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高锰酸钾制取氧气是利用酒精灯、试管、铁架台、导管、集气瓶、水槽等仪器，通过加热高锰酸钾制取氧气，利用排水法来收集氧气。学生不仅要掌握实验原理、目的，实验仪器和药品的使用方法及注意事项，实验步骤、化学方程式的书写等内容，还要培养观察、分析能力和实践操作能力。
（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。
1.虚拟现实技术
虚拟现实VR(VirtualReality)是近几年来信息技术迅速发展的产物,毕业论文是一门在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术和传感技术的基础上发展起来的交叉学科。其基本方法和目标是集成并利用高性能的计算机软硬件及各类传感器创建一个使参与者处于身临其境的、具有完善的交互能力、能帮助和启发构思的信息环境,即让用户在人工合成的环境里获得角色的体验。
虚拟现实具有三个基本特征。沉浸性,是指观察者对虚拟世界的情感反映,这种感觉能使用户全方位地投入这个虚拟世界,这是虚拟现实的首要特征。交互性,是指虚拟现实是一个开放的环境,能对用户的输入作出响应,并能通过监控装置来影响用户和被用户影响。想象性,是指虚拟现实不仅是一个媒体、一个高级用户界面,还是一个应用系统,它以生动形象的形式反映设计者的思想。虚拟现实的三个基本特征强调了人在这个系统中的主导作用。虚拟现实系统按其功能不同,可以分为三种类型:沉浸式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。其中,桌面式虚拟现实系统是运用软件编程方法在显示器上显示三维场景,用户通过键盘、鼠标等设备与虚拟场景交互,它的特点是结构简单、成本较低,易于推广。
2.网络虚拟实验室
所谓网络虚拟实验室,是指利用区域网或互联网,由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统,包括相应的实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象及实验信息资源等。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现,也可以是虚拟构想的实验室,虚拟实验通过虚拟实验室进行。在虚拟实验中,实验者有逼真的感觉,有身临其境的感受,好像是真正在现实实验室里近距离进行现场操作。在虚拟实验中,没有一个有形的实验室,也没有以实物形态存在的实验工具与实验对象,实验过程主要是对虚拟物的操作。
3.计算机专业虚拟实验室的创建
构建专业虚拟实验室,其实就是搭建一个网络平台系统,包括硬件、软件及管理三个方面。在硬件上,
目前各校都建立了校园网络并接入了互联网,这些基础设施基本可以满足需求,不需要太多的投入。在软件方面,一个是实验室平台软件系统的开发,它与网站建设相联系;另一个是网站的内容(实验内容)建设,这是实验室建设的关键。虚拟实验室应有可以做的实验来支撑,不然软件平台就是一个空架子,形同虚设。同时,该平台上还应有实验管理的支持,对实验仪器、实验报告、实验指导、实验成绩及网上答疑等进行有效管理,并对虚拟实验室进行监控,计算机网络虚拟实验室系统各模块的主要功能如下。
(1)实验管理模块,由学生管理、教师管理、仪器管理和学生成绩管理等组成。硕士论文在学生管理方面,学生通过浏览器进行注册登录,登陆成功后可浏览实验项目,查看实验的详细资料,预约实验项目及做实验的时间,在线发送和接受消息,进行问题讨论,进行实验登记,实验完成后可通过网络写实验报告并提交报告。教师管理方面,可对实验内容添加、修改、整理、删除,对学生提交的实验报告列表,批改实验报告,填写评语和成绩,提交批改结果,与学生进行讨论。仪器管理方面,对新设计开发的虚拟仪器上传并进行分类整理,以便实验使用。成绩管理方面对学生的实验情况(实验次数、实验报告及完成情况)给出成绩,并进行统计分析及提供查询等。
(2)仪器展示模块,对虚拟实验室可用虚拟元器件、虚拟仪器设备分门别类地进行管理,以图形的方式直观呈现出来,供学生在实验时进行选择。
(3)实验指导模块,包括实验介绍、实验方法、实验项目的重点及难点、实验目的、实验原理、实验准备、实验任务、实验过程、实验报告的要求及实验应注意的事项等。
(4)实验报告模块,主要对学生完成实验后,提供相关的实验报告模板,供学生下载,由学生填写相关内容以及实验的结果,完成后上传电子版实验报告,由教师进行批阅,并进行记载。
(5)实验答疑模块,由专业教师对学生实验中出现的疑难问题进行及时解答,帮助学生顺利通过实验。同时了解学生对实验的掌握程度,并及时反馈、调整教学。
(6)论坛交流模块,教师和学生可以通过论坛进行充分的交流,学生可以将实验中的收获、经验和体会及问题到论坛上,教师可以将一些典型的问题提出来,供大家探讨。学生在这样宽松的环境下发表自己的见解,教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息,以便整改7)虚拟实验模块,是虚拟实验室建设的重要部分。学生通过该模块进行虚拟实验,医学论文以达到巩固强化知识的目的。该模块内容根据专业学习的具体情况及实验建设条件,可不断增加。计算机专业网络虚拟实验室系统的建设,可以引入其他学校的虚拟实验室中。这种方式比较简单,容易实现,见效较快。但需要投入较多的软件购置费用,同时也需要结合本校的实际情况进行一些调整,有一个磨合期。另一种是因地制宜,自主开发。根据本校的实际教学和实验情况,结合学生的实际水平,由任课教师或聘请部分专家组成开发小组,进行一系列的虚拟实验项目的开发研究,并将研究的成果连接到虚拟实验室中,逐渐扩充直至完善。这种方式比较灵活,能充分发挥教师的积极性,能有针对性地进行设计开发,适合学生的实际情况,学生容易接受,并且经费投入较少。缺点是开发周期较长,系统性不够,水平有限。也可以将上述两种方式结合起来,一是引入、购置部分自己不宜开发的实验项目,二是结合自身的优势和长处开发一些实验项目,如非交互性的、演示性的虚拟实验项目等。
二、加强网络虚拟实验室的管理
1.加强用户管理,为每个学生分配账号。对学生进入虚拟实验室,使用实验室做虚拟实验等进行登记保存。鼓励学生经常访问虚拟实验室,在上面提出问题、发表见解,做好实验,努力提高虚拟实验室的人气。
2.全天候开放虚拟实验室。学生可以随时进入虚拟实验实自己动手组织实验,自己设计实验方案,动手完成实验,整理和总结实验数据,职称论文提交实验报告,培养学生的分析能力和创新能力,逐步向以“学生为中心”的自主个性发展模式转变。
3.组织专业教师网上指导与答疑,参与论坛讨论交流,及时批改实验报告,为学生顺利完成实验提供服务。在虚拟实验室中,教师应对学生提出的疑问尽快给出帮助和解答,并进行必要的指导。在实验室论坛上发表观点,提出问题让学生思考,使师生在虚拟实验室中有较强的互动性,教师应充当好学生实验的合作者和知识的建构者的角色。
4.对学生在虚拟实验室的表现及实验效果进行
评价。针对学生每一门课程的虚拟实验完成情况、实验报告、网上提问、论坛发帖的情况,给学生一个成绩和评价,反馈给学生,英语论文并与该课程的正常实物实验一起记入实验总分。教师也要在对学生评价的同时,征求学生对虚拟实验室的意见,对学生反馈的信息进行整改。
计算机网络虚拟实验室的建立,可以很好地解决目前硬件设备跟不上实验的要求、学生实验时间不够用等问题,对于提高学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力具有非常重要的意义。但在具体应用中还要注意处理好“虚拟实验”和“实物实验”的关系,不能一味地强调虚拟实验,要“虚实”结合,既相互补充,又各有侧重,这样才能取得很好的实验教学效果。同时,在虚拟实验中要注意培养学生严谨的、一丝不苟的科学实验作风。
参考文献
[1]王嗣源.虚拟实验室建设的初步探讨.西安邮电学院学报,2005(4).
2分层次设置实验内容,采用多元化教学方法
按照“扎实基础、自主开放、鼓励创新”的原则,大幅度调整实验课程内容和授课程序,以能力培养为主线呈渐进式衔接,按基本技能实验(50%)、综合设计性实验(40%)、研究创新性实验(10%)三个层次设置实验项目,编写与之相适应的基础医学实验教学大纲和实验教材,逐渐形成从宏观至微观、从形态至机能、从简单至综合、从基础至临床,纵横相互联系的实验教学模式,以培养学生的科研素质和创新能力。同时,根据不同学科特点,采用多元化教学方法,最大程度提高学生的学习积极性和主动性[2]。基本技能实验结合理论课教学,开设传统的经典验证性实验、基本仪器使用、实验动物手术操作、实验数据和图形的记录、采集和处理,训练学生基本实验操作和技能。综合设计性实验引导学生以“一个问题”为中心,综合多学科知识点,从人体器官、组织细胞的形态结构、遗传特性、生理生化到疾病发生的分子机理、基本病理过程、药物作用等多个角度来设计实验,使学生以跨学科的思维方式建立整体的概念,增强学生对实验现象的观察与思考。设计性实验让学生选择自己感兴趣的题目,运用已学到的知识和技能,独立设计并开展带有研究性质的综合性实验,搜集必要的实验数据并加以分析,写出实验论文,以学术交流会的形式,讨论各自的实验结果,从而培养学生综合思维能力及创新意识[3]。研究创新性实验结合学校“大学生创新实验计划支持基金”,学生自行组织课外科研小组,在导师的指导下设计感兴趣的小型科研课题,申请创新实验基金或参加指导老师的在研课题。该实验从实验设计、科研实施、结果整理分析到论文撰写,全部由学生独立完成。2007年以来,我校7年制及5年制医科各专业学生共获得资助15余项,资助经费达10万元,公开发表科研论文28篇,获得各种奖励及发明专利20余项。以学生为主体、教师为主导的创新实验,采取自主式、学导式、研究式的教学方法,学生接受了较全面、严格、系统的科研训练,启发了他们在科研过程中提出问题、解决问题的逻辑思维方式,提高了独立工作和科研创新能力[4]。
3积极开展“第二课堂”教学活动,培养学生观察问题、解决问题能力
