虚拟实验设计论文十篇

虚拟实验设计论文篇1

一、网络虚拟实验室的建立

1.虚拟现实技术

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

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

2.网络虚拟实验室

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

3.计算机专业虚拟实验室的创建

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

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

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

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

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

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

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

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

二、加强网络虚拟实验室的管理

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

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

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

4.对学生在虚拟实验室的表现及实验效果进行

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

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

参考文献

[1]王嗣源.虚拟实验室建设的初步探讨.西安邮电学院学报,2005(4).

[2]蒋光明.基于互联网的开放式虚拟实验模型研究.西南师范大学学报(自然科学版),2002(3).

虚拟实验设计论文篇2

一、网络虚拟实验室的建立

1.虚拟现实技术

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

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

2.网络虚拟实验室

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

3.计算机专业虚拟实验室的创建

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

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

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

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

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

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

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

( 6) 论坛交流模块， 教师和学生可以通过论坛进行充分的交流， 学生可以将实验中的收获、经验和体会及问题到论坛上， 教师可以将一些典型的问题提出来， 供大家探讨。学生在这样宽松的环境下发表自己的见解， 教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息， 以便整改。

( 7) 虚拟实验模块， 是虚拟实验室建设的重要部分。学生通过该模块进行虚拟实验， 医学论文以达到巩固强化知识的目的。该模块内容根据专业学习的具体情况及实验建设条件， 可不断增加。计算机专业网络虚拟实验室系统的建设， 可以引入其他学校的虚拟实验室中。这种方式比较简单， 容易实现， 见效较快。但需要投入较多的软件购置费用，同时也需要结合本校的实际情况进行一些调整， 有一个磨合期。另一种是因地制宜， 自主开发。根据本校的实际教学和实验情况， 结合学生的实际水平， 由任课教师或聘请部分专家组成开发小组， 进行一系列的虚拟实验项目的开发研究， 并将研究的成果连接到虚拟实验室中， 逐渐扩充直至完善。这种方式比较灵活， 能充分发挥教师的积极性， 能有针对性地进行设计开发， 适合学生的实际情况， 学生容易接受， 并且经费投入较少。缺点是开发周期较长， 系统性不够， 水平有限。也可以将上述两种方式结合起来， 一是引入、购置部分自己不宜开发的实验项目， 二是结合自身的优势和长处开发一些实验项目， 如非交互性的、演示性的虚拟实验项目等。

二、加强网络虚拟实验室的管理

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

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

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

4. 对学生在虚拟实验室的表现及实验效果进行

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

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

[ 1] 王嗣源.虚拟实验室建设的初步探讨.西安邮电学院学报， 2005( 4) .

[ 2] 蒋光明.基于互联网的开放式虚拟实验模型研究.西南师范大学学报( 自然科学版) ， 2002( 3) .

[ 3] 易小琳， 王鑫等.网上计算机系统虚拟实验室的研究.计算机工程， 2002( 1) .

虚拟实验设计论文篇3

关键词：虚拟机技术，网络实验平台

 

一、引言

无论在软件开发调试过程中，还是在网络教学科研环节里，都需要搭建专门的网络实验室。为了能在不同的网络环境下进行实验，网络实验室通常需要配备多种网络设备和辅助设施，不但增加了成本开销，同时资源也得不到合理有效的利用。利用VMWare虚拟机软件搭建虚拟的网络实验平台，能够方便快捷的配置和更改网络实验环境，同时也降低了网络实验成本和设备维护费用。

二、VMWare虚拟机软件

VMWare是一个虚拟机软件，可以在一台机器上同时运行多个操作系统和应用程序，利用虚拟基础构架在多台虚拟机之间共享单台物理机的资源，以提高资源的使用效率。同以往的“多启动”系统不同，VMWare真正实现了“同时”运行多个操作系统。每个虚拟的计算机模拟了一个相对独立的标准PC环境，包含自己的虚拟CPU、RAM 硬盘和网络接口卡 (NIC)。此外，多个虚拟机之间还支持TCP/IP、NovellNetware、Microsoft网络虚拟网络以及Samba文件共享等多种功能。用户可以在主机（GuestOS）和客户机（HostOS）之间任意切换，并在不同的操作系统上开发测试软件或配置网络实验环境。论文格式。

1、配置需求

(1) 硬件配置。

VMware的硬件配置要求CPU 主频不低于266MHZ、内存最小128 MB、硬盘不小于6OO MB的空闲空间。而实际上现在的主流PC的配置已远远满足需求，考虑到要组建包含多台虚拟机的网络实验环境，硬盘和内存的存储容量需要配置得大些，这样可以满足更多的虚拟机同时运行。

(2) 软件配置。

除了主操作系统外，在计算机上还需安装VMware Workstation6．0虚拟机软件，并在计算机上存放Windows2000／2003、WindowsXP、Linux,Unix等操作系统镜像文件，和其他网络管理安全等实验的相关软件。

2、VMWare工作原理

VMware可以使用8个虚拟局域网，提供了桥接(Bridged)联接、仅为主机(Host—only)联接、网络地址转换(NAT)联接和不用网络联接四种主要的联网方式。系统通过虚拟的交换设备来实现虚拟机与主机之间或虚拟机之间的网络连接。论文格式。虚拟的交换设备分别是VMnet0，VMnetl，VMnet2，?? ，VMnet8，在默认情况下，VmnetO默认设置为桥接联网模式，Vmnetl默认设置为仅主机联网模式，而Vmnet8默认设置为NAT联网模式，通常情况下，建立虚拟机时可以根据实际需求直接将虚拟计算机加入网络即可。

3、VMWare的网络模式

（1） 桥接(Bridged)联接

桥接模式下，VMware提供了虚拟网桥进行桥接，主机的物理网卡与虚拟机的虚拟网卡共同连接在VMnet0交换机上，虚拟机与主机处于同一网段，网络中其它计算机中可以访问到这台虚拟机，这台虚拟机也可以使用虚拟网络提供的服务，并且还可以与其他的机器共享资源。

（2）仅为主机(Host—only)联接

主机模式提供隔离的虚拟机环境，虚拟机与主机建立虚拟私有网络，通过VMnet1交换机动态分配虚拟网络的TCP／IP配置信息。外界无法直接访问虚拟网络中的成员，只有同为Host—Only模式下虚拟机和主机可以互相访问。

（3）网络地址转换(NAT)联接

NAT模式中外网机器不能访问虚拟机，但虚拟机可以通过主机访问外网。VMnet8虚拟出主机与虚拟机的内网，由主机作为NAT设备提供网络地址转换功能，主机的物理网卡连接外网，而虚拟网卡则连接内网，通过Mnet8虚拟网络的DHCP服务器提供虚拟系统的TCP／IP配置信息。

（4）不用网络联接

这种模式下，虚拟机不与任何计算机联网。这种方式主要用于不需要网络的工作环境，比如在不同操作系统下的测试软件，或者出于安全不需要联网等。

三、构建虚拟网络实验环境

如今VPN技术得到了广泛的应用，虚拟专用网络VPN（Virtual Private Network）是在公共网络的基础上，通过特殊的加密的通讯协议，达到私有专用网的安全性能。虚拟专用网的任意两个节点之间，没有传统意义上的真实物理连线连接，而是通过对公共网络的资源进行动态组合形成。虚拟专用网可用于实现网站之间安全通信的虚拟专用线路，可以帮助远程用户建立可信的安全连接，并保证数据的安全传输。

利用VMWare虚拟机软件搭建虚拟的网络实验环境，配置VPN服务的主要步骤如下:

1、网络环境配置

实验需要Windows Sever 2003操作系统主机一台，用做VPN服务器；在主机上安装VMware虚拟机软件，虚拟Windows XP操作系统客户机一台，用于VPN客户端，并设置为NAT网络连接模式。

2、VPN服务器配置

首先在Windows Sever 2003主机的管理工具中打开“路由和远程访问”后，进入本地服务器的“配置并启用路由和远程访问”界面。在“路由和远程访问服务器安装向导”对话框中选择“自定义配置”，随后选择“VPN”访问以开启VPN服务。

VPN服务开启后，需要设置IP地址池。在“路由和远程访问”的界面下面选择“属性” 进行配置，在VPN服务器的“属性”窗口中点击“IP”标签。如图1所示，在“IP地址指派”中选择“静态地址池”，并设置IP地址范围。这个IP地址范围就是VPN局域网内部的虚拟IP地址范围，每个拨入到VPN服务器的客户机都会分配到一个范围内的IP地址，在虚拟局域网中通过这个IP地址相互访问。

图1：设置静态地址池

3、创建VPN用户

在Windows Sever 2003管理工具中选择“计算机管理”。根据实际需要添加用户，然后在用户属性界面里选择“拨入”标签栏，并设置“远程访问权限”为“允许访问”，这样该用户可以就通过VPN拨入服务器了。如图2所示。

图2：用户属性界面

4、VPN客户端配置

打开VMware Workstation6．0虚拟机软件，选择并运行虚拟的Windows XP操作系统客户机。客户机启动完成后，在“网络连接”窗口下，选择“创建一个新的连接”。在“新建连接向导”对话框里，选择连接类型为“连接到我的工作场所的网络”，并将工作点与网络连接方式设置为“虚拟专用网络连接”，接下来输入该VPN连接的名称，然后在 “公用网络“界面”里 选择“不拨初始连接“单选按钮，在随后的“VPN服务器选择”界面中，需要填写上VPN服务器的IP地址，最后单击“完成”按钮以保存连接。

5、测试VPN服务

运行虚拟的Windows XP操作系统，在“网络连接”窗口中打开已经建好的VPN连接，输入在WindowsSever 2003的VPN服务器中事先添加的“用户名”和“密码”，并进行连接。连接成功后，在虚拟的Windows XP客户机上运行ipconfig/all指令，这样就可以看到客户机从VPN 服务器获得的IP 地址，如图3所示。论文格式。

