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中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（b）-0040-02
1 實驗教學存在的問題
實驗教學是工科類專業素質教育的重要組成部分，是鞏固課堂所學知識、培養學生的科學研究方法、實驗基本技能以及創新能力的重要途徑。加強實驗教學改革有助于提升整體教學水平。實驗室硬件水平是開展教學實驗的基本保障，但由于人力、物力、財力的限制，實驗室硬件通常不能滿足實際教學需求。比如，實驗室缺乏必要的專業實驗設備導致教學計劃中的一些教學實驗無法順利開展，或者部分教學設備陳舊老化、數量嚴重不足，無法為每個學生提供全程動手操作的機會，另外某些專業實驗設備價格昂貴甚至實驗過程存在一定的危險性也導致許多學校在開設實驗項目時常常有所保留。有些實驗受到場地和課時限制，在規定的時間內無法完成實驗或實驗效果不理想，這些都直接影響了實驗課的教學效果。上述問題除了通過合理的實驗室建設和設備購置來解決外，還可借助現代計算機仿真技術開展仿真實驗教學來解決。
2 仿真實驗
仿真實驗是指在交互狀態下，借助編程軟件、多媒體、仿真等技術在計算機上營造可輔助、部分替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，學生可以像在真實環境一樣完成各種實驗項目，所得的結果甚至優于實際實驗結果。仿真實驗具有很多的優點它營造了多樣化的教學環境，能大大提高學生的學習興趣；將仿真實驗與網絡鏈接后，學生可以利用校園網進行實驗課程的學習，打破了傳統實驗教學時間和空間的限制；可以節省實驗經費，實現多種實驗目的。
一些高等院校和企業開發了適用于不同專業、實現不同功能的實驗仿真軟件，促進了仿真實驗在工科實驗教學中的應用。如能實現離心泵測定、精餾、吸收等功能的化工原理仿真實驗、驗證電工基本定理的電工電子仿真實驗、大學物理仿真實驗、建筑工程仿真實訓系統等。在熱能與動力工程專業中有西安交通大學[1]開發的制冷過程多媒體演示與模擬教學實驗，浙江大學[2]開發的基于web的小型冷庫教學系統，東南大學[3]開發的制冷空調綜合創新模擬實驗平臺，長沙理工大學[4]開發的能夠實現二維穩態導熱、豎壁附近自然對流換熱和輻射角計算3個虛擬實驗的傳熱學虛擬實驗等。這些仿真實驗借助計算機仿真技術，通過聲音、動畫、彩色圖像等豐富的表現力為學生提供了內容豐富、形象直觀的學習環境，充分調動了學生的學習積極性，取得了較好的教學效果。
3 傳熱學仿真實驗
傳熱學實驗教學是熱能與動力工程專業的專業基礎課實驗教學，與傳熱學理論課程互為補充，是課堂理論教學的繼續和深化，對于培養學生的解決工程實際問題能力和研究開發能力具有重要的作用。在傳熱學教學中引入仿真實驗，是為了更好地完成大綱中規定而實際無條件實現的實驗項目和內容。以我校熱能與動力工程專業為例，目前本專業傳熱學實驗內容主要包括隔熱材料導熱系數測量（10臺）、外掠管束對流傳熱系數測量（2臺）、換熱器性能測試（3臺）等。實驗內容相對較少且實驗臺數量太少遠遠不能滿足實際需要，導致實驗過程中無法保證每個同學的實際動手操作。另外，因實驗設備使用過于頻繁導致其老化加快，實驗中就曾出現因設備部件故障而無法繼續實驗的情況，如換熱器性能實驗中因熱電偶出錯影響了實驗的順利進行。因此，在不能保證足夠實驗設備數量前提下，借助計算機仿真實驗來輔助傳熱學實驗教學不僅能擴展本專業實驗教學內容，還能幫助學生深入了解實驗原理，保證實驗的順利進行。
3.1 傳熱學仿真實驗介紹
根據傳熱學實驗教學內容和目標，我們對現有的硬件實驗設備進行了綜合分析，確定了這些設備能夠開展的實驗內容，把無法開展的實驗內容用計算機仿真實驗來代替。為此，我們開發了一套傳熱學實驗仿真軟件，下面就此軟件進行介紹。
傳熱學實驗仿真軟件采用的開發工具為Visual Basic 6.0軟件，該軟件可以很方便地實現用戶界面、菜單、操作按鈕和工具條的制作，能夠完成實驗過程需要的原理演示、實驗裝置構成顯示、閥門開關與開度調節、數據讀取、數據處理、實驗幫助等功能，開發的軟件用戶容易上手，使用起來很方便。圖1為其中的水平圓管壁面自然對流傳熱關聯式仿真實驗主界面。界面主要由標題欄、狀態條、實驗設備、操作按鈕組成。點擊操作按鈕可以實現加熱器的電壓調節，可以查看并學習實驗指導書的相關內容，還可以查看實驗過程中的換熱量和溫度參數的動態變化情況以及確定讀取實驗數據。
傳熱學實驗仿真軟件的功能是能實現圓球法測導熱系數實驗、二維導熱溫度場的數值計算、非穩態導熱溫度場的數值計算、水平圓管壁面自然對流傳熱關聯式實驗、中溫輻射物體黑度測試和換熱器性能測試實驗等6項實驗內容。與實驗室現有的硬件實驗教學設備形成互補后，基本上涵蓋了包括導熱、對流、輻射和換熱器在內的所有傳熱學實驗內容。
傳熱學實驗仿真軟件采用模塊化建模，開發過程中，將每部分實驗內容作為一個單獨模塊。每個模塊中除了包括實驗臺系統動畫圖形外，還包括實驗目的、實驗原理、實驗步驟、數據處理方法和思考題等內容。開發過程中采用了動態模擬技術，實驗過程中的實驗參數可以實現動態即時顯示，使模擬實驗更貼近于實際情形，學生可根據參數的動態變化隨時了解實驗進行情況并判斷數據讀取的時機。由于該仿真軟件詳細地介紹了每個實驗的原理、內容、操作步驟、數據處理等內容，所以它也可作為傳熱學實驗的系統學習工具使用。
3.2 仿真實驗教學效果
通過使用該傳熱學實驗仿真軟件，取得了較好的實驗教學效果。首先，該傳熱學實驗仿真軟件能夠實現因缺少相關實驗室硬件而無法進行的實驗項目，完成了傳熱學實驗教學大綱規定的教學內容。學生使用后，加深了對數值計算、對流傳熱、輻射、換熱器性能等實驗涉及的理論和實驗測試內容的理解，豐富了學生的傳熱學實驗實踐，實現了學生對傳熱學知識的全面學習和理解。
其次，由于實驗形式新穎，加上界面設計友好，學生學習興趣較高，實驗后普遍反映對所進行的實驗尤其是原理和數據處理等相關內容有了更全面和深刻的了解。另外，由于該仿真軟件具有完善的用戶幫助功能，且可以直接在Blackboard教學平臺上進行操作，學生實驗時不受實驗時間和空間限制，也可多次進行，使用起來相當方便，效果較好。
為了取得更好的教學效果，未來將在該傳熱學實驗仿真軟件中進一步增加測試與評分模塊，實現用戶仿真實驗效果的即時測試與打分。還將在該實驗仿真軟件中增加更多的動態模擬內容，使其更喜迎并方便用戶使用。
4 結論
針對現有實驗教學中存在的問題，本文探討了計算機仿真在實驗教學中的應用，分析了仿真實驗的優點。對我們開發的一套傳熱學實驗仿真仿真軟件進行了介紹，并概括描述了仿真實驗的教學效果。
參考文獻
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[4] 姜昌偉，傅俊萍，趙李鐵.基于Matlab的傳熱學虛擬實驗開發[J].中國電力教育，2008：316-317.
