虚拟实验设计论文汇总十篇
虚拟实验设计论文篇（1）
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。
虚拟实验设计论文篇（2）
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。
虚拟实验设计论文篇（3）
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）23-0353-01
[Abstract]along with the development of computer technology and network technology， the virtual teaching and the teaching mode is not what new things， but the realization of the virtual laboratory has been the focus and difficulty of the virtual teaching research， based on the current development of the virtual teaching， this paper carries on a specific research on the application of virtual computer network design the platform and virtual reality technology.
[Key words]computer network; Virtual Laboratory
前言：在我国教学改革不断深化的今天，我国当下很多高校陷入了实验教学的困境，这一困境主要源于实验室建设资金的缺乏等问题，为了能够尽可能在短时间内解决这一问题，保证实验教学效果，虚拟实验室开始在我国高校中受到广泛重视，而本文所研究的虚拟计算机网络组网平台的设计及虚拟现实技术应用的目的，就是为了能够实现虚拟实验室的较好应用。
1.虚拟计算机网络组网平台的设计
在本文就虚拟计算机网络组网平台的设计及虚拟现实技术的应用研究中，笔者研究的目标正是虚拟实验室这一虚拟计算机网络组网平台的设计与应用，而在这一设计的研究中，笔者将从这一组平台的设计目标、系统设计、系统详细设计等三个方面对其进行详细论述。
1.1 设计目标
在本文所设计的虚拟计算机网络实验组网平台中，其是为了改革传统的实验教学方式，更好的帮助用户实现学习目的的平台形式，总的来说这一平台的设计目标为，在参照计算机网络课程教学大纲要求的前提下，满足不同层次学生学习需求、教师能够应用组网平台实现再现问题解答与作业批改等教学需求、使学生在实验前理解整体的组网概念和虚拟实验过程、具备判定学生是否具备了做实验的基本条件等四方面内容[1]。
1.2 计算机网络虚拟组网平台系统设计
在本文进行的虚拟计算机网络组网平台系统设计中，笔者采用了模型一视图一控制器（MVC）三层架构设计模式，这里的视图指的是用户看到并与之交互的界面、模型是指数据和规则、而控制器辅助接受用户的输入并调用模型和视图去完成用户的需求。结合这一设计模式，图1为笔者总结的整个计算机网络虚拟组网平台系统框架结构图。结合这一计算机网络虚拟组网平台系统框架结构图，我们能够看出这一系统具备着简便的设备选取方式、灵活的组网方式、直观的错误检测方式、真实的配置界面等四方面的特性，而由于这一系统设计采用了Windows图形界面，这就使得其本身具备着上手性强、易于操作的特点[2]。
而在这一虚拟计算机网络组网平台系统的功能设计中，拓扑图绘制功能和设备管理功能、网络设备的配置功能、实验环境及设备配置信息的保存和读取序列化功能、智能纠错功能、网络设备的三维展示功能、实验指导功能等都属于这一系统所具备的功能。
1.3 系统详细设计与实现
由于这一虚拟计算机网络组网平台系统设计的实现篇幅较长，本文主要对这一系统虚拟现实功能详细设计与实现进行论述。在这一虚拟计算机网络组网平台系统的虚拟现实功能实现中，笔者采用了VRML与3DMax的模式来完成虚拟现实的功能，这一设计的实现需要依次进行场景建模总体设计、实验场景建模、三维建模优化等三个阶段。具体来说，在场景建模总体设计阶段中，笔者首先设计了场景的树状层次结构，这一结构把所有对象用双亲、孩子和兄弟划分成最有效的树结构，属于一种简便自然分割复杂物体的方法。在完成树状层次结构的设计后，笔者采用三维建模软件手工绘制了三维模型，并在参照了商业数据库中现有的三维模型后对其进行了改进，这样就较好的实现了采用三维建模软件手工绘制三维模型;而在实验场景建模阶段，笔者选择了尽量少的面来达到虚拟现实效果的方法，这样就在保证整个系统应用效果的同时减少了不必要的工作量。在这一建模中，笔者主要使用3DMax提供的模型进行地面、实验桌、设备架、墙壁等场景实体的建模;而在三维建模优化这一阶段中，为了解决3DMax建模转换VRML文件后存在的大量垃圾代码，我们就必须对其进行代码优化，这一优化主要通过减少多边形的数目、光源的使用、充分利用纹理等方面的微调予以实现[3]。
2.虚拟现实技术在计算机网络组网平台的应用
结合笔者在上文中大致论述的虚拟计算机网络组网平台的设计内容，我们就可以初步了解本文研究能够实现虚拟实验室平台的创建，而这一虚拟实验室平台在高校中的应用，就能够实现网络设备的三维展示、网络拓扑的设计、硬件设备的检测、设备的智能纠错、网络设备的配置、配置信息的保存等多方面的功能。其中网络设备的三维展示就能够将现实的网络设备形象逼真地放入模拟环境中构造3D模式、而网络拓扑的设计则能够实现为用户提供一个虚拟的组网平台来
进行设计网络拓扑，这对于我国当下很多高校中学生缺乏的实践操作经验的问题能够予以较好的解决，真正推动我国教育事业的发展，由此可见虚拟现实技术在计算机网络组网平台中应用的实用性。
3.结论
在本文就虚拟计算机网络组网平台的设计及虚拟现实技术的应用进行的研究中，笔者详细论述了虚拟实验室这一计算机网络虚拟组网平台系统的设计方式，并对这一设计完成的计算机网络虚拟组网平台系统的应用进行了详细论述，希望能够以此实现我国虚拟现实技术应用的不断完善，并推动我国教育事业的进一步发展。
参考文献
虚拟实验设计论文篇（4）
1.虚拟现实技术
虚拟现实VR( Virtual Reality) 是近几年来信息技术迅速发展的产物, 毕业论文是一门在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术和传感技术的基础上发展起来的交叉学科。其基本方法和目标是集成并利用高性能的计算机软硬件及各类传感器创建一个使参与者处于身临其境的、具有完善的交互能力、能帮助和启发构思的信息环境, 即让用户在人工合成的环境里获得角色的体验。
