虚拟实验设计论文篇1
（二）《高锰酸钾制取氧气》的实验目的
（1）通过虚拟实验中的文本展示工具，使学习者了解实验目的、原理和方法。
（2）通过对虚拟实验的操作，掌握药品的选择以及仪器连接的先后顺序，能够动手制取氧气。
（3）通过对实验过程、现象的观察、分析实验反应机制，加深对实验的认知和理解。
（三）《高锰酸钾制取氧气》的虚拟实验活动设计
学生要完成虚拟实验首先需要安装Secondlife客户端，进入Secondlife虚拟环境，通过以下流程完成整个虚拟实验。
（1）准备阶段：学习者通过Secondlife提供的地图工具搜索到虚拟实验室地标并通过瞬间移动工具进入虚拟实验室。
（2）实验阶段：学习者通过人-机交互选择事先通过3D建模工具创建好的虚拟实验仪器、药品并通过资源工具查询相关仪器的使用方法及实验装置图，完成实验仪器的装置；点击各个实验仪器、添加药品来完成实验。
（3）评价反馈阶段：教师根据学生提交的实验报告和学习者的学习记录对学习者本次实验进行一个综合评价，并将评价结果通过评价反馈系统及时反馈给学习者。
二、《高锰酸钾制取氧气》的虚拟实验环境设计
本研究以《高锰酸钾制取氧气》为例设计的虚拟实验环境。以实验过程的设计为理论基础从场景及模型设计、交互设计、支持工具设计、特效设计、评价设计这几方面设计三维虚拟实验环境。
（一）实验环境的场景及模型主要虚拟教室、虚拟实验室和仪器设备组成
虚拟教室由讲台、桌椅、多媒体系统、音响设备、电子白板、书柜、书、电脑组成，供学习者实验后进行交流、报告、探究、形成实验结论。虚拟实验室主要由实验环境、实验操作台、水池、药品柜、灭火设备为为学习者完成实验并获取实验数据。仪器设备主要是酒精灯、试管、铁架台、导管、集气瓶、水槽、铁夹、烧杯。药品耗材主要是高锰酸钾等。
（二）交互系统设计
（1）人机交互设计：在实验中通过操作交互，学习者能够感受到实验设备的控制感和体验感。在Secondlife中，利用创建工具可以实现简单的“点击”“移动”“坐在上面”等操作，Secondlife提供的林登脚本语言可以设置改变物体的性质、运动方式、运动轨迹、对外力的反应等等，能够较好地支持学习者的操作交互。
（2）交流工具：学习者在实验过程中和老师、同伴交流的方式主要有在线的同步交流和异步交流。
（三）支持工具设计
实验支持工具是指支持学习者完成实验的所有工具，本研究的支持工具主要包括搜索工具、资源工具、实验认知工具、评价反馈工具等。搜索工具主要是地图工具和瞬间移动工具通过它们是搜索定位各种学习场所、用户，并瞬间移动到目的地。资源工具包含Secondlife内部资源和外部资源。内部资源主要是3D浏览器；外部资源包括各大搜索引擎。这些工具可以搜索Secondlife内部和外部各种信息资源实验认知工具主要包括3D建模工具、拍摄工具、记事本工具主要为为实验过程中学习者观察记录实验现象、采集数据提供支持。评价反馈工具主要包括问卷系统（choicer、Quizchair）、学习记录系统（Tracker）、Web-Intercom，为实验后学习者自评、反思以及教师评价反馈提供支持。
（四）特效设计
在Secondlife中，通过粒子系统结合林登脚本语言可以营造烟雾、火焰、气体、雪花等各种现象。在本实验中酒精灯加热的火焰、水槽里面的气泡、集气瓶中的氧气、反应过程中的烟雾、药品晶体的状态变化等效果都可以通过粒子系统来实现。
虚拟实验设计论文篇2
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。
虚拟实验设计论文篇3
[Abstract]along with the development of computer technology and network technology， the virtual teaching and the teaching mode is not what new things， but the realization of the virtual laboratory has been the focus and difficulty of the virtual teaching research， based on the current development of the virtual teaching， this paper carries on a specific research on the application of virtual computer network design the platform and virtual reality technology.
[Key words]computer network; Virtual Laboratory
前言：在我国教学改革不断深化的今天，我国当下很多高校陷入了实验教学的困境，这一困境主要源于实验室建设资金的缺乏等问题，为了能够尽可能在短时间内解决这一问题，保证实验教学效果，虚拟实验室开始在我国高校中受到广泛重视，而本文所研究的虚拟计算机网络组网平台的设计及虚拟现实技术应用的目的，就是为了能够实现虚拟实验室的较好应用。
1.虚拟计算机网络组网平台的设计
在本文就虚拟计算机网络组网平台的设计及虚拟现实技术的应用研究中，笔者研究的目标正是虚拟实验室这一虚拟计算机网络组网平台的设计与应用，而在这一设计的研究中，笔者将从这一组平台的设计目标、系统设计、系统详细设计等三个方面对其进行详细论述。
1.1 设计目标
在本文所设计的虚拟计算机网络实验组网平台中，其是为了改革传统的实验教学方式，更好的帮助用户实现学习目的的平台形式，总的来说这一平台的设计目标为，在参照计算机网络课程教学大纲要求的前提下，满足不同层次学生学习需求、教师能够应用组网平台实现再现问题解答与作业批改等教学需求、使学生在实验前理解整体的组网概念和虚拟实验过程、具备判定学生是否具备了做实验的基本条件等四方面内容[1]。
1.2 计算机网络虚拟组网平台系统设计
在本文进行的虚拟计算机网络组网平台系统设计中，笔者采用了模型一视图一控制器（MVC）三层架构设计模式，这里的视图指的是用户看到并与之交互的界面、模型是指数据和规则、而控制器辅助接受用户的输入并调用模型和视图去完成用户的需求。结合这一设计模式，图1为笔者总结的整个计算机网络虚拟组网平台系统框架结构图。结合这一计算机网络虚拟组网平台系统框架结构图，我们能够看出这一系统具备着简便的设备选取方式、灵活的组网方式、直观的错误检测方式、真实的配置界面等四方面的特性，而由于这一系统设计采用了Windows图形界面，这就使得其本身具备着上手性强、易于操作的特点[2]。
而在这一虚拟计算机网络组网平台系统的功能设计中，拓扑图绘制功能和设备管理功能、网络设备的配置功能、实验环境及设备配置信息的保存和读取序列化功能、智能纠错功能、网络设备的三维展示功能、实验指导功能等都属于这一系统所具备的功能。
1.3 系统详细设计与实现
由于这一虚拟计算机网络组网平台系统设计的实现篇幅较长，本文主要对这一系统虚拟现实功能详细设计与实现进行论述。在这一虚拟计算机网络组网平台系统的虚拟现实功能实现中，笔者采用了VRML与3DMax的模式来完成虚拟现实的功能，这一设计的实现需要依次进行场景建模总体设计、实验场景建模、三维建模优化等三个阶段。具体来说，在场景建模总体设计阶段中，笔者首先设计了场景的树状层次结构，这一结构把所有对象用双亲、孩子和兄弟划分成最有效的树结构，属于一种简便自然分割复杂物体的方法。在完成树状层次结构的设计后，笔者采用三维建模软件手工绘制了三维模型，并在参照了商业数据库中现有的三维模型后对其进行了改进，这样就较好的实现了采用三维建模软件手工绘制三维模型;而在实验场景建模阶段，笔者选择了尽量少的面来达到虚拟现实效果的方法，这样就在保证整个系统应用效果的同时减少了不必要的工作量。在这一建模中，笔者主要使用3DMax提供的模型进行地面、实验桌、设备架、墙壁等场景实体的建模;而在三维建模优化这一阶段中，为了解决3DMax建模转换VRML文件后存在的大量垃圾代码，我们就必须对其进行代码优化，这一优化主要通过减少多边形的数目、光源的使用、充分利用纹理等方面的微调予以实现[3]。
2.虚拟现实技术在计算机网络组网平台的应用
结合笔者在上文中大致论述的虚拟计算机网络组网平台的设计内容，我们就可以初步了解本文研究能够实现虚拟实验室平台的创建，而这一虚拟实验室平台在高校中的应用，就能够实现网络设备的三维展示、网络拓扑的设计、硬件设备的检测、设备的智能纠错、网络设备的配置、配置信息的保存等多方面的功能。其中网络设备的三维展示就能够将现实的网络设备形象逼真地放入模拟环境中构造3D模式、而网络拓扑的设计则能够实现为用户提供一个虚拟的组网平台来
进行设计网络拓扑，这对于我国当下很多高校中学生缺乏的实践操作经验的问题能够予以较好的解决，真正推动我国教育事业的发展，由此可见虚拟现实技术在计算机网络组网平台中应用的实用性。
3.结论
在本文就虚拟计算机网络组网平台的设计及虚拟现实技术的应用进行的研究中，笔者详细论述了虚拟实验室这一计算机网络虚拟组网平台系统的设计方式，并对这一设计完成的计算机网络虚拟组网平台系统的应用进行了详细论述，希望能够以此实现我国虚拟现实技术应用的不断完善，并推动我国教育事业的进一步发展。
参考文献
虚拟实验设计论文篇4
《初中化学新课程标准》中倡导化学教学应多采用以科学探究为主的多样化的学习方式，强化评价的诊断、激励与发展功能[1]。但是要实现标准中提倡的内容，单靠传统课堂实验教学还远远不够。此时以计算机网络为平台的虚拟实验开始与真实实验进行整合，并应用到中学化学等学科教学中，以激发学习者的学习动机、提高课堂教学效果。但是在整合的过程中却出现了很多问题，比如在整合时教师找不到一种理想的结合点，往往是顾此失彼。笔者认为在进行虚拟实验与真实实验整合时应先分析实验目标、类型等，把握好整合的时机和度。
一 虚拟实验与真实实验整合的现状
笔者在查阅文献的过程中，发现关于虚拟实验方面的研究很多。国外的有麻省理工学院的WEBLAB、Science Space等，国内的有中科院上海有机化学研究所的虚拟化学实验室、浙江大学的虚拟化学实验等。然而，关于虚拟实验与真实实验整合的研究较少，其中有“整合资源构建‘虚实结合’的计算机网络课程实验室[2]”、“电工电子虚拟实验与真实实验的互补性[3]”、“基于虚拟实验与真实实验整合的计算机网络实验教学改革[4]”等文献。以上这些文章指出了二者整合在理论层次上的优势，但是关于实践应用的却很少。另外，上述文献大多将虚拟实验应用于课前预习与课后复习，教学过程中应用的较少，对于何时整合、整合什么、为什么整合、如何整合等更实际的问题，几乎很少涉及。
二 整合中存在的问题及反思
虚拟实验可以弥补真实实验的不足，从而达到优势互补。任何新的事物在投入使用的过程中，难免会出现一些问题。虚拟实验与真实实验的整合也不例外：
1 侧重理论的阐述，缺乏实践操作性
现有的整合研究的一般思路是先阐述虚拟实验和真实实验的概念、类型、优势和不足，再说明如何将二者优势互补。这种研究思路也在一定程度上发挥了作用，但是这些纯理论的阐述究竟能给一线教师带来什么？能否促使他们在实际的教学过程中有效运用虚拟实验？何时整合？如何进行有效地整合？一线教师真正需要什么？这些问题在上述的研究中却不曾提到。理论提的固然好，却不具备实践操作性。这是现有的以理论为主的虚拟实验与真实实验的整合在推广过程中常常会遇到的尴尬处境，究竟如何解决这些问题才是我们应当考虑的当务之急。
2 夸大虚拟实验的作用，忽视真实实验
现有的整合研究中，有的盲目夸大虚拟实验的作用，一定程度上忽视了真实实验的重要性。但是笔者认为，虚拟实验不能代替真实实验，因为虚拟实验毕竟会使学生产生“虚拟感”，而真实实验能消除学生在理论学习和虚拟实验中“不真实”的感觉，真实实验在这方面以及在培养学生的动手操作能力方面是虚拟实验无法取代的。虚拟实验是对真实实验的模拟，真实实验是虚拟实验的基础，虚拟实验的局限性恰恰又是真实实验的优点，二者是相辅相成的。只有发挥各自的优势，精心组织实验教学，才会收到更好的效果。
3 缺乏优质资源，不利于整合
目前虚拟实验多是演示性的，交互程度低。造成这种现象的原因可能是开发这些实验的人员多是计算机方面的技术人员，他们缺乏相应的学科背景知识和一定的教学设计能力；或者是开发这些实验的是学科教师，但是由于他们缺乏相应的信息技术能力，纵然他们有很丰富的学科知识和很强的教学设计能力，也不能开发出高质量的虚拟实验。归根结底，如果没有优质的资源，整合就是纸上谈兵。
4 缺乏系统的教学设计能力
教学设计是以学习理论、教学理论和传播理论为基础，应用系统科学理论的观点和方法，调查、分析教学中的问题和需求，确定教学目标，建立解决教学问题的步骤，选择相应的教学活动和教学资源，评价其结果，从而优化教学效果[5]。但是，有一些教师在虚拟实验与真实实验整合的过程中只是为了使用虚拟实验而使用虚拟实验，缺乏将虚拟实验与教学过程有机结合的意识与方法。因此，如何进行系统的、整体的教学设计，如何对教学过程中的各个要素及其关系进行统一的协调和安排，如何用一种新的教学设计思想与方法来指导虚拟实验与真实实验进行有效的整合，以改进教学工作，是目前教师亟待发展的一种新能力。
三 虚拟实验与真实实验有效整合的模式
当前的关于虚拟实验与真实实验整合的研究，多采用如图1所示的模式。虚拟实验多用于课前预习和课后复习之中，在课堂教学过程中却很少涉及。虚拟实验可以为学生提供一个实战前演习的场所，让学生对实验的原理、现象、仪器的使用等有一定的了解，从而在进行真实实验时可以减少失误的次数。在课后复习的过程中，学习者可能还会遇到一些关于实验仪器的操作技巧、实验现象观察等方面的问题，一般情况下，由于受实验时间、空间和实验仪器药品的限制，再去重复真实实验的过程是不可能的。这时，虚拟实验以其高度的资源共享性、可重复利用性成了学生的好帮手，学习者可以在任何时间、任何地点进行自主学习和复习。
难道虚拟实验与真实实验整合的过程中，虚拟实验只能用于课前预习和课后复习吗？显然不是，在整合的过程中不能拘泥于固有的模式，应以系统科学理论的观点和方法，调查、分析整个教学过程，找出虚拟实验与真实实验进行整合的最佳契合点。当然由于教学目标、教学内容的不同，相应的教学过程阶段的划分也有所差异。但是一般情况下，可以将整个化学教学过程划分为以下四个阶段分别为：（1）创设情境，激发动机；（2）演示讲解，探求新知；（3）设计练习，巩固新知；（4）联系实际，拓展深化。在这四个阶段中，我们该如何整合？怎么才能使二者真正实现优势互补呢？经过研究，我们提出了如图2所示的模式。
下面我们从教学设计的角度来探讨。首先，分析实验教学的目标，以确定当前必需学习与掌握的知识。其次，分析学习者的特征，教学设计的目的是为了有效促进学习者的学习，进行学习者分析，目的是为了了解学生的学习准备和学习风格，以便为后续的教学设计步骤提供依据。再次，确定实验教学的起点，这一项的目的是明确学习者是否具备了相应的行为能力；了解学习者对所要学习的知识已经知道了多少[6]。最后，根据实验内容和实验类型确定是以虚拟实验或者真实实验为主进行教学。
四 虚拟实验与真实实验整合案例
下面以“实验室制取氢气”为例，来阐述虚拟实验与真实实验的整合模式在初中化学实验教学中的运用。
1 创设情境，激发动机
虚拟实验可以将抽象化为具体，将局部的实验现象放大显示，以利于学习者观察实验现象，增强课堂教学的表现力，提高学习兴趣，使教学更贴近生活和生产实际，这就在一定程度上弥补了真实实验的不足。在此之前，学生已经学过 “实验室制取氧气”的内容，而且气体的制取具有相似性，因此我们可以使用它来创设情境。例如：让学生回忆在实验室制取氧气的过程中，必须先做什么？这时学生可能回答检验气密性等。然后教师提问引导“实验室制取氢气需要检验气密性吗”？此时教师可采用实验室制取氧气的虚拟实验来展示检验气密性的过程。若采用真实实验，需要花费大量的时间，另外也受实验药品和仪器的限制。而虚拟实验操作简便、节省资源、时间，是一个比较好的选择。教师引导提问实验室制取氧气的检查气密性的操作与制取氢气的有什么不同？提出问题，引起学习者注意，激发其学习动机。
2 课堂演示讲解，探求新知
可以采用虚拟实验辅助讲解，例如：利用排水法制取氢气时，怎么判断氢气已经收集满了呢？由于这个问题比较抽象，可以利用虚拟实验展示过程并让学生思考，在设计时我们在旁边加入了一个文本输入框，让学生输入观察到的现象。输入之后提交，紧接着会有一个反馈，在设计反馈这一环节时，我们采取了一些激励性的、暗示性的图片或者语言，引导学生去发现问题并找出解决问题的方法，点燃学生思考问题的火花，培养学生的创新思维能力。
另外，学生也可以反复操作虚拟实验，为进入真实实验打好基础。但是这种反复的操作并不是简简单单的重复点击鼠标，因为我们在设计虚拟实验的过程中，添加了很多交互动作。比如，在如图3 的“实验操作”项“仪器的选择”中，添加实验所需的仪器和一些干扰项（干扰项的设计与实验中用到的仪器相似，是学生的认知模糊点）。同时为了减小选择的难度，使学生做起来不至于太吃力，我们添加了文字提示，例如“有三次选择的机会，共需6种”。为了避免学生漫无目的的操作，采取了这样的设计方法即在本步没有完成之前，“下一步”的按钮或者链接就不会出现，只有在学生做了本步实验才能进入下一步的操作。并且如果操作不正确或者是不规范，相应的步骤都会有反馈。这样设计有利于学生加深印象，掌握相应的知识，也体现了过程性评价的思想。
3 学习者进入真实实验操作
在以往的整合过程中，有些人认为学生已经在虚拟的环境中操作过多次，此环节就可有可无了，其实这种观念是相当不可取的。因为虚拟实验系统毕竟是一个虚拟的环境，重要的操作技能的获得还需要在真实的实验室中进行。并且由于虚拟实验设计能考虑到的意外情况有限，而在真实的实验室中，学生每操作一次实验可能都会遇到不同的问题，这些都需要学生去思考。这些思考的过程本身就是实践能力和动手操作能力提高的过程，是虚拟实验无法取代的。在进行真实实验的过程中，学生可能会遇到一些问题，而这些问题由于时空或者实验仪器药品的限制，不能利用真实实验解决，这时可以继续使用虚拟实验来探究产生问题的原因，以及解决问题的方法。并且可以利用虚拟实验中的“在线讨论”模块就某一问题与同学交流讨论，协同解决。
4 半自动生成实验报告
实验报告是做任何实验必不可少的一部分，它可以记录学生的实验步骤、结论、实验中出现的问题。由于纸质的实验报告中有很多是重复性劳动，这既加重了学生的负担，也给老师的批阅带来了一定的困难。为了解决该问题，在“实验报告”模块的设计中，我们将虚拟实验与数据库连接起来，学生在做虚拟实验的过程中，实验仪器药品的选择次数、现象和化学方程式的填写会在实验报告中自动生成。比如检验氢气的纯度时，我们设计了一个输入文本框，学生在做实验的过程中，需要将观察到的实验现象输入文本框内，这时用一个变量a来记录学生输入的内容，再将变量a保存到数据库中，就可自动生成。此处呈灰色显示，学生在提取实验报告时不能随意修改，这种设计方法能在一定程度上防止学生在做完实验之后，互相抄袭实验报告，也减少了学生的工作量，更有利于教师对学生进行评价，提高了评价的信度。
5 实验教学的修改、效果的评价
虽然将这一环节放在了最后，但是并不意味着评价是在教学之后进行的，而是始终贯穿于实验教学过程的始终，是检查、总结和指导教学的先决条件和重要依据，它的科学性、导向性直接影响着课堂教学的质量和效率，更是实验教学能否取得成功的保障[7]。
为了更好地进行评价我们设计了两种类型的虚拟实验：一种用于让学生反复操作，培养能力；另外一种考查学生知识、技能的掌握程度，并将相关要考查的知识、实验技能一一做了统计，设计了不同类型的考查方法。当学生完成实验之后，相应的实验时间、说明，填写的实验现象、方程式等会在实验报告中自动生成，并且客观选择试题的得分也是自动生成的，一些主观性试题答案则呈灰色显示，教师在调取实验报告时只需批阅主观性试题部分并给出相应的分值，最后按“提交”按钮，系统会自动统计得分，并给出相应的反馈提示，如：学生的哪些知识技能比较薄弱，需要强化等。
五 整合应用的原则
1 依据实验目标、内容和类型
在整合的过程中，必须要考虑到实验的教学目标、内容和实验类型。只有这样才能确定学生当前必需学习与掌握的知识，确定实验教学的起点，明确学习者是否具备了相应的行为能力，为选择以虚拟实验或真实实验为主提供操作依据。
2 依据教师能力和学习者特征
进行整合时，必须考虑到教师的知识能力结构，比如信息技术能力、信息化教学设计能力。教师是否具备相应的能力，是整合成功与否的关键。进行学习者特征分析，目的是为了了解学生的学习准备和学习风格，对所要学习的知识已经知道了多少，以便为后续如何整合、何时整合提供依据。
3 依据学校现有条件
在整合时，必须依据学校现有条件，即是否具备优质的教学资源。比如性能较好的计算机硬件、虚拟实验软件等，这些是整合所必需的物质基础。
4 虚拟实验与真实实验优势互补
进行整合时，应当首先明确虚拟实验和真实实验各自的优缺点，只有这样才能做到扬长补短、优势互补。以上是笔者在研究基于虚拟实验与真实实验的整合在初中化学实验教学中应用的一些看法，并对于为什么整合、整合什么、何时整合、如何整合等问题，给出了笔者的一些观点，以期能为初中实验教学提供一些有益的帮助。
参考文献
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[2] 何秀全,韩耀军.整合资源构建“虚实结合”的计算机网络课程实验室[J].现代教育技术,2010,20(9):143-145.
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Further Discussion of Integration of Both Virtual Experiment and True Experiment
―The Case of ‘To Produce Hydrogen on the Condition of the Laboratory ’in the Chemistry of the Junior Middle School
ZHANG Xue-jun WANG A-xi
(The College Of Educational Technology And Communication, Northwest Normal University, Lanzhou,Gansu 730070,China)
Abstract：The thesis firstly analyzes the current research status and the problems in the process of integration, then proposes the general integration mode of virtual experiment and true experiment in the process of experimental teaching in middle schools, and the case about the model applied to chemical experimental teaching. Finally some application principles of integration are proposed.
虚拟实验设计论文篇5
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).
虚拟实验设计论文篇6
0引言
实验是与教学活动密切相关的环节，它有助于学生理解知识的产生和发展过程， 容易理解和巩固相关的理论知识，提高依靠实验方法探索科学知识的能力。随着教育的高速发展，传统实验面临的如实验材料成本高、实验仪器昂贵、实验仪器损坏维修成本高、设备更新频率高等诸多问题，都严重束缚了教学质量的提高 [1]。为了改善这种现状，最大程度的实现减少硬件资源和节约空间，同时增强实践教学效果，可以使用虚拟实验系统辅助实验教学的开展。
1虚拟现实技术简介
虚拟现实技术，就是借助于计算机硬件设备和相关支撑技术，创建一种可以通过视、听、触、嗅等手段所体验到的虚拟世界的技术[2]。虚拟现实技术作为一种先进的科学技术，将计算机仿真技术、计算机图形技术、传感技术、3D技术等最新的发展成果进行了综合，并依赖计算机设备构造三维数字模型，构建以视觉感受为主，包括听觉、触觉等可感知的环境。虚拟现实技术的基本特征主要包括：
1.1 交互性[3]。虚拟现实系统中的人机交互可通过键盘、鼠标、头盔、数据手套等设备操作虚拟环境中的对象，是一种近乎自然的交互。
1.2 沉浸性。虚拟现实技术依赖计算机技术构造三维立体图像，通过特殊显示设备和感知交互设备，把自己放在一个虚拟环境并有一种身临其境的感觉。
1.3 多感知性。虚拟现实系统配备观察、倾听、触摸、动觉传感和反应装置，用户可以在虚拟环境中得到各种各样的感知，并采取相应的实际反应和交互操作。
2虚拟实验系统
2.1 虚拟实验系统的特点
2.1.1 共享程度高。传统的实验有地域与时间限制，而虚拟实验系统可以接受有访问权限的本地和异地用户在任何时间的使用，使信息与实验资源的共享程度得到了极大地提高。
2.1.2强大的交互能力。虚拟实验系统能给用户提供一个逼真的实验环境，虚拟实验对象和用户依赖鼠标拖放操作进行交互，用户也可以实时观测实验现象和实验结果。
2.1.3支持协作。用户间的信息沟通是由虚拟实验系统提供的多种方式进行的。
2．2 虚拟实验教学的优势从实验教学的现状和虚拟实验系统的特点出发，虚拟实验教学的优势主要有以下几个方面：
2.2.1 组织形式开放[4]虚拟实验不受实验内容、时间和地点的约束，保证了用户充分选择的自由。随着实验教学的发展，跨地域、跨学科、同时开展多项实验的要求日益增多，虚拟实验将为实验教学的发展开拓空间。
2.2.2 对象开放在实验教学中，学习者可以分为实验课程学习者、参与者、爱好者等身份；依据虚拟试验系统操作的权限分为实验者、教师和技术人员、系统管理员等三个层次，不同对象依据自己的身份和权限在虚拟实验平台下进行学习和交流。
2.2.3 资源开放虚拟实验的教学资源为实验对象完全开放。实验设计方案的形成与开发可以依靠系统软件程序模块和实验项目设计模板的帮助；实验数据的分析与处理可以利用数据分析与处理工具包进行；学生在实验课程总结和复习中取长补短、巩固知识。
3虚拟现实技术在教学中的应用
虚拟现实在教育领域的具体应用，主要体现在虚拟学习环境、虚拟实验室、虚拟实训基地、虚拟仿真校园、虚拟远程教育等方面。
3.1 虚拟现实技术在计算机实验中的应用虚拟实验系统包括实验设备、实验对象、教学信息资源和实验室环境，虚拟实验室既可以是虚拟构想的实验室，也可以是真实实验室的再现。例如，要加深广域网、城域网的概念理解，不必真正把网络构建起来就可以亲身体验，犹如进行现场的操作。再如，在计算机组装和维护课程中，使用虚拟机软件vmware创建与真实计算机相同的运行环境，也有处理器、存储器、显示设备、输入输出设备等，不仅可以安装各种操作系统，而且也可以尝试安装各种应用软件，安装的过程与在真实的计算机中的感受完全一样，但对计算机中原有的系统和数据不会产生任何影响。
虚拟现实技术还可以对实验者构想的模型进行实验，所产生的实验结果和效果将对实验构想进行可行性和合理性的验证。例如，在组网联通实验中，可以通过虚拟的路由器、交换机、服务器和终端进行网络的设计和设置，减少了购买设备的费用和损坏维修成本高所带来的风险。
3.2 虚拟现实技术在经济管理课程实验系统中的应用高等职业教育文科教学存在理论偏多、实践较少，理论和实践有脱节现象。应该把计算机技术与教学手段和方法的改革充分结合起来，构建与经济管理类课程相关的虚拟试验系统，包括市场营销、电子商务、人力资源开发、股票交易、财务、旅游场景等各种虚拟实验系统，把现实环境中无法全面实现的教学过程通过虚拟试验系统进行完美的展现和操作。例如，房地产营销虚拟系统可以制定适合不同用户的营销解决方案，并对营销环节中的关键环节制定不同的策略。通过虚拟的经历，不仅加深了对理论知识的理解，而且让实验者体会到现代房地产营销的互动式、数字化的营销模式。再如，电子商务模拟试验系统可以建立商店、银行、商品等相应的模型，实验者可以模拟商品的选择、支付、配送等过程。再如，虚拟现实技术模拟旅游景点，以真实的图像、图片等数据为基础，利用计算机制作三维图像，并通过视觉中枢对物体的“深度”信息和观察视差的综合产生三维立体综合效果，依靠头盔式显示器、数据手套、身体部位跟踪器和投影显示设备，并结合感官系统在虚拟的场景中去体会景区的地理环境和特色。
4结束语
虽然虚拟实验环境有诸多优势，但真实环境环境容易加深学生的感性认识和动手能力，因此，一个实验系统应该是既包括真实环境也包括虚拟环境的综合、完整的系统。只有构建完善、先进的实验环境，才能大大地提高实验教学质量，提升高校的核心竞争力，真正实现为教学、科研与开发工作服务的使命。
参考文献：
[1]杨宇行.高校计算机实验室管理之探讨[J].计算机与网络，2008（1）：64-66.
虚拟实验设计论文篇7
本文著录格式：[1]文琪琪，文福安.虚拟实验指导系统的交互设计研究[J].软件，2013，34（8）：20-23
0 引言
随着计算机、网络和虚拟现实等技术的迅猛发展，虚拟实验教学在教育领域产生了巨大影响。虚拟实验主要利用网络资源实现在线或远程的实验教学[4]。然而虚拟实验不同于真实实验，能触摸或者感知得到各种实验器材，并可以请求实验指导老师给予指导。虚拟实验必须配备有设计良好的指导系统，使学习者在做虚拟实验的过程中随时可以得到相应的指导信息。
虚拟实验指导系统通过学习者与计算机间的交互，可以智能化地为学习者提供虚拟实验指导信息，以减轻使用者遇到问题时没有头绪而产生的焦虑。上世纪六十年代国外就有了自适应辅助教学系统的概念，九十年代以后，随着人工智能及相关理论技术的进步与发展，国内逐渐开发出各式各样的智能教学系统，北京大学计算机研究所某研究室开发的微积分智能教学专家系统便是其中的代表。中国科技大学的大学物理远程虚拟实验最早提供实时智能指导的功能，为学习者在进行虚拟实验中提供实时的指导信息。北京邮电大学的电子电路类虚拟实验提供的智能指导系统，为学习者提供递进式的智能指导，对引导学习者进行积极思考和自主学习具有积极的意义和价值[1-2]。但目前国内关于虚拟实验智能指导系统的研究主要侧重于技术方面，对基于虚拟实验教学的智能指导系统的交互设计的相关研究少之又少。
1 虚拟实验指导系统的交互设计原则
1.1虚拟实验的概念和特点
虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实技术在计算机上营造可辅助、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境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果[5]。然而虚拟实验可能面临的挑战：1）学习者并非实际动手操作；2）在没有教学指导下的重复实验可能挫败那些还没深入理解概念的学习者；3）并非所有课程允许学习者“反馈”他们的批判性思维以便改进或反省练习[3]。
从虚拟实验面临的挑战来看，设计一套交互良好的虚拟实验指导实时指导系统非常必要。学习者虽然不能实际动手操作，但学习者可以通过反复进行虚拟实验，深入理解后，再进行真实实验（现场实验）。同时，设计良好的虚拟实验指导系统可以实时给予学习者以反馈，以达到启发学习者的目的。
1.2 交互设计的基本原则
用户体验和人与产品的交互密切相关，交互行为无处不在。《Don’t make me think》一书中提到，Krug可用性第一定律：别让我思考[7]。要做到别让我思考，至少需要遵循以下几个原则[7]：一致性原则，减少用户的记忆负担，提示和信息反馈。
1.3 虚拟实验指导系统交互设计原则
结合虚拟实验的概念和特点，虚拟实验指导系统的交互设计除了需要遵循上述三条交互设计的基本原则，还必须符合“可用性”的设计标准[5]。因此，要依照“可用性”标准，制定虚拟实验指导系统的交互设计原则。
1.3.1 指导信息与实验操作的关联性
学习者在虚拟实验环境下，学习环境单一，要提高学习者做虚拟实验的效率和质量，必须提供直接而有效的指导信息。学习的过程是一个枯燥的过程，学习的过程中避免不了会产生厌烦的情绪。根据减少用户记忆负担的交互设计基本原则，学习者在虚拟实验系统中获得的虚拟实验系统操作说明，要与具体的实验步骤相关联[2]，减少学习者在众多指导信息中搜寻与自己当前操作相关部分的操作，使学习者一步到位的看到自己对当前操作所需要的指导信息。因此，指导系统的指导信息必须与实验操作具有相关联性。
1.3.2指导信息的实时反馈性
反馈和交互意味着通过合适的反馈以及和程序之间的交互从而让用户时刻知道现在发生了什么，而不仅仅是当事情出错时显示一个警告[6]。根据心理学的注意力分配模型，不熟悉或十分关注的操作都会占据人脑相当多的注意力资源，若任务有延时反馈，则操作完成后注意力发生聚焦，投射在行为发生地附近，以关注产生的结果。简单点说就是，我在虚拟实验的过程中连了一条电路，如果这是其中关键一步，那么我希望系统可以在我所连电路附近及时的告诉我正确还是错误，以达到给我鼓励或提示我的作用。
2 虚拟实验指导系统交互设计
以产品交互设计原则为指导，基于虚拟实验指导系统的交互设计原则，选取“开放式实验教学与实验室管理系统”为案例进行虚拟实验指导系统的交互设计研究。
2.1 帮助文档
实验帮助是帮助答疑模块的一部分，它是基于虚拟实验系统的。通过实验帮助，用户可以获得虚拟实验系统的操作说明，学习者可以在虚拟实验中获得与实验相关的实验指导书，如图1所示。
优缺点分析：不论是系统的操作说明还是与实验相关的实验指导书，用户在请求实验帮助时候返回的都是一个整体的在线文档，并不具备针对性和有效性。用户在虚拟实验系统中获得的虚拟实验系统操作说明，没有与具体的页面关联起来，整体的在线文档使得用户还需要自己去搜寻与自己当前操作相关的部分，降低了系统操作说明的可用性和便捷性。学习者在虚拟实验学习中获得的实验相关指导，并没有和当前学习的具体实验关联起来，显得实验相关帮助不具备易用性，有可能影响到学习者在虚拟实验学习中的积极性和主动性。
改进方案：根据指导信息与实验操作相关联的原则，针对实验帮助文档缺乏针对性和有效性，不与具体页面相关联的问题，可将实验原理、实验步骤、实验操作电路图等关键信息放在实验平台界面上，学习者在做虚拟实验的过程中需要指导时，可通过单击某个按钮直接定位到该实验的相关原理、步骤。如果学习者还需要实验原理、实验步骤的之外的指导信息，可请求其他方式的指导信息。
2.2 智能指导系统
学生在做网上做虚拟实验的过程中，可以通过单击 “请求指导”按钮得到指导。系统中智能指导为递进式智能指导。
递进式的智能指导方式，学习者在看到指导信息后，可以根据指导信息进行相应的思考，尝试进行操作。如果在看到如图2指导信息后，还是不明白，此时单击“进一步指导”按钮，如图3所示。如果在看到指导信息后，还是不明白，还可以单击“进一步指导”按钮如图4所示。此时，智能指导过程结束。学生可以根据指导信息一步一步的完成实验。
优缺点分析： 递进式智能指导并不会一次性给予学习者全部的具体指导信息，通过逐级递进提示更为具体而丰富的指导信息，启发学习者在实验过程中对具体的实验知识的思考，在实现智能指导帮助学习者进行虚拟实验的同时，留给学习者充足的思考空间[2]。但递进式智能指导信息只有在学习者单击“请求指导”按钮后，才会出现相应的指导信息，在学习者之前的操作中没有实时的指导学习者。此外，虚拟实验的目的是为学习者创造一个近似真实的环境，而虚拟实验指导系统也应让学习者感觉不到与真实实验的差别。
改进方案：根据指导信息的实时反馈性原则，学习者在虚拟实验过程中，操作到关键步骤时，指导系统应实时给予学习者以鼓励或者提示。例如：学习者在关键之处操作正确，指导系统应鼓励学习者“You are so great！”，或学习者在关键之处操作错误，指导系统应提示学习者“是不是需要再思考一下？”之类的信息。此外，虚拟实验智能指导系统的指导信息可以采用语音的方式来呈现，使学习者可以像在真实实验中一样可以眼耳手鼻共用来获得指导信息。
2.3 答疑交流平台
网络虚拟实验可以在网络环境下充分实现各种实验教学资源的共享，也能为学习者提供自主探索和合作学习的互动交流平台，使学习者与老师、学习同伴之间开展有效的交流，有利于提高学习者学习知识的销量并激发学习者的学习兴趣。
上述两种方式都是由系统给出的指导信息。为了保证学习者能够快速及时得到正确的指导，学习者在通过实验指导书和智能指导没有得到想要的指导信息时，还可以通过答疑交流平台跟老师沟通，如果指导老师不在线的话，可以发送离线电子邮件给指导老师。如图5所示。
优缺点分析：通过虚拟实验答疑室，师生之间、学生之间都可以进行沟通和交流，对虚拟实验中遇到的问题进行交流和探讨。教师可以对学生遇到的问题进行集中回答，同时答疑室也使得学生能够对教师的教学给予及时的反馈。
3 结束语
虚拟实验指导系统在虚拟实验过程中扮演“在线教师”的角色，及时地提供学习者需要的指导信息，指导学习者完成虚拟实验。虚拟实验使学习者可以在一个近似真实的环境中进行实验，而如果虚拟实验没有配备一个设计良好的指导系统，虚拟实验将不能达到预期的实验目的。本文在对虚拟实验特点及交互设计原则研究的基础上，提出指导系统的交互设计原则，为虚拟实验指导系统的交互设计提供参考，使学习者可以在虚拟实验过程中更加高效地学习。
参考文献
[1] 党伯伟. 跨学科虚拟实验智能指导系统的设计及实现[学位论文]. 北京邮电大学，2012.
[2] 母诗源. 虚拟实验综合辅助教学的设计与应用[学位论文] . 北京邮电大学，2013.
[3] 王荣之， 辛日华. 网络虚拟实验的界面交互设计[J]. 实验室研究探索， 2009.02
[4] 吴泊晓. 虚拟实验的自然交互设计研究[学位论文]. 吉林大学， 2012
虚拟实验设计论文篇8
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
虚拟实验设计论文篇9
虚拟环境是利用软件模拟硬件和软件系统的环境。虚拟环境教学是利用仿真软件模拟出专门的硬件和软件系统来进行教学的一种教学手段。虚拟环境给教、学以及实训（实验）带来很大的变革，[1]并且随着计算机仿真软件对实际环境模拟的发展，很多虚拟环境基本上是真实环境的再现，可以完全模拟真实环境的所有功能，甚至可以实现真实环境的功能。因此模拟环境在现代教育中得到广泛的应用。
虚拟教学环境给教学带来了极大的便利[2]，但同时也将学生的实践教学环节设定得太理想化，不利于学生的实践动手和解决问题的能力。因此，本文在分析虚拟环境作用的基础上，从计算机专业的实践教学出发，提出了虚拟环境教学和真实环境相结合的模式，并在实际的教学中进行应用，提出了虚拟环境下和真实环境相结合的合理教学模式的建议。
一、计算机专业教学中虚拟环境使用的现状
虚拟环境是真实环境的模拟和仿真，在计算机专业教学中的应用，可以以分为：
（1）操作系统的模拟。操作系统的模拟是通过软件模拟出现常用的操作系统。如微软公司的VPC和已经在Windows2008内含有Hyper-v[3]。Hyper-v支持多种操作系统，与本身是微软公司操作系统Windows有好的兼容。其基于Hyperisor技术，虚拟机可以直接和物理设备进行通信和数据交换，因此Hyper-V虚拟机具有运行速度快和稳定性好的特点。当Hyper-V与虚拟桌面架构（VDI）联用时，Hyper-V可以实现客户端计算机虚拟化，如果Hyper-V单独使用时，可以实现服务端计算机虚拟化[4]。因此windows2008的Hyper-V不只是在实验中使用，在企业的服务器部署中也得到广泛的应用，其可以增强了企业服务器的可管理性和降低了服务器部署的成本。还有类似功能的Vmware公司的虚拟机软件。这些具有虚拟计算机操作系统的虚拟环境，可以被应用到计算机专业课程教学中。在教学中学生可以在虚拟机中进行操作系统的安装和设置，而不会破坏真实计算机中的其他应用软件和数据。同时还可以被应用到计算机网络相关的教学内容中，可以快速的在虚拟环境中搭建具有多台计算机的网络。在其中就可以进行网络协议的分析、网络服务的安装和设置。因此，在实训中需要对操作系统和数据进行安装、设置、修改的实训课程和内容都可以在操作系统模拟环境下进行。
（2）网络环境的模拟。通过软件模拟出网络的相关设备和线路。如CISCO的packettracer。在packettrace环境中包含了组网的所有基本元素，如PC、服务器、通信线路、网络设备[5]。可以组成有线局域网、无线局域网、广域网。在这个环境中，可以快速架设具有网络互联的虚拟网络，在其中对交换机和路由器进行配置，操作过程与真实交换机完全一样。当网络运行时可以跟踪和分析数据包。另外，CISCO还有BosonNetsim和NS2模拟软件。他们基本功能都是模拟CISCO的网络设备，通过这些模拟环境，辅助、设计、验证某种网络架构。因此在计算机专业课程教学中，学生可以在模拟环境中进行计算机网络的TCP/IP协议分析实验、路由器和交换机的组网实验。可以进行计算机网络安全课程的ACL、NAT、防火墙策略设置等实验。还可以进行网络工程的路由器、交换机设置的相关实验。
（3）电子电路的模拟。利用计算机软件，在计算机上模拟出模拟电路、数字电路、单片机应用系统。学生可以在计算机上进行电路设计、仿真、调试等通常在真实实验室才能完成的实验。典型的电子电路模拟软件是proteus，它可以模拟各种模拟、 数字电路芯片和各种处理器[6]。利用其强大的模拟功能，可以在其环境中设计各种模拟电路、数字电路、单片机和各种类型CPU组成的控制电路。利用模拟的信号源和模拟测量设备对模拟环境的各种电路进行测试。可以将各种编译成HEX文件的程序烧写到模拟的单片机和各种类型的CPU内，对其组成的控制电路进行模拟控制，查看程序运行状况、分析控制逻辑，结果以直观的方式展示出来。
虚拟环境在计算机专业教学中有着其独特的优点：
（1）教师随时可以备课。在计算机专业课程中，有些课程教师备课时必须在实验室中才能进行。例如有些课程需要对设备进行设置和验证、对计算机操作系统进行安装和配置。当这些课程所涉及的内容可以在虚拟环境下进行时，教师可以在个人计算机中安装相应的虚拟环境，就可以进行实验、实训的备课。甚至可以通过屏幕录制软件将教师实验步骤进行录制，上课时可以播放给学生参考。
（2）学生可以随时实践。在真实实验环境下，学生课内进行有限次数的实验。课外没办法复习，因此学生对一些比较复杂的实验操作容易忘记。如果在虚拟环境下实验，学生可以在自己的个人计算机中安装虚拟环境，课外就可以复习实验操作，加固、加深对实验的理解。
（4）实验成本低。在真实环境的教学下，建设实验室需要实验场地、实验设备和相应的配套设备，这些会有很大的成本。虚拟环境下的教学，只需要在计算机中安装虚拟软件，并且各种虚拟软件可以在同一台计算机上安装。即同一台计算机可以实现计算机专业的很多课程的实验。
（5）是理论学习的好帮手。平时在真实环境中只能进行一次实验，不容易理解实验的原理。在仿真环境下可以放慢实验的步骤，充分分析试验原理。
（6）是真实环境的提前演练。在进行实验之前，学生可以在虚拟环境下对实验进行预习，对实验的步骤、命令、设置有了总体的了解。当到真实环境进行实验时就可以快速地对实验设备设置。当遇到问题时也能快速处理。
（7）是教学资源数字化的有效手段。教学资源的数字化是现代教学资源共享的前提。被数字化的教学资源可以通过数字存储设备进行共享，更多的是放到网络环境中进行共享。在虚拟环境中的教学，整个教学过程本身已经是数字化。因此在虚拟环境下，经过简单的记录整个教学过程（如进行屏幕录制），就可以得到数字化的教学资源。
（8）管理方便。真实环境下的教学，用到的实验室、设备，在应用前、后都必须维护、管理，耗费人力和成本。而虚拟环境，在计算机中只是一个个应用软件，甚至是一个文件。只要把应用软件和文件备份好，在发现虚拟环境受到破坏时，进行简单的复制和覆盖就可以恢复虚拟环境。
二、仿真环境与真实环境相结合的计算机专业教学模式设计
仿真环境只是真实环境的补充，不能完全代替真实的环境的教学。仿真环境由于平台的单一性、理想化，学习时不容易发现问题。但在真实环境里，由于平台的多样性、限制条件的多样性。在真实环境下学习，可以容易发现问题，进而思考解决问题的方法，最后动手去解决问题。因此真实环境比虚拟环境的实践性更强。在实际的工作环境下，如果学生在机器上架设Linux服务器，由于不同的计算机有不同的配置，在安装和配置Linux时需要不同的安装方式和配置手段，这时如果学生没有在真实环境下安装和配置过Linux，遇到的这些问题就没有办法解决了。因此，为了避免这种情况的出现，必须设置好模拟和真实教学环境的教学模式。教学模式的基本原则是让学生明白仿真环境的目的只是教与学的辅助手段，在真正应用时还必须回到真实环境中。因此，类似Linux操作系统课程的教学，应让学生先从真实环境开始学习，再到虚拟环境去重现真实环境中学过的内容。通过这样一个过程，学生更能意识到模拟环境下和真实环境的紧密关联。此后在模拟环境学习时，可以想象到真实环境下的操作。这样可以避免模拟环境的学习和真实环境学习的脱离。本文从课程特点出发，对虚拟环境和真实环境教学模式进行设计。
（1）模式一：操作系统、网络服务器操作类课程教学。这类课程，如果使用真实环境进行教学，必须在独立的计算机上进行实验。学生可以在独立的计算机上进行操作系统的安装、系统参数的设置、应用软件的安装、网络服务的安装与配置和系统故障的检查和排除。这类课程除了在安装操作体系时与计算机的配置相关比较大之外，其他的实验都是在操作系统之上进行的。因此，此类课程的教学模式设置为“1/3课时的实际环境教学+2/3课时的模拟环境教学”。顺序“实际-->模拟-->实际”。该模式可以让学生从实际出发，知道在以后的工作中的使用环境。当熟悉了实际环境并且搭建了操作系统后，可以在模拟环境中再安装操作系统，并对真实环境和模拟环境所搭建的操作系统的方法进行比较。从而体验模拟环境可以理想化的模拟真实环境，并在其上安装操作系统。接着后续操作系统上的实验可以在模拟环境中进行。最后在课程准备结束时回到真实环境中去验证一些在模拟环境中做过的实验。通过这样的模式，既方便教学又能理论联系实际。
（2）模式二：硬件和软件相结合类课程教学。这类课程特点是在进行教学时既需要对硬件进行操作也要对软件进行操作。实验无论是硬件配置错误还是软件配置有问题，都不能完成实验。在真实环境下，实验涉及的设备多、操作比较复杂，老师直接在这种环境下教学，教学的效率很低，学生在该环境下直接实验，实验的成功率比较低。因此这类课程的教学模式设置为“1/2课时的模拟环境教学+1/2课时的真实环境教学”，教学顺序是每个知识点“虚拟-->真实”。采用这样的教学模式，理论授课和教师的演示可以在模拟环境下进行，学生实验准备也可以在模拟环境下进行，之后在1/2的学习中在真实环境下进行，这样就可以提高教学的效率和实验的成功率。如微机原理及应用、网络工程设计。
（3）模式三：电子电路设计类课程教学。这类课程的教学需要学生设计电路模块，强调学生的实际动手能力。这类课程的教学模式是“1/3课时的虚拟环境教学+2/3课时的实际环境教学”，教学的顺序是“每个知识点的局部（理论）部分进行虚拟环境教学-->实际设计电子电路”。
三、仿真环境与真实环境相结合教学模式实践
以计算机专业教学过程实践过程中涉及的《win？鄄dows server 2008 服务器架设与管理》、《Linux服务器配置与管理》、《基于Cisco路由器与交换机的网络工程实践》和《单片机原理及应用》课程课程为例。这些课程教学时可以使用以上的教学模式，其中《windows server 2008 服务器架设与管理》、《Linux服务器配置与管理》可以使用模式一，《基于Cisco路由器与交换机的网络工程实践》可以使用模式二，《单片机原理及应用》使用模式三。
《windows server 2008 服务器架设与管理》、《Linux服务器配置与管理》、《基于Cisco路由器与交换机的网络工程实践》利用“计算机网络实验室”进行教学和实训，实验室有4个网络实验机柜，每个机柜有2个Cisco路由器、1个Cisco三层交换机、1个Cisco二层交换机、1个防火墙和8个具有双网卡PC机。4个实验机柜的32个PC机用其中的1块网卡连接成为1个局域网。PC机具有硬盘保护系统，安装多操作系统，和实验用的分区不保护（给学生学习安装操作系统），上课用的操作系统安装有vm、vpc、packet tracer、Boson Netsim、NS2和屏幕录制软件。
（1）进行《windows server 2008 服务器架设与管理》课程教学时，采样模式一，先给学生直接在PC未保护分区上安装windows server 2008（实际环境下实训），在windows2008熟悉相关的界面和环境，如IP地址设置、访问互联网等。接着在VPC虚拟机下用相同的步骤安装windows server 2008（虚拟环境），学生会发现在虚拟环境下安装和真实环境下按的步骤一样，同时备份好虚拟硬盘供以后实验使用。往后的服务器的安装与配置中在vpc虚拟机中进行。在实验过程中每次都可以从干净环境开始，可以进行快照，可进行屏幕录像。在本门课在模拟环境中完成所有内容的课程教学后，要求学生在真实环境中做一个比较大的网络项目，涉及WEB、FTP、DNS、NAT服务的安装与配置（回到真实环境）。这样的教学模式可以提高教学效率和降低实训难度。《Linux服务器配置与管理》的教学同样采用的是模式一。过程与windows2008类似。
（2）《基于Cisco路由器与交换机的网络工程实践》该课程是属于要对思科网络设备进行硬件的连接和设备软件的设置。因此采用教学模式二。在每个知识点教学时，可以先在模拟器上（如packet tracer）进行网络搭建和理论的讲解。当在模拟环境下实验成功后，接着将模拟环境下的网络结构和设置步骤、命令，在真实的环境下进行验证。通过这样的步骤，学生能很好地理解相关的理论知识同时可以较快速的在真实环境下实际，进而了解在真实环境下也有与模拟环境不同的地方，如接线是否牢固、网络设备是否原先有其他的设置。
（3）《单片机原理及应用》课程可以在“微机原理实验室”进行课程的实训。该实验室有11个实验桌，每个实验桌都配置有1台PC机、微机原理实验箱、单片机学习板、相关的电路模块和相关的测试仪器。软件有windows xp操作系统、proteus、masm、Keil、LabView和保护软件。这样的实验环境很适合模拟环境与真实环境的教学结合。《单片机原理及应用》的每个知识点都可以先在proteus仿真环境下进行理论讲解和实验，同时可以分析程序和电路运行是否符合要求。
四、结束
采用虚拟环境与实际环境相结合的教学模式，在计算机专业的相关课程中，增强了学生的理论知识的理解，加强了学生的实践动手能力和解决问题能力，提高了教学效率。本文提出的教学模式所使用的实验室，因为有了模拟环境的存在，有利于实验室的维护和管理。教师教学如果采用本文提出的模式，可以很好发挥教学效果的后续拓延，如录制教师上课操作步骤和学生操作过程，以便得到教学过程的数字化资源，并进行网络共享，以便学生复习使用，发挥该教学模式优势。
[ 参 考 文 献 ]
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[3] 姚嵩.windowsserver2008服务器架设与管理教程[M].北京：电子工业出版社，2011.
虚拟实验设计论文篇10
1986年美国国家仪器公司（National Instruments Corporation，NI）研发推出了图形化编程环境的开发平台——LabVIEW软件，并首先提出了虚拟仪器（Virtual Instruments，VI）的概念。作为以计算机软件为核心的新型仪器系统，虚拟仪器具有功能强、测试精度高、测试速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强等优点，通常被认为是第三代自动测试系统的同义语[1]。使用虚拟仪器系统可以避免仪器编程过程中的大量重复性劳动，从而大大缩短复杂程序的开发时间，并且客户可以用不同的模块构造自己的虚拟仪器系统。虚拟仪器技术经过二十多年的发展，如今正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向发展。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件，它整合了诸如GPIB、VXI、PXI、RS232、RS485及数据采集卡等硬件通信的全部功能，而且具有很强的分析处理能力。虚拟仪器的开发厂家为了扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面做了许多工作，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库，使虚拟仪器发展成为组建得极为复杂的自动测量系统[2]。
随着PC、半导体和软件功能的进一步更新，虚拟仪器的功能和性能不断提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。虚拟仪器的各种优点让用户可以放心地舍弃旧的传统测量设备，接受更新型、以计算机为基础的虚拟仪器系统。由于计算机的性价比不断提高，虚拟仪器的价格更为大众化，用户不再受限于传统仪器的使用限制和昂贵价格，进一步降低了使用成本，减少了开发费用和系统的维护费用。此外，新型笔记本电脑把虚拟仪器的便携性和强大功能推向一个新的水平。所有这些必将加快虚拟仪器的发展，它的功能和应用领域将不断增强和扩大。
2.虚拟仪器在教学中的应用
随着虚拟仪器系统的广泛应用，越来越多的教学部门开始用它建立教学系统，不仅大大节省开支，而且由于虚拟仪器系统具有灵活、可重用性强等优点，使得教学方法更灵活。教育的核心是素质教育，实施素质教育的重点是“培养学生的创新精神和实践能力”。随着高校扩招及学生实践动手要求的提高，出现了一些新的实验教学问题：（1）基于传统仪器实验教学的不足。当前大多数高校的实验教学仍然是基于传统仪器的教学方式，这种方式在一定程度上限制和阻碍了素质教育在实验教学中的实施，主要表现在如下几个方面：①学生需花费较多的时间组织、连接甚至搬动、更换仪器设备，一方面没有把实验课的时间完全用于实验能力的培养提高，另一方面增加了仪器设备的损坏机会；②实验基本上都是验证型实验，设计型、综合型实验少，需要学生发挥主观能动性的少；③由于实验设备的更新跟不上仪器工业的发展，实验教学与工程实际脱节。虚拟仪器在实验教学中的应用为解决这一问题提供了一条有效途径。（2）虚拟仪器技术在教学中的应用。虚拟仪器系统是测控技术和计算机技术相结合的产物，它是全新的仪器概念，打破了传统仪器的局限，在仪器的研究与制造中引起了一次重大的革新，是未来仪器产业发展的重要方向，目前在测试、控制等领域已被广泛应用[3]-[5]。虚拟仪器的特点主要在于其强大的数据分析与处理功能，并且，随着计算机硬件技术与接口技术的发展，虚拟仪器的实时数据采集与控制功能不断提升。一些高校对虚拟仪器在实验教学中的应用进行了开发，其中应用得较为广泛的有“ZK-3VIC型虚拟测试振动与控制多验装置”和“DRVI快速可重组虚拟仪器平台”等。不论哪种虚拟实验系统，归结起来，虚拟仪器应用于实验教学主要采用如下两种方式：一种方式是纯软件的虚拟仪器实验，如图1所示，即从信号的产生到信号的分析、处理和存储全音都由虚拟仪器进行仿真模拟，这种方式主要应用于理论验证性实验。
图1 虚拟实验方式之一
另一种方式的实验系统由“虚拟仪器+数据牙集卡+实测信号”组成，如图2所示。这种方式适用于操作性实验，对实验设备要求较高，除了PC机之外，还必须具备数据采集卡、实际被测对象和传感锹等。学生利用虚拟仪器平台构建扫频信号发生器、数据采集记录分析仪等虚拟书器，通过数据采集卡控制激振器和采集传感器的辅出信号，经过记录、分析，得出结论，完成实验。
图2 虚拟实验方式之二
3.虚拟仪器的教学方法
“虚拟仪器”作为一门应用技术课，其教学目标是要求学生了解虚拟仪器技术及其在各领域的应用，掌握虚拟仪器系统的基本构成及设计思想，学会系统软件开发工具LabVIEW，掌握虚拟仪器在测量仪器、过程控制、信号分析、远程控制等方面的应用技能，具有利用硬件设备快速构建研究、开发工作中需要的测试、实验系统的能力。虚拟仪器具有软件开发与硬件设计结合紧密、应用性强、涉及专业知识广等特点，采取合适的教学方法是完成课程教学任务、提高教学质量的重要途径[6]-[8]。
3.1课程内容的模块化设置。教学方法是针对教学内容制定的，教师要根据课程内容的特点采用不同的教学手段，将课程内容划分为三个模块：基础编程、应用开发、创新教学。基础编程模块：在介绍虚拟仪器的基本概念、构成和最新发展方向的基础上，把虚拟仪器前面板设计和程序框图设计、程序结构、图形显示、字符串与文件I/O、数据采集等作为教学的主要内容。应用开发模块：课程的主要内容从理论讲述转变为应用，以操作性、应用性项目为主，设计出测试、应用等一系列实验模块。创新教学模块：采用项目驱动教学方式，[1]-[3]教学内容取材于实际工程项目，根据知识点将整个项目分解开来，由简单到复杂、由局部到整体、由分立到综合。在整体结构上，将知识点与具体实例应用相融合，应用针对性更强。
3.2教学方法的选用。课程教学手段是否合理，直接影响学生对课程的学习兴趣与学习效果。鉴于“虚拟仪器”课程实践性强的特点，把课程教学由课堂搬到实验室，把讲授与学生动手实践灵活地融合在一起，让学生在实践过程中提高技能技巧，从而提高学习效率。根据课程内容的三个模块，以教、学、做为主线，以培养学生的实际动手能力为目标。
3.2.1讲授模式：主要针对课程中的理论教学，包括虚拟仪器技术背景知识、图形化编程语言原理、数据采集原理、硬件配置、仪器控制及软件工程，其目的是讲明讲透虚拟仪器的基本理论、基本知识和基本方法，使学生知其所以然。（1）讲练结合法，就是把教师讲授和学生练习有机结合起来，使讲和练互相促进，迅速而有效地实现教学目标。（2）实例教学法。实例教学法在教学过程中始终强调学以致用，在应用中学习。[4]根据教学内容和教学要求，设计多个精选实例，将所要学习的知识、操作、技能等融入实例中，通过对实例的分析、演示、讲解、讨论、学生练习及总结等环节，加深学生对基本概念、原理、方法的理解，提高学生的实际操作技能。
3.2.2实践实练：在课程教学中树立“理论重实践、实践重体验”的教育思想。综合能力的培养以一系列使用性、操作性、应用性项目为主，设计出认知、使用、测试、集成、应用等一系列实验和练习模块，让学生自己完成编程，教师指导学生自己发现和解决问题，提高学生自主学习和主动探究的积极性，提高学生的动手和创新能力。在整个环节中，任务书是关键性开始，既要有明确的实验目的和实验内容，又要给出各种规范要求、数字信号处理的新技术等。
3.2.3项目教学法：通过实施一个完整的项目而进行的教学活动，其目的是在教学过程中把理论与实践教学有机结合起来，充分发掘学生的创造潜能，提高学生解决实际问题的综合能力。项目教学法的内容要求有综合性、创新性和吸引力，因此，项目必须是精心设计和挑选的开放式课题，具有应用性或研究性，学生需要查阅资料、设计方案、软硬件设计、提交报告、演示汇报等完成本项任务。
4.虚拟仪器考试方式改革的探索
针对虚拟仪器课程的特点，结合本课程在我院几年来授课及考试方式的探索，通过对以往考试方式的改革，总结出以下几种考核方式，可以针对不同情况进行选择。
4.1上机操作考试。针对虚拟仪器课程操作性强的特点，首选上机操作考试，既能测试学生对软件的掌握程度，又能培养学生的创造性思维，充分体现实践动手能力培养的目的。如果班级比较多，而电脑台数不足，就可以分上下场考试，每场间隔10分钟，即第一个班级考完后，集体下课，第二个班级马上进入考场，使学生之间没有交流的可能性，保证考题的保密性。当一次上下场考试不能满足需求时，可出多套难度相当的考题解决漏题问题。
4.2半开卷考试形式。针对学生过多而机器过少的情况，在上机考试没有办法保证保密性时，可选择半开卷形式。可令学生在一页A4纸正反面上，以手抄写的形式记载自己不熟悉内容，可供答题参考，期间不再提供任何形式的参考资料，该方式能够杜绝学生为了一个公式而发生考试舞弊行为。在出题上，以机动灵活的题目为主，充分培养学生分析与解决实际问题的能力，既有严谨性又有机动灵活性。
4.3采用课程论文。这种方式能够培养学生利用因特网、数据检索、处理资料及应用所学知识分析问题的能力。课程论文以设计性题目为主，以解决实际工程中的案例为主，可以使学生多方面多角度地对工程实际提出多种解决方案，发挥学生理论联系实际的能力。不足之处是学生相互抄袭现象严重，可通过答道形式进行区别及判定。
4.4闭卷考试形式。这种考试形式有利于考查考生的识记、理解和应用能力，也是对考生多方面基本能力素质的考查，有利于培养学生思维的敏捷性和流畅性。闭卷考试侧重考查的识记、理解、理论应用诸方面的能力水平只能体现在书面表达和文字陈述之中，难以培养学生的创造力，学习的知识容易造成书本化。
5.结语
《虚拟仪器》的课程建设及教学实践、课程的教学方式及考核方法都需要具体分析，机器多学生少时宜采用以上机为主、重点培养学生的实践动手能力的方式；机器少学生多时，宜采用以理论教学为主，上机操作相辅的方式。教学实践证明，考核成绩可以从多方面着手，平时成绩体现学生对课程的学习态度和对基本知识点的掌握程度；实验成绩反映学生的实际操作能力和对知识点的灵活应用设计能力；课程大作业反映学生的综合分析能力和创新能力等。通过教学改革与尝试，都取得了较好的教学效果。
参考文献：
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虚拟实验设计论文篇11
Application of the Virtualization Technology in the Construction of University Computer Testing Room
FENG Yuan, CHEN Yong, ZHANG Chun-cheng
(Artillery Academy P.L.A 5 Department 41 Team, Hefei 230031, China)
Abstract:In recent years,`the virtualization technology'appeared frequently in the IT website and the magazine, its essence was in the computation in the hypothesized some actual computers the real existence thing, achieved high goal more conveniently, simply,and low-costly. However, as a result of computer teaching practice particularity, in the computer tested in the engine room construction to have some prominent contradictions. This article research significance lies from the operating system experiment, the computer network reality, the network security experiment, operating system virtualization technology aspects and so on application applies separately the hypothesized technology to the engine room construction in carries on the theory proof. Finally, it may obtain the hypothesized technology to apply in the engine room construction to be possible to tap the existing equipment's potential fully, raises the existing system's use factor, assures computer system own security, also raised the engine room administrative personnels' working efficiency greatly, lightened the work load.
Key words: virtualization; testing room; computer-teaching practice
计算机实践教学是计算机课程的重要环节,学好计算机仅仅靠理论知识是不够的,课堂讲授是使学生掌握计算机的理论知识,而实践教学的目的是通过实际操作将学到的知识付诸实际,是课堂教学的延伸和补充。计算机实践教学无论是在掌握理论知识,还是在培养学生运用计算机解决其他专业问题的能力方面,都占有相当重要的位置。要培养素质高、应用能力和创新能力强的人才,就需要给学生提供良好的上机实践环境。
1 计算机实验机房建设中的问题
计算机实验机房一般作为学生上机实践的公共机房,承担着高校计算机课程教学、实践及相关考试、培训任务,在高校实验室中的地位非同一般,然而由于计算机教学实践特殊性,在计算机实验机房建设中产生了一些突出的矛盾:
如果不对实验用机的操作系统进行保护,会造成计算机软件系统频遭破坏,给机房管理带来负担;如果限制过多,会影响教学过程和教学效果。
软件安装种类过少不能满足不同专业、不同层次的教学需要;软件安装过多则会影响机器使用性能,分散学生实践注意力,也带来了课堂教学秩序的管理难问题。
利用计算机虚拟化技术,可以在一定程度上解决上述问题。
2 虚拟化技术概述
“虚拟化技术”近年来频繁出现在IT网站和杂志上,网上的“未来十大IT技术趋势”,将虚拟化技术置于首位。
2.1 虚拟化的概念和分类
顾名思义,虚拟化就是在计算上虚拟出一些实际计算机里真实存在的东西,以达到更方便、简单、成本低、安全性高的目的。比如,虚拟计算机硬件,可以安装操作系统;以现有操作系统为蓝本,再虚拟出几个一摸一样的;虚拟一个操作系统环境,可以安装应用软件。对于虚拟化技术,至今还未有严格精准的定义。
虚拟化技术,经过数年的发展,已经成为一个庞大的技术家族,其技术形式种类繁多,实现的应用也非常广泛。其分类方式也多种多样:
以实现层次来分:硬件虚拟化,操作系统虚拟化,应用程序虚拟化。
以被应用的领域来划分:服务器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化、桌面虚拟化。
2.2 硬件虚拟化技术
硬件虚拟化,应该是中国IT人员最熟悉的技术了,可能每个程序员都有使用。还有更多一些类似本人这样的IT爱好者,天天在捣鼓。
硬件虚拟化,就是用软件来虚拟一台标准电脑的硬件配置,如cpu、内存、硬盘、声显卡、光驱等,成为一台虚拟的裸机,然后就可以在上面安装操作系统了。其代表产品为VMware、Virtual PC、VirtualBox等。使用时,先在操作系统里安装一个硬件虚拟化软件,用其虚拟出一台电脑,再安装系统,做到系统里运行系统,并可虚拟出多台电脑,安装多个相同或不同的系统。
为虚拟机分配的硬件资源要占用实际硬件的资源,对性能损耗也较大。因为是在系统里安装虚拟化软件,再在虚拟的电脑上装系统,所以就有原系统和虚拟化软件两层消耗,为了提高性能,出现了另外一种硬件虚拟化形式:直接在裸机上安装虚拟化软件,然后安装多个系统,并同时运行。跳过原系统这一环节,性能大大提高。这种虚拟化又叫做准虚拟化,主要应用于服务器领域。如VMware ESXi、Hyper-V等。
2.3 操作系统虚拟化
操作系统虚拟化就是以一个系统为母体,克隆出多个系统。它比硬件虚拟化要灵活方便,因为只需在系统里装一个虚拟化软件,就能以原系统为样本,很快克隆出系统,克隆出的系统与原系统除去一些ID标识外,其余都一样。其代表产品为SWSoft公司的Virtuozzo。
操作系统虚拟化是对原系统的复制,虚拟的多个系统有较强的联系,体现在:第一,可以多个虚拟系统同时进行配置,更改了原系统,就改了所有;第二,如果原系统损坏,会殃及所有虚拟系统。硬件虚拟化虚拟的多个系统,是相互独立,与原系统也无联系。原系统的损坏不会殃及虚拟的系统。
2.4 应用软件虚拟化
前两种虚拟化的目的是虚拟完整的真实的操作系统,应用虚拟化的目的也是虚拟操作系统,应用级的虚拟化只是为保证应用程序的正常运行而虚拟系统的某些关键部分,如注册表、C盘环境等,所以较为轻量、小巧。可以让软件免去重装烦恼,不怕系统重装。很有绿色软件的优点,但又在应用范围和体验上超越绿色软件。应用虚拟化领域最典型的产品是sandboxIE(俗称沙盘),它主要用于软件测试和安全使用领域。因为它像个软件的囚笼,你可以把软件安装在沙盘里,并运行在其中,软件所有行为都不会影响到系统。如果软件带毒或被感染病毒,可以一下扫光,就像把一个真实的沙盘里的各种沙造物体全部打碎重来。
使用方法大体为:先安装虚拟化软件,此时已经搭建了一个虚拟化环境,然后接收来自网络的应用软件或安装应用软件到虚拟化环境里,最后使用应用软件。
3 将虚拟技术应用到机房建设中
3.1 硬件虚拟化技术的应用
将硬件虚拟化技术引入机房建设中,可以在一台电脑上将硬盘和内存的一部分拿出来虚拟出若干台机器,每台机器可以运行单独的操作系统而互不干扰,这些“新”机器各自拥有自己独立的CMOS、硬盘和操作系统。
3.1.1 操作系统实验
计算机维护实验,如磁盘分区、格式化、安装操作系统、Ghost备份与恢复等会破坏硬盘数据的完整性,因此,这类实验在学校的机房一般是不允许的。而在虚拟机环境下,学生可以任意进行格式化、分区、设置CMOS等计算机维护操作,即使操作出现了问题,也可以非常方便地恢复所用的操作系统。由于虚拟机对应的仅是真实主机上的一个文件,在虚拟机中进行的任何操作都不会破坏现有的硬盘分区和数据。这不但保证了原系统的安全,而且在完成操作后,通过映像功能可以轻松将系统恢复到原样。如果不想在操作之后通过映像功能恢复系统,还可以针对目标虚拟机创建克隆。克隆出来的虚拟机可以随意操作,不用担心给被克隆的虚拟机带来什么影响,完成操作之后直接删除克隆的虚拟机即可。
另外,利用Windows系统下的虚拟机软件来使用Unix、Linux等操作系统,可以方便地进行各个操作系统的切换,同时虚拟机又可以完全实现Unix、Linux操作系统的功能。这一点给学生的学习带来了极大的方便,避免了一下进入一个完全陌生的环境,给学习带来不便。
3.1.2 计算机网络实验
使用硬件虚拟技术,一台高性能的计算机可以虚拟成多台互相之间能够进行通信的小型网络 ,可以让学生人手一台单机完成大多数网络实训任务,大大提高了设备的利用率,并保证了学生实训的时间和机会。
3.1.3 网络安全实验
黑客工具的使用、网络操作系统的安全配置、网络服务器的安全配置、数据加密系统的应用等实验往往给实验机带来极大的破坏,很多学校为了减轻机房管理的负担,都尽量避免开设这样的实验,只是课堂上做理论讲解。引入硬件虚拟技术后,可以在计算机上安装专门针对网络安全实验的虚拟操作系统,学生可以“不计后果”地对实验环境进行肆意的“破坏”,实验完成后,管理员只需要重新恢复一下虚拟环境就行了。
3.2 操作系统虚拟化技术的应用
目前,学校的机房作为公共设施往往都有着多种不同的用途。承担着不同院系、不同班级的教学、上机试验等任务,有的机房还要作为计算机考试和相关培训的上机场所。管理员在学期初进行机房软件环境规划时,总是根据该学期教学情况预先安装多个操作系统,每个操作系统上都尽可能的安装多的软件,以适应不同的院系班级上机、实验、等级考试、培训等教学任务,但是在实际应用中总是存在软件相冲突、硬盘空间不够用等多种问题。
而虚拟操作系统技术,允许在受保护的真实操作系统上创建多个虚拟操作系统,而且不需要占用独立的硬盘空间。虚拟系统里的数据变化可以被永久保留,但是不会影响到真实系统的还原和保护。
正是由于虚拟系统的这种特点,可以实现在不影响机房统一管理和维护的前提下,授权学生利用虚拟系统自由创建个性化的软件学习环境。通过对虚拟系统设置密码,该虚拟系统只有管理员和创建者可以进入或删除。这样一来,得到授权的学生在机房就像拥有了一台只属于他自己的电脑,可以自由的使用它,比如:安装软件、保存各种学习资料、课程设计、毕业设计等等。
4 小结
虚拟化技术的出现,给计算机实践教学提供了一种有效的辅助工具,它充分挖掘了现有设备的潜力,提高了现有系统的利用率,保证了计算机系统自身的安全,同时也大大提高了机房管理人员的工作效率,减轻了工作负担。因此,虚拟化技术将计算机实验机房建设中发挥越来越重要的作用。
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虚拟实验设计论文篇12
一、引言
大W计算机课程是面向非计算机专业大学本科一年级学生开设的一门计算机必修课，迄今该课程已经开设了二十多年，该课程历来是计算机基础教育教学改革中的热点。我国“十五”到“十一五”期间对该课程进行教学改革的最显著成果是将课程的地位从原来的选修课改为公共基础课，并逐步在课程体系及教学资源建设上取得了突破性进展。在国际上“计算思维”理念渗入到计算机基础教育的形势影响下，我国一批院士学者在“十二五”初期开始提出了以计算思维推动计算机基础教学改革的思路，经过了近五年的教改研究，一些先行者将支持计算思维能力培养的教学内容注入了大学计算机课程，以此为核心展开教研和教学活动[1]。
如何更好地开展计算能力的培养，是一个值得探索的问题。计算能力既不是一种教学形式，也不是一种知识内容，而是一种能力素质，因此它必然通过学生主动思考学习获得。在计算机基础课程改革经历了从技能到能力、从工具到方法的过程后，基于计算思维的计算能力培养将成为第三次课程改革的核心概念和基本导向。我们可以很容易教会计算机的使用方法，也很容易让学生去记忆并理解一些基础知识，但是无法教授计算思维的能力，因此大学计算机教育更重要的是为学生提供这样一种环境，引导学生去思考而主动获得计算思维的能力。本文通过研究用虚拟实验方法培养学生计算思维能力，帮助学生理解教学重点难点内容，并阐述在新一轮的教育教学改革中实验教学应该如何设计和配合。
二、虚拟实验教学方法与研究
虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、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境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，也可以将可视的信息流动、不可见的微观结构以视觉方式展示，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。相较于传统实验，虚拟仿真实验不受时空限制，并且可以完成真实实验设备不具备或难以实现的教学内容[2-3]。
根据教育部大学计算机教学指导委员会关于《大学计算机基础课程教学基本要求》的指导思想，大学计算机课程的教学目标是培养学生的计算思维能力，涉及的知识面广泛，包括计算机信息数字化基础、计算机硬件体系结构、计算机软件系统、计算机网络、数据处理与数据库、算法与程序设计等内容。我校大学计算机虚拟仿真实验教学中心[4]面向该课程设计研发了一套面向计算思维培养的教材、一款面向重点难点教学内容的虚拟实验库以及一个配套的支持在线实验的教学系统[5]，构建了虚拟仿真实验平台，展示了“理论+概念+方法”的全新教学方案[6]。该教学方案已经被国内多家高等院校采用，将虚拟仿真实验平台与实践教学环节相结合，运用于计算机基础课、计算机导论以及计算机专业课等领域[7-11]。下面以三个典型的实验案例说明虚拟实验在大学计算机课程中的教学设计与研究。
1.计算机数据表示虚拟实验案例
由于计算机中采用二进制，数值型数据以及非数值型数据都以二进制的形式存储和处理，非数值数据包括字符、声音、图形和图像等。字符型数据在计算机中的编码表示与输入输出的信息交换是大学计算机课程教学中的重点和难点，尤其是西文字符和汉字字符的输入、查找与显示的过程，以及ASCII码、汉字输入码、国标码、机内码、字形码等多种编码的作用和编码方法。
通过“西文字符编码虚拟实验”，学生借助于虚拟键盘、虚拟内存和虚拟显示器实现西文字符的人机交互，实现西文字符的输入、查找与显示的过程演示，如图1所示。首先，学生在虚拟键盘上选定一个字符，并填写该字符的ASCII，实验将该ASCII的二进制保存在虚拟内存中，然后开始字符查找并显示的过程，最后要求学生填写该字模的前6个字节的十六进制编码。学生完成该实验后，不仅了解西文ASCII码、字形码等多种编码的作用及编码方法，而且加深对二进制编码方法和信息交换等技术的理解，掌握计算机字符编码与信息交换的基本方法，进而掌握计算机信息处理的基本原理，并能充分理解和掌握二进制编码方法并拓展应用。
此外，我们还设计了“汉字编码与汉字库实验”，用于模拟汉字的各种编码的自动转换过程，以及汉字显示所要进行的汉字库查找过程，如图2所示。该实验采用两个设定的汉字“形”和“字”为例，通过学生的输入产生相应的输入码，之后实验自动演示后续编码转换过程。并且要求学生选择不同的字体，之后实验流程将在相应的虚拟汉字库查找该汉字的字模，并在模拟终端显示该汉字。学生完成该实验后，不仅能掌握汉字的输入码、机内码、国标码、区位码的表示和相互之间的联系，而且能了解汉字字模与汉字库的概念及功能，并掌握汉字点阵码、汉字字模以及汉字库的不同概念和应用。
2.计算机网络教学虚拟实验案例
在计算机网络教学中，计算机网络的本质就是实现计算机的互连互通，核心内容是计算机与计算机之间是如何通讯的。重点内容是让学生理解整个过程，进而对相关的知识能够消化吸收，而不是将网络体系割裂为通讯介质、信号类型、协议架构等复杂的知识体系，这种方式或许适用于培养专业的计算机人才，但是不适用于刚刚入学并且充满好奇心的大一新生。因此我们设计了“广域网通信与邮件传输”虚拟实验[6]，用于对电子邮件发送过程的网络通讯过程进行剖析，涉及了广域网网络通讯的各个环节的知识点。如图3所示为广域网通信与邮件传输实验的实验界面。
该实验模拟从电脑发送邮件到邮件服务器的过程，分为两个部分，首先计算机到域名解析服务器获取邮件服务器域名所对应的IP地址，然后通过IP路由的方法将邮件发送到对应的服务器。其中覆盖的知识点包括域名解析、IP地址及其子网掩码、邮件服务系统、点到点的通讯、网卡及其数据链路层、端到端的通讯、路由器及其网络层等。
该实验的目的不是强调某一个知识点的基础，而是从系统的角度，让学生理解网络是怎么工作的，各部分功能组件所起到的作用。这样就能以典型的应用背景将计算机网络基础中的主要知识点串联起来，学生在学习的过程中不仅能够理解相应知识点，而且能够掌握在网络中的作用和意义，促进学生对该知识点的应用能力。
3.计算机体系结构虚拟实验案例
在计算机工作原理与硬件体系结构中，涉及了内存、CPU、寄存器、程序计数器、算术逻辑单元等基本部件，指令和指令系统以及地址总线、控制总线和数据总线的三总线结构。知识点比较多，并且由于计算机的微观结构不可及，导致计算机指令的执行过程高度抽象、难于理解。
我们设计了“一条指令的执行过程”虚拟实验[6]，构建了计算机CPU、内存等的实验环境，将涉及计算机指令执行的程序计数器、指令寄存器、通用寄存器、算术逻辑单元、地址总线等不可及的硬件微^结构通过虚拟仿真可视化。同时以加法操作指令为例，通过人机交互的方式，展示了程序分解为指令和指令如何编码、寻址、存储、解码、执行、跳转的全过程。图4为一条指令的执行过程实验取数据阶段的示意图。
三、虚拟实验教学实践
我校面向非计算机专业的理工类学生开设了“大学计算机”课程，学时总数为32学时，教学内容包括计算机信息化基础、计算机硬件体系结构、计算机软件平台、计算机网络平台、多媒体数据处理、数据库技术及应用等。该课程的难点在于学时少、教学内容多，如何在较少的学时内让学生快速理解并掌握教学重点和难点是该课程普遍存在的一个问题。通过应用虚拟实验的教学方式，可以加深学生对教学重点难点内容的理解和学习。
经过教学实践的大学计算机课程虚拟实验教学体系如表1所示，我们从开发的虚拟实验平台中选取了26个虚拟仿真实验，与相关的理论教学内容相结合，构建了一套完整的理论与实践相结合的教学体系。
总结学生的反馈意见，虚拟实验教学环节有效地强化学生理解重点难点，引导学生进行自主学习，激发对专业知识的兴趣等。
虚拟实验方法充分利用现代信息技术手段，具有建设维护成本低，平台扩展性好，利用效率高等优势。将虚拟仿真实验应用于实际教学，能充分发挥两者的优势，整合优质的理论和实验教学资源。教学实践表明，虚拟实验是学生真正理解理论知识并运用于实践的重要保证，有效地解决了大学计算机课程的实验教学问题。
参考文献：
[1]教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会.大学计算机基础课程教学基本要求[M].北京： 高等教育出版社，2016.