關鍵詞：虛擬仿真實驗；真實實驗；儀器
高中生物學科中的實驗教學要求學生在教材及教師的指導下自主完成實驗。實驗教學在課堂中的扎實展開，能夠有效地培養學生的動手實踐能力和操作能力，促進學生在掌握生物原理和操作技能的基礎上，更加全面地認識和學習生物科學。在高中生物課堂中，學生可以通過實驗簡單快捷地了解和掌握所學的生物知識及原理，感受生物這門特殊的自然科學。
一、當前高中生物實驗教學中存在的問題
然而，在實際的實驗教學中，許多方面存在不足，如實驗教學中所需要的材料過少或者缺少其中某一樣實驗器材都將導致實驗無法正常開展。而有些則是因為所要進行的實驗本身存在一定的危險性而無法真正開展，以至于實驗教學在生物課堂中成為一種擺設，也就無法發揮實驗教學本身的輔助作用。這不僅嚴重影響著教師的教學活動，還減少了學生全面學習生物知識的方法和途徑。當然不免有些教師在實驗教學中為了節省時間而演示生物實驗，也就是通常所說的教師做、學生看。這樣一來，學生也就不會積極主動地參與到實驗教學中，這不僅不利于培養他們的動手實踐和操作能力，還降低了他們運用生物知識去分析和解決實際問題的意識與能力。由此可見，高中生物教學中實驗教學的開展存在許多的問題，而作為高中生物教師，我們在教學過程中要善于科學合理地運用適當的教學方法進行實驗教學，對于存在危險性及實驗器材缺乏的實驗，我們可以利用計算機、多媒體技術模擬實驗儀器及實驗操作進行模擬仿真實驗教學，以此突破生物實驗的局限性，實現生物虛擬仿真實驗與真實實驗的相互交融與
互補。
二、高中生物虛擬仿真實驗與真實實驗的整合
（一）虛擬儀器及虛擬仿真實驗
高中生物虛擬仿真實驗即利用全新的、先進的且富有生命力的虛擬儀器和多媒體計算機，對教材數據進行分析和處理，在虛擬操作中為學生展示其中的實驗步驟和結果。虛擬仿真實驗綜合運用了計算機圖形學、圖像處理與智能技術及音響技術等多方面的功能，給學生以直觀形象的感受，促進他們更加簡單快捷地學習和掌握生物實驗的設計及操作。虛擬仿真實驗主要通過虛擬儀器進行，虛擬儀器就是在多媒體計算機上配上相應的專用軟件和硬件，并設定和設計好的測試功能，從而實現真實儀器所具備及缺乏的特殊實驗教學。
1.虛擬儀器的特點
相比于傳統的實驗儀器，虛擬儀器更加智能，處理能力更強，且使用起來更加方便靈活，它的開放性和功能軟件的模塊化有利于提高資源的重復利用率，并縮短系統組建時間。運用計算機對生物實驗內容進行分析、存儲、顯示及打印，能夠有效地完善數據的傳輸和交換等性能，使得組建系統更加簡單快捷。
2.虛擬仿真實驗的特點
虛擬仿真實驗使抽象的生物知識更加形象和具體，運用多媒體為學生提供聲音、圖像、文字等多方面的內容，其信息量大且應用范圍廣，能夠在激發學生學習興趣的基礎上，提高他們對生物知識的表達和運用能力。在進行虛擬實驗教學之前，教師可以利用多媒體計算機對實驗模型和過程進行精心設計，從不同的角度和層次為學生加以演示和講解，促進他們形象化思維的形成。高中生物教學中進行虛擬仿真實驗對實驗教學尤為重要，不僅有利于提高生物教與學的質量和效果，還能夠保障實驗設備及教師的安全，促進實驗教學的高效開展。相對于傳統的生物實驗教學，虛擬仿真實驗給學生的實驗過程增加了許多樂趣，使他們更加熱愛生物實驗，樂于學習生物知識。
例如，人教版高一生物必修2第三章《基因的本質》中，DNA分子的結構和復制過程微觀、抽象，學生即使制作出DNA物理模型，也難以在不斷犯錯和糾正過程中，準確模擬整個復制過程。借助虛擬仿真系統，利用計算機對DNA分子的復制步驟進行分析整合，使學生能夠展開思維的翅膀，自由模擬想象中的復制過程。在各種史料和事實的支撐下，構建、完善DNA復制模型。在手腦并用操作實驗的過程中直觀地感受和理解DNA復制的方式、特點，大大提高了生物教學的效率。
（二）真實實驗
真實實驗是教師在生物教學過程中運用實驗儀器進行實際操作的實驗活動，它給學生以真實的感受，消除他們對抽象知識點及虛擬實驗的學習障礙，并在這樣的實驗過程中對生物產生新的認識和看法，這對高中生物實驗教學起著重要的作用。
（三）高中生物實驗教學中虛擬仿真實驗與真實實驗的關系
高中生物實驗教學中的真實實驗是虛擬仿真實驗的基礎，即虛擬仿真實驗是對真實實驗的模擬，虛擬仿真實驗能夠有效地彌補真實實驗的缺點和局限性，二者相輔相成。因此，教師在教學過程中結合它們各自的優勢，對生物實驗教學進行精心設計，可以取得良好的實驗教學效果。
1.能真勿虛
對于生物實驗教學中那些過程簡單且易于操作的實驗，且在現有條件下能夠運用真實實驗完成并達到預期教學效果的，教師在教學時就要運用簡單的基礎性實驗儀器完成實驗教學。
2.虛實互補
在高中生物實驗教學中，有的主要是觀察試驗中所產生的現象，而有的是以得出結論為主，也有以理解生物規律和實驗原理及實驗儀器使用為主的。這就要求教師在實際教學中根據實驗教學目標的不同，準確無誤地確定是要采用虛擬仿真實驗還是真實實驗。
對于實驗室的條件限制，需要采用先進技術或是稀缺儀器的實驗，或實驗現象不太明顯的實驗，一般采用仿真實驗平臺進行虛擬仿真實驗。當然，在學習新知時，教師可以先安排相關的簡單、易于操作的真實實驗，使學生在對主要實驗儀器有了一定的真實感受之后，再輔之以虛擬仿真實驗，這樣能夠有效地提高實驗教學的效果。
總而言之，在高中生物實驗教學中，教師要學會綜合運用和發揮虛擬仿真實驗和真實實驗的作用，并充分結合這兩者的優勢，以此，在培養學生動手操作能力的基礎上，利用先進而高效的現代化實驗手段，鍛煉理性思維能力。只有這樣，才能更好地達到預期的實驗教學目標，并培養出具有扎實生物實驗能力和獨立思維能力的創新型人才。
參考文獻：
【關鍵詞】載運工具運用工程 研究生仿真訓練 汽車綜合仿真
【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）06-0161-01
隨著計算機技術和專業仿真技術的發展，要求汽車生產企業在設計研發階段要加快進度。在這樣新的形勢下，對高校機械相關專業研究生培養提出了更高的要求：不僅要求研究生掌握數學、力學、機械、電子電工等傳統基礎課程知識，同時還要掌握現代設計方法，會運用成熟的專業仿真計算軟件進行建模與優化設計。一個只懂得用傳統機械設計方法進行設計計算、并根據計算結果作機械零部件圖的學生，已經遠遠不能滿足現代企業的需求。
我校載運工具運用工程學科，在充分利用中央地方共建資金和交通運輸部建設資金基礎上，建立了獨立的載運工具運用工程仿真實驗室。目前該仿真實驗室有服務器一臺、工作電腦20臺。購買了Hyper-mesh、AVL-FIRE、GT-suite等專業仿真軟件。本綜合仿真實驗項目通過利用這些專業仿真軟件，分步驟、分階段進行模擬仿真訓練，在研究生開題之前，將課題研究中所用專業軟件和基本技能訓練一遍。下面以“汽車綜合仿真實驗項目”為例，將綜合仿真實驗項目分解為三個子訓練項目，說明整個訓練項目的流程。
