驗課程的學習，打破了傳統(tǒng)實驗教學時間和空間的限制；可以節(jié)省實驗經(jīng)費，實現(xiàn)多種實驗目的。
一些高等院校和企業(yè)開發(fā)了適用于不同專業(yè)、實現(xiàn)不同功能的實驗仿真軟件，促進了仿真實驗在工科實驗教學中的應用。如能實現(xiàn)離心泵測定、精餾、吸收等功能的化工原理仿真實驗、驗證電工基本定理的電工電子仿真實驗、大學物理仿真實驗、建筑工程仿真實訓系統(tǒng)等。在熱能與動力工程專業(yè)中有西安交通大學[1]開發(fā)的制冷過程多媒體演示與模擬教學實驗，浙江大學[2]開發(fā)的基于web的小型冷庫教學系統(tǒng)，東南大學[3]開發(fā)的制冷空調綜合創(chuàng)新模擬實驗平臺，長沙理工大學[4]開發(fā)的能夠實現(xiàn)二維穩(wěn)態(tài)導熱、豎壁附近自然對流換熱和輻射角計算3個虛擬實驗的傳熱學虛擬實驗等。這些仿真實驗借助計算機仿真技術，通過聲音、動畫、彩色圖像等豐富的表現(xiàn)力為學生提供了內容豐富、形象直觀的學習環(huán)境，充分調動了學生的學習積極性，取得了較好的教學效果。
3 傳熱學仿真實驗
傳熱學實驗教學是熱能與動力工程專業(yè)的專業(yè)基礎課實驗教學，與傳熱學理論課程互為補充，是課堂理論教學的繼續(xù)和深化，對于培養(yǎng)學生的解決工程實際問題能力和研究開發(fā)能力具有重要的作用。在傳熱學教學中引入仿真實驗，是為了更好地完成大綱中規(guī)定而實際無條件實現(xiàn)的實驗項目和內容。以我校熱能與動力工程專業(yè)為例，目前本專業(yè)傳熱學實驗內容主要包括隔熱材料導熱系數(shù)測量（10臺）、外掠管束對流傳熱系數(shù)測量（2臺）、換熱器性能測試（3臺）等。實驗內容相對較少且實驗臺數(shù)量太少遠遠不能滿足實際需要，導致實驗過程中無法保證每個同學的實際動手操作。另外，因實驗設備使用過于頻繁導致其老化加快，實驗中就曾出現(xiàn)因設備部件故障而無法繼續(xù)實驗的情況，如換熱器性能實驗中因熱電偶出錯影響了實驗的順利進行。因此，在不能保證足夠實驗設備數(shù)量前提下，借助計算機仿真實驗來輔助傳熱學實驗教學不僅能擴展本專業(yè)實驗教學內容，還能幫助學生深入了解實驗原理，保證實驗的順利進行。
3.1 傳熱學仿真實驗介紹
根據(jù)傳熱學實驗教學內容和目標，我們對現(xiàn)有的硬件實驗設備進行了綜合分析，確定了這些設備能夠開展的實驗內容，把無法開展的實驗內容用計算機仿真實驗來代替。為此，我們開發(fā)了一套傳熱學實驗仿真軟件，下面就此軟件進行介紹。
傳熱學實驗仿真軟件采用的開發(fā)工具為Visual Basic 6.0軟件，該軟件可以很方便地實現(xiàn)用戶界面、菜單、操作按鈕和工具條的制作，能夠完成實驗過程需要的原理演示、實驗裝置構成顯示、閥門開關與開度調節(jié)、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理、實驗幫助等功能，開發(fā)的軟件用戶容易上手，使用起來很方便。圖1為其中的水平圓管壁面自然對流傳熱關聯(lián)式仿真實驗主界面。界面主要由標題欄、狀態(tài)條、實驗設備、操作按鈕組成。點擊操作按鈕可以實現(xiàn)加熱器的電壓調節(jié)，可以查看并學習實驗指導書的相關內容，還可以查看實驗過程中的換熱量和溫度參數(shù)的動態(tài)變化情況以及確定讀取實驗數(shù)據(jù)。
傳熱學實驗仿真軟件的功能是能實現(xiàn)圓球法測導熱系數(shù)實驗、二維導熱溫度場的數(shù)值計算、非穩(wěn)態(tài)導熱溫度場的數(shù)值計算、水平圓管壁面自然對流傳熱關聯(lián)式實驗、中溫輻射物體黑度測試和換熱器性能測試實驗等6項實驗內容。與實驗室現(xiàn)有的硬件實驗教學設備形成互補后，基本上涵蓋了包括導熱、對流、輻射和換熱器在內的所有傳熱學實驗內容。
傳熱學實驗仿真軟件采用模塊化建模，開發(fā)過程中，將每部分實驗內容作為一個單獨模塊。每個模塊中除了包括實驗臺系統(tǒng)動畫圖形外，還包括實驗目的、實驗原理、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理方法和思考題等內容。開發(fā)過程中采用了動態(tài)模擬技術，實驗過程中的實驗參數(shù)可以實現(xiàn)動態(tài)即時顯示，使模擬實驗更貼近于實際情形，學生可根據(jù)參數(shù)的動態(tài)變化隨時了解實驗進行情況并判斷數(shù)據(jù)讀取的時機。由于該仿真軟件詳細地介紹了每個實驗的原理、內容、操作步驟、數(shù)據(jù)處理等內容，所以它也可作為傳熱學實驗的系統(tǒng)學習工具使用。