开展“第二课堂”活动是中心实验教学改革的另一大特色。富有内涵的第二课堂活动,既强化了学生实习、实践环节,也提供了互动的师生交流空间,创造了学生自己动手、动脑的机会。通过引导学生参加社会活动,激发了学生积极探索的精神,缩短了学生与社会的距离。医学昆虫学课程教学中,采取了专题讲授与社会实践相结合的教学方式,结合所讲授的专题,把学生组织成若干社会实践小组,利用周末开展小型调研活动。学生们在辅导教师的指导下,走出实验室,制订医学昆虫调查、防治技术方案,在锻炼学生动手能力和实际工作能力的同时,也培养了学生科研工作的能力及兴趣。临床药理学将实验课搬到工厂车间,让学生现场亲眼目睹制药过程。人体解剖学在课余时间将学生组织成若干课外实践小组,参与解剖技术室的尸体解剖与标本制作,使学生们在实践中进一步学习掌握解剖学知识[5]。第二课堂教学活动的开展,既强化了学生实习、实践环节,也创造了互动的师生交流空间和学生自己动手、动脑的机会,有利于加强学生主动获取知识和动手能力、创新能力的培养。2001级7年制临床医学专业赵菁同学,从大二开始,就参与了“河南省重点科技攻关基金资助项目”的有关课题研究。她提出的将物理和化学中有关载体模型的思想引入到生命科学领域的原理,在我省大中专院校尚属首例。其研究课题“小鼠IFN-γ真核表达载体的构建和转染鼠腹腔巨噬细胞抗肿瘤效应研究”已在基础研究中获得了肯定的治疗结果,可为临床治疗提供可靠的实验依据。在大学学习的几年里,赵菁同学将课余时间和节假日全都用在了科学实验和科技制作上[6]。当中心开展第二课堂活动来发展学生的兴趣和爱好时,赵菁就找来理工科的学生成立课外科研小组,常常领着小组成员研究生物、电子技术,搞科技制作,一项一项的创造发明问世,并连续在“挑战杯”竞赛中获奖。在第二届“挑战杯”河南省大学生课外学术科技作品竞赛中,《针剂破口器》、《新型解剖床》荣获二、三等奖;在第八届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛中,《针剂破口器》荣获三等奖;在第四届“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛中赵菁同学主创的《河南医美乐医疗器械有限责任公司》创业计划荣获铜奖;在第三届“挑战杯”河南省大学生课外学术科技作品竞赛中,赵菁同学的两件作品《解剖室空气净化装置》和《便携式电子防晕动装置》分别获得二等奖和优秀奖。在校期间,她连续四年在全省、全国“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛和创业计划竞赛中获奖,2003年被授予“中国大学生跨世纪人才奖———建昊奖”,2004年荣获“青春中华―首届中国青年文化周特别奖”,2005年8月被授予“第二届中国青少年科技创新奖”,2005年11月被授予“首届河南省十佳青少年读书成才奖”,2005年12月荣获“中国十大年度大学生创意人物入围奖”,2006年2月荣获“首届河南省十大教育新闻暨教育新闻人物奖”,2006年6月获得“郑州市学习标兵奖”,截至目前,她已拥有7项国家专利,被誉为“学生发明家”[7]。2004级临床医学专业卢沛琦同学积极参与老师的科研活动,将所学知识与科学实践结合在一起,利用第二课堂活动,在指导教师的带动下顺利完成一项科研内容,其撰写的科研论文《骨髓间充质干细胞体外诱导为心肌细胞的实验研究》,在2006年郑州大学组织的学生科技竞赛活动中,荣获“郑州大学学生科技创新与科技论文”一等奖。
4利用现代化教学手段,提高实验教学质量
中心将网络信息技术引入实验教学,建设了一批数字化、网络化的实验教学平台。包括人体解剖学虚拟实验室、数字网络多媒体解剖学实验室、数码显微互动形态学实验室、多通道生物信号采集系统和机能学仿真实验网络教学系统实验室等。各实验室根据不同需求装备相应的数字化网络设备,使实验室信息网络硬件建设处于国内高校实验室领先地位。虚拟、仿真实验软件与实验硬件配合,多媒体技术,网络教学———三种教学手段,进一步强化了实验教学效果。我们自行研发的一套局部解剖学虚拟教学软件,利用虚拟的人体三维技术实现了“虚拟人体解剖”,学生通过鼠标、键盘等工具输入相应的变量,进行逼真的人体解剖实验,收到了良好的教学效果,受到学生和省内外同行专家的一致好评[8]。借助校园局域网和中心网络实验平台连接,应用现代化网络信息技术,开辟了试验项目网上预约、网上预习、网上复习、在线实验等方式消除空间和时间上的障碍,培养学生利用计算机网络平台猎取本专业发展前沿信息和新技术的方法。在中心网站创建的局部解剖学虚拟实验室、机能学网络仿真实验室、形态学网络标本陈列馆。由于网络教学的个体性和交互性,极大地激发了学生的学习兴趣、主动性与创造性。
5完善实验考核方式,科学评价实验教学效果
生物化学是一门医药学的必修课程，是研究生命物质的化学组成、结构及生命活动过程中各种化学变化的基础生命科学。所以生物化学课程应尽量提前，但应在有机化学课程之后，或与有机化学课并进;是病原生物学、内科学、人体解剖与组织胚胎学等专业的必修课程，因此应先打下较牢固的生物化学基础，并尽量加重生化课的分量，同时避免后继课程相关内容的重复。生物化学以其理论性强、概念抽象、名词繁多，各种代谢过程复杂繁琐，堪称生物学科中最抽象、最难懂的学科之一。如何激发学生的兴趣，寓教于乐，使学生喜欢听课，乐于参与，积极讨论，学到知识，解决实际问题，这是我们在生物化学教学中始终关注的问题。在教师指导下，学生要学会主动培养自己发现、吸收新信息和提出新问题的能力，积极主动学习，在学习中发展个性和创造力。为此，我们在教学方法和手段等方面作了一些有益的尝试，收到良好的效果。
1案例引起兴趣，穿插前沿科研
长期以来，我国的基础教育受应试教育的影响，使得进入本科医学院校学习的学生大多数学习被动，学习自主性差，学习方法机械、呆板，对所学知识不求甚解，知识基础不扎实、牢固［1］。首先我们的第一堂课，就要充分发挥教师的引导力，增加学生的兴趣，提高同学们的主观能动性。一些和生活相关案例可以引起学生较大兴趣，可以通过课前提问或课后留问方式引起学生注意力。如血清中肌酸激酶同工酶的电泳图谱用于诊断冠心病、转氨酶用于肝病诊断、淀粉酶用于胰腺炎诊断等的原因是什么?乙酰胆碱酯酶抑制药可以治疗阿尔茨海默病的原因?讲到DNA的二级结构模型时，可由双螺旋模型的提出者Watson和Crick讲起，设问他们由此发现获得了什么重要科学奖项，并可以借机讲一下当时诺贝尔评奖时的小插曲:因论文太短致使评委间产生分歧，最终获奖说明了科学发现主要在于其价值而非论文长短。教学效果取决于任课教师的水平，也与任课教师的严格要求密切相关［2］。本课程结合最新进展，涵盖动态与前沿知识。介绍国内外最新研究成果及历年与生物化学发展相关的诺贝尔奖成果，适度地超越教材，查找教材以外的重大事件等必要教学资源并合理组织教学。比如我校老师研究的命运分子cNumb在原肠期胚胎中的表达情况及其基因和编码蛋白的基本生物学特征，就是利用原位杂交技术检测cNumb基因在原肠期鸡胚中的表达情况，同时应用生物学软件和在线平台对cNumb基因及其编码蛋白进行生物信息学分析［3］。以及碘－淀粉法、Bernfeld法和ESP－G7速率法3种方法检测酸刺激前后唾液淀粉酶(SAA)活性及其活性比值的差异［4］，结合实验课题让学生对酶的特性有更好的理解。组织学生对研究热点进行查找资料，了解基础点，分组讨论，解决教师预先给出的问题，或者让学生自己发现问题，通过讨论甚至争论，学会分析问题并最终解决问题。鼓励学生参加本科、研究生校内外的学术活动，扩大知识面，开阔视野。
2重复重点内容，引入PBL教学促进师生互动
生物化学分为三部分内容，第一部分主要讲述各种生物分子的结构、功能以及相互作用，包括蛋白质、核酸、糖复合物、酶、生物膜、真核生物基因组及线粒体基因组等;第二部分讲述分子生物学部分，如基因信息的传递、基因工程的四大要素及实施要点、基因相关技术;第三部分讲述细胞信号转导技术原理及应用等。对于生物化学内容繁多的特点，我们对于重难点内容要重复教学，在同学脑中达到耳熟能详，举一反三，而基础知识点到为止。为了达到这样的效果，需要改变传统课堂填鸭式教学的呆板模式，老师的角色要发生变化，从直接教给学生知识的“灌输式”到教给学生如何学习的“自我学习式”，让学生主动吸收知识、能独立思考、分析问题。PBL(problem-basedlearning)教学模式即通过“提出问题建立假设自学解疑论证假设”的逻辑过程来让学生主动获取知识，学生为主体、教师为导向的小组讨论式教学法，主要培养学生以解决问题为核心的发散性思维和主动学习意识，进而达到提高学生灵活运用知识的能力的目的［5］。通过互动式课堂教学充分利用学生的好奇心理，在对问题的好奇与求知欲中，增加学生对生物化学的兴趣，在此过程中，学生由被动旁观者变为主动参与者。如设计一些关注点引发学生参与互动，如烫发的生化基础是什么?磺胺类药物的治病机理是由于酶的抑制作用吗?课堂上运用PBL教学法，可以设置专题讲座，把学生分为几个小组，给出一个主题，每组成员分工合作，任务明确，每个人都是责任人。老师通过对每一环节的设定让每个学生都参与其中，减少了“南郭先生”和浑水摸鱼情况的发生。
3重点章节小结，设计思维导图
糖代谢设定为动态部分的重点;酶促反应动力学中Km值和Vmax的计算与应用、生物氧化(生物能学)、物质代谢的相互联系和调控机制等设定为难点。每章重难点都组织学生自己小结，老师评定和总结，帮助学生建立完整的知识框架系统。生物化学众多的动态反应记忆比较困难，如6－磷酸葡萄糖、ATP、乙酰CoA、NADH+H+、NAD-PH+H+等物质的来源和去路，全酶、酶的活性中心、酶原的激活、氧化磷酸化、底物水平磷酸化、三羧酸循环、脂肪酸的β-氧化、半保留复制、不对称转录。老师课堂上可以通过引导学生设计思维导图，先把总的章节框架勾画出来，再补充具体内容，引领学生的思维，整理归纳，联系整体，通过Flas或板书直观表示。老师应当尽量在每次课、每一章，乃至整学期内容都绘制出相应的思维导图，以突出教学的重点、难点，理清知识脉络，帮助学生有效地回顾和复习。可以课前预习让学生设计学习内容的思维导图，小结也可以用课堂考试形式，让学生自己绘出内容图，或者布置课后作业让学生自己选择动态反应，如三羧酸循环制作Flas，并进行课堂展示，考查学生归纳记忆、理解掌握知识的能力。每章都进行小结，但每一部分的小结书写的思路、侧重点各不同，单元小结和课程小结在知识点的把握及知识体系的梳理及运用也有所不同，能较全面、客观、公正反映学生的学习态度及综合素质和创新能力。部分学生平时不认真学习，习惯于期末突击应付考试，而小结模式可以较好预防这种现象的发生。
4虚拟实验课堂的设计与实践
所谓“自主设计式教学”，就是以自主设计为主的教学。具体说它是指教学过程是在教师的启发诱导下，以学生独立自主学习和合作讨论为前提，以现行教材为基本探究内容，以学生周围世界和生活实际为参照对象，为学生提供自由探究、讨论、研究问题的一种教学形式。生物化学探究式虚拟实验课堂教学的思路是以生物化学经典实验为主线进行发散性拓展，根据课程理论内容，给出学生一些和实际生活相关的小课题，由学生自主学习、小组研讨及班级交流等方式，培养学生的自主学习能力、创新能力、文献阅读能力、交流能力和团队合作精神。在教师层面，教师根据实验内容，引导设计虚拟实验题目，指导学生研读文献、制作实验流程并进行全班交流。在学生层面，学生根据兴趣选择实验专题，自由组合成学习小组，在充分研读文献的基础上，进行小组讨论，制作PPT。允许学生自己组织课题小组、自主设计小课题，教师只作方向指导，给予一定经费支持。学生设计实验流程，并给出具体实施过程，并在全班进行演讲、答疑和讨论［6］。自主设计实验课堂，能够提高学生学习能力、实践能力、创新能力及一定的科学研究能力，有利于创新型人才的培养，可以改变传统的实验教学在学生能力培养方面只强调共性的发展而忽视个性发展的情况。通过设计虚拟实验课堂，学生对实验设计及原理有了更深刻的理解，养成独立思考的习惯，首先对自己设计的实验课堂进行展示，进而走进实验室，从试剂配置到实验操作，从设计实验到进行具体实践的过程，从理论到实践，从各方面使自身得到锻炼。老师在其中进行一些必要的指导，允许学生出现一定的错误，让他们在实践中成长更快。我们将生物化学实验探究式教学按照预设计、设计阶段、具体化、实验阶段、竞赛阶段等五个阶段进行实施。①预设计:在任课老师理论课后，可以给出相应的与课堂内容有关的思路或者题目，让学生课后思考。②设计:通过网络图书馆等辅助查找资料，然后让学生设计实验，给出具体思路和实施过程。③具体化:通过设计虚拟实验课堂，让学生对实验设计及原理有更深刻的理解，使其养成独立思考的习惯、并对自己设计的实验课堂进行展示。④实验阶段:虚拟课堂结束后，部分学生的课题经过导师指导可以继续深入，让学生进入实验室进行实施，体会到自主学习的乐趣。⑤竞赛阶段:以此为依托组织一个专业的班级间进行比赛，乃至扩展到全校及其他学校进行，提高积极性，并给予奖励。这期间教师需要引导、鼓励同学申报省级乃至全国的创新项目实验，不但参加课题研究，还要挖掘学生潜能，让他们把实验结果整理成论文。我校生物化学系已获得部分成果。目前已有多人次获得挑战杯立项，以及国家及省级大学生创新创业项目，并顺利完成本科毕业论文，还有部分学生的实验正在进行中。在广东省大学生挑战杯比赛中，其中由多名学生共同完成的“近海红树林环境抗肿瘤细菌的筛选和鉴定”获得广东省大学生挑战杯二等奖。由系老师指导同学的“一种快速、低成本的叶酸代谢障碍遗传检测方法的建立”以及“药物代谢酶CYP2C19两个主要突变等位基因联合分型方法的建立”等课题获得国家级、省级大学生创新创业训练计划项目。由学生撰写的论文“一株抗肿瘤活性的红树林细菌的筛选及鉴定”在《河南科技大学自然科学学报》发表。这些实践活动培养了学生的创新意识及团队精神，促进其综合实验设计、分析能力的提高，使大学生动手能力和实践技能得以提升。
