虛擬仿真技術特點范文

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【關鍵詞】虛擬仿真技術 高職機電 教學應用

虛擬仿真技術在實際訓練教學過程中有明顯優勢，能夠保證學生得到充分的鍛煉和培訓，在機電專業教學中引入仿真技術，還可以使原料、設備和工具等做到節約，降低操作能耗和環境污染，還能避免設備的損壞。虛擬仿真技術不僅不會對操作設備造成嚴重損害，也不會對操作人員的失誤造成傷亡。虛擬仿真技術在高職機電專業中的應用在本文中還會有進一步分許和闡述，供高職院校參考。

一、高職機電專業教學面臨的困境

高職學校在學術實際訓練方面的設施設備部完善。當前，各個高職學校大都面臨著硬件資源不充分，教育經費不足的情況，沒有能力購買更多的實際訓練實驗器材和場地。面對這種情況，高職機電專業應該通過計算機虛擬仿真技術的使用替代實際操作，這樣既能保證學生的鍛煉，達到實驗的效果，還不至于浪費資源，污染環境。

實際訓練場地開放過少。場所開放太少，高職院校作為面向社會，用人單位和學生的服務單位，主要是開展科研和培訓等業務，但是卻受訓練場地的約束，開放時間不足以滿足社會和學生的需求。學生很難有足夠的時間到實驗室進行訓練，影響了學生的動手實踐能力的提高，目前的高職學生，使用電腦已經得到普及，通過虛擬軟件的運用，能夠讓學生即使不到實驗室也能得到實驗訓練。

高校在實驗設備和器材上的維修和保護都需要一筆不小的經費。硬件設施很容易損傷，而且高額的維修費用學校不一定負擔得起，而設備又必須經過多次的實訓耗材，為實訓帶來了沉重的代價，并加大了實驗室管理人員的壓力。通過虛擬仿真技術的利用，不但不用維修設備，還能為實驗訓練節省許多實驗耗材。

二、在虛擬技術的使用下構建虛擬實驗室

課堂教學和實驗中仍然存在很多問題：首先，當前的教學仍然存在理論教學為主的情況，實驗實習只是作為教學輔助；其次，學生的實驗操作存在問題，受場地和時間的限制，學生只有在上課時間才可以實驗室，平常幾乎沒有時間和機會進行操作鍛煉；最后，實驗設備不足以滿足學生在實驗上的需求，硬件設施落后，且維修成本高。虛擬仿真技術主要為了提高學生的技術操作能力，有構想性、交互性和多感知性的等特點，有利于教師開展實訓教學和專業訓練，在解決高職教育的就業和實習方面具有重要意義。

目前，大多數課程都能通過虛擬仿真技術得以實現實驗教學，建設虛擬仿真實驗室能夠降低高職學校的辦學成本，并促進虛擬仿真技術和有關人才的發展，在解決教育資源匱乏上有十分重要的理論現實指導意義。高職院校在引進虛擬仿真技術時需要結合本校實際情況，創設仿真資源，合理選擇，不同的高職院校針對機電專業的教學內容，就業定位等不完全相同，市場上的虛擬仿真軟件不可能面面俱到，因此，應該擴寬引進渠道，為虛擬仿真技術的購置要選取多種方法，建立仿真資源，在教學上為機電專業提供支持和幫助。

三、虛擬仿真技術在高職機電專業教學中的運用

彌補設備不足的問題。保障實訓教學的完成，并節省成本的使用。為使實踐教學項目的效果得到彰顯，過去落后的實踐教學方法急需一筆巨大的資金，投入到教學設備的購買和置辦方面，而且在教學過程中很容易消耗大部分原材料，傳統的設備和儀器都將被淘汰，不能適應當前的教學需要。站在教學資源的情況來說，虛擬仿真技術實際上減少的資金投入總共包括占地面積、建筑、設備、原材料和教師等方面，據考察，大致能夠降低3/10-4/5。還能減少實訓帶來的環境污染，讓學生在良好的環境下學習，得到實踐，提高教學效果。

替高職院校節省出一筆不小的經費。信息技術的迅速發展，高職教育中的傳統媒介具有較強的信息滯后性。科學技術的發展不斷進步，傳播也需要有一定的載體，例如硬件設施和教學資源的配置等。隨著知識經濟時代的到來，信息技術的發展更加迅速，傳統的硬件教學模式和實訓教學設備不久就可能因為技術落后而從社會上淘汰，然而，設備的改造和更新又存在困難，只能購買先進的設備設施來解決這一教學困難。當前我國的教學資源本就不足，不但使得教學資源更加減少，還可能因為教學過程中沒有使用相應的設備而陷入停滯狀態，更不利于學校的發展。運用虛擬仿真技術建設實驗室就能有效解決這一問題，可以讓實訓次數有所增加，促進軟件的升級和改良，不用把硬件資源全部更換。虛擬仿真技術最有特點的就是不用消耗任何原料，而且可以多次重復實訓的教學內容。虛擬仿真技術以其先進和容易改善的特點備受教育界青睞，不但減少了教育經費不必要的使用，讓教學內容不斷的在虛擬條件下更新進步，還能使實訓教學與技術發展相適應，在變化的教學中滿足學生和社會的需求。

提高學生學習興趣。虛擬仿真技術是教學中優秀的輔助工具，能適用于教學交流和實訓情景多個教學活動，虛擬的教學環境更容易讓學生激發學習興趣。虛擬仿真技術形象生動，直觀和互動性較強，也能及時對學生情況做出反饋，學生學習過程中的假設模型都能以虛擬仿真技術進行虛擬，優勢十分明顯，學生通過觀察虛擬假設得出的結果，還利于培養學生的創造性思維。因此，虛擬仿真技術利于學生較早熟悉實訓環境，盡快掌握專業知識與技能，調動學生學習熱情。

四、結束語

虛擬仿真技術在解決高職教育的實訓問題上具有重要意義，解決了設備不足，器材落后，硬件更新慢等困難，把虛擬技術運用到機電專業教學中，提高教學效果，解決面臨的實際問題，有利于推動高職院校機電專業的教學內容和課程改革，促進了虛擬仿真技術在高職院校中的運用與發展。

參考文獻：

[1]熊淑平.虛擬仿真技術在高職教學中的應用探析[J].黃河水利職業技術學院學報，2013.

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隨著社會的發展和進步,人們的生活水平和生活質量都得到了很大的改善,因此,對醫學的發展也提高了關注。目前,醫學教學觀念和教學模式都發生了很大的轉變,學校也開始了對高素質人才的有效培養和教學,其中,虛擬仿真技術是醫學教學中的重要手段和方式,對傳統的醫學實驗教學提出了很大的改進。虛擬仿真技術對推動醫學教學改革、創新教學模式和培養學生的綜合技能都有著重要的作用和影響。本文主要介紹了虛擬仿真技術的概念,并分析了虛擬仿真技術在醫學實驗教學中的具體應用。

關鍵詞:

虛擬仿真技術；醫學；實驗教學

隨著科學技術的迅速發展,醫學實驗教學方面出現了許多的新技術和應用,對醫學教學產生了很大的影響。其中虛擬仿真技術是目前比較先進的技術應用,且獲得了廣泛的應用和發展,特別是對計算機技術和多媒體技術的應用,提高了醫學實驗的教學質量,創新了醫學實驗教學的模式。虛擬實驗教學是一種在計算機技術基礎上發展起來的情景模擬技術,能夠讓用戶體驗到一種身臨其境的感覺,實現和具體的情景接觸,產生一定的體驗,為實際的操作提供一定的基礎。

1虛擬仿真技術的概述

虛擬仿真技術是在計算機技術的基礎上發展起來的新興的科學技術,是指利用多媒體技術的結合,創造形成一個有視覺、聽覺和觸覺的虛擬現實環境,讓用戶體驗到一種身臨其境的感覺。在這個虛擬的環境中,用戶能夠感受到空間中客體的存在,也可以和虛擬空間中的客體進行相關的互動,這項技術的應用,主要是加快用戶對相關知識的認識效率。虛擬仿真技術涉及的方面比較多,主要包括計算機技術、多媒體技術、網絡技術和人工智能技術等,另外,還有計算機的圖像處理和模式的識別等,是現代仿真技術的有效發展和外延[1]。虛擬仿真技術的主要特點就是,讓用戶獲得真實的體驗,和虛構的客體進行交互,并產生一定的想象。在虛擬的空間中,實驗人員可以進行和現實世界中同樣的活動和實驗,而且受到的外界影響因素比較小,實驗產生的效果也更好一些。特別是在醫學教學中的應用,能夠有效的提高學生的實踐能力和創新能力,因此,虛擬仿真技術的應用具有重要的意義。