一、發動機燃燒室三維設計仿真訓練項目
本訓練項目利用Hyper-mesh軟件建立發動機整機三維模型，主要是包括燃燒室和進氣道部分。然后將發動機燃燒室及進排氣道模型分離出來。對燃燒室模型進行網格劃分，進行缸內三維仿真計算，可以得到燃燒放熱規律及缸壓曲線。在進行改進設計過程中，可以對氣道、活塞、凸輪軸（配氣相位）等零部件進行優化設計。利用缸內三維仿真模型還可以進行氣道流動仿真計算。特別針對帶有進排氣氣道的燃燒室模型，可以對凸輪軸進行優化設計，開展進氣流量、發動機回火等問題的研究。
本項目要求學生能夠熟練掌握三維模型分離技術、掌握網格劃分技術、初步掌握三維仿真的理論基礎和三維仿真分析能力。
二、發動機整機性能仿真訓練項目
在本訓練項目中，首先獲取發動機整機性能仿真所需要的基本幾何參數數據，利用GT-POWER軟件建立發動機整機仿真計算模型。在模型中，輸入發動機管路及缸內幾何尺寸、發動機點火順序、氣門升程曲線、摩擦功曲線、過量空氣系數及邊界等條件，將訓練1中所得到的發動機燃燒放熱規律帶入到整機模型中，進行整機性能仿真計算。根據不同轉速和不同負荷條件設置一系列計算工況，計算發動機在不同工況條件下的動力性、經濟性，可以得到發動機的外特性曲線和萬有特性圖。
本訓練項目要求學生掌握發動機整機仿真模型的建模方法，理解模型中參數的物理意義，掌握vibe等燃燒模型的設置方法。能夠根據發動機不同工況對燃燒放熱規律進行合理調節，得到精確合理的計算結果。
三、整車性能仿真訓練項目
根據某整車的基本結構，簡化物理模型，從GT-DRIVE的模板中選用復合模塊、控制模塊、連接模塊、傳感器及執行器模塊等，搭建仿真模型，建立汽車系統的各總成和部件的機械連接和信號連接，并對各部件和總成進行參數化處理，完成整車建模。然后進行仿真計算得到各個擋位下的加速度、最大爬坡度、最高車速、最大功率等整車動力性指標和百公里油耗等經濟性指標?？梢赃M一步加深學生對動力傳動一體化研究的認識。
本項目要求學生在掌握汽車基本結構和電控基本知識的基礎上，掌握整車仿真建模方法、能夠根據不同的設計目標進行仿真計算，并能夠對計算結果進行分析。
四、小結
汽車綜合仿真實驗項目包含了發動機零部件優化設計、發動機缸內三維仿真于燃燒排放特性分析、發動機整機性能仿真分析、整車動力傳動性能仿真等一系列優化設計與仿真的子訓練項目。即使不能讓每個學生全都做一遍，但通過團隊合作，將與本學科領域相關的學生分組，可以分解完成每個子項目。既可以讓學生充分認識仿真技術在汽車現代化設計中的作用，又鍛煉了學生開展實際項目的科研能力和團隊合作能力。
參考文獻：
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[2] 楊秉耀，劉麗葵.加強研究生實驗技能培訓的研究[J].實驗室研究與探索，2009.6.
物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，所謂物理實驗，就是根據物理學研究目的，選用適當的實驗儀器或實驗裝置，用人為的方法讓實驗現象再現，并加以觀察和研究的一種科學活動"物理實驗的內容包括力、熱、電、光等科學技術研究的各個方面，它是一切科學實驗的基礎。大學中的物理實驗課程已經被設定為必修課程，這一規定既有助于幫助大學生進行科學實驗訓練，同時也是訓練大學生接受系統實驗的開端。大學中物理實驗不僅僅局限于某一領域，而是涉及各個領域，這說明，理工科個學科之間存在共性和普遍性，同時也說明了物理實驗在學科學習中的重要性。隨著課程改革目標的出現，實驗教學改革也進一步的落實，實驗改革在落實上相比其他課程改革存在一定的難度，實驗教學主要依靠的是實驗室硬件設施的跟進，實驗改革最大的目標就是放手給學生去動手實驗，然而很多學校存在最大的問題就是不敢放手讓學生去使用，限制實驗是開放的時間等等，學生操作難以進行，學習成果自然不會提高。立足于實驗改革中存在的若干問題，仿真實驗的誕生無疑能夠為這些問題的解決帶來福音。特別是作為計算機輔助物理實驗教學軟件的一個新的發展，仿真物理實驗已經成為高校物理實驗改革的亮點。仿真物理實驗最大的優勢就是能夠為學生提供一個預習準備的學習環境，可以讓學生在進行實際的實驗操作之前，做得一切準備工作。
2 對于仿真實驗的認識
2.1 仿真實驗概述
所謂仿真實驗，是相對于真實實驗而存在的，兩者的主要差別在于：實驗過程中所觸及的對象與事物是否真實，在真實實驗中所采用的實驗工具、實驗對象都是以實物形態出現的，而在仿真實驗中，不存在實物形態的實驗工具與實驗對象，實驗過程主要是對虛擬的實驗儀器及設備進行操作。仿真物理實驗被作為一種計算機輔助教學軟件，應用于現代教育中，主要是以技能訓練為主的一種實驗技能領域的學習型軟件，能夠幫助教學對象進行思想的建構，同時完成實時的操作，輔助學生在開始實際實驗操作之前進行實踐訓練。仿真實驗主要提供了一種以教學理論、計算機技術為基礎的一種非實在性的實驗空間，其本質是由計算機模擬實現的一個虛擬的實驗環境。
2.2 仿真實驗的特征
⑴仿真性。仿真性這一特征從其名稱中就不難看出，作為一款輔助型軟件，其最大的特點就是模擬了真實的實驗過程，為學生虛擬一種真實實驗的環境，同時在仿真實驗中的一些實驗設施與實際中的實驗設施幾乎相同，學生在操作的過程中能夠真實的感受實驗的過程，如同置身真實的實驗環境一般。
⑵交互性。與真實的實驗環境不同，仿真實驗能夠提供給學生更多的交流感，使其與計算機之間進行雙向的交流，同時可以自由的對實驗的設施進行操作和選擇，減少了了實際操中的一些束縛。
⑶靈活性。仿真實驗最大的特點，在教學改革過程中改變最大的就是他的靈活性，學生在進行傳統的物理實驗的過程中遇到了很多阻力，其中最常見的就是一些教師不敢放手將實驗室開放給學生，當然這里有許多的原因，如設備的維護、購置、費用等等因素。仿真實驗的研發就大大解決了這一問題，仿真實驗易于擴充維護，操作方便，可以隨時開放，反復實踐，提高辦學效率，而且仿真實驗靈活方便，便于實現資源共享。
3 大學物理仿真實驗應用于教學的優勢
3.1 營造多樣化學習環境，打破了時間和空間的局限
與傳統的教學模式相比較，仿真物理實驗主要結合了網絡，建構了多媒體的教學平臺，為課堂的教學環境帶來了創新點，也大大提高了課堂的新鮮感。同時仿真物理實驗也在教學的時間和空間上得到了延伸，在傳統的教學模式中，學生在學習過程中，總是苦惱于課前的實驗準備和課后的實驗復習，實驗室的短暫的學習時間，無法滿足學生對于實驗課的認知需求，仿真實驗的出現，大大緩解了這些壓力，學生可以自由的選擇學習的時間和地點，對于提高自主學習有很大的幫助。
3.2 仿真實驗可以節省實驗經費，保證實驗項目和數量