5多元化考核
“一考定终身”的评价模式忽视平时学习的考核和能力的培养，既不能准确反映教学质量和效果，也无法测试学生真实的学习能力，更抹杀了学生主动的学习精神和创造能力［7］。适当的考核机制不仅可以科学地检验教学效果，同时也能强化学生的学习动机。课程考核不应只注重期末考试，而是应贯穿学习全过程。考核内容应充分体现所学知识和技能及运用这些知识和技能的能力，更重要的是考核分析问题、解决问题的能力和实事求是的科学态度。因此我们将生物化学课程的考核分为平时成绩、章节小结、实验考查和期末考试四部分，从上课出勤态度、课程预习情况、课程小结成绩、课堂发言、任务完成表现、实验动手、创新能力多方面进行考查，最后给出每个学生的综合评价成绩。
参考文献:
［1］潘虹，吕红，吴立连．一般本科医学院校PBL教学模式的思考
［J］．中国高等医学教育，2009，(5):105－106．
［2］李月英，胡海涛，王唯析，等．加强综合管理提高留学生教学质量［J］．西北医学教育，2005，13(6):681．
［3］顾取良，陈佳园，王广，等．命运分子cNumb在原肠期胚胎的表达及其生物信息学分析［J］．广东药学院学报，2015，31(3):383－387．
［4］杨泽民，林静，杨小蓉，等．3种方法对酸刺激前后唾液淀粉酶活性及其活性比值检测的影响［J］．国际检验医学杂志，2015，36(11):1488－1490．
［5］黄亚玲，郑孝清，金润铭，等．PBL教学模式探索［J］．医学与社会，2005，18(6):56－57．
【中图分类号】G420 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)08―0139―04
一 引言
高等教育的质量与国家现代化建设密切相关,其中良好的教学实验设计对于人才的培养有着直接的影响。《自动控制理论》课程作为电气、自动化专业的一门重要的专业基础课,是联系前期基础课和后续专业课的桥梁。如何借助于实验课的辅助教学,生动、形象地帮助学生理解基本概念、建立理论与实际相结合的观点、培养大学生的初步工程实践能力,符合高校培养具有创新实践能力的高素质人才的需要。
LabVIEW是由美国国家仪器(NI)公司推出的一种使用基于图形化编程方式的虚拟仪器软件开发环境。具有直观易学、编程效率高,与Internet方便链接等特点。通过改变、增减系统的功能、可方便地扩充系统的复杂性,能为各层次学生提供广阔的实验与实践空间。为此,建立基于LabVIEW的自动控制理论实验平台,开展设计性、综合性较强的系统实验设计,不仅有利于通过直观形象的实验图形与结果激发学生的学习兴趣,而且对于全面提升学生动手构建物理系统和软硬件调试的综合能力具有重要意义[1-2]。
二 实验系统设计
近年来基于计算机技术的实验系统,作为一种工程、教学辅助工具,在简化问题、节约成本、缩短调试周期等方面特点突出,有利于发展学生借助计算机解决问题的能力。传统实物模拟实验,由于外部条件变化对实验结果及信息的影响不同[3],则对于学生发现问题、通过理论联系实际综合解决问题能力的培养具有不可替代的作用。目前,远程实验的开展也逐步获得关注重视。基于以上分析,所设计的LabVIEW自动控制理论综合实验平台,其系统结构如图1所示,可以融合以上三种实验模式的优点,力图通过交替互补,以不同的实验要求,通过设立资源学习、任务驱动与探索学习这三类学习模式,全方位提升学生的实验理论与技能。
1 仿真实验
LabVIEW在数据采集、工业控制等应用领域提供了一个功能强大、方便灵活的虚拟仪器的集成开发环境。降低了环境干扰和系统误差对测量结果的影响,改善了以往费时、费力的实验过程,便于学生集中精力对结果进行分析。
以非线性系统的描述函数法为例,图2为非线性系统框图,其中线性部分的频率特性函数为 ,非线性部分的算子以 表示。如何求取非线性系统的描述函数并进行分析,由于其独特的复杂性与抽象性,一直是自动控制理论教学的难点,理论计算繁琐,实验研究费时。
为此,采用基于图形化的计算机仿真的方法通过对非线性、线性环节的类型、参数进行选择,而后设定分析的频率范围、初值、步长、循环次数等,可有效避免繁复的频率调整、计数、描点等工作,迅速获取系统的幅相特性曲线。友好的仿真实验界面如图3所示。
设定线性区宽度 ,饱和特性信号限幅 后,输入到实验室开发的如图3所示的仿真实验系统界面,运行后,即可获取如图4所示的对应的幅相特性曲线图。
这样,利用仿真实验,学生可以灵活设定仿真条件,方便、省时地实现对各种非线性环节描述函数的求取与直观分析,达到了对抽象的非线性理论概念进行直观理解的目的。这部分内容,设定了2学时由教师讲解LabVIEW的基础知识,安排4学时课后时间用于相关资源学习。
2 模拟型实物实验
NI公司提供的ELVIS实验平台将DAQ硬件和LabVIEW软件组合成的一个定制灵活的教学实验平台。通过DAQ捕获实际系统中真实的物理信号,并输入到计算机中,而后利用LabVIEW编制相应的应用软件实现数据的监测、记录、显示及分析,可以简化实验数据获取及后续数据处理等过程。
目前本实验平台针对实物模拟实验设立了演示实验[4]和学生设计实验两部分。演示实验包括RC电路暂态电压变化实验、数据采集及滤波处理实验以及直流电机转速测控实验。通过演示实验的展示与讲解,以帮助学生逐步掌握NI ELVIS实验平台的使用与开发流程、技巧,为后续进行独立实验设计与研究奠定基础。而后,结合基于LabVIEW编程后提供的内置函数发生器和示波器等检测分析仪表,配合ELVIS提供的实验面包板,要求学生独立在实验板上通过模拟运放电路的搭建,完成二阶系统时域响应、典型环节频率特性、系统串联校正等实物模拟实验,并与理论分析值进行比较、分析。此处设定为任务驱动型学习方式,课内保留4学时用于提问、测试、成绩评定。
如图5所示,为求取典型积分环节频率特性而构建的模拟实验电路。
图5中运算放大器采用op07,输入正弦信号 ,其幅值 及频率 可调。当调节正弦信号幅值 过大时,系统可能进入运算放大器的饱和非线性特性工作区域,系统输出 信号则会输出周期畸变信号; 当调节正弦信号幅值 过小, 静电感应电压对系统输出 信号的叠加影响不可忽略, 会影响输出 信号测试的准确度(此处,可引导学生对信号处理方法进行思索、研究)。仅当调节正弦信号幅值 处于适当范围内,输出 才可清晰获取同频率的正弦信号。针对这一现象,与1节中虚拟仿真实验积分环节频率特性的求取方法进行对比,提出问题1:仿真实验与模拟型实物实验的区别与联系?问题2:确定一个环节是线性还是非线性的原则是什么?问题3:理论与实践的相互作用关系在科学研究中是怎样的?以此建立新旧知识的联系,激发学生的自主发现与探究意识,引发其解决问题的兴趣,鼓励其进行协作交流,进而形成自己对问题的独立见解,综合实践能力得到提高。
最后,考虑部分能力较强学生的实验需求及后续课程设计的需要,选购了8套球杆(ball balancer)系统作为被控对象。采用LabVIEW编制软件算法, 通过驱动程序控制伺服电机进行转速与位置调节,实现对此非线性、不稳定系统的稳定运行控制。这部分实验的设立为探索学习模式阶段,通过介绍难点的方式,引导学生深入思索、学习、探索前沿的控制方法。
3 远程虚拟实验
基于网络的远程实验室可以最大限度地实现实验资源的共享[5],因此本综合实验系统的设计也包含了这部分内容。远程虚拟仪器能从与Internet/Intranet相连的远端获得动态数据或将控制信号传送到远端,使在本地PC机上监控远端成为可能。远程虚拟实验不仅提高了实验设备的利用率,而且方便学生灵活安排实验时间,强化了学生的主体作用,同时有利于教师进行实验过程的管理,实现了利用网络进行资源交互学习等目的。
利用LabVIEW软件设计构建的网络虚拟实验室具有易于开发,投资少,扩充方便等特点。在LabVIEW 开发环境中,有多种方式可以方便实现远程数据的采集和仪器控制,主要有:基于NI公司的远程设备访问(remote device access, RDA)技术,可通过分别配置RDA Server和RDA Client实现网络内部的共享采集设备数据;功能强大、但开发将对较复杂的适用于较大规模网络实验室的DataSocket数据共享技术;简便、易学的基于WEB Publish的远程前面板(Remote Front Panels)技术。
考虑实验规模不大及时间限制等因素,本实验室选用了基于WEB Publish的远程前面板(Remote Front Panels)技术,构建B/S模式远程实验系统。远程前面板技术是把一个VI的前面板直接嵌入到Web网页中,并具有自动更新功能。此外,通过授权,不仅可以使得客户端能观测到一个动态刷新的实时画面,而且还可以对前面板进行远程控制。
考虑到一台实验设备在某一确定时间段内只可以由一个用户进行实验控制,因此,需要设定教师管理员进行实验预约管理。学生通过客户端注册登录后,在预定时间内享有对实验室内指定编号实验平台的控制权限。后续计划针对大四学生和研究生采用大作业形式,征集优秀的实验预约管理方案,取消人员管理,实现科学、高效的自动远程实验预约、监控、实验记录等管理功能。
三 结束语
基于LabVIEW技术开发的自动控制理论综合实验平台,通过设定仿真实验、真实模拟实验和远程实验互相结合与补充,不仅提供了丰富的计算机与网络学习资源,而且注重实验设计的智能化与真实性的协调统一,实现了实验设计的简易性、综合性和灵活性。通过关注实验过程,改变了传统教师讲授的单一模式,不仅便于学生形象理解和掌握与课程相关的知识点,促进学生的编程能力与动手能力的提升,而且使其自信心获得提升。这些都将助力学生从理论学习向实践研究进行跨越式转变,为探索培养具有创造力与创新性的当代大学生教育进行经验积累。
参考文献
[1] 张桐,陈国顺,王正林.精通LabVIEW程序设计[M].北京:电子工业出版社,2008:2-5.
