论文部分内容阅读
［摘要］实践教学在本科工程教育中具有重要地位。实物实验是传统的实验教学手段，虚拟实验是随着计算机技术发展的新的实验手段，二者之间存在很强的互补性和相互依存的关系。应充分发挥实物实验和虚拟实验的优势，虚实结合，组建实物实验平台、3D虚拟实验室、虚拟实验管理平台及手机客户端，既有效解决传统实验教学存在的场地不足、设备缺乏、实验效果不佳等缺点，又可使学生得到身临其境的实验教学过程体验，达到更好的实验教学效果，提高实践教学的质量。
［关键词］实验平台 本科实践教学 实验室建设
［作者简介］郭楚文（1963- ），男，广东汕头人，中国矿业大学电力工程学院，教授，主要从事流体力学方面的教学与研究工作；王利军（1981- ），男，河南焦作人，中国矿业大学电力工程学院，副教授，主要从事流体力学及其工程应用研究工作；韩东太（1973- ），男，河南平顶山人，中国矿业大学电力工程学院，副教授，主要从事动力工程测试技术方面的教学和研究工作。（江苏 徐州 221116）
［中图分类号］G642.0 ［文献标识码］A ［文章编号］1004-3985（2016）11-0099-03
根据教育部《关于实施“卓越工程师教育培养计划”的若干意见》（教高［2011］1号）文件精神，强化学生的实践能力、设计能力与创新能力是工程教育的核心，可见实践教学在工程教育中具有重要的地位。
随着多媒体技术、虚拟现实技术和网络通信技术的发展，学生的学习方式必然发生重大变革，在培养和提高学生动手能力、观察能力、分析问题和解决问题能力等方面有着先天优势的实验教学是高校教育改革的一个关键。传统的实验实训教学过程普遍存在如下问题：学生实验过程中基本为4～6人/台，部分学生实际操作，部分学生参观，难以达到实验教学的目的；同时，由于台套数较少，有时候需要将一个班级分为两部分来进行实验，增加了实验指导教师的工作量。
利用计算机技术对虚拟实验室的教学应用研究始于20世纪90年代，虚拟现实教育随着网络技术及虚拟现实技术的快速发展得到了广泛应用。为了解决传统实验教学存在的场地不足、设备缺乏、实验效果不佳等缺点，虚拟实验技术应运而生。虚拟实验教学具有可任意重复、无须实验场地、没有器材消耗、实验结果精确、不受时间和地点限制等优点。通过设计一个可视化的虚拟实验平台，学生就能够进行模拟训练，得到类似于真实实验教学过程的操作体验，为实际实验操作积累经验，有效缩短实验时间，达到更好的实验教学效果。有些虚拟实验甚至可以直接替代实际实验过程。
虽然虚拟实验在解决学生实验的时空限制、实验场地不足等方面具有很大的优势，但在培养工科学生的实际动手能力方面明显不如实物实验台。因此，虚实结合是未来实验教学的必由之路。本文主要探讨虚拟实验和实物实验的有机结合，提升本科实践教学质量。
一、虚拟实验与实物实验的优势及局限性
实物实验是传统的实验教学手段，是学生理论联系实际的重要环节。实物实验过程中，学生通过实际动手操作仪器设备、真实观察实验物理现象，在视、听、感、触等方面具有真实的体验，对提高学生观察问题、分析问题能力的培养与提高具有重要作用。对于某些大型的综合性实物实验，需要一个小组的学生相互配合才能完成，这对锻炼学生的团队意识、协作精神非常有意义。
虽然实物实验具有很多独特的优势，但也存在不少局限性。首先，实物实验的投资较大，且台套数有限，有些仪器设备十分昂贵；其次，实物实验需要一定面积的实验室；再次，实物实验还受到实验时间的制约，即便是开放性的实验室也存在一定的时间限制；最后，有些实验现象很难在实物实验中进行仔细观测，如流体力学中的漩涡、紊流等现象。
虚拟实验是随着计算机技术发展的新的实验手段，其主要优点有：（1）成本相对较低，且功能齐全，无须购置昂贵的仪器设备，没有实验材料消耗； （2）不受时间和空间的约束，学生可在任何时间、任何地点进行实验；（3）安全性好、可靠性高，由于所有操作都是在计算机上的模拟操作，避免了实物实验可能存在的危险，如有些实验涉及易燃、易爆、有毒等物品；（4）将抽象的内容形象化，更好地表现细节，便于学生观测一些实物实验无法仔细观测到的现象；（5）学生为实验的主体，可自主进行综合性实验设计，并与计算机进行很好的交互，充分调动学习积极性，变“要我学”为“我要学”。