傳統的大學物理實驗教學，存在一些實驗經費與實驗設備置購得難題，特別是一些近代的物理實驗，需要的實驗器材價格昂貴，同時在操作上也相對復雜，出于對資金的考慮，很多高校無力開設這些實驗，實驗課程的縮減必然會影響學生的一些正常的學習進度。仿真物理實驗的出現大大解決了這一難題，有了好的仿真實驗軟件，那些耗資大的實驗同樣可以開設，從而保證了實驗的項目和數量。
關鍵詞 初中物理；實驗教學；虛擬實驗；仿真物理實驗室
中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B
文章編號：1671-489X（2015）11-0158-02
仿真物理實驗室是一款面向中學物理課堂開發的一款軟件，內容包含了電學、力學、聲學、光學等所有實驗的仿真演示，具有集成化程度高、操作簡單等特點。這種軟件有利于師生在使用中根據自己的實驗設計把精力放在實驗模型的構建上而不是操作上。這款軟件為物理實驗教學提供了極大的方便。
1 在初中物理教學中使用虛擬實驗的意義
可以彌補傳統實驗儀器不足的現狀 實驗是物理教學的靈魂，但在傳統物理教學中，由于現實條件和教學理念等原因，只注重知識的口頭講解，不重視實驗操作，或在教學中只做比較簡單的實驗，導致實驗儀器嚴重不足。加之國家實施新課改以來，物理實驗發生很大變化，很多原來舊的實驗儀器被淘汰，雖然學校增添了很多新實驗儀器，但仍不能滿足物理實驗教學的現實需要?，F在學校安裝的仿真物理實驗室軟件，包括了中學物理的所有實驗，原來很多做不了或因儀器不足不能做的實驗都可以用虛擬實驗來代替，解決了實驗課上不足或因場地儀器數量不足，實驗跟不上教學進度的現象。
本身具有傳統實驗無可比擬的優越性 虛擬實驗是根據實驗的相似性原理，運用軟件提供的虛擬實驗設備來搭建自己的實驗。這樣不僅可以做一些因自然條件限制在傳統實驗教學中無法做的實驗，如真空狀態下的物體自由落體運動；還可以隨時控制實驗進程、節奏，讓實驗結果更理想，讓實驗現象更明顯清晰可見。同時，避免在物理實驗中因學生操作的不規范而產生的危險性，避免實驗儀器在實驗過程中的損耗和損壞。
2 在初中物理各類型實驗中哪些實驗需要虛擬實驗
實驗是物理教學的靈魂。在初中物理實驗教學中會碰到五大類實驗，分別是測量型、探究性、演示型、操作型、設計型。在這幾類物理實驗中，籠統地來說，筆者認為比較適合運用虛擬實驗的有演示型、探究型、設計型。因為現實教學條件的限制，都實行大班教學，演示型實驗如果運用傳統方法去做，不能保證每個學生都能清晰地觀察到實驗現象。而虛擬實驗可以很好地解決這個問題。探究型、設計型實驗需要學生自主設計實驗方案，虛擬實驗可以方便地幫助學生檢驗實驗方案的正確性，既節省了時間，又避免了因學生設計方案錯誤導致的實驗儀器的損耗。但也不是絕對的，其他類型的實驗也有的非常適合運用虛擬實驗，所以在現實教學中要具體問題具體分析。
虛擬實驗在測量實驗中的應用 測量實驗是物理實驗中比較簡單的實驗，操作簡單，實驗儀器易得，一般無需用虛擬實驗。但也有一些測量實驗比較復雜，在正常的環境下實驗很難完成。如初中二年級物理“伏安法測小燈泡電阻”，這個實驗如果用傳統的儀器進行，學生很難獲得實驗結果，且容易造成儀器的損壞。這個實驗需要用虛擬實驗來輔助教學，操作步驟如下：
第一步，由于這個實驗比較抽象，需要教師講解實驗原理；
第二步，學生根據原理，利用虛擬實驗室進行實驗，連接電路圖；
第三步，教師根據學生在實驗中遇到的問題進行輔導答疑；
第四步，學生在對這個實驗理解的基礎上進行真實實驗，彌補虛擬實驗之不足，取得良好的教學效果。
虛擬實驗在探究實驗中的運用 探究實驗的目的就是培養學生透過現象看到本質的能力和發現問題的意識，所以實驗的現象是很重要的。但在真實試驗中，許多事物的現象會受外界因素的影響，導致實驗方案無法實施，這就需要借助虛擬實驗。如初中二年級“探究凸透鏡成像的規律實驗”，此實驗會受室內光線強弱的影響，室內光線控制不好，就得不到實驗現象，更談不上規律的總結。虛擬實驗則很好地解決了這個問題。
虛擬實驗在演示實驗中的應用 在物理實驗中最常見、最普通的實驗就是演示實驗。物理教師在講解概念的時候，因班級太大，導致很多學生對物理現象觀察不清晰，影響了對物理的學習興趣。虛擬實驗則很好地解決了這個問題。如初二年級“光的反射實驗”，學生既可能因室內光線的影響，也可能因在班內位置的影響，導致實驗效果觀察不明顯，這就需要借助虛擬實驗平臺進行實驗。
虛擬實驗在設計型實驗中的應用 設計型實驗重在培養學生自主解決問題的能力。在實驗中學生要根據自己要解決的問題來選擇實驗儀器，設計實驗，構建實驗模型，同時還要把自己不理解的實驗現象去弄清楚。這就需要虛擬實驗來幫助。一方面，虛擬實驗可以檢驗實驗設計是否合理；另一方面，虛擬實驗能幫助學生理解實驗現象，同時避免因實驗設計錯誤而造成的儀器損失。如“理解并表述牛頓第一定律實驗”，在這個實驗中，摩擦力是理解牛頓第一定律的關鍵，摩擦力的大小直接影響了實驗現象。但是摩擦力大小參數的設置在真實實驗中不好控制，虛擬實驗很好地解決了這一問題。
虛擬實驗在操作實驗中的應用 操作實驗是為了培養學生自己的動手能力和理論聯系實際的能力，一般在操作實驗中不主張運用虛擬實驗代替真實實驗。在初中物理教學中，很多的操作實驗都是電學實驗。電學實驗儀器較貴重且容易因錯誤操作而被損壞。所以在教學中要讓學生借助虛擬實驗清晰觀察學習實驗過程，鍛煉正確的實驗操作能力，避免在真實實驗中出現過失，導致實驗儀器損壞。如初三年級“串并聯電阻實驗”，如果不事先加以練習，在實驗中接線錯誤的話，很容易燒壞實驗儀器。但操作實驗一定要在虛擬實驗后進行真實實驗，畢竟虛擬實驗只是一個仿真實驗，起不到鍛煉學生動手能力的目的。在操作實驗中要把真實實驗與虛擬實驗相結合，這樣既解決了真實實驗的困難，也解決了虛擬實驗的不足。
3 結束語
總之，在新課改注重實驗的今天，虛擬實驗在實驗教學中確實起到很大的作用。但是不宜夸大虛擬實驗的作用，虛擬實驗帶來巨大方便的同時，也有很大的缺點。如果過多運用虛擬模擬實驗來代替傳統實驗，就會缺乏實驗的真實感，不利于培養學生動手能力、合作能力和創新能力，因為學生親手實驗的經歷是虛擬實驗代替不了的。此外，虛擬實驗，如果使用不規范，很可能會生成一個假的結果。但像這幾種實驗是可以用虛擬模擬實驗代替的，如危險性比較大的實驗、現象不明顯的實驗、現有條件做不了的實驗。因此，教師應該在實際教學中，根據教學實際，結合運用虛擬實驗與傳統實驗，只有這樣才能發揮虛擬實驗的最大效能。
參考文獻
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實驗報告（2）
四旋翼飛行器仿真
2012
1實驗內容
基于Simulink建立四旋翼飛行器的懸?？刂苹芈?，實現飛行器的懸?？刂?；