虚拟现实具有三个基本特征。沉浸性, 是指观察者对虚拟世界的情感反映, 这种感觉能使用户全方位地投入这个虚拟世界, 这是虚拟现实的首要特征。交互性, 是指虚拟现实是一个开放的环境, 能对用户的输入作出响应, 并能通过监控装置来影响用户和被用户影响。想象性, 是指虚拟现实不仅是一个媒体、一个高级用户界面, 还是一个应用系统, 它以生动形象的形式反映设计者的思想。虚拟现实的三个基本特征强调了人在这个系统中的主导作用。虚拟现实系统按其功能不同, 可以分为三种类型: 沉浸式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。其中,桌面式虚拟现实系统是运用软件编程方法在显示器上显示三维场景, 用户通过键盘、鼠标等设备与虚拟场景交互, 它的特点是结构简单、成本较低, 易于推广。
2.网络虚拟实验室
所谓网络虚拟实验室, 是指利用区域网或互联网, 由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统, 包括相应的实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象及实验信息资源等。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现, 也可以是虚拟构想的实验室, 虚拟实验通过虚拟实验室进行。在虚拟实验中, 实验者有逼真的感觉, 有身临其境的感受, 好像是真正在现实实验室里近距离进行现场操作。在虚拟实验中, 没有一个有形的实验室, 也没有以实物形态存在的实验工具与实验对象, 实验过程主要是对虚拟物的操作。
3.计算机专业虚拟实验室的创建
构建专业虚拟实验室, 其实就是搭建一个网络平台系统, 包括硬件、软件及管理三个方面。在硬件上,
目前各校都建立了校园网络并接入了互联网, 这些基础设施基本可以满足需求, 不需要太多的投入。在软件方面, 一个是实验室平台软件系统的开发, 它与网站建设相联系; 另一个是网站的内容( 实验内容) 建设, 这是实验室建设的关键。虚拟实验室应有可以做的实验来支撑, 不然软件平台就是一个空架子, 形同虚设。同时, 该平台上还应有实验管理的支持, 对实验仪器、实验报告、实验指导、实验成绩及网上答疑等进行有效管理, 并对虚拟实验室进行监控, 计算机网络虚拟实验室系统各模块的主要功能如下。
( 1) 实验管理模块, 由学生管理、教师管理、仪器管理和学生成绩管理等组成。硕士论文在学生管理方面, 学生通过浏览器进行注册登录, 登陆成功后可浏览实验项目, 查看实验的详细资料, 预约实验项目及做实验的时间, 在线发送和接受消息, 进行问题讨论, 进行实验登记, 实验完成后可通过网络写实验报告并提交报告。教师管理方面, 可对实验内容添加、修改、整理、删除, 对学生提交的实验报告列表, 批改实验报告, 填写评语和成绩, 提交批改结果, 与学生进行讨论。仪器管理方面, 对新设计开发的虚拟仪器上传并进行分类整理, 以便实验使用。成绩管理方面对学生的实验情况( 实验次数、实验报告及完成情况) 给出成绩, 并进行统计分析及提供查询等。
( 2) 仪器展示模块, 对虚拟实验室可用虚拟元器件、虚拟仪器设备分门别类地进行管理, 以图形的方式直观呈现出来, 供学生在实验时进行选择。
( 3) 实验指导模块, 包括实验介绍、实验方法、实验项目的重点及难点、实验目的、实验原理、实验准备、实验任务、实验过程、实验报告的要求及实验应注意的事项等。
( 4) 实验报告模块, 主要对学生完成实验后, 提供相关的实验报告模板, 供学生下载, 由学生填写相关内容以及实验的结果, 完成后上传电子版实验报告, 由教师进行批阅, 并进行记载。
( 5) 实验答疑模块, 由专业教师对学生实验中出现的疑难问题进行及时解答, 帮助学生顺利通过实验。同时了解学生对实验的掌握程度, 并及时反馈、调整教学。
( 6) 论坛交流模块, 教师和学生可以通过论坛进行充分的交流, 学生可以将实验中的收获、经验和体会及问题到论坛上, 教师可以将一些典型的问题提出来, 供大家探讨。学生在这样宽松的环境下发表自己的见解, 教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息, 以便整改。
( 7) 虚拟实验模块, 是虚拟实验室建设的重要部分。学生通过该模块进行虚拟实验, 医学论文以达到巩固强化知识的目的。该模块内容根据专业学习的具体情况及实验建设条件, 可不断增加。计算机专业网络虚拟实验室系统的建设, 可以引入其他学校的虚拟实验室中。这种方式比较简单, 容易实现, 见效较快。但需要投入较多的软件购置费用,同时也需要结合本校的实际情况进行一些调整, 有一个磨合期。另一种是因地制宜, 自主开发。根据本校的实际教学和实验情况, 结合学生的实际水平, 由任课教师或聘请部分专家组成开发小组, 进行一系列的虚拟实验项目的开发研究, 并将研究的成果连接到虚拟实验室中, 逐渐扩充直至完善。这种方式比较灵活, 能充分发挥教师的积极性, 能有针对性地进行设计开发, 适合学生的实际情况, 学生容易接受, 并且经费投入较少。缺点是开发周期较长, 系统性不够, 水平有限。也可以将上述两种方式结合起来, 一是引入、购置部分自己不宜开发的实验项目, 二是结合自身的优势和长处开发一些实验项目, 如非交互性的、演示性的虚拟实验项目等。
二、加强网络虚拟实验室的管理
1.加强用户管理, 为每个学生分配账号。对学生进入虚拟实验室, 使用实验室做虚拟实验等进行登记保存。鼓励学生经常访问虚拟实验室, 在上面提出问题、发表见解, 做好实验, 努力提高虚拟实验室的人气。
2.全天候开放虚拟实验室。学生可以随时进入虚拟实验实自己动手组织实验, 自己设计实验方案, 动手完成实验, 整理和总结实验数据, 职称论文提交实验报告, 培养学生的分析能力和创新能力, 逐步向以“学生为中心”的自主个性发展模式转变。
3.组织专业教师网上指导与答疑, 参与论坛讨论交流, 及时批改实验报告, 为学生顺利完成实验提供服务。在虚拟实验室中, 教师应对学生提出的疑问尽快给出帮助和解答, 并进行必要的指导。在实验室论坛上发表观点, 提出问题让学生思考, 使师生在虚拟实验室中有较强的互动性, 教师应充当好学生实验的合作者和知识的建构者的角色。
4. 对学生在虚拟实验室的表现及实验效果进行
评价。针对学生每一门课程的虚拟实验完成情况、实验报告、网上提问、论坛发帖的情况, 给学生一个成绩和评价, 反馈给学生, 英语论文并与该课程的正常实物实验一起记入实验总分。教师也要在对学生评价的同时, 征求学生对虚拟实验室的意见, 对学生反馈的信息进行整改。
计算机网络虚拟实验室的建立, 可以很好地解决目前硬件设备跟不上实验的要求、学生实验时间不够用等问题, 对于提高学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力具有非常重要的意义。但在具体应用中还要注意处理好“虚拟实验”和“实物实验”的关系, 不能一味地强调虚拟实验, 要“虚实”结合, 既相互补充, 又各有侧重, 这样才能取得很好的实验教学效果。同时, 在虚拟实验中要注意培养学生严谨的、一丝不苟的科学实验作风。
参考文献
[ 1] 王嗣源.虚拟实验室建设的初步探讨.西安邮电学院学报, 2005( 4) .