与实物实验一样，虚拟实验也存在一定的局限性。首先是没有实物感，学生得不到实际操作仪器设备的感受，不利于实际动手能力的培养；其次是虚拟实验过于“精确”，每次实验过程都一模一样，难以实际模拟实物实验中存在的各种干扰因素和误差，对学生创新能力和发现问题意识的培养不利。
根据以上分析可以发现，实物实验与虚拟实验之间存在很强的互补性，它们的优点与局限性正好相反，片面强调实物实验或虚拟实验都无法达到提升本科实践教学质量的目的。
二、本科实验教学中的虚实关系
虚拟实验和真实实验不仅具有很强的互补性，还是相互依存的关系。虚拟实验以真实实验原理为基础，利用多媒体技术和现实仿真技术对真实实验进行模拟；真实实验需要以虚拟实验作为补充和拓展。只有充分发挥虚拟实验和真实实验的优势，利用其互补性克服各自的局限性，才能使学生得到全面的锻炼，培养学生的创新能力，达到提升本科实践教学质量的目的。
1.虚拟实验和实物实验是互补的关系。虚拟实验的优点往往是实物实验的局限性，而虚拟实验的局限性恰好又是实物实验的优点，反之亦然。例如，对于某些难以用肉眼观察的实验现象，利用虚拟实验就可以得到清晰、生动的表现；对于一些基础性的操作训练，则必须采用实物实验；对于贵重仪器设备，由于台套数有限，直接进行虚拟实验可以大大降低成本，也可利用虚拟实验使学生先熟悉实验过程，减少在实物实验中的失误，并避免损坏仪器。
2.容易实现的实验尽量采取实物实验。虽然虚拟实验具有实物实验所不具备的诸多优点，但是不能陷入“为了虚拟实验而虚拟实验”的误区，能“实”勿“虚”。例如，本科基础性实验绝大部分只需要简单的仪器设备，操作并不复杂，利用真实实验平台很容易完成，就没必要用虚拟实验；常见仪表的调试与使用、基本的测试原理与技术等，最好用实物实验，以提高学生的实际动手能力，使其掌握基本的实践技能与方法。 3.虚拟实验无法完全替代实物实验。虚拟实验是为了解决实验器材、资金投入、实验场地等问题而发展起来的新型实验手段，它只是实物实验的补充和拓展，不能本末倒置，不能用虚拟实验完全替代实物实验。离开实物实验，学生将得不到实际动手能力的锻炼，对将来工作中遇到的各类仪器设备没有感性认识。同时，实物实验过程中不可控因素非常多，包括设备故障、测量误差、人为失误等，学生亲自动手做实验的过程，其实就是一次简单的探索与发现过程，无论实验结果如何，学生均可得到动手操作能力的锻炼及分析问题和解决问题能力的培养。
三、虚实结合本科实验教学平台的构建
本科实验体系一般可分为基础性实验、综合性实验和创新设计性实验三种，针对不同类型的实验，可以采取完全实物实验、完全虚拟实验以及虚拟实验为辅实物实验为主的方式进行。虚实结合本科实验教学平台主要由三部分构成：（1）一定台套数的实物实验平台；（2）基于虚拟现实技术的3D虚拟实验室；（3）虚拟实验管理平台及手机客户端。
基础性实验的主要目的是让学生学会一种实验技术或者一种实验仪器设备的使用方法，如学会流量、压力的测量，掌握微压计、皮托管的操作方法等。这类实验相对比较简单，同时对实际动手能力要求较高，因此一般均采取实物实验，以使学生得到实际操作的训练。基础性实验中还有部分是演示性实验，目的是让学生了解一些物理现象，如流线、漩涡等。这类演示性实验有时需要借助虚拟实验技术才能更好地呈现出物理现象的细节，使学生有更深刻的理解。
综合性实验和创新设计性实验的目的是让学生综合运用所学知识，利用各类仪器设备设计实验并进行实际操作，因此，必须将实物实验和虚拟实验有机结合起来，才能达到实践教学目的。可以采取的虚实结合方式包括实中有虚和虚中有实等，视实验的复杂程度进行合理组合。
实中有虚的方式是先让学生通过虚拟实验熟悉实验过程和实验原理，掌握实验操作要点，然后进行实物实验。其优点是可以避免学生在实验中的操作失误，这种方式对诸如燃烧、高温高压等危险性实验特别适合。
虚中有实的方式是让学生先进行部分实物实验，在真实实验环境中建立对复杂实验的感性认识，并在实物实验中发现疑难问题，然后再进行虚拟实验。这种方式特别适合复杂程度较高的创新性实验，学生通过局部的实物实验积累经验并发现问题，最后通过虚拟实验搭建整个实验平台。