[2] 袁浩,朱畅,陈志敏.基于LabVIEW的自动控制仿真系统设计[J].实验室研究与探索,2006,25(4):457-459.
[3] 沈亦红.论物理虚拟实验与真实实验的互补作用[J].中国电化教育,2004,210(7):42-44.
[中图分类号]G420 [文献标识码]A [论文编号]1009－8097(2011)08－0092－04
虚拟实验作为一种特殊的实验形式，随着计算机网络技术的发展受到各领域的广泛关注。相对于一般的真实实验，尽管虚拟实验拥有许多显而易见的优势，但却不能给学习者带来真实触觉等完全的真实世界中的认知体验，而当前的虚拟实验大多只注重实验本身的可用性，往往忽略了学习者的心理过程。虚拟实验学习者的元认知体验对实验效果产生重要影响，从情感体验层次上进行设计，可以改善和优化学习者在不同水平上的实验学习体验，提高学习者的元认知能力。笔者认为，设计优秀的虚拟实验所引起的学习者元认知体验与现实世界所体验到的认知与情感存在相似性，以情感体验设计来促进虚拟实验学习者的元认知体验的形成，从而寻求有助于虚拟实验学习效果与学习者元认知能力的设计模式。
一 元认知体验概述
B・约瑟夫・派恩和詹姆斯・H・吉尔摩在《体验经济》中指出：“体验是一种创造难忘经历的活动，其特征是：在这里，消费是一个过程，当过程结束后，体验的记忆将恒久存在。”对于虚拟实验的学习者而言，体验是其在整个实验的认知过程中获得的“恒久存在”的情感、知识和技能的过程。对于虚拟实验的设计，满足实验本身的物理设计和可用性设计远远不是虚拟实验想要实现的最终目标，基于体验的设计成为虚拟实验设计的落脚点，虚拟实验的“消费者”即学习者，在虚拟实验认知过程中全部的情感体验是决定其“认知程度”和“自我实现”程度的重要因素，而且使个人与理想自我、他人或是文化产生关联。
元认知体验是伴随学习者的认知活动而产生的有意识的认知体验或情感体验。相关学者指出，元认知体验激活了相关的元认知知识，使那些存储在长时记忆中的元认知知识能够与当前的调解活动产生联系，把处于静态的元认知知识与动态的元认知调节连接起来。虚拟实验的学习只有通过元认知体验才能不断获得当前正在进行的实验活动的有关信息，利用相关的元认知知识，对虚拟实验活动进行有效调节。
二 虚拟实验学习者元认知体验形成过程中的体验层次
学习者在虚拟实验学习过程中的元认知体验，是伴随其认知活动而产生的认知情感体验，这种体验是学习者有意识的情感与反思(学习者怎样理解、学习者怎样感觉和评价等)活动。
贝恩特・施密特通过“人脑模块分析”和心理社会学说提出了用户的五大体验体系，即感官体验、情感体验、思考体验、行为体验和关联体验。感官体验是视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉的体验；情感体验是使用者内心的感觉和情感创造；思考体验是使用者创造认知和解决问题的体验；行为体验是影响身体体验、生活方式并与使用者产生互动的体验；关联体验则包含感官、情感、思考，以及与行动体验。
针对用户的产品可以是有形的，也可以是无形的，用户、对于产品的体验，无论产品是有形的还是无形的，这种体验都是相同的和可类比的。贝恩特・施密特根据有形的产品提出了用户的体验体系，而针对无形的产品――虚拟实验，这一“体验”是学习者在特定的情境(虚拟实验环境)中从事的认知活动的全部体验，即在这一过程中学习者全部的认知与元认知体验。此外，对于虚拟实验这一特定的实验学习环境，学习环境认知理论可作为分析虚拟实验环境与学习者元认知体验形成过程的依据。学习环境认知理论认为，“学习者对与其相关的学习环境信息的感知、印象及其评价，包含了学习环境知觉、学习环境印象和学习环境判断三个过程”，学习者的学习包含了对学习环境的认知过程和学习心理与行为，其中，学习者的元认知体验是认知上升为元认知过程中的全部体验，并最终形成学习者对学习的反馈或影响。
根据用户五大体验体系与学习者元认知体验以及环境认知理论可知，在一般的实验操作中，学习者主要是被动的认知与接收，其主要的途径在于感觉上的感官接受经过人的思维过程而形成的一种认知，而虚拟实验操作所要达到的最终目标应该是使学习者由被动的学习转向主动的学习，即达到元认知状态。在这一过程中，学习者全部的体验即是由认知体验上升到元认知体验的过程，使得学习者在学习中更清楚自己的实验定位和实验操作行为，达到真正的主动地学习与探索，进而提升实验学习效果。虚拟实验学习者元认知体验形成的过程可表述为：认知体验一行为体验一元认知体验。其中，认知体验包含了感觉体验到认知体验的过程，行为体验是学习者主动的实践行为的体验，最高层次的元认知体验即意识性情感体验，是学习者的价值与情感判断以及印象与自我实现的体验。由此，构建了虚拟实验学习者元认知体验形成过程中的体验层次。
1 认知体验层(感觉体验一认知体验)
在虚拟实验学习中，学习者首先从实验环境中获得感官上的感觉体验(听觉、视觉、触觉等)，这种感觉体验经过大脑中枢的处理和判断形成了学习者对虚拟实验的一个完整的形象认识。感觉体验的积累与整合形成了学习者虚拟实验的认知体验。认知体验层包含了对知识信息等的记忆、想象、辨别和综合的过程，并由此形成学习者的实验认知记忆。学习者认知体验的形成是虚拟实验的认知活动与学习者的认知需求发生联系而产生的认知层面的体验。认知的发生到内心体验的形成是学习者感觉体验不断积累联结的结果。环境心理学表明，良好的感官刺激能够增强学习者的参与性，形成整体性认知，引发学习者更加积极的认知体验。
2 行为体验层(主动的实践)
由认知体验的驱动，学习者做出相应的实验行为。学习者主动实践的行为体验，是学习者的行为模式的自我体验与实验系统互动所产生的体验，是学习者体验着的带有目的性的行动过程的集合。在实验中，学习者根据既往的经验及认知水平进行主动的、有意识的行为活动，从而获得自我认知程度、创造认知并进行问题解决的体验。在此过程中，学习者通过行为的体验不断获得与完善操作技能与心智技能的同时，反过来也能够促进学习者的认知体验，使学习者对虚拟实验的操作与目的产生更深层次的认知。
3 元认知体验层(意识性情感体验)
学习者元认知体验的形成，不仅能够促进学习者认知能力的提高，也能深化学习者的认知体验。以主动的行为体验的产生为基础，学习者产生了更深刻的情感体验，这种情感体验是学习者主观的价值判断，而不再是被动的感性认知，这是学习者通过虚拟实验主动地行为实践的结果，是学习者内心可意识到的自我感觉和主动的情感创造。也就是说，元
认知体验层面上的情感体验超越了感知觉层面的被动接受的情感范畴，是学习者对实验认知与进程的价值与情感判断，并引发了学习者对实验行为的控制与调整。另外，印象与自我实现体验是学习者通过与实验的交互对虚拟实验形成的记忆以及对自我价值提升的自我肯定的体验，是学习者元认知情感体验的进一步内化与升华，以及自我满足、自我释放的最高体验，这一体验不仅仅停留在此次实验过程中，而是对学习者学习能力产生更加深远的促进作用，有利于提升学习者对实验学习任务的积极的自我效能感和学习反思。
三 基于元认知的虚拟实验情感体验设计模型构建
基于元认知的虚拟实验情感体验设计超越了以往仅关注于可用性的范畴，不仅要包含丰富的虚拟实验和教学功能，也要将实验中学习者元认知体验的形成过程与虚拟实验设计相结合，使虚拟实验系统与学习者在情感体验上达成共鸣。
Norman[7]在《Emotional Design》一书中指出，人类体验的情感由三种水平引起：本能水平(visceral level)、行为水平(behavioral level)、反思水平(reflective level)。本能水平的设计涉及最初的效果，包含产品的外观；行为水平的设计集中于产品的效用，注重功能、性能和可用性；反思水平的设计注重信息、认知效果的意义以及设计带来的美好的回忆。
这三个水平的设计反映了人(用户、学习者)使用产品时体验过程的本质规律，以学习者元认知为基础的虚拟实验设计同样遵循Norman关于设计的三个情感层次的规律。学习者元认知情感体验的三个层次，即认知体验层、行为体验层、元认知体验层与虚拟实验系统相互作用，指导虚拟实验的设计，最终促进实验学习效率。由此，根据虚拟实验学习者元认知体验形成过程中的体验分析，以及虚拟实验的情感体验设计思想，结合虚拟实验学习的特点，构建出基于元认知的虚拟实验情感体验设计模型。如图l所示，该模型由实验分析、实验学习、自我监控与自我评价三个部分组成，并融合了元认知的情感体验的三个层次。
1 实验分析
实验分析包括学习者分析、情境分析和任务分析。在基于元认知的虚拟实验情感体验的模型构建中，学习者情感等方面的因素是实验设计的核心，分析学习者实验中的情感体验从而挖掘学习者的实验需求，并结合学习者的实验背景与认知特性、学习者特征等方面的分析，指导虚拟实验的设计。此外，学习情境对于虚拟环境下的实验操作至关重要，在类比具体实验情境的基础上，要充分发挥虚拟实验的优势，实现方便、快捷、有效的情感化知识链接与知识迁移，以实现学习者意图与虚拟实验情境的友好匹配为原则，建立虚拟实验学习的情感体验情境，弥补一般实验未能考虑学习者情感、忽略学习者元认知体验的不足。
在实验分析中，将对学习者和实验情境的分析转化为具体的任务，明确实验目标、具体的实验操作过程和学习者的实验行为方式，使实验操作与学习者有目的的实验行为有机地融合起来，从认知体验、行为体验和元认知体验出发，综合学习者的心理需求及其与虚拟实验的交互关系。
2 实验学习
实验学习包括实验学习方式、实验内容、交互界面和虚拟环境等。在实验学习中，虚拟实验系统与学习者的情感体验各层次间相互沟通。在认知体验层上，虚拟实验的物理外观占支配地位，主要与实验系统中学习者的视觉体验、听觉体验、触觉体验等物理特征相联系。其中，主要以交互界面的视觉设计为主，实验带给学习者的视觉体验主要是颜色与布局。运用印象性、象征性的实验色彩设计能够引起学习者的愉悦感；实验布局上的设计要求做到适当大小的实验器材和设施、以及统一的实验界面风格等。感官上的体验直接引起了学习者的认知体验，唤起学习者关于实验难度、渴望进入实验状态的本能情感体验。如果实验界面设计给学习者的第一感觉不满意，就会引起消极体验，影响后续的实验操作。
在学习者行为体验层面上，虚拟实验的学习主要通过以下几方面影响学习者的行为体验：虚拟实验支持学习者的哪些实验活动，即这个虚拟实验的功能性是否符合学习者对实验操作的需求；学习者在虚拟实验环境下进行的实验操作是否流畅、易懂，即这个虚拟实验的设计概念是否与学习者的认知概念相匹配；实验操作内容能够在多大程度上使学习者的认知水平有所提高，即这个虚拟实验能够多好地实现其功能性。因此，在此层次上，主要是以学习者为中心，探究实验与学习者行为心理相一致的虚拟实验模式。虚拟实验要满足易用性和功能性的需求，最重要的是明确学习者的学习方式和对实验操作的需求。心理学研究的结论告诉我们，易用性高的设计会让使用者觉得舒服，进而提高使用效率。也就是说，虚拟实验的设计要在可用性的基础上，实现其“功能美”，使学习者自然地与实验系统进行交互操作，从而获得主动的行为体验。