建立UI界面，能夠輸入參數并繪制運動軌跡；
基于VR
Toolbox建立3D動畫場景，能夠模擬飛行器的運動軌跡。
2實驗目的
通過在
Matlab
環境中對四旋翼飛行器進行系統建模，使掌握以下內容：
四旋翼飛行器的建模和控制方法
在Matlab下快速建立虛擬可視化環境的方法。
3實驗器材
硬件：PC機。
工具軟件：操作系統：Windows系列；軟件工具：MATLAB及simulink。
4實驗原理
4.1四旋翼飛行器
四旋翼飛行器通過四個螺旋槳產生的升力實現飛行，
原理與直升機類似。
四個旋翼位于一個幾何對稱的十字支架前，后，左，右四端，如圖
1
所示。旋翼由電機控制；整個飛行器依靠改變每個電機的轉速來實現飛行姿態控制。
圖1四旋翼飛行器旋轉方向示意圖
在圖
1
中，
前端旋翼
1
和后端旋翼
3
逆時針旋轉，
而左端旋翼
2
和右端的旋翼
4
順時針旋轉，
以平衡旋翼旋轉所產生的反扭轉矩。
由此可知，
懸停時，
四只旋翼的轉速應該相等，以相互抵消反扭力矩；同時等量地增大或減小四只旋翼的轉速，會引起上升或下降運動；增大某一只旋翼的轉速，同時等量地減小同組另一只旋翼的轉速，則產生俯仰、橫滾運動；增大某一組旋翼的轉速，同時等量減小另一組旋翼的轉速，將產生偏航運動。
4.2建模分析
四旋翼飛行器受力分析,如圖
2
所示
圖2四旋翼飛行器受力分析示意圖
旋翼機體所受外力和力矩為：
重力mg
,
機體受到重力沿方向；
四個旋翼旋轉所產生的升力
(i=
1
,
2
,
3
,
4)，旋翼升力沿方向；
旋翼旋轉會產生扭轉力矩
(i=
1
,
2
,
3
,
4)。垂直于葉片的旋翼平面，與旋轉矢量相反。
力模型為：
，旋翼通過螺旋槳產生升力。是電機轉動力系數，可取，為電機轉速。旋翼旋轉產生旋轉力矩Mi(i=1,2,3,4)，力矩Mi的旋向依據右手定則確定。力矩模型為
，其中是電機轉動力系數，可取為電機轉速。當給定期望轉速后，電機的實際轉速需要經過一段時間才能達到。實際轉速與期望轉速之間的關系為一階延遲：響應延遲時間可取0.05s(即)。期望轉速則需要限制在電機的最小轉速和最大轉速之間，范圍可分取[1200rpm，7800rpm]。
飛行器受到外界力和力矩的作用，形成線運動和角運動。線運動由合外力引起，符合牛頓第二定律：
r為飛機的位置矢量。
角運動由合力矩引起。四旋翼飛行器所受力矩來源于兩個方面：1）旋翼升力作用于質心產生的力矩；2）旋翼旋轉產生的扭轉力矩。角運動方程如下式所示。其中，L
為旋翼中心建立飛行器質心的距離，I
為慣量矩陣。
4.3控制回路設計
控制回路包括內外兩層。外回路由Position
Control
模塊實現。輸入為位置誤差，輸出為期望的滾轉、俯仰和偏航角。內回路由Attitude
Control
模塊實現，輸入為期望姿態角，輸出為期望轉速。Motor
Dynamics
模塊模擬電機特性，輸入為期望轉速，輸出為力和力矩。Rigid
Body
Dynamics
是被控對象，模擬四旋翼飛行器的運動特性。
圖3包含內外兩個控制回路的控制結構
（1）內回路：姿態控制回路
對四旋翼飛行器，我們唯一可用的控制手段就是四個旋翼的轉速。因此，這里首先對轉速產生的作用進行分析。假設我們希望旋翼1的轉速達到，那么它的效果可分解成以下幾個分量：
：使飛行器保持懸停的轉速分量；
：除懸停所需之外，產生沿ZB軸的凈力；
：使飛行器負向偏轉的轉速分量；
：使飛行器正向偏航的轉速分量；
因此，可以將期望轉速寫成幾個分量的線性組合：
其它幾個旋翼也可進行類似分析，最終得到：
在懸浮狀態下，四個旋翼共同的升力應抵消重力，因此：
此時，可以把旋翼角速度分成幾個部分分別控制，通過“比例-微分”控制律建立如下公式：
綜合以上三式可得到期望姿態角-期望轉速之間的關系，即內回路。
外回路：位置控制回路
外回路采用以下控制方式：通過位置偏差計算控制信號（加速度）；建立控制信號與姿態角之間的幾何關系；得到期望姿態角，作為內回路的輸入。期望位置記為?？赏ㄟ^PID
控制器計算控制信號：
是目標懸停位置是我們的目標懸停位置(i=1,2,3)，是期望加速度，即控制信號。注意：懸停狀態下線速度和加速度均為0，即。
通過俯仰角和滾轉角控制飛行器在XW和YW平面上的運動，通過控制偏航角，通過控制飛行器在ZB軸上的運動?？傻茫?/p>
根據上式可按照以下原則進行線性化：
（1）將俯仰角、滾轉角的變化作為小擾動分量，有，，，（2）偏航角不變，有，其中初始偏航角，為期望偏航角（3）在懸停的穩態附近，有
根據以上原則線性化后，可得到控制信號（期望加速度）與期望姿態角之間的關系：
則內回路的輸入為：
5實驗步驟與結果
（1）
根據控制回路的結構建立simulink模型；
（2）
為了便于對控制回路進行參數調整，利用Matlab軟件為四旋翼飛行器創建GUI參數界面；
（3）
利用Matlab的VR
Toolbox建立四旋翼飛行器的動畫場景
（4）
根據系統的結構框圖，搭建Simulink模塊以實現模擬飛行器在指定位置的懸停。使用默認數據，此時xdes=3，ydes=4，zdes=5，開始仿真，可以得到運動軌跡x、y、z的響應函數，同時可以得到在xyz坐標中的空間運動軌跡。然后點擊GUI中的VR按鈕使simulink的工作空間中載入系統仿真所需的參數，把x、y、z的運動軌跡和Roll，Pitch，Yaw輸入至VR中的模擬飛行器中，觀察飛行器的運動軌跡和運動姿態，然后再使用一組新的參數xdes=-8，ydes=3，zdes=6進行四旋翼飛行器運動進行仿真模擬，可以看出仿真結果和動畫場景相吻合。
6實驗總結與心得
此次MATLAB實驗綜合了SIMULINK、GUI和VR場景等多個部分，對四旋翼飛行器運動進行了仿真模擬。由仿真結果可以看出，四旋翼飛行器最終位置達到了期望給定的位置，三個方向的響應曲線最終平穩，對應飛行器懸停在期望位置，達到了控制要求。
【關鍵詞】proteus；仿真實驗室；構建
一、proteus仿真實驗室概念
proteus仿真實驗室就是把計算機當作實驗平臺和實驗中心，通過網絡進行電路分析、數字電路、嵌入式系統（單片機應用系統、arm應用系統）、模擬電路、微機原理與接口技術等課程，在計算機軟件上進行電路設計、仿真和調試等通常在實驗室完成的實驗。proteus仿真實驗室的實驗主要是電路分析、數字電路、模擬電路、嵌入式系統（單片機應用系統、arm應用系統）等課程的實驗和研究。
二、proteus虛擬仿真實驗室系統結構。
proteus虛擬仿真實驗室系統結構如圖1所示，以建立在計算機網絡平臺上的proteus軟件平臺為基礎，構建一個完整的proteus實驗系統的綜合設計與創新實訓平臺。在proteus實驗系統結構中，從原理圖設計、單片機編程、系統仿真到pcb設計一氣呵成，真正實現了從概念到產品的完整設計。