图3：VPN服务器分配的IP地址

四、后记

有效应用虚拟机技术，在保证实验设备的安全性的同时，还为计算机网络实验提供了新的平台。通过使用虚拟网络环境进行实验，不但提高了现有系统的利用率，还一定程度上解决了实验设备和场地不足的问题。当前虚拟机技术仍在不断的发展更新，今后的运用前景将会更为广阔。

参 考文 献

[1] 王太成，利用虚拟机技术完成复杂网络实验[J]，计算机技术与发展，2009(4):246-249

[2] 全金连 覃毅．.VMware在计算机网络实验中的应用[J]．现代计算机,2009(12): 144-146

[3] 刘真．虚拟机技术的复兴[J]．计算机工程与科学，2008，3O( 0)：105-107

[4] 王海军，张敏锐，李凌云，等．网络虚拟实验系统实现技术的比较与分析[J]．南京晓庄学院学报，2006(4)：1O1-102

虚拟实验设计论文篇4

论文摘要 目前计算机教学存在硬件、软件和教学三方面的问题，虚拟机是解决这些问题的很好的技术途径。虚拟机具有集成性、移植性、经济性和可维护性的优点，在计算机教学中的具体应用包括操作系统安装、计算机维护、网络技术应用、网络安全、软件测试和课件制作。

近几年，虚拟机逐渐被应用于许多学校的计算机教学领域，成为一种非常有效的辅助工具。笔者从自身的计算机教学实际出发，借助虚拟机解决计算机教学中的一些问题，有效地提高了计算机教学的质量，取得良好的教学效果。

1 计算机教学的现状

目前，计算机教学取得一定的成绩，也存在一些问题，主要表现为以下几个方面。

1.1 硬件方面

计算机是一门实践性非常强的学科，需要给学生提供良好的实践环境。同时，随着科学技术的迅猛发展，计算机硬件的更新速度加快，计算机教学的开展也受到全新的挑战。由于我国目前招生规模的扩大，经费又相对投入有限，使得实验设备和实验场地不能及时得到扩充，教学设备的硬件建设相对欠缺和滞后，新建计算机硬件实验室、计算机网络实验室等更是不现实的。但是，计算机教学中的很多实验，如局域网的搭建，需要利用多台计算机和多种设备，由于现有的硬件配置条件有限，学生没有亲自做实验的条件和机会，无法培养其动手操作能力。

1.2 软件方面

目前的计算机教学一般是使用公共机房。公共机房只能满足一般的实验要求，同时为了便于机房的管理和维护，通常为所有的计算机安装硬盘保护卡和应用系统策略来限制学生的某些操作。学生上机的时候，不允许他们随意安装软件，更不允许进行如硬盘分区、格式化等操作。学生无法在实际的环境中操作练习，只能被动地进行一些简单的实验操作，实践教学的效果较差。

1.3 教学方面

许多计算机教师的思想观念还没有完全转变，在计算机教学中，重理论、轻实践，一直采取单一的理论讲授教学，非常抽象、枯燥，学生难以理解和掌握。当然，也由于经费等各方面的原因，教师一般采取以讲代练或课堂演示的方式进行教学，使得学生只有理论知识而缺乏动手实践，无法操作实验，对一些知识点无法掌握透彻。

综合以上分析，可以看出目前计算机教学存在问题的关键是教学设备不足。如何充分利用好现有的教学设备，来满足最大化的教学需求，这是一个新的挑战。笔者认为利用虚拟机可以改善上述计算机教学中存在的问题，较好地达到一机多用的目的。

2 虚拟机简介

2.1 虚拟机的概念

虚拟机（Virtual Machine，简称VM），就是虚拟的计算机，是指运行于物理计算机上的、用软件模拟出来的、具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的计算机系统。虚拟机是相对于常用的物理计算机而言的，又被称为逻辑计算机，其本质上是对物理计算机的模拟仿真。

虚拟机以文件的形式存放于物理计算机中，仅占用物理计算机的一部分资源。一台物理计算机，可以虚拟出多台完整的虚拟机，并且不同的虚拟机可以运行单独的操作系统而互不干扰，使用的时候就如同打开一个应用程序一样。

每台虚拟机都具有自己的CPU、内存、硬盘、网卡、BIOS、光驱、显卡、声卡、USB接口等，只不过这些硬件设备都是用虚拟软件模拟出来的。在计算机教学中，可以利用虚拟机进行开机、关机、硬盘格式化、设置BIOS等操作，这一切对主机没有任何影响。

目前，计算机教学中比较常用的虚拟机软件主要有WMware公司的WMware Workstation和微软公司的Microsoft Virtual PC这两种。VMware技术相对比较成熟，可以虚拟更多的主流操作系统，功能更强大，使用起来比较容易，市场占有率比较高。

2.2 虚拟机的优点

1）集成性。能够在一台PC机上运行多个虚拟机，每个虚拟机都可安装不同的操作系统，而不需要对物理硬盘进行分区或重新开机，不受到物理计算机硬件的限制。各虚拟机与主机之间可以进行通信、共享文件和网络资源。

2）移植性。虚拟机表现在物理电脑上是一个文件，不同的操作系统之间能够进行互动操作。使用者可以直接拷贝备份好的虚拟机文件到其他计算机上使用，大大节省系统安装的时间。

3）经济性。由于虚拟机是利用软件来模拟完整的计算机系统，无需添加新的硬件设备，真正可以做到一机多用，同时又节省维护费用。

4）可维护性。虚拟机与主机之间有良好的隔离性，在虚拟机上进行的操作不会破坏物理计算机的操作系统和软件，对主机现有的硬盘分区和数据都不会造成任何破坏。

3 虚拟机在计算机教学中的具体应用

3.1 操作系统安装

操作系统有MS-DOS、Windows98、Windows2000、Windows XP、Linux、Unix等不同系列、不同版本。由于操作系统的安装具有一定的危险性，学生可以在硬盘上建立自己的虚拟机，并进行安装操作系统的练习。在虚拟机环境下可以实现多个操作系统同时运行，带来极大的方便。

3.2 计算机维护

出于公共安全考虑，磁盘分区、格式化等危险操作，学生一般没有机会亲手实践。在虚拟机环境下，学生可以任意进行磁盘分区、格式化、设置CMOS、设置BIOS SETUP参数等一些计算机维护操作。操作完成后，通过映象功能可以非常轻松地将操作系统恢复到原样。

3.3 网络技术应用

学生在学习局域网的组建、网络配置与管理、FTP、邮件服务器等各种网络服务的配置、远程访问和路由的设置等知识时，单凭理论讲授是很难理解和掌握的。利用虚拟机，学生可以在单台计算机上组建网络环境，进行各种网络配置，也可以组建虚拟局域网，实现集群试验。若学生不能按时完成实验，借助虚拟机的挂起功能，保留当前状态，以便下次继续完成。

3.4 网络安全

在网络环境下，病毒、木马、黑客程序非常盛行。教师在讲解计算机病毒、木马等知识时只能停留在讲述阶段，利用虚拟机可以改变这一状况。教师可以在虚拟机系统上植入病毒文件进行病毒、木马程序的传播与演示，以及实现安全防御等操作，让学生更加直观地了解系统的安全及防御技术。

3.5 软件测试

学生在学习软件设计、网页设计等课程时，编写的程序需要在多种环境及多种操作系统环境下进行测试。应用虚拟机，不需要实际安装所有的系统与插件，就可以轻松地模拟出各种测试环境，有利于发现问题和解决问题。

3.6 课件制作

计算机教师在制作课件时，常常会需要多种操作系统中的操作。通过虚拟机软件，可以使用Snagit、HyperSnap-DX等屏幕捕捉程序，方便地把样图抓取下来，或者直接利用视频捕捉功能将操作过程录制下来，有助于制作图文并茂的课件。

总之，虚拟机是计算机教学的有效工具，在计算机教学中有非常重要的作用和广泛的应用。如何利用虚拟机更好地为计算机教学服务，是每个计算机教师需要研究的一个新课题。

参考文献

[1]刘晙.谈谈计算机教学中虚拟机的应用[J].科技资讯，2009(36):190

[2]蔡友林，祝红琴，司红伟.虚拟机技术在计算机教学中的探讨[J].电脑知识与技术，2009，5(10)，7889-7990

虚拟实验设计论文篇5

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[6]焦瑞莉，南利平，李学华. 基于LabVIEW的通信专业远程虚拟实验室[J]. 国外电子测量技术（虚拟仪器），2005（3）：4-7.

[7]廖云伢.基于Java与Matlab集成的数字通信原理虚拟实验平台的设计与实现. 中南大学硕士学位论文.2007.

虚拟实验设计论文篇6

关键词：多科性大学；虚拟仿真实验教学；教学体系；开放共享

虚拟仿真实验教学是“虚拟现实（VirtualReality）+教育”深度融合的产物，其推广顺应了教育信息化的发展趋势和现实需要，推动了高校实验教学改革和创新。教育部自2013年提出建设部级虚拟仿真实验教学中心以来，连续三年虚拟仿真实验教学中心建设原则的通知，教育部对虚拟仿真实验教学的重视程度和建设虚拟仿真实验教学中心的迫切需求有目共睹。2017年7月教育部的开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知中，提出经济管理类示范性虚拟仿真实验教学项目建设规划要在2019年和2020年共达到80项之多。由此可见，教育部对推进经济管理类虚拟仿真实验教学的力度之大。目前来看，全国经济管理类虚拟仿真实验教学中心的建设处于起步探索阶段，少数财经院校已建立，并初步建立其适用的较为完整的教学体系和教学模式，大部分院校特别是多科性大学还没有启动建设，更没有对其实验教学进行系统的实践和研究。经济管理类虚拟仿真实验教学，并不仅仅是将虚拟仿真技术引入到经济管理类实验教学中，更强调的是将虚拟仿真思想融入其中，搭建虚拟真实场景、开发虚拟真实企业实践平台及后台数据库、模拟社会经济管理的现实问题作为实验项目，注重让学生在学习过程中能亲身经历，乐于实践，获得知识，提高技能，有效地弥补了实验过程不可逆和实验项目不可及的缺陷。由于各高校学生的特点、课程体系、传统实验开设的情况等等不尽相同，结合西北政法大学经济管理类虚拟仿真实验教学中心的建设实践，对多科性大学经济管理类虚拟仿真实验教学中心建设的目标、实验教学体系和实验中心建设和使用进行系统研究。