虚拟实验设计论文篇（5）
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,写作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。写作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,写作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,写作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,写作英语论文并与该课程的正常实物实验一起记入实验总分。教师也要在对学生评价的同时,征求学生对虚拟实验室的意见,对学生反馈的信息进行整改。
计算机网络虚拟实验室的建立,可以很好地解决目前硬件设备跟不上实验的要求、学生实验时间不够用等问题,对于提高学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力具有非常重要的意义。但在具体应用中还要注意处理好“虚拟实验”和“实物实验”的关系,不能一味地强调虚拟实验,要“虚实”结合,既相互补充,又各有侧重,这样才能取得很好的实验教学效果。同时,在虚拟实验中要注意培养学生严谨的、一丝不苟的科学实验作风。
参考文献
[1]王嗣源.虚拟实验室建设的初步探讨.西安邮电学院学报,2005(4).
虚拟实验设计论文篇（6）
关键词：传统实验；虚拟现实技术；虚拟实验系统
0引言
实验是与教学活动密切相关的环节，它有助于学生理解知识的产生和发展过程， 容易理解和巩固相关的理论知识，提高依靠实验方法探索科学知识的能力。随着教育的高速发展，传统实验面临的如实验材料成本高、实验仪器昂贵、实验仪器损坏维修成本高、设备更新频率高等诸多问题，都严重束缚了教学质量的提高 [1]。为了改善这种现状，最大程度的实现减少硬件资源和节约空间，同时增强实践教学效果，可以使用虚拟实验系统辅助实验教学的开展。
1虚拟现实技术简介
虚拟现实技术，就是借助于计算机硬件设备和相关支撑技术，创建一种可以通过视、听、触、嗅等手段所体验到的虚拟世界的技术[2]。虚拟现实技术作为一种先进的科学技术，将计算机仿真技术、计算机图形技术、传感技术、3D技术等最新的发展成果进行了综合，并依赖计算机设备构造三维数字模型，构建以视觉感受为主，包括听觉、触觉等可感知的环境。虚拟现实技术的基本特征主要包括：
1.1 交互性[3]。虚拟现实系统中的人机交互可通过键盘、鼠标、头盔、数据手套等设备操作虚拟环境中的对象，是一种近乎自然的交互。
1.2 沉浸性。虚拟现实技术依赖计算机技术构造三维立体图像，通过特殊显示设备和感知交互设备，把自己放在一个虚拟环境并有一种身临其境的感觉。
1.3 多感知性。虚拟现实系统配备观察、倾听、触摸、动觉传感和反应装置，用户可以在虚拟环境中得到各种各样的感知，并采取相应的实际反应和交互操作。
2虚拟实验系统
2.1 虚拟实验系统的特点
2.1.1 共享程度高。传统的实验有地域与时间限制，而虚拟实验系统可以接受有访问权限的本地和异地用户在任何时间的使用，使信息与实验资源的共享程度得到了极大地提高。
2.1.2强大的交互能力。虚拟实验系统能给用户提供一个逼真的实验环境，虚拟实验对象和用户依赖鼠标拖放操作进行交互，用户也可以实时观测实验现象和实验结果。
2.1.3支持协作。用户间的信息沟通是由虚拟实验系统提供的多种方式进行的。
2．2 虚拟实验教学的优势从实验教学的现状和虚拟实验系统的特点出发，虚拟实验教学的优势主要有以下几个方面：
2.2.1 组织形式开放[4]虚拟实验不受实验内容、时间和地点的约束，保证了用户充分选择的自由。随着实验教学的发展，跨地域、跨学科、同时开展多项实验的要求日益增多，虚拟实验将为实验教学的发展开拓空间。
2.2.2 对象开放在实验教学中，学习者可以分为实验课程学习者、参与者、爱好者等身份；依据虚拟试验系统操作的权限分为实验者、教师和技术人员、系统管理员等三个层次，不同对象依据自己的身份和权限在虚拟实验平台下进行学习和交流。
2.2.3 资源开放虚拟实验的教学资源为实验对象完全开放。实验设计方案的形成与开发可以依靠系统软件程序模块和实验项目设计模板的帮助；实验数据的分析与处理可以利用数据分析与处理工具包进行；学生在实验课程总结和复习中取长补短、巩固知识。
3虚拟现实技术在教学中的应用
虚拟现实在教育领域的具体应用，主要体现在虚拟学习环境、虚拟实验室、虚拟实训基地、虚拟仿真校园、虚拟远程教育等方面。
3.1 虚拟现实技术在计算机实验中的应用虚拟实验系统包括实验设备、实验对象、教学信息资源和实验室环境，虚拟实验室既可以是虚拟构想的实验室，也可以是真实实验室的再现。例如，要加深广域网、城域网的概念理解，不必真正把网络构建起来就可以亲身体验，犹如进行现场的操作。再如，在计算机组装和维护课程中，使用虚拟机软件vmware创建与真实计算机相同的运行环境，也有处理器、存储器、显示设备、输入输出设备等，不仅可以安装各种操作系统，而且也可以尝试安装各种应用软件，安装的过程与在真实的计算机中的感受完全一样，但对计算机中原有的系统和数据不会产生任何影响。
虚拟现实技术还可以对实验者构想的模型进行实验，所产生的实验结果和效果将对实验构想进行可行性和合理性的验证。例如，在组网联通实验中，可以通过虚拟的路由器、交换机、服务器和终端进行网络的设计和设置，减少了购买设备的费用和损坏维修成本高所带来的风险。
3.2 虚拟现实技术在经济管理课程实验系统中的应用高等职业教育文科教学存在理论偏多、实践较少，理论和实践有脱节现象。应该把计算机技术与教学手段和方法的改革充分结合起来，构建与经济管理类课程相关的虚拟试验系统，包括市场营销、电子商务、人力资源开发、股票交易、财务、旅游场景等各种虚拟实验系统，把现实环境中无法全面实现的教学过程通过虚拟试验系统进行完美的展现和操作。例如，房地产营销虚拟系统可以制定适合不同用户的营销解决方案，并对营销环节中的关键环节制定不同的策略。通过虚拟的经历，不仅加深了对理论知识的理解，而且让实验者体会到现代房地产营销的互动式、数字化的营销模式。再如，电子商务模拟试验系统可以建立商店、银行、商品等相应的模型，实验者可以模拟商品的选择、支付、配送等过程。再如，虚拟现实技术模拟旅游景点，以真实的图像、图片等数据为基础，利用计算机制作三维图像，并通过视觉中枢对物体的“深度”信息和观察视差的综合产生三维立体综合效果，依靠头盔式显示器、数据手套、身体部位跟踪器和投影显示设备，并结合感官系统在虚拟的场景中去体会景区的地理环境和特色。
4结束语
虽然虚拟实验环境有诸多优势，但真实环境环境容易加深学生的感性认识和动手能力，因此，一个实验系统应该是既包括真实环境也包括虚拟环境的综合、完整的系统。只有构建完善、先进的实验环境，才能大大地提高实验教学质量，提升高校的核心竞争力，真正实现为教学、科研与开发工作服务的使命。
参考文献：
[1]杨宇行.高校计算机实验室管理之探讨[J].计算机与网络，2008（1）：64-66.