3.2 仿真實驗教學效果
通過使用該傳熱學實驗仿真軟件，取得了較好的實驗教學效果。首先，該傳熱學實驗仿真軟件能夠實現(xiàn)因缺少相關實驗室硬件而無法進行的實驗項目，完成了傳熱學實驗教學大綱規(guī)定的教學內容。學生使用后，加深了對數(shù)值計算、對流傳熱、輻射、換熱器性能等實驗涉及的理論和實驗測試內容的理解，豐富了學生的傳熱學實驗實踐，實現(xiàn)了學生對傳熱學知識的全面學習和理解。
其次，由于實驗形式新穎，加上界面設計友好，學生學習興趣較高，實驗后普遍反映對所進行的實驗尤其是原理和數(shù)據(jù)處理等相關內容有了更全面和深刻的了解。另外，由于該仿真軟件具有完善的用戶幫助功能，且可以直接在Blackboard教學平臺上進行操作，學生實驗時不受實驗時間和空間限制，也可多次進行，使用起來相當方便，效果較好。
為了取得更好的教學效果，未來將在該傳熱學實驗仿真軟件中進一步增加測試與評分模塊，實現(xiàn)用戶仿真實驗效果的即時測試與打分。還將在該實驗仿真軟件中增加更多的動態(tài)模擬內容，使其更喜迎并方便用戶使用。
4 結論
針對現(xiàn)有實驗教學中存在的問題，本文探討了計算機仿真在實驗教學中的應用，分析了仿真實驗的優(yōu)點。對我們開發(fā)的一套傳熱學實驗仿真仿真軟件進行了介紹，并概括描述了仿真實驗的教學效果。
參考文獻
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系統(tǒng)將根據(jù)用戶的操作給出相應的評價
后臺功能通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將前臺和后臺系統(tǒng)有機連接，后臺系統(tǒng)可對前臺系統(tǒng)中的信息進行管理。（1）信息管理：管理員對平臺中的文章及資源進行修改及更新操作。（2）用戶管理：對注冊用戶及內部用戶信息進行管理。（3）題庫管理：對現(xiàn)有題庫進行管理，包括添加、修改、刪除。（4）系統(tǒng)管理：對課程主體模塊進行設置，添加或刪除菜單選項。（5）虛擬實驗管理：對實驗模塊進行管理，包括添加、刪除。數(shù)據(jù)庫的設計與實現(xiàn)對于一個系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)庫的設計與實現(xiàn)非常重要。本系統(tǒng)主要涉及的表有用戶表、文章目錄表、文章表、題庫表、虛擬實驗表；在本系統(tǒng)中，比較有特色的設計是文章目錄表和虛擬實驗表。文章目錄表對于一個好文章系統(tǒng)設計來說，需要實現(xiàn)的功能為：（1）實現(xiàn)無限級分類。（2）實現(xiàn)無限級鏈接導航。（3）實現(xiàn)逐級分類下各條信息的查詢，包括最多瀏覽量、最多評論量、最新信息。（4）隨意轉移子分類到任何級別而不用修改分類下的信息表。（5）使用最少的參數(shù)得到所要的信息，URL參數(shù)最好只有一個。（6）不管多少級，只有一個ASPX文件實現(xiàn)類列表和各種方式的信息調用。在本課程平臺系統(tǒng)中，采用樹形的結構來構造目錄系統(tǒng)，通過root、depth、parent、left、right字段來設定文章所在的層次和對應的父目錄和子目錄。虛擬實驗表主要字段包括驗名稱、實驗介紹、所對應的鏈接。通過鏈接的方式來完成實驗的。
虛擬實驗開發(fā)實現(xiàn)
系統(tǒng)建設流程大致分為三個階段，即收集整理資料、建立三維實體模型、系統(tǒng)集成與功能開發(fā)。虛擬實驗詳細創(chuàng)建流程如圖一所示。收集整理資料收集各種實驗設備的照片及圖紙，進行分類，并用Photoshop進行預處理，包括調節(jié)自動對比度、裁剪等來達到實驗的需求。圖片可以采用單張圖片的方式，也可采用多通道的方式存儲。三維實體建模本系統(tǒng)使用三維建模軟件3DMAX進行建模、渲染、烘焙，然后使用VR-Platform(VR～Plat-form，三維互動仿真平臺是由深圳中視典數(shù)字科技有限公司獨立開發(fā)的三維虛擬現(xiàn)實平臺軟件)制作交互。課程實驗中主要場景模型是實驗設備、實驗器材作為各種碰撞障礙物，具體模型參數(shù)的設置是在考慮物體物理屬性，所以建模過程相對簡單。一些模型可以通過AUTOCAD圖紙導入后轉為三維模型方式；高級三維建模通常方法是建立基礎模型，如長方體、平面、圓柱體等，之后經(jīng)過對其加線、改線、添加修改器等一系列操作后，方可得到所需模型。