一、多科性大学经济管理类虚拟仿真实验教学中心建设的目标

多科性大学不同于财经类大学和综合性大学，它是以一个或两个学科为支撑、其他多个学科协调发展的学科格局。西北政法大学就是一所以法学为主，经济学、管理学、文学、哲学等学科协调发展的多科性大学。通过对山西财经大学、贵州财经大学、南京财经大学、南京审计大学四所财经类大学和西安交通大学、西北大学两所综合性大学的实地考察、调研，发现如西北政法大学这样的地方多科性大学经济管理类实验教学相对落后，实践教学体系不完整、不系统，实验室建设滞后等问题。为适应当下对应用型经管类本科人才的迫切要求，经过一年多的考察、调研、可行性报告和建设方案的撰写、施工建设、后期调试，西北政法大学经济管理虚拟仿真实验教学中心（以下简称“仿真实验中心”）落成运行。

1.仿真实验中心基本情况仿真实验中心总面积约1000平方米、含三个全封闭实验室、五个半开放仿真实验室（跨专业综合虚拟仿真实验项目可跨实验室进行），其中，全封闭实验室有经济＆管理基础实验室-A型实验室、统计调查与数据分析实验室-B型、审计财务管理专业实验室。五个半开放的实验区分别是金融保险仿真区、企业模拟仿真区，跨境全流程仿真区、跨境分销实战区和综合模拟仿真实验区。综合模拟仿真实验区模拟银行、税务、工商、社保公积金实际工作场景，可组合其他四个半开放实验区根据课程需要进行授课。企业模拟仿真区、跨境全流程仿真区和跨境分销实战区可组合为跨境综合实验室。跨境全流程仿真区、金融、保险仿真区、企业模拟仿真区可组合为企业综合模拟仿真实验室。金融保险仿真区、企业模拟仿真区、综合模拟仿真实验区、跨境全流程仿真区可组合为虚拟商业社会环境跨专业综合模拟仿真区。组合后的实验室可作为学生创新创业实践项目、跨专业综合实验项目、学年论文项目和毕业论文项目的实践基地。仿真实验中心采用云桌面管理，安装软件总计36个，包括基础审计、金融类实验软件；跨专业综合实践软件；财会与审计专业综合教学实践软件；电子商务基础实验软件；国际贸易和跨境电商综合仿真实训软件；人力资源管理实训软件；社会保障学相关实训软件。仿真实验中心可用于西北政法大学经济管理相关学科十三个本科专业的课程实验、专业实验和跨专业综合虚拟仿真实验教学。

2.仿真实验中心建设的主要目标（1）面向新时期实验教学的最新趋势和要求，达到或引领多科性大学经管类实验教学的最新探索水平，牢牢把握当下经济社会发展趋势和企业对高水平、高层次人才的能力要求，注重大学生综合实践能力的提升。（2）面向经济管理类专业和课程，将学生置于虚拟仿真环境中，模拟现实操作过程，实现全流程实践和核心业务的实践，切实提高实验教学效果，提高学生专业知识的应用能力。（3）实验教学中心可达到各专业课程实验和跨专业综合实验的紧密衔接、资源共享的目的，进一步促进多科性大学各学科的协调发展。实验中心的建设无疑为经管类实验教学改革和研究实践提供了充分的条件，但虚拟仿真实验在经管类实验教学的应用还处于起步阶段，应系统地对实验教学体系和将来的发展方向进行研究。

二、构建多科性大学经管类虚拟仿真实验教学新体系

围绕经济管理类人才培养体系，突出大学生创新能力和应用能力的培养原则，完善教学实验模式，创新实验方法，扩展实验层次，构建能力培养为导向、跨专业、虚实结合的多层次实验教学新体系。

1.教学模式由以课程或专业设置实验室的传统实验教学组织模式，逐渐转变为由学科群组建基础实验以及项目为主导的跨专业综合虚拟仿真实验模式。开发以问题为导向、以自身专业为主的跨专业综合虚拟仿真实验课程体系。比如，将大三第一学期的学年论文的撰写改革为两个星期的综合虚拟仿真实验实习加论文的形式，这是学生由专业基础提升到跨专业综合的一次重要节点，为大三和大四学年的专业学习、毕业实习以及毕业论文的设计和撰写打下坚实的基础。

2.实验教学方法实验教学方法由教师演示、学生自主学习的传统方式，逐渐转变为任务驱动、团队作战、仿真模拟、岗位实战的方式，提高学生分析、解决问题能力，增强创新意识、团队意识和管理意识，促进自主性学习和个性化学习，培养学生综合素养和应用能力协调发展。

3.实验层次实验教学新体系由基础课程的验证性实验、专业课程的熟练性实验、专业综合课程的跨专业综合虚拟仿真实验、就业前的综合素养提升实验构成，达到实验教学内容衔接、教学要求匹配、教学效果阶梯化形成的目的，最终实现训练基本技能、培养创新意识、训练专业技能、训练综合能力、培养社会适应能力等三个层次的目标。通过以上三个方面的创新，构建“能力培养为导向、跨专业、虚实结合、多层次”的实验教学新体系。具体内容如下图所示。第一个层次适用于大学一、二年级的学生，这个阶段的课程以基础课程为主，包括专业基础课程，创新创业课程以及各类专业竞赛，实践课程是以配合课程为主的验证性实验和体验感知性实验，通过融合创新创业教育和专业竞赛，增加对项目的认知。这个阶段由传统教师演示、学生自主的教学方法和任务驱动、团队合作、小组讨论的教学方法相结合，以训练基本技能和培养创新意识为主要目标。第二个层次适用于大学二、三年级的学生，这个阶段的课程以专业课程为主，主要的专业课程都已经接触到，学生对其专业有了一定程度的认识，实践课程也应由验证性实验和体验感知性实验转变为专业课程的熟练性实验和设计性实验。开设一些从业资格考试相关的实践课程，学年论文的综合虚拟仿真实践课程，这个阶段主要采用任务驱动、团队作战、仿真模拟、岗位实战的方法，训练学生的专业技能、培养专业应用能力。第三个层次适用于大学三、四年级的学生，这个阶段所有课程的讲授基本结束，学生对其专业进行了全面的认识，也有了一定的专业技能，进行毕业前实习，马上走上工作岗位，实践课程也应随之变化。校内的实践课程主要是跨专业综合虚拟仿真实验，弥补在校外实习单位接触不到的核心业务和全流程业务，这个阶段主要采用项目驱动、团队作战、仿真模拟、岗位实战的方法，训练学生的综合技能、培养社会适应和创新能力。构建的“能力培养为导向、跨专业、虚实结合、多层次”的实验教学新体系遵从了学生每个阶段的特点和学科基础，循序渐进，逐步提升学生的实践能力。

三、多科性大学经济管理类虚拟仿真实验教学中心建设和使用思考

鉴于对西北政法大学经济管理虚拟仿真实验教学中心的建设实践和研究，对多科性大学经济管理类虚拟仿真实验教学中心进一步完善软硬件建设和管理机制进行了如下几个方面的思考。

1.仿真实验中心教师队伍建设高效、专业的实验室教师团队是开展虚拟仿真实验教学必不可少的。将整个实验室队伍分为下面三个组成部分建设完善，以提高实验室教师团队的整体水平，组建一支实践能力强、善于合作、多学科融合的实验室专业教师团队。（1）专职实验教师。引进计算机相关专业的教师作为专职实验教师，薪酬待遇、职称评定与专业教师同等对待。负责系统维护、技术支持和通用性实验课程的建设教学，负责与各软件厂商协同合作来保证设备和系统安全、稳定的运行，并定期组织专业教师进行平台使用培训。（2）专业教师。采取课时激励的方法鼓励专业教师承担实验课程（课程实验环节）。实验室专业教师队伍的建设可以在相对具备专业技能及实践教学经验的经管专业教师的带动下，引导各学科的专业教师加入到实验室教师团队中来，促进教学改革，调整教学方法和考核方法。（3）实验室管理人员。鼓励学生助教从事于实验室管理工作，通过短期培训即可对云桌面综合管理集成平台进行熟练操作。鼓励专职实验教师和专业教师将实验教学与科研协同发展，相互促进。校企协同开发实验平台和实验项目，申报各级虚拟仿真实验教学项目促进教学改革，出版相关实践实验教材，逐步建立完善的实践教学课程体系。不管是专职实验教师还是专业教师都可以在实验室教学过程中获得科研成果，使教学科研能力、职称评审、薪酬待遇均可得到很大程度的提升。

2.仿真实验中心管理制度的完善仿真实验中心采用开放式管理。学生可以预约时间使用仿真实验中心，也可以在任意的终端设备上随时随地访问虚拟仿真实验教学中心的实验教学资源及个人的实验数据进行查看和练习，促进学生自主性学习和个性化学习，同时为教师进行虚拟仿真实验教学方法改革提供更充分的条件。

3.跨专业虚拟仿真实验教学课程体系的开发建设虚拟仿真实验课程体系构建是虚拟仿真实验教学建设的重要内容。建设相对完善的跨专业虚拟仿真实验教学课程体系需要根据学生的反馈在实践过程中反复研究、反复实践、反复改革，这是一个持续不断的过程。因此，在之后的实验教学研究和实践中，应鼓励相关教师协同合作开设以提高综合实践能力为目标的跨专业虚拟仿真实验教学课程。学年论文和毕业论文也可以依托跨专业综合虚拟仿真实验成果撰写，将很大程度上提高学年论文和毕业论文的质量。

4.实验教学资源开放共享机制探索优质实验资源的开放共享是虚拟仿真实验教学中心建设的重中之重，从对各个高校实验中心的调研情况来看，资源的开放共享仍处于起步和探索阶段，包括技术方面和运行机制方面。仿真实验中心的开放共享主要是以实现校内实验项目和授课内容打通、校内毕业论文和校内创新项目打通、校内课程实验数据与跨专业综合虚拟仿真实验数据打通、校间虚拟仿真实验教学协同创新、校间虚拟仿真实验教学资源开放共享为目标展开。无论是校内资源还是校间资源的开放共享，都需要与企业、高校之间协同合作，共同研发核心技术，建立开放共享的协同机制，比如激励机制、利益分配机制等，防范开放共享产生的风险。