（1）計算機網絡平臺。從圖中可知，proteus實驗系統是建立在計算機網絡平臺上的。為了使更多的模擬實驗者參與到仿真實驗中來，實現資源共享，要發揮proteus實驗室的網絡資源開放的作用，實現多人參與實驗，以proteus服務器為網絡中心，實現proteus仿真實驗的全覆蓋。（2）proteus軟件平臺。proteus是一種強大的計算機自動化設計軟件，能夠提供智能原理圖設計系統，spic模擬電路、數字電路以及mcu器件混合仿真系統和pcb設計系統功能。（3）proteus實驗系統。proteus實驗系統是仿真實驗室的核心，其系統能夠在實驗中直觀的顯示實驗的過程，通過圖形顯現實驗的每個細節，使參與實驗操作的人員能夠對實驗的動態有個感官的過程。
三、單片機虛擬仿真實驗的內容構成
proteus軟件具有動態的模仿優勢，在教學中可以通過《單片機原理與應用》這門課程的教學內容進行分析研究，對教學的知識點進行拆分和綜合，可將proteus單片機仿真實驗分為基礎性試驗、綜合性試驗和創新性實驗。基礎性試驗是對單片機系統相關課程中的實驗進行模擬設計及設計驗證，實驗設計的目的將學生在課堂上所學的知識進行消化，同時學會用pro
teus軟件系統解決課堂上出現的問題，使課堂教學與實驗相結合；綜合性實驗是在學生學習單片機系統模擬實驗的基礎上，增加實驗的內容，在實驗教師的指導下，運用mcu解決命題性實驗的題目，學生按照擬定的題目內容進行電路圖設計、仿真調試、代碼的編寫、pcb設計、制作pcb和驗證pcb設計等一系列過程。由于在proteus軟件平臺上，一個產品項目可以做到從原理圖設計、單片機編程、系統仿真到pcb設計的完整過程，實現從概念到產品的完整設計。而完整的工作過程包括資訊、計劃、決策、實施、檢查、評估6個環節，項目化實驗主要有四個步驟：（1）工作任務的描述。包括工作任務在整個工作體系中所表現的出的作用、所處的地位，完成工作任務需要的設備、工具和材料等等；（2）現場演示與理論講解。教師根據工作任務，進行現場作品演示，演示作品制作的過程，加深學生的感性認識，同時在演示文本的過程穿插理論的講解，引導學生在proteus仿真實驗中構建理論知識；（3）項目的實施。根據老師的講解和工作任務對題目進行設計和制作，完成課題項目；（4）對仿真實驗進行總結。教師對學生完成的作品進行評價，包括作品的外觀、產品制作水平和質量等級等，在學生之間進行對比分析，找出優點和缺點。因此，引入proteus虛擬仿真實驗系統后的單片機系統相關課程，非常適應于采用基于工作過程的項目式教學模式，利于單片機系統課程開展基于工作過程的項目化課程教學改革。
在教學實驗中，充分的利用學?，F有的計算機設備，購置proteus軟件，幫助學生消化教學中的難點，加強學生的理解能力，提高學生的動手能力和創新能力。引入proteus虛擬仿真實驗，有利于促成課程和教學改革，更有利于具備工程實踐能力的應用性人才的培養。
參 考 文 獻
[1]岳東海.基于proteus的虛擬實驗室在實踐性教學中的應用[j].常州信息職業技術學院學報.2007（3）：47～49
關鍵詞：虛擬仿真實驗；實驗教學；土木工程；實驗室建設
1土木工程專業的實驗教學特點
土木工程專業的實驗與實踐教學具有行業的特殊性。
（1）空間體量巨大。土木工程的服務對象是建筑物、橋梁、隧道，一般體量巨大。現在世界最高的建筑物高度超過800m，橋梁的最大跨度達1991m，超高層建筑物的單根柱子、單根樁基的承載能力上萬噸。進行這些結構或構件的實體實驗幾乎是不可能的，即使是縮尺實驗，也存在實驗構件及加載設備體量大、實驗環境惡劣、實驗費用高的問題，限制了學生的參與。
（2）施工周期長。土木工程的建設周期一般比較長，世界最高建筑物———迪拜塔的建設歷時6年，通常一幢普通的住宅樓施工工期也需要1年以上。由于時間的限制，學生的認識實習和生產實習無法得到工程建設全過程的體驗。
（3）工程參與方多。土木工程存在不同的建設參與方（建設方、設計方、施工方、監理方等），在學生認識實習和生產實習過程中，往往只能體驗其中某一方的工作，無法從不同參與方的視角去感受和經歷工程。
（4）危險性高。土木工程實驗很多是破壞性試驗，并且是脆性破壞，具有一定的突然性，學生在實驗過程中的安全問題十分突出。同時，由于施工現場工序復雜、人員眾多，而很多學生又缺乏施工經驗和對危險源的判別能力，這使得很多施工單位在安排學生的認識實習和生產實習時存在顧慮。
（5）實驗難度大。在土木工程的實驗中，災害環境（如臺風、火災、地震、滑坡和泥石流等）的模擬設備造價高（大型地震模擬振動臺的造價上億元、大型風洞的造價幾千萬元）。災害環境實驗難度大、危險性大、費用高。為解決土木工程傳統理論教學與學生工程化培養之間的矛盾，拓展實驗及實踐教學的深度和廣度，提高實驗教學的實效，實現理論教學與實踐教學的緊密結合，特別是進行災害環境對土木工程影響的分析、解決重大工程的防災問題，盡可能減少實驗成本和潛在危害，東南大學在課堂理論教學、原有實體實驗、認識實習和生產實習的基礎上，利用專業的仿真軟件，采用多媒體技術以及網絡通信平臺，構建了具有高度真實感、直觀性和精確性的虛擬仿真實驗教學平臺，作為實體實驗及實踐教學的有益補充和創新［1－5］。
2實驗教學資源建設
早在2005年“工程結構設計原理”與2006年“建筑結構設計”國家精品課程建設期間，東南大學就開始組建土木工程計算機輔助結構設計實驗室，此后結合“土木工程施工”、“工程合同管理”、“結構力學”及“工程結構抗震與防災”幾門國家精品課程和其他相關課程的建設，又相繼成立了土木工程施工虛擬仿真實驗室、土木工程管理信息化等實驗室。2013年通過資源整合，依托國家級土木工程實驗教學示范中心，成立了東南大學土木工程虛擬仿真實驗教學中心。中心面向土木工程、建筑學、交通工程及其他相關專業，形成了“三層次、四模塊、五結合”的教學體系。（1）三層次：按照人才培養需求與教學規律，將實驗教學內容劃分為基礎訓練、提高訓練和創新訓練；（2）四模塊：按專業知識體系與工程實踐規律，搭建土木工程設計、施工、管理、創新實踐4個虛擬仿真實驗平臺；（3）五結合：與理論課程相結合、與實體實驗相結合、與科研項目相結合、與實際工程相結合、與企業實踐相結合。其中，四模塊的18門實驗課程支撐8門專業主干課程與12門實體實驗實踐課程，輻射其他16門專業課程，基本覆蓋了土木工程專業的主要專業課。
2．1土木工程結構分析與設計虛擬仿真模塊