模型建立完成后再進行相應的材質貼圖、添加燈光操作。進行較大型VR場景制作時，后期通常會對VR場景進行分批烘焙，分批導出操作，這時就需要對部分已烘焙的靜態(tài)模型進行導出。系統(tǒng)集成與功能開發(fā)在Max里完成以上操作后，就可以將場景導入VRP中進行交互功能設計了。VRP中進行漫游交互的制作。VRP具有人性化、易操作、所見即所得；高真實感、實時畫質；高教渲染引擎和良好的硬件兼容性；高精度碰撞檢測算法；豐富的特效；功能強大的實時材質編輯器；強大的界面編輯、獨立運行功能。系統(tǒng)優(yōu)化影響基于VRP的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)最終運行速度的三個因素為：VR場景模型的總面數(shù)量、VR場景模型的總個數(shù)和VR場景模型的總貼圖量。因此對系統(tǒng)的優(yōu)化主要從這三個方面進行。（1）場景模型的總面數(shù)：通過做簡模、刪除無用的面的方法來減少總面數(shù)。（2）VR場景模型總個數(shù)：將相同材質的物體進行合并，加快場景的加載時間和運行速度。（3）VR場景模型的總貼圖量：盡可能利用已有的貼圖減少貼圖量，將烘焙好的場景導入VRP編輯器之前將所有烘焙后的貼圖進行貼圖格式壓縮。
結束語
防竊電仿真實驗平臺就是基于以上的需求研制開發(fā)出來的防竊電技術研究實訓教學的平臺。本平臺設備采用計算機技術、仿真技術和虛擬負荷技術，實現(xiàn)需求側計量點防竊電仿真實驗。本裝置既能進行反竊電教學實驗，同時也能進行各種創(chuàng)新的防竊電實用實驗。
關鍵詞：防竊電 仿真技術 反竊電教學
1.引言
為了配合打擊竊電行為、降損節(jié)能、維護用電正常秩序，培訓中心需要對相關的專業(yè)人員進行理論和實際竊電的現(xiàn)場偵測技能的培訓。本文所述防竊電試驗平臺采用計算機技術、仿真技術和虛擬負荷技術，結合新型的智能電表（內部經(jīng)過改造）。實現(xiàn)培訓教學與生產(chǎn)實際操作的零距離銜接。本裝置既能進行竊電理論教學也能演示多種生產(chǎn)實際中的竊電手段，使裝置具備"教、學、練"等多層次的培訓功能。
2.平臺設計方案
防竊電仿真實驗平臺模擬現(xiàn)場實物進行各種防竊電技術的實驗，模擬1條10kV線路，模擬該線路負荷包括高供高計專變公變用戶、高供低計公變專變用戶。實驗部分即可監(jiān)控系統(tǒng)既采集10kV線路的分支用戶各種數(shù)據(jù)，又采集現(xiàn)場運行的典型數(shù)據(jù)，達到實驗與實用并重的效果。
2.1 設計目標
培訓學員對電能表的安裝、運行、內部結構及工作原理有深刻的認識和了解，在熟悉竊電犯罪分子常用的竊電手法以后，通過直觀檢查、電量檢查、儀表檢查進而掌握如何識破各種各樣的竊電方法，找到有力的犯罪證據(jù)，從而提高學員的現(xiàn)場竊電的偵查能力。
2.2防竊電仿真實驗平臺實現(xiàn)的概要
防竊電仿真實驗平臺具有以下5個功能模塊：
1）防竊電模擬實驗功能；
2）防竊電實時監(jiān)測實驗功能；
3）反竊電方式實驗功能；
4）自動篩選可疑用戶實驗功能；
5）電量追補及輔助取證功能實驗；
2.2.1防竊電模擬實驗功能
模擬搭建單相、三相計量環(huán)境，模擬竊電現(xiàn)場，根據(jù)不同的竊電方式，在計量設備的多個環(huán)節(jié)設置竊電操作點，連接竊電線路，布置多種竊電工具，供用電檢查人員演練查處方法，學習查處技巧。并結合原理圖分析各種舊式、新式、高科技等類型竊電手段原理，強化對反竊電方法的技術分析與研究，使用電檢查人員全面實驗了解竊電各類手法。
2.2.1.1無表、越表竊電實驗：
表前引電源通過控制開關竊電；
表前引電源通過單電流接觸器竊電；
表前引電源通過雙電流接觸器竊電。
2.2.1.2攻擊計量回路竊電實驗：
1）短接CT竊電；
2）改變CT變比竊電；
3）CT二次開路竊電；
4）CT二次側反接竊電；
5）斷開PT與三相電能表接線竊電；
6）PT與電能表之間串接電阻竊電；
7）反接PT二次側接線竊電；
8）短接電流回路竊電竊電；
9）電流回路開路竊電竊電；
10）反接火線竊電；
11）一線一地法竊電；
12）改變電壓相位竊電；
13）改變電流相位竊電；
14）利用變流器附加電流竊電。
2.2.1.3攻擊電能表竊電實驗：
1）電能表內部電壓回路分壓竊電；
2）切斷電能表內部電壓回路竊電；
3）利用遙控裝置竊電；
4）更換計度器或者利用倒表器竊電；
5）強磁鐵竊電；