5.与创新创业教育、校企协同育人深度融合仿真实验中心为创新创业教育、校企协同育人项目提供校内实践基地，为这两个项目的顺利开展奠定了基础。仿真实验中心将促进校内创新创业教育的教学模式、教学方法和课程体系的研究和探索。2015年，西北政法大学被认定为陕西省省属大学生创业培训基地，实验中心无疑为开展大学生创新创业教育奠定了基础，搭建了平台，为校内所开设的创新创业课程与实践活动提供了充分的硬、软件环境。探索虚拟仿真实验与创新创业教育的深度融合的教学模式和教学体系，更好地开展双创教育。将仿真实验中心作为学校、企业共同参与的合作办学的校内实验实训实习基地，实验中心的综合虚拟仿真实验区构建真实场景的实习环境。拥有优质的实验教学资源的跨专业综合虚拟仿真实验中心对校企协同具有重要的深化作用。

6.与技能竞赛教学模式协同发展近年来，高校各专业技能竞赛日益增多，“以赛促学、以赛促教”的实践教学模式成为提高大学生综合实践能力的重要组成部分。在仿真实验中心创建以竞赛为目标的面向参赛学生全天候开放的创新实践基地，教师可根据学生参赛情况进行必要的赛前辅导和模拟演练，在跨专业虚拟仿真区进行项目的仿真演练，开发竞赛作品资源库，形成“教、赛、学”一体化实验教学体系，提高竞赛水平，培育出优秀竞赛作品，提高学生的创新实践能力。

四、结束语

多科性大学经济管理类虚拟仿真实验教学中心的建设是硬件、软件和管理机制三个方面协同建设的过程，不断地研究与实践保证它长期、持续的发展。西北政法大学经济管理类虚拟仿真实验教学中心的建设实践为多科性大学在经济管理类虚拟仿真实验教学迈出了坚实的一步，对其进一步探索研究，使虚拟仿真实验教学在提高多科性大学经管类学生的综合实践和创新能力方面发挥其最大的作用。

参考文献：

[1]薛永基，陈建成，王明天.经管类专业虚拟仿真实验教学探索与实践[J].实验室研究与探索，2017

[2]刘军，施晓秋，金可仲.面向地方院校工程教育类专业的虚拟仿真实验教学中心建设[J].中国大学教学，2017

虚拟实验设计论文篇7

【关键词】远程 虚拟实验实训 教学

【作者简介】高建党 1960-07-01，男，研究生，副教授，云南开放大学机电工程学院副院长，仪器仪表工程专业，云南省昆明市 650500

一、引言

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》确定要“办好开放大学”。根据国家教育体制改革领导小组和教育部的部署开展了建设开放大学的试点工作，经教育部研究批准部分省市在广播电视大学基础上建立开放大学，目前已挂牌国家开放大学，北京开放大学、上海开放大学、云南开放大学四所，我国开始迈上探索建设中国特色开放大学新征程。开放大学承载继续教育、终身教育功能的综合性开放教育平台，它是以现代信息技术为支撑开展教学活动的新型教育形式，主要面向成人开展远程开放教育的新型高等学校。

开放大学具有教学资源开放性、学生与学校地理位置远程性和分散性，实验实训成为开放大学远程教育的桎梏，2011年在北京召开的“中国职业教育虚拟实验实训资源建设与应用高峰论坛” 提出：“引入普适性教学虚拟产品，充分发挥虚拟实验实训在职业教育和远程教育中的实践作用”，因此，虚拟实验实训无疑是开放大学远程实验教学方法上的首选。

二、远程虚拟实验实训

实验实训是高等职业教育教学活动中最重要的教学环节，学生只有通过足够的实验实训，才能具备理解和掌握所学专业的理论知识，才能获得实践技能和提高动手能力。由于开放大学的办学特点，采用传统的实验实训教学方法面临各种各样的问题：学生主要通过网络自主学习获得知识和技能，学习时间不统一，学习地域分散，网络虚拟实验实训是一种全新的实验实训方式，下面就云南开放大学部分课程远程虚拟实验实训教学实践从四个方面进行探究。

（一）虚拟实验实训仿真平台

虚拟实验实训仿真平台采用多媒体技术和仿真技术软件在计算机上建立实验实训平台，虚拟实验实训平台提供可操作的虚拟实验器材，学生在计算机上自己动手配置、连接、调节和使用虚拟仪器、设备、器件，通过接近真实的人机交互界面完成实验。

虚拟实验实训仿真平台软件可以外购，也可以学校自已开发，外购虚拟实验实训仿真软件大都基于特定行业或专业环境，由专门的研发公司设计开发，研发成本高以至于外购价格较高，并限制装机台数，有的虚拟仿真软件对硬件环境要求高。学校自已开发虚拟实验实训仿真软件更能接近教学要求和学生实际，可与所选教材的教学内容相吻合，但开发虚拟实验实训仿真教学软件对开发者的要求较高，应具备以下能力：

1.具有丰富的教学经验，体验过多种教学方法。

2.具有丰富的实践经验，熟知职业岗位对实践能力的需求。

3.能够熟练地掌握多媒体软件制做技术或本专业领域仿真软件应用。

不论采用外购或自已开发虚拟实验实训平台，教师都必须将虚拟实验实训内容融入的教学内容中。对于典型实验通常是由精通相关专业的教师设计开发，要求学生在此基础上进行实验。

（二）远程虚拟实验实训的实施

远程虚拟实验实训主要有两种方式：“虚拟实验实训实际操作” 和“虚拟实验实训演示”。

“虚拟实验实训实际操作”方式允许学生根据虚拟实验实训平台上提供的器材自由搭建实验，学生既可以改变实验形式和实验参数，又可自主设计实验，有利于培养学生的设计能力和创新意识。虚拟实验平台通常拥有一个可供调用的实验器材栏，学生可以调用所需器材到实验台上，按实验步骤和要求完成实验。但是采用“虚拟实验实训实际操作”方式，学生使用的计算机必须安装网络版虚拟实验仿真平台或仿真软件。软件开发商对虚拟实验仿真软件的装机台数有所限制，仿真软件也有版权问题，这种实验实训方式需要足够的资金支持。

“虚拟实验实训演示”方式并不是真正意义上的虚拟实验实训，而是一个虚拟实验实训教学版，教师将虚拟实验实训全过程通过视频截图软件制作成视频文件，实验操作过程配以画外音讲解，将实验实训视频文件传于网上，学生时时、处处都可以自主学习，尽管“虚拟实验实训演示” 方式不是真正意义的虚拟实验实训，但却是最容易实现，成本最低的远程实验实训教学方法。

（三） 虚拟实验教学管理系统

网络化的虚拟实验管理是虚拟实验教学系统的重要特征，是虚拟实验教学系统与一般仿真系统的主要区别。开展远程虚拟实验实训教学需要通过虚拟实验教学管理系统向学生、教师、教务管理员提供实验教学管理功能。对学生而言，可选择实验、开展实验、接受实验指导、在线提交实验报告、保存和提交实验结果、查询实验成绩和批语；对教师而言，可实验、安排实验、批改实验报告、统计并学生的实验成绩和批语；对教务管理员而言，可实验实训计划、选课日期设置、开课审核、开课查询等。教师和学生通过教学论坛进行互动交流，学生可将实验中的经验、教训、收获和问题在论坛上，教师可将实验中的不足提出来，师生共同探讨。教师从中可以及时地得到实验教学反馈信息，以便调整实验教学的进度和深度。学生也可从中吸收别人的经验，快速提高自己的能力。

（四） 虚拟实验实训与实体实验相结合

开放大学的远程实验实训包括实体实验实训与虚拟实验实训，远程实体实训必须依托于开放大学院本部、地方二级学院、学习中心、地方和企业支持联盟的实验实训硬件条件。虚拟实验实训不能代替实体实验实训，但虚拟实验实训可以指导实体实验实训，虚拟实验是手段，提高学生的实践能力是目的。

三、结论

虚拟实验实训效率高、可远程、安全，甚至一些较复杂，实体实验不便做的实验虚拟实验都能够实现，另外，针对开放大学的开放性、远程性、分散性的教学特点，还可以建立网上虚拟实验室，实验安排方便灵活且不受时间地域的限制，只要有网络的地方就可以开展实验，实现真正意义上的开放实验室。当然，任何形式的虚拟实验是不能代替实体实验，但虚拟实验可以指导实体实验，虚拟实验是手段，提高学生的实践能力是目的，网络虚拟实验与实体实验有机结合、相辅相承、互为补充，可以更好地为开放大学各类学生提供良好的实验实训支持服务。

参考文献

[1] 教育部. 国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）[N].北京：中国教育报，2010.7

[2] 郝克明. 跨进学习型社会[M]. 北京：高等教育出版社，2008

[3] 吴兆方. 陈光曙.高等职业教育“两高一新”人才培养模式的研究[M].北京：高等教育出版社，2009

[4] 徐彬. 开放大学 服务终身[M].昆明：云南大学出版社，2012

虚拟实验设计论文篇8

关键字：虚拟实验；中学物理教学；实验教学

Abstract: virtual reality technology because of its ability to generate lifelike 3 d virtual experimental scene, and that the user can and scene for real-time interactive, perception and the operation of the virtual object, make up the deficiency of the real experiment environment, the experimental teaching of the teaching content, teaching mode, teaching method to make innovation of exploration, make the teaching effect is better.