模塊主要包括：（1）基本構件虛擬仿真、樓蓋設計虛擬仿真及單層工業廠房設計虛擬仿真等基礎訓練層次的虛擬仿真實驗項目；（2）建筑結構抗震虛擬仿真、高層建筑結構設計虛擬仿真、大跨空間結構設計虛擬仿真及橋梁結構設計虛擬仿真等提高訓練層次的虛擬仿真實驗項目；（3）復雜結構虛擬仿真、基于MTS混合實驗、大跨橋梁抗風虛擬仿真、結構構件抗火虛擬仿真等創新訓練層次的虛擬仿真實驗項目，是“工程結構設計原理”、“建筑結構設計”與“工程結構抗震與防災”這3門國家級精品資源共享課的重要建設內容。結構分析與設計虛擬仿真實驗項目充分體現了CDIO（conceive－design－implement－operate）的工程教育理念［6－7］，是從工程的構思到概念設計，再進行仿真分析，根據仿真分析結果對概念設計進行優化調整，最后按優化后結構進行施工圖設計的全過程虛擬仿真實驗，實現虛實結合的實踐教學。以特色實驗項目“基于MTS系統混合模擬實驗平臺”為例，傳統的建筑物抗震防災實驗大多數是對整個結構進行的，由于整體實驗成本較高且實驗項目較多，導致實驗場地和實驗時間安排緊張。為了提高實驗項目的實際效果和設備的有效利用，將結構的大部分替換為數值子結構并采用計算機進行仿真，而只有小部分結構在實驗室進行足尺實驗（見圖1）。仿真實驗具有參數可調、實驗方案可擴展、不存在硬件損耗的特點，能夠加深學生對實驗的理解；實體實驗具有真實可靠、直觀性強的特點，能夠提高學生的動手能力和觀察能力。采用計算機仿真實驗與實體實驗相結合的手段，可以有效提高學生綜合應用所學知識的能力。同時，實時混合實驗作為目前最先進的抗震防災實驗手段之一，有助于培養學生的創新意識，提高學術水平。
2．2土木工程施工虛擬仿真模塊
該模塊主要包含基本施工技術虛擬仿真、復雜工程施工技術虛擬仿真及關鍵施工技術仿真分析3部分?；臼┕ぜ夹g虛擬仿真主要包括土方、樁基礎、模板、鋼筋工程等施工過程的虛擬仿真，是模塊的基礎訓練部分；復雜工程施工技術虛擬仿真主要是針對超高層建筑結構、大跨空間結構、大跨橋梁結構等典型工程施工全過程的虛擬仿真，向學生介紹最新的施工技術和復雜工程的施工組織，它是模塊的提高訓練部分；關鍵施工技術仿真分析部分主要針對全新的施工技術，通過對施工過程中關鍵部分的仿真分析，確保施工的順利和安全，它是模塊的創新訓練部分。以典型實驗項目“大跨橋梁結構施工虛擬仿真”為例，該實驗項目以銅陵長江大橋工程為案例，與中鐵大橋局集團和柳州歐維姆機械股份有限公司合作完成。對該工程的施工全過程進行了虛擬仿真，包含樁基礎施工、沉井施工、主塔施工、鋼桁梁吊裝施工、斜拉索施工等子系統（見圖2）。通過該項目的學習，學生可以了解大跨斜拉橋施工的主要步驟、施工工藝、技術措施等。
2．3土木工程管理虛擬仿真模塊
該模塊包含工程項目管理、工程造價管理、工程合同管理和工程管理BIM綜合4個部分。傳統的信息技術類課程教學模式比較注重信息系統管理知識的介紹和基礎軟件操作，但是存在信息技術類知識體系在不同部分之間的割裂問題，使學生難以形成結構化、模塊化的專業信息技術能力和素質。土木工程管理虛擬仿真實驗平臺對傳統課程設置模式進行了改革，根據多學科對信息技術的應用需求，注重學生專業核心能力的培養，形成信息技術類實驗課程平臺。以典型實驗項目“工程管理BIM綜合虛擬仿真”為例，該項目根據給定的工程項目設計（包括建筑、結構、設備等）方案、相應的城市規劃條件以及有關的地理環境數據，從施工單位、設計單位或咨詢單位的角度進行項目建筑設計方案的多維可視化仿真（見圖3），并利用BIM模型進行輔助施工管理，包括項目的日照分析、建筑能耗分析、綠色建筑評價、建筑體量計算等。
2．4土木工程創新實踐虛擬仿真模塊
本模塊主要分為基于創新訓練計劃的虛擬仿真和基于學生參加科技競賽的虛擬仿真兩部分，以滿足學生課外研學課程的需要，在實驗項目的設計上充分體現CDIO的工程教育理念。學生根據項目的要求，利用已學的專業知識，對結構進行概念設計，然后運用仿真分析軟件進行模型計算分析，根據仿真分析結果對模型設計進行優化，完成實體模型的制作，將制作好的模型進行加載或讓其完成特定功能。通過本模塊實驗項目的訓練，可以加深學生對各類結構體系、設計分析的理解和認識，使學生在知識運用能力、創新能力、動手能力、團隊協作精神等方面得到全面提升［8－9］。以典型實驗項目“創新結構體系虛擬仿真實驗”為例（見圖4），要求學生設計并制作創新結構模型，以反映學生的力學概念、結構概念和創新思維。實驗項目鼓勵節能減排、循環經濟的創新思路，旨在通過指導學生對結構概念設計、基本構件受力狀態、空間結構體系及特點、典型工程案例分析等內容的學習，培養學生勤于觀察與思考，并動手制作結構模型的能力，使學生能夠從結構整體上把握建筑物的結構體系及受力特點，并通過學習報告、制作模型及加載體驗的方式提高學生的動手實踐能力和創新意識。
3教學特色
3．1依托優質教學資源建設虛擬仿真實驗平臺
土木工程虛擬仿真實驗教學中心長期堅持實體實驗項目建設和虛擬仿真項目建設相結合，通過國家級教學團隊的規劃，完善了實驗教學體系，并將學生實驗訓練的學時數比例由總學時的19％增加到25％。中心依托國家級土木工程實驗教學示范中心，與理論教學緊密結合，進行虛實結合的實驗教學資源建設，有力地支撐了6門國家精品課程、5門國家級精品資源共享課程和1門國家級視頻公開課的建設，提升了課程建設和專業建設的水平。2013年，土木工程專業以優秀成績第4次通過住建部高等教育土木工程專業評估委員會的評估，在2012年的全國學科評估中，東南大學土木工程學科名列全國第三。
3．2來源于科研項目，面向創新能力培養
中心依托“國家預應力工程技術中心”、“混凝土與預應力混凝土教育部重點實驗室”等國家和部省級科研基地，不斷地將最新科研成果轉化為虛擬仿真實驗項目。通過把科研成果轉化為實驗教學內容，把科研方法融入實驗教學活動，向學生傳授科研理念、科研文化、科研價值，使學生了解科技最新發展和學術前沿動態，激發科研興趣，啟發科研思維，培養科研道德，提升學生科學研究和科技創新能力。
3．3來源于工程實踐，面向工程實踐能力培養
中心的大量虛擬仿真實驗項目來自于真實的工程實例，是以實際工程為背景，解決工程實際問題為目標的“實戰型”項目。通過真實項目的演練，指導學生綜合運用專業知識，進一步培養學生的工程素質和實踐能力，為社會輸送合格的“來之能戰”的畢業生。已將典型重大工程轉化為實驗項目的實例有：（1）山東博物館屋蓋薄壁箱型結構虛擬仿真；（2）廣州南站大跨空間結構溫度應力虛擬仿真；（3）廣州白云機場復雜鑄鋼節點虛擬仿真；（4）潤揚長江大橋大跨橋梁抗風虛擬仿真；（5）深圳大運會體育館鋼結構安裝施工虛擬仿真；（6）滬通長江大橋橋梁沉井施工全過程虛擬仿真。
3．4面向防災減災，開展災害虛擬仿真
現代土木工程的最大威脅來自于各種自然災害和人為災害———地震、臺風、海嘯、火災、爆炸、泥石流等。各種災害因其巨大的時空尺度而難以再現，因其復雜的生成原因而無法重復，所以要借助現代虛擬仿真技術進行演示。中心依托云計算中心每秒37萬億次峰值浮點計算能力，運用大型虛擬仿真分析軟件，開展地震、臺風、火災及爆炸等災害的模擬，提升學生防災意識和減災水平。