虚拟实验设计论文篇（7）
中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)11-2696-02
Design and Research on Structured Cabling System Virtual Lab
CHEN Ze-bin, GUO Yao-tian, WANG Jian-xin
(School of Information Science Technology, Hainan Normal University, Haikou 571158, China)
Abstract: In this paper, we present effective measures to achieve a structured cabling virtual experiment platformfor the needs of experimental teaching for the structured cabling. According to the Hainan Normal University as a specific application environment and the virtual laboratory performance requirements, the use of three-dimensional virtual modeling, network virtual interaction, data optimization and other key technologies, the virtual laboratory system base on Internet interactive was established.
Key words: virtual reality; digital modeling; interactive; virtual lab
1 概述
我国的高等教育历来强调理论性、系统性,学时安排也以理论教学为主,实践教学为辅;重理论、轻实践、重知识、轻能力的现象普遍存在。另外,我国的高等教育投入不足,扩招使一些学校,特别是理工科学校面临的硬件设施不足和经费短缺方面的困难更加突出,实践教学环节被进一步削弱。这就不可避免地导致学生在一定程度上理论与实践脱节,创新素质不高,动手能力不强。结构化综合布线课程在理工科专业中已经占据了非常重要的地位,是在同类课程中以上问题最突出的专业基础课程之一。建设虚拟实验室目的是运用现代教育和教学理论,结合先进的计算机及网络技术,改革传统的实验教学模式,构建一个基于虚拟现实技术的网络实践教学平台,解决目前所存在的问题,提高实践教学效果。
2 基于VRML结构化综合布线虚拟实验室的设计
结构化综合布线虚拟实验室是以结构化布线理论为指导,利用现代网络技术与虚拟现实技术,集理论教学、实验项目演示和虚拟实验训练一体的网络虚拟教学平台。按照结构化综合布线课程实验教学大纲的实验项目设置,建立一个使得实验者具有身临其境的现实感觉,通过网络随时随地的进行课程实验,提高实践学习的兴趣,提高学习的效率。
2.1 虚拟实验室设计与分析
虚拟实验室是针对结构化综合布线实验室进行虚拟建模,要求的虚拟环境完成结构化综合布线课程的相关实验,具有高仿真度、全交互、可视化、易访问等特点,结合VRML、3DS MAX、Photoshop和Javascript等开发工具[1-3],使用户可以随时随地的访问,通过鼠标和键盘对实验设备模型进行多角度多方位操作,完成实验项目的演示和虚拟训练,使用户对虚拟实验教学内容有直观认识,达到远程虚拟实验教学的目的,提高学生的动手能力。 具体的实验清单如表1所示。
2.2 虚拟实验对象建模
根据以上结构化综合布线实践项目清单,实验环境和实验项目主题对象包括了实验室的实验展示台、网线、打线器、配线架、机柜和线槽等,建模要求的数量多,形状复杂,直接采用虚拟语言逐一编写模型代码非常繁琐,因此,本文采用3DMAX工具预先建立三维模型,在应用环境中对建模进行拍错调整,减小文件大小,以更好的匹配实际的实验场景模型[4-5]。其中,实验室环境模型主要是静态试题模型,如:门,窗,实验台,凳子等,可采用几何建模技术实现,通过VRML自身自带功能,如Scale,Inline等实现环境造型,且数据量小,方便网络传输应用。而其他实验器材工具模型的构建非常复杂度,需要借助三维建模软件建模,本文采用3DMAX软件完成,但是,采用3DMAX建模对不规则物体建模转换为VRML代码后,产生大量无效代码,影响浏览效果,需要对代码进行优化。
首先,VRML文件的数据量直接影响网络实时浏览,需要减少文件传输数据。三维模型中的重复建模造成VRML文件存在重复代码,通过重用代码来减小代码的数量;同时,适当降低数据精度,在可接受的浏览效果范围内,尽量多采用整数数据,并对数据进行压缩处理。其次,提高渲染速度。多使用规则几何节点来建模,简化模型的复杂度;实验场景光照单一,相应使用单一光源;非关键部分使用贴图的形式。本虚拟实验室的模型如图1所示。
2.3 虚拟实验交互设计
VRML文件包括场景描述与动态交互处理,采用场景描述来构造实验虚拟场景,实验场景由各种实验器材或场景实物节点组成,它们之间通过消息来进行联系。动态交互处理通过VRML的节点和路由连接而成,节点产生事件,路由传播和处理事件[6-7]。虚拟实验项目操作过程即为事件的动态处理过程,VRML中定义了时间感应器、触发感应器、邻近感应器、可见感应器、平面感应器、球面感应器和圆柱感应器来对不同的动态变化进行检测,经过感应器检测动态交互引起的动态变化。
VRML的节点之间的事件处理只能达到简单虚拟动态变化效果,不能满足实验虚拟操作的细节要求,为了提高VRML事件之间的控制能力,扩展交互功能,采用Java编程为VRML浏览器提供相应的功能增强支持。通过VRML内部Script节点和外部编程接口与java连接,管理内部事件之间的变化和网络交互控制。将Java与VRML结合,能够很好地实现网络虚拟实验平台。使用VRML进行场景构造,内嵌用Java编写的程序设计实现对象的编程行为。这使VRML在网上创建充满真实感的三维虚拟世界,为用户提供一种自然的、身临其境的体验方式,包括交互性、动态效果、连续性及参与感。
3 结论
本文阐述了虚拟实验教学在实践教学中的发展意义,对结构化综合布线实验进行了系统的分析、设计与实现。并研究了3D建模技术和虚拟现实编程语言等关键技术,结合结构化综合布线的实际问题,选用适当的三维建模工具和网上交互方式,以达到结构化综合布线实验的实践教学要求。
参考文献:
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[4] 邱进冬,杨志雄,顾新建.基于Web的虚拟现实的开发与应用[J].计算机应用研究,2003,20(3):92-95.
虚拟实验设计论文篇（8）
中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）12-72-03
Research on the design of virtual teaching system based on virtual reality technology
Yang Xuchao
Abstract： The educational characteristics of virtual reality include multi-perception， interactivity， immersion and imagination. To design the virtual reality system， the advanced education idea should be taken as the guidance， a virtual perceptive teaching system should be built by giving full play to the virtual reality technology， to design the virtualized scene， classroom， experiment， roles and situation， and the student should be allowed as a role to experience the virtualized natural phenomena and process of things evolution， so as to support student learning， exploration and discovery.