2虛擬仿真技術在醫學實驗教學中的應用

虛擬仿真技術的發展和應用對醫學實驗教學產生了很大的影響,特別是對傳統的醫學實驗教學方式和實驗模式進行了很大的改進。傳統的醫學實驗教學中,缺少實驗的設備和實驗的客體,學生的實際操作能力得不到有效的鍛煉,所以,對學生的學習和操作能力培養不到位[2]。虛擬仿真技術的應用為學生進行實驗操作提供了一定的基礎,也實現了對學生的有效培養。目前虛擬仿真技術在醫學實驗教學中的優勢主要體現在以下四個方面。

2.1虛擬仿真技術改善了醫學實驗教學設備在醫學實驗教學中,對設備的要求比較高,主要包括一些實驗用的動物或者尸體、實驗用到的儀器和設備以及相關的實驗經費等,都對實驗教學的有效進行產生了一定的影響。隨著社會的發展,解剖學在目前獲得了很大的發展,也是醫學教學中最基礎和最重要的課程,所以,一定的實驗設備在教學中是非常關鍵的,對教學的有效性影響也很大。目前,虛擬仿真技術的廣泛應用和發展,很好的解決了醫學實驗教學中的這些問題,不但豐富了實驗教學設備,學生可以利用虛擬的“尸體”進行操作和實踐,也很好的鍛煉了學生的實踐動手操作能力。

2.2虛擬仿真技術能夠提高學生的興趣虛擬仿真技術能夠為學生提供相關的實驗環境,創造一定的基礎性實驗條件,同時,還能夠實現學生在虛擬的空間環境中和客體進行有效的交流,提高學生對相關內容的認識和理解。虛擬仿真技術在醫學試驗教學中的應用,能夠將聲音、圖像和相關的多媒體演示功能進行結合,豐富實驗教學過程和教學內容,充分的提高了學生的興趣[3]。同時,將具體的教學內容變得形象和生動,而且有一定的視覺沖擊力,方便了學生的理解和掌握,因此,提高了實驗教學的效率和質量。比如,在進行細胞膜的教學時,可以利用虛擬仿真技術建立細胞結構,動態化的展示,可以讓學生更好的觀察和學習。

2.3虛擬仿真技術突破了時間和空間上的限制虛擬仿真技術的應用,對傳統的醫學實驗教學產生了很大改變,打破了時間和空間上的限制,學生可以通過虛擬仿真技術對動物的內部結構進行有效的觀察,以及實現動態化的觀察[4]。比如要了解一些藥物的成分和產生的身體反應,在傳統的教學中,通過一定的講述過程是無法實現有效教學的,學生也難以理解。因此,虛擬仿真技術的應用,實現了這些過程的快速進行和變化,同時,將這些反應過程和變化情況能夠清晰的表現出來,幫助學生進行學習和理解。

2.4虛擬仿真技術避免了在具體實驗中的危險情況醫學實驗過程存在一定的危險性,會對人體的健康產生一定的危害,比如一些感染性的疾病等。所以,隨著虛擬仿真技術在實驗教學中的應用,避免了學生和實驗對象的直接接觸,而是通過虛擬的方式產生實驗的客體,所以,不需要考慮實驗過程中產生一些危險性的因素,因此,對相關的實驗進行有很大的幫助。除此之外,虛擬仿真技術也很好的幫助學生積累了臨床經驗,有效的鍛煉了學生的實際操作能力,有利于學生的綜合水平提高和發展。

3結語

隨著虛擬仿真技術的發展和應用,改善了醫學實驗教學,虛擬仿真技術的應用,加深了學生對于醫學知識的認識和理解,提高了醫學實驗教學的質量和效率。另外,虛擬仿真技術打破了時間和空間上的限制,完善了實驗教學的設備,并有效的避免了在試驗中的不安全因素,對醫學實驗教學具有重要的意義。

參考文獻

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關鍵詞：虛擬仿真；電子類實驗教學；應用

TP391.9；TN0-4；G642

一、虛擬仿真技術的概念與優勢

虛擬仿真技術在電子類實驗教學中的應用主要有兩種方面：虛擬儀器技術和仿真。最早虛擬儀器這個概念是由美國儀器公司提出的，其主要含義就是“軟件就是儀器”通過對應的軟件來實現儀器的主要功能。在使用過程中利用LabvIEW編寫虛擬的儀器面板，將各種數據信息采集設備和軟件的仿真平臺搭建出一個不同的仿真系統。仿真則是利用模型進行實驗，對電路環境與電路過程中進行模擬，得到真正實驗的全過程。虛擬仿真技術的核心內容就是將虛擬與實際結合，從而達到最佳的實驗教學效果。同時，在虛擬仿真技術在使用過程中有以下幾種優勢

（一）節約成本

在傳統的教學模式創新中需要不斷的增加各種教學儀器設備，增加教學成本，而且要想進行實驗只能在實驗室進行。虛擬仿真技術的出現更好的解決了這些問題，在教學過程中只需要具備仿真軟件計算機就能在任意地點進行實驗，方便教師教學。

（二）理論與實際結合，激發學生興趣

虛擬仿真技術可以將虛擬與實現結合，學生在接受新知識時還鍛煉了學生的動手實踐能力。將實驗教學內容以更直觀的形象展現出來，激發學生的學習興趣，提高學習效率。

（三）實驗平臺的統一性和可恢復性

在使用虛擬仿真技術時，可以將多門課程實驗進行統一，并為學生提供一個設計、原型、科學、的應用平臺，這樣不會丟失原有的實驗信息，還會完成從原型設計到系統部署之前所有工作，從而將虛擬教學內容與實際教學實驗的理論、知識更好的結合起來。

（四）教學內容的靈活性與創新性

虛擬仿真技術不同于其他試驗箱數量固定的實驗內容，在使用其技術時還會根據不同的需求搭建出一個不同的實驗電路，讓學生更直觀的了解教學內容，同時還有利于教師開展一些綜合性與設計性的教學實驗，從而培養學生的創新能力。

二、虛擬仿真技術在電子類實驗教學中的應用

隨著電子技術快速發展以及教學內容不斷的更新，傳統的實驗教學模式已經跟不上社會的發展，其中還存在著一些不足，虛擬仿真技術的出現將實驗教學進行全新的完善，激發學生的學習興趣，提高學生學習效率。電子電路課程是電子類專業必修課程，其中包括了：電路分析、模擬器電子技術、數字電子技術。在這三門課程中虛擬電子技術被學生們認為是一個難度最大，理論性較強的的一門課程。一般來講，虛擬電子技術是與教學理念同步，有時也會落后于教學課堂。在傳統的實驗教學過程中，學生對實驗的電路理論不夠了解，對實驗中可能出現的問題還沒有特別清楚，因此，對于多數學生來說，在實驗過程中一旦出現問題找不到任何的突破點，從而降低學習興趣。在虛擬仿真技術中以二階段有源低通濾波器為主的教學實驗可以幫助學生加深對知識的了解，鍛煉學生的動手動腦能力。

（一）二階有源濾波器的仿真實驗

在虛擬仿真技術中，常用的仿真軟件有：Multisim、Pspice、Proteus等。在此，本文對Multisim在虛擬仿真技術中的使用以二階有源濾波器電路進行了仿真。該技術操作簡單容易上手，它在使用過程中具有非常多的元器件、虛擬儀器，它的功能強大，在使用過程中還為學生提供專用的萬能表、示波器等常用儀表設備，而且還為學生提供了虛擬仿真技術的網絡分析儀、頻譜分析儀等儀器設備。二階有源濾波器在教學過程中具有仿真的電路圖，只需要在使用時輸入信號頻率和幅度，就可以通過濾波器的示波器進行觀察，并讓學生做出總結。同時，在使用時還可以利用波特圖測試儀，設定使用頻率的反問，保證學生可以更加直觀的觀看到二階有源低通濾波器的頻率響應線，學生在上課過程中就可以通過幅頻特性曲線找到濾波器的頻率。這樣，學生就可以搭建出一個更為實際的電路，進行實驗，從而總結出自己所得結果，并于教師交流。

（二）二階有源濾波器的實際電路測試

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關鍵詞：電子技術行業 虛擬仿真技術 應用

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0000-00

電子技術行業的各類設備產品必須具備良好的設計方案才能夠保障其工作狀態的理想。電子行業具有產品更新快研發周期短的特點。為了滿足不斷發展的市場需求，加快產品結構的升級，在核心技術領域取得重大突破，電子行業必須采用新的研究方法和技術。虛擬仿真研究是目前電子行業所廣泛采用的一種新的方法和技術。本文即以直流穩壓電源以及數控機床為切入點，對虛擬仿真技術在上述兩個領域中的應用要點及價值進行分析與探討。