6）更改表內電流采樣接線竊電；
7）修改費率時段竊電；
8）修改脈沖常數(shù)竊電。
2.2.2 防竊電實時監(jiān)測實驗功能
利用一次側和二次側已安裝的防竊電設備，深入挖掘電力用戶用電信息采集系統(tǒng)功能應用，增強采集系統(tǒng)的反竊電監(jiān)測與事件分析功能。
研究新報裝用戶的防竊電方案，拓展用電信息采集系統(tǒng)的功能。
2.2.3 自動篩選可疑用戶實驗功能
根據(jù)不同用戶的用電情況，實驗建立不同的分析模型，導入用電信息采集系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，自動篩選出可疑用戶。
2.2.4電量追補及輔助取證實驗功能
通過實驗研究，解決反竊電工作過程中取證難及追補電量難的問題，最終形成可用于日常工作的科研成果。
2.3防竊電實驗平臺設備配置
本實驗平臺是按照全線路防竊電與防竊電實驗設備配置，包括高供高計供電方式、 高供低計供電計量方式等。主要設備包括實驗用變壓器、開關；實驗用防竊電計量箱、表箱環(huán)境監(jiān)測裝置；各種防竊電、反竊電實驗模式裝置；用于實驗的負荷測量裝置、高頻信號實驗裝置等。
3.應用分析
本平臺是基于竊電手法的理論與實踐相結合的產(chǎn)物，系統(tǒng)建成應用后對于培養(yǎng)強有力的電能計量、用電檢查、用電稽查隊伍提供方便有效的教學環(huán)境，從而大大提高公司的反竊電能力，可以更高效的查處竊電者。不僅可以減少供電企業(yè)的經(jīng)濟損失，同時還可以規(guī)范用電市場，保障電網(wǎng)的安全運行，保護了廣大人民的生命和財產(chǎn)安全。
關鍵詞：仿真實驗室 財務管理 情境設計
財務仿真實驗室不僅可以加強學生的創(chuàng)新能力和實踐能力，還可以從專業(yè)領域發(fā)展來對實驗室管理進行規(guī)劃。人們在進行系統(tǒng)的設計、研究、實現(xiàn)以及分析時，總是通過實驗完成的，在傳統(tǒng)實驗中一般都是由真實系統(tǒng)來完成的，但是這種方式可以直接造成系統(tǒng)的破壞和故障，使得實驗難以重復、費用昂貴，所以這種傳統(tǒng)方法不能有效的進行研究，而信息技術和計算機技術的引入，使得研究手段和研究方法都獲得了突飛猛進的發(fā)展。
1、財務仿真實驗室的概述
傳統(tǒng)的實驗方法是通過生物、化學以及物理等進行研究對象的理論檢驗、觀察、模擬、分析，這種方法的優(yōu)點是具有可重復性、安全性、經(jīng)濟性和可靠性，缺點是對于復雜的經(jīng)濟社會系統(tǒng)研究和分析無法勝任，為了讓實驗具備政策試驗、觀察分析、決策試驗、計劃分析、運籌試驗、評價、預測、監(jiān)督以及控制等功能，需要建立計算機技術和電子技術的策略。經(jīng)濟實驗的主要目的就是揭示經(jīng)濟社會系統(tǒng)過程中的規(guī)律和現(xiàn)象，探索經(jīng)濟社會系統(tǒng)運行中的控制手段和可控性，所以經(jīng)濟實驗需要和科學思想進行結合，并通過實驗手段和實驗工具讓生產(chǎn)力的發(fā)展得到促進。
2、財務仿真實驗室的主要問題
2.1欠缺形式靈活性
會計核算操作一般都是由一套固定的使用業(yè)務來處理的，這種操作方式不僅直接導致原始憑證的審計以及識別遭到忽略，還使得賬務過于集中進行處理，讓會計處理違背了真實工作過程和一般順序。在模擬財務決策過程中，一般都是通過若干案例的給定來讓學生進行計算和理解。上述因素的發(fā)生都是因為案例來源、業(yè)務來源的局限性，使得學生在面對工作時缺乏挑戰(zhàn)性，老師在面對實際教學時缺乏改變。
2.2缺少情境真實性
模擬財務決策實驗的重點是股利分配、投資、資本運營以及融資等管理財務決策。我國目前還沒有有效的表現(xiàn)模擬財務決策實驗的方法，因為該實驗過于簡化、過于理想化，不僅不能在財務管理中反映出企業(yè)的動態(tài)效果，還不能在資本市場中反映出企業(yè)的表現(xiàn)。
2.3缺乏科學性評價
財務仿真實驗室管理是一個試驗項目繁多、體系龐大的學科，對于老師指導和學生實驗都比較困難。學生如果想要單獨進行全部實驗的完成，難度系數(shù)巨大的，必須和崗位評價相聯(lián)系，不僅需要通過角色來培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作，還需要通過設計方案、問題解決、問題靈活分析來培養(yǎng)學生的處理能力。此外實驗項目的決策以及判斷存在較多的答案只有正確的對學生實驗結果、實驗過程進行評價，才可以客觀的、科學的進行財務仿真實驗室管理。