Key words： virtual reality technology； virtual teaching system； perception； interaction； immersion
0 引言
虚拟现实（Virtual Reality简称VR）是近年来的一个研究热点。
1965年，有“VR之父”之称的计算机图形学创始人Ivan Sutherland，曾在IFIP会议上做了题为“The Ultimate Display”的报告，第一次提出了虚拟现实的概念[1]。这一提法对“虚拟现实技术”来说，具有里程碑的意义。
1989年，美国的VPL公司宣布完成虚拟现实系统RB-2（Reality Built for2），VPL公司的创始人Jaron Lanier正式提出了“虚拟现实”一词，从此进入虚拟现实阶段[7]。
从上世纪90年代至今，“VR”进入全面发展阶段，并开始在各领域绽放异彩，从而，逐渐走向实际应用[6]。近年来，VR技术的应用领域十分广泛。VR应用到教育领域中，既是虚拟现实自身发展的需要，也是教育发展的需要。
虚拟现实教育特性归纳为四重性即：多感知性、交互性、沉浸性以及构想性[4]。
VR的教育应用价值是，可以建立虚拟的学习课堂，把相应知识进行情景化设计，形象直观地展现在学生面前，允许学生以角色的身份，“身临其境”地去体验类真实生活中无法观察到的自然现象、或事物的变化过程。学生沉浸在这样的虚拟现实学习环境中，通过多层次的感知，获得类似真实的体验效果，全方位地获取信息，主动自然地对知识进行认知和建构，在沉浸于探索活动之时，跳一跳，摘到果子。
1 虚拟教学系统的设计原则
教育是一个复杂的系统工程，作为一个结构完整的虚拟教学系统设计，教育性是根本属性、此外还必须兼顾知识性、计算机虚拟技术特性、科学性与艺术性等方面。因此，虚拟教学系统设计必须遵循以下原则。
⑴ 运用先进教育学习理论作指导的设计原则
在教育理论体系中，学习理论经历了由行为主义到认知主义、认知主义到建构主义、又由建构主义到情境认知与情境学习理论的演变和发展过程。这些学习理论都在不同的时期指导了CAI写作，并成为CAI发展不可或缺的重要推手。
本研究课题其本质是教育性，核心是教育创新。因此，虚拟教学系统的设计必须要有教育学习理论做指导，否则系统的设计也就成了无源之水，无本之木，系统也就缺少了教育的属性。
通过对教育学习理论的分析，吸取其中对课件写作有益的经验，指导课件写作实践，可以使虚拟教学系统的设计更符合教育规律。
⑵ 人机交互界面设计的原则
交互性是VR在教学上最有价值的应用。对于一个好的虚拟教学系统来说，人机交互设计很关键，虚拟现实教育的多感知性、沉浸性以及构想性就是要通过人机的有效交互产生效果，学生的参与、学生的“角色”扮演，学生的体验都必须获得交互性的支持。
在进行虚拟教学系统设计时，要考虑界面的可视化、一致性、简洁性、易用性、直观性、可控性和及时响应等原则，充分考虑到要适应学生的心理与情感需要；要适应学生的生理特征、行为特征等，把系统的交互设计看作是教学设计的最重要内容之一。
⑶ 虚拟现实四重性原则
基于VR建构的教学系统，在于通过感官刺激，使学生沉浸于虚拟教学系统中，体验逼真的情境教学并主动动脑动手参与交互，以达到高效学习和提高技能。
⑷ 功能模块化，提高复用性原则
系统的模块化设计，考虑学生的个性化需求，允许定制学生适合的学习内容。
2 虚拟教学系统的指导思想
在教育的理论体系中，行为主义学习理论、认知主义学习理论、情景认知理论、建构主义学习理论以及远程学习的交互理论都曾不同程度地指导着CAI写作。
⑴ 行为主义把学习看做是由刺激与反应（即“S―R”）形成的联接。曾指导了早期的CAI写作；另外，程序教学的小步子策略至今仍深刻地影响着CAI写作。
⑵ 认知主义对CAI的启示是：要以学生为本，从学生的内外因素两个方面来创设课件情境，外因提供刺激，驱动内因去认知知识，课件情境的设计就必须考虑学生的认知特点，必须要将知识性与趣味性相结合，以激发其好奇心和发现欲，诱发其质疑、猜想和认知、激发学生的学习兴趣。
⑶ 建构主义理论强调学习的主动性、社会性和情境性。因而，“情境”、“协作”、“会话”、“意义建构”构成了建构主义的四大要素。对CAI的启示是： 学习要在一定的情境中，通过协作活动和会话交流而建构意义。
⑷ 情境认知与学习理论更加强调情境对于学习的重要性。认为知识具有情境性，学习是基于社会情境的一种活动，知识的意义不能脱离具体的情境产生[8]。因而要通过设置真实的实验环境（基于工作岗位的、基于知识内涵的）、或借助计算机信息技术设计的虚拟情境，来提高学习的有效性，并保证知识向真实情境的迁移。
可见，VR的教育应用与教育学习理念的精华是相一致的；设计适合学生学习的虚拟现实学习场景、创建情境化教学平台，是虚拟教学系统教学设计的主要形式。教学设计要强调参与者的交互性与沉浸感，以有效提高学生学习的主动性，进行更好的知识建构。
3 系统教学功能的虚拟设计
⑴ 虚拟课堂的设计
对课堂场景的虚拟设计，使教学脱离传统的学习场所，突破了时空的限制，学生可以自由自在地在虚拟课堂中学习，犹如沉浸在真实课堂一样，让教学变得轻松而实效。
⑵ 虚拟实验的设计
设计和建立虚拟实验室，是一种高效而且新颖的实验方式，不仅可以避免实验自身存在的安全隐患，而且可以节约实验成本，不用顾虑实验条件、环境和时空上的限制，学生可以随时随地地完成实验内容。
⑶ 技能训练功能模块的设计
VR的沉浸性和交互性，允许学生以角色的身份参与到虚拟的学习环境中，去尝试和体验情境学习活动，这非常有利于学生的技能训练。例如汽车维修的虚拟技能训练、电器维修技能训练等职业技能的训练，学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。
⑷ 虚拟情境设计
应该说，最理想的学习是发生在真实情境下的学习，但客观地说，真实情境的学习条件可遇而不可求。因而，对情境进行虚拟设计就是现实的选择了。
在虚拟教学系统中，创设与现实情境相类似的高度逼真的虚拟学习情境，代替书本描述或代替抽象语言的描述，使教学的过程与现实的问题解决过程相类似，有利于刺激学生的感知、沉浸与构想，从而使得学习有效发生。
⑸ 虚拟角色的设计
虚拟角色支持学生成为学习活动的“角色扮演者”，学习的过程则是角色参与的活动过程。教学情境的创设应营造一个利于“角色”主动探索的学习共同体和实践共同体，支撑知识的社会协作性建构。角色扮演者在虚拟的情境中，可以身临其境的体验情境化的教学。可以自由地、主动地与虚拟对象进行交互，通过协作活动和会话交流而建构意义，符合建构主义理论的学习理念。
4 虚拟教学系统的教学策略设计
4.1 案例学习策略的设计
案例教学，既是针对一个真实事件的再现与思考，也是对这一典型事例的反思与探讨。案例制作的原则有以下。
⑴ 案例设计要突出主题、把握主线，要保持案例真实性、典型性、完整性、趣味性原则，阐明事件发生的时间、地点、背景，注意处理好事件中的一些戏剧性的突变，使得案例直观明了、富有悬念，能有效地反映出事件发生的特定教育背景，并能给予启示。