Key word: virtual experiment; The physics teaching; Experiment teaching

中图分类号:G632.3 文献标识码：A文章编号：

收稿日期：2011-11-21

基金项目：国家大学生创新性实验项目

作者简介：王刚，男，陕西安康人，陕西师范大学计算机科学学院2009级本科生；李葆华，男，陕西师范大学计算机科学学院，副教授。

一、引言

计算机技术和现代教育技术的迅速发展，伴随着中学课程的改革，虚拟实验技术的应用日益广泛。不断深化的教育教学改革对实验教学在培养学生科学研究能力和综合素质方面提出了更高的要求。实验教学的教学内容、教学模式、教学方法亟待革新和完善。中学物理是一门实践性很强的课程，实验是其中非常重要的一环。改革开放以来，我国对基础教育投入不够，致使很多中学的实验器材严重缺乏。而实物实验受环境、条件及准备不足等原因影响，实验效果也不理想。另外受场地、时间等诸多限制，学生做实物实验的机会很少。这对学生创新意识的培养及其不利。虚拟实验技术的成熟发展和实验教学改革的迫切需要使得虚拟实验在教学中的应用从理论研究走向了实际应用。

二、研究背景

（一） 问题提出

实验是物理课程改革的重要环节，是落实物理课程标准、全面提高学生科学素养的重要途径，是中学物理教学的重要组成部分。一是因为物理学本身就是建立在实验基础上的学科，实验是物理学的学科性质；二是因为物理实验对促进学生理解、激发兴趣以及培养学生多种能力与科学素养方面具有重要的教育教学功能，对培养创新型人才起着重要的作用。“随着新一轮课程改革的开展，新课程理念的渗透，高中物理教学越来越重视学生对物理实验的理解，重视学生实验技能的提高，鼓励将多媒体技术应用在物理实验中，提倡用身边的普通物品做物理实验”[1]。

世界上许多发达国家重视物理实验的经验值得我们借鉴。“没有实验的课，不算是一堂成功的课”，这是德国物理教育界普遍流传的一种说法，德国的物理教师除了极少数的纯理论课没有演示实验外，一般每堂课都要做2-3个实验。美国物理课也普遍重视物理实验。每一节物理课教师至少要做一个演示实验，而且这些实验都是教师自己设计，所用器材也是自己动手制作的。日本的物理实验教学也非常活跃，学生课堂上动手操作量较大，有半数以上的课堂是在实验室度过的。大量的信息资料显示：国际物理教育界正在流行这样一种趋势，即衡量一堂物理课的好坏，很大程度上取决于这堂课中实验的数量和质量。

目前，我过传统物理实验课程面临严峻挑战伴随着教育教学改革的不断深化及国家对教育投入的持续增长，国内实验教学软硬件建设和装备条件都有了很大程度的改善，这些变化都为学校带来了难得的发展机遇。但传统实验教学在发展的同时也面临着严峻的挑战:

1、时间和空间的约束。不管何种类型的实验，实验教学都必须在指定的实验室中进行，否则根本无法进行。

2、有效的实验仪器数量严重不足。早期的基础建设投入不足加之仪器设备量少、陈旧并且维修周期长，给实验教学的正常开展设置了重重障碍，影响学习者动手能力的提高。

3、实验教学内容陈旧、教学手段比较落后。传统实验大都采取课堂教学的灌输方式，学生的依赖行为比较明显，不利于培养学生的创新能力，亦不能达到预期的实验效果。

随着计算机技术和虚拟现实技术的发展，虚拟现实技术正逐步被引入到实验教学中。在基于虚拟现实的虚拟实验系统中，虚拟实验是指由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验环境、有关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。虚拟实验有利降低实验成本;仿真实验的引入，不会因为误操作而造成人员或仪器设备的损伤，不会发生实验室里常见的故障;彻底打破时间与空间的限制，以使学生能够观察大到宇宙天体、小到原子微粒，以及需要几十年、几千年才能完成的变化过程[2]。

（二） 研究的意义

物理学的基本特点是它的实践性，物理学是一门以实验为基础的高度定量化的科学。它离不开实验和观察。物理实验是开展物理学研究的万能钥匙，凭借它人类渐次打开了物理世界各个领域的大门，探索了自然界的奥秘。物理实验是物理理论、物理学科研成果通向生产实践的桥梁。

实验教学在物理教学全过程中对学生有效掌握物理知识、发展各种能力、提高素质与促进世界观的形成等方面起着重要作用。物理实验的教育教学功能，除了能激发学生兴趣、训练学生的科学方法、有效地掌握物理基础知识、培养学生手脑并用的能力及科学态度和作风外，还具有“对学生认知结构的转化功能，对认知发展的促进功能，非语言传播功能，测量与评价功能。”[3]在物理教学中运用实验的目的主要在于给学生学习物理创造一个良好的环境，使学生能主动地获取物理知识和发展能力，促进学生科学品质和世界观的形成，同时，通过学生的观察实验，使学生掌握实验的基础知识和基本方法，培养他们的实验技能和能力。物理教学必须以实验为基础，这是由实验本身的特点及其在物理教学中的作用所决定的。我国教育研究工作者对于在中学阶段物理实验教学的作用的阐述[4]，总结起来有以下的五个方面:

1、实验教学能激发学生学习物理的兴趣。

实验教学可以丰富学生的感性认识，将学生带入生动直观的学习情境，从而极大地吸引学生注意，激发学生的兴趣和求知欲。

2、实验教学有利于训练学生的科学方法。

观察和实验本身就是物理学的重要研究方法，实验教学能够使学生在实验中逐渐熟悉和领悟这一基本科学方法。另外，实验教学还可以在一定程度上模拟物理学研究的过程，从而使学生在这个仿真的研究过程中学会科学研究的一些其他的方法。

3、实验教学能帮助学生有效地掌握物理学的基础知识。

物理学知识是由一系列基本概念和基本规律组成的，在中学物理教学中，大量的概念和规律的获得都需要建立在实验和观察的基础上，直观生动的实验教学能够起到突出重点、突破难点的作用，帮助学生理解物理概念、形成物理图像和认识物理过程。同时，物理学知识又是与社会、生活实际息息相通的，实验教学恰好可以给学生提供一种将物理学知识理论联系实际的机会，达到学以致用的目的。

4、实验教学有助于培养学生的多种能力。

实验是手脑并用的实践活动。在实验教学中，中学生通过理解实验原理、操作实验仪器、观察实验现象和分析实验结果等活动，使观察能力、思维能力、操作能力都得到锻炼。

5、实验教学能培养学生的科学态度和科学作风。

在实验教学中，通过教师自己的以身作则和教师对学生的严格要求，可以使学生逐步懂得并做到在实验中:爱惜实验仪器，进行规范合理的操作;尊重事实，不篡改实验数据:推理过程避免主观臆断:不怕困难和失败;敢于发表自己的见解等等，从而培养学生实事求是、理论联系实际、顽强探索、勇于创新的科学精神。

总之，实验教学是使学生获得中学物理基础知识、发展能力、特别是发展他们的创造能力的基本途径。实验教学不仅关系到学生在中学阶段对物理的理解和认识，更关系到学生的思维方式和创造精神的形成，对他们一生展都可能会产生深远的影响。

由此可见，在中学物理教学中引入虚拟实验是非常必要的，这主要是因为中学物理课程强调物理知识的基础性、系统性和实践性，同时中学生由于年龄较小，理解能力有限，学习物理的难度较大。物理教学中引入虚拟实验并与真实实验有机结合，可以培养学生对物理规律、物理现象、实验仪器的感性认识，帮助学生从直观中学习抽象的理论知识和物理规律。因此，无论基于理论探索还是服务于教师教学和学生自主学习，本文都具有重要的意义：第一，借助于虚拟实验，实现理论教学与实践同步进行，加强学生的实验技能，提高学生的综合能力；第二，强化了信息技术在中学物理教学中的应用；第三，为中学物理实验教学新模式的探索，提供实践依据和借鉴。

（三） 研究的现状

国外虚拟实验主要以教学培训为目标，参与单位众多，覆盖学科面广。学校参与的项目多数能得到部级资金资助，发展十分迅速，列举如下：

1、麻省理工大学的微电子在线实验室[5]

麻省理工大学的电子工程和计算机科学学院是较早开始虚拟实验教学应用的院系。该学院的JesusA.delAlamo教授早在1998年就创立了微电子在线实验室(Microelectronics WebLab)。此微电子在线实验室自1998年秋投入教学应用测试至今，其使用版本已从最初的WebLab1.0经过2.0、3.0、3.1发展到现在的WebLab4.0”。

2、LAAPhysics(Learn Anytime Anywhere Physics)物理实验室[6]

该项目获得美国教育部资金资助，由美国北卡罗来那大学Greensboro分校研制。项目的目标是在网上建立一个开放的、自由的物理课程实验室，并提出了“随时随地学习物理”的口号。系统通过JavaApplet模拟各种实验设备(测量设备与被测对象)；能与虚拟教师和虚拟学习伙伴进行交流(教师进行指导、问答、评判，学习伙伴讨论)；具有聊天室和BBS(与授课教师、同班同学交流)以及评分系统(通过数据库对学生操作的记录进行评判)。系统可运行在Windows XP/2000或Macintosh OSX平台。

3、Futurelab虚拟实验室[7]

该产品是美国Simulation Plus公司在国家科学基金(National ScienceFoundation)的资助下于1998年推出的。产品功能面向中学教育，包括物理、地理、自然、化学、生物等虚拟实验室，涵盖范围从初中到高中各个年级。

国内相关课题研究概况国内很重视虚拟实验。虚拟实验的教学应用主要集中在各大学，如清华大学、北京大学、上海交通大学、华中科技大学、中国地质大学等，但针对于中学物理虚拟实验教学应用的中学校目前还较少。

三、虚拟实验的理论基础和技术基础

（一） 虚拟现实技术

1.虚拟现实技术简介

虚拟现实技术是一种逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉及运动等行为的人机接口技术。它利用3D数字化系统、多传感交互技术以及高分辨显示技术的科学可视化技术，生成三维逼真的虚拟环境，使用者借助于特定设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会。

虚拟现实系统中，用户以自然的方式与虚拟环境交互。所谓自然的方式，是指用户通过视觉、听觉、触觉等感觉虚拟环境，使用户产生在真实环境中的幻觉。同时，用户通过在真实环境中的行为，去干预虚拟环境。所以，虚拟现实的人机接口设备，完全不同于现有计算机的人机接口设备。