2.4缺乏技術先進性
隨著我國經(jīng)濟化的不斷發(fā)展，學習財務管理的人是越來越多，面對如此數(shù)量的學生老師的工作量大幅度上升，但是實驗技術依舊是沒有改變，學生在財務管理實驗中遇到的特定問題是很難及時讓老師一對一的進行幫助，并且老師也不可能全面的、動態(tài)的對實驗全局進行控制，使得實驗效率低下，而在財務仿真實驗室管理中老師雖然可以讓實驗參數(shù)的設定比較靈活、教學成本降低，但是實驗卻存在重復性。
3、財務仿真實驗室管理的關鍵技術
3.1科學評價
財務仿真實驗室管理主要融合了企業(yè)經(jīng)營模擬、經(jīng)濟戰(zhàn)略制定、經(jīng)濟決策模擬以及會計核算操作等方面，它的數(shù)據(jù)流量和存儲量都要求比較龐大，也就是說財務仿真實驗室管理是一種團隊協(xié)作的科學評價機制。傳統(tǒng)的財務管理中主要從財務總監(jiān)、會計主管、投資主管、運營主管、融資主管以及分析主管六種崗位進行了定義，這六種角色是所有團隊的組合方式，都是由財務總監(jiān)進行未來財務規(guī)劃和未來財務目標，通過責任細節(jié)要求和總體目標來分配工作給各個部門，并由各個部門制定出執(zhí)行方案，最后進行分析、籌資、核算、運營以及投資等工作。財務仿真實驗室管理不僅需要通過團隊協(xié)作能力來對最終成績進行考核，還需要通過個人業(yè)務能力來對最終成績進行考核，做到各部門策略工作之間相互影響、相互配合，讓團隊成績與企業(yè)財務績效相掛鉤，其中個人業(yè)務能力是任務完成質量的反映，根據(jù)正確結果和業(yè)務方法可以對個人業(yè)務能力進行評價。
3.2經(jīng)營模擬擴展
財務仿真實驗室管理主要是針對企業(yè)進行研究的，需要研究企業(yè)在發(fā)展過程中以及經(jīng)營過程中的財務管理戰(zhàn)略制定，并利用外部資源和內部資源來制定決策活動、財務核算，讓企業(yè)實現(xiàn)最大化的經(jīng)濟效益。財務管理實驗一般是由固定案例開始的，嚴格的對企業(yè)行為邊界和企業(yè)環(huán)境進行了限定，人為的讓企業(yè)經(jīng)營活動與財務管理活動出現(xiàn)割裂，造成企業(yè)經(jīng)營活動與財務管理活動之間相互作用被忽略。在實際運用中企業(yè)的投資項目融資容易受到財務管理決策型活動的影響，從而是企業(yè)的發(fā)展方向和經(jīng)營方向遭到改變，而企業(yè)經(jīng)營過程中一旦出現(xiàn)決策不同，是可以反過來對企業(yè)核算工作結果、制定財務決策進行影響的。要想讓財務仿真實驗室管理符合一般會計業(yè)務處理順序、具有動態(tài)變化，就必須讓會計處理的靈活性和真實性得到加強，讓業(yè)務處理的挑戰(zhàn)性和復雜性得到加強。
3.3任務驅動
財務管理在教學過程中一般需要比較龐大的教學案例，并需要大篇幅來進行企業(yè)實際環(huán)境背景的介紹，對于企業(yè)的資本運營情況、融資情況以及財務投資項目進行詳細描述，而財務仿真實驗室管理的實驗項目和實驗目標非常容易迷失在大背景中，所以就需要使用生成微型案例庫技術，把大案例逐步進行微小案例的分解，這種技術是通過財務管理知識進行的，利用人工干涉分類過程和識別過程把大案例進行知識列表歸納，從而形成事實基本單元。老師通過情景編輯工具的使用，并根據(jù)某種業(yè)務預定邏輯進行事實基本單元的重構以及連接，讓一個大案例完整的呈現(xiàn)出來。雖然這個過程使得案例原有語境遭到破壞，但是又因為情境設計是嚴格按照通用業(yè)務邏輯進行的，所以會出現(xiàn)新語境的多種組合，不僅加強了財務仿真實驗室的數(shù)據(jù)擴展能力，還讓真實性得到了保持。
4、結束語
財務仿真實驗室通過信息技術和計算機技術的引入，成功的避免了實驗的難以重復、費用昂貴以及系統(tǒng)的破壞、故障，財務仿真實驗室管理的三種關鍵技術分別是科學評價、經(jīng)營模擬擴展以及任務驅動，其中科學評價是指通過團隊協(xié)作能力和個人業(yè)務能力來對最終成績進行考核，做到各部門策略工作之間相互影響、相互配合，經(jīng)營模擬擴展是指讓會計處理的靈活性和真實性得到加強，讓業(yè)務處理的挑戰(zhàn)性和復雜性得到加強，任務驅動是指利用人工干涉分類過程和識別過程把大案例進行知識列表歸納，從而形成事實基本單元，并讓真實性和數(shù)據(jù)擴展能力得到了保持、加強。
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關鍵詞：虛擬仿真實驗；真實實驗；儀器