⑵ 感知性、沉浸性原则，可以使学生亲身体验和感悟现实中的真实问题。
⑶ 案例设计应能提出关键问题，且能提出有效的解决办法、及提供对这种解决问题方法的评价，以便为新的决策提供参照点。
案例教学是开启学生思维大门的钥匙，也是发展技能的重要渠道。好的案例无疑可促使学生更快地适应工作情景的挑战。有利于培养学生分析问题解决问题的能力。
4.2 情境学习策略设计
情境化是虚拟现实特性在教学上的最有价值的又一体现。
在逼真情境认知环境下的虚拟教学系统的学习过程，也被称为情境性教学，通常通过借助“VR”技术进行虚拟学习情境设计来实现。
情境的模拟或基于真实工作岗位、或基于知识的本质内涵要求，是学生获取知识，理解知识并基于一定的社会文化情境建构意义的最佳环境。
4.3 协作学习策略设计
“协作”是建构主义学习理论的要素之一。“协作学习”可以使得学生在一定的情境中，通过协作活动和会话交流活动中而建构意义。因而对教学具有独特的应用意义。
合作、交互、角色参与、信息共享和活动共享是实现“协作学习”的重要渠道。因此，在虚拟学习设计中，必须提供以上活动的机制，提供在线的网络对话、学习论坛、共享白板及电子邮件、留言板等交互方式。
4.4 自主学习策略设计
自主学习（autonomous learning）指学生自主选择学习内容、学习方法、学习的监控、评价学习结果的过程。自主学习强调学生的主体性和学习能动性，教师则是教学活动的组织者、参与者和指导者。
基于VR的网络教育创设的是一个开放的学习环境，学生可以在虚拟世界中自由翱翔，最大程度的发挥学习者的自主性，通过自己的探究活动和与其他学习者的协作学习来建构知识。
4.5 探索学习策略设计
利用VR技术可以对各种教学内容的假设对象进行虚拟构建，所呈现的结果应能直观生动地揭示规律，或给予的启示。例如，在化学虚拟试验中，学生可根据假设，进行不同分子的组合，通过对虚拟的结果进行探索式的研究，很有可能得出新的发现，有利于培养学生的创造性思维和能力。
5 结束语
利用VR技术，可以对学习场景、角色、情境等进行虚拟设计，结合各种有效的学习策略，有力地支持学生学习、探索和发现。
虚拟教学系统虽然是教学的辅助工具，但为教育提供了一种全新的思想方法和教育手段，它将促使教育形态、教育环境、教学过程的基本要素及相互关系发生重大变革。
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虚拟实验设计论文篇（9）
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2013）09-0129-03
虚拟环境是利用软件模拟硬件和软件系统的环境。虚拟环境教学是利用仿真软件模拟出专门的硬件和软件系统来进行教学的一种教学手段。虚拟环境给教、学以及实训（实验）带来很大的变革，[1]并且随着计算机仿真软件对实际环境模拟的发展，很多虚拟环境基本上是真实环境的再现，可以完全模拟真实环境的所有功能，甚至可以实现真实环境的功能。因此模拟环境在现代教育中得到广泛的应用。
虚拟教学环境给教学带来了极大的便利[2]，但同时也将学生的实践教学环节设定得太理想化，不利于学生的实践动手和解决问题的能力。因此，本文在分析虚拟环境作用的基础上，从计算机专业的实践教学出发，提出了虚拟环境教学和真实环境相结合的模式，并在实际的教学中进行应用，提出了虚拟环境下和真实环境相结合的合理教学模式的建议。
一、计算机专业教学中虚拟环境使用的现状
虚拟环境是真实环境的模拟和仿真，在计算机专业教学中的应用，可以以分为：
（1）操作系统的模拟。操作系统的模拟是通过软件模拟出现常用的操作系统。如微软公司的VPC和已经在Windows2008内含有Hyper-v[3]。Hyper-v支持多种操作系统，与本身是微软公司操作系统Windows有好的兼容。其基于Hyperisor技术，虚拟机可以直接和物理设备进行通信和数据交换，因此Hyper-V虚拟机具有运行速度快和稳定性好的特点。当Hyper-V与虚拟桌面架构（VDI）联用时，Hyper-V可以实现客户端计算机虚拟化，如果Hyper-V单独使用时，可以实现服务端计算机虚拟化[4]。因此windows2008的Hyper-V不只是在实验中使用，在企业的服务器部署中也得到广泛的应用，其可以增强了企业服务器的可管理性和降低了服务器部署的成本。还有类似功能的Vmware公司的虚拟机软件。这些具有虚拟计算机操作系统的虚拟环境，可以被应用到计算机专业课程教学中。在教学中学生可以在虚拟机中进行操作系统的安装和设置，而不会破坏真实计算机中的其他应用软件和数据。同时还可以被应用到计算机网络相关的教学内容中，可以快速的在虚拟环境中搭建具有多台计算机的网络。在其中就可以进行网络协议的分析、网络服务的安装和设置。因此，在实训中需要对操作系统和数据进行安装、设置、修改的实训课程和内容都可以在操作系统模拟环境下进行。
（2）网络环境的模拟。通过软件模拟出网络的相关设备和线路。如CISCO的packettracer。在packettrace环境中包含了组网的所有基本元素，如PC、服务器、通信线路、网络设备[5]。可以组成有线局域网、无线局域网、广域网。在这个环境中，可以快速架设具有网络互联的虚拟网络，在其中对交换机和路由器进行配置，操作过程与真实交换机完全一样。当网络运行时可以跟踪和分析数据包。另外，CISCO还有BosonNetsim和NS2模拟软件。他们基本功能都是模拟CISCO的网络设备，通过这些模拟环境，辅助、设计、验证某种网络架构。因此在计算机专业课程教学中，学生可以在模拟环境中进行计算机网络的TCP/IP协议分析实验、路由器和交换机的组网实验。可以进行计算机网络安全课程的ACL、NAT、防火墙策略设置等实验。还可以进行网络工程的路由器、交换机设置的相关实验。
（3）电子电路的模拟。利用计算机软件，在计算机上模拟出模拟电路、数字电路、单片机应用系统。学生可以在计算机上进行电路设计、仿真、调试等通常在真实实验室才能完成的实验。典型的电子电路模拟软件是proteus，它可以模拟各种模拟、 数字电路芯片和各种处理器[6]。利用其强大的模拟功能，可以在其环境中设计各种模拟电路、数字电路、单片机和各种类型CPU组成的控制电路。利用模拟的信号源和模拟测量设备对模拟环境的各种电路进行测试。可以将各种编译成HEX文件的程序烧写到模拟的单片机和各种类型的CPU内，对其组成的控制电路进行模拟控制，查看程序运行状况、分析控制逻辑，结果以直观的方式展示出来。
虚拟环境在计算机专业教学中有着其独特的优点：
（1）教师随时可以备课。在计算机专业课程中，有些课程教师备课时必须在实验室中才能进行。例如有些课程需要对设备进行设置和验证、对计算机操作系统进行安装和配置。当这些课程所涉及的内容可以在虚拟环境下进行时，教师可以在个人计算机中安装相应的虚拟环境，就可以进行实验、实训的备课。甚至可以通过屏幕录制软件将教师实验步骤进行录制，上课时可以播放给学生参考。