1 虛擬仿真技術概述

虛擬仿真技術即虛擬現實技術，也可稱之為模擬技術，技術核心是用一個完全虛擬的系統對另一個真實存在的系統進行模擬。此項技術涉及到多個學科，是計算機圖形、人機交互、傳感技術、以及人工智能等多個學科的交叉綜合領域。虛擬仿真技術主要包括三個方面的含義：第一是借助于計算機所生成環境具有虛擬性的特點；第二是人對這種虛擬環境的感知是高度逼真的；第三則是人可以通過自然的方法與虛擬系統實現交互，系統可響應人的動作并作出合理的反應。

當前虛擬仿真技術被廣泛應用于包括汽車制造、道路橋梁、油田礦井、教育教學、電子技術、以及水利電力等在內的多個行業中，體現出了包括交互性、沉浸性、虛幻性、以及逼真性這四個方面的特點。對于電子技術行業而言，虛擬仿真技術的最主要優勢是可對產品設計或優化方案在實踐前通過高度仿真的模擬環境進行分析，以驗證方案的可靠性以及有效性，兼顧實現了提高效率，縮短周期，以及控制費用等方面的性能優勢，有推廣價值。

2 虛擬仿真技術在直流穩壓電源中的應用

直流穩壓電源的組成部分包括電源變壓器、濾波電路、整流電路、以及穩壓電路四個部分。電網供給的交流電壓在經過電源變壓器降壓處理后得到與電路需求相對應的交流電壓，然后經由整流電路變化為方向恒定、大小伴隨時間變化而變化的單線脈動電壓，并經過濾波電路進行濾過（濾過交流分量），通過此環節處理后得到相對平滑的脈動電壓。最后經過穩壓電路處理，以確保電網電壓以及負載水平在發生改變時電壓維持在穩定狀態下。為更加清晰的了解整個電路的工作原理與運行情況，可以借助于虛擬仿真軟件，在軟件模擬環境下通過設置開關或調整電路結構的方式觀察示波器所呈現出的波形變化。本研究中引入Multisim10虛擬仿真軟件，該軟件借助于圖形方式創建電路，具有界面直觀、操作簡便、調用方便等優勢。本軟件提供有包括交流、直流等在內的17種分析方法，虛擬仿真能力強大。

整流電路仿真分析下全波整流與半波整流波形圖如下圖1所示。結合圖1：4個二極管所構成橋式全波整流電路，其核心作用是將正弦變化的電壓演變為脈動電壓。通過設置開關J1為開啟狀態的方式，對整流器在二極管損壞狀態下所產生的開路情況進行模擬。則全波整流轉換為半波整流，半波整流下所對應輸出電壓為0.45*全波整流電壓。

通過對直流穩壓電源系統中J2開關進行接通或斷開的方式能夠對比波形觀察得到：在電容接入電路內后，輸出電壓平滑程度明顯提高，波紋得到有效控制，同時輸出電壓平均值也有一定的增加。其依據是：在電容接入電路內后，電容可有效存儲電荷，同時對高頻分量而言容抗腳下，從而電流中的交流成分可通過電容C1而被旁路。在電容維持恒定的狀態下，可通過調整負載電阻運行仿真的方式，使示波器分別顯示濾波器輸出波形，仿真結果如下圖2所示。結合圖2來看，電容放電時間常數為RC。在C為恒定狀態下時，R取值越高則意味著放電速度越緩慢，輸出波形更加平滑，輸出電壓值更小；在R為定值狀態下時，電容器容量越大則意味著放電越慢，所對應輸出波紋越小，輸出電壓值更大。

除此以外，通過對虛擬仿真軟件的合理應用，還能夠對直流穩壓電路的改進設計效果進行仿真驗證，以確保改進方案的實施效果理想。以某直流穩壓電路對集成電路以及自保電路的改進方案而言，為驗證該方案的可靠性，借助于Multisim10虛擬仿真軟件進行實驗。操作方法為：在Multisim10虛擬仿真軟件按照改進方案構建直流穩壓電壓仿真點圖，以供電電壓220V（±10%）為標準進行虛擬仿真。借助于4綜虛擬示波器對各點波形進行觀察并讀值，虛擬仿真實驗結果如下圖3所示。結合圖2可見：經過改進后，直流穩壓電路波形脈動被控制在較小范圍內，電壓輸出穩定程度高，可保持在12.036V左右，經計算穩壓系數為0.015（符合

3 虛擬仿真技術在數控機床中的應用

數控加工是現代模具CAD/CAM加工體系中不可或缺的重要內容之一。以五軸數控加工技術為例，所對應的模具工件性狀復雜，對表面質量要求高，因此對銑削加工提出了非常嚴格的要求。五軸加工在完成最后一次裝夾后，可以從多個面加工工件，其優勢在于節約了大量的裝夾時間以及輔助測量裝置，且加工位置精度更高。在數控機床設計及性能驗證中通過對虛擬仿真技術的合理應用，一方面能夠使數控機床充分且合理的應用于對模具以及機械產品的加工中，另一方面能夠為正確且充分的應用數控機床，完成更多模具以及機械產品加工提供保障。以某單葉片曲面零件數控加工實例為例，采用五軸加工方案，引入五軸五聯動編程開發技術，同時對后置技術進行了編程制定。為進一步驗證數控機床五軸五聯動方案的編程程序正確性以及后置處理結果的可靠性，借助于虛擬仿真技術，在仿真軟件所提供虛擬環境下參照數控機床實際配置構建實驗模型。虛擬仿真結果顯示：所模擬機床在對零件進行加工的全過程中刀具路徑未發生偏差，加工零件性狀基本與設計要求相符合。

4 結語

本研究中針對虛擬仿真技術在電子技術行業中的應用問題進行分析及探究，通過上述分析不難發現：在電子技術行業中積極應用虛擬仿真技術能夠有效解決以往設計方案直接應用于實踐中存在的浪費或失誤問題，避免了不必要的事故產生，可以有效提高電子技術產品及相關設備的使用壽命與性能，對促進電子技術行業的發展也有重要價值。

參考文獻

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[3] 周凱，那日沙，王旭東 等.Saber在電力電子技術仿真中的應用[J].實驗技術與管理，2015（3）：126-128，140.

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基于虛擬仿真技術和計算網絡技術的實驗教學方法已經成為不可或缺的實驗教學手段。虛擬仿真實驗教學體系的構建，將促進教學資源的科學規劃和持續發展。以學科發展為依托、以培養具有綜合實踐能力和創新能力的人才為目標，本著能實不虛、虛實結合的原則，在實體實驗的基礎上，打破原有實驗教學環節和專業內容所固有的界限，探索構建了三平臺、三層次、一體化的“三三一”虛擬仿真實驗教學體系。“三三一”體系的構建既豐富了專業實驗教學內容，又為學生在基于虛擬仿真技術的跨專業大型綜合實驗教學資源中，提供更多的應用技能、綜合能力和創新能力訓練的機會。

關鍵詞:

電氣工程;自動化;虛擬仿真

天津大學電氣與自動化實驗中心承擔著面向全校10個專業、47門課程的本科生實驗教學工作，其中包括課程實驗、課程設計、生產實習、畢業設計等多種教學實驗環節。近年來，實驗中心為了解決大型綜合實體實驗項目在建設、運行、維護等工作中受場地或經費等條件限制、阻礙學科建設與發展的問題;為了滿足學生創新訓練的需要，積極促進科研成果向教學資源的轉化，在實體實驗教學環境不斷完善、發展的同時，對部分專業課實驗教學內容進行了虛擬實驗環境及仿真系統的開發與建設。先后建設了“智能電網仿真實驗教學平臺”、“多相流虛擬仿真實驗教學系統”、“高電壓虛擬仿真實驗教學系統”、“機器人及自主系統虛擬仿真實驗教學平臺”、“工業生產線虛擬環境”等一批虛擬仿真實驗教學資源［1－2］，并全部應用于實驗教學中。2012年9月為了更好地管理和優化教學資源，學校成立了電氣工程與自動化虛擬仿真實驗教學中心。按照培養具有綜合能力、實踐能力和創新能力的高素質人才的需要，本著“相互補充、互融互通”的原則，構建了“三平臺、三層次、一體化”的“三三一”虛擬仿真實驗教學體系。經過5年的時間，依照“能實不虛、虛實結合”的原則，完成了15個虛擬仿真實驗教學項目的建設工作。虛擬仿真實驗教學體系為實驗資源開發提出了明確的目標。

1虛擬仿真實驗教學的特點

充分發揮虛擬仿真實驗教學的特點和優勢，是構建一套科學、高效、可持續發展的虛擬仿真實驗教學體系的關鍵。其特點如下。

1．1豐富的教學內容

基于互聯網的虛擬仿真技術為實驗教學帶來了不受時間、空間限制的特點，它可以將學生帶入未知的科學世界。相比傳統實體實驗課程的內容，虛擬仿真實驗項目可以是千變萬化的［3］。學生不僅可以利用所學知識靈活地解決問題，還可以按照自己的興趣愛好設計問題，探索未知的世界。例如:傳統的電機學實驗，學生只能觀測電機外特性結果，無法從根本上理解電機的內部磁場分布、不同運行工況下的磁場變化。而虛擬仿真實驗利用電機電磁場有限元分析軟件，使學生能通過虛擬仿真環境，了解電機內部磁場分布及性能特性曲線。同時，虛擬仿真技術打破了不同專業實驗室的隔墻，為跨學科的交叉應用提供了廣闊的實踐天地。

1．2靈活的教學環節

為體現“以人為本”的教育、教學理念，適應個性化學習需求，有利于創新能力的培養，實驗教學體系應該包含多層次的實驗教學環節，學生可以選擇適合自己知識水平、興趣愛好的實驗內容。并且隨著學習進度的變化，可以跨越教學層次提升(或回顧以往)實驗內容［4］。這在實體實驗教學活動中是很難實現的。靈活的虛擬仿真實驗資源建立了不同教學環節之間的知識鏈接，使學生在夯實基礎知識的前提下，有更多接觸專業實驗和創新實踐的機會。

1．3不可及和不可逆過程的實現

在涉及高危或極端環境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時［5］，虛擬仿真技術提供可靠、安全和經濟的實驗手段。例如:在“高電壓虛擬仿真實驗教學系統”中學生可以隨時觀察高壓放電的模擬場景。

1．4無處不在的實驗室

基于互聯網的虛擬仿真實驗教學資源不僅可以為學生在任何時間和地點開展實驗提供條件［6］，同時也可以將優秀的實驗教學資源開放，為兄弟院校、企業、社區提供教學服務。

2虛擬仿真實驗教學體系的構建

虛擬仿真實驗教學體系在教學大系統中，與實體實驗教學體系相互補充，同樣需要遵循實驗教學的客觀規律和基本準則［7－8］。通過利用“互聯網思維”和“虛擬仿真技術”對現有實體實驗教學活動中的內容和環節進行了全面的、系統的再設計，形成了科學的和可持續發展的虛擬仿真實驗教學系統。首先將基礎實驗、專業綜合實驗和創新與實踐訓練的三個虛擬仿真實驗教學平臺按照理論應用、綜合設計、系統構建劃分三個教學層次;然后利用虛擬仿真實驗教學的特點和優勢，將不同平臺(教學層次)的實驗項目進行互聯互通、相互融合，形成了教學體系的一體化。

2．1以教學環節為導向的實驗教學平臺

以教學環節為導向的實驗教學平臺包括基礎實驗教學平臺、專業綜合實驗教學平臺以及創新與實踐教學平臺，如圖1所示。

2．1．1基礎實驗教學平臺

該平臺側重基礎知識的教學工作。通過驗證基礎科學和技術原理，使學生切身體驗科學發現與工程技術的發展歷程，進而內化為其自身的工程意識與素養［9］。虛擬仿真實驗教學可以為學生提供不受限于時間、地點的實驗環境，“無處不在的實驗室”有助于提高學生做實驗的興趣、培養獨立思考問題和解決問題的能力。

2．1．2專業綜合實驗教學平臺

專業綜合實驗平臺主要包括課程設計、綜合實驗、工程設計綜合訓練等集中教學環節。由于部分綜合類實體實驗受實驗設備功能的限制，學生可以選擇的實驗內容有限，尤其是一些大型、高風險、高能耗、高成本、不可及或不可逆的項目根本無法對本科生開放。構建虛擬仿真專業綜合實驗教學平臺，將不可能變成可能，不僅可以開設大型綜合實驗項目的仿真環境，還可以實現跨專業的綜合實踐訓練。為學生提供貼近實際的工程應用，對解決現實條件無法滿足專業綜合實驗教學需求的矛盾有著不可替代的作用。實現了實驗室與生產現場的“無縫對接”。

2．1．3創新實踐教學平臺

科學的創新實踐教學方案需要良好的教學平臺支撐。利用虛擬仿真技術針對電氣工程及自動化專業的學科特色，結合“智能電網”、“航空航天”、“機器人”、“工業自動化”以及“新型傳感器”等專業領域前沿技術建立虛擬仿真系統，從實驗教學環節加強學生對相關學科前沿成果的深入理解。

2．2以教學目標為導向的三層次

在三個教學平臺中學生可以循序漸進的完成知識學習和技能訓練。但是，由于學生在專業方向、學習進度、興趣愛好等方面存在個性差異，所以在學習過程中就會需要在不同的教學平臺之間進行廣泛的聯系，尤其是學科交叉的教學資源中，需要橫向的、跨平臺的知識融合。每個虛擬實驗教學平臺分別按照理論應用、綜合設計、系統構建三個層次進行劃分，充分發揮虛擬仿真技術的優勢，建立實驗教學平臺之間相互補充、互融互通的橫向鏈接。如圖2所示。

2．2．1理論應用層

理論應用層重點突出的是圍繞基礎理論知識，利用虛擬仿真技術為學生提供豐富的實驗內容，包括一些看不見、摸不到的物理現象，基礎理論在實際工程應用的案例等。更為重要的是，通過互聯網虛擬仿真技術的應用，學生可在任何時間和地點直觀形象的完成本專業科學理論與科學技術的基礎性實驗，有助于學生夯實理論知識。

2．2．2綜合設計層

綜合設計層是將相關專業基礎知識交叉綜合應用。著重培養學生運用專業基礎知識、實驗技術和實驗手段、分析問題、解決問題的能力，使學生不論在知識的積累上還是實驗技能的提高上都有較大的飛躍。通過虛擬仿真技術的應用，實驗場景可以更加貼近工程實際，有效解決以往受實驗設備或場地限制［10］，用抽象的示意模型代替復雜受控對象的問題;在大幅度提高實驗項目豐富程度的同時，通過互聯網技術的應用也可以提高教學資源的共享率。

2．2．3系統構建層

系統構建層是讓學生在虛擬環境中將所學到的工程研究與創新方法得到應用和訓練。讓學生體會利用掌握的知識和技能在復雜工程實踐中解決問題的快樂，真正做到學以致用［11］。該類實驗可培養學生從事科學研究和技術開發的綜合能力，為培養具有創新能力的高素質專業人才提供訓練條件。虛擬仿真教學體系中的系統構建層實驗教學資源有效的解決了生產實習、畢業設計等環節與工程實際脫節的問題。

2．3互融互通、互為補充的一體化理念

虛擬仿真實驗教學體系如圖3所示，其中教學平臺的教學資源根據教學目的而設計，課程內容貫穿資源;教學層次是以培養應用能力為目標，將不同平臺教學資源橫向連接。在注重專業培養、因材施教的同時，教學平臺之間互融互通，教學層次之間相互補充［12］，是虛擬仿真實驗教學中心“一體化”建設核心。虛擬仿真實驗教學體系一體化建設打通了學科專業界限，是培養創新型人才的新機制。

3結語

篇6

Abstract: In the actual teaching of project cost, if take the simulation technology in engineering cost course to construct the three-dimensional panoramic display of highways, bridges and tunnels in civil engineering, we can freely control the viewing angle and picture zoom, with real pictures, the effect is direct and can improve the effect of learning. This paper, taking the tunnel project as an example, talks about the applications of simulation technology in engineering cost courses.

關鍵詞：三維空間結構；模擬仿真技術；課程教學；應用

Key words: three-dimensional structure；simulation technology；teaching；application

中圖分類號：G42文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2011）05-0161-02

1工程造價課程的發展瓶頸

在實際的工程造價課程教學中，學生由于缺乏空間想象，對工程結構沒有感性認識，無法理解抽象的理論，給教師教學及學生學習帶來了瓶頸。因此，我們希望通過虛擬仿真系統來解決傳統工程造價教學中存在的種種弊端。在教學中使用仿真技術，可以充分調動學習者的感覺和思維器官，使所觀察的事物栩栩如生地展現在面前，任學習者正面、側面、反面仔細觀察仿真技術的發展被認為是解決傳統工程造價教學瓶頸的一把利器。

本文正是從當前工程造價教學的基本情況以及教學難點出發，將仿真技術引入到開發工程造價教學軟件的過程中。本研究選擇隧道工程作為研究的案例，通過利用目前比較成熟的計算機模擬仿真技術，為老師和學生提供一個模型展示平臺。

2模擬仿真技術的應用的效果

模擬是指用一個數據處理系統，來全部或部分地模仿某一數據處理系統，使得模仿的系統能像被模仿的系統一樣接受同樣的數據，執行同樣的程序，獲得同樣的結果。有時也簡稱為仿真，是用模型（物理模型或數學模型）來模仿實際系統，代替實際系統進行實驗和研究，是產品設計和制造中的常用技術手段。

從國內外職業教育專業信息化可以看出，模擬仿真技術具有先進、便捷、安全等優點，仿真教學系統向工程類職業學校提供了培訓學生的高技術工具，將專業課程和實習環節相結合，培養學生了解生產操作、熟悉生產原理的能力，提高了學生動手操作的興趣與水平。以較少的投入滿足了學生的實踐需要。許多專業課程由于受到設備、場地和經費等條件的限制，可以選擇采用模擬仿真技術。但模擬仿真技術應用于工程造價課程教學實踐的研究很少，可參考的研究成果幾乎沒有。

3研究方法

3.1 文獻研究法在研究中，通過對多種學習資料的閱讀、分析，了解到了當前研究的發展狀況，為論文的撰寫奠定了必要的理論基礎。

3.2 個案研究法在研究中，通過具體的案例，對工程造價教學進行研究，發現問題、解決問題、優化教學策略，設計教學軟件開發方案，最終完成系統的設計與開發。（圖1）

4模擬仿真技術在造價教學中的應用

重點是構建土木工程中公路、橋梁、隧道的立體全景展示。在三維仿真動畫展示過程中，可自由控制觀看角度及畫面縮放，配合實景照片，效果直觀。施工流程部分以簡單的工程施工3D動畫，配以實景圖片及施工工藝文本說明，使學生能更直觀地了解工程施工的流程步驟。公路、橋梁、隧道的分解結構模塊通過點擊結構圖中的交互熱點，顯示該局部結構的名稱、所在位置以及該結構的詳細說明窗口，其中包含局部結構3d展示、工程量復核、定額、工程圖紙。為了滿足課堂教學的需要，支持文本和圖紙的縮放、自由拖動功能，以增強課堂教學實際效果。人性化的人機交互界面及流程分類設計，學生在課余時間也能通過簡單直觀的軟件操作進行學習。選題立足于公路工程造價專業，重點在于利用該模擬仿真技術將造價及工程量復核等內容更加形象地展示出來，使課程的實效性更強（表1）。

5隧道工程案例

在傳統課程教學中，教師都會按照既定的教學過程來實施教學活動，那么在仿真公路系統中，學習者的學習活動應當如何開展？隧道模型概述為由以下幾個部分：

5.1 用戶界面呈現在工程仿真系統中，學習者必須是通過用戶界面與仿真系統進行交互。因此，構建和諧友好、方便操作、逼近工程實體虛擬系統要解決的首要問題。仿真系統的真實性可以豐富學習者在虛擬情境中的體驗，方便性主要表現在學習中按照學習者的進度，適時的為其提出指導性建議（圖2）。

5.2 仿真情景設計仿真系統要依據學習者的經驗、知識背景及需求，呈現具體的公路工程、橋梁工程、隧道工程等信息。設計工程實例，仿真場景和工程對象，通過情境設計，以激發學習者的興趣（圖3）。

5.3 工程造價數據分析通過仿真系統的現象觀察，具體進行工程造價結果的分析，處理工程數據，并根據反饋信息及時調整策略，這有助于提高學習者對造價編制過程的反應能力以及對因果關系的敏感性。該過程中須關注在工程內容的一致性、工程過程的交互性等問題（圖4）。

6實用價值和重要的現實意義

6.1 課件制作方法的探索使用直觀的設計方法取代繁瑣的傳統編程式的課件制作，老師把更多精力放在課程本身的教學設計上，只需根據實際教學需求，設計課件，向學生展示工程結構；體現新一代課件的廣闊應用前景。

6.2 促進學生探索性的學習現在的教學所采用的方法比較單一，學生在上課中往往很被動，面對各種各樣的公路、橋梁、擋土墻，結構物感覺一片茫然，老師怎么說，學生就照著怎么做。很多時候上課只停留在不動腦的機械勞動階段，達不到提高學生動手能力的目的，這樣的知識傳遞過程較為單調，效果也不明顯。在仿真平臺上，學生可以擺脫了原有模型設備條件的約束,在更形象的知識領域內自主探索，促進了學生創新意識和創新能力的培養。

6.3 降低了各類開支費用工程仿真系統降低了科研成本，節省研究經費，并能夠充分發揮現有計算機技術、,提高使用效率。

篇7

為了應對工業工程在有關工業系統設計、管理及優化等綜合性實驗課程開發難度較大的問題，該文提出將計算機仿真技術與項目教學、案例教學相結合，實現了“教、學、做”一體化，并且，在顯著改善實驗教學條件、提升實驗教學效果的同時，減少了設備消耗，尤其是耗材的使用量，節省了實驗經費，而且克服了時間與空間上的限制，使得工業工程綜合實驗課的開課率和學生的專業綜合能力得到顯著提升。

關鍵詞：

計算機仿真；工業工程；實驗教學

計算機仿真技術是繼數學推理與科學試驗之后認識世界自然規律的第三類基礎方法。基于計算機仿真技術的虛擬教學是指利用實物和計算機軟件共同模擬出真實的情境，讓學生在模擬的情境下進行探究和學習。這種教學方法生動形象，接近現實工作場景，有利于提高學習興趣，使學生在短時間內進入相應情境，真實的體驗如在現實中執行任務的感覺，以達到更快掌握技術手段的目的，而且這種教學方法可以利用計算機軟件的優勢創造出靈活多樣的工作場景且不受行業限制，使學生對實踐問題的認識更深入，采用的應對方法更靈活。由此“計算機仿真技術”便成為專業學習及實際應用中的重要方法和技術手段。工業工程作為管理科學與工程的二級學科，其人才培養目標是培養出面向生產、管理、服務的高級專業技術和管理人才，面向的工作崗位主要有制造業現場管理、產能計算、生產計劃與控制、項目管理、精益生產等，以及服務業的流程優化、工作研究等。其中，制造業涉及行業范圍廣、產品種類多、工序過程各異，因此，在教學過程中需要通過一系列系統的實驗項目培養學生專業的問題提煉能力及問題分析能力，并采用專業的技術方法和手段有針對性的對問題本質進行處理。然而，正是由于工業工程方法應用行業的廣泛性及多樣性，使得我們不可能如其他5類工程學科般擁有自己典型的實驗實訓設備，亟需我們在實踐教學過程中探索新的教學方法與實驗支撐技術。

1工業工程實驗課程教學現狀分析

工業工程類實驗課程的教學，在傳統的教學模式中，主要是以“理論課+實驗室”的模式，強調學生對工業工程專業基本方法和技能的掌握與應用，如，工作研究、動素分析、人機工程、物流工程、流程優化、現場改善等基本技能與方法論。傳統的實驗教學過程中，基本上遵照如下流程：首先，引導學生進行以上理論課的學習，使學生知道、了解并掌握這些基本的專業手法與技能；其次，通過開設相關實驗課程讓學生對所學的這些技術方法展開實踐，從而幫助學生達到訓練并養成工業工程專業素養的目的。然而，目前所開設的相關實驗課程均是就某一獨立技術方法而展開的較為單純的技能訓練，如，工作研究的實驗主要是針對動作研究、動素分析、生產節拍平衡開展具體分析過程實踐，幫助學生深刻體會這些基本專業手法的實際應用場合；人因工程，主要是通過系列人因實驗帶領學生親身體驗，感受高度、亮度、顏色、頻繁度、規律度等人因影響因素帶給人視覺、聽覺等感官的切實感受，從而探討基于人因的合理化設計、布局及工作安排；設施規劃布局則是基于物流分析方法，通過物流強度度量，分析部門間的相關性強度，從而為合理布局、物流優化提供有效參考。以上這些實驗均對學生在工業工程專業基本方法技能的培訓上起到了有效效果。然而，卻并未在促進學生養成工業工程職業素養上發揮強化作用。原因在于，缺乏像物流工程、系統工程、系統建模及仿真優化等這類有關工業工程系統設計、管理及優化的主干課程的綜合性實踐項目，要設計出針對本專業基本技能方法的綜合性實踐項目，需要的制造業相關設備、產品品種等數量巨大，且耗費大、成本高，很難從實際操作入手，計算機仿真方法不失為解決此問題的一種有效方法。基于計算機仿真技術的虛擬教學則以其高效率、低成本、內容豐富、性能有效和安全等優勢得到越來越多的應用和推廣。因此，應該將“項目教學”“案例教學”“教、學、做”一體化和基于計算機仿真技術的虛擬教學的方法結合起來，充分發揮各自的優點，提升實踐教學效果。基于計算機仿真技術的虛擬教學很容易與其它先進的教學方法相結合，因此，在工業工程類實驗課程的教學中，將基于計算機仿真技術的虛擬教學與其它教學方法相結合，有助于提高實驗課程教學效果，而且成本低、效率高，使學生可以不受場地、行業、設備與產品的限制，使學生更好的掌握專業技能和方法，并通過基于計算機仿真平臺開發的綜合性實踐項目，鍛煉學生的工業工程系統設計、管理及優化的綜合能力，培養學生的專業素養，從而促進本專業人才培養效果的提升，計算機仿真技術在工業工程類實驗課程的教學中具有重要的意義。

2計算機仿真技術在實驗課程教學中的應用

計算機仿真技術為人們提供了一個理想的實踐教學手段，目前國內外已經普遍將其應用于軍事訓練、課程教學、運動訓練以及醫學研究等方方面面。美國是計算機仿真技術虛擬現實的起源地，現在美國計算機虛擬仿真技術的發展水平也比較高，在這個領域代表了國際先進水平，也是第一個把虛擬仿真技術應用在教育教學中的國家，目前在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件等幾個方面，形成了一個比較系統的虛擬仿真教學儀器架構。如，美國的卡羅萊納州立大學利用Java技術建立了基于Web的探索式虛擬物理實驗室，主要有以下幾個模塊：基于JavaApplet的虛擬實驗設備和實驗設施、相關的實驗課程模塊、實驗結果評價模塊、協作模塊。在歐洲，英國在計算機仿真技術虛擬現實的相關領域處于領先地位，研究出了虛擬仿真軟件包，并應用在教學儀器和工業安全培訓等方面。如，英國的諾丁漢大學在教育和學術方面對虛擬仿真技術進行了研究與探索，其目標主要在于探索桌面虛擬仿真的輸入設備應用上。此外，該小組還和其他學校緊密合作，將其仿真系統應用在了特殊學生教育中。在中國，目前各個大學和科研機構也廣泛采用計算機仿真技術建立虛擬場景進行相關領域的教學與研究。例如：中國科技大學開發出第一套基于虛擬仿真的教學儀器系統——利用虛擬仿真技術進行幾何光學實驗平臺的開發，系統將計算機輔助教學儀器的智能化儀器、計算機技術、虛擬仿真和物理教學儀器等有機結合，把物理教學儀器系統推進到了新的領域；北京潤尼爾網絡科技有限公司以北京郵電大學強勢的網絡、通訊、電子三門學科為基礎，采用JavaApplet技術、B/S結構、J2EE框架，為解決高校日趨緊張的實驗設備及實驗場地等實驗教學問題，由北京郵電大學網絡教育技術研究所組織精英力量，經過多年研究，開發出了配套的虛擬實驗系統。通過對國內、外的基于計算機仿真的虛擬現實教學應用情況進行對比，我們發現：當前，國外基于計算機仿真的虛擬實驗比國內開發時間早，應用相對成熟，不管是在仿真器材還是仿真軟件上都比較豐富、且功能較多；同時，國外很多成熟的仿真實驗產品價格普遍偏高，且技術難度也不太適合本科學生，更適合研究所或工程師使用。盡管如此，我國還是有很多現行的成熟的計算機仿真軟件供我們選擇，這些成熟的仿真軟件具有界面友好、可擴充性、支持二次開發等特性，甚至大多實現模塊化利于定制化實驗的開發，基本上能滿足國內高等院校實驗教學需要及豐富的仿真實驗需求。因此，國內很多高校及科研院所普遍采用購買成熟的仿真軟件產品，基于自身的仿真實驗需求進行對應的二次開發，從而設計出適合自己的基于計算機仿真的虛擬實驗平臺，并得到了很好的應用發展。就工業工程類實驗課程而言，現在市面上流行的仿真軟件，如，Flexsim、witness、em-plan等都能提供給我們一個良好的仿真實驗平臺，供我們在這些平臺上進行綜合性實踐項目的構建和開發。

3基于計算機仿真技術的實驗教學模式開發

在深度分析學生學習特點和企業真實需求的基礎上，基于建構主義學習理論和混合式學習理論，按照社會發展對人才培養的要求，結合計算機仿真實驗教學設計的基本原則，借鑒信息化和項目教學、案例教學設計方法，探索出基于實踐項目、真實案例和工作任務的計算機仿真實驗教學模式，實現了“教、學、做”一體化的實驗設計。該模式由“項目導入、制定計劃、實施計劃和成果展示與評價”4個環節組成，其中，計算機仿真實驗教學貫穿了該模式的所有環節。下面簡單介紹該模式的具體實施方案。

（1）在“項目導入”環節，專業教師的活動包括：借助選定的計算機仿真實驗平臺，導入項目任務及目標、展示項目結果，讓學生對項目有一個直觀的認識，然后再布置具體的實踐任務；利用計算機仿真實驗平臺，讓學生明確自己應當完成的具體任務和完成任務后可以獲得哪些知識以及達到什么樣的技能水平；在充分考慮學生的現有知識和能力水平的基礎上，適當采取分工協作方式，安排具體的任務完成時間及成果的評定方法等。

（2）在“制定計劃”環節，學生的活動包括：通過自主學習、分工協作等方式，對具體實踐項目的目標、任務進行分析；確定任務所涉及的專業方法和技能手段，充分應用已掌握的專業知識和能力，借助計算機仿真實驗平臺，設計出仿真實驗模型幫助決策與優化；確定仿真實驗任務的實施步驟，為仿真實驗任務的實施做好充分的準備。

（3）在“實施計劃”環節，學生的活動包括：在計算機仿真實驗平臺上，按照擬定的計劃，逐步完成實踐項目的仿真任務；在完成實踐項目仿真任務的過程中，學生通過應用所學專業知識和技能，建構自己的專業知識，從而幫助自己養成專業素養。

（4）在“展示與評價”環節，學生的工作包括：在計算機仿真實驗平臺上展示自己的實踐項目仿真成果；參與討論和評價；通過對比分析，學生對自己的實踐項目展開進一步的仿真優化處理。

4結語

將計算機仿真技術與項目教學、案例教學更加緊密的結合起來，能夠更好的實現“教、學、做”一體化，并且，在顯著改善實驗教學條件、提升實驗教學效果的同時，減少了設備消耗，尤其是耗材的使用量，節省了實驗經費，而且克服了時間與空間上的限制，使工業工程綜合實驗課的開課率和學生的專業綜合能力得到顯著提升。計算機仿真技術在專業實驗教學方面的應用前景廣泛,值得深入研究。

作者：趙燦燦 單位：首都經濟貿易大學安全與環境工程學院

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篇8

關鍵詞：虛擬仿真；森林保護學；實驗教學體系

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）21-0268-03

實驗教學體系是與理論教學有機結合，以“拓展式實驗教學”為主導，以能力培養為核心，多層次、多模塊、銜接緊密的科學系統，虛擬仿真實驗教學體系與教學內容建設是虛擬仿真實驗教學中心建設的核心[1]。廣西大學自2014年入選國家首批卓越農林人才教育培養計劃試點高校以來，根據卓越農林人才培養計劃目標，加強學生實踐能力培養，強化實踐教學環節。其中，廣西大學林學院林學專業作為國家首批復合應用型農林人才培養模式改革試點專業，積極推進實驗教學改革和實驗手段創新，把虛擬仿真技術應用于實驗教學，構建了虛實融合的森林保護學虛擬仿真實驗教學體系，為卓越農林人才培養和深化教學改革開辟了一條新的途徑。

一、森林保護學實驗的特點

森林保護學是以保障林業植物健康和森林生態安全為目標，研究病、蟲、草、鼠等林業有害生物的生物學特性、發生危害與災變規律及其防治理論和防治技術的學科。它主要由森林病理學、森林昆蟲學、病原真菌學、病原細菌學、病毒學、植物化學保護、林業有害生物預測預報學和林業植物檢疫學等多學科組成的綜合性學科。森林保護學的功能主要是預防和持續控制林業有害生物的發生和危害，減少災害損失，保護森林資源和生態安全，促進林業經濟可持續發展。森林保護的學科性質和功能決定了森林保護學實驗具有以下特點：

（一）實驗對象的鮮活性

森林保護學實驗的對象往往是鮮活的生物體，如昆蟲發育有效積溫的測定、昆蟲的人工飼養、林木病原菌的分離與鑒定等實驗的對象均是鮮活的生物體，實驗過程需要確保這些生物體正常的生活環境。

（二）實驗事件的偶然性

森林病蟲害、火災等是一種災害，具有偶然性，也是現實中不希望發生的，當它發生的時候也只有在教學進度和時間合適、實驗經費允許的條件下可以安排學生去進行防治實驗。相反，當按照實驗教學日歷要進行森林病蟲害防治實驗以及森林防火等有關實驗的時候卻很難找到大片發生病蟲害或火災的森林進行防治和滅火實驗。

（三）實驗過程的危險性

森林病蟲害的化學防治是森林病蟲害防治的一種常規技術，但是此類實驗由于需要使用具有較大毒性的化學農藥，該實驗過程及其實驗廢物的排放均對人體健康造成威脅而不能開設。

（四）實驗時間的季節性

森林保護學實驗對象的鮮活性決定了森林保護學實驗具有季節性。病蟲害的發生往往具有明顯的季節性，高溫高濕的季節發生比較嚴重，冬季和春季發生比較輕，森林火災則在干旱的秋冬季較易發生。

（五）實驗場所的開放性

森林保護學的一些綜合性實驗（包括探索性實驗、生產性實驗和研究性實驗），如林業有害生物普查測報、林業有害生物災害監測預警、林業有害生物綜合防治、農藥藥效試驗、重大林業有害生物災害的應急處置、森林火災隱患排查、森林火災撲救、森林可燃物類型的劃分、森林火險等級預測預報等實驗需要在廣闊的林間進行。

二、森林保護學實驗虛擬化的必要性

虛擬仿真實驗教學是對傳統實驗教學在思想體系、實驗內容、實驗方法和手段等顛覆性的變革。它綜合應用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫以及網絡通訊等多種技術，通過構建一個逼真可視化的實驗操作環境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展高效、安全且經濟的實驗，進而達到真實實驗不具備或難以實現的教學效果[2-5]。虛擬實驗具有沉浸感、模擬性、交互性、感知性和構想性等特點[6]，有利于提高實驗教學的效果，培養學生創新能力和解決問題的能力。采用虛擬仿真技術于實驗教學，可以為學生營造“自主實驗”的氛圍，具有實驗成本低、無污染、突破現實實驗中時空的限制等優點[7，8]。

因此，將森林保護學實驗中一些由于受到場地、時間季節、實驗成本、危險性以及不可再重現等方面的限制，難以在傳統實驗教學中實施的實驗開發成虛擬仿真實驗是非常必要的。虛擬仿真實驗作為真實實驗的補充和擴展，具有仿真性、參與感、安全性等特點，與傳統實物實驗結合，可以使學生獲得全面的訓練，對培養學生動手能力、觀察能力、獨立思考能力和創新能力具有重要意義。

三、森林保護學虛擬仿真實驗教學體系的構建

廣西大學林業科學與工程虛擬仿真實驗教學中心根據“虛實結合，能實不虛，以虛擴實”的建設原則，建了“模塊化、層次化、多元化”的虛擬仿真實驗教學體系（如圖1所示），即“森林昆蟲、森林病理、化學保護和森林防火”4個模塊，每個模塊包含“基礎實驗、專業技能和綜合創新”3個層次。形成了虛實融合，以綜合創新為特色，以能力培養為核心，多層次、多模塊、銜接緊密的森林保護學虛擬仿真實驗教學體系。

（一）虛擬仿真實驗的四模塊

1.森林昆蟲虛擬仿真實驗模塊。本模塊主要針對森林昆蟲的個體發育、行為習性、危害調查與綜合防治等方面的實驗進行虛擬仿真。如在森林昆蟲多樣性調查虛擬仿真實驗中，采用虛擬仿真技術虛擬仿真實驗背景，制作調查樣線及3D化的智能昆蟲模型，每種模型昆蟲的數量參照當地森林中的豐富度來設定。開展多樣性調查時，可將各種昆蟲在樹林中出現的限制因子設定為季節，以便在不同季節進行多樣性調查時得出的結果與自然界相吻合。對調查到的每一種昆蟲，配以真實照片，以便學生進行鑒定，做到虛實結合。

2.森林病理虛擬仿真實驗模塊。本模塊主要針對森林病原物的分離鑒定、病害發生發展與綜合防治等方面的實驗進行虛擬仿真。如桉樹青枯病菌主要通過根部和根頸部傷口入侵，在植物體內繁殖，沿著維管束蔓延全株發病，植株失水萎蔫枯死。但這一過程無法在常規的實驗課中讓學生觀察到，也難以讓學生理解和掌握。通過虛擬仿真技術，把桉樹青枯病癥狀診斷、發病規律、侵染循環以及防控技術直觀呈現，提高學生對桉樹青枯病的診斷和防控技術水平。

3.化學保護虛擬仿真實驗模塊。化學保護的核心是如何科學地使用農藥，根據農藥、有害生物與環境之間的關系合理使用農藥。農藥往往具有較大毒性，實驗過程及其實驗廢物的排放均對人體健康造成威脅。本模塊主要包括農藥的毒力測定、藥劑室內藥效篩選、林間小區藥效試驗、農藥對植物的藥害作用、除草劑的選擇作用及防除效果、農藥殘留分析等仿真實驗。

4.森林防火虛擬仿真實驗模塊。真實森林火災發生與控制實驗具有極其危險性與不可重復性。通過虛擬仿真技術，可以模擬森林火災場景，通過調整參數輸入設置不同火災發生發展過程，針對不同火災發展階段調用不同控制火災策略和技術，直觀展示火災控制效果。本模塊主要包括火災發生過程的仿真演示、森林火災隱患排查、森林可燃物類型的劃分、森林火險等級預測預報、森林火災發生與控制技術等仿真實驗。

（二）虛擬仿真實驗的三層次

1.基礎實驗層次。該層次主要是演示性試驗，讓學生了解掌握森林保護學的基礎知識和基礎技能。

2.專業技能層次。該層次主要是專業技能實驗，讓學生了解掌握森林有害生物的調查與防治、森林植物檢疫、物理防治、生物防治、森林火災隱患的排查與撲救、農藥的配制與使用等專業技能。

3.綜合創新層次。該層次主要面向學科前沿和林業生產第一線，讓學生參與教師的科研項目，將科研項目研究成果轉化為虛擬仿真實驗教學資源。此外，森林保護學是一門應用性很強的學科，常常需要解決林業生產上有害生物防治的實際問題。如天敵昆蟲的人工飼養及其應用仿真實驗可以結合生產實踐開展花絨寄甲人工飼養并用于防治松褐天牛。

四、結語

虛擬仿真技術在實驗教學中的應用，極大地拓展了實驗教學的內容和時空，一些在傳統實驗條件下難以安排的實驗得以全面的開展[9]。但是虛擬仿真實驗不能完全代替真實實驗，只能作為真實實驗的補充和擴展，虛擬仿真實驗必須與傳統實驗相結合，使學生獲得全面的實驗訓練。

多層次、多模塊、銜接緊密的森林保護學虛擬仿真實驗教學體系把各種森林保護學實驗有機串聯起來，注重縱向知識體系和橫向知識的相互浸透，注重森林保護的基礎知識、專業技能和綜合創新各個方面的銜接。該體系把實驗教學、專業能力培養和科研綜合創新有機結合，為卓越農林人才培養和深化教學改革開辟了一條新的途徑。

參考文獻：

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篇9

關鍵詞： 虛擬電子工作臺 電子技術 虛擬實驗 直流工作點

虛擬電子工作臺（簡稱EWB）實驗是利用計算機構造一個實驗模擬環境，通過建立模擬電路并對模擬電路的數據和功能進行分析而達到實驗效果和目的的一種新的實驗方法。EWB軟件可以在計算機上建立電子元件型號及參數庫，通過選擇實驗所需的電子元件型號、參數和虛擬測試儀器就可進行模擬電路的連接和仿真運行和測試，并在模擬儀器上讀出測試結果，特別易于學生學習和使用。作為傳統電子技術實驗的補充，EWB使學生掌握仿真軟件技術，間接了解電子元件設計和制造的發展動向，它既繼承了實物實驗可操作性、參與性強的優點，又利用了計算機的優勢，凸顯了其直觀、動態模擬、迅速準確、資源共享、資金投入量少等特點。

1. EWB的主要功能

EWB具有齊全的虛擬電子設備，在虛擬電子平臺上操作這些設備如同操作真實的設備一樣，非常真實，操作起來也更加容易。EWB提供了相當廣泛的元器件，還提供了較大的選擇余地，學生也可以根據元器件生產廠商的產品使用手冊中的元器件參數添加新的元件或擴充已有的元器件庫。同時根據EWB提供的圖形操作界面，學生可單擊鼠標，托放虛擬元器件或測試儀器，輕松地完成原理圖的輸入和連線，同時也允許用戶調整電路連線和元件的位置及自動排列連線的功能，它具有如下特點：