高中生物學科中的實驗教學要求學生在教材及教師的指導下自主完成實驗。實驗教學在課堂中的扎實展開，能夠有效地培養(yǎng)學生的動手實踐能力和操作能力，促進學生在掌握生物原理和操作技能的基礎上，更加全面地認識和學習生物科學。在高中生物課堂中，學生可以通過實驗簡單快捷地了解和掌握所學的生物知識及原理，感受生物這門特殊的自然科學。
一、當前高中生物實驗教學中存在的問題
然而，在實際的實驗教學中，許多方面存在不足，如實驗教學中所需要的材料過少或者缺少其中某一樣實驗器材都將導致實驗無法正常開展。而有些則是因為所要進行的實驗本身存在一定的危險性而無法真正開展，以至于實驗教學在生物課堂中成為一種擺設，也就無法發(fā)揮實驗教學本身的輔助作用。這不僅嚴重影響著教師的教學活動，還減少了學生全面學習生物知識的方法和途徑。當然不免有些教師在實驗教學中為了節(jié)省時間而演示生物實驗，也就是通常所說的教師做、學生看。這樣一來，學生也就不會積極主動地參與到實驗教學中，這不僅不利于培養(yǎng)他們的動手實踐和操作能力，還降低了他們運用生物知識去分析和解決實際問題的意識與能力。由此可見，高中生物教學中實驗教學的開展存在許多的問題，而作為高中生物教師，我們在教學過程中要善于科學合理地運用適當?shù)慕虒W方法進行實驗教學，對于存在危險性及實驗器材缺乏的實驗，我們可以利用計算機、多媒體技術模擬實驗儀器及實驗操作進行模擬仿真實驗教學，以此突破生物實驗的局限性，實現(xiàn)生物虛擬仿真實驗與真實實驗的相互交融與
互補。
二、高中生物虛擬仿真實驗與真實實驗的整合
（一）虛擬儀器及虛擬仿真實驗
高中生物虛擬仿真實驗即利用全新的、先進的且富有生命力的虛擬儀器和多媒體計算機，對教材數(shù)據(jù)進行分析和處理，在虛擬操作中為學生展示其中的實驗步驟和結果。虛擬仿真實驗綜合運用了計算機圖形學、圖像處理與智能技術及音響技術等多方面的功能，給學生以直觀形象的感受，促進他們更加簡單快捷地學習和掌握生物實驗的設計及操作。虛擬仿真實驗主要通過虛擬儀器進行，虛擬儀器就是在多媒體計算機上配上相應的專用軟件和硬件，并設定和設計好的測試功能，從而實現(xiàn)真實儀器所具備及缺乏的特殊實驗教學。
1.虛擬儀器的特點
相比于傳統(tǒng)的實驗儀器，虛擬儀器更加智能，處理能力更強，且使用起來更加方便靈活，它的開放性和功能軟件的模塊化有利于提高資源的重復利用率，并縮短系統(tǒng)組建時間。運用計算機對生物實驗內容進行分析、存儲、顯示及打印，能夠有效地完善數(shù)據(jù)的傳輸和交換等性能，使得組建系統(tǒng)更加簡單快捷。
2.虛擬仿真實驗的特點
虛擬仿真實驗使抽象的生物知識更加形象和具體，運用多媒體為學生提供聲音、圖像、文字等多方面的內容，其信息量大且應用范圍廣，能夠在激發(fā)學生學習興趣的基礎上，提高他們對生物知識的表達和運用能力。在進行虛擬實驗教學之前，教師可以利用多媒體計算機對實驗模型和過程進行精心設計，從不同的角度和層次為學生加以演示和講解，促進他們形象化思維的形成。高中生物教學中進行虛擬仿真實驗對實驗教學尤為重要，不僅有利于提高生物教與學的質量和效果，還能夠保障實驗設備及教師的安全，促進實驗教學的高效開展。相對于傳統(tǒng)的生物實驗教學，虛擬仿真實驗給學生的實驗過程增加了許多樂趣，使他們更加熱愛生物實驗，樂于學習生物知識。
例如，人教版高一生物必修2第三章《基因的本質》中，DNA分子的結構和復制過程微觀、抽象，學生即使制作出DNA物理模型，也難以在不斷犯錯和糾正過程中，準確模擬整個復制過程。借助虛擬仿真系統(tǒng)，利用計算機對DNA分子的復制步驟進行分析整合，使學生能夠展開思維的翅膀，自由模擬想象中的復制過程。在各種史料和事實的支撐下，構建、完善DNA復制模型。在手腦并用操作實驗的過程中直觀地感受和理解DNA復制的方式、特點，大大提高了生物教學的效率。
（二）真實實驗
真實實驗是教師在生物教學過程中運用實驗儀器進行實際操作的實驗活動，它給學生以真實的感受，消除他們對抽象知識點及虛擬實驗的學習障礙，并在這樣的實驗過程中對生物產(chǎn)生新的認識和看法，這對高中生物實驗教學起著重要的作用。
（三）高中生物實驗教學中虛擬仿真實驗與真實實驗的關系
高中生物實驗教學中的真實實驗是虛擬仿真實驗的基礎，即虛擬仿真實驗是對真實實驗的模擬，虛擬仿真實驗能夠有效地彌補真實實驗的缺點和局限性，二者相輔相成。因此，教師在教學過程中結合它們各自的優(yōu)勢，對生物實驗教學進行精心設計，可以取得良好的實驗教學效果。
1.能真勿虛
對于生物實驗教學中那些過程簡單且易于操作的實驗，且在現(xiàn)有條件下能夠運用真實實驗完成并達到預期教學效果的，教師在教學時就要運用簡單的基礎性實驗儀器完成實驗教學。
2.虛實互補
在高中生物實驗教學中，有的主要是觀察試驗中所產(chǎn)生的現(xiàn)象，而有的是以得出結論為主，也有以理解生物規(guī)律和實驗原理及實驗儀器使用為主的。這就要求教師在實際教學中根據(jù)實驗教學目標的不同，準確無誤地確定是要采用虛擬仿真實驗還是真實實驗。
對于實驗室的條件限制，需要采用先進技術或是稀缺儀器的實驗，或實驗現(xiàn)象不太明顯的實驗，一般采用仿真實驗平臺進行虛擬仿真實驗。當然，在學習新知時，教師可以先安排相關的簡單、易于操作的真實實驗，使學生在對主要實驗儀器有了一定的真實感受之后，再輔之以虛擬仿真實驗，這樣能夠有效地提高實驗教學的效果。
總而言之，在高中生物實驗教學中，教師要學會綜合運用和發(fā)揮虛擬仿真實驗和真實實驗的作用，并充分結合這兩者的優(yōu)勢，以此，在培養(yǎng)學生動手操作能力的基礎上，利用先進而高效的現(xiàn)代化實驗手段，鍛煉理性思維能力。只有這樣，才能更好地達到預期的實驗教學目標，并培養(yǎng)出具有扎實生物實驗能力和獨立思維能力的創(chuàng)新型人才。
參考文獻：
針對在大學物理實驗中模擬示波器損壞折舊嚴重的問題，本文提供了一個基于LabVIEW平臺的模擬示波器仿真實驗。文中詳細介紹了實現(xiàn)仿真模擬示波器(虛擬示波器)各功能的程序結構。通過此仿真實驗，學生可了解傳統(tǒng)模擬示波器的操作，又可體會LabVIEW的強大功能和圖形化編程特點。本文為模擬示波器仿真實驗提供多樣性。
關鍵詞:
LabVIEW；模擬示波器；仿真實驗
0引言
模擬示波器實驗是許多理工科大學生必作的實驗內容。然而，由于在實驗中的頻繁使用和誤操作等原因，模擬示波器的損壞和折舊也相當嚴重。常出現(xiàn)的損壞元件是電位器旋鈕，由于高頻率的使用磨損，在較短的時間就不得不更換。這給儀器的維護帶來很大的工作量。針對實際實驗中儀器成本高易損壞等問題，大學物理仿真實驗應運而生[1]。仿真實驗具有成本低，不需購置儀器也不損壞儀器的優(yōu)點。學生通過仿真實驗的練習，在實際實驗時就可能避免誤操作或過度頻繁的嘗試操作，從而減少對儀器的損耗。仿真實驗和實際實驗相輔相成，兩者的結合可使實驗教學取得更好的效果。此前已有一些基于LabVIEW的仿真模擬示波器的報告[2-6]。本文將側重于將虛擬示波器應用于模擬示波器的仿真實驗。仿照傳統(tǒng)模擬示波器的實驗儀器，本仿真實驗設計有信號發(fā)生器和虛擬示波器兩部分。虛擬示波器設計有時間坐標調節(jié)，電壓幅度調節(jié)，觸發(fā)調節(jié)，信號通道選擇，交/直流信號選擇等模擬示波器的常用功能。通過仿真練習，學生既可熟悉模擬示波器旋鈕的功能，又了解一些LabVIEW的編程特點。
1虛擬示波器實驗介紹
虛擬示波器實驗儀的前面板。實驗時，學生先在信號發(fā)生器上設定待測信號，包括波形、頻率、幅值等，然后操作虛擬示波器以正確測量待測信號的上述參數(shù)。
1.1信號發(fā)生器
信號發(fā)生器可設定兩路獨立的待測信號。每路信號可設定信號的波形、幅值、頻率、采樣率和采樣點數(shù)。波形設定可選擇正弦、三角波、方波、鋸齒波和直流共五類信號類型。此待測信號不是真正連續(xù)的模擬信號，而是由計算機生成的由有限數(shù)據(jù)點組成的離散數(shù)字信號。采樣率設置1秒的數(shù)字信號由多少數(shù)據(jù)點組成，而采樣點數(shù)則設置信號發(fā)生器每次發(fā)出的信號包含多少數(shù)據(jù)點。信號發(fā)生器是用了Sub信號發(fā)生器模塊的五個參數(shù)設置功能來實現(xiàn)的。Sub信號發(fā)生器模塊還具有更多參數(shù)的設置選項。學生在實驗時還可以嘗試增加噪聲、占空比、相位等參數(shù)設置以進一步豐富待測信號的多樣性。
1.2時間和幅值顯示調節(jié)旋鈕
時間和幅值顯示調節(jié)旋鈕位于右下端。模仿模擬示波器的相應功能，這兩個旋鈕是用來調節(jié)示波器顯示窗口的時間和幅值坐標軸的示值范圍。該功能的實現(xiàn)主要是利用了LabVIEW波形圖的屬性節(jié)點功能。首先旋鈕連接到一個條件結構框圖，框圖內部預設一些想要的示值范圍。然后旋鈕控制的示值范圍發(fā)送給示波器波形圖的屬性節(jié)點，達到波形圖示值范圍的調節(jié)。
1.3觸發(fā)功能的實現(xiàn)