（2）学生可以随时实践。在真实实验环境下，学生课内进行有限次数的实验。课外没办法复习，因此学生对一些比较复杂的实验操作容易忘记。如果在虚拟环境下实验，学生可以在自己的个人计算机中安装虚拟环境，课外就可以复习实验操作，加固、加深对实验的理解。
（4）实验成本低。在真实环境的教学下，建设实验室需要实验场地、实验设备和相应的配套设备，这些会有很大的成本。虚拟环境下的教学，只需要在计算机中安装虚拟软件，并且各种虚拟软件可以在同一台计算机上安装。即同一台计算机可以实现计算机专业的很多课程的实验。
（5）是理论学习的好帮手。平时在真实环境中只能进行一次实验，不容易理解实验的原理。在仿真环境下可以放慢实验的步骤，充分分析试验原理。
（6）是真实环境的提前演练。在进行实验之前，学生可以在虚拟环境下对实验进行预习，对实验的步骤、命令、设置有了总体的了解。当到真实环境进行实验时就可以快速地对实验设备设置。当遇到问题时也能快速处理。
（7）是教学资源数字化的有效手段。教学资源的数字化是现代教学资源共享的前提。被数字化的教学资源可以通过数字存储设备进行共享，更多的是放到网络环境中进行共享。在虚拟环境中的教学，整个教学过程本身已经是数字化。因此在虚拟环境下，经过简单的记录整个教学过程（如进行屏幕录制），就可以得到数字化的教学资源。
（8）管理方便。真实环境下的教学，用到的实验室、设备，在应用前、后都必须维护、管理，耗费人力和成本。而虚拟环境，在计算机中只是一个个应用软件，甚至是一个文件。只要把应用软件和文件备份好，在发现虚拟环境受到破坏时，进行简单的复制和覆盖就可以恢复虚拟环境。
二、仿真环境与真实环境相结合的计算机专业教学模式设计
仿真环境只是真实环境的补充，不能完全代替真实的环境的教学。仿真环境由于平台的单一性、理想化，学习时不容易发现问题。但在真实环境里，由于平台的多样性、限制条件的多样性。在真实环境下学习，可以容易发现问题，进而思考解决问题的方法，最后动手去解决问题。因此真实环境比虚拟环境的实践性更强。在实际的工作环境下，如果学生在机器上架设Linux服务器，由于不同的计算机有不同的配置，在安装和配置Linux时需要不同的安装方式和配置手段，这时如果学生没有在真实环境下安装和配置过Linux，遇到的这些问题就没有办法解决了。因此，为了避免这种情况的出现，必须设置好模拟和真实教学环境的教学模式。教学模式的基本原则是让学生明白仿真环境的目的只是教与学的辅助手段，在真正应用时还必须回到真实环境中。因此，类似Linux操作系统课程的教学，应让学生先从真实环境开始学习，再到虚拟环境去重现真实环境中学过的内容。通过这样一个过程，学生更能意识到模拟环境下和真实环境的紧密关联。此后在模拟环境学习时，可以想象到真实环境下的操作。这样可以避免模拟环境的学习和真实环境学习的脱离。本文从课程特点出发，对虚拟环境和真实环境教学模式进行设计。
（1）模式一：操作系统、网络服务器操作类课程教学。这类课程，如果使用真实环境进行教学，必须在独立的计算机上进行实验。学生可以在独立的计算机上进行操作系统的安装、系统参数的设置、应用软件的安装、网络服务的安装与配置和系统故障的检查和排除。这类课程除了在安装操作体系时与计算机的配置相关比较大之外，其他的实验都是在操作系统之上进行的。因此，此类课程的教学模式设置为“1/3课时的实际环境教学+2/3课时的模拟环境教学”。顺序“实际-->模拟-->实际”。该模式可以让学生从实际出发，知道在以后的工作中的使用环境。当熟悉了实际环境并且搭建了操作系统后，可以在模拟环境中再安装操作系统，并对真实环境和模拟环境所搭建的操作系统的方法进行比较。从而体验模拟环境可以理想化的模拟真实环境，并在其上安装操作系统。接着后续操作系统上的实验可以在模拟环境中进行。最后在课程准备结束时回到真实环境中去验证一些在模拟环境中做过的实验。通过这样的模式，既方便教学又能理论联系实际。
（2）模式二：硬件和软件相结合类课程教学。这类课程特点是在进行教学时既需要对硬件进行操作也要对软件进行操作。实验无论是硬件配置错误还是软件配置有问题，都不能完成实验。在真实环境下，实验涉及的设备多、操作比较复杂，老师直接在这种环境下教学，教学的效率很低，学生在该环境下直接实验，实验的成功率比较低。因此这类课程的教学模式设置为“1/2课时的模拟环境教学+1/2课时的真实环境教学”，教学顺序是每个知识点“虚拟-->真实”。采用这样的教学模式，理论授课和教师的演示可以在模拟环境下进行，学生实验准备也可以在模拟环境下进行，之后在1/2的学习中在真实环境下进行，这样就可以提高教学的效率和实验的成功率。如微机原理及应用、网络工程设计。
（3）模式三：电子电路设计类课程教学。这类课程的教学需要学生设计电路模块，强调学生的实际动手能力。这类课程的教学模式是“1/3课时的虚拟环境教学+2/3课时的实际环境教学”，教学的顺序是“每个知识点的局部（理论）部分进行虚拟环境教学-->实际设计电子电路”。
三、仿真环境与真实环境相结合教学模式实践
以计算机专业教学过程实践过程中涉及的《win？鄄dows server 2008 服务器架设与管理》、《Linux服务器配置与管理》、《基于Cisco路由器与交换机的网络工程实践》和《单片机原理及应用》课程课程为例。这些课程教学时可以使用以上的教学模式，其中《windows server 2008 服务器架设与管理》、《Linux服务器配置与管理》可以使用模式一，《基于Cisco路由器与交换机的网络工程实践》可以使用模式二，《单片机原理及应用》使用模式三。
《windows server 2008 服务器架设与管理》、《Linux服务器配置与管理》、《基于Cisco路由器与交换机的网络工程实践》利用“计算机网络实验室”进行教学和实训，实验室有4个网络实验机柜，每个机柜有2个Cisco路由器、1个Cisco三层交换机、1个Cisco二层交换机、1个防火墙和8个具有双网卡PC机。4个实验机柜的32个PC机用其中的1块网卡连接成为1个局域网。PC机具有硬盘保护系统，安装多操作系统，和实验用的分区不保护（给学生学习安装操作系统），上课用的操作系统安装有vm、vpc、packet tracer、Boson Netsim、NS2和屏幕录制软件。
（1）进行《windows server 2008 服务器架设与管理》课程教学时，采样模式一，先给学生直接在PC未保护分区上安装windows server 2008（实际环境下实训），在windows2008熟悉相关的界面和环境，如IP地址设置、访问互联网等。接着在VPC虚拟机下用相同的步骤安装windows server 2008（虚拟环境），学生会发现在虚拟环境下安装和真实环境下按的步骤一样，同时备份好虚拟硬盘供以后实验使用。往后的服务器的安装与配置中在vpc虚拟机中进行。在实验过程中每次都可以从干净环境开始，可以进行快照，可进行屏幕录像。在本门课在模拟环境中完成所有内容的课程教学后，要求学生在真实环境中做一个比较大的网络项目，涉及WEB、FTP、DNS、NAT服务的安装与配置（回到真实环境）。这样的教学模式可以提高教学效率和降低实训难度。《Linux服务器配置与管理》的教学同样采用的是模式一。过程与windows2008类似。