实验学习的最高层次是元认知体验层，在此层中，学习者与实验的交互体验是一种有意识的情感体验，主要表现为学习者的价值与情感判断以及印象与自我实现体验。元认知体验层目标指向使学习者感到满足和愉快，获得自我认同感。Noman将其情感层次设计的反思水平表述为能够“引起回忆的设计”，虚拟实验设计主要是其与学习者间的联系与交互，学习者沉浸于其中并最终“产生美好的回忆”。该层的设计注重实验设计的传达性，基于元认知的虚拟实验情感体验的设计不仅使学习者有效地完成实验操作部分，而且加入反思的设计，注重对实验完成情况的主动反思，即主动的、有意识的价值和情感判断。印象与自我实现体验，是学习者对实验回忆的印象和自我评价、自我肯定与自我反思。元认知体验层的设计不仅使学习者停留在实验操作平台上，而是形成了记忆印象，使学习者达到主动的元认知体验状态，反思实验学习，指导虚拟实验设计。
3 自我监控与自我评价
自我监控与自我评价是获得实验反馈、促进激发元认知能力的关键，主要包括实时监控、修正调整和评价反思。实时监控是形成反馈的前提，主要通过录制实时视频和记录实验操作步骤中的关键参数的方式加以实现，据此得到及时反馈，并加以修正调整。学习者通过实验反馈对实验进行评价与自我反思，此过程即是一个元认知体验的过程，同时，学习者的自我反思亦调整了虚拟实验的学习策略，提高了学习者的元认知能力。
综上可见，基于元认知的虚拟实验情感体验设计模型充分考虑了学习者在实验学习中的情感体验因素，既包含了情感化的实验分析和有效的自我监控与自我评价，又融合了虚拟实验情感体验的层次设计思想，体现了虚拟实验对形成学习者元认知体验的优势所在。
四 结语
在科学技术日新月异的今天，教学中对学生实践性的要求越来越高，单一的虚拟实验学习很难促进学习者对实验的深层次理解，元认知体验作为连接静态元认知知识和动态元认知调节的中介，将其与虚拟实验有机地结合能够有效地提升学习者学科实验的学习效果。基于学习者元认知的虚拟实验情感体验设计为促进学习者元认知技能和虚拟实验学习提供了依据，帮助学习者更加深入地理解问题和解决问题。
随着学习高度数字化和体验经济时代的到来，虚拟实验的学习将更加注重影响学习者认知和情感的深层次因素。虚拟实验情感体验设计的不断完善和发展，将使虚拟实验的学习者能够清晰地认识到学习目标的价值，产生更强烈的内部动机，最终得到更好的实验学习效果。
参考文献
[1]B・哟瑟夫・派恩，詹姆斯・H・吉尔摩．夏业良，卢炜等译．体验经济[M]．北京：机械工业出版社,2002；10-31
[2]戴培兴，高蕴华，阮瑾等．论网络自主学习的功效与学习者元认知的发展[J]．华东大学学报(社会科学版)，2010，10(3)：196―199
[3]梁宁建．当代认知心理学[M]．上海教育出版社，2003：307-317
[4]罗仕鉴，朱上上．用户体验与产品创新设计[M]．机械工业出版社,2010：4-6
[5]谭千保．学习环境认知的理论依据与研究价值[J]．当代教育论坛,2006,(11)：32-33
[6]Paul A.Bell,Thomas C.Greene,Jeffrey D.Fisher,Andrew Baum．朱建军，吴建平等译．环境心理学[M]．第5版．中国人民大学出版社,2009：56-90
实验一直都是与教学息息相关的重要活动之一。它可以使学生更好地感受、理解知识的产生和发展过程，让枯燥的理论知识变得形象，易于理解。实验不仅能帮助学生巩固理论知识，提高通过实验手段探索科学知识的能力，还能激发学生探索未知世界的兴趣，增强创新能力。然而，当前实验方面存在的诸多难题却严重限制了教学质量的提高。如实验成本过高，进行实验的仪器和设备往往代价昂贵，实验材料也比较贵，而且有些实验仪器损耗较大，需要经常更新。而许多学校在实验经费上又捉襟见肘，要么是实验配套的设备和仪器不完善，要么就是仪器设备陈旧过时。即使有完善的较新的实验设备，传统实验在空间和时间上的限制也可能无法满足大量学生同时进行实验的需要。为了缓解实验教学的压力，提高实验教学的质量，可以采用虚拟实验系统来辅助实验教学的开展。
一、虚拟现实技术
虚拟现实技术 (ⅥrnJal ReaJ时，简称 vR技术)出现于 20世纪 60年代，随着处理器技术的大幅度提高以及图形绘制技术、数字信号处理技术、传感技术的发展，近几十年来在国内外形成了对虚拟现实的研究热潮。
虚拟现实系统提供了一种先进的人机界面，它通过为用户提供视觉、听觉、触觉等直观而自然的实时感知交互的方法和手段，最大程度地方便用户的操作，从而减轻了用户的负担，提高了系统的工作效率。虚拟现实技术具有 3个突出特征:沉浸性、交互性、想象性。
虚拟现实系统由两部分组成:一部分为创建的虚拟环境，另一部分为介入者。虚拟现实的核心是强调两者之间的交互操作，即反映出人在虚拟环境中的体验。我们可以给出如图 1的虚拟现实的概念模型。
二、虚拟实验系统
1.虚拟实验系统的特点
(1)共享程度高。虚拟实验系统不同于传统实验在地域和时间上的限制，它不仅可以接受本地用户的访问，有访问权限的异地用户也可以使用系统。并且也无需考虑使用时间的问题，实验者可以随时进行实验。虚拟实验系统为用户提供了一个可以在任何时间、任何地点访问的实验环境，极大地提高了信息与实验资源的共享程度。
(2)强大的交互能力。为了向用户提供一个逼真的实验环境，虚拟实验系统往往都具有强大的交互能力，实验者和虚拟实验对象之间可以通过鼠标的点击或者拖曳操作进行交互，实验者可以实时地观看实验现象和实验结果。
(3)支持协作。虚拟实验系统提供了多种方式来完成用户间的信息交流。
2.虚拟实验系统的建模
如何构建教学型虚拟实验系统，使其能够拥有丰富的实验内容表现方式、提供形象生动的实验内容，让让学生实现从感知到理解的过程，一直是研究教学型虚拟实验系统的热点问题之一。
虚拟实验系统的构建是将多种技术综合运用，首先构建实验过程所需要的各种仪器设备，对于场景进行建模。三维虚拟场景模块的建立是以某一实景为基础的，因此在虚拟场景建模之前需要对实验室环境进行实地考察并对建筑物进行筛选，从而构建具有真实感的实验环境。对于仪器设备完全用Ⅵ ML语言建立复杂的三维模型是相当烦琐的，而且建模方法缺乏直观性，而3DSMAX强大的三维建模功能以及对具有转换为V文件格式输出的功能，使其在三维虚拟场景中广泛应用。我们在实际的建模过程中根据要建立模型的特点选择建模方法。简单模型，直接采用VRML中简单几何体拼贴纹理的方法，对于复杂场景则采用3DsMAx建模后以VRMI，文件格式输出。当然在虚拟实验的建模过程中的庞大建模工作量对软件的建模效率以提出了很高的要求，于是，在该建模过程中我还采用了高效的照片建模软件Canoma，Canoma是MetaCreations公司 (即现在的Vie、vpoint公司)的软件产品，利用它可以让我们无需建模，即可直接从一张或几张照片制作三维模型，因为使用真实照片直接生成三维模型，所以效果非常真实;而且CaIloma可生成网络使用的VRM，文件格式。为了能够反映真实仪器设备的特性，有时还采用FLASH技术来达到仪器设备外观的逼真性，并提供一些基本的交互。
3.虚拟实验系统中的交互
交互性是虚拟实验系统中的一个重要问题。一类是用户在浏览场景的时候，主要的输入设备就是鼠标，这时候检测器实际上是检测用户对于鼠标的各种操作动作，如鼠标的单击、指向、拖动等等，从而场景做出相应的反应。检测这类动作的监测器是接触型监测器。描述这类监测器的节点有接触监测器节点TouchSensor以及PlaneSensor节点、SphereSensor节点、CylinderSenS0r节点;另一类是用户和场景中某对象接近的程度，对象做出相应的反应，使得用户和虚拟对象之间形成交互。
将所有仪器设备成功地加入到场景当中之后，用户应该可以随意地拿起自己需要的实验器材进行实验，所以要提供用户选取实验器材的接口。当用户在选择某件仪器，为了提供给用户选择的接口，我们在实验仪器原型中设计了供用户选择的按钮。如果选中时就可以点击按钮“tal(e ，无需使用就只要点击“放回”按钮。由于用户需要与系统进行交互，同时系统需要根据用户的选择与后台数据库进行通信，因此我们使用Java Applet。Applet具有 良好的网络传输透明性，图2显示了浏览器通过Appl 访问数据库的整个过程 。
三、虚拟实验集成的系统结构
1.软件程序集成
软件程序是虚拟实验系统的重要内容，是系统的灵魂所在。在虚拟实验系统中，我们将软件程序部分按照层次化和模块化的设计模式进行集成。集成化的软件程序依据集成度的大小分为不同层次的模块，分属不同层次的模块充分体现了整体和部分的关系，各模块都可以看成是下一层次多个模块集成的整体，每一个模块又都可以看成是上一层次模块中的一部分，各层次之间互为整体和部分的关系为系统结构构架提供了灵活的方式。转贴于
2.系统功能集成
系统功能集成是建立在软件程序集成的基础之上的，系统功能集成是系统结构集成的重要体现，系统结构的有效集成度是系统功能集成的重要基础。在虚拟实验系统中，软件程序的集成保证了系统功能在不同层面上的集成度和在各层面之间的灵活性。以不同集成度来形成的系统功能整体在系统构建、修改、维护等方面起到了重要的结构化支持作用。
3.仪器软面板集成
仪器软面板是虚拟实验系统的重要特色之一。在传统实验系统中，仪器设备一般会自带一个显示屏，以及相关的操作组件和按钮来形成一个操作面板，这个面板的形式以及各组件和按钮的功能是固定的，不能修改和设置。在虚拟实验系统中，各种仪器设备的操作面板集中显示在计算机的显示屏幕上，这种面板由软件程序来形成和设置，由键盘、鼠标以及其他的外部输入设备来控制，面板的形式以及各组件和按钮的功能可以根据需要自定义，可以将多个仪器的面板组合在一起，也可以将某一个仪器的面板简化。仪器软面板形式和功能上的这种灵活性正是系统集成度的体现。
4。网络集成
网络的出现使得分布式结构成为可能。在虚拟实验系统中，我们通过网络可以突破时间和空间的限制，将更多的协议方和操作方以一定的集成度集成在一起，共同完成实验项目。我们在谈集成性的问题的时候，一定是和相应的分散度联系在一起的，就如同整体和部分之间的关系，每一个整体都可以看作更大的整体的一部分，而每一个部分又都可以看成更多小部分的整体。网络的分布式保证了系统结构的集成性。
四、虚拟实验教学应用的优势
从虚拟实验的技术优势和实验教学的现状需求出发，其优势主要体现在以下几个方面:
1.资源开放
从虚拟实验的技术实现角度来看，实验教学中的有效资源全部开放，这使得实验项目从开发到操作，再到后期数据处理与实验课程的复习全部开放给学生，学生可以利用系统软件程序模块和实验项目设计模板等帮助实验设计方案的形成与开发;利用数据分析与处理工具包进行实验数据的分析与处理，获得规律性认识:教师的指导性意见、学生的交流信息和实验故障和误差分析等信息资料，可以帮助学生在实验课程总结和复习中取长补短、巩固知识。
2.组织形式开放
虚拟实验将实验资源、实验项目开发和实验操作等网络化、平台化，因此实验内容、时间以及地点等组织形式是开放的具备可选择性。针对目前实验教学需要跨学科、跨地域、多项实验同时开展等现状要求，虚拟实验所具备的组织形式开放性为实验教学模式的扩展提供了技术准备。
3.对象开放
虚拟实验的网络功能能够根据不同的对象设置不同权限的系统身份，实验参与人员各取所需，实现学习和交流的目的。在实验教学中，对象的身份基本分为三种层次和三种身份。三种层次指的是系统管理员、教师和技术人员、学生。三种身份是针对学习者而言的:实验课程参与者、远程实验课程学习者、实验爱好和探索者。
五、总结
本文将虚拟现实技术引入到实验教学环节中，这在一定得程度上提高了实验的开放程度，降低了实验的成本，较好地激发了学生对于实验环节的兴趣和主观能动性，但在虚拟实验设置过程中的交互问题仍是一个值得探讨和研究的主要问题。
参考文献
【l】徐学军.高校实验教学要加强学生创新能力的培养【J】.经济师，2004，(4).