4結束語
通過多年的建設，東南大學土木工程虛擬仿真實驗教學中心已經成為由國家級教學團隊及國家級教學名師負責規劃和建設，面向土木工程、工程管理2個國家級高等教育特色專業和其他相關專業的實驗實踐教學基地，為“結構力學”、“工程結構設計原理”、“建筑結構設計”、“工程結構抗震與防災”、“土木工程施工”、“工程合同管理”等6門國家級精品課程和其他相關課程開展虛擬仿真實驗教學，面向7個專業的學生開展創新訓練。2014年，該中心獲批為國家級土木工程虛擬仿真實驗教學中心。
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關鍵詞：仿真實驗；物理實驗；創新
中圖分類號：G642 文獻標識碼：A
文章編號：1009-0118（2012）06-0039-02
物理實驗是物理學和科學實驗的重要部分，在物理學的創立和發展中物理實驗占有十分重要的地位，同時在推動其他科學、工程技術的發展中也起到重要的作用。
大學物理實驗是學生進入大學后接收系統實驗方法和實驗技能訓練的開端，是理工類各專業學生進行科學試驗訓練的重要基礎。它的目的是:（1）培養學生的以下幾方面的科學實驗工作能力：即正確使用儀器、進行測量、出來數據、分析結果以及撰寫實驗報告等，使學生初步掌握實驗科學的思想和方法；（2）培養學生的創新意識和科學思維，使學生掌握實驗研究的基本方法，提高學生的創新能力和分析能力；（3）提高學生的科學素養，培養學生嚴格、細致、實事求是、認真嚴肅、一絲不茍的科學態度，培養學生積極主動的探索精神以及團結合作、愛護國家財產的道德品質；（4）培養學生善于動腦、樂于動手、講究科學方法、遵守操作規程、注意安全等科學習慣［1］?？傊?，是為學生今后的學習和工作奠定一個良好的實驗基礎。
一、物理實驗教學中存在的問題
（一）由于學校擴招及多很實驗設備耗資太大、實驗室不能購買等原因，很多高校實驗室存在儀器設備落后、實驗項目單一等問題［2］。嚴重制約了實驗教學質量的提高及實驗室的建設和發展，不利于培養與時俱進的人才。
（二）每個實驗開始之前，都要求學生進行預習，但是學生在寫預習實驗報告時［3］，往往是照抄照搬教材上的內容，對于實驗原理、設備、操作步驟和操作過程中的注意事項根本沒有用心去閱讀并體會，這樣的應付性勞動，極大的限制了學生的思維。
二、物理仿真實驗在教學中的積極作用
（一）提高教學質量和效率
物理仿真實驗是虛擬環境下進行的實驗，實驗儀器主要是虛擬儀器，只需購置計算機等少量的硬件資源和軟件《大學物理仿真實驗》即可開設實驗?！洞髮W物理仿真實驗》分為三部分，包含了凱特擺測重力加速度、核磁共振、螺線管磁場及其測量、檢流計的特性、單透鏡物理實驗、分光計實驗、空氣比熱容比測定、電子荷質比的測定、楊氏模量、邁克耳遜干涉儀、牛頓環測量曲率半徑、介電常數的測量等豐富的實驗內容，只要將仿真軟件安裝到計算機上，就可以進行軟件里面的任何實驗，這就解決了實驗室儀器設備落后、實驗項目單一的問題，而且由于有豐富的資源,更有利于學生自主開發實驗,故更利于培養學生的創造能力和創新思維。有些實驗儀器比較昂貴，易于損耗，普通高校一般難以開出［4］。而仿真實驗能營造一個虛擬的實驗環境使無法開設的實驗得以開設，學生只要在裝有《大學物理仿真實驗》軟件的電腦上就能進行整個實驗的操作，并且能看到測量結果完成實驗。由于是在虛擬環境下進行的實驗，所以不存在儀器設備的損壞，操作者的心理壓力小，更樂于去動手，在操作過程中遇到問題解決問題。
仿真實驗是一種新的實驗方式，它利用計算機把實驗目的、實驗儀器、實驗內容、教師指導和學生操作有機地融為一體［4］。如果學生在做實驗之前沒接觸過該實驗儀器，很多學生就會拿著書與儀器的部件一一進行對照，甚至在不清楚儀器正確使用方法和操作注意事項的情況下而進行了錯誤的操作，導致實驗中斷、儀器損壞。仿真實驗中實驗儀器的關鍵部位能夠拆卸，增強學生對儀器功能的熟悉和使用方法的訓練。而如果課前學生通過仿真實驗進行預習，對實驗所用儀器的整體結構建立起直觀的認識后，那么上面損壞儀器的情況出現的幾率就會大大降低。比如分光計的調整與使用實驗，每臺儀器近乎萬元，讓學生在對儀器毫不熟悉的情況下直接接觸實驗儀器會增加儀器受損的風險。所以我們首先進行分光計的仿真實驗教學,學生通過仿真實驗的學習，對儀器的結構和調試技術有了整體認識，而通過計算機操作，也掌握了一定的操作技巧，然后我們再讓學生去做相關實物實驗。而對于實驗難度較高的實驗,也是先進行仿真實驗教學,再進行實物實驗,如此就縮短了做實驗的時間。通過仿真實驗的學習后,學生對實驗有一個整體的認識,然后在進行實物實驗時會感到心中有數，操作起來更輕松，這樣就大大提高了實驗教學的效率和質量。
（二）營造多樣化教學環境［5］。我們學院專門拿出一間計算機機房作為物理仿真實驗室，每周周一至周五開放，學生可以隨時去進行實驗操作。如果學生自己擁有計算機，便可在課外繼續實驗亦可以通過網絡進行自學，為學生對實驗的課前預習和課后復習帶來了方便。計算機仿真實驗使實驗教學走出實驗室,克服了實驗教學長期受到場地、課時限制的困擾,使實驗教學內容在時間和空間上得到延伸，學生能夠充分的學習和掌握實驗教學內容［5］，這也利于學生根據自己的興趣選擇實驗,可滿足不同層次學生的需求，極大的調動了學生學習的積極性。
（三）對于實物實驗,實際操作中由于儀器的缺陷、實驗環境以及人為不當操作等因素的影響,致使結果誤差較大,從而影響學生對實驗的興趣。仿真實驗采用虛擬的實驗環境,最大限度地避免了實際中存在的各種不利因素,實驗結果較準確,所以通過仿真實驗可以極大地增強學生科學實驗的信心,有利于培養學生實事求是的科學實驗態度,是對傳統實驗一個有益的必要的補充［2］。
三、仿真實驗在教學中的不足之處
盡管仿真實驗在實驗教學過程中有一定的積極作用，但它仍具有有一定的局限性。一方面，仿真實驗中的儀器相對比較精確,使學生不能通過數據處理、誤差分析等環節訓練來體驗和分析產生誤差的主要原因。另一方面，在使用仿真軟件的過程中，對儀器的操作主要是通過鼠標點擊來實現，缺乏真實感，并且缺少實際動手的機會，從而減少了學生在實驗中遇到實驗故障并排除故障的機會。
四、結論
綜上所述，我們清楚的知道，仿真實驗不能完全取代實物實驗，為了更好的教學質量，最好的辦法是在教學過程中將仿真實驗與實物實驗相結合,正確處理好仿真實驗與實物實驗之間的關系［6］，開創物理實驗教學的新模式，使仿真實驗在教學中起到應有的作用。
參考文獻：
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