（2）《基于Cisco路由器与交换机的网络工程实践》该课程是属于要对思科网络设备进行硬件的连接和设备软件的设置。因此采用教学模式二。在每个知识点教学时，可以先在模拟器上（如packet tracer）进行网络搭建和理论的讲解。当在模拟环境下实验成功后，接着将模拟环境下的网络结构和设置步骤、命令，在真实的环境下进行验证。通过这样的步骤，学生能很好地理解相关的理论知识同时可以较快速的在真实环境下实际，进而了解在真实环境下也有与模拟环境不同的地方，如接线是否牢固、网络设备是否原先有其他的设置。
（3）《单片机原理及应用》课程可以在“微机原理实验室”进行课程的实训。该实验室有11个实验桌，每个实验桌都配置有1台PC机、微机原理实验箱、单片机学习板、相关的电路模块和相关的测试仪器。软件有windows xp操作系统、proteus、masm、Keil、LabView和保护软件。这样的实验环境很适合模拟环境与真实环境的教学结合。《单片机原理及应用》的每个知识点都可以先在proteus仿真环境下进行理论讲解和实验，同时可以分析程序和电路运行是否符合要求。
四、结束
采用虚拟环境与实际环境相结合的教学模式，在计算机专业的相关课程中，增强了学生的理论知识的理解，加强了学生的实践动手能力和解决问题能力，提高了教学效率。本文提出的教学模式所使用的实验室，因为有了模拟环境的存在，有利于实验室的维护和管理。教师教学如果采用本文提出的模式，可以很好发挥教学效果的后续拓延，如录制教师上课操作步骤和学生操作过程，以便得到教学过程的数字化资源，并进行网络共享，以便学生复习使用，发挥该教学模式优势。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 何增颖，陈建锐.基于虚拟技术的计算机实验教学[J].实验室技术与管理，2012，（1）：79-82.
[2] 舒慧东.基于虚拟技术的实验室融合[J].实验室研究与探索，2011，（9）：206-209.
[3] 姚嵩.windowsserver2008服务器架设与管理教程[M].北京：电子工业出版社，2011.
虚拟实验设计论文篇（10）
随着高等教育的深化改革和招生规模的急剧扩大,我国高校普遍陷入了实验教学的困境,主要表现在硬件设施不足、教学时空受限、教学方法和内容落后。在计算机和网络通信技术快速发展的前提下,充分利用计算机资源的虚拟实验室成为解决这些现存问题、提高实验教学质量的重要选择。
1.虚拟实验室的功能
1.1教育功能
让学生通过使用虚拟或真实仪器、装置或系统的模拟装置来熟悉实验过程,掌握相关技术:能满足不同知识背景学生的要求,根据其能力、实验经验等调整资源模块,保证学生在单独使用模拟环境时能进行各种实验操作。
1.2辅助设计功能
例如现代电子系统的设计与分析,是运用EDA(Electronic Design Automation),在分布式网络环境下,在EDA平台上进行设计、下载、综合、仿真,然后在实际条件下进行测试。EDA模拟软件将仪器、仪表、模拟器件、数字器件等直观地反映在计算机屏幕上,可灵活地改变电路结构和参数,反复观察实验的结果,并动态显示电路的波形。
1.3协同实验和研究功能
虚拟实验室利用当前网络技术和设施,使参与试验的人员在远程相互合作,进行试验研究,为分布在世界各地的研究人员提供共同从事一个项目的分布式问题解决环境。
2.虚拟实验室系统体系结构及功能
2.1系统体系结构
组装计算机虚拟实验室的设计应遵循开放性、交互性、安全性、易于维护等原则。构建一个完整的虚拟实验模型,是开发虚拟实验的重要环节。根据虚拟实验室必须完全网络化的要求,以及计算机硬件系统的特性及课程的教学要求,我们设计如图所示的计算机硬件系统虚拟实验室体系结构。
2.2系统功能
2.2.1网络管理平台
2.2.1.1用户管理子系统。从安全性角度考虑,按权限由高到低将用户分为管理员、教师、学生和普通用户4个等级。管理员可对整个实验室的各个子系统进行控制管理;教师能够编写、修改和更新实验教学材料,确定实验报告提交的具体事项和修改实验报告,网上与学生交流,等等;学生能进入各子系统,能设计实验项目;普通用户仅能进行网上讨论、仿真运行已有的实验和浏览系统的教学资料。
2.2.1.2教学管理子系统。包括实验选择、实验报告管理、师生交互等。实验选择子项包括实验教学内容浏览,实验项目选择。实验报告管理子项包括实验报告的上传,教师对实验报告的批阅,学生下载批阅后的实验报告。该子项可确定实验报告的内容、提交的时间,并对报告提交进行时限管理。师生交互子项主要实现师生和学生之间的网上交流,并可通过电子邮件和BBS的方式实现。
2.2.2虚拟实验平台
虚拟实验平台主要用于实验项目(计算机硬件系统电路)的设计和仿真运行,是整个系统的核心部分。
2.2.3数据库
根据虚拟实验室性能要求,设计的系统数据库有:元器件库,设备库,实验项目库,用户库,实验报告库。
2.3系统功能模块
系统功能模块共分为七大模块。
2.3.1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。在学生管理方面,学生通过浏览器进行注册登录,登录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,以及完成情况)给出成绩,并进行统计分析与提供查询,等等。
2.3.2安装过程演示模块
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。
2.3.3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。
2.3.4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。
2.3.5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。
2.3.6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。
2.3.7虚拟实验模块
该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,以达到巩固强化知识的目的。模块内容根据学习的具体情况及实验建设条件,可不断增加。
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:
