時(shí)間：2022-09-18 18:57:04
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【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)教學(xué)應(yīng)用;模擬仿真實(shí)驗(yàn);教學(xué)設(shè)計(jì)
【中圖分類號(hào)】G420【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號(hào)】1009―8097(2010)06―0132―03
一 引言
模擬仿真實(shí)驗(yàn)作為計(jì)算機(jī)用于教學(xué)的一種基本模式,在教學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用前景。它既適合于在教師指導(dǎo)下課
堂教學(xué),也適合于學(xué)習(xí)者進(jìn)行探究式自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)。本課題在認(rèn)真研究已有模擬仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)構(gòu)建中的模型創(chuàng)建和教學(xué)設(shè)計(jì)存在一些普遍問題,表現(xiàn)在抽象模型,交互性、針對(duì)現(xiàn)象反饋和教學(xué)性能方面。我們所開發(fā)的模擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),正確地運(yùn)用了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論,實(shí)現(xiàn)了一個(gè)全新的面向?qū)W習(xí)者的學(xué)習(xí)環(huán)境。
二 模擬仿真實(shí)驗(yàn)
模擬是指在交互控制狀態(tài)下,對(duì)某種現(xiàn)象或過程進(jìn)行表現(xiàn)和展示。按照所要表現(xiàn)的現(xiàn)象,可以把模擬分為兩大類四種情況:物理現(xiàn)象和過程變化的模擬;程序性和情形性的模擬。在計(jì)算機(jī)輔助真實(shí)現(xiàn)象的模擬教學(xué)模式中,物理現(xiàn)象的模擬是將一個(gè)真實(shí)的現(xiàn)象或過程的某種規(guī)律在屏幕上表現(xiàn)出來,以供學(xué)習(xí)者去學(xué)習(xí)和研究,如表現(xiàn)光線通過透鏡的成像規(guī)律,光線通過棱鏡的傳播等問題。過程變化的模擬,通常是為學(xué)習(xí)者說明解釋一個(gè)不會(huì)明顯表現(xiàn)出來的過程及難以理解的概念所進(jìn)行的模擬。這兩種模擬一般是不可人為隨意干預(yù)或參與的。第二類情況中,大多數(shù)程序性模擬是為了教授一個(gè)構(gòu)成過程的行為或動(dòng)作順序,它的主要特點(diǎn)是有一個(gè)或更多的步驟序列,以供學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)或訓(xùn)練。情形性模擬是在不同的情形下,涉及人的態(tài)度而非技能行為,不像程序性模擬要教一系列規(guī)則,而是展示允許學(xué)習(xí)者針對(duì)某種情形探索,用不同方法或扮演不同的角色時(shí),所產(chǎn)生的影響并實(shí)時(shí)地表現(xiàn)出來。其中物理現(xiàn)象和過程變化的模擬,最常見的一種就是模擬仿真實(shí)驗(yàn)。
三 模擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
隨著信息技術(shù)的發(fā)展,人們可以模擬出自然界發(fā)生的各種現(xiàn)象和過程,并實(shí)時(shí)地加以顯示。在所建立的模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境中,不但能夠?qū)崿F(xiàn)隨時(shí)觀察到與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相同的現(xiàn)象或結(jié)果,還可以清楚地觀察到實(shí)驗(yàn)發(fā)生和現(xiàn)象演變的過程、擴(kuò)大或縮小觀察空間、減慢或加快時(shí)間上的控制等,還可在有效的范圍內(nèi)方便地改變某些條件、參數(shù)或儀器進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),隨時(shí)觸發(fā)對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的說明解釋。將其用于教學(xué)中將極大地引起學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣,大大提高教學(xué)和學(xué)習(xí)過程的效率,使抽象的概念、規(guī)則和原理變得簡單易學(xué)。同時(shí)可以做到及時(shí)糾正實(shí)驗(yàn)中所犯的錯(cuò)誤,絕對(duì)避免了在實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境中可能帶來的可怕后果。
那么,在設(shè)計(jì)模擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí),要充分考慮其教學(xué)設(shè)計(jì),以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論作為指導(dǎo),結(jié)合物理現(xiàn)象的特點(diǎn),建立以計(jì)算機(jī)模擬物理實(shí)驗(yàn)和對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析的學(xué)習(xí)情境。模擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo),能夠在交互控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)象、過程、內(nèi)部機(jī)制和原理等內(nèi)容的展示,易于學(xué)習(xí)者對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、變化過程、受外部條件的影響、概率特性和響應(yīng)特性等進(jìn)行觀察思考和分析研究。
1 設(shè)計(jì)要求
為了方便教師或?qū)W習(xí)者自身在所創(chuàng)設(shè)的情境中,啟發(fā)、誘導(dǎo)或?qū)W習(xí)者之間通過協(xié)作學(xué)習(xí)的過程,進(jìn)行討論和探究來完成意義建構(gòu),在探索的環(huán)境和氣氛中實(shí)現(xiàn)有目的學(xué)習(xí)[2]。設(shè)計(jì)要能夠完全反映真實(shí)現(xiàn)象的整個(gè)過程,包括儀器設(shè)備、裝置及所呈現(xiàn)的現(xiàn)象顯示逼真,模擬過程科學(xué)、結(jié)果真實(shí)、數(shù)據(jù)可靠等。能夠?qū)?shí)驗(yàn)現(xiàn)象的展示進(jìn)行多次重復(fù),以利于對(duì)現(xiàn)象的規(guī)律、規(guī)則、理論進(jìn)行詳細(xì)深入的探索和研究。能夠?qū)崿F(xiàn)智能化的模擬仿真,讓學(xué)習(xí)者觀察到實(shí)際實(shí)驗(yàn)中難以或根本觀察不到的實(shí)驗(yàn)發(fā)生過程和微觀內(nèi)部機(jī)制,并通過形象的表現(xiàn)揭示其中內(nèi)涵、規(guī)律;實(shí)現(xiàn)對(duì)某些實(shí)驗(yàn)的人為控制,能夠瞬間觀察感興趣的現(xiàn)象或量值;可以把隱藏在現(xiàn)象背后的實(shí)質(zhì)問題突出地展示出來;通過改變實(shí)驗(yàn)條件、參數(shù)或儀器進(jìn)行對(duì)照類比等。這對(duì)于學(xué)習(xí)者理解抽象的概念、掌握或探索有關(guān)的規(guī)則、定理或定律會(huì)起到非常關(guān)鍵的作用。
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和教學(xué)性能設(shè)計(jì)目標(biāo),可以將實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)和流程設(shè)計(jì)成介紹部分、呈現(xiàn)現(xiàn)象、交互活動(dòng)、系統(tǒng)修改、系統(tǒng)反饋和結(jié)束。為了便于說明和設(shè)計(jì),這里主要從以下幾個(gè)方面討論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中所涉及的問題。
(1)實(shí)驗(yàn)說明與幫助
說明包括本專題的教學(xué)意圖、演示項(xiàng)目和教學(xué)建議的總的扼要文字說明、使用與操作指導(dǎo),其作用在于避免學(xué)習(xí)者盲目進(jìn)行操作或?qū)W(xué)習(xí)過程不知所措;幫助應(yīng)實(shí)現(xiàn)在線幫助,即在實(shí)驗(yàn)過程中可以隨時(shí)激活、瀏覽一個(gè)幫助窗口,提醒學(xué)習(xí)者對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行特別提示和探究引導(dǎo)。例如,在單擺實(shí)驗(yàn)中使用指導(dǎo)提示和教學(xué)建議提示。
(2)基本模型確定
模擬實(shí)驗(yàn)基本模型,是從真實(shí)實(shí)驗(yàn)抽象出關(guān)鍵的要素,能夠用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)模擬的首要一步。建立模型要有足夠的精度。在設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)應(yīng)抓住實(shí)驗(yàn)中最本質(zhì)的東西,而把非本質(zhì)的東西盡可能去掉,又不影響反映實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象本質(zhì)的真實(shí)程度。例如模擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中在確定單擺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí),只考慮擺長和重力加速度對(duì)單擺周期的影響,而忽略空氣阻力的作用;只考慮擺線長度,擺球質(zhì)量及實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的變化,而忽略具體變化擺線長度的調(diào)節(jié)過程,擺球質(zhì)量的稱量過程和實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的轉(zhuǎn)移過程。擺動(dòng)過程中的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)范圍足以表現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律,擺線長度的變化范圍在35cm-106cm之間(地面上擺的擺長約99.4cm),利用滑塊變化技術(shù)即時(shí)調(diào)節(jié)擺長;擺球質(zhì)量有20g、30g、40g、50g幾種。地點(diǎn)有柏林、北京、新加坡、月球等可供選擇。每次變化擺長、質(zhì)量、地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù),完全按照單擺周期公式反映了對(duì)周期的影響。真實(shí)單擺實(shí)驗(yàn)的擺球運(yùn)動(dòng)軌跡是弧形的,其擺動(dòng)過程是連續(xù)的,而模擬擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)卻是跳躍的、間斷的,但在計(jì)算機(jī)程序代碼運(yùn)行時(shí)利用了人的視覺反應(yīng)時(shí)間,完全可以較逼真地模擬出連續(xù)的效果[1]。
模型要盡量簡單。模型的構(gòu)造是為了計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)上的考慮,對(duì)所要模擬的現(xiàn)象應(yīng)從持續(xù)性、分立性和邏輯性方面進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象。持續(xù)性是指在視覺反應(yīng)期間能對(duì)模擬現(xiàn)象的連續(xù)變化的描述;分立性是指通過一些分立的量來表現(xiàn)現(xiàn)象的某種規(guī)律或規(guī)則;邏輯性是指對(duì)模擬現(xiàn)象表現(xiàn)過程的邏輯方面的考慮。這里的持續(xù)性、分立性和邏輯性,在整個(gè)模式構(gòu)造中要既分開獨(dú)立找到特有影響因素或相關(guān)量,又要統(tǒng)籌考慮對(duì)現(xiàn)象整體效果的影響。在模型中既要考慮模擬現(xiàn)象自身的特性,又要考慮與學(xué)習(xí)者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)控制操作有關(guān)的交互性,涉及到的因素有:模擬中的每個(gè)對(duì)象、每一個(gè)物理量;所遵從的規(guī)律規(guī)則;現(xiàn)象的精確性;實(shí)現(xiàn)的順序;幾種解決方案;時(shí)間幀;學(xué)習(xí)者的角色扮演等。在模型確立過程中,要嚴(yán)格地按照科學(xué)規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì),同時(shí)要注意模擬現(xiàn)象對(duì)條件的要求,在何條件下成立,何條件下不成立要明確。如模擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,物距與像距是相對(duì)透鏡光心而言的,只要物距和像距的調(diào)整范圍能夠表現(xiàn)出成像位置及大小的變化規(guī)律即可,無需由于變化透鏡位置給實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測量帶來麻煩和不便?；谶@樣的考慮,要求透鏡固定放在60厘米處,對(duì)于焦距是10、15、20厘米來講,物的放置范圍在060厘米之間,物可放在此區(qū)間的任何位置,屏在0110厘米的區(qū)間內(nèi)通過任意移動(dòng),來找到清晰成像的位置及觀察像的大小變化,從而表現(xiàn)出物距u、像距v和焦距f間的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系及物像大小的變化規(guī)律等。設(shè)計(jì)時(shí)的數(shù)學(xué)抽象既簡單又有效,在現(xiàn)象的表現(xiàn)中既涉及到持續(xù)性、分立性,又涉及到邏輯性。
(3)模型建立步驟
在明確實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)基礎(chǔ)上,對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行認(rèn)真研究,確定主要變量;找出實(shí)驗(yàn)中的各種內(nèi)部聯(lián)系和關(guān)系;確定實(shí)驗(yàn)約束條件;根據(jù)有關(guān)學(xué)科規(guī)定使用符號(hào)或代號(hào);簡化和檢查實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?看它是否可以表現(xiàn)出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯示
把模擬現(xiàn)象真實(shí)表現(xiàn)出來,既要考慮讓學(xué)習(xí)者看見的,又要考慮聽見的,同時(shí)注意所表現(xiàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的可靠性。在這一階段,首先應(yīng)明確要表現(xiàn)的主題是為了觀察現(xiàn)象,還是為了說明某個(gè)概念。一般情況下,物理模擬主題,通常是觀察現(xiàn)象或通過現(xiàn)象總結(jié)出某種規(guī)律。情形性模擬主題,通常要說明某種概念;而程序性和過程模擬通常兩者都包括。其次考慮模擬中項(xiàng)目或儀器的選擇,操作對(duì)象,對(duì)事件作出的反應(yīng),對(duì)現(xiàn)象某種規(guī)律的有效觀察等等。另外應(yīng)考慮模擬表現(xiàn)上的真實(shí)性,這就需要充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù),做到生動(dòng)、直觀、形象真實(shí)。如真實(shí)摩擦力實(shí)驗(yàn)中,摩擦力不是直接看到的,而在模擬實(shí)驗(yàn)中卻可顯示任一瞬間摩擦力的大小和方向;在彈簧振子的簡諧振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,學(xué)習(xí)者可觀察到位移、回復(fù)力、速度、加速度矢量隨振動(dòng)而周期性變化的情況,并可顯示任一位置的位移、回復(fù)力、速度、加速度的數(shù)值;在自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,類似于閃光照相技術(shù),提供了每隔1/30秒在落體瞬時(shí)位置打點(diǎn)的方法,直觀展示出在相同時(shí)間間隔內(nèi),落體的位移變化情況,同時(shí)將數(shù)據(jù)記錄在表格中,以利進(jìn)一步研究和計(jì)算;在楞次定律的真實(shí)實(shí)驗(yàn)中,磁感線是不能直接觀察到的,但在模擬物理實(shí)驗(yàn)中則根據(jù)需要讓學(xué)習(xí)者生動(dòng)、形象地觀察到磁感線的疏密、方向的變化。為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,在動(dòng)畫設(shè)計(jì)上應(yīng)采用定時(shí)處理,既做到模擬的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)際的現(xiàn)象相一致,又做到模擬的過程與實(shí)際的過程相一致。同時(shí)注意動(dòng)畫的演示不要因機(jī)器速度的不同而發(fā)生畸變。有些現(xiàn)象專門為其具有教學(xué)性能而展示。
4 交互性設(shè)計(jì)
模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的交互控制,主要體現(xiàn)在學(xué)習(xí)者與模擬事件的交互性作用上,模擬的交互性越強(qiáng),越真實(shí)有效,越具吸引力。模擬實(shí)驗(yàn)有別于一般演示實(shí)驗(yàn),體現(xiàn)在它具有較強(qiáng)的交互性,主要反映在用戶對(duì)各種參數(shù)的選擇、設(shè)定和調(diào)節(jié)上或儀器的選用上,實(shí)現(xiàn)在有效合理范圍內(nèi)方便地改變參數(shù)或儀器等進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。可表現(xiàn)在系統(tǒng)中的角度、位置、速度、溫度等幾何和物理參量變化上,也包括選擇物理模型、樣式或樣品、條件等,還應(yīng)包括觀察角度、畫面顯示狀態(tài)、計(jì)算步長等等。如模擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,在交互性方面體現(xiàn)在:可將物、透鏡和屏拖動(dòng)至光具座的相應(yīng)位置上,且可對(duì)相互位置關(guān)系正確與否作出判斷與提示。物和屏可分別放在各自區(qū)間內(nèi)任意移動(dòng),使學(xué)習(xí)者清楚地觀察到物距與像距、物與像大小的對(duì)應(yīng)關(guān)系與規(guī)律。同時(shí)允許學(xué)習(xí)者隨時(shí)更換或調(diào)節(jié)透鏡焦距和物的大小,這些教學(xué)性能給教師的講解和學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)提供了更多的可變參數(shù),便于對(duì)問題的深入研究探討。
控制功能要靈活方便,設(shè)計(jì)時(shí)注意參數(shù)的調(diào)節(jié)過程和參數(shù)的顯示,要比較直觀、方便、快捷。交互形式最常用的是鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏、光筆和語音等。因?yàn)閷W(xué)習(xí)者的參與主要靠靈活方便的控制來實(shí)現(xiàn),通過提供一定的實(shí)驗(yàn)控制或選擇條件,將有利于學(xué)習(xí)者的進(jìn)一步鉆研和知識(shí)的拓寬[3]。
5 顯示與反饋
當(dāng)對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行某種操作后,系統(tǒng)應(yīng)給出相應(yīng)的反饋,這種反饋可以是自然的,也可以是人為的。所謂自然反饋是類似于可能發(fā)生的事,人為反饋是類似于個(gè)別指導(dǎo)或練習(xí)模式中給出的相應(yīng)提示或結(jié)論性信息,如對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的說明解釋。對(duì)于前一類情況,應(yīng)能隨時(shí)顯示改變參數(shù)后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,即可以實(shí)時(shí)繪制與顯示。如當(dāng)物距、物大小、透鏡焦距及屏位置中,只要有一個(gè)量發(fā)生變化,屏上所接到的光斑或像就隨之變化。另外考慮提供多種顯示方式,如截面、二維或三維表現(xiàn)等;可調(diào)顯示參數(shù),如投影角度、比例、顯示范圍等,體現(xiàn)出顯示的多樣性、可調(diào)性。如模擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中除了在屏上觀察像外,可隨時(shí)激活圖標(biāo)顯示正面畫面,滿足學(xué)習(xí)者從不同角度進(jìn)行觀察。這將有利于學(xué)習(xí)者對(duì)同一現(xiàn)象的觀察與思考,能從不同的側(cè)面、角度進(jìn)行全面的觀察與分析比較,經(jīng)過探究而得出結(jié)論。
四 模擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用
對(duì)于模擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),它既適用于教師課堂進(jìn)行教學(xué),也適用于學(xué)習(xí)者自己進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)。教師利用這種特定實(shí)驗(yàn)情境,啟發(fā)學(xué)習(xí)者主動(dòng)探討研究,完全像做實(shí)驗(yàn)一樣歸納和總結(jié)出相關(guān)的規(guī)律。利用情境或在情境中進(jìn)行教學(xué),能夠讓學(xué)習(xí)者參與進(jìn)來,做到教師只是引導(dǎo)者而非講演者,更利于學(xué)習(xí)者主動(dòng)進(jìn)行學(xué)習(xí)。教師再也不會(huì)感到物理難教,一些原來單純利用黑板和演示不容易講得清楚的東西,現(xiàn)在在模擬實(shí)驗(yàn)中實(shí)實(shí)在在地動(dòng)態(tài)顯示出來,便于講解。從學(xué)習(xí)者角度也不會(huì)再感到物理難學(xué),原來僅僅靠想象的抽象東西,現(xiàn)在活靈活現(xiàn)地出現(xiàn)在面前,你可以仔細(xì)觀察,反復(fù)實(shí)驗(yàn),經(jīng)過思考后得出結(jié)論。對(duì)學(xué)習(xí)者而言,完全可以獨(dú)立或與學(xué)習(xí)伙伴一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn),利用系統(tǒng)關(guān)鍵提示和解釋,實(shí)現(xiàn)探究學(xué)習(xí)。因此,利用這樣的模擬實(shí)驗(yàn)開展教學(xué),能夠大大激發(fā)學(xué)習(xí)者的求知欲,滿足學(xué)習(xí)者的探索欲,最大限度地發(fā)揮學(xué)習(xí)者的認(rèn)知主體作用,讓學(xué)習(xí)回歸本體,就是實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí),不再是“被教會(huì)”。
五 結(jié)論
通過結(jié)合作者開發(fā)的模擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐,文章探討了模擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及其教學(xué)設(shè)計(jì)的方法,由于不同學(xué)科有其自身的特點(diǎn),在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體處理,但總體目標(biāo)都是要求實(shí)現(xiàn)隨時(shí)觀察到與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相同的現(xiàn)象或結(jié)果。歸納為以下幾點(diǎn):(1)模型構(gòu)建時(shí)要簡潔,抓住最基本要素,排除非本質(zhì)的東西。(2)實(shí)驗(yàn)要有很強(qiáng)交互性。(3)模擬過程要清晰、可重復(fù)。(4)模擬的結(jié)果要真實(shí)可信。(5)現(xiàn)象呈現(xiàn)時(shí)關(guān)鍵幀有說明解釋。(6)有學(xué)習(xí)指導(dǎo)和使用說明。這樣設(shè)計(jì)出來的模擬仿真實(shí)驗(yàn),在教學(xué)上有利于學(xué)習(xí)者的啟發(fā)式、探究式學(xué)習(xí)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步,計(jì)算機(jī)用于教育教學(xué),特別是模擬實(shí)驗(yàn)這種教學(xué)模式,必將在教學(xué)和學(xué)習(xí)中發(fā)揮愈來愈大的作用。
參考文獻(xiàn)
[1] 李云程.探討制約CAI開展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)軟件設(shè)計(jì)問題[J].中國電化教育, 2000,(3):40-42.
關(guān)鍵詞：傳熱學(xué) 仿真實(shí)驗(yàn) 探討
中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2013）08（b）-0040-02
1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題
實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工科類專業(yè)素質(zhì)教育的重要組成部分，是鞏固課堂所學(xué)知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究方法、實(shí)驗(yàn)基本技能以及創(chuàng)新能力的重要途徑。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革有助于提升整體教學(xué)水平。實(shí)驗(yàn)室硬件水平是開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本保障，但由于人力、物力、財(cái)力的限制，實(shí)驗(yàn)室硬件通常不能滿足實(shí)際教學(xué)需求。比如，實(shí)驗(yàn)室缺乏必要的專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備導(dǎo)致教學(xué)計(jì)劃中的一些教學(xué)實(shí)驗(yàn)無法順利開展，或者部分教學(xué)設(shè)備陳舊老化、數(shù)量嚴(yán)重不足，無法為每個(gè)學(xué)生提供全程動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，另外某些專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴甚至實(shí)驗(yàn)過程存在一定的危險(xiǎn)性也導(dǎo)致許多學(xué)校在開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)常常有所保留。有些實(shí)驗(yàn)受到場地和課時(shí)限制，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無法完成實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)效果不理想，這些都直接影響了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。上述問題除了通過合理的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和設(shè)備購置來解決外，還可借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)開展仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)來解決。
2 仿真實(shí)驗(yàn)
仿真實(shí)驗(yàn)是指在交互狀態(tài)下，借助編程軟件、多媒體、仿真等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營造可輔助、部分替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，學(xué)生可以像在真實(shí)環(huán)境一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所得的結(jié)果甚至優(yōu)于實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)具有很多的優(yōu)點(diǎn)它營造了多樣化的教學(xué)環(huán)境，能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；將仿真實(shí)驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)鏈接后，學(xué)生可以利用校園網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間的限制；可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，實(shí)現(xiàn)多種實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>
一些高等院校和企業(yè)開發(fā)了適用于不同專業(yè)、實(shí)現(xiàn)不同功能的實(shí)驗(yàn)仿真軟件，促進(jìn)了仿真實(shí)驗(yàn)在工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。如能實(shí)現(xiàn)離心泵測定、精餾、吸收等功能的化工原理仿真實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證電工基本定理的電工電子仿真實(shí)驗(yàn)、大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)、建筑工程仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)等。在熱能與動(dòng)力工程專業(yè)中有西安交通大學(xué)[1]開發(fā)的制冷過程多媒體演示與模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)，浙江大學(xué)[2]開發(fā)的基于web的小型冷庫教學(xué)系統(tǒng)，東南大學(xué)[3]開發(fā)的制冷空調(diào)綜合創(chuàng)新模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，長沙理工大學(xué)[4]開發(fā)的能夠?qū)崿F(xiàn)二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、豎壁附近自然對(duì)流換熱和輻射角計(jì)算3個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)的傳熱學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)等。這些仿真實(shí)驗(yàn)借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過聲音、動(dòng)畫、彩色圖像等豐富的表現(xiàn)力為學(xué)生提供了內(nèi)容豐富、形象直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，取得了較好的教學(xué)效果。
3 傳熱學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)
傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)，與傳熱學(xué)理論課程互為補(bǔ)充，是課堂理論教學(xué)的繼續(xù)和深化，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的解決工程實(shí)際問題能力和研究開發(fā)能力具有重要的作用。在傳熱學(xué)教學(xué)中引入仿真實(shí)驗(yàn)，是為了更好地完成大綱中規(guī)定而實(shí)際無條件實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容。以我校熱能與動(dòng)力工程專業(yè)為例，目前本專業(yè)傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測量（10臺(tái)）、外掠管束對(duì)流傳熱系數(shù)測量（2臺(tái)）、換熱器性能測試（3臺(tái)）等。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)較少且實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)量太少遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程中無法保證每個(gè)同學(xué)的實(shí)際動(dòng)手操作。另外，因?qū)嶒?yàn)設(shè)備使用過于頻繁導(dǎo)致其老化加快，實(shí)驗(yàn)中就曾出現(xiàn)因設(shè)備部件故障而無法繼續(xù)實(shí)驗(yàn)的情況，如換熱器性能實(shí)驗(yàn)中因熱電偶出錯(cuò)影響了實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。因此，在不能保證足夠?qū)嶒?yàn)設(shè)備數(shù)量前提下，借助計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來輔助傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能擴(kuò)展本專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，還能幫助學(xué)生深入了解實(shí)驗(yàn)原理，保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。
3.1 傳熱學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)介紹
根據(jù)傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，我們對(duì)現(xiàn)有的硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了綜合分析，確定了這些設(shè)備能夠開展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，把無法開展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來代替。為此，我們開發(fā)了一套傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件，下面就此軟件進(jìn)行介紹。
傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件采用的開發(fā)工具為Visual Basic 6.0軟件，該軟件可以很方便地實(shí)現(xiàn)用戶界面、菜單、操作按鈕和工具條的制作，能夠完成實(shí)驗(yàn)過程需要的原理演示、實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成顯示、閥門開關(guān)與開度調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)幫助等功能，開發(fā)的軟件用戶容易上手，使用起來很方便。圖1為其中的水平圓管壁面自然對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式仿真實(shí)驗(yàn)主界面。界面主要由標(biāo)題欄、狀態(tài)條、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、操作按鈕組成。點(diǎn)擊操作按鈕可以實(shí)現(xiàn)加熱器的電壓調(diào)節(jié)，可以查看并學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的相關(guān)內(nèi)容，還可以查看實(shí)驗(yàn)過程中的換熱量和溫度參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化情況以及確定讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件的功能是能實(shí)現(xiàn)圓球法測導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)、二維導(dǎo)熱溫度場的數(shù)值計(jì)算、非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱溫度場的數(shù)值計(jì)算、水平圓管壁面自然對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式實(shí)驗(yàn)、中溫輻射物體黑度測試和換熱器性能測試實(shí)驗(yàn)等6項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備形成互補(bǔ)后，基本上涵蓋了包括導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射和換熱器在內(nèi)的所有傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。
傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件采用模塊化建模，開發(fā)過程中，將每部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為一個(gè)單獨(dú)模塊。每個(gè)模塊中除了包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)動(dòng)畫圖形外，還包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理方法和思考題等內(nèi)容。開發(fā)過程中采用了動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)，實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)即時(shí)顯示，使模擬實(shí)驗(yàn)更貼近于實(shí)際情形，學(xué)生可根據(jù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化隨時(shí)了解實(shí)驗(yàn)進(jìn)行情況并判斷數(shù)據(jù)讀取的時(shí)機(jī)。由于該仿真軟件詳細(xì)地介紹了每個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理、內(nèi)容、操作步驟、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，所以它也可作為傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)工具使用。
3.2 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果
通過使用該傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件，取得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。首先，該傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件能夠?qū)崿F(xiàn)因缺少相關(guān)實(shí)驗(yàn)室硬件而無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，完成了傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生使用后，加深了對(duì)數(shù)值計(jì)算、對(duì)流傳熱、輻射、換熱器性能等實(shí)驗(yàn)涉及的理論和實(shí)驗(yàn)測試內(nèi)容的理解，豐富了學(xué)生的傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生對(duì)傳熱學(xué)知識(shí)的全面學(xué)習(xí)和理解。
其次，由于實(shí)驗(yàn)形式新穎，加上界面設(shè)計(jì)友好，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣較高，實(shí)驗(yàn)后普遍反映對(duì)所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)尤其是原理和數(shù)據(jù)處理等相關(guān)內(nèi)容有了更全面和深刻的了解。另外，由于該仿真軟件具有完善的用戶幫助功能，且可以直接在Blackboard教學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行操作，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)不受實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間限制，也可多次進(jìn)行，使用起來相當(dāng)方便，效果較好。
為了取得更好的教學(xué)效果，未來將在該傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件中進(jìn)一步增加測試與評(píng)分模塊，實(shí)現(xiàn)用戶仿真實(shí)驗(yàn)效果的即時(shí)測試與打分。還將在該實(shí)驗(yàn)仿真軟件中增加更多的動(dòng)態(tài)模擬內(nèi)容，使其更喜迎并方便用戶使用。
4 結(jié)論
針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，本文探討了計(jì)算機(jī)仿真在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，分析了仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)我們開發(fā)的一套傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真仿真軟件進(jìn)行了介紹，并概括描述了仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn)
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系統(tǒng)將根據(jù)用戶的操作給出相應(yīng)的評(píng)價(jià)
后臺(tái)功能通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將前臺(tái)和后臺(tái)系統(tǒng)有機(jī)連接，后臺(tái)系統(tǒng)可對(duì)前臺(tái)系統(tǒng)中的信息進(jìn)行管理。（1）信息管理：管理員對(duì)平臺(tái)中的文章及資源進(jìn)行修改及更新操作。（2）用戶管理：對(duì)注冊(cè)用戶及內(nèi)部用戶信息進(jìn)行管理。（3）題庫管理：對(duì)現(xiàn)有題庫進(jìn)行管理，包括添加、修改、刪除。（4）系統(tǒng)管理：對(duì)課程主體模塊進(jìn)行設(shè)置，添加或刪除菜單選項(xiàng)。（5）虛擬實(shí)驗(yàn)管理：對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行管理，包括添加、刪除。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)非常重要。本系統(tǒng)主要涉及的表有用戶表、文章目錄表、文章表、題庫表、虛擬實(shí)驗(yàn)表；在本系統(tǒng)中，比較有特色的設(shè)計(jì)是文章目錄表和虛擬實(shí)驗(yàn)表。文章目錄表對(duì)于一個(gè)好文章系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，需要實(shí)現(xiàn)的功能為：（1）實(shí)現(xiàn)無限級(jí)分類。（2）實(shí)現(xiàn)無限級(jí)鏈接導(dǎo)航。（3）實(shí)現(xiàn)逐級(jí)分類下各條信息的查詢，包括最多瀏覽量、最多評(píng)論量、最新信息。（4）隨意轉(zhuǎn)移子分類到任何級(jí)別而不用修改分類下的信息表。（5）使用最少的參數(shù)得到所要的信息，URL參數(shù)最好只有一個(gè)。（6）不管多少級(jí)，只有一個(gè)ASPX文件實(shí)現(xiàn)類列表和各種方式的信息調(diào)用。在本課程平臺(tái)系統(tǒng)中，采用樹形的結(jié)構(gòu)來構(gòu)造目錄系統(tǒng)，通過root、depth、parent、left、right字段來設(shè)定文章所在的層次和對(duì)應(yīng)的父目錄和子目錄。虛擬實(shí)驗(yàn)表主要字段包括驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)介紹、所對(duì)應(yīng)的鏈接。通過鏈接的方式來完成實(shí)驗(yàn)的。
虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)建設(shè)流程大致分為三個(gè)階段，即收集整理資料、建立三維實(shí)體模型、系統(tǒng)集成與功能開發(fā)。虛擬實(shí)驗(yàn)詳細(xì)創(chuàng)建流程如圖一所示。收集整理資料收集各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備的照片及圖紙，進(jìn)行分類，并用Photoshop進(jìn)行預(yù)處理，包括調(diào)節(jié)自動(dòng)對(duì)比度、裁剪等來達(dá)到實(shí)驗(yàn)的需求。圖片可以采用單張圖片的方式，也可采用多通道的方式存儲(chǔ)。三維實(shí)體建模本系統(tǒng)使用三維建模軟件3DMAX進(jìn)行建模、渲染、烘焙，然后使用VR-Platform(VR～Plat-form，三維互動(dòng)仿真平臺(tái)是由深圳中視典數(shù)字科技有限公司獨(dú)立開發(fā)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)軟件)制作交互。課程實(shí)驗(yàn)中主要場景模型是實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)器材作為各種碰撞障礙物，具體模型參數(shù)的設(shè)置是在考慮物體物理屬性，所以建模過程相對(duì)簡單。一些模型可以通過AUTOCAD圖紙導(dǎo)入后轉(zhuǎn)為三維模型方式；高級(jí)三維建模通常方法是建立基礎(chǔ)模型，如長方體、平面、圓柱體等，之后經(jīng)過對(duì)其加線、改線、添加修改器等一系列操作后，方可得到所需模型。模型建立完成后再進(jìn)行相應(yīng)的材質(zhì)貼圖、添加燈光操作。進(jìn)行較大型VR場景制作時(shí)，后期通常會(huì)對(duì)VR場景進(jìn)行分批烘焙，分批導(dǎo)出操作，這時(shí)就需要對(duì)部分已烘焙的靜態(tài)模型進(jìn)行導(dǎo)出。系統(tǒng)集成與功能開發(fā)在Max里完成以上操作后，就可以將場景導(dǎo)入VRP中進(jìn)行交互功能設(shè)計(jì)了。VRP中進(jìn)行漫游交互的制作。VRP具有人性化、易操作、所見即所得；高真實(shí)感、實(shí)時(shí)畫質(zhì)；高教渲染引擎和良好的硬件兼容性；高精度碰撞檢測算法；豐富的特效；功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)材質(zhì)編輯器；強(qiáng)大的界面編輯、獨(dú)立運(yùn)行功能。系統(tǒng)優(yōu)化影響基于VRP的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)最終運(yùn)行速度的三個(gè)因素為：VR場景模型的總面數(shù)量、VR場景模型的總個(gè)數(shù)和VR場景模型的總貼圖量。因此對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化主要從這三個(gè)方面進(jìn)行。（1）場景模型的總面數(shù)：通過做簡模、刪除無用的面的方法來減少總面數(shù)。（2）VR場景模型總個(gè)數(shù)：將相同材質(zhì)的物體進(jìn)行合并，加快場景的加載時(shí)間和運(yùn)行速度。（3）VR場景模型的總貼圖量：盡可能利用已有的貼圖減少貼圖量，將烘焙好的場景導(dǎo)入VRP編輯器之前將所有烘焙后的貼圖進(jìn)行貼圖格式壓縮。
結(jié)束語
防竊電仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就是基于以上的需求研制開發(fā)出來的防竊電技術(shù)研究實(shí)訓(xùn)教學(xué)的平臺(tái)。本平臺(tái)設(shè)備采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬負(fù)荷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)需求側(cè)計(jì)量點(diǎn)防竊電仿真實(shí)驗(yàn)。本裝置既能進(jìn)行反竊電教學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也能進(jìn)行各種創(chuàng)新的防竊電實(shí)用實(shí)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：防竊電 仿真技術(shù) 反竊電教學(xué)
1.引言
為了配合打擊竊電行為、降損節(jié)能、維護(hù)用電正常秩序，培訓(xùn)中心需要對(duì)相關(guān)的專業(yè)人員進(jìn)行理論和實(shí)際竊電的現(xiàn)場偵測技能的培訓(xùn)。本文所述防竊電試驗(yàn)平臺(tái)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬負(fù)荷技術(shù)，結(jié)合新型的智能電表（內(nèi)部經(jīng)過改造）。實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)際操作的零距離銜接。本裝置既能進(jìn)行竊電理論教學(xué)也能演示多種生產(chǎn)實(shí)際中的竊電手段，使裝置具備"教、學(xué)、練"等多層次的培訓(xùn)功能。
2.平臺(tái)設(shè)計(jì)方案
防竊電仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬現(xiàn)場實(shí)物進(jìn)行各種防竊電技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，模擬1條10kV線路，模擬該線路負(fù)荷包括高供高計(jì)專變公變用戶、高供低計(jì)公變專變用戶。實(shí)驗(yàn)部分即可監(jiān)控系統(tǒng)既采集10kV線路的分支用戶各種數(shù)據(jù)，又采集現(xiàn)場運(yùn)行的典型數(shù)據(jù)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)與實(shí)用并重的效果。
2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)
培訓(xùn)學(xué)員對(duì)電能表的安裝、運(yùn)行、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理有深刻的認(rèn)識(shí)和了解，在熟悉竊電犯罪分子常用的竊電手法以后，通過直觀檢查、電量檢查、儀表檢查進(jìn)而掌握如何識(shí)破各種各樣的竊電方法，找到有力的犯罪證據(jù)，從而提高學(xué)員的現(xiàn)場竊電的偵查能力。
2.2防竊電仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的概要
防竊電仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有以下5個(gè)功能模塊：
1）防竊電模擬實(shí)驗(yàn)功能；
2）防竊電實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)功能；
3）反竊電方式實(shí)驗(yàn)功能；
4）自動(dòng)篩選可疑用戶實(shí)驗(yàn)功能；
5）電量追補(bǔ)及輔助取證功能實(shí)驗(yàn)；
2.2.1防竊電模擬實(shí)驗(yàn)功能
模擬搭建單相、三相計(jì)量環(huán)境，模擬竊電現(xiàn)場，根據(jù)不同的竊電方式，在計(jì)量設(shè)備的多個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)置竊電操作點(diǎn)，連接竊電線路，布置多種竊電工具，供用電檢查人員演練查處方法，學(xué)習(xí)查處技巧。并結(jié)合原理圖分析各種舊式、新式、高科技等類型竊電手段原理，強(qiáng)化對(duì)反竊電方法的技術(shù)分析與研究，使用電檢查人員全面實(shí)驗(yàn)了解竊電各類手法。
2.2.1.1無表、越表竊電實(shí)驗(yàn)：
表前引電源通過控制開關(guān)竊電；
表前引電源通過單電流接觸器竊電；
表前引電源通過雙電流接觸器竊電。
2.2.1.2攻擊計(jì)量回路竊電實(shí)驗(yàn)：
1）短接CT竊電；
2）改變CT變比竊電；
3）CT二次開路竊電；
4）CT二次側(cè)反接竊電；
5）斷開PT與三相電能表接線竊電；
6）PT與電能表之間串接電阻竊電；
7）反接PT二次側(cè)接線竊電；
8）短接電流回路竊電竊電；
9）電流回路開路竊電竊電；
10）反接火線竊電；
11）一線一地法竊電；
12）改變電壓相位竊電；
13）改變電流相位竊電；
14）利用變流器附加電流竊電。
2.2.1.3攻擊電能表竊電實(shí)驗(yàn)：
1）電能表內(nèi)部電壓回路分壓竊電；
2）切斷電能表內(nèi)部電壓回路竊電；
3）利用遙控裝置竊電；
4）更換計(jì)度器或者利用倒表器竊電；
5）強(qiáng)磁鐵竊電；
6）更改表內(nèi)電流采樣接線竊電；
7）修改費(fèi)率時(shí)段竊電；
8）修改脈沖常數(shù)竊電。
2.2.2 防竊電實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)功能
利用一次側(cè)和二次側(cè)已安裝的防竊電設(shè)備，深入挖掘電力用戶用電信息采集系統(tǒng)功能應(yīng)用，增強(qiáng)采集系統(tǒng)的反竊電監(jiān)測與事件分析功能。
研究新報(bào)裝用戶的防竊電方案，拓展用電信息采集系統(tǒng)的功能。
2.2.3 自動(dòng)篩選可疑用戶實(shí)驗(yàn)功能
根據(jù)不同用戶的用電情況，實(shí)驗(yàn)建立不同的分析模型，導(dǎo)入用電信息采集系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，自動(dòng)篩選出可疑用戶。
2.2.4電量追補(bǔ)及輔助取證實(shí)驗(yàn)功能
通過實(shí)驗(yàn)研究，解決反竊電工作過程中取證難及追補(bǔ)電量難的問題，最終形成可用于日常工作的科研成果。
2.3防竊電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備配置
本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是按照全線路防竊電與防竊電實(shí)驗(yàn)設(shè)備配置，包括高供高計(jì)供電方式、 高供低計(jì)供電計(jì)量方式等。主要設(shè)備包括實(shí)驗(yàn)用變壓器、開關(guān)；實(shí)驗(yàn)用防竊電計(jì)量箱、表箱環(huán)境監(jiān)測裝置；各種防竊電、反竊電實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ窖b置；用于實(shí)驗(yàn)的負(fù)荷測量裝置、高頻信號(hào)實(shí)驗(yàn)裝置等。
3.應(yīng)用分析
本平臺(tái)是基于竊電手法的理論與實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，系統(tǒng)建成應(yīng)用后對(duì)于培養(yǎng)強(qiáng)有力的電能計(jì)量、用電檢查、用電稽查隊(duì)伍提供方便有效的教學(xué)環(huán)境，從而大大提高公司的反竊電能力，可以更高效的查處竊電者。不僅可以減少供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還可以規(guī)范用電市場，保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行，保護(hù)了廣大人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。
關(guān)鍵詞：仿真實(shí)驗(yàn)室 財(cái)務(wù)管理 情境設(shè)計(jì)
財(cái)務(wù)仿真實(shí)驗(yàn)室不僅可以加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，還可以從專業(yè)領(lǐng)域發(fā)展來對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理進(jìn)行規(guī)劃。人們?cè)谶M(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研究、實(shí)現(xiàn)以及分析時(shí)，總是通過實(shí)驗(yàn)完成的，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中一般都是由真實(shí)系統(tǒng)來完成的，但是這種方式可以直接造成系統(tǒng)的破壞和故障，使得實(shí)驗(yàn)難以重復(fù)、費(fèi)用昂貴，所以這種傳統(tǒng)方法不能有效的進(jìn)行研究，而信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入，使得研究手段和研究方法都獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。
1、財(cái)務(wù)仿真實(shí)驗(yàn)室的概述
傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是通過生物、化學(xué)以及物理等進(jìn)行研究對(duì)象的理論檢驗(yàn)、觀察、模擬、分析，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是具有可重復(fù)性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，缺點(diǎn)是對(duì)于復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)研究和分析無法勝任，為了讓實(shí)驗(yàn)具備政策試驗(yàn)、觀察分析、決策試驗(yàn)、計(jì)劃分析、運(yùn)籌試驗(yàn)、評(píng)價(jià)、預(yù)測、監(jiān)督以及控制等功能，需要建立計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的策略。經(jīng)濟(jì)實(shí)驗(yàn)的主要目的就是揭示經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)過程中的規(guī)律和現(xiàn)象，探索經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)運(yùn)行中的控制手段和可控性，所以經(jīng)濟(jì)實(shí)驗(yàn)需要和科學(xué)思想進(jìn)行結(jié)合，并通過實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)工具讓生產(chǎn)力的發(fā)展得到促進(jìn)。