觸發(fā)功能是模擬示波器必備的功能，也是學生們在學習示波器工作原理時的一個難點。當示波器時間軸示值范圍不是待測信號周期的整數(shù)倍時，如果此時仍然連續(xù)采樣，則示波器顯示波形的起始點會位于信號周期的不同節(jié)點上，導致信號不能被穩(wěn)定地顯示。“觸發(fā)”功能讓示波器顯示波形的起始點在每次刷新時都會位于信號周期的固定節(jié)點上，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的波形顯示。觸發(fā)有多種方式，本虛擬示波器采用了最基本的邊沿觸發(fā)方式，即根據(jù)信號的電壓值和信號點處于上升還是下降沿兩個參數(shù)來確定波形顯示的起始數(shù)據(jù)點。觸發(fā)功能的控制區(qū)域位于右上端，包括兩個獨立的信號調節(jié)部分，可對兩路待測信號進行相互獨立的觸發(fā)設置。其中，“斜率”滑動開關用來設置觸發(fā)數(shù)據(jù)點是處于上升沿(正)還是下降沿(負)；“水平”旋鈕用來設置觸發(fā)點的電壓選取信號峰峰值的多大比值，本設計中取10%到90%，間隔為10%。觸發(fā)功能的編程是整個虛擬示波器編程的關鍵。(A)顯示了“判定范圍并強制轉換”模塊，對此模塊的靈活運用既可實現(xiàn)尋找與設定觸發(fā)電平最接近的數(shù)據(jù)點，又可判斷該數(shù)據(jù)點是處于上升沿還是下降沿。而此模塊本身的功能卻相對簡單，我們給它輸入上限，下限和X值，它將判斷X是否處于上/下限之間。圖4(B)顯示觸發(fā)功能的程序結構。首先輸入的波形信號經(jīng)過一個索引數(shù)組，每次取出該數(shù)組的第i和第i+1號元素，分別賦值給上/下限(下降沿判定范圍模塊)和下/上限(上升沿判定范圍模塊)。觸發(fā)電平的設定值賦給兩個判定范圍模塊的X值。用一個FOR循環(huán)檢索全部元素。如果設定值在數(shù)組的第i和第i+1號元素之間，元素i為下限，元素i+1為上限，則讓檢索號i為上升沿起始數(shù)據(jù)點檢索，即為i上；反之，元素i+1為下限，元素i為上限，則讓檢索號i為下降沿起始數(shù)據(jù)點檢索，即為i下。在示波器顯示波形時，根據(jù)上升或下降沿觸發(fā)，分別從第i上或i下個元素開始顯示即可。
1.4信號通道選擇
下方“通道”區(qū)域所示，虛擬示波器也設置了信號通道選擇。它可以單獨顯示A通道，或B通道，或A和B通道同時顯示。當單獨顯示A通道或B通道時，滑動開關右側的“幅值”和“頻率”示值顯示自動測量的單通道信號的幅值和頻率。信號通道選擇滑動開關連接到一個條件結構，用來控制信號A，或信號B，或兩者同時接入波形圖顯示。同時，條件結構中還包含了單頻測量模塊和幅值與電平測量模塊，可自動測量單通道信號的幅值和頻率。
1.5虛擬示波器的其余功能
1.5.1信號的DC（直流）和AC（交流）切換。這個功能的設計思路是，當測量直流信號時，觸發(fā)功能將被屏蔽；當測量交流信號時，則啟用觸發(fā)功能的相應程序。
1.5.2索引A，索引B，和長度A/B。因為周期信號的每個周期都有一個上升沿和一個下降沿觸發(fā)數(shù)據(jù)點，所以在搜索上升/下降沿觸發(fā)點的索引時，應取輸入信號的第1個周期內的數(shù)據(jù)點即可。索引A，索引B定義了A，B兩信號在一個周期包含多少數(shù)據(jù)點。為了避免程序的過度繁雜，這個功能需要學生根據(jù)信號發(fā)生器設置的頻率和采樣點數(shù)進行手動輸入。另外，雖然信號發(fā)生器上定義了采樣點數(shù)，但是在顯示波形時，不一定要顯示所有的采樣點數(shù)。“長度A/B”設定虛擬示波器上實際顯示的數(shù)據(jù)點數(shù)，即A，B兩個信號顯示相同數(shù)量的數(shù)據(jù)點。
1.6虛擬示波器的運行界面
已顯示了一個虛擬示波器的運行界面。設定的參數(shù)為：通道A為正弦信號，幅值1V，頻率10Hz，20%峰峰值下降沿觸發(fā)；通道B為三角波信號，幅值1V，頻率12Hz，20%峰峰值上升沿觸發(fā)。
2結論
相比于一些已發(fā)表的基于LabVIEW的虛擬示波器的設計，本文有兩個側重點：一是詳細介紹了實現(xiàn)虛擬示波器各功能的程序結構和編程思路；二是著眼于虛擬示波器在大學物理仿真實驗中的應用。因而，本虛擬示波器一方面可幫助學生練習和了解模擬示波器的使用，另一方面也可培養(yǎng)學生對LabVIEW的了解和編程興趣，為他們今后編制其他虛擬儀器開拓思路。
作者：朱子鵬 單位：太原理工大學物理與光電工程學院
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