虚拟实验设计论文模板(10篇)

导言：作为写作爱好者，不可错过为您精心挑选的10篇虚拟实验设计论文，它们将为您的写作提供全新的视角，我们衷心期待您的阅读，并希望这些内容能为您提供灵感和参考。

篇1

2.虚拟电桥模型电桥是目前常用的电阻式传感器测量电路，整个电桥电路由四个桥臂组成，当桥臂接入应变电阻时则成为应变电桥。当有一个臂被接入应变电阻时，被称为单臂电桥；两个臂被接入应变电阻时则为双臂电桥（也称半桥）；四个臂均被接入应变电阻时则称为全桥。在桥路中均未接入应变电阻时。

3.电阻属性和接桥方式设计前面板（如图1所示）上电桥部分的电阻属性分为固定电阻、应变电阻和平衡电阻三种，应变电阻的贴片方式分为受拉应力和受压应力。（1）电阻属性。图1中的电阻R1的属性只有两种：应变电阻和固定电阻。该属性通过操作“R1”设置开关进行选择。若R1为应变电阻属性，其阻值会随载荷F的增减而产生相应的ΔR1以及因温度变化产生的ΔR1t。电阻R2的属性与R1相同。通过操作“R2”设置开关可以选择R2的属性。若R2作为应变电阻，则会随载荷F的增减而产生相应的ΔR2以及因温度变化产生的ΔR2t。若操作“差动设置”开关，则可使R2的受力方式为受压应力，从而会随载荷F的增减而产生相应的-ΔR2以及因温度变化产生的ΔR2t。R3，R4需要参与调平电路的设计，因此接线也会相对复杂。通过操作“R3”和“R4”设置开关对该电阻进行属性操作。图中出现的Rr显示框为调零电路中的R5的右半部分与R6串联然后再与R3并联后的阻值。Rl显示框为R5的左半部分与R6串联后再与R4并联后的阻值。（2）接桥方式的设计。虚拟前面板上的电桥工作方式分别为：不工作、单臂工作，半桥工作和全电桥工作方式四大类型。对于半桥和全桥方式，其中应变片又分为差动和非差动两种布片方式。不工作方式指的是R1，R2，R3和R4都设置成固定电阻。该方式无论怎样施加外力，输出始终为零。单臂工作时将R1设置为应变电阻，R2、R3、R4设置为固定电阻。此时，按“R1”按钮，“R1”按钮变绿，图中应变电阻R1如果显示向上的箭头，表明该应变电阻受拉应力，对应电阻值增大；如果应变电阻R1显示向下的箭头，表明该应变电阻受压应力，对应电阻值减小。半桥非差动工作时，R1、R2设置为应变电阻，R3、R4设置为固定电阻。按下“R1”、“R2”两个按钮，两者均变绿表示接入工作臂，同时电阻R1、R2上的箭头方向一致，表示应变片受到相同性质的应力，此时电桥输出基本为零。半桥差动工作时，R1、R2设置为应变电阻，R3、R4设置为固定电阻。按下“R1”、“R2”两个按钮，两者均变绿表示接入工作臂，同时电阻R1显示向上箭头，R2显示向下的箭头，表示对应的应变片受到拉应力和压应力。全桥非差动工作时R1、R2、R3、R4属性均为应变电阻，此时，按下“R1”、“R2”、“R3”、“R4”按钮，均变为绿色。四个电阻上的箭头方向一致，表明四个电阻受相同性质的应力，此时电桥输出基本为零。全桥差动工作时，“R1”、“R3”电阻箭头向上，表示受拉应力；“R2”“R4”箭头向下，表示受压应力。

4.温度误差计算及补偿在讨论应变计的工作特性时通常是以温度恒定为前提的，但在实际应用过程中，工作温度可能会发生变化，从而导致应变电阻的阻值发生变化。设工作温度变化为Δt℃，则由此引起粘贴在试件上的应变电阻的相对变化为。将公式（11）代入公式（7）-（10），即可以计算出温度变化时的电桥输出，该输出即为温度误差。单臂工作时，采用补偿块法进行温度误差补偿，该方法利用两块参数相同的应变计R1、R2，R1贴于试件上并接入工作臂，R2贴于与试件材料相同温度环境的补偿块上，但该补偿块不参与机械应变，同时接入电桥相邻臂作为补偿臂。当接通电源并施加负载时，补偿臂产生的热输出与工作臂产生的热输出相同，则可达到温度误差补偿的目的。对于半桥差动和全桥差动工作方式，根据公式（10）的和差特性即能进行温度误差补偿。5.非线性误差计算及补偿公式（10）是对公式（9）进行线性化后的输出。对于单臂工作时，非线性误差可以通过在电路中加入补偿臂（该臂不受外加应力作用）。对于半桥差动和全桥差动工作方式，不需要外接补偿电路，因为差动工作方式具有很好的非线性补偿作用。

二、虚拟操作面板的设计

用LabVIEW软件开发虚拟仪器，用户能“量身定制”仪器的操作面板。本实验根据真实的电阻式传感器实验电路接线图作为虚拟仪器的操作面板，能直观地阐述电阻式传感器实验原理及操作方式，虚拟面板如图1所示，主要包括虚拟弹性元件选择、应变电阻布片方式选择、电桥接法选择、电桥调零模块、差动放大模块、直流电源模块。此外前面板还包括电阻、外力、温度的赋值等。

三、远程虚拟实验的演示步骤

电阻式传感器实验的远程操作分别由DataSocket技术与Web网络工具来实现。DataSocket技术以及网络化技术的结合使虚拟仪器的远程控制成为可能，可在若干计算机上对传感器虚拟实验进行操作及数据处理。这为传感器虚拟实验的互动教学提升了便捷性。电阻式传感器虚拟实验的远程操作过程如下：第一步，打开服务器网页。第二步，输入R1、R2、R3、R4的阻值。第三步，选择弹性元件类型。第四步，设置接桥和布片方式。第五步，打开电源开关。第六步，调节调零电位计，直至电桥近似达到初始平衡状态。第七步，点击“施力F”按钮。第八步，查看客户端网页，查看电桥输出曲线。第十步，点击服务器面板中的“复位键”，使所有选项、开关及输入数据均清零和初始化。第十一步，关闭电源开关。

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中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2016）02-0055-04

探究性三维虚拟实验设计的理论基础

1.认知主义学习理论

认知主义学习理论把学习看作对信息进行主动选择和理解的过程，认为人的认知过程实际上是一个信息加工过程，知识不是由外界刺激直接给予的，而是外界刺激和认知主体内部心理过程相互作用的结果。采用三维虚拟实验进行教学，认知对象从传统的与现实世界打交道，变成与虚拟世界进行交互，从而产生了一种新的认知方式。因此设计三维虚拟实验时，必须从学生的认知心理出发，注重学生的具体经验和对情境的了解，使学习者新旧知识之间的同化能顺利完成，最终促进自己的认知发展。

2.情境学习理论

情境学习理论认为，特定的知识应该在特定的情境中去学习，学习是一个社会性过程，知识在这个过程中由学习者与周围环境相互作用共同构建。情境学习理论强调学习者应经历社会真实情境，通过实际活动使其在真实情境中学习知识、技能和策略，对知识做合理的解释并能灵活运用知识。因此，设计三维虚拟实验时，必须创设实验过程所需要的各种情境，为学生主动探究提供环境支撑。

3.建构主义学习理论

建构主义认为，学习是建构内在心理表征的过程，学习者以已有的经验为基础，通过与外界的相互作用来建构新的理解，学习者知识的获得是个体与外部环境交互的结果。因此，设计三维虚拟实验时，必须提供灵活的交互方式，同时为学习者提供丰富的资源和工具，方便学生进行科学的探究活动，有效建构自己的知识。

中学物理探究性三维虚拟实验设计

1.设计原则

直观性：三维虚拟实验设计要为学习者提供逼真的实验环境，增加学生者亲身体验的经历。由于操作步骤复杂、观测过程漫长、实验仪器昂贵等原因而无法完成的实验要逼真模拟，实验现象抽象和微观的就要突破时空限制转变为直观呈现，实验过程不能及时控制的要设计关键现象模拟情境，使学习者在虚拟环境下，便于观察物理现象，更好地理解和掌握实验原理。

交互性：三维虚拟实验设计要为学习者提供更多交互的环节和实时的反馈，方便学习者选择实验设备、操作实验仪器、设置实验条件、改变实验参数。使学习者在虚拟环境下，按照自己的学习特征、学习进度和学习方式进行主动探究。

开放性：三维虚拟实验设计要为学习者提供可以自主设计实验的学习资源和工具，使学习者能够按照自己的兴趣自由地设计实验方案、演示实验效果，并提供及时的反馈。

趣味性：三维虚拟实验设计要为学习者提供能够激发好奇心和求知欲的实验过程和现象，能够吸引学生的注意力，给学习者悦趣的体验，激发其学习物理的兴趣。

2.设计过程

（1）实验类型和主题的设计

按照实验内容分为：声音类、光学类、电路类、电磁类、理学类、能量类。本研究从众多实验中选择了部分实验进行开发仿真，具体包括真实实验中不易观察的实验、真实实验中不易控制的实验两类。

（2）虚拟实验模块设计

探究性三维虚拟实验共包括实验介绍、实验操作、实验提示、实验评价四个模块。其中，实验介绍包括仪器介绍和内容介绍。仪器介绍阐述虚拟实验中用到的关键仪器的功能、使用方法等。内容介绍阐述实验目的、实验原理等；实验操作是虚拟实验的核心部分，通过分析该阶段学生的认知结构，设计交互式的用户界面和探究性实验环节，学生根据实验原理和步骤，在三维虚拟实验场景中对相关实验仪器进行操作，完成实验；实验提示是指对实验中容易出错的地方为学生提供必要的帮助；实验评价是根据具体的实验要求，对学生的实验操作结果进行评价。

中学物理探究性三维虚拟实验的实现

1.主要开发工具的选择

探究性三维虚拟实验的实现主要包括虚拟实验场景、各种实验仪器设备的三维建模，以及提供探究活动的虚拟现实交互体验的开发，用到的开发工具主要包括三维建模工具3ds Max和虚拟现实开发工具Unity 3D。

（1）3ds Max

3ds Max是Autodesk公司开发的基于PC的三维动画制作、编辑、播放与三维建模和渲染软件。它具有易于使用、功能强大、性价比高等优点，是许多个人和公司用户首选的三维建模与动画软件。3ds Max被广泛应用于广告、影视、游戏开发、计算机艺术、角色动画、工业设计和辅助教学等诸多领域。

（2）Unity 3D

Unity 3D是由Unity Technologies公司推出的一款强大的3D跨平台游戏引擎，包括图形、光照、音频、渲染、物理和网络等多方面的引擎支持，目前已不仅仅局限于游戏开发，而成为强大的综合性虚拟现实开发工具，在虚拟漫游与实时设计、虚拟现实交互体验、人体数字化展示等领域都得到有效应用。

2.开发流程

三维虚拟实验的开发步骤为：①三维虚拟实验场景、实验仪器的建模；②分析学生的心理和认知结构，设计探究环节；③设计交互界面，实现实验的交互操作；④测试虚拟实验，进行调试和优化；⑤虚拟实验。

3.探究性三维虚拟实验的开发

（1）实例1：布朗运动

①实验设计思路：布朗运动是由微观分子间做无规则运动而形成的。在现实生活中，难于操作，不易观察，只有借助显微镜才能观察，使得学生缺乏创造力和空间想象力。而在三维虚拟实验中可以克服这些不足，利用Unity 3D提供的物理引擎，可以很好地模拟微观分子的无规则运动。本实验通过设计交互式的界面接口，使学生可以通过控制温度变化或调整微观分子大小，模拟微观分子的运动变化情况，从而使实验者更好地理解布朗运动。

②虚拟实验场景和实验器材的三维建模。实验采用3ds Max对三维仿真实验中用到的模型进行构建，主要包括实验桌、实验仪器，实验主界面如下页图1所示。

③虚拟仿真实验的实现。本实验提供了两个观察角度，即宏观和微观，宏观角度用来展示实验前的状况；微观角度用来展示微观粒子的运动状况，通过使用摄像机效果，使得观察者能够清晰地看到微观世界中分子的无规则运动情况，实验操作界面如下页图2所示。

下面详细介绍微观角度下实验的实现过程。首先，学生点击微观按钮后，摄像机被激活显示，同时向液体分子拉近，这时出现图2所示的界面，屏幕下方出现对应的滑动条用于控制条件，一种是温度变化，一种是分子大小变化。这里用到了NGUI插件里的Tween Position动画。其次，液体分子的无规则运动模拟是用Unity自带的碰撞检测函数来实现的。当分子之间相互碰撞时，会触发自身的碰撞检测，从而受到一个反向作用力被反弹回去。当多个分子发生碰撞时，它们的运动就会变得毫无规律，从而形成了无规则运动。

（2）实例2：光的反射与折射

①实验设计思路：光的反射与折射定律探究的是光从一种介质照射到另一种介质时发生传播方向改变的光学现象。在现实生活中，为了确保实验的准确性和灵活性，特别要保证三线共面，需要实验操作细致，入射角、反射角、折射角的测量也很费时，且不易控制。而在三维虚拟仿真实验中可以克服这些不足，利用Unity 3D可以很好地模拟光线的反射、折射现象，以及入射角、反射角、折射角之间的关系。

②虚拟实验场景和实验器材的三维建模。本实验采用3ds Max对三维仿真实验中用到的模型进行构建，主要实验仪器如图3所示。

③虚拟仿真实验的实现。本实验用来展示入射角变化时，反射角、折射角的变化情况，通过圆盘上的刻度标定，能够随时读出确切的值，实验者能够清晰地看到入射角、反射角、折射角的关系，实验操作界面如图4所示。

结束语

新技术、新媒体的发展对传统教育教学改革具有推动作用，利用虚拟现实技术设计并实现初中物理探究性三维虚拟实验，能够有效改进传统中学物理实验教学的不足，为学生进一步理解基本概念、掌握实验规律和实验原理，提供了主动探究的环境，对学生创新思维的培养具有重要价值，对探索信息技术环境下中学实验教学新方法具有重要意义。

参考文献：

[1]马发挥，李献业，钟永江，陈红珍.初中物理虚拟实验室教学模式研究[J].中国信息技术教育，2010（9）：48-50.

[2]姬洪强.《现代教育技术》虚拟实验室的设计与实现[D].金华：浙江师范大学，2009.

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[4]张林誉.初中物理虚拟试验系统的设计与实现[D].武汉：华中师范大学，2013.

[5]徐一帆.基于虚拟现实的中学物理仿真实验的设计与实现[D].长沙：湖南大学，2013.

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[中图分类号]G40-057　[文献标识码]A　[论文编号]1009－8097(2012)05－0116-05引言

电脑游戏与网络游戏的不断发展并被应用于企业、教育、军事、科学以及医学领域。目前的虚拟实验无论是设计方面还是开发方面，大多数都只是将实验器材迁移至计算机中来实现，单纯地追求实验的仿真，而不是从学习者的角度考虑其学习效果。建构主义学习理论指出：“清境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素，一个自由而充满趣味性的虚拟环境对学习者的学习效果有着至关重要的影响，而游戏性虚拟实验的构建则是实现这一效果的一个有效途径。游戏性元素的融入对于学习者学习环境的改善以及知识建构、深层次理解都起着促进的作用，并且吸引着学习者愉悦地解决问题。由此可见，游戏性元素的注入需要运用游戏策划、设计方法和实现的技术的结合来表现一个完整实验环境的设计，这并不是简单的添加，构建模型可以把复杂的问题清晰的表达出来，使理论的各组成部分可视化并得到检验。利用模型构建的方法不仅帮助学习者理解形成问题的影响因素之间复杂的相互关系，还给指导者提供了评估学生们理解问题的外在表征。系统动力学建模工具Stella软件具备强大的建模环境和简便的操作方法，以此技术建模可以清晰的揭示出游戏性与虚拟实验二者之间的融合，为虚拟实验设计研究提供一种新的方法。一　相关理论

1　游戏性的内涵

“游戏性”来源于英文“Gameplay”，在中文中，“游戏性”可以被笼统地理解为“游戏的核心性质”；但在英文中，“游戏性”(Gameplay)可以指“游戏的具体操作方法”和“游戏的抽象趣味整体”等双重含义。游戏性并不等同于“游戏的性质”，游戏具有极为多样的属性，游戏性就是当排除画面、声音、剧情等因素的刺激所带给玩家的乐趣。游戏性元素包括沉浸、情节、扮演、竞争、任务、动作、益智、成长、管理、创造、探索以及群聚元素，然而虚拟实验的宗旨是教学，它不同于游戏的宗旨，因此在引入这些游戏性元素时，必然有所删减。融入游戏性元素的根本目的在于增强和提高学习者操作、探索和挖掘的乐趣以及研究和练习的乐趣。

在游戏性虚拟实验中各游戏性元素的概念内涵包括以下八个方面的内容：①沉浸元素，通过物理方式或者想象进入到一个与通常环境不同的场景。②情节元素，按照因果逻辑或意义逻辑组织起来的一系列事件。③扮演元素，有意识地假扮某一特定角色，并从该角色的处境和场合出发，进行思考、表达和活动的方式。④任务元素，某个需要被完成的既定目标。⑤动作元素，实时付出行动的身体运动。⑥成长元素，成长是指由低级或简单形态向较高级或复杂形态发展，或者在数量、价值或力量上的增长。在角色扮演游戏中多表现为升级和装备提升。⑦管理元素，管理元素包含两个层面的意义：第一是促进游戏者的管理性思维的发展，鼓励游戏者运用策略和部署来游戏；第二是将游戏者处于一种较高的管理位置，让游戏者体验拥有权势和掌控大局的乐趣。⑧群聚元素，“把两个及其以上的玩家聚集在一起的状态就是群聚的形式”。

2　游戏性虚拟实验的特点

在游戏业初见端倪的欧美自上世纪80年代初，最早全面论述游戏动机的学者是Malone，通过对已有游戏的一系列的观察，对大量玩家访谈，Malone(1980年)总结出三个主要的让视频游戏使人更快乐的因素：挑战、幻想和好奇。在2002年，Garris等人认为：幻想、规则、目的、感官刺激、挑战、神秘和控制是游戏的六个动机特征组件。Asgari与Kaufman(2004年)在前人研究的基础上，认为游戏的动机组件是：交互、竞争、控制、幻想、好奇、挑战与反馈。

游戏既有行为层面的游戏，也有心理层面的游戏。将游戏的内在品质融入虚拟实验中来，更能提高和丰富学习者的学习兴趣和学习效率，有更广泛的意义。游戏性虚拟实验设计应着重从学习者的心理层面和行为层面两个方面考虑：

(1)心理层面包括愉悦性和自由性，解决这一层面的问题，可以考虑将游戏中沉浸元素、情节元素、任务元素加入到虚拟实验的设计中来，以解决这一层面学习者学习的愉悦性和自由性等问题。

(2)行为层面包括规则性、表演性、体验性和对话性。在行为层面中，将管理、扮演、动作元素加入游戏性虚拟实验的设计中，解决学习者行为层面的需求。游戏性虚拟实验的开发要以学习者为主导，其目的是提高和优化学习者学习的学习兴趣和学习效率，促进学生对实验中的理论知识的深入理解，锻炼学生主动探索和学习的能力。

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一、研究背景

实验教学是学生巩固和深化理论知识的重要途径，也是培养学生基本技能、发现和解决实际问题能力、自主学习能力、创新和临床思维能力的重要途径。目前，我国大多数医学院校的人体解剖学主要有《系统解剖学》和《局部解剖学》两门课程组成，实验课基本上还是按课程孤立设置，学生按照编好的实验指导书的要求，由教师指导下的学习模式，学生都是在“接受性学习”，缺乏“自主探究学习”，整个实验缺乏系统性、全面性以及创新性。因此，通过对原有的实验教学定位、教学理念、教学模式、教学方法和手段进行改革，对培养学生的临床应用能力、创新精神和创新能力等综合素质有着非常重要的意义。

二、教学模式的改革

我校五年制医学专业采用系统解剖学和局部解剖学分别在大一下学期和大二上学期完成的模式，我们初步尝试将原有的《系统解剖学》和局《部解剖学》实验进行整合，在前期系统解剖学验证性实验学习的基础上，加强综合性实验，增加设计性、创新性实验，由教师根据学生所学的知识和教学安排，分不同层次、由浅入深提出实验任务，学生自主选择综合性设计性和创新性的实验内容、确定实验步骤及注意事项、经老师审核后开始实验过程，并对实验结果进行分析判断、完成实验报告或实验论文的新模式。通过一系列的有系统、有计划的实验教学，使学生达到由理论知识到实践操作，再由实践操作到创新和临床思维能力的不断由量变到质变的转变。在时间安排上，课内课外并重，充分利用学生的课余时间，要求学生在课余时间完成部分标本制作的实验内容。另外，在基础知识的基础上对局部解剖学的部分实验进行独立的设计，改变原来的实验依托理论的模式，要求学生根据临床手术操作中遇到的问题进行设计，在尸体和标本上进行模拟手术，进一步加深学生对局部解剖学知识的理解。同时将现有的课堂教学、课外专题讲座、课程实验、课外第二课堂等实践形式向课外科技创新、科研训练（student research train，SRT）、大学生科技创新竞赛、新苗计划等活动延伸，不断丰富课内外一体化自主研学平台的内涵，使学生尽可能多的学做合一，扩大学生自主创新实践的内容，有效的启发学生的发散思维。推进学生的个性化发展和全面发展。人体解剖学实验教学就是要构建教与学为一体、理论教学与实践教学为一体、课内与课外教学为一体的实验教学模式。

三、教学内容改革

对现有的《系统解剖学》和《局部解剖学》的实验教学内容和课程体系进行改革，结合教学大纲和高等教育教学加强实践教学环节薄弱改革的需求，按照分层式实验教学的模式；增加实验内容和实验项目；增加实验的开放性，综合性、设计创新性的思维方式，对人体解剖学实验教学课程进行了改革。

1.拓展基础理论知识、基本技能训练实验层

在系统学习解剖学的基础理论知识的基础上，穿插讲解对尸体解剖的一般方法、解剖器械和操作方法、基本解剖方法、标本防腐固定法、血管灌注技术、淋巴管灌注方法等实验对学生进行解剖学实验技能训练。课堂并以学术讲座的形式向学生讲解解剖学科学研究方法，文献综述撰写，布置学生查阅文献，撰写文献综述。使学生掌握解剖学实验的基本知识、基本方法与基本技能，熟悉常用仪器的操作，培养学生观察、记录实验结果及整理、分析实验数据的能力。

2.以临床应用为导向的解剖学实验教学

将系统解剖学和局部解剖学内容相互穿插并与临床及其他相关基础学科结合起来。将实验课内容分为骨学、节学、下肢、上肢、头颈部、脊柱区、胸部、腹部、盆部与会阴、感官、中枢神经系统十一部分。在教学实施过程中，每一章节（如上肢、躯干、头颈部等）实验开始和结束都由教师进行15min的结合临床案例的前言和总结的讲座，使学生认识到解剖学在临床医学中的重要性及其如何与临床结合。以颈部为例，我们通过和临床医师及其他相关基础学科的教师一起讨论，把颈部的内容提炼成以下几个问题：（1）简述颈动脉鞘内结构的排列关系；（2）甲状腺切除术时，从皮肤切口到暴露甲状腺依次有哪些层次结构，术中需特别注意对哪些重要结构的处理，为什么？（3）气管切开术选择何部位，到达气管要经过哪些层次结构？（4）左、右喉返神经的来源和走向有何不同？（5）颈部皮神经的分支分布有何特点？颈部局部麻醉宜选在何处？（6）颈内静脉和锁骨下静脉有何结构特点和重要毗邻，对深静脉穿刺有何影响？上课时先由带教教师介绍甲状腺次全切除术手术步骤、手术中应注意事项，并发症及其处理措施，然后将问题一一列出。

3.以创新为导向的解剖学实验教学

该部分实验分为设计创新型实验教学和课外研究创新型实验两类。设计创新型实验教学由教师提出实验任务，学生独立实施过程，教师全程指导、启发和评价，使学生从科研选题、实验设计、实验操作、结果分析、文献查阅、论文撰写、报告与答辩等各个环节得到一次全面的创新能力和方法的训练。比如教师结合某些知识点或关键的实验技术，提供一些与临床联系较紧密且学生感兴趣的题目作为实验教学内容以供学生选择，让学生在第一、第二阶段已掌握的理论和的技能的基础上自主完成实验，并根据完成情况提交实验报告、实验作品或学术论文。

课外研究创新型实验主要形式为：给定有关题目；各种大学生科技活动；学生直接参与教师科研子课题等项目。让学生通过课外科技创新活动培养学生的创新精神、实践能力和临床思维意识，同时培养学生的团队精神、交流沟通能力和责任感。

四、教学方法与手段的改革

1.以学生为中心，实现自主实践为主的教学模式。将传统的实验指导书修改为由浅入深、由验证、综合再到设计创新的实验项目，充分调动学生学习的主动性。学生通过验证性实验掌握基本实验操作方法，学会正确查找资料，设计综合实验，正确记录观察实验结果，分析实验结果，对实验结果进一步作出判断、推理的能力；正确的通过查阅相关文献、书籍、工具书及其他信息源信息已解决临床应用中的问题的能力。同时借鉴借鉴PBL（problem based learning）改变传统的教学方式，在教学过程中根据进度安排临床病例讨论课，提供相应的病例设计问题和相关的参考书籍书目，让学生围绕病例，通过书籍杂志和网络、用解剖学知识解决问题。

2.运用现代化技术及先进的实验教学手段。对临床应用中的实际问题如常见病的手术治疗采用计算机虚拟技术、虚拟人、医学仿真技术等现代化实验信息技术手段，结合学校的BB平台、已经建好的人体解剖学PBL教学平台和人体形态学数字化教学平台，把虚拟实验、医学仿真实验和临床实践问题想结合起来，使实验教学与创新和临床应用接轨，可以有效提高学生的学习兴趣，刺激学生参与实验的积极性。将尸体上的实际操作和虚拟仿真、现场授课和多媒体课件、网络化远程互动和掌上智能式平板虚拟有机结合起来，充分利用网络、教学平台及各种实验教学媒体进行实验教学，激发学生学习兴趣，提高实验技术的临床应用性和常见手术操作的前瞻性，促进学生科学的临床思维方法与创新能力的结合。同时让学生了解先进的手术操作技术及其应用，拓宽知识面，培养他们的实验技能和科研能力。

3.课外开放实验。在开放性实验室里，学生可以在自己支配的时间内从事提前设计的，教师审核通过的实验，也可以完成课外的实验，以学生为中心，自主设计制作的人体解剖学标本制作大赛。开展“解剖学实践大赛”，学生根据自己兴趣，自愿参加，自由组合，设计方案，拟定操作步骤和程序，在教师和实验师指导下，完善方案，独立完成解剖学标本制作和实验报告。如学生制作阑尾炎手术的解剖学入路。

4.运用先进的实验教学考核方法。实验成绩采取平时成绩同实验报告和实验论文相结合的做法。鼓励学生实验中有创新。（1）实验报告为平时成绩，主要考察学生对实验结果的整理、分析、总结能力。此部分成绩约占总成绩的30%；（2）以实验考试、考核成绩反映学生对人体解剖学的基本理论、基本技能的掌握（考试、考核的内容除解剖、观察标本外，还应包括X光片、螺旋CT图片阅读及相关临床病例分析、讨论等）。此部分成绩约占40%；（3）学生设计方案及实施考核，主要考察学生创新意识、科学思维方式与实践能力。教师根据学生查阅文献情况、实验设计水平、实验方案的实施情况、以及实验结果的分析能力和科研论文撰写情况综合评定实验成绩，此部分成绩占30%。

五、结语

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分层次实验教学法研究

通过分层次开设实验，培养学生的合理的思维方式和实践能力，从而提高学生研究精神和创造性能力。具体过程分为以下三个步骤：

1.加强有关材料化学专业基础性实验

在材料化学专业本科生具有了初步的化学和物理实验能力的基础上，首先将材料化学专业实验课程从相关理论课程剥离，综合成材料化学专业专门的基础实验课程，集中训练学生的材料制备和材料性能检测技能，并以此为实验室的开发重点，使学生的实验基本技能得以巩固和提高。

2.开展综合性实验并结合本专业开展远程网络虚拟实验教学

在材料化学专业本科生已经具有初步的材料制备和性能检测的实验技能基础上，第二步开设综合性实验并结合远程网络虚拟实验教学。综合性实验的开设是为了适应社会的发展和需求，在综合实验新体系中，要求开设的综合性实验尽可能反映材料、生命、环境、信息等学科的内容；了解和学习材料化学研究方法与现代实验技术在高新科技学科中的应用成为我们新的建设目标。因此，不仅要打破专业的界限，还要打破学科的界限，使综合性实验成为跨学科、多技能的综合训练。在我们材料化学专业开设的综合性实验中，与材料、信息相关的实验有新型能源材料的合成，SDC（固体氧化物燃料电池电解质材料）的合成和表征，压电陶瓷的制备和表征等等；与生物相关的实验是天然物或中草药物的提取及指纹图谱等。这样可以使学生掌握无机非金属材料的制备方法和相关性能测试方法，掌握天然生成物质的提取方法和结构确定的手段，从而有效地提高学生的专业知识并扩展了知识面。为今后学生进行主导型研究性实验奠定基础。

目前，网络建设日益完善，网络速度和宽带不再成为制约网络虚拟实验教学的瓶颈。计算机软、硬件的飞速发展无疑使得虚拟实验环境更加逼真、智能。当然，虚拟实验在培养学生的动手能力、培养学生的误差分析能力等方面还不可能取代传统的实物实验教学方式。但是开设远程网络虚拟实验教学可以使接受远程教育的学生获得与在校生一样的从感知到理解的过程。有利于培养学生网络学习的能力，为终身学习打下良好基础。对我们专业来说，因为是新开的专业，很多实验还缺乏必要的实验器材，很多综合性实验课程无法开出。但借助远程教育平台，可以与兄弟院校和我校其他院系的实验教学资源实现共享，从而使相关实验得以进行，实现了学生对相关实验的认知。

3.开展学生主导型研究性实验的模式

学生主导型研究性实验是在综合性实验的基础上由学生自己选题、查阅文献和设计实验，在教师指导下完成研究性实验论文并进行论文答辩。该模式的主要目的是全方位地锻炼学生实验研究的能力，充分调动学生的主动性和积极性，激发他们从事材料科学研究的兴趣和热情，为其今后的毕业设计和将来从事科研工作打下良好的基础。同时这种新的实验模式也提高了实验室在学生学习中所占的地位，建立了进实验室学习的意识。设计性实验对开发学生智力和创新能力有着重要作用。但在具体实施时，对学生的培养要有一个由浅入深的过程，我们材料化学专业的主导型研究性实验采取在大学中后期开设，在学生已经完成材料化学基础性实验和综合性实验的基础上结合指导教师的课题或相关专业后开设（可参考材料化学实验教程中的设计性实验）。具体过程一般为以下几个步骤：（1）选题； （2）查阅文献收集资料； （3）研究方案。学生设计实验原理，方法和步骤，拟定实验所需药品、仪器，探讨实验时可能产生的现象和容易发生的失误以及安全等应注意的问题，最后独立设计实验方案。实验方案包括：实验题目、仪器、药品、操作步骤和实验表征仪器等。然后将审阅实验设计方案交给教师，教师在尊重学生创造精神的原则下选出几种最佳方法，同时纠正某些实验方案的错误指出某些实验方案的缺陷，再将设计方案反馈给学生，将教师选中的方案交由全班同学讨论、完善。然后采取论文答辩的方式检验实验效果。在整个形式上基本是本科生毕业设计的模型，通过这样的实验为学生的毕业设计和将来的进一步深造奠定基础。

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验证性虚拟实验教学过程

(1)验证性虚拟实验网页组成验证性虚拟生物化学实验室的网页页面由图1所示。(2)实验例证基因体外扩增技术(PCR实验)①原理:先图示或动画PCR原理、过程和应用，并解释相关概念，包括引物、DNA聚合酶、核苷酸、模板等基本概念。②样品、材料准备:包括相关试剂、PCR仪、手套、无菌操作台、枪、枪头等，并配上相关图片。③PCR扩增:包含PCR过程、结果，用动画和图片，充分让学生了解其原理和过程。④PCR结果检测:对出现的结果分别进行分析。有单一条带是表明PCR是特异性扩增，无条带可能是什么原因，条带不单一可能是什么原因，每一结果都用不同的图片来显示给实验者，让学生在虚拟情况下就能分析实验结果。用虚拟PCR仪代替传统仪器来进行数据处理，观察和分析实验结果，结合实验图片或动画将每个步骤的过程展现给实验者，把每个步骤中容易出错的部分给标记出来，并对实验的不同结果进行分析，这样能有效地帮助学生理解问题并对错误操作有感性认识。

综合性虚拟实验教学组成

虚拟实验室也可增加综合性实验。在虚拟实验室中，尝试用已有的报道的研究资料作为综合实验的来源。将生物实验研究的学习置于探究的背景下，将综合性实验已有报道看成“问题是什么”，“用何种实验能回答这个问题”，“如何设计实验进行验证”，也就是“What?How?Why?”从而重视在探究过程中获得综合素质的提高，使科学知识能在不断的设问中得到升华。(1)综合性虚拟实验网页组成本实验室所作的综合性实验网页如图2所示。其中研究文献包括本实验的研究报告及相关文献。综合性实验还可通过让学生自由选题，设定实验方案后，利用虚拟仪器进行实验，并作出结果预测，从而来提高学生的创新和科研能力。(2)实验例证研究干旱对植物抗氧化酶的影响［6］。①写出本实验的研究背景，研究目的。首先阐明植物受不良外因影响后，会出现的各种现象。研究干旱地方植物抗旱生理生化状况，对干旱地方植被恢复奠定良好的理论基础。开展植物抗旱的生理抗(耐)性机理能为植物物种栽培提供依据。②列出实验的假设，并据此设计实验过程。植物在不良环境，会出现相应生理生化变化，测定相应气体交换参数，测定相关的抗氧化酶的活性变化。各种抗氧化酶在生物体中的作用，并分别写出相关酶的测定方法。③结果分析。对不同状态下的结果进行分析。④后续实验的进一步完善。对实验证明不完善的地方加以分析，并提出完善的方法，运用多种实验方法加以改进研究。本实验则可以在测定生理生化变化后，进一步进行基因表达的研究，检测不同条件下基因表达的变化。再将相关的文献附上［7－9］，即可让学生明白研究具体课题的一个基本步骤，为其今后的科研打下良好的实验基础。本实验室的综合性实验包括植物的抗氧化酶研究、内生菌的抗菌物质提取、多糖的抗肿瘤研究等8个实验。这些实验，通过选取不同的实验材料，采用不同的实验方法，让学生对科学研究的过程有一个深入的了解，能弥补简单的独立实验不足，对学生今后的更进一步的深造打下坚实基础，效果显著。学生普遍反映对其生物化学知识有了深入的了解，并对科研论文有了基本认识，提高了学生毕业设计的实验设计能力与实际动手能力。

虚拟实验视频

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【中图分类号】G40―057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2009)10―0134―04

一 引言

从目前虚拟实验的研究来看,多数局限在研究虚拟实验的开发、虚拟实验的优缺点以及虚拟实验的教学模式等问题上,而对虚拟实验如何与学习者建立情感上的交流,从而激发学习者的学习兴趣、增强学习者的求知欲望等问题上,关注的较少,这也正是虚拟实验教学效果优劣的关键因素之一。例如中学物理电学实验要求学生掌握电学的基本元器件和连接方法,互联网上相关的虚拟实验大多可以实现元器件的识别和绘制电路图这些基本功能,然而这些虚拟实验仅仅是对教学内容的呈现,并没有创设与之相关的情境和任务,缺乏与学习者的情感交流,在交互行为上也较为复杂,导致了学习者对该类虚拟实验不感兴趣、没有好奇心,很容易产生厌烦、急躁和排斥情绪,学习效果大打折扣。爱因斯坦曾说过:“兴趣是最好的老师”。兴趣是求知的巨大动力、发明创造的源泉。对于正处于学习厌倦期的青少年来说,学习兴趣对他们知识的掌握、能力的发展乃至才能的形成都有巨大影响。因此,虚拟实验如何能更有趣味性、更能激发学习者的求知欲望是非常值得研究的,构建这类虚拟实验即“趣味性”虚拟实验具有一定现实意义。

二 “趣味性”虚拟实验设计的三个层次

“趣味性”虚拟实验通过创设虚拟情境,优化学习者学习的外部条件,能激发学习者的学习兴趣,但还要保证学习者在学习过程中全身心投入、避免产生厌烦情绪。“趣味性”虚拟实验的设计应从情感、表现和行为三个层次把握(如图1),每一个层次在虚拟实验中发挥的作用不同,每一层次也需要不同的设计风格。

1 情感层次――结合实际问题创设虚拟情境的设计

情境教学是指在教学过程中,教师有目的地引入或创设具有一定情绪色彩的生动具体的场景,以引起学生一定的态度体验,从而达到对教材的深入理解和熟练把握。“趣味性”虚拟实验借鉴了情境教学的理念,将教学目的、教学内容同实际问题联系起来,创设能引起学生态度体验的虚拟情境。对于实际问题,学生看得见,摸得着,有的亲身经历过,当学生在学习过程中遇到这些问题时,他们都跃跃欲试,想学以致用。结合实际问题创设虚拟情境,学生置身其中,身临其境,触景生情,能激发学生的情感体验,调动学生的积极性,使学习由被动变为主动,学生由旁观者变为参与者,发挥了学生的最大潜能。此外,在创设的情境中,要体现具有一定挑战性的任务,根据学生完成任务的情况,给予相应的奖励与惩罚,有助于提高学习的内在吸引力,使学习更有意义。

2 表现层次――恰当地运用多媒体元素的界面设计

多媒体技术对教育的发展起着巨大的推动作用,并逐步影响着教学手段、教学方式的变化和教学观念的更新。“趣味性”虚拟实验不仅是对现实世界的模拟,更是在创设一个有益于激发学生兴趣和探究欲望,并引起学生思维和想象的环境。这种环境的创设离不开多媒体元素,一方面多媒体元素形象鲜明,画面逼真,形象直观,可以真实的再现现实世界中的景物,很容易将学习者带入情境中,进而激发学生兴趣,有利于学习活动的持续进行;另一方面将图片、声音、视频等多媒体元素加入到“趣味性”虚拟实验中来,对学生的感官起到一定得刺激作用,使枯燥的学习变得生动活泼。

在“趣味性”虚拟实验中运用多媒体元素要恰如其分,必须注意“度”的问题。例如有些虚拟实验设计者会在角落里放一个活泼生动的小动物,这虽然可以激发学习者的学习兴趣,但同时也分散了学生的注意力,很容易产生负面影响。因此,“趣味性”虚拟实验中的多媒体元素要和主题息息相关,慎重选择,合理运用。

3 行为层次――操作简捷、适时准确的交互设计

心理学研究表明:人的认知心理虽然有求新求变的特点,但在完成具体任务时却要求越简单越好,即认知负荷越轻越好[1]。“趣味性”虚拟实验在提高中小学生的学习效果方面更为明显,由于他们的计算机水平、思维能力有限,根据认知负荷理论,对于控制虚拟物体的设计方面,要在能体现真实行为的前提下,控制方式越简捷越好,过于复杂的控制方式往往会增加学习者的认知负载,从而降低学习者的学习动机甚至放弃学习。而且,对于学习者容易出现疑问、错误的地方和学习结果要给予适时准确的提示和反馈,适时、准确、人性化的提示和反馈信息能对学习者进行鼓励和引导,提高其学习的自信心并激发其进一步学习的欲望。

三 “趣味性”虚拟实验的设计流程

按照“趣味性”虚拟实验设计的三个层次,同时借鉴电脑游戏故事情节、环境设置和角色控制三个要素及教育性原则,将“趣味性”虚拟实验的设计分为教学分析、情境创设、界面设计、交互设计和测试五个环节,这五个环节相互影响,层层递进,逐步细化,其中情境创设、界面设计和交互设计三个环节同“趣味性”虚拟实验设计的三个层次相互照应,是构建“趣味性”虚拟实验的关键(如图2)。下面结合“认识人民币”虚拟实验来具体分析“趣味性”虚拟实验的设计流程、实现方法以及注意事项。

1 教学分析

为了保证“趣味性”虚拟实验的教育性和科学性,首先要运用教学系统设计的理论进行需求分析、教学内容分析、教学目标分析和学习者分析,明确构建虚拟实验的必要性、所要解决的问题及达到的程度。

“认识人民币”是小学一年级数学课本中的教学内容。小学生的好奇心强、自制力差、思维水平较低,对学习有一定的厌烦心理。“认识人民币”这一教学内容是在学习者初步的生活经验基础上对人民币进行的系统学习。经调查发现,在讲授该教学内容时存在两个问题:①学生的学习积极性不高、注意力不集中;②部分学生虽能掌握“一元=10角,一角=10分”这一知识点,但对换毕、取币、购物等问题始终模糊不清。针对这些问题有必要开发虚拟实验,以提高学习者的学习动机,进而更好的掌握“认识人民币”这一知识点及其应用。

2 情境创设

德国教育家第斯多惠说:“教育的艺术不在于传播的本领,而在于激励、唤醒和鼓舞”。教学情境的创设正是激励、唤醒和鼓舞学生的一种教学手段。在“趣味性”虚拟实验中创设教学情境应遵循以下原则:①真实性:所设情境必须符合学生学习的认知规律,注重联系学生的现实生活,不能盲目创设。②形象性:形象的、具体的、感性的情境能有效的激发和刺激学生的想象和联想。③任务性:所创设情境需体现一定的任务,这样学习者的注意力容易稳定下来,也愿意围绕这一任务展开思考。

“趣味性”虚拟实验的特点是将人的学习与虚拟环境相统一、将抽象的知识和生动的情境相结合。结合教学分析,将“认识人民币”的教学内容划分为基础知识和模拟购物两个模块(如图3)。

基础知识模块包括识币、换毕和取币三个基本知识点,模拟购物模块用于创设“购买物品”的情境。学习者在完成基础知识后,进入购物模块,对基本知识进行巩固、提高和应用。购物模块的设计具体分为情节、挑战和帮助三个部分:

(1) 情节:在“虚拟商店”中设置了食品、动物和用品三类商品,教师(即实验说明)要求学生到虚拟商店购买若干种物品,并说明相应的惩罚与奖励措施。

(2) 挑战:在模拟购物模块中设置了生命值和时间,随着时间的推移生命值逐渐降低,当生命值为零或时间耗尽时,系统自动退出该模块。学习者若正确购买所选物品,回馈一定的生命值,并随机奖励玩具、鲜花等,反之,则惩罚臭鸡蛋或炸弹,根据学习者奖励和惩罚所获得的分数,进行英雄榜排名。学习者可以通过“查看成绩”模块查看排名情况。

(3) 帮助:为学习者提供学习方面的支持与帮助。学习者在虚拟实验学习中遇到困难时,如不知某个物品该付多少钱,通过寻求帮助系统会给出正确的答案,每个学习者共有三次使用帮助的机会。

人都有力求成功的天性,在创设了这样的情境后,以任务和排名为诱因,一方面激发了学习者学习的积极性和主动性,另一方面也有利于学习者对所学知识的深入理解,顺利的实现了知识的迁移和应用。学习者在娱乐的同时,也收获了知识。

3 界面设计

学习者与虚拟实验的一切操作都是通过界面进行的,界面设计的好坏直接影响着学习者的学习兴趣和学习效果。虚拟实验的界面设计包括风格和布局两方面,风格是指虚拟实验的整体形象给学习者的综合感受,包括虚拟实验的色彩、字体、标志等诸多内容;布局是指虚拟实验的分块结构,功能元素的尺寸位置,涉及的内容有结构、标题、导航等。风格独特、美观大方的界面会对学习者的学习产生激励作用,否则,就会使学习者感到单调、乏味。“趣味性”虚拟实验的应用对象主要是中小学生,其风格应体现学科特性与卡通风格,一般以暖色调为主,布局要注意尽量避免界面元素过于复杂,遵循合理、清晰、简捷、层次分明的原则,让学习者在使用时有一个愉快的心情。“认识人民币”趣味性虚拟实验的界面设计如图4所示,实验的整体风格为暖色调,根据不同的场景选择不同的色彩合理搭配,根据不同情况灵活运用文字、符号、声音、图片、动画等多媒体信息,从视听方面加大对学习者的刺激,给学习者带来享受,促进其对学习内容的理解和掌握。实验的导航包括实验说明、基础知识、模拟购物、查看成绩、帮助文档和退出程序几个模块,模拟购物模块具体又分为商店页面、付款页面、购买成功或失败页面三个小部分,整体清晰直观、简便易用。

4 交互设计

在“趣味性”虚拟实验中,交互不仅是学习者同虚拟实验之间的信息交流,也是虚拟情境展开的手段。“趣味性”虚拟实验中的交互设计包括控制虚拟物体和呈现提示与反馈信息两个方面:

(1) 虚拟物体的控制

虚拟物体的控制是指学习者操作虚拟物体的方式。“趣味性”虚拟实验控制物体的方式有多种,如键盘、鼠标点击、鼠标双击、鼠标滑过、鼠标拖动、鼠标右键等。采样哪种控制方式,应根据实验本身的特点、功能、创设的情境以及技术实现,遵循方便、易懂、合理的原则,要尽量与真实实验控制方式相近或有明显的操作提示。鼠标操作能实现的尽量不使用键盘,鼠标点击能实现的不用双击,而且对于同一类物体要采用相同的控制方式,如控制物体A采用鼠标拖动的方式,控制同类物体B也要采用这种方式,否则二者的操作行为不一致,很容易使学习者产生混乱、不适应。在“认识人民币”趣味性虚拟实验中,选择虚拟物体的行为采用了鼠标滑过和点击两种方式,当鼠标滑时虚拟物体变大并呈现价钱和名称信息(图5A),当鼠标点击后,进入购买页面,可以进行付款操作;对付款的操作采用鼠标拖动的方式,学习者将钱币从位置A拖动到位置B时,即可完成操作,采用这种方式简便、实用,可以降低学习者的认知负载(图5B)。

(2) 提示和反馈信息的呈现

提示和反馈信息是虚拟实验的主要构成元素。提示信息出现在操作动作之前,用以对学习者未来的操作进行引导;反馈信息出现在操作动作之后,用以对当前操作的确定或对错误予以纠正,让学习者及时了解自身状况[2]。在“趣味性”虚拟实验中,主要是针对重难点、学习结果以及学习者可能出现疑问的地方提供适当的提示和反馈。运用提示和反馈信息必须及时准确,能够给学习者针对性的指导,任何的滞后和延时都会给学习者带来思维中断、兴趣转移甚至是厌烦心理的产生;此外提示和反馈信息尽量要人性化,语言要有感彩,尽量以鼓励性的语言来调控学习者的情绪、注意力等,从而促进学习者保持最佳学习状态。在“认识人民币”趣味性虚拟实验中,当学习者选择物品或付款之后,系统都会给出提示信息,以便学习者确认或取消操作;在付款操作之后,若学习者所付金额和物品价格相等,系统给出购买成功反馈并奖励鲜花或玩具,对学习者进行鼓励,见图5(C);若学习者所付金额和物品价格不等,系统给出购买失败的反馈,并告知二者的差距,以便学习者及时纠正自己的错误。

5 测试与

测试是指在“趣味性”虚拟实验完成后进行的整体功能、性能、稳定性的调试和优化,如不同场景之间色彩搭配、交互和链接的可用性、是否存在断点等问题。是将整个虚拟实验程序打包,以便在服务器或单机上运行,可以根据实际情况选择不同的格式,本文开发的“认识人民币”趣味性虚拟实验最终为HTML格式。

四 结语

学习兴趣是保证教学有效性最重要的因素之一。“趣味性”虚拟实验在传统虚拟实验构建的基础上,充分发挥了多媒体技术和虚拟现实技术的优势,以激发学习者兴趣、提高学习动机为主线,将实际问题和教学内容有机结合,创设虚拟情境,界面设计和交互设计围绕虚拟情境展开,给学生创造了一个愉快、轻松、和谐的学习环境,有利于学习者深入理解教学内容,使学习变得更有意义。

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【中图分类号】G40-057 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097 (2008) 10―0121―04

计算机网络技术作为教育技术学专业的一门专业基础课程，对学生的就业和专业发展都具有重要的作用。其中，交换机的设置及vlan的划分又是该门课程的重难点内容之一，不仅理论知识比较抽象，对实验环境的硬件要求也很高，很多学校在进行该内容的实验教学时还存在一些困难，主要表现在：“①仪器设施不足，硬件环境达不到实验要求；②实验中因误操作导致的网络设备损坏难以恢复；③网络产品更新换代快，实验室设备更新难以与之同步”[1]。基于以上原因，运用虚拟现实技术创设虚拟实验室的研究显现出很大的发展空间。Boson公司的Netsim软件就创建了这样一个虚拟的环境，它是一款Cisco路由器、交换机的模拟程序，是目前最流行、操作最接近真实环境的模拟工具。我们借助Boson Netsim软件提供的虚拟平台对vlan相关实验进行了教学设计。

一 确定实验教学目标

我们通过对学习需要的分析确定了该实验的教学目标。总的教学目标是通过该实验使教育技术专业本科学生的网络设计与组建能力、虚拟局域网划分能力、交换机配置能力，局域网理论知识和实践操作能力得到综合提高，这一总体目标实际上与计算机网络技术课程的总目标是一致的。在总目标的基础上，结合该实验内容我们把总目标分解为三个二级层次目标：一是学生能够熟练使用Boson Network软件；二是掌握相同网段内vlan的划分；三是掌握不同网段间vlan的互访。三个目标之间是依次递进的关系，即后一个目标的实现有赖于前一个目标的达成。围绕这三个二级层次目标，我们又设计了4个具体的实验项目，并构成了第三层次的分解目标。实验教学目标体系如图1所示：

二 学习者特征分析

该实验是针对教育技术学专业本科学生的，他们已经具备较强的计算机操作能力和一定的网络知识，掌握了局域网的组建及测试方法并自行学习了交换机和路由器配置的基本命令等，具有一定的开展新实验的知识积累。在此基础上，学生能够对不同网络进行虚拟环境下vlan的划分，并能够在教师指导下理解、掌握vlan划分的原理、方法和步骤。

三 实验环境的创设和实验内容的选择

实验环境的创设是开展实验教学首先要考虑的因素。该实验选择Boson Netsim软件创设的虚拟平台作为实验环境，并在此虚拟环境下进行实验教学设计。

Boson公司的Netsim是一个适合多种操作系统的软件平台，提供了完整的动态网络系统设计、仿真和分析的可视化环境，其命令和最新的Cisco的IOS基本保持一致[2]。主要功能如下：

1 灵活地设计仿真环境。学生可通过Netsim软件，自定义网络拓扑图，然后根据自己设计的拓扑图来配置交换机、路由器等设备，所有的操作与真实的环境完全相同。为相关教学提供了很大的灵活性，同时也是Netsim最大的优点。

2 定制经典的网络实验。Netsim软件除允许用户自定义网络拓扑图外，还提供一些定制好的经典的网络拓扑图，并给出操作步骤和命令答案，非常适合学生课后自学。

3 与国际认证考试接轨。Netsim是一种Cisco路由器和交换机配置模拟程序，能够模拟Cisco环境下的网络硬件平台。它为那些正在准备CCNA、CCNP考试，却苦于没有实验设备、实验环境的学生提供了练习考试中命令的有力环境和工具。

4 更新设备库及时。Boson会不定期在其主页最新版本的Netsim软件，最新版不仅减少了BUG，而且对其设备库进行及时更新。[3]

实验内容的选择是整个实验教学设计中最重要的一个环节。对于教育技术学专业学生而言，在实验内容的选取上，应遵循新颖性，实用性，综合性，拓展性，可操作性等原则[4]。根据分层次实验教学目标的要求并遵循以上原则，我们设计了4个教学实验项目，分别是：①Netsim软件的安装和使用；②一台交换机内vlan的划分；③两台交换机间vlan的划分；④单臂路由实现vlan间互访。这4个实验项目均为当前网络技术领域较新颖、具有较高实用价值和较强可操作性的实验项目。

四 实验教学过程的设计

实验教学过程设计实际上就是实验教学实施流程的设计，不同类型的实验项目其实验教学过程的组织方式不同。实验类型一般有：演示实验、验证实验、操作实验、综合实验、设计实验、研究实验。该实验定位为综合、设计性实验，要求学生综合应用基础性实验教学中所学的知识、所掌握的方法来完成实验过程。这类实验在实验指导书上只写明实验目标、要求，提供相关设备及部分相关资料，由学生自己设计实验方案，学生自己确定实验方法、步骤，利用实验室提供的设备独立完成整个实验过程。具体设计步骤如下：

1 Netsim软件的安装和操作

为了使学生掌握Netsim软件的安装和操作，并能够灵活运用该软件，我们计划了两个课时，内容安排上主要从三方面进行：①安装软件。需要注意的是如果本机没有安装Microsoft forms2.0（大部分Windows 2000以上的操作系统都有该组件）和Adobe Acrobat程序（查看PDF文件的程序），Boson是不能启动的，所以如果缺少以上任意一项内容，在软件安装过程中则会提示下载，下载完后才可以继续安装；②软件组建及主要按钮的介绍。这部分重点介绍三个组件Network Designer、Control Panel、Lab Navigator及各组件上的重要按钮；③学生自己操作并熟悉软件。

2 同一交换机上的vlan配置

由于学生是初次接触到vlan划分的知识，同时该内容的学习和掌握是后续内容学习的基础，所以这一环节既是重点又是难点，因此实验教学安排两个课时。实验进行前首先向学生介绍要用到的重要命令和vlan划分的理论知识等，使学生在开展实验设计前能够在头脑中形成一个完整的认识，然后再由学生进行实验设计，教师在这个过程中起到一定的指导作用。下面介绍到的实验也应该依此原则进行。该实验要求在一个交换机（2950型）上划分出两个不同的vlan ，PC1接入VLAN10，PC2 和PC3接入VLAN11，拓扑图如图2所示：

交换机的主要配置如下：

（1） 创建vlan

switch #vlan database//进入vlan配置模式

switch（vlan）#vlan10 name VLAN10

switch（vlan）#vlan 11 name VLAN11//新建VLAN10和VLAN11

（2） 把端口放入vlan中

switch #configure terminal

switch（config）#interface f0/1

switch（config-if）#switchport mode access

switch（config-if）#switchport access vlan 10//把端口1放入VLAN10中

switch（config）#interface f0/2

switch（config-if）#switchport mode access

switch（config-if）#switchport access vlan 11//把端口2放入VLAN11中

把端口3也放入vlan 11中，其配置和端口2相同。

（3） 测试

配置结束后运用ping命令测试：结果为PC1和PC2、PC3均不通，PC2和PC3互通。

3 跨交换机的vlan配置

该实验仍然属于同一网段内vlan的划分，实现的是跨交换机间vlan的配置，是前一个实验的拓展。因为对vlan有了一定的认识，并进行过虚拟环境下实际的设计操作，所以该实验可以安排一个课时。本实验要求把交换机C2950A的12号端口和C2950B的12号端口划分为VLAN1，把交换机C2950A的10号端口和C2950B的10号端口划分为VLAN2，把交换机C2950A的11号端口和C2950B的11号端口划分为VLAN3[5][6]。实验拓扑图如图4所示：

（1） 交换机C2950A的配置

VTP的配置：

C2950A>enable//进入特权用户模式

C2950A#vlan database//进入vlan配置模式

C2950A（vlan）#vtp server//把C2950A交换机设置为服务器模式

C2950A（vlan）#vtp domain lab//把vtp的域名命名为lab

Vlan Trunk的配置：

C2950A（config）#interface f0/12

C2950A（config-if）#switchport mode trunk//配置12端口为trunk端口

接下来Vlan的创建和端口的划分同实验2所示。

（2） 交换机C2950B的配置

C2950B（vlan）#vtp client//把C2950B交换机设置为客户端模式

C2950B（vlan）#vtp domain lab// vtp的域名和C2950A中命名相同

C2950B作为客户端会自动学习C2950A中划分的vlan，所以我们不需要再给C2950B划分vlan，而是直接把相应端口放进去就好。其他配置同C2950A。

（3） 测试

配置完后测试结果为：PC1和PC2可以互通；PC3和PC4可以互通；其他组合方式均不可以互通。

4 单臂路由实现vlan间互访

前面两个实验，同一vlan间可以互通，不同vlan之间不能互通。那么，如何实现规定vlan之间的互访呢？这就需要在网络中增加路由器或是三层交换机，由此我们设计了“单臂路由实现vlan间互访”的实验。该实验仍然是前边实验的进一步拓展，实验拓扑图如图6所示：

主要的配置过程如下所示：

（1） 交换机的配置

交换机的配置和实验2基本相同，只是我们还需要在把连接路由器的端口f0/11配置为vlan trunk，这里不再赘述。本实验的关键在于为各个vlan 配置逻辑接口IP地址，以C2950A为例：

C2950A (config) # interface vlan 2

C2950A (config-if) #ip address 192.168.1.1 255.255.255.0

C2950A (config-if) #no shutdown

（2） 路由器的配置

配置多个子接口、以实现VLAN之间的路由。具体操作步骤如下：

Router (config) #interface FastEthernet0/0

Router (config-if) #no ip address

Router (config-if) # interface FastEthernet0/0.1//配置子接口

Router (config-subif) # ip address 192.168.1.1 255.255.255.0//子端口对应vlan IP地址

（3） 测试

测试结果为各个PC机之间均可以互通。

对于这样一系列要求较高的综合、设计性实验，学生需要综合运用前面做过的多项验证性、操作型基础实验的知识才能顺利完成这些实验。通过独立完成这样的综合性实验可以达到培养学生综合实验能力的目标。

五 实验教学效果评价

对实验教学效果的评价是整个实验教学设计中不可或缺的环节，是检验实验教学目标是否达成的重要手段。实验教学效果的评价方法很多，结合网络实验课程教学的特点，我们主要通过两种方式评价计算机网络课程的实验教学，即书写实验报告和实践操作。其中实践操作评价又可以分为：实物演习式评价和模拟演习式评价。所谓实物演习即学生操作真实设备，参与真实网络组建和划分等针对现场实物的操作方式。通过参加这些真实的实践、实习、组建等活动，来检验实验教学的效果。所谓模拟演习即借助模拟软件（如Boson Netsim）创设的虚拟实验环境来设计并组建相关实验的虚拟操作方式，通过模拟演习也可以检测实验教学的效果。

由于硬件条件的限制，该实验选择模拟演习评价方式，即构思一个综合性较强的实验，由学生在规定的时间内设计并操作完成。通过对学生实验设计成功率和所用时间的分析，教师可以检测到实验教学的效果，并及时给予有针对性的帮助和指导。

不同专业的计算机网络技术课程实验教学设计会存在一定的差异。本实验教学的设计是针对教育技术专业学生进行的，所以在目标定位，实验内容、实验项目的确定及实验过程的组织等方面都体现了教育技术专业的特色并考虑了教育技术专业的需求，具有一定的专业针对性，对教育技术学本科生学习vlan及教师的教学都具有一定的帮助和指导作用。

参考文献

[1][3] 谢慧,聂峰.基于Boson Netsmi的计算机网络仿真实验教学研究[J].实验技术与管理,2007,(5):89-91.

[2] 黄勇.Bosonnetsim模拟软件在交换机VLAN配置教学中的应用[J].科技资讯,2006,(5):165-166.

篇9

实验教学是课程改革的重要内容，必须紧紧围绕教育改革和发展的大局。“十二五”期间，浙江教育发展的主要任务是全面加强内涵建设。对此，我们在推进实验教学工作中，紧扣下一步浙江教育发展面临的质量、公平两大中心任务，注重实验室建设的标准化和多样化，注重对教育技术环境的构建。

强化政策引领 2010年，浙江省省委、省政府印发《浙江省中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》，提出要“紧紧围绕解决培养什么人、怎样培养人这一教育核心问题，坚定不移地推进素质教育，切实增强学生勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力”，并提出要“构建更有效的教育技术支撑基础”。2011年，浙江省率先教育信息化专项规划——《浙江省教育信息化“十二五”发展规划》，要求加强和完善学校教育信息化基础设施建设，应用信息技术手段加强对传统教室、功能室和实验室的改造，并积极探索与推进基于移动终端、3G技术、物联网、云计算和下一代互联网的网络教学、虚拟实验、电子书包和移动学习等现代信息化教学学习方式。

突出实验室多样化发展 为满足新课程改革和素质教育的需求，我们以促进多样发展为基本理念，自2009年开始启动实施了中小学实验室建设工程，按照“实验室标准化建设、创新实验室多样化建设和基础教育装备达标建设”的基本思路，开展了标准化实验室、中小学科学探究实验室、高中新课程配套实验室、创新实验室等建设项目，服务教育均衡和多样化发展。2012年，专门组织力量修订了《浙江省中小学教育技术装备标准》，遵循“必配标准化、选配多样化”的基本理念，对各类实验室建设提出了具体技术要求，为学校教育技术装备提供了有效指导。2013年，浙江省在为全省义务教育阶段中小学校建设和更新科学实验室和专用功能教室的同时，为全省民办外来务工人员子女学校配备科学实验室，促进教育均衡发展，并为学校特色发展和提高教育质量提供了有效支撑。

2 紧抓课堂应用，深化实验教学

深化实验教学的关键在于促进技术与课堂教学的融合。近年来，浙江省坚持以新课程标准提出的三维目标为基本要求，积极探索新技术、新工艺、新设备、新材料在实验教学中的应用，着力在“改变实验装置、优化实验设计、创设实验情境、转变实验方式”等方面下功夫，深化实验教学。

优化实验设计，突破教学难点 实验教学的成效如何，关键在于实验设计。传统的实验设计往往受实验设备等客观因素的影响，难以形象、生动地呈现知识点、创设学生自主探究的实验环境。技术环境的更新和配备，为实现优化验设计创设了条件。如应用新材料可以改进实验器材，将光传输、热传导等原来实验难以直观展现的概念和规律通过简便的实验操作明显呈现，顺利打破了教学的瓶颈。应用新设备重构实验设计，针对瞬时速度、静摩擦力、电场强度、库仑定律、光弹性形变、涡流的成因、牛顿第二定律、热力学第二定律等难以理解的抽象物理概念和规律，利用传感器等现代教育技术装备优化方案设计，化无形为有形，为学生创设思维的台阶，有效降低学习难度，突破知识难点。应用新技术优化实验过程，借助传感等技术从定量的角度精细反映实验过程中的变化，充分延伸学生感观，变传统实验的不可能为可能，让学生在数字化条件下对实验现象进行多角度的感知和多视角的探究。杭州市萧山区义蓬小学利用“温变油墨”这一新材料，让学生直观地观察到热传导现象；富阳中学利用传感器等现代技术装备优化实验方案设计，研发了100多个与新课程高中物理教学配套的创新实验，有效突破了教学难点。

创设实验情境，提高教学效果 新技术，特别是信息技术的应用，为实验教学中实验情境的创设提供了有效方法。如应用多媒体辅助实验教学，可以直观展现抽象的知识，不仅用图形、图像、动画、声音、和色彩等方式向学生提供丰富的感性材料，还用二维和三维的图像、动画进行模拟，从而把文字材料获得的抽象概念具体化，把难以想象的微观世界宏观化、把难以演示的实验形象化。应用虚拟仿真实验，为学生展现理想状态下的实验环境，突破传统实验在时间、空间和器材等方面的限制，让原来不让做、不便做和不能做的实验得以生动展现。应用虚拟现实技术，为实验教学创设特定教学情景，使学生突破时空限制，产生“超越现实、身临其境”的感受和体验，实现情景互动教学。温州市龙湾中学借助谷歌地球开展地理实验教学，将地球玩转于手掌间，有效提升教学质量；湖州市安吉县孝丰镇中学利用三维虚拟显示技术开展“食物的消化与吸收”等实验教学，化静为动，让学生如身临其境般地进行直观感受，有效激发学生兴趣，提高教学效果。

创新实验模式，培养探究能力 实验教学的目标除了知识和技能的培养外，更重要的是对学生解决问题的能力和方法的培养。多年来，我们积极探索利用新技术、新设备，创新实验方式，倡导参与式、启发式、探究式、讨论式教学。如应用数码显微技术，为教师和学生提供高清晰度、多画面、无延迟的交互式实验教学手段，变传统的、孤立的实验观察为生生、师生之间的信息共享与合作探究；应用物联网和云计算技术，自动采集校园内各种动态数据并进行智能分析，为学生构建开放、有序的自主探究实验教学环境；应用二维码等现代信息技术，使实验探究走出校园，通过家校联动等方式，让学生针对生活、学习中遇到的科学问题自发开展各种小课题研究；应用信息化管理手段，对实验室实行开放管理，让学生进行自主设计并开展实验探究，探索建立自助式实验运作方式和评价体系。德清县德清一中开展自助式实验教学，让学生进行自主设计并开展实验探究；嘉兴市实验小学借助二维码和无线网络环境，指导学生开展课题研究，为学生自主探究校园树木提供便捷学习方法的同时，培养创新思维、沟通协调和团队合作能力。

3 加强组织管理，保障教学成效

严把教学仪器质量关 教学仪器设备是实施实验教学活动的物质基础和条件保障，其本质是一种教学设计，宗旨是满足教学需求、提高教育质量。因此，教学仪器设备质量的优劣直接关系到实验教学的效果。自2009年开始，我们建立了教学仪器产品教育适应性评审制度，对教学仪器设计方案、安全性能、材料工艺和实验效果进行第三方评审，确保优质产品进校园、进课堂。同时，针对教学仪器采购的实际困难，我们在不断探索的基础上，构建了教学仪器设备政府采购整体解决方案，提出了“公开招标、资质入围——网上竞价、择优选用——合同签订、集中配送——验收结算、综合评价”的政府采购整体思路，开通了普教仪器政府采购协议平台，有效避免了教学仪器设备政府采购中存在的程序合法但结果不公等问题，最大限度保证了政府采购效益。

篇10

1.1研究对象

齐齐哈尔医学院2005级预防、管理专业本科生。将所有同学分为2组,其中实验班33人,对照班24人。

1.2研究方法

1.2.1教学改革的实施基础理论教学时数为50学时,同一老师,同一授课方式,从而保证2个班的同学所学的统计学理论知识是完全一样的。在分组的实验课上,对照班采用传统的做题练习,并结合理论知识讲授。实验班则以公开发表的科研论文作为案例,采用案例讲授,根据对论文中的实验设计方案、数据分析方法的讨论,来提高学生解决科研工作中实际问题的能力。

1.2.2考核本学期授课结束后,由教师统一命题,对试验班和对照班的学生进行包括卫生统计学基础理论知识和统计方法应用2个方面的考核,以检测学习效果。试卷由教研室全体教师进行集体评阅。

1.2.3统计分析对数据采用“均数±标准差”形式表达,组间比较采用独立样本的t检验。所有统计方法应用SPSS19.0实现。

2结果

(1)试验班和对照班学生的基础理论知识考试成绩无明显差异(t=0.25,P＝0.8056),表明“案例”教学模式的教学法并不影响学生对基础知识、重点和难点的掌握,见表1。

(2)试验班和对照班学生在统计应用能力测试方面有明显差异(t=2.84,P＝0.0064),表明应用“案例”教学模式,在培养学生灵活应用统计理论,解决实际数据分析问题方面优于传统教学模式,见表2。

3讨论

3.1案例教学提高了学生的实际数据分析能力

研究结果显示,尽管案例教学模式和传统教学法在对学科的基础知识、重点和难点的掌握上没有明显区别(P＝0.8056),但案例教学即实验班的学生在灵活运用所掌握的统计理论知识来解决实际数据分析问题的能力明显强于对照班。因此,在实践性较强的卫生统计学教学中采用案例教学是切实可行的,有助于培养学生的科研思维方式和数据分析技巧,提高学生独立思考和解决问题的能力。

3.2案例教学提高了学生自学的能力

传统教学法使学生处于被动接受的地位,教师只重视将知识灌注给学生,忽视了学生的主观能动性。而案例教学则是以学生为中心,在案例的讨论中使学生能够自觉地获取知识,以解决遇到的问题,提高学生的自学能力。针对科研实例的讨论可以促进学生不断地思考,调动学生的学习积极性,充分发挥了学生的学习主体作用,大大提高了自学的能力。逐渐认为统计学其实是很实用、很有趣的一门课程[3]。

3.3案例讨论提高学生正确选择实验设计方法和统计分析方法的能力

针对当前统计学方法被误用、滥用现象严重的现状,尤其表现在医学期刊中统计分析错误较多的现状,这都是传统教学模式造成的结果。本次实验班在进行案例讨论的过程中,亦发现众多的期刊论文中存在实验设计或统计方法错误的情况,针对这些具体问题着重进行了讨论。从公开发表的医学论文中的各种错误实例进行讨论,使学生“虚拟地”置身于科研第一线,使学生感受了一个个活生生的科研实例,由于所讨论的内容均来自于实际科研工作,可以激发起学生积极思考与讨论的热情,通过个人分析和与他人讨论或辨析,对问题可以有比较全面、准确的理解并找出解决问题的基本途径和方法,培养了学生合理选择统计方法的能力[4]。从而可减少学生在未来从事实际科研工作中应用统计学方法中出现错误的概率,增强处理各种实际问题的能力。