2 虚拟现实技术的特点

虚拟现实技术具有沉浸性、多感知性、实时交互性和自主性四个重要特。

1)沉浸性

沉浸性指参与者存在于虚拟环境中的真实程度。理想的沉浸虚拟环境应该达到使参与者难以分辨真假的程度。虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像。使用者在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。

2)多感知性

除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有人的一切感知功能。目前虚拟现实技术所能提供的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉等。

3)实时交互性

实时交互性指参与者与虚拟环境中所遇到的各种对象相互作用的能力。例如，参与者可以用手去抓虚拟物体，这时手有握着东西的感觉，被抓的物体随着手的移动而移动。

4)自主性

自主性指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向运动。

（二） 虚拟实验的理论基础

1.建构主义学习理论

建构主义(constructivism)是学习理论中行为主义发展到认知主义以后的进一步发展，乔纳森(Jonassen，1992)认为它是客观主义(objectivism)更为独立的另一发展方向[8]。建构主义学习理论的宗旨是：学习是意义建构的过程，而不是知识的传递过程。学习者在意义建构中处于中心地位，通过同化和顺应进行建构意义，学习者先前的经验在意义建构中具有重要的作用；在情境化的、真实的境脉中的建构才是有意义的，学习是围绕真实的问题展开的；建构的过程是社会性的，学习既是内部的，也是社会的协商，学习就其本质而言是一个社会对话过程；运用技术支撑高级的心智活动，建构主义环境可支持学习者的思维和行动，引导他们进行反思与自我调节[9]。建构主义学习理论的核心点表现在：

1、知识依赖于个体的建构，学生对知识的建构是以自己的方式进行建构，并不是外界赋予的。一方面，学习是一个积极主动的建构过程，学习者不是被动地接受外在的信息，而是对外在的信息作主动的选择与加工，主动地建构信息的意义；另一方面，由于学习者本身的特点各异，因此建构活动的方式也就不同，对意义的理解也不同。

2、学习者的建构和他们以往的经验有密切的关系。

3、学是在一定的情境中发生的。

4、建构是通过同化与顺应发生的，当外部信息与个体已有的知识结构相匹配时，就被纳入、同化；当外部的信息与个体的认知结构不匹配时，就通过顺应来学习。

5、学习是社会性的，分享他人的观点，与他人进行协商、会话，对知识的学习更加全面、深入。

6、学习是一个不断创新的过程，不是对知识的简单累积的过程，学习者在真实的情景中不断地发现问题、提出假设，解决问题、验证假设，以此进行意义的建构。

7、有意义的学习是通过反思和认知冲突的解决、以及对早期低水平理解的否定而得到的[15]。

2.交互理论

在虚拟实验中，主要是通过学生与教学媒体、学习资源环境以及自身新旧概念的交互来达到实验的目的。因此，有必要研究关于交互的理论。虚拟实验中的教学交互是分层次的，从操作交互、信息交互再到概念交互，逐渐从具体到抽象、从低级到高级。高级的教学交互以低级的教学交互为条件和基础。操作交互是信息交互的基础，信息交互是概念交互的基础，概念交互是最高水平的交互。媒体是所有教学交互的平台和载体，媒体的交互特性是所有教学交互的基础。

（三） 虚拟实验技术基础

1.OpenGL简介

OpenGL是个专业的3D程序接口，是一个功能强大，调用方便的底层3D图形库。OpenGL的前身是SGI公司为其图形工作站开发的IRIS GL。IRIS GL是一个工业标准的3D图形软件接口，功能虽然强大但是移植性不好，于是SGI公司便在IRIS GL的基础上开发了OpenGL。OpenGL的英文全称是“Open GraphicsLibrary”，顾名思义，OpenGL便是“开放的图形程序接口”。虽然DirectX在家用市场全面领先，但在专业高端绘图领域，OpenGL是不能被取代的主角。

OpenGL是个与硬件无关的软件接口，可以在不同的平台如Windows 95、Windows NT、Unix、Linux、MacOS、OS／2之间进行移植。因此，支持OpenGL的软件具有很好的移植性，可以获得非常广泛的应用。OpenGL作为一个性能优越的图形应用程序设计界面（API），适用于广泛的计算机环境。OpenGL已成为目前的三维图形开发标准，是从事三维图形开发工

作的技术人员所必须掌握的开发工具。

2.OpenGL体系结构

一个完整的窗口系统的OpenGL图形处理系统的结构为：最底层为图形硬件，第二层为操作系统，第三层为窗口系统，第四层为OpenGL，第五层为应用软件。见图一所示。

图一 OpenGL图形处理系统的层次结构

OpenGL是网络透明的，在客户机/服务器体系结构中，允许本地或远程调用OpenGL。所以在网络系统中，OpenGL在X窗口、Windows或其它窗口系统下都可以以一个独立的图形窗口出现。由于OpenGL是一个与平台无关的三维图形接口，操作系统必须提供像素格式管理和渲染环境管理。下面以Windows NT操作系统为例具体介绍OpenGL运行的体系结构。OpenGL在Windows NT上的实现是基于Client/Server模式的，应用程序发出OpenGL命令，由动态链接库OpenGL32.DLL接收和打包后，发送到服务器端的WINSRV.DLL，然后由它通过DDI层发往视频显示驱动程序。如果系统安装了硬件加速器，则由硬件相关的DDI来处理。OpenGL/NT的体系结构图（如图二）所示。

图二OpenGL/NT体系结构

3.滑动变阻器的功能设计

实验室用滑动变阻器是直流电路中最常用的实验仪器之一。系统应提供多种交互手段，用户和系统的交互主要通过鼠标和键盘进行。键盘主要应用在辅助鼠标进行多个物体的选择，其他的交互都是用鼠标来完成。系统设计中的滑动变阻器能够根据所连接在电路中的接线柱和滑块的位置来及时准确地改变电路中的电阻，同时系统也必须提供将滑动变阻器连接到电路中的接口。其功能主要包括三个方面：

⑴缩放和移动。主要实现滑动变阻器在上下左右和对角线方向的缩放功能，可以通过鼠标的拖动来完成（如图三）。

图三 鼠标缩放图像

⑵滑块移动。滑动变阻器在电路中电阻的变化主要是通过滑动滑块来实现的。在正确连接的情况下，滑块移动能够改变滑动变阻器在电路中的有效电阻，从而实现变阻器在电路中的限流、分压作用等。本文中的滑块移动功能是通过在滑块上绑定一个点，这个点和滑块彼此关联来实现的，通过鼠标拖动点来实现滑块移动，效果（如图四)所示。

图四 使用鼠标拖动滑块

⑶接线柱。滑动变阻器在电路中起到保护电路、限制电路电流和分担电压等作用，是通过使用接线柱将滑动变阻器连接到电路中来实现的，所以接线柱的连接功能是必不可少的（如图五）。

图五接线柱功能

其实现的关键技术主要有以下几个方面：

(1)纹理贴图技术

纹理贴图技术又称为纹理映射技术，它是计算机图形学中广泛应用的一项重要技术。本文选用纹理贴图技术是出于两方面的考虑，第一，使用OpenGL 建模所创建的几何造型不能够描述物体的微观细节，而利用纹理图像可以达到模拟物体表面丰富的细节的目的，在很大程度上可以提高图形的真实性；第二，采用纹理映射的方法，可以很好地简化建模过程。本文中的滑动变阻器造型，如果使用OpenGL 直接建模时有许多的细节需要表现，想要创建出真实感非常强的滑动变阻器，需要的工作量是很大的，若采用纹理映射，只要创建简单的模型。在这里使用OpenGL 绘制两个简单的正方形模型，分别使用经过处理的三维立体效果很好的不含滑动变阻器滑块的图片和单独的滑块图片贴到模型表面即可。相比较而言，使用纹理贴图的工作量要小很多。纹理映射（Texture Map）是将指定的图像数据应用到一个几何图元上，使用纹理绘制的一般步骤为：导入纹理，将纹理贴图到几何图形上。

(2)模板缓冲区的使用

在现实世界中，模板就是一块平的纸板或其它材料，模板缓存的用途之一，就是将绘图范围限制在屏幕的特定区域。模板缓存用来进行复杂的掩模(masking)操作。一个复杂的形状可以存储在模板缓存里，然后绘制子序列操作可以使用模板缓存里的内容来决定是否更新象素。

四、虚拟实验在中学物理实验教学中的应用研究

开发虚拟实验系统的目的是为了让该系统在物理实验教学中的真实实验前和实验后都发挥积极的辅助作用：在真实实验前利用本系统进行预习，有助于学生对实验从整体到局部建立直观的感性认识，能有效地克服在真实实验中出现的盲目操作和实验“走过场”现象，缩短了真实实验的时间。对于一些难度大的、操作步骤多的实验，在做完真实实验后再做虚拟实验，可以使学生了解每一实验步骤在实验过程中所起的作用，进一步理解实验原理、消化实验内容。

（一） 虚拟实验辅助教师实验教学的教学模式

1.虚拟实验辅助教师实验教学的教学模式概述

由于虚拟实验加入了实验教学的环节，打破了传统实验教学的流程，因此需要建立与虚拟实验教学相适应的教学模式。在物理实验教学中，教师可以安排学生先进行真实实验，然后留出一些课时做虚拟实验。该方式主要起到复习实验的作用，帮助学生理解实验原理、消化实验内容、巩固实验知识。而且，教师也可以先安排学生做虚拟实验，此方式主要让虚拟实验起到预习实验的作用。老师要求学生先通过虚拟实验明确实验原理、目的和要求，然后按照要求进行虚拟实验，得到数据后进行处理，并回答思考题。