[2]李平，毛昌杰，徐进.开展部级虚拟仿真实验教学中心建设，提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.
[3]王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34（5）：214-219.
[4]北京理工大学“大学计算机虚拟仿真实验教学中心”[DB/OL].http：//.
[5]虚拟实验工场[DB/OL].http：//.
[6]李凤霞，陈宇峰，李仲君等.大学计算机实验[M].北京：高等教育出版社，2013.
[7]李凤霞，彭远红.虚拟实验方法全面助力计算机教育教学改革[J].计算机教育，2015（17）：1.
[8]张春英，赵艳君，谷建涛.构建虚实融合的地方高校计算机实验平台[J].计算机教育，2015（17）：2-5.
虚拟实验设计论文篇13
依托于互联网和大数据的计算机仿真平台的突出特点是智能化，可以提供更多种类的教学模式和实验模式；在交互性的表现方面具有强大的AI性能[10-11]，易于教师与学生的互动和交流，学生在选择性学习方面有了更大的自主性。由于虚拟仿真实验教学平台的教学资源由网络和大数据平台提供，一方面可以保证所提供的工程机械模型的科学性、时效性和多样化，能够应对不同方向的教育教学任务；另一方面也提高了教学资源网络的共享性和开放性，节约了教育教学成本。
本文设计的基于网络与计算机虚拟仿真技术的工程机械实验教学平台，是在工程机械设计与机械运动原理的基础上，结合计算机仿真技术和多媒体技术，以更为直观和透彻的方式展现工程机械设备的工作原理。它改变传统实验教学平台中过于抽象和单一的表现方式，具有更好的交互性和实验教学效果。计算机虚拟仿真实验教学平台作为一种新型教育教学系统和媒介，为工程机械实验教学提供了一个高效、稳定和经济的教学方式。该虚拟仿真实验教学平台的最大特点是以虚拟3D的方式呈现，可以在虚拟与现实之间进行转换，是多媒体VR技术在教学中应用价值的体现[12]。学生和教师都可以以用户的身份登录该平台，基于输入/输出设备向虚拟实验平台传达指令并获取相关的结果，反馈的结果包括视频输出、图形输出和文字输出等不同的形式。平台还能够依据登录者的要求提供更加完整的实验数据、实验图形及工程机械各种参数变化曲线拟合等。
工程机械虚拟仿真实验教学平台总体框架主要由平台信息导入模块、实验教学虚拟交互系统和平台信息导出界面等3部分构成。工程机械虚拟仿真指令从输入界面导入，用户的指令需要转换为虚拟的计算机语言并进入虚拟仿真实验教学系统。虚拟交互系统是虚拟仿真实验教学平台的核心模块，按照用户的指令提供平台控制功能、场景虚拟功能、场景选择功能及各种指令操控功能。平台信息导出模块将实验教学虚拟交互系统模块计算和处理过的数据信息、仿真模型以图像或视频的模式显示出来，从理论和实践两个视角展现工程机械运动的过程和基本原理。
2虚拟仿真实验教学平台的基础硬件设计
工程机械虚拟仿真实验教学平台由硬件系统和软件系统两个部分构成，其中硬件部分是实现虚拟仿真系统基础功能的前提和保证，也是软件功能得以实施的实物载体。
用于工程机械虚拟仿真的实验教学平台核心硬件模块包括虚拟上位机、信号控制模块、信号驱动模块、仿真运动平台、信号感应模块和LED显示模块。当用户开始操作平台时，信号模块会将用户的要求和信息以控制信号的模式导入驱动模块，同时虚拟上位机系统参与协同控制，共同控制虚拟仿真平台的工作与运行。虚拟仿真实验教学平台除了具有必要的电机结构、联轴器结构、台体结构、电控装置及运动结构之外，还通过编码器、光栅尺、传感器等与上位机系统连接，以虚拟现实技术为依托，实现工程机械实验教学平台系统的更新与变革。工程机械虚拟平台系统依靠编码器、传感器等读取用户的指令信息，再利用信息控制模块及平台的电控装置，传导信号、输出指令和导出实验教学用的相关数据和虚拟模型。
3实现流程与关键技术
工程机械虚拟仿真实验教学平台的系统软件程序设计，与系统整体框架设计及硬件模块设计相匹配，平台的各软件模块都围绕着工程机械设计的基本理论展开。平台软件的实现流程包括系统用户时域信号的分析和系统频域特征的分析，最终通过对用户需求的分析和平台虚拟程序的运转，输出各类工程机械工作原理视频或图片，以达到提高教育、教学效果的最终目的。
平台启动后，用户按照自己的教学需求和平台使用规则载入原始数据，并开始进行数据转换，提取符合工程机械标准的性能指标值及相关数字信号的空间坐标值。系统的软件模块和软件实现流程能够以程序的方式写入平台系统，也可以按照用户的需求及工程机械的基本原理进行修正，以呈现出不同的信号频域特征和工程机械模型。
虚拟仿真实验教学平台信号的响应速度是衡量平台软件系统功能性的主要指标之一。平台系统在数据信号和系统本身固有特性共同作用下，可以将用户的实验目的及实验要求转化为最终的工程机械虚拟仿真实验结果，并在显示模块中显示出来。初始阶段由用户数据转换过来的信号为阶跃信号，阶跃信号可以直接调动系统平台的资源，但受到虚拟仿真实验教学平台硬件兼容性的限制。当信号无法调动系统平台资源时，就需要将阶跃信号转变为脉冲信号。平台的响应信号实质上由系统内部软件程序的微分方程及其全部的解构成，在系统平台开始进行仿真实验的过程中，基于对仿真信号的传递、识别和处理，能够得到实际的工程机械仿真模拟输出，但在绘制信号的仿真输出曲线时会出现一定程度的系统误差(t)，影响微分方程正确解的总体数量，因而需要对信号传输误差进行有效控制。系统信号输出误差的控制可以通过调整系统硬件参数设定或更新软件程序的方法实现。虚拟仿真实验教学平台的频率响应效率是影响平台信号谐波输入及系统稳态响应的一个重要因素，输出曲线的正弦波相位变化及幅值的变化，是显示虚拟仿真平台基础性能的重要指标之一。当进行虚拟仿真实验时，可以通过修改信号频率的模式，得到若干组数据信号输出值，使虚拟仿真实验教学平台的误差最小化，得到结果最为真实、准确。
在工程机械虚拟仿真实验教学平台的实际应用中，本文采用的UGNX虚拟技术，能够导入各种3D模型制作软件，具有更加良好的适配性和兼容性。在虚拟仿真实验教学中，软件程序的设计主要基于UGNX虚拟技术来实现，包括3D建模、3D渲染和仿真教学模型的优化。利用UGNX虚拟技术进行工程机械仿真实验教学，基于UGNX技术优化虚拟仿真实验教学平台的系统属性和软件实现流程，并按照用户的需求模拟真实的工程机械设备进行场景的选择与设定，添加各种属性和行为。
虚拟仿真软件程序在UGNX内创建并内嵌于虚拟仿真实验教学平台之中，实现工程机械的3D建模。创建仿真程序需要对原始的数据信号进行标准化处理及虚拟场景的交互，导入机械设备模型的三维数据，其中工程机械设备的格式是以系统插件的形式完成的，在数据信号格式的转换中，基于网络和校园内部浏览器向平台输出相关的实验教学数据，确定虚拟仿真实验教学的实施路径，并将最终的虚拟仿真结果以视频或图像的形式更为直观地展现出来。
在工程机械虚拟仿真实验教学中，为了提高三维展示的直观性，工程机械内部零件都具有一定的透明度，并可以利用UGNX技术将不同的零件辅以不同的颜色，在实验教学中有助于使用者更为细致地观察工程机械的运行原理，认识各个内部零件之间及与设备整体的逻辑关系。与传统的工程机械类实验平台相比，本文设计的仿真实验平台，在仿真的直观性、准确性、交互性及实验课堂教学效果方面都具有较大的优势。特别是在平台系统交互性能方面，利用UGNX技术平衡虚拟仿真平台总体的架构与节点安排，使工程机械设备结构的各种特性都能够全面地展示出来，显著提高教育教学的交互性与智能性。
4实证结果与分析
4.1虚拟平台的功能性验证
首先验证虚拟仿真实验平台的功能性。采用问卷调查的方式对使用了平台的师生进行问卷调查，对于文中提出平台设计的满意度问卷调查统计情况问卷调查结果显示，各专业教师和学生对于虚拟仿真平台的满意度均在95%以上，说明文中提出的虚拟仿真平台相对于传统平台具有良好的功能性和实用性，能够获得更好的实验教学效果。
4.2虚拟仿真平台的性能验证