【2】徐婷.教学型虚拟实验通用平台的研究与应用【D】.重庆大学学位论文，2006.11.
实验一直都是与教学息息相关的重要活动之一。它可以使学生更好地感受、理解知识的产生和发展过程，让枯燥的理论知识变得形象，易于理解。实验不仅能帮助学生巩固理论知识，提高通过实验手段探索科学知识的能力，还能激发学生探索未知世界的兴趣，增强创新能力。然而，当前实验方面存在的诸多难题却严重限制了教学质量的提高。如实验成本过高，进行实验的仪器和设备往往代价昂贵，实验材料也比较贵，而且有些实验仪器损耗较大，需要经常更新。而许多学校在实验经费上又捉襟见肘，要么是实验配套的设备和仪器不完善，要么就是仪器设备陈旧过时。即使有完善的较新的实验设备，传统实验在空间和时间上的限制也可能无法满足大量学生同时进行实验的需要。为了缓解实验教学的压力，提高实验教学的质量，可以采用虚拟实验系统来辅助实验教学的开展。
一、虚拟现实技术
虚拟现实技术 (ⅥrnJal ReaJ时，简称 vR技术)出现于 20世纪 60年代，随着处理器技术的大幅度提高以及图形绘制技术、数字信号处理技术、传感技术的发展，近几十年来在国内外形成了对虚拟现实的研究热潮。
虚拟现实系统提供了一种先进的人机界面，它通过为用户提供视觉、听觉、触觉等直观而自然的实时感知交互的方法和手段，最大程度地方便用户的操作，从而减轻了用户的负担，提高了系统的工作效率。虚拟现实技术具有 3个突出特征：沉浸性、交互性、想象性。
虚拟现实系统由两部分组成：一部分为创建的虚拟环境，另一部分为介入者。虚拟现实的核心是强调两者之间的交互操作，即反映出人在虚拟环境中的体验。我们可以给出如图 1的虚拟现实的概念模型。
二、虚拟实验系统
1．虚拟实验系统的特点
(1)共享程度高。虚拟实验系统不同于传统实验在地域和时间上的限制，它不仅可以接受本地用户的访问，有访问权限的异地用户也可以使用系统。并且也无需考虑使用时间的问题，实验者可以随时进行实验。虚拟实验系统为用户提供了一个可以在任何时间、任何地点访问的实验环境，极大地提高了信息与实验资源的共享程度。
(2)强大的交互能力。为了向用户提供一个逼真的实验环境，虚拟实验系统往往都具有强大的交互能力，实验者和虚拟实验对象之间可以通过鼠标的点击或者拖曳操作进行交互，实验者可以实时地观看实验现象和实验结果。
(3)支持协作。虚拟实验系统提供了多种方式来完成用户间的信息交流。
2．虚拟实验系统的建模
如何构建教学型虚拟实验系统，使其能够拥有丰富的实验内容表现方式、提供形象生动的实验内容，让让学生实现从感知到理解的过程，一直是研究教学型虚拟实验系统的热点问题之一。
虚拟实验系统的构建是将多种技术综合运用，首先构建实验过程所需要的各种仪器设备，对于场景进行建模。三维虚拟场景模块的建立是以某一实景为基础的，因此在虚拟场景建模之前需要对实验室环境进行实地考察并对建筑物进行筛选，从而构建具有真实感的实验环境。对于仪器设备完全用Ⅵ ML语言建立复杂的三维模型是相当烦琐的，而且建模方法缺乏直观性，而3DSMAX强大的三维建模功能以及对具有转换为V文件格式输出的功能，使其在三维虚拟场景中广泛应用。我们在实际的建模过程中根据要建立模型的特点选择建模方法。简单模型，直接采用VRML中简单几何体拼贴纹理的方法，对于复杂场景则采用3DsMAx建模后以VRMI，文件格式输出。当然在虚拟实验的建模过程中的庞大建模工作量对软件的建模效率以提出了很高的要求，于是，在该建模过程中我还采用了高效的照片建模软件Canoma，Canoma是MetaCreations公司 (即现在的Vie、vpoint公司)的软件产品，利用它可以让我们无需建模，即可直接从一张或几张照片制作三维模型，因为使用真实照片直接生成三维模型，所以效果非常真实；而且CaIloma可生成网络使用的VRM，文件格式。为了能够反映真实仪器设备的特性，有时还采用FLASH技术来达到仪器设备外观的逼真性，并提供一些基本的交互。
3．虚拟实验系统中的交互
交互性是虚拟实验系统中的一个重要问题。一类是用户在浏览场景的时候，主要的输入设备就是鼠标，这时候检测器实际上是检测用户对于鼠标的各种操作动作，如鼠标的单击、指向、拖动等等，从而场景做出相应的反应。检测这类动作的监测器是接触型监测器。描述这类监测器的节点有接触监测器节点TouchSensor以及PlaneSensor节点、SphereSensor节点、CylinderSenS0r节点；另一类是用户和场景中某对象接近的程度，对象做出相应的反应，使得用户和虚拟对象之间形成交互。
将所有仪器设备成功地加入到场景当中之后，用户应该可以随意地拿起自己需要的实验器材进行实验，所以要提供用户选取实验器材的接口。当用户在选择某件仪器，为了提供给用户选择的接口，我们在实验仪器原型中设计了供用户选择的按钮。如果选中时就可以点击按钮“tal(e ，无需使用就只要点击“放回”按钮。由于用户需要与系统进行交互，同时系统需要根据用户的选择与后台数据库进行通信，因此我们使用Java Applet。Applet具有 良好的网络传输透明性，图2显示了浏览器通过Appl 访问数据库的整个过程 。
三、虚拟实验集成的系统结构
1．软件程序集成
软件程序是虚拟实验系统的重要内容，是系统的灵魂所在。在虚拟实验系统中，我们将软件程序部分按照层次化和模块化的设计模式进行集成。集成化的软件程序依据集成度的大小分为不同层次的模块，分属不同层次的模块充分体现了整体和部分的关系，各模块都可以看成是下一层次多个模块集成的整体，每一个模块又都可以看成是上一层次模块中的一部分，各层次之间互为整体和部分的关系为系统结构构架提供了灵活的方式。
2．系统功能集成
系统功能集成是建立在软件程序集成的基础之上的，系统功能集成是系统结构集成的重要体现，系统结构的有效集成度是系统功能集成的重要基础。在虚拟实验系统中，软件程序的集成保证了系统功能在不同层面上的集成度和在各层面之间的灵活性。以不同集成度来形成的系统功能整体在系统构建、修改、维护等方面起到了重要的结构化支持作用。
3．仪器软面板集成
仪器软面板是虚拟实验系统的重要特色之一。在传统实验系统中，仪器设备一般会自带一个显示屏，以及相关的操作组件和按钮来形成一个操作面板，这个面板的形式以及各组件和按钮的功能是固定的，不能修改和设置。在虚拟实验系统中，各种仪器设备的操作面板集中显示在计算机的显示屏幕上，这种面板由软件程序来形成和设置，由键盘、鼠标以及其他的外部输入设备来控制，面板的形式以及各组件和按钮的功能可以根据需要自定义，可以将多个仪器的面板组合在一起，也可以将某一个仪器的面板简化。仪器软面板形式和功能上的这种灵活性正是系统集成度的体现。
4。网络集成
网络的出现使得分布式结构成为可能。在虚拟实验系统中，我们通过网络可以突破时间和空间的限制，将更多的协议方和操作方以一定的集成度集成在一起，共同完成实验项目。我们在谈集成性的问题的时候，一定是和相应的分散度联系在一起的，就如同整体和部分之间的关系，每一个整体都可以看作更大的整体的一部分，而每一个部分又都可以看成更多小部分的整体。网络的分布式保证了系统结构的集成性。
四、虚拟实验教学应用的优势
从虚拟实验的技术优势和实验教学的现状需求出发，其优势主要体现在以下几个方面：
1．资源开放
从虚拟实验的技术实现角度来看，实验教学中的有效资源全部开放，这使得实验项目从开发到操作，再到后期数据处理与实验课程的复习全部开放给学生，学生可以利用系统软件程序模块和实验项目设计模板等帮助实验设计方案的形成与开发；利用数据分析与处理工具包进行实验数据的分析与处理，获得规律性认识：教师的指导性意见、学生的交流信息和实验故障和误差分析等信息资料，可以帮助学生在实验课程总结和复习中取长补短、巩固知识。
2．组织形式开放
虚拟实验将实验资源、实验项目开发和实验操作等网络化、平台化，因此实验内容、时间以及地点等组织形式是开放的具备可选择性。针对目前实验教学需要跨学科、跨地域、多项实验同时开展等现状要求，虚拟实验所具备的组织形式开放性为实验教学模式的扩展提供了技术准备。
3．对象开放
虚拟实验的网络功能能够根据不同的对象设置不同权限的系统身份，实验参与人员各取所需，实现学习和交流的目的。在实验教学中，对象的身份基本分为三种层次和三种身份。三种层次指的是系统管理员、教师和技术人员、学生。三种身份是针对学习者而言的：实验课程参与者、远程实验课程学习者、实验爱好和探索者。
五、总结
本文将虚拟现实技术引入到实验教学环节中，这在一定得程度上提高了实验的开放程度，降低了实验的成本，较好地激发了学生对于实验环节的兴趣和主观能动性，但在虚拟实验设置过程中的交互问题仍是一个值得探讨和研究的主要问题。
参考文献
【l】徐学军．高校实验教学要加强学生创新能力的培养【J】．经济师，2004，(4)．
【2】徐婷．教学型虚拟实验通用平台的研究与应用【D】．重庆大学学位论文，2006．11．
实验是电子信息类专业学生课程教学的一个重要环节，是对理论教学的补充和深化，其开设方式关系到学生对理论知识的掌握和应用，直接影响着学生的操作技能、主观能动性和实际动手能力的提高，也决定着理论和实验的教学水平。因此，在教学过程中一定要加强实验这个实践性教学环节，充分利用实验资源来培养和提高学生解决问题的能力和创新能力，使学生能够更加快速地适应于将来的工作。加强实验教学环节，最大限度地利用学校的实验教学资源，对提高教学水平，培养学生的实际应用能力和综合素质具有重要的意义。
1 实验教学的传统模式和问题
在我国高校工科教育中，实验教学硬件条件普遍不足，或者是硬件实验条件的发展跟不上技术的要求，同时各高校大幅度扩大招生，实验教学硬件条件更显不足。加大对实践教学条件的投入，加强培养实践教学科技人才，强化实践教学内容和条件的改革与建设，在当前来说具有特殊重要性[1]。我国教育主管部门也在积极得进行着推进实践教学的改革与建设。例如：在全国高校本科教学水平评估中，实验室建设基地和建设经费以及实验教学改革就是一项重要的指标内容。越来越多的高校开始响应教育部的号召，实行了“双基”实验室，并在此基础上进一步建设“实验教学示范中心”。
目前，实验教学的传统模式的缺点主要表现有：
1）实验设备陈旧，实验模式单一；
2）验证性实验分量大，与设计性、综合性和创新性实验之间的比例失调；
3）先进的实验教学手段在实验教学中的引入还不够；等。
2 实验教学方法改革势在必行
随着计算机的普及和应用，在教学中也越来越多地借助计算机来辅助设计方法，同样，在实验中借助计算机仿真技术具有很大优点：减少实验中所需的耗材、降低对实验器材的破坏性、完成更复杂更高难度的设计性实验、更加全面地分析实验对象以及结果的性能指标等，具有高效、快速、直观、完整的优势。开展仿真实验作为一种新型的实验教学方法是在现有实验室设备的基础上采用计算机新型软件对实验进行模拟，大大提高了学生对本专业知识的应用能力和科研创新能力。因此，在当今的实验教学中，仿真实验的引入势在必行。
对当今高校来说，学生人数不断增加，实验室设备和资金满足不了大学中学生的试验要求，为了不断提高实验教学的质量，又进一步解决实验设备少、不好维护、建设费用高等问题。将仿真技术引入实验教学中来，学生一方面可以利用计算机实现实验方案的设计，又可以直观地验证仿真过程和结果，不受实验室条件和空间的限制，可将实验设计带入到课余生活中来进行，大大提高了学生对实验的操作兴趣。利用仿真实验由于方法的灵活性可以充分发挥学生的想像力和创造力，比起传统的实验教学更利于培养科技创新人才，且有利于降低实验成本，能够使得实验室的建设和发展进入一个良性循环中。
3 实验教学改革方案
3.1 实验中引入相应的仿真技术来进行虚拟实验
在实验教学中引入计算机仿真技术，一方面，充分发挥学生的主观能动性，激发学生学习兴趣，另一方面，老师可以利用计算机技术来观察学生的实验过程，采集学生的实验结果，更好地跟踪和指导学生，先进的教学理念和教学手段有助于提高实验教学效果，提高教师的教学水平。而计算机的引入可把实验设备、理论教学、教师指导和学生的思考、操作有机地融合为一体，克服了传统实验教学过程中受到课堂、课时、实验设备等的限制，使实验教学内容进一步灵活化，在时间和空间上得到延伸，也进一步激发了学生的实验热情。
在实验中引入相应的仿真技术来进行虚拟实验，可以使得学生在进行实验的过程中培养独立思考能力，激发学生的学习兴趣，提高学生的创新意识，同时为学生提供了更加开放灵活的实验条件。对实验内容和实验教材来说，采用仿真技术把将虚拟实验和真实的电路实验有机地整合起来，充实了实验内容，增强了实验的能动性和趣味性，有利于实现培养学生综合实践和探索创新能力[2]。目前，越来越多的高校重新对实验室建设进行了规划，利用计算机仿真技术改革实验教学是一个新的发展方向。在高校实验室中引入计算机以及相应的软件技术不仅可改善实验条件、改革实验教学方法、充实实验教学内容，还可大大提高实验效率，降低实验成本，增强学生学习的积极性和创新性，为实验教学和科研提供良好的实验平台[3]。
以单片机实验教学为例，在实验过程中我们引入proteus仿真软件，用它来模拟单片机硬件系统。由于软件的灵活性，可以克服实验箱硬件电路固定、实验内容难于改动等局限。整个实验设计都是基于计算机仿真技术的，除了计算机外不再需要任何硬件即可进行实验，这样有利于促成课程和教学改革，更有利于人才的培养。仿真技术的另一应用表现在学生的业余爱好上，比如目前的电子设计大赛，挑战杯等，学生完全可以利用计算机来进行仿真，先用计算机仿真出相应的实验模型，在计算机上进行模拟调试，最后用硬件实现。在整个过程中，学生可充分发挥自己的才能，通过大量仿真对比，达到设计目的，学生也可以大胆地反复调试，避免了损坏器件。在电子设计竞赛中，我们使用proteus开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。
另外，开展仿真教学对于我国的远程教学也是一种很好的尝试，有着重要的意义。
3.2 重新安排各类性质的实验，适量增加综合性、设计性实验
验证性实验是实验中最基本的，可以使学生巩固理论知识，它的实验内容相对简单，重点培养学生的基本操作、数据处理和计算技能，验证和加深对课本知识的掌握和理解。综合性实验则要求学生必须具有一定的专业基础知识和基本操作技能，能够运用某一课程或多门课程的综合知识，进而对实验技能和实验方法进行综合训练的一种复合性实验。目前工科高校中越来越多地提出课程设计也是为了加强学生对综合知识的运用。为充分调动学生的学习积极性和主观能动性，设计性实验也必不可少。设计性实验能加深学生对理论知识的认识，由学生自己负责计划和执行，充分提高了学生的思维能力、动手能力、分析和解决工程实际问题的能力[3]，发挥了学生的主观能动性，设计性实验的完成可以充分借助于计算机仿真技术来完成。
验证性、综合性、设计性实验相结合，培养了学生基本的实验技能和方法，同时又促进了学生的创新思维，打破了原有实验教学附属于理论教学的模式，建立与理论教学并行的，既相对独立、又相互联系的实验教学体系。在某些应用性强的实验教学中，综合性和设计性实验的比例至少要达到60%以上，同时设计性实验最好要跟得上科学技术的发展。一方面保证基本实验技能训练，另一方面，实验内容应与当今先进技术的发展相结合，适应社会发展的需要，将科研成果转化为实验内容，提高实验的先进性和代表性。那么，工科院校中一方面加大实验器材的投入，提高实验教学条件，开设先进的实验内容，提高学生的积极性，使学生适应当今社会的发展；另一方面，要充分利用现有的条件，引进先进的仿真技术，使得实验条件进一步升华，充分发挥教师和学生的主观能动性和创新能力。
3.3 硬件软件都要抓，都要硬
计算机仿真实验虽然可以准确地反映整个实验过程， 是一种新型的应用技术，十分有效，但是仿真技术不是万能的，它毕竟不是真正的实验，在许多场合仿真只能起辅助作用。也就是说不能用仿真实验来全部代替硬件电路实验，而是将仿真试验和传统的硬件实验相互结合，根据学校的实际情况和实验的情况灵活运用，虚拟实验不是万能的，如果所有的实验都用虚拟实验替代的话，学生在虚拟环境中实验会产生或多或少的不踏实的虚拟感，实践能力也不可能得到真正的提高。
3.4 加强对实验课教师的培训，通过培训交流更多地了解新的实验技术
在实验教学改革的同时，必然对教师提出更高的要求：一是教师也应加强专业知识和技能的学习，来提高自己的业务能力和综合素质，另外，不断更新专业知识的结构，了解前沿技术的发展也是必需的；二是高校中要大力创造条件促进教师经常参加基础理论知识的培训和实验的培训以及学术研讨会，从而扩大视野，更新教学观念，及时了解嵌入式系统发展趋势和动态，促进电子类实验技术的发展；三是要大力组织专业教师去积极申报相关的创新实验和科研项目，提倡以科研资金来促进实验室的建设，用科研成果去改进实验内容，同时可以提高教师的科研能力，在科研中更好地去锻炼自己，为实验教学服务。
4 结论
随着社会对人才要求的提高，大力推进实验教学改革迫在眉睫，而大学实验教学的改革又直接影响到学生的动手和创新能力。实验教学必须能够跟得上时代的脚步，将仿真技术应用到实验教学中可以充分调动学生的主观能动性，激发学生的创新能力，加快学生适应社会的能力，同时学习了先进的新技术。
参考文献：
[1] 丁美荣,柴少明.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[j].现代教育技术,2007,7(17):99-102.
1引言
本论文主要证明在RC电路放电时电压随时间的变化关系实验.
在RC电路中，当电容两端有电压时，关闭开关，电流通过电阻，此时电路中电压随时间的变化成何种规律。作者在一本教科书中发现前人已经得出结论，电压与时间的关系式是.作者通过实验测量出5个时间点的电压值与在相同时间点的理论值相比较，看两者是否接近或相等。
2 设计原理及方法：
2.1 RC电路放电原理：
电路的过渡过程是指从一种稳定状态转到另一种稳定状态所经历的变化过程，其变化十分短暂而且是单次变化过程。对时间常数τ较大的电路，可用慢扫描长余辉示波器观察光点移动的轨迹。对时间常数τ较小的电路，必须使这种单次变化的过程重复出现。为此，我们利用NE555方波发生电路输出的方波来模拟阶跃激励信号，即令方波输出的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；方波下降沿作为零输入响应的负阶跃激励信号，选择方波的重复周期远大于电路的时间常数τ，就可以观测电路的过渡过程.
在阶跃信号下，RC-阶电路的零输入响应和零状态响应分别按指数规律衰减和增长，其变化的快慢决定于电路的时间常数τ.
2.2 时间常数τ的测定方法：
⑴ 根据-阶微分方程的求解得知
（1）
方程⑴为电容放电过程方程，其中U是放电前电容两端的电压.