（1）功能完善，實驗用的元器件及測試儀器儀表齊全，可以做各種類型實驗。

（2）實驗不消耗器材，實驗所需器材種類和數量不限制，實驗成本低。

（3）實驗速度快，效率高，易于開展各種設計性實驗，提高了電路設計和實驗效率。

2.使用EWB進行虛擬實驗的基本方法

學生可以根據教學內容和要求創建一個線路圖，按下電源開關后，就可以從示波器等測試儀器上讀得電路中被測數據。整個運行過程可分成以下幾個步驟：

（1）數據輸入：將已創建的電路圖結構、元器件數據讀入，選擇分析方法。

（2）參數設置：程序會檢查輸入數據的結構和性質，以及電路中的闡述內容，對參數進行設置。

（3）電路分析：對輸入信號進行分析，它將占據CPU工作者的大部分時間，是對電路進行仿真和分析的關鍵。它將形成電路的數值解，并將所得數據送至輸出級。

（4）數據輸出：從測試儀器如示波器或萬用表上獲得仿真運行的結果。也可以從“分析”欄中的“分析顯示圖”中看到測量、分析的波形圖。

3.實例分析

（1）在EWB上先創建需進行分析的電路圖如圖1所示。

（2）選定“選項/參數”欄中的“電路選項（Schematic Options）”，選定“顯示節點名（Show Nodes Name）”，把電路的節點標志（ID）顯示在電路圖2上。

（3）在“仿真/分析（Analysis）”欄內選定“直流工作點（DC Operating Point）”，如圖2所示。設置要仿真的節點，然后運行仿真（Simulate），EWB會自動把電路中所選節點的電壓數值和電源支路的電流數值顯示在“分析圖（Analysis Graph）”（如圖3所示中）上。

由此可見，一臺計算機加一套EWB軟件，就相當于擁有了一個設備先進的虛擬電子實驗室。

4.充分發揮虛擬電子平臺仿真技術在教學中的作用

現代教育的職能已成為為學習者服務、為用人單位服務。人才需求的變化，技術發展之快更是需要有人才培養的超前意識。這就需要我們創新思維，創新教學手段。學校實驗教學應以技術為突破口，引入計算機輔助教學手段，將虛擬電子平臺仿真技術技術引入到各專業的教學中，利用計算加軟件功能，完善原始的教學設備，提高教學質量，解決部分實踐性環節教學難題，從而加快高素質人才培養速度。

綜上所述，虛擬電子平臺仿真技術，必將引領今后的實驗教學發展方向，對實驗教學方法和手段的改革起到推動作用。

參考文獻：

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[3]孫懷東.開展電子技術虛擬實驗的做法與體會[J].實驗室研究與探索，2006.10，VOL25（10）.

篇10

關鍵詞：仿真技術；電工電子；教學；EWB

中圖分類號：G632 文獻標識碼：B 文章編號：1002-7661（2015）11-012-01

仿真教學，是指應用軟件和技術借助windows平臺進行輔助教學活動。將仿真技術引入課堂教學和實驗實訓中，顯著地提高了教學效率、效果，節約了教學成本，有效地提高了學員學習應用新知識、新技術的能力，受到了學員的普遍歡迎和好評。隨著仿真技術的不斷發展，仿真教學越來越受到人們的青睞。

與傳統教學方法相比，仿真教學具有以下明顯的優越性：一是仿真軟件中的虛擬儀器和元器件與實物非常接近，易學易懂，學員愛學愛用，興趣高，且不受場地限制；二是仿真演示和仿真實驗實訓直觀、清晰、生動，使抽象的概念原理直觀化、形象化，有利于突破難點、加深記憶；三是仿真教學、仿真實驗實訓不必直接接觸強電，不用進行元件安裝和焊錫操作，從而避免濺錫傷人、線路短路觸電等危險，達到安全的目的；四是采用仿真實驗、實訓，可隨意調出軟件中元器件庫虛擬儀器及各種元器件進行模擬設計、安裝，利用虛擬儀器對設計好的電路進行調試及分析，不僅測試儀器的圖形與實物相似，而且測試結果與實際調試基本相似，如同置身于實驗室中，既節省了購買大量元器件和高檔儀器的費用，又避免了儀器損壞和元件消耗。

電子技術、電子電路、脈沖與數字電路等電子類課程概念抽象、直觀性差、原理難懂，加上技校學員普遍素質偏低，對理論教學缺乏興趣，故此傳統教法的教學效果比較差。針對我院學員的實際，將仿真技術應用到上述課程的教學活動中，達到了事半功倍、省時高效的效果。

一、應用仿真技術演示抽象內容，激發學員興趣

興趣是最好的老師。在電子技術課程教學中，常應用仿真技術巧妙精彩地導入要講的內容，以激發學員的求知欲。例如在講授半導體特性這一課題時，學員對電子流和空穴流往往難以理解，為此，應用仿真技術在屏幕上模擬出電子流和空穴流的流動過程：在電場力作用下，電子連續不斷地向電源裝置的正極移動，形成了一條電子流；而空穴則向電源的負極移動，形成了一條空穴流。它們形成的電流方向一致，外電路的電流等于電子電流和空穴電流之和。通過這樣的演示，同學們不但興趣盎然，而且較好地理解了半導體導電的這個重要特征。

二、應用仿真技術演示電路特點，突破教學難點

將抽象的原理、概念、公式推導直觀化，有利于學員理解和記憶，從而突破教學難點。例如電子線路中有關整流濾波電路的教學，傳統教法是由教師通過分析電容的充放電過程對輸出直流電壓的影響，得出一個輸出電壓的波形圖，然后對波形圖進行分析，推導出求電容容量C的關系公式，但學員往往感到公式抽象，實際中不會應用數學公式。為了突破這一難題，就利用Multisim2001軟件，模擬該電路，經過仿真演示，同學們就較好理解了這一問題，從而有效地突破了教學的難點。

三、應用仿真技術將仿真實驗引入課堂，有利于一體化教學

以往進行理實一體化教學，教師需要帶學員到實驗室上課，或將實驗儀器設備搬到普通課堂，十分不便。為達到省時高效，將EWB的仿真實驗功能引入課堂，進行一體化教學，開展師生之間、生生之間的互動交流，教學效果顯著。

四、應用仿真技術開展模擬實訓，實行“虛實結合”

過去，因受場地、經費、器材等硬件條件限制，電類專業的實習課題和時間安排往往達不到規定的要求，不利于學員實踐能力的提高。隨著仿真技術的應用，在教學中，選取有代表性的課題，開設了一定比例的模擬實訓，實行實物實訓與模擬實訓相結合，發揮了模擬實訓省時、高效、安全、經濟的長處，解決了過去實訓課完全依賴實驗儀器，且電子元器件損耗大和實驗儀器損壞后維修不及時的問題。的做法是，對基本測量技術、常用儀器儀表及元器件使用、基本電路設計等電子專業的基本功，原則上都進行實物實訓；對用真實儀器難以顯示或需消耗昂貴元器件的課題，通常采用模擬實訓；對設計性、綜合性的實訓項目，通常安排學員先進行EWB模擬預習，在理解實驗原理的基礎上再安排實物實訓。這樣將虛實兩種實驗結合起來，可以大大提高實訓實驗效率和質量，節約教學成本。

五、應用仿真技術充實、豐富第二課堂活動，提高學員的創新能力

搞好第二課題活動，有利于學員為適應就業市場競爭而提高就業能力。所以，在課余積極指導電子專業學員開展第二課堂活動，利用EWB進行電子線路應用、設計的模擬訓練，有效地促進了研究性學習，提高了學員的電路設計水平。例如，我結合脈沖波形的產生與整形的教學，指導學員應用EWB軟件進行單穩態觸發器電器電路仿真實驗，用信號發生器產生觸發信號作為輸入信號，通過示波器觀察輸入、輸出波形。在仿真實驗的基礎上進行電路設計，再應用EWB模擬驗證，然后動手制作實物，使學員的電子制作水平顯著提高。

總而言之，仿真教學雖然不能完全取代真實的傳統教學和實訓，但只要我們充分發揮仿真技術的特點，使仿真教學與傳統知識講授有機結合、融為一體，就一定能有效地減少教師無效的工作時間，提高工作效率，節約教學資源，充分調動學員的學習積極性，變被動接受灌輸為主動建構知識，從而提高學習效率和效果，實現多快好省地培養高素質技能人才的目標。

參考文獻：

[1] 崔建明.電工電子技術[M].北京：高等教育出版社.2008.