2、財(cái)務(wù)仿真實(shí)驗(yàn)室的主要問題
2.1欠缺形式靈活性
會(huì)計(jì)核算操作一般都是由一套固定的使用業(yè)務(wù)來處理的，這種操作方式不僅直接導(dǎo)致原始憑證的審計(jì)以及識(shí)別遭到忽略，還使得賬務(wù)過于集中進(jìn)行處理，讓會(huì)計(jì)處理違背了真實(shí)工作過程和一般順序。在模擬財(cái)務(wù)決策過程中，一般都是通過若干案例的給定來讓學(xué)生進(jìn)行計(jì)算和理解。上述因素的發(fā)生都是因?yàn)榘咐齺碓?、業(yè)務(wù)來源的局限性，使得學(xué)生在面對(duì)工作時(shí)缺乏挑戰(zhàn)性，老師在面對(duì)實(shí)際教學(xué)時(shí)缺乏改變。
2.2缺少情境真實(shí)性
模擬財(cái)務(wù)決策實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是股利分配、投資、資本運(yùn)營以及融資等管理財(cái)務(wù)決策。我國目前還沒有有效的表現(xiàn)模擬財(cái)務(wù)決策實(shí)驗(yàn)的方法，因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)過于簡化、過于理想化，不僅不能在財(cái)務(wù)管理中反映出企業(yè)的動(dòng)態(tài)效果，還不能在資本市場中反映出企業(yè)的表現(xiàn)。
2.3缺乏科學(xué)性評(píng)價(jià)
財(cái)務(wù)仿真實(shí)驗(yàn)室管理是一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目繁多、體系龐大的學(xué)科，對(duì)于老師指導(dǎo)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)都比較困難。學(xué)生如果想要單獨(dú)進(jìn)行全部實(shí)驗(yàn)的完成，難度系數(shù)巨大的，必須和崗位評(píng)價(jià)相聯(lián)系，不僅需要通過角色來培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作，還需要通過設(shè)計(jì)方案、問題解決、問題靈活分析來培養(yǎng)學(xué)生的處理能力。此外實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的決策以及判斷存在較多的答案只有正確的對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行評(píng)價(jià)，才可以客觀的、科學(xué)的進(jìn)行財(cái)務(wù)仿真實(shí)驗(yàn)室管理。
2.4缺乏技術(shù)先進(jìn)性
隨著我國經(jīng)濟(jì)化的不斷發(fā)展，學(xué)習(xí)財(cái)務(wù)管理的人是越來越多，面對(duì)如此數(shù)量的學(xué)生老師的工作量大幅度上升，但是實(shí)驗(yàn)技術(shù)依舊是沒有改變，學(xué)生在財(cái)務(wù)管理實(shí)驗(yàn)中遇到的特定問題是很難及時(shí)讓老師一對(duì)一的進(jìn)行幫助，并且老師也不可能全面的、動(dòng)態(tài)的對(duì)實(shí)驗(yàn)全局進(jìn)行控制，使得實(shí)驗(yàn)效率低下，而在財(cái)務(wù)仿真實(shí)驗(yàn)室管理中老師雖然可以讓實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定比較靈活、教學(xué)成本降低，但是實(shí)驗(yàn)卻存在重復(fù)性。
3、財(cái)務(wù)仿真實(shí)驗(yàn)室管理的關(guān)鍵技術(shù)
3.1科學(xué)評(píng)價(jià)
財(cái)務(wù)仿真實(shí)驗(yàn)室管理主要融合了企業(yè)經(jīng)營模擬、經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略制定、經(jīng)濟(jì)決策模擬以及會(huì)計(jì)核算操作等方面，它的數(shù)據(jù)流量和存儲(chǔ)量都要求比較龐大，也就是說財(cái)務(wù)仿真實(shí)驗(yàn)室管理是一種團(tuán)隊(duì)協(xié)作的科學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制。傳統(tǒng)的財(cái)務(wù)管理中主要從財(cái)務(wù)總監(jiān)、會(huì)計(jì)主管、投資主管、運(yùn)營主管、融資主管以及分析主管六種崗位進(jìn)行了定義，這六種角色是所有團(tuán)隊(duì)的組合方式，都是由財(cái)務(wù)總監(jiān)進(jìn)行未來財(cái)務(wù)規(guī)劃和未來財(cái)務(wù)目標(biāo)，通過責(zé)任細(xì)節(jié)要求和總體目標(biāo)來分配工作給各個(gè)部門，并由各個(gè)部門制定出執(zhí)行方案，最后進(jìn)行分析、籌資、核算、運(yùn)營以及投資等工作。財(cái)務(wù)仿真實(shí)驗(yàn)室管理不僅需要通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力來對(duì)最終成績進(jìn)行考核，還需要通過個(gè)人業(yè)務(wù)能力來對(duì)最終成績進(jìn)行考核，做到各部門策略工作之間相互影響、相互配合，讓團(tuán)隊(duì)成績與企業(yè)財(cái)務(wù)績效相掛鉤，其中個(gè)人業(yè)務(wù)能力是任務(wù)完成質(zhì)量的反映，根據(jù)正確結(jié)果和業(yè)務(wù)方法可以對(duì)個(gè)人業(yè)務(wù)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。
3.2經(jīng)營模擬擴(kuò)展
財(cái)務(wù)仿真實(shí)驗(yàn)室管理主要是針對(duì)企業(yè)進(jìn)行研究的，需要研究企業(yè)在發(fā)展過程中以及經(jīng)營過程中的財(cái)務(wù)管理戰(zhàn)略制定，并利用外部資源和內(nèi)部資源來制定決策活動(dòng)、財(cái)務(wù)核算，讓企業(yè)實(shí)現(xiàn)最大化的經(jīng)濟(jì)效益。財(cái)務(wù)管理實(shí)驗(yàn)一般是由固定案例開始的，嚴(yán)格的對(duì)企業(yè)行為邊界和企業(yè)環(huán)境進(jìn)行了限定，人為的讓企業(yè)經(jīng)營活動(dòng)與財(cái)務(wù)管理活動(dòng)出現(xiàn)割裂，造成企業(yè)經(jīng)營活動(dòng)與財(cái)務(wù)管理活動(dòng)之間相互作用被忽略。在實(shí)際運(yùn)用中企業(yè)的投資項(xiàng)目融資容易受到財(cái)務(wù)管理決策型活動(dòng)的影響，從而是企業(yè)的發(fā)展方向和經(jīng)營方向遭到改變，而企業(yè)經(jīng)營過程中一旦出現(xiàn)決策不同，是可以反過來對(duì)企業(yè)核算工作結(jié)果、制定財(cái)務(wù)決策進(jìn)行影響的。要想讓財(cái)務(wù)仿真實(shí)驗(yàn)室管理符合一般會(huì)計(jì)業(yè)務(wù)處理順序、具有動(dòng)態(tài)變化，就必須讓會(huì)計(jì)處理的靈活性和真實(shí)性得到加強(qiáng)，讓業(yè)務(wù)處理的挑戰(zhàn)性和復(fù)雜性得到加強(qiáng)。
3.3任務(wù)驅(qū)動(dòng)
財(cái)務(wù)管理在教學(xué)過程中一般需要比較龐大的教學(xué)案例，并需要大篇幅來進(jìn)行企業(yè)實(shí)際環(huán)境背景的介紹，對(duì)于企業(yè)的資本運(yùn)營情況、融資情況以及財(cái)務(wù)投資項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)描述，而財(cái)務(wù)仿真實(shí)驗(yàn)室管理的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)非常容易迷失在大背景中，所以就需要使用生成微型案例庫技術(shù)，把大案例逐步進(jìn)行微小案例的分解，這種技術(shù)是通過財(cái)務(wù)管理知識(shí)進(jìn)行的，利用人工干涉分類過程和識(shí)別過程把大案例進(jìn)行知識(shí)列表歸納，從而形成事實(shí)基本單元。老師通過情景編輯工具的使用，并根據(jù)某種業(yè)務(wù)預(yù)定邏輯進(jìn)行事實(shí)基本單元的重構(gòu)以及連接，讓一個(gè)大案例完整的呈現(xiàn)出來。雖然這個(gè)過程使得案例原有語境遭到破壞，但是又因?yàn)榍榫吃O(shè)計(jì)是嚴(yán)格按照通用業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行的，所以會(huì)出現(xiàn)新語境的多種組合，不僅加強(qiáng)了財(cái)務(wù)仿真實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)擴(kuò)展能力，還讓真實(shí)性得到了保持。
4、結(jié)束語
財(cái)務(wù)仿真實(shí)驗(yàn)室通過信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入，成功的避免了實(shí)驗(yàn)的難以重復(fù)、費(fèi)用昂貴以及系統(tǒng)的破壞、故障，財(cái)務(wù)仿真實(shí)驗(yàn)室管理的三種關(guān)鍵技術(shù)分別是科學(xué)評(píng)價(jià)、經(jīng)營模擬擴(kuò)展以及任務(wù)驅(qū)動(dòng)，其中科學(xué)評(píng)價(jià)是指通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和個(gè)人業(yè)務(wù)能力來對(duì)最終成績進(jìn)行考核，做到各部門策略工作之間相互影響、相互配合，經(jīng)營模擬擴(kuò)展是指讓會(huì)計(jì)處理的靈活性和真實(shí)性得到加強(qiáng)，讓業(yè)務(wù)處理的挑戰(zhàn)性和復(fù)雜性得到加強(qiáng)，任務(wù)驅(qū)動(dòng)是指利用人工干涉分類過程和識(shí)別過程把大案例進(jìn)行知識(shí)列表歸納，從而形成事實(shí)基本單元，并讓真實(shí)性和數(shù)據(jù)擴(kuò)展能力得到了保持、加強(qiáng)。
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關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；真實(shí)實(shí)驗(yàn)；儀器
高中生物學(xué)科中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生在教材及教師的指導(dǎo)下自主完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課堂中的扎實(shí)展開，能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和操作能力，促進(jìn)學(xué)生在掌握生物原理和操作技能的基礎(chǔ)上，更加全面地認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)生物科學(xué)。在高中生物課堂中，學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)簡單快捷地了解和掌握所學(xué)的生物知識(shí)及原理，感受生物這門特殊的自然科學(xué)。
一、當(dāng)前高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題
然而，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，許多方面存在不足，如實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所需要的材料過少或者缺少其中某一樣實(shí)驗(yàn)器材都將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法正常開展。而有些則是因?yàn)樗M(jìn)行的實(shí)驗(yàn)本身存在一定的危險(xiǎn)性而無法真正開展，以至于實(shí)驗(yàn)教學(xué)在生物課堂中成為一種擺設(shè)，也就無法發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)本身的輔助作用。這不僅嚴(yán)重影響著教師的教學(xué)活動(dòng)，還減少了學(xué)生全面學(xué)習(xí)生物知識(shí)的方法和途徑。當(dāng)然不免有些教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中為了節(jié)省時(shí)間而演示生物實(shí)驗(yàn)，也就是通常所說的教師做、學(xué)生看。這樣一來，學(xué)生也就不會(huì)積極主動(dòng)地參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，這不僅不利于培養(yǎng)他們的動(dòng)手實(shí)踐和操作能力，還降低了他們運(yùn)用生物知識(shí)去分析和解決實(shí)際問題的意識(shí)與能力。由此可見，高中生物教學(xué)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展存在許多的問題，而作為高中生物教師，我們?cè)诮虒W(xué)過程中要善于科學(xué)合理地運(yùn)用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)于存在危險(xiǎn)性及實(shí)驗(yàn)器材缺乏的實(shí)驗(yàn)，我們可以利用計(jì)算機(jī)、多媒體技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以此突破生物實(shí)驗(yàn)的局限性，實(shí)現(xiàn)生物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的相互交融與
互補(bǔ)。
二、高中生物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的整合
（一）虛擬儀器及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)
高中生物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)即利用全新的、先進(jìn)的且富有生命力的虛擬儀器和多媒體計(jì)算機(jī)，對(duì)教材數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，在虛擬操作中為學(xué)生展示其中的實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與智能技術(shù)及音響技術(shù)等多方面的功能，給學(xué)生以直觀形象的感受，促進(jìn)他們更加簡單快捷地學(xué)習(xí)和掌握生物實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及操作。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要通過虛擬儀器進(jìn)行，虛擬儀器就是在多媒體計(jì)算機(jī)上配上相應(yīng)的專用軟件和硬件，并設(shè)定和設(shè)計(jì)好的測試功能，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)儀器所具備及缺乏的特殊實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
1.虛擬儀器的特點(diǎn)
相比于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器，虛擬儀器更加智能，處理能力更強(qiáng)，且使用起來更加方便靈活，它的開放性和功能軟件的模塊化有利于提高資源的重復(fù)利用率，并縮短系統(tǒng)組建時(shí)間。運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)生物實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分析、存儲(chǔ)、顯示及打印，能夠有效地完善數(shù)據(jù)的傳輸和交換等性能，使得組建系統(tǒng)更加簡單快捷。
2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)使抽象的生物知識(shí)更加形象和具體，運(yùn)用多媒體為學(xué)生提供聲音、圖像、文字等多方面的內(nèi)容，其信息量大且應(yīng)用范圍廣，能夠在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的基礎(chǔ)上，提高他們對(duì)生物知識(shí)的表達(dá)和運(yùn)用能力。在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)之前，教師可以利用多媒體計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃瓦^程進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，從不同的角度和層次為學(xué)生加以演示和講解，促進(jìn)他們形象化思維的形成。高中生物教學(xué)中進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤為重要，不僅有利于提高生物教與學(xué)的質(zhì)量和效果，還能夠保障實(shí)驗(yàn)設(shè)備及教師的安全，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高效開展。相對(duì)于傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)給學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程增加了許多樂趣，使他們更加熱愛生物實(shí)驗(yàn)，樂于學(xué)習(xí)生物知識(shí)。
例如，人教版高一生物必修2第三章《基因的本質(zhì)》中，DNA分子的結(jié)構(gòu)和復(fù)制過程微觀、抽象，學(xué)生即使制作出DNA物理模型，也難以在不斷犯錯(cuò)和糾正過程中，準(zhǔn)確模擬整個(gè)復(fù)制過程。借助虛擬仿真系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)對(duì)DNA分子的復(fù)制步驟進(jìn)行分析整合，使學(xué)生能夠展開思維的翅膀，自由模擬想象中的復(fù)制過程。在各種史料和事實(shí)的支撐下，構(gòu)建、完善DNA復(fù)制模型。在手腦并用操作實(shí)驗(yàn)的過程中直觀地感受和理解DNA復(fù)制的方式、特點(diǎn)，大大提高了生物教學(xué)的效率。
（二）真實(shí)實(shí)驗(yàn)
真實(shí)實(shí)驗(yàn)是教師在生物教學(xué)過程中運(yùn)用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，它給學(xué)生以真實(shí)的感受，消除他們對(duì)抽象知識(shí)點(diǎn)及虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)障礙，并在這樣的實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)生物產(chǎn)生新的認(rèn)識(shí)和看法，這對(duì)高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)起著重要的作用。
（三）高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系
高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的真實(shí)實(shí)驗(yàn)是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，即虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的模擬，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行У貜浹a(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)和局限性，二者相輔相成。因此，教師在教學(xué)過程中結(jié)合它們各自的優(yōu)勢，對(duì)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，可以取得良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。
1.能真勿虛
對(duì)于生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中那些過程簡單且易于操作的實(shí)驗(yàn)，且在現(xiàn)有條件下能夠運(yùn)用真實(shí)實(shí)驗(yàn)完成并達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果的，教師在教學(xué)時(shí)就要運(yùn)用簡單的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)儀器完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
2.虛實(shí)互補(bǔ)
在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有的主要是觀察試驗(yàn)中所產(chǎn)生的現(xiàn)象，而有的是以得出結(jié)論為主，也有以理解生物規(guī)律和實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)儀器使用為主的。這就要求教師在實(shí)際教學(xué)中根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的不同，準(zhǔn)確無誤地確定是要采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還是真實(shí)實(shí)驗(yàn)。
對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的條件限制，需要采用先進(jìn)技術(shù)或是稀缺儀器的實(shí)驗(yàn)，或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象不太明顯的實(shí)驗(yàn)，一般采用仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，在學(xué)習(xí)新知時(shí)，教師可以先安排相關(guān)的簡單、易于操作的真實(shí)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在對(duì)主要實(shí)驗(yàn)儀器有了一定的真實(shí)感受之后，再輔之以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，這樣能夠有效地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。
總而言之，在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用和發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的作用，并充分結(jié)合這兩者的優(yōu)勢，以此，在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力的基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)而高效的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)手段，鍛煉理性思維能力。只有這樣，才能更好地達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，并培養(yǎng)出具有扎實(shí)生物實(shí)驗(yàn)?zāi)芰酮?dú)立思維能力的創(chuàng)新型人才。
參考文獻(xiàn)：
針對(duì)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中模擬示波器損壞折舊嚴(yán)重的問題，本文提供了一個(gè)基于LabVIEW平臺(tái)的模擬示波器仿真實(shí)驗(yàn)。文中詳細(xì)介紹了實(shí)現(xiàn)仿真模擬示波器(虛擬示波器)各功能的程序結(jié)構(gòu)。通過此仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可了解傳統(tǒng)模擬示波器的操作，又可體會(huì)LabVIEW的強(qiáng)大功能和圖形化編程特點(diǎn)。本文為模擬示波器仿真實(shí)驗(yàn)提供多樣性。
關(guān)鍵詞:
LabVIEW；模擬示波器；仿真實(shí)驗(yàn)
0引言
模擬示波器實(shí)驗(yàn)是許多理工科大學(xué)生必作的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。然而，由于在實(shí)驗(yàn)中的頻繁使用和誤操作等原因，模擬示波器的損壞和折舊也相當(dāng)嚴(yán)重。常出現(xiàn)的損壞元件是電位器旋鈕，由于高頻率的使用磨損，在較短的時(shí)間就不得不更換。這給儀器的維護(hù)帶來很大的工作量。針對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)中儀器成本高易損壞等問題，大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生[1]。仿真實(shí)驗(yàn)具有成本低，不需購置儀器也不損壞儀器的優(yōu)點(diǎn)。學(xué)生通過仿真實(shí)驗(yàn)的練習(xí)，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)就可能避免誤操作或過度頻繁的嘗試操作，從而減少對(duì)儀器的損耗。仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)相輔相成，兩者的結(jié)合可使實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得更好的效果。此前已有一些基于LabVIEW的仿真模擬示波器的報(bào)告[2-6]。本文將側(cè)重于將虛擬示波器應(yīng)用于模擬示波器的仿真實(shí)驗(yàn)。仿照傳統(tǒng)模擬示波器的實(shí)驗(yàn)儀器，本仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有信號(hào)發(fā)生器和虛擬示波器兩部分。虛擬示波器設(shè)計(jì)有時(shí)間坐標(biāo)調(diào)節(jié)，電壓幅度調(diào)節(jié)，觸發(fā)調(diào)節(jié)，信號(hào)通道選擇，交/直流信號(hào)選擇等模擬示波器的常用功能。通過仿真練習(xí)，學(xué)生既可熟悉模擬示波器旋鈕的功能，又了解一些LabVIEW的編程特點(diǎn)。
1虛擬示波器實(shí)驗(yàn)介紹
虛擬示波器實(shí)驗(yàn)儀的前面板。實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生先在信號(hào)發(fā)生器上設(shè)定待測信號(hào)，包括波形、頻率、幅值等，然后操作虛擬示波器以正確測量待測信號(hào)的上述參數(shù)。
1.1信號(hào)發(fā)生器
信號(hào)發(fā)生器可設(shè)定兩路獨(dú)立的待測信號(hào)。每路信號(hào)可設(shè)定信號(hào)的波形、幅值、頻率、采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)。波形設(shè)定可選擇正弦、三角波、方波、鋸齒波和直流共五類信號(hào)類型。此待測信號(hào)不是真正連續(xù)的模擬信號(hào)，而是由計(jì)算機(jī)生成的由有限數(shù)據(jù)點(diǎn)組成的離散數(shù)字信號(hào)。采樣率設(shè)置1秒的數(shù)字信號(hào)由多少數(shù)據(jù)點(diǎn)組成，而采樣點(diǎn)數(shù)則設(shè)置信號(hào)發(fā)生器每次發(fā)出的信號(hào)包含多少數(shù)據(jù)點(diǎn)。信號(hào)發(fā)生器是用了Sub信號(hào)發(fā)生器模塊的五個(gè)參數(shù)設(shè)置功能來實(shí)現(xiàn)的。Sub信號(hào)發(fā)生器模塊還具有更多參數(shù)的設(shè)置選項(xiàng)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)還可以嘗試增加噪聲、占空比、相位等參數(shù)設(shè)置以進(jìn)一步豐富待測信號(hào)的多樣性。
1.2時(shí)間和幅值顯示調(diào)節(jié)旋鈕
時(shí)間和幅值顯示調(diào)節(jié)旋鈕位于右下端。模仿模擬示波器的相應(yīng)功能，這兩個(gè)旋鈕是用來調(diào)節(jié)示波器顯示窗口的時(shí)間和幅值坐標(biāo)軸的示值范圍。該功能的實(shí)現(xiàn)主要是利用了LabVIEW波形圖的屬性節(jié)點(diǎn)功能。首先旋鈕連接到一個(gè)條件結(jié)構(gòu)框圖，框圖內(nèi)部預(yù)設(shè)一些想要的示值范圍。然后旋鈕控制的示值范圍發(fā)送給示波器波形圖的屬性節(jié)點(diǎn)，達(dá)到波形圖示值范圍的調(diào)節(jié)。
1.3觸發(fā)功能的實(shí)現(xiàn)
觸發(fā)功能是模擬示波器必備的功能，也是學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)示波器工作原理時(shí)的一個(gè)難點(diǎn)。當(dāng)示波器時(shí)間軸示值范圍不是待測信號(hào)周期的整數(shù)倍時(shí)，如果此時(shí)仍然連續(xù)采樣，則示波器顯示波形的起始點(diǎn)會(huì)位于信號(hào)周期的不同節(jié)點(diǎn)上，導(dǎo)致信號(hào)不能被穩(wěn)定地顯示。“觸發(fā)”功能讓示波器顯示波形的起始點(diǎn)在每次刷新時(shí)都會(huì)位于信號(hào)周期的固定節(jié)點(diǎn)上，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的波形顯示。觸發(fā)有多種方式，本虛擬示波器采用了最基本的邊沿觸發(fā)方式，即根據(jù)信號(hào)的電壓值和信號(hào)點(diǎn)處于上升還是下降沿兩個(gè)參數(shù)來確定波形顯示的起始數(shù)據(jù)點(diǎn)。觸發(fā)功能的控制區(qū)域位于右上端，包括兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)調(diào)節(jié)部分，可對(duì)兩路待測信號(hào)進(jìn)行相互獨(dú)立的觸發(fā)設(shè)置。其中，“斜率”滑動(dòng)開關(guān)用來設(shè)置觸發(fā)數(shù)據(jù)點(diǎn)是處于上升沿(正)還是下降沿(負(fù))；“水平”旋鈕用來設(shè)置觸發(fā)點(diǎn)的電壓選取信號(hào)峰峰值的多大比值，本設(shè)計(jì)中取10%到90%，間隔為10%。觸發(fā)功能的編程是整個(gè)虛擬示波器編程的關(guān)鍵。(A)顯示了“判定范圍并強(qiáng)制轉(zhuǎn)換”模塊，對(duì)此模塊的靈活運(yùn)用既可實(shí)現(xiàn)尋找與設(shè)定觸發(fā)電平最接近的數(shù)據(jù)點(diǎn)，又可判斷該數(shù)據(jù)點(diǎn)是處于上升沿還是下降沿。而此模塊本身的功能卻相對(duì)簡單，我們給它輸入上限，下限和X值，它將判斷X是否處于上/下限之間。圖4(B)顯示觸發(fā)功能的程序結(jié)構(gòu)。首先輸入的波形信號(hào)經(jīng)過一個(gè)索引數(shù)組，每次取出該數(shù)組的第i和第i+1號(hào)元素，分別賦值給上/下限(下降沿判定范圍模塊)和下/上限(上升沿判定范圍模塊)。觸發(fā)電平的設(shè)定值賦給兩個(gè)判定范圍模塊的X值。用一個(gè)FOR循環(huán)檢索全部元素。如果設(shè)定值在數(shù)組的第i和第i+1號(hào)元素之間，元素i為下限，元素i+1為上限，則讓檢索號(hào)i為上升沿起始數(shù)據(jù)點(diǎn)檢索，即為i上；反之，元素i+1為下限，元素i為上限，則讓檢索號(hào)i為下降沿起始數(shù)據(jù)點(diǎn)檢索，即為i下。在示波器顯示波形時(shí)，根據(jù)上升或下降沿觸發(fā)，分別從第i上或i下個(gè)元素開始顯示即可。
1.4信號(hào)通道選擇
下方“通道”區(qū)域所示，虛擬示波器也設(shè)置了信號(hào)通道選擇。它可以單獨(dú)顯示A通道，或B通道，或A和B通道同時(shí)顯示。當(dāng)單獨(dú)顯示A通道或B通道時(shí)，滑動(dòng)開關(guān)右側(cè)的“幅值”和“頻率”示值顯示自動(dòng)測量的單通道信號(hào)的幅值和頻率。信號(hào)通道選擇滑動(dòng)開關(guān)連接到一個(gè)條件結(jié)構(gòu)，用來控制信號(hào)A，或信號(hào)B，或兩者同時(shí)接入波形圖顯示。同時(shí)，條件結(jié)構(gòu)中還包含了單頻測量模塊和幅值與電平測量模塊，可自動(dòng)測量單通道信號(hào)的幅值和頻率。
1.5虛擬示波器的其余功能
1.5.1信號(hào)的DC（直流）和AC（交流）切換。這個(gè)功能的設(shè)計(jì)思路是，當(dāng)測量直流信號(hào)時(shí)，觸發(fā)功能將被屏蔽；當(dāng)測量交流信號(hào)時(shí)，則啟用觸發(fā)功能的相應(yīng)程序。
1.5.2索引A，索引B，和長度A/B。因?yàn)橹芷谛盘?hào)的每個(gè)周期都有一個(gè)上升沿和一個(gè)下降沿觸發(fā)數(shù)據(jù)點(diǎn)，所以在搜索上升/下降沿觸發(fā)點(diǎn)的索引時(shí)，應(yīng)取輸入信號(hào)的第1個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)即可。索引A，索引B定義了A，B兩信號(hào)在一個(gè)周期包含多少數(shù)據(jù)點(diǎn)。為了避免程序的過度繁雜，這個(gè)功能需要學(xué)生根據(jù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)置的頻率和采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行手動(dòng)輸入。另外，雖然信號(hào)發(fā)生器上定義了采樣點(diǎn)數(shù)，但是在顯示波形時(shí)，不一定要顯示所有的采樣點(diǎn)數(shù)。“長度A/B”設(shè)定虛擬示波器上實(shí)際顯示的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，即A，B兩個(gè)信號(hào)顯示相同數(shù)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)。
1.6虛擬示波器的運(yùn)行界面
已顯示了一個(gè)虛擬示波器的運(yùn)行界面。設(shè)定的參數(shù)為：通道A為正弦信號(hào)，幅值1V，頻率10Hz，20%峰峰值下降沿觸發(fā)；通道B為三角波信號(hào)，幅值1V，頻率12Hz，20%峰峰值上升沿觸發(fā)。
2結(jié)論
相比于一些已發(fā)表的基于LabVIEW的虛擬示波器的設(shè)計(jì)，本文有兩個(gè)側(cè)重點(diǎn)：一是詳細(xì)介紹了實(shí)現(xiàn)虛擬示波器各功能的程序結(jié)構(gòu)和編程思路；二是著眼于虛擬示波器在大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。因而，本虛擬示波器一方面可幫助學(xué)生練習(xí)和了解模擬示波器的使用，另一方面也可培養(yǎng)學(xué)生對(duì)LabVIEW的了解和編程興趣，為他們今后編制其他虛擬儀器開拓思路。
作者：朱子鵬 單位：太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院
參考文獻(xiàn)
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