当t=τ时，U0＝0.368U.此时所对应的时间就等于τ。其零输入响应的波形如图1测试电路如图2⑴所示.
⑵ 由零状态响应波形增长到0.632U所对应的时间就等于τ。其测试电路及波形如图2⑵和图3所示.
⑶ 微分电路和积分电路是RC一阶电路中较典型的应用电路，它对电路时间常数τ和输入信号的周期T有着特定的要求.
RC串联电路，如果满足τ＝RC
（2）
由式（2）可知：电路的输出信号电压与输入信号电压的微分成正比，电路如图4⑴.
将图4⑴中的R与C位置调换一下，即由C端作为响应输出，且当电路参数的选择满足τ＝RC>>T/2条件时，则称为积分电路.
（3）
由式(3)可知：电路的输出电压与输入电压的积分成正比，电路如图4⑵.
2.3 实验仪器与软件介绍
声卡是多媒体技术中最基本的组成部分，是实现声波／数字信号相互转换的一种硬件.在一块声卡上有晶振，AD/DA转换芯片和数字处理芯片及其他辅助电路.因此，它可以作为数据采集卡使用，不过被采集号的频率被限制在音频范围之内.设定了采集频率，采样位数，缓冲区大小之后，再利用声卡的DMA方式进行数据采集工作。利用LabWindows/CVI环境下，借助硬件驱动程序对声卡的采集频率，采样位数，缓冲区大小等分别进行控制，根据用户的需要调整波形显示，进行波形分析，从而构成功能强大的虚拟存储示波器.
Cool Edit软件与外电路是通过声卡的连接，当外电路的开关关闭再打开，在Cool Edit软件的界面会显示出电压与时间的关系图形.将图形剪切下来，与.mav的文件形式储存起来.
MATLAB是数学软件，主要用于对图象的研究，精确度较高.
2.4 实验设计方法
（1）设置声卡
① 打开声音高级控制.
图5
② 选择录音属性，打开录音音量控制面板，将输入方式选成Line。
③ 关闭不必要的声音特效，以免左右声道互相干扰。
④ 如果无信号时背景噪声较大，可以尝试将一些选项静音，特别是CD音频。
⑤ 调整输入和输出的平衡，可借助示波器部分和信号发生器部分实现。
这时信号是从Line In 口输入的.在输出音频信号时，输入口是没有信号的.
如果使用其他声卡，可参照以上步骤设置.注意使用万能声卡驱动程序或自带驱动程序，不要使用Windows带的驱动程序.如果仍无法正确工作，可换一个驱动程序试试.可能出现的情况:
a 声卡上没有Line In口，只有MIC口，在一些廉价主板集成的声卡上会有这种情况，因为MIC口通常是声道，也就是示波器只能单踪工作.
b 打开信号发生器，示波器上同时显示波形，这是输出反馈到输入端造成的，可修改各项设置.
(2) 在实验线路板上选取R=5kΩ，C=10μF组成如图2所示的RC充放电电路.NE555信号发生器输出的方波信号电压U=1.5V，频率f=1kHz，将自制电缆线Φ3.5立体声插头插入声卡的Line In，另一边接到实验线路板上的激励端口所在位置.
(3) 在虚拟示波器上观察激励与响应的变化规律，来测时间常数τ，通过调整虚拟示波器界面上的增益、时基和网格按钮，可清晰地观测RC的响应曲线，并可计算出时间常数τ.对于R=5kΩ，C=10μF的RC响应曲线如图6所示.
图6
(4) 适当地改变电容或电阻值，观察波形变化情况，记录观察到的现象.
①选取R=10kΩ，C=10μF，观察并绘制响应的波形，继续增大C之值，定性地观察响应的影响.
②选取R=15kΩ，C=20μF，组成如图4(1)所示的微分电路，在同样的方波激励信号作用下，观测并绘制激励与响应的波形.
3 数据分析电压时间
实验所测得电压随时间变化曲线如图7
4 实验结果分析
①通过计算在相同时间点电压理论计算值与电压实际测量的结果的比例进行比较，我们可以发现相同时间的电压比值几乎相等，作者在通过改变R与C的值发现相似的结论，由此可以证实前人研究.
②本实验精确度较高，但难免有误差的出现，首先在截图时，很难从电压最大值开始截取;其次在用MATLAB对图形进行处理时，很难在特定时间内找到所对应的电压值点，作者因此选取在此附近的点，由此产生的误差可达到万分之一.而且用声卡测试仪器时，难免有噪音的的影响.
③声卡测试仪器的优点:可以将电路与计算机连接在一起，并截取录音，传送给计算机处理.
声卡测试仪器的局限性:容易受外界环境及本身其他的功能影响.
5 结束语
本实验室属于计算机应用实验，难度较高。实验要求会使用Cool Edit Pro 2.0，MATLAB6.1等软件，熟悉声卡的原理，计算机基本知识及物理原理等等.在此应该特别感谢鲁晓东老师，胡依杰同学及费芬同学对我的帮助，他们帮助我找到很多关于这方面的资料.在此次实验中证实前人已经得出的RC电路放电电压变化规律，即电压与时间的关系式结论.
1引言
本论文主要证明在RC电路放电时电压随时间的变化关系实验.
在RC电路中，当电容两端有电压时，关闭开关，电流通过电阻，此时电路中电压随时间的变化成何种规律。作者在一本教科书中发现前人已经得出结论，电压与时间的关系式是.作者通过实验测量出5个时间点的电压值与在相同时间点的理论值相比较，看两者是否接近或相等。
2设计原理及方法：
2.1RC电路放电原理：
电路的过渡过程是指从一种稳定状态转到另一种稳定状态所经历的变化过程，其变化十分短暂而且是单次变化过程。对时间常数τ较大的电路，可用慢扫描长余辉示波器观察光点移动的轨迹。对时间常数τ较小的电路，必须使这种单次变化的过程重复出现。为此，我们利用NE555方波发生电路输出的方波来模拟阶跃激励信号，即令方波输出的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号；方波下降沿作为零输入响应的负阶跃激励信号，选择方波的重复周期远大于电路的时间常数τ，就可以观测电路的过渡过程.
在阶跃信号下，RC-阶电路的零输入响应和零状态响应分别按指数规律衰减和增长，其变化的快慢决定于电路的时间常数τ.
2.2时间常数τ的测定方法：
⑴根据-阶微分方程的求解得知
（1）
方程⑴为电容放电过程方程，其中U是放电前电容两端的电压.
当t=τ时，U0＝0.368U.此时所对应的时间就等于τ。其零输入响应的波形如图1测试电路如图2⑴所示.
⑵由零状态响应波形增长到0.632U所对应的时间就等于τ。其测试电路及波形如图2⑵和图3所示.
⑶微分电路和积分电路是RC一阶电路中较典型的应用电路，它对电路时间常数τ和输入信号的周期T有着特定的要求.
RC串联电路，如果满足τ＝RC<<T/2（T为方波脉冲中的重复周期），且由R端作为响应输出，这就成了一个微分电路.
（2）
由式（2）可知：电路的输出信号电压与输入信号电压的微分成正比，电路如图4⑴.
将图4⑴中的R与C位置调换一下，即由C端作为响应输出，且当电路参数的选择满足τ＝RC>>T/2条件时，则称为积分电路.
（3）
由式(3)可知：电路的输出电压与输入电压的积分成正比，电路如图4⑵.
2.3实验仪器与软件介绍
声卡是多媒体技术中最基本的组成部分，是实现声波／数字信号相互转换的一种硬件.在一块声卡上有晶振，AD/DA转换芯片和数字处理芯片及其他辅助电路.因此，它可以作为数据采集卡使用，不过被采集号的频率被限制在音频范围之内.设定了采集频率，采样位数，缓冲区大小之后，再利用声卡的DMA方式进行数据采集工作。利用LabWindows/CVI环境下，借助硬件驱动程序对声卡的采集频率，采样位数，缓冲区大小等分别进行控制，根据用户的需要调整波形显示，进行波形分析，从而构成功能强大的虚拟存储示波器.
CoolEdit软件与外电路是通过声卡的连接,当外电路的开关关闭再打开,在CoolEdit软件的界面会显示出电压与时间的关系图形.将图形剪切下来,与.mav的文件形式储存起来.
MATLAB是数学软件,主要用于对图象的研究,精确度较高.
2.4实验设计方法
（1）设置声卡
①打开声音高级控制.
图5
②选择录音属性，打开录音音量控制面板，将输入方式选成Line。
③关闭不必要的声音特效，以免左右声道互相干扰。
④如果无信号时背景噪声较大，可以尝试将一些选项静音，特别是CD音频。
⑤调整输入和输出的平衡，可借助示波器部分和信号发生器部分实现。
这时信号是从LineIn口输入的.在输出音频信号时,输入口是没有信号的.
如果使用其他声卡,可参照以上步骤设置.注意使用万能声卡驱动程序或自带驱动程序,不要使用Windows带的驱动程序.如果仍无法正确工作,可换一个驱动程序试试.可能出现的情况:
a声卡上没有LineIn口,只有MIC口,在一些廉价主板集成的声卡上会有这种情况,因为MIC口通常是声道,也就是示波器只能单踪工作.
b打开信号发生器,示波器上同时显示波形,这是输出反馈到输入端造成的,可修改各项设置.
(2)在实验线路板上选取R=5kΩ,C=10μF组成如图2所示的RC充放电电路.NE555信号发生器输出的方波信号电压U=1.5V,频率f=1kHz,将自制电缆线Φ3.5立体声插头插入声卡的LineIn,另一边接到实验线路板上的激励端口所在位置.
(3)在虚拟示波器上观察激励与响应的变化规律,来测时间常数τ,通过调整虚拟示波器界面上的增益、时基和网格按钮,可清晰地观测RC的响应曲线,并可计算出时间常数τ.对于R=5kΩ,C=10μF的RC响应曲线如图6所示.
图6
(4)适当地改变电容或电阻值,观察波形变化情况,记录观察到的现象.
①选取R=10kΩ,C=10μF,观察并绘制响应的波形,继续增大C之值,定性地观察响应的影响.
②选取R=15kΩ,C=20μF,组成如图4(1)所示的微分电路,在同样的方波激励信号作用下,观测并绘制激励与响应的波形.
3数据分析电压时间
实验所测得电压随时间变化曲线如图7
4实验结果分析
①通过计算在相同时间点电压理论计算值与电压实际测量的结果的比例进行比较,我们可以发现相同时间的电压比值几乎相等,作者在通过改变R与C的值发现相似的结论,由此可以证实前人研究.
②本实验精确度较高,但难免有误差的出现,首先在截图时,很难从电压最大值开始截取;其次在用MATLAB对图形进行处理时,很难在特定时间内找到所对应的电压值点,作者因此选取在此附近的点,由此产生的误差可达到万分之一.而且用声卡测试仪器时,难免有噪音的的影响.
③声卡测试仪器的优点:可以将电路与计算机连接在一起,并截取录音,传送给计算机处理.
声卡测试仪器的局限性:容易受外界环境及本身其他的功能影响.
5结束语
本实验室属于计算机应用实验，难度较高。实验要求会使用CoolEditPro2.0，MATLAB6.1等软件,熟悉声卡的原理，计算机基本知识及物理原理等等.在此应该特别感谢鲁晓东老师,胡依杰同学及费芬同学对我的帮助,他们帮助我找到很多关于这方面的资料.在此次实验中证实前人已经得出的RC电路放电电压变化规律，即电压与时间的关系式结论.