2.虚拟实验教学模式对实验教学的影响

从教学方法论的视角看，虚拟实验教学这种崭新的实验教学模式为物理学科的实验更新和实验教学改革提供了新思路。首先，它有力地冲击长期以来所造成的教师演示实验，学生静坐观摩以及学生枯燥地完成验证性实验而机械地重视已有结论的被动局面，为学生生动活泼地主动学实验、“做”实验创造条件。其次，将实验化难为易，让学生体验物理实验的真实情境。由此可以改变长期以来经典的、常规的物理实验统治物理课堂的局面，引导学生感受高新科技时代的气息，增进他们探究科学问题的好奇心和动力。最后，通过典型实验，特别是跨学科知识与探究技能的整合，有利于落实“过程技能”的培养。促使学生将物理知识与学习策略进行高层次的整合，提高学习效率。

（二）虚拟实验辅助教师以教为主的教学设计

在教学实践中教师要将虚拟实验平滑地融入教学过程中，必须和教学内容、教师的活动、学生的活动相结合，如何将这些要素系统地加以考虑，要靠教学设计的理论和方法实现。通过系统科学的教学设计，可以有效地将虚拟实验和传统实验、教与学的理论、教学实践有机结合。其教学设计过程包括教学前期设计、教学情境设计、学习资源设计、学习评价工具设计。

1.教学前期设计

1、教学目标设计

合理的教学目标是保证教学活动顺利进行的必要条件。在传统的教学中，教学目标往往描述的是教师的教学行为和教学过程，而忽略了教学过程的本质和落脚点是学生的学习行为和学习结果。因此，在教学设计中，教学目标要着眼于学生的行为而不是教师的行为，要描述学生的学习结果而不是学习的过程[10]。中学物理的教学目标和能力的培养主要是通过物理教学进行，由物理基本概念、基本原理、基本规律和实践性环节组成，贯穿在整个物理课教学中。

2、教学对象分析

为了解学习者的学习准备情况及其学习能力与学习风格，应充分考虑学习者的能力、潜能、背景和要求等，为教学内容的选择和组织、学习目标的编写、教学活动的设计、教学方法与媒体的选择和运用等提供依据[11]。深入地了解学习者，对学习者的各类特征进行认真分析和预估，分析得越充分越有利于教学设计。在进行学习者分析时，要对学习者的一般心理、生理和社会背景等一般特征、学习风格、学习者的初始能力等进行细致的分析。

3、学习内容分析

学习内容分析又称教学内容分析，是解决教师向学习者“教什么”、学习者“学什么”的问题。根据教学目标，科学地加以选择、确立知识范围，适当地选择教学媒体，着重分析学习者需要学习哪些知识和技能，达到什么程度和水平、培养什么能力和态度、使学习者的身心获得什么样的发展等。

2.教学情境设计

建构主义认为，学是与一定的社会文化背景即“情境”相联系的，在实际情境或通过多媒体创设的接近实际的情境下进行学习，可以利用生动、直接的情境有效地激发联想，唤醒长期记忆中有关的知识、经验或表象，从而使学习者能利用自己原有认知结构中的有关知识与经验去同化和顺应当前学习到的新知识，赋予新知识以某种意义[12]。情境认知的作用如下：

1、知识迁移。大量的研究表明，知识是可以迁移的，并且知识迁移数量的多少、有无，取决于实验情境与最初学习材料之间的关系。实践表明，认知情境中形成的象征性的认知表征，对于知识的迁移有重要的作用。

2、促进反思。通常情境中的问题都是隐含在事实背后，学习者在完成真实问题的解决过程中，很大程度上需要进行认真思考、不断反思，整理自己的认知结构，促进学习者高层思维能力的发展。

虚拟实验系统就是为学习者提供一个与现实情境相类似的“情境”。在该“情境”中，学习过程与现实问题的解决过程相类似，所需要的过程往往隐含于问题情境当中；教师也不是将提前准备好的内容教给学生，而是在课堂上展示出与现实中专家解决问题相类似的探索过程，提供解决的原型，并指导学生探索。

3.学习资源设计

学习资源设计对学习者的学习是至关重要的，教学设计者首先应对资源的状况有所了解。信息技术环境下，知识学习可利用的资源多种多样，包括信息化资源（如计算机和因特网等媒介和数字化内容）、教师、学生、图书馆、实验室等。教学设计者必须保证学习资源的有效性，也就是要保证这种学习资源能够达成教学所需要的教育功效[13]。因此，教师要深入思考信息的组织方式，学习资源的特点，思考它们和学生的学习能力、学习类型、学习方式与学习过程之间的关系，认真设计学习资源，保证学习资源的有效性，为学生创设真实的情境，以利于他们对知识意义的建构。

4.学习评价工具的设计

学习评价是指评价者参照一定的标准、运用合理的方法对学习者的学习过程和结果做出评定以及在此基础上对学生形成价值判断的过程。进行评价时应注意以下情况：(1)评价的目的是引起反思，指引学习；(2)评价指标不设权重，评价结果不需量化；(3)评价过程要与学习过程交融，评价即学习[14]。物理实验的教学设计应有完善的评价体系，其评价方式应是多样化的，评价贯穿在整个学习过程中，应能进行过程评价，并给出分析和指导的信息，应对参与学习的学习者学习状况给予全程跟踪。它有利于对学习者的学习状况进行评估和反馈，从而有效地引导学习者的学习过程。

五、总结与展望

针对开发的虚拟实验系统，论文研究了它在辅助教师实验教学和辅助学生自主探究学习方面的应用，还尝试将虚拟实验与真实实验有机结合并应用到物理教学中，取得了较好的应用效果。在进行物理探索方面，论文还需要进一步探索如何将虚拟实验与传统的真实实验有机整合，从而为教师和学生的科学探索、实验技能训练等方面提供更积极有效的条件和支持。另外，论文对虚拟实验系统在辅助远程学习的功能等方面的应用效果还未做研究。

在今后的研究中，要针对以上不足之处加以改进和完善，并继续加强以下三方面的研究：

首先，加强虚拟实验平台建设方面的工作，除进一步完善初中物理虚拟实验系统外，还要开发出较高质量的高中物理虚拟实验系统；

然后，根据虚拟实验应用于教学的基础理论研究，通过虚拟实验在辅助远程学习和对学生进行实验技能培训、提供逼真感知等方面的应用研究，进一步探索在中学物理教学中虚拟实验如何才能更有效地发挥作用；

最后，在进行物理科学探索方面，进一步探索如何将虚拟实验与传统的真实实验有机整合，从而为教师和学生的科学探索提供更积极有效的支持。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M]，人民教育出版社，2003年4月第1版，第51-52页

[2] 马王俊美，邓文生，梁昭峰.DVR技术在教育领域中的应用研究[J].中国电化教育，2005年第6期

[3] 张伟.中学物理实验教学研究与演示教具设计[M]，内蒙古人民出版社，2001年4月第1版,第1-13页

[4]王瑞旦，宋善炎.物理方法论[M].长沙，中南大学出版社，2002

[5] [6] 王玉琼.虚拟实验在中学物理教学中的应用研究[D].四川师范大学硕士学位论文 2008

[7]朱庆松.基于Internet的EDA虚拟实验室[D]．陕西：西安科技大学硕士学位论文2006

[8]黎加厚，余胜泉，吴娟.信息技术与课程整合――网络时代的教学模式与方法[M]．上海：上海教育出版社，2005：47

[9]张筱兰.信息技术与课程整合的理论与方法[M]．北京：民族出版社，2004：144

[10]豆宏健．教学设计中教学目标的分类与表述[J]．甘肃联合大学学报（社会科学版），2004，20（3）：77

[11] 张广兵.参与式教学设计研究[D].西南大学博士学位论文 2009

[12]赵阳.从学习迁移理论分析建筑系一年级的课程教学[J]．南方建筑，2003（2）：48

[13]陈亮.体验式教学设计[D].西南大学博士学位论文 2008

[14]郭锂，徐晓东.基于网络的校际协作学习中E-Protfolio学习评价的设计[J]．中国电化

教育，2003，12：72-73

虚拟实验设计论文篇9

一、项目教学法的提出

项目教学法萌芽于19世纪欧洲的劳动教育思想，19世纪欧洲的工读教育和美国的合作教育是它最早的雏形，到了20世纪中后期，经过后人的不断改进和探索才逐步趋于完善，成为人们普遍认可的重要教学思想。在工业社会不断发展、信息社会不断渗透的现代教育中，项目教学模式日益走进了各种教学舞台。它促进了生产力和社会的统一关系，不断地提升生产力的发展，使更多的教育走向社会化，适应了社会化大生产的需求，成为一种把培养实用型人才作为直接目的的教学模式。

项目教学法就是以独立的项目为主线，以教师为引导，以学生为主体，在指导教师的安排下，把指定好的项目让学生们独立完成处理，一般模式包括模拟项目情境、制定项目任务、制定项目计划、项目计划的实施、检查评估及最后的总结。每一个过程都由学生自己独立处理和讨论，学生通过制定好计划，按照分工和环节的要求完成整个项目过程。

二、项目教学法在“计算机组装与维修”课程中实施的意义

《计算机组装与维修》是中等职业学校计算机专业的一门实践性很强的主干专业课，是一门理论与实践紧密结合、注重动手能力和实践能力培养的课程。由于该课程的理论教学内容与学生的计算机使用及毕业后在计算机相关领域就业息息相关，因此受到很多学生的重视和喜爱。

但长期以来，原有计算机组装与维修课程的教学模式和方法已不能适应培养学生职业核心能力的要求和新形式下职业教育强调的技能创新。为此，我们一步步探索到项目教学法在“计算机与维修”课程教学中是切实可行、效果明显的，在这种教学模式下，学生化被动为主动，提升了积极性。

正常情况下，一台计算机只能同时运行一个操作系统，操作系统通过设备驱动来使用计算机的硬件。虚拟计算机技术就是用软件真实地模拟计算机硬件环境，虚拟计算机软件可以模拟所有常见的硬件设备并直接使用主机的键盘、鼠标、串口、并口、USB接口、网卡、光驱、软驱等设备完成与外部环境的交互和通讯。运行虚拟计算机软件的计算机我们称为主机，在虚拟机软件上运行的虚拟计算机可称为客户机。虚拟计算机的体系结构见图1：

目前，使用虚拟机技术的软件平台主要有以下两款软件：VMWare公司的VM virtualBox和Connectix公司的Virtual PC（现被Microsoft并购，最新版本为Microsoft Virtual PC 2004）。

下面以“安装WinXP系统”这个项目为例，首先，我们根据教材的内容先设计出本项目的项目教学学案：

《计算机组装与维修》项目教学学案

鉴于虚拟机的特性，本项目的教学在一般的计算机房即可实现，不一定要在组装室进行（本校在网络教室2进行，网络教室2已装有VM virtualBox虚拟软件，再加上本教室已经建立有拨号服务器，部分接受能力比较强的学生完成系统的安装后可在已装好的虚拟系统上扩展教给他们拨号上网，增加趣味性）。

三、本项目的教学过程

1.创建虚拟计算机环境

启动VM virtualBox虚拟软件，根据操作向导完成虚拟计算机环境的创建。

2.硬盘初始化操作

启动虚拟PC环境，运行硬盘分区工具PQ，对硬盘进行分区、格式化等初始化操作。因为虚拟计算机支持使用光盘镜像文件（类似于虚拟光驱），这也为我们在实验中节省了大量的光盘消耗和一些实验环境准备的时间。另外，由于主机上创建的客户机只是物理计算机上的一个.VHD文件，所谓的硬盘初始化操作也只是对物理计算机上的.VHD文件进行操作，所以特别适用于学生实验环境，可以反复进行而不会对物理硬盘产生硬伤和对主机软件系统造成破坏；同时虚拟机提供的操作环境与真实的物理计算机操作完全一样，不至于有模拟的感觉。

3.安装操作系统

通过初始化操作，我们进一步理解了计算机的文件存储原理。为了使用计算机的强大功能，我们还要安装计算机操作系统，为用户提供良好的图形操作界面。在虚拟计算机的光驱中放入安装光盘或使用光盘镜像文件，执行安装程序，按照安装向导进行相关设置，即可完成安装过程。

4.效果评价

在计算机组装与维修课程的教学中，通过引入虚拟计算机技术，与计算机操作相关的教学演示、实验操作都完全可以直接在虚拟机的环境下完成。

据统计，本课程所安排的15个实验中有70%左右在虚拟机环境下完成，且效果良好，教学、实验学时数也达到70%以上。结合计算机硬件系统的组装实训，有效地加强了学生的动手实践能力。此外，由于在虚拟环境下实验，反复的硬盘初始化对实际的物理硬盘没有丝毫影响，大大地降低了真实环境下的硬件损伤，延长了硬件设备的使用寿命，节约了消耗。

5.结论

我们通过在计算机组装维护课程中虚拟计算机的使用实践，总结出虚拟计算机搭建的虚拟实验环境相比于真实的物理实验环境有如下优势：

（1）虚拟机软件搭建的虚拟机在真实的物理计算机中只是一个.VHD文件，为学生的重复实验节约了大量的实验准备时间和降低了环境的维护难度。

（2）虚拟机软件搭建的虚拟机模拟了真实的物理计算机的硬件设备，在虚拟机里进行所有操作不会影响到主机环境，特别是完全避免了对硬件设备的损坏。

虚拟实验设计论文篇10

关键词：虚拟技术 EDA VM

中图分类号：TN29

1 虚拟技术的概念

虚拟技术是一个很广义的概念，我国著名院士汪成为教授把虚拟技术看作人类认识世界的帮手，认为虚拟技术是“在计算机软硬件及各种传感器（如高性能计算机、图形图像生成系统，以及特制服装、特制手套、特别眼镜等）的支持下生成一个逼真的、三维的，具有一定的视、听、触、嗅等感知能力的环境，使用户在这些软硬件设备的支持下，能以简捷、自然的方法与这一由计算机所生成的‘虚拟’的世界中对象进行交互作用。它是现代高性能计算机系统、人工智能、计算机图形学、人机接口、立体影像、立体声响、测童控制、模拟仿真等技术综合集成的成果。目的是建立起一个更为和谐的人工环境”。

而从工程角度定义的话，虚拟技术可看作为通过使用下列一个或几个概念或方法：硬件和软件分区，分时，部分或全部的硬件仿真、模拟，提供服务质量（QoS）等，把计算机资源分成多个执行环境的系统框架和方法论。

上世纪60年代末期，IBM在其7044机上首次实现虚拟技术（IBM M44/44X Project）[3]。计算机技术的快速发展，使得虚拟技术成为重要的研究手段广泛应用于各学科领域的研究与实践中。随着电子技术与计算机技术交叉、综合的程度越来越高，在以物联网络和嵌入式系统为技术发展方向的现代电子技术中，虚拟技术的应用越来越广泛。

2 虚拟技术在电子技术中的应用

电子技术中，虚拟技术的应用可概括为三个方向：一是集成了大量虚拟仪器的软件包的应用，通常称之为EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）技术；二是虚拟硬件技术，即借助于图形图像、仿真和虚拟现实等一切可用的技术，在计算机上虚拟出一个与实际硬件功能相近，且操作方法和实验现象也相近的虚拟实验环境；三是VM（Virtual Machine，虚拟机）技术的应用，比如VMware虚拟机等。

2.1 EDA技术的应用

EDA技术是在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。利用EDA工具，电子设计师从概念、算法、协议开始设计电子系统，从电路设计、性能分析直到IC版图或PCB版图生成的全过程均可在计算机上自动完成。

作为现代电子系统设计的主导技术，EDA具有两个明显特征：即并行工程（Concurrent Engineering）设计和自顶向下（Top-down）设计。其基本思想是从系统总体要求出发，分为行为描述（Behaviour Description）、寄存器传输级（RTL，Register Transfer Level）描述、逻辑综合（Logic Synthesis）三个层次，将设计内容逐步细化，最后完成整体设计，与传统设计方法比较，这是一种全新的设计思想与设计理念。

EDA软件包在电子技术的虚拟实验教学方面体现出了巨大的优势，最重要的是由于其提供了种类齐全、功能强大、界面真实、设置方式真实的虚拟仪器，诸如万用表，示波器，频率计，LED显示等，一些软件诸如NI公司的Multisim，还包括有安捷伦示波器，安捷伦万用表，安捷伦信号发生器，泰克示波器等实际产品的虚拟界面，其操作界面和操作方式完全与实际器件一样。这些虚拟仪器的使用，较大程度增加了学生在虚拟实验过程中的真实感。

目前，EDA技术更多地指数字集成电路的设计自动化，模拟电路以及混合电路设计自动化的发展尚不够成熟。尤其是射频电路设计，因为要涉及到复杂的数学理论，导致其分析过程更加复杂，所以尚没有成熟的设计自动化软件。

2.2 虚拟硬件技术的应用

虚拟硬件技术在电子技术中的应用，则主要体现为虚拟实验室的建设。虚拟实验室的建设目前主要有纯软件仿真形式、可直接操作远程实验室实验过程的虚拟实验室两种形式。

2.2.1 纯软件仿真形式的虚拟实验室

纯软件仿真形式的虚拟实验室是利用仿真软件来模拟实验的全过程，不涉及具体的实验硬件设备。

与单机版的仿真软件相比，这类实验室采用C/S模式，在其服务器上设计并存储进行实验的仿真代码，用户只需在客户端的实验操作界面上操作，即可实时地发送参数信息、接收仿真结果数据。这类虚拟实验室因其实验界面与仿真算法独立，易于设计与实现，方便操作，成为当今虚拟实验室的主流。

2.2.2 直接操作远程实验室实验过程的虚拟实验室

这种虚拟实验室是通过客户端操作直接控制远程实验室的实验设备运行，获取真实实验数据。

这类实验通常具有视频和音频反馈，使用者通过计算机可以实时地观察实验地运行，也可以调整实验相应的参数，从而远程操控实验室的实验过程。此类实验形式不但有效地利用了有限的实验室资源，而且具有很好的实验效果，成为解决远程教育中实验设备紧缺、实验效果难以保证等问题的一种很好的方法，是目前虚拟实验室研究开发的一个主流方向。

2.3 VM技术的应用

VM技术，是指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。 利用VM技术，能够在一台真实的计算机上虚拟出多台计算机，还可以同时运行两个或更多的操作系统，比如运行DOS、各个版本的Windows、各个版本的Linux、BeOS、Mac OS等等。虚拟机具有跨平台性，装载在硬件平台上的虚拟机，它和宿主机好像是连接在同一个网络中一样。用户通过虚拟机提供的标准接口访问异构资源，而标准接口的具体实现由各异构资源提供者负责落实，因此用户感觉不到请求资源的异构性。Java VM和PVM是比较成功的采用虚拟机技术实现跨平台、屏蔽异构性的典型例子。

3 虚拟技术对电子技术发展的重要意义

近几年来，虚拟技术在我国的应用研究和发展都十分迅速，结合虚拟技术在电子技术三个方向的应用，其重要意义可概述为以下几个方面：

第一，虚拟技术给电子技术的工程实践带来了革命性的变革。

传统电子系统的设计方法，主要基于自底向上的设计思想，设计人员必须利用底层功能模块的组装，才能构成较复杂系统的设计，系统调试难度高，设计效率低，设计周期较长。但EDA技术的出现，特别是自顶向下的设计思想，极大的提高了电子系统设计的效率，缩短了设计周期，使得电子设计进入了一个全新的时代。

第二，虚拟技术给电子技术教学带来了革命性的变革。

传统电子技术的教学是理论教学和实验教学分开进行的，由于电子技术的实践性强，人为地把完整的教学过程分离成了两个环节，极大地破坏了教学完整性。而EDA软件或虚拟实验系统，通过计算机把教学内容、实验设备、教师指导、学生操作等有机地融合为一体，还原了一个完整的课堂，提高了教学的有效性。

第三，虚拟技术给电子技术的应用解决了实际问题。

随着物联网和嵌入式系统的发展，传统电子技术的发展受到了很大程度上的制约，一些诸如通信协议异构、数据格式异构等问题，给电子技术设计人员带来了极大的困扰。而虚拟技术的出现，给电子技术解决上述困难提供了最为有利的帮助，使得电子设计人员更为专注电子技术本身的功能实现。

参考文献