虚实结合实验平台中的虚拟实验一般由四部分组成：实验指导、实验演示、实验操作和实验考核。实验指导以文字内容为主，主要包含实验目的、实验装置和实验原理。实验演示以动画或录像为主，详细介绍每个实验的步骤，让学生在正式的虚拟实验之前可对操作过程提前学习，进度可重复、回放，从而使学生能够实现“一对一”的学习效果，增强学习的自主性和积极性。实验操作是让学生根据演示的内容，对实验进行虚拟操作，每个学生都可根据自己的操作过程得到相应的数据，避免了实际实验过程中由于台套数限制而造成的学生抄袭问题。实验结果分析主要以文字为主，包括对实验现象进行描述、实验中常见问题、实验结果处理等内容。实验考核主要考查学生对实验过程的掌握情况，在考核的过程中，只有当学生操作的步骤及方法正确时，才能进入下一步实验，而成绩判定的主要依据是学生实验过程中步骤及操作错误的次数。
为充分发挥虚拟实验的优势，必须开发相应的手机客户端，使学生可以随时随地进行实验学习。需要强调的是，虚拟系统应具有良好的开放共享性，还应具备考核功能，能够评价学生的学习效果，强化学生对实验知识内容的掌握。
实践教学是工程教育中非常重要的环节，构建虚实结合的实验教学平台，可充分发挥虚拟实验与实物实验各自的优势，既有效解决传统实验教学存在的场地不足、设备缺乏、实验效果不佳等缺点，又可使学生得到身临其境的实践教学过程体验，达到更好的实践教学效果，提高实践教学的质量。构建虚实结合实验平台将是未来实验室建设的发展方向，具有良好的发展前景。
［参考文献］
［1］崔刚，陆勇.面向“卓越工程师”培养的工科院校实践教学体系之架构［J］.江苏高教，2012（5）.
［2］陈显涛，金伟祖，于志安.基于NS3的虚拟网络实验室构建及可视化实现［J］.电脑知识与技术，2014（1）.
［3］汪寅.虚拟现实技术的哲学意蕴及其社会影响［D/OL］.南宁：广西大学，2004［2013-12-24］.http://d.wanfangdata.com.cn/Thesis/Y621027.
［4］胡今鸿，李鸿飞，黄涛. 高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究［J］.实验室研究与探索，2015（2）.
［5］程思宁，耿强，姜文波，等.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践［J］.实验技术与管理，2013（7）.
［关键词］实验平台 本科实践教学 实验室建设
［作者简介］郭楚文（1963- ），男，广东汕头人，中国矿业大学电力工程学院，教授，主要从事流体力学方面的教学与研究工作；王利军（1981- ），男，河南焦作人，中国矿业大学电力工程学院，副教授，主要从事流体力学及其工程应用研究工作；韩东太（1973- ），男，河南平顶山人，中国矿业大学电力工程学院，副教授，主要从事动力工程测试技术方面的教学和研究工作。（江苏 徐州 221116）
［中图分类号］G642.0 ［文献标识码］A ［文章编号］1004-3985（2016）11-0099-03
根据教育部《关于实施“卓越工程师教育培养计划”的若干意见》（教高［2011］1号）文件精神，强化学生的实践能力、设计能力与创新能力是工程教育的核心，可见实践教学在工程教育中具有重要的地位。
随着多媒体技术、虚拟现实技术和网络通信技术的发展，学生的学习方式必然发生重大变革，在培养和提高学生动手能力、观察能力、分析问题和解决问题能力等方面有着先天优势的实验教学是高校教育改革的一个关键。传统的实验实训教学过程普遍存在如下问题：学生实验过程中基本为4～6人/台，部分学生实际操作，部分学生参观，难以达到实验教学的目的；同时，由于台套数较少，有时候需要将一个班级分为两部分来进行实验，增加了实验指导教师的工作量。
利用计算机技术对虚拟实验室的教学应用研究始于20世纪90年代，虚拟现实教育随着网络技术及虚拟现实技术的快速发展得到了广泛应用。为了解决传统实验教学存在的场地不足、设备缺乏、实验效果不佳等缺点，虚拟实验技术应运而生。虚拟实验教学具有可任意重复、无须实验场地、没有器材消耗、实验结果精确、不受时间和地点限制等优点。通过设计一个可视化的虚拟实验平台，学生就能够进行模拟训练，得到类似于真实实验教学过程的操作体验，为实际实验操作积累经验，有效缩短实验时间，达到更好的实验教学效果。有些虚拟实验甚至可以直接替代实际实验过程。
虽然虚拟实验在解决学生实验的时空限制、实验场地不足等方面具有很大的优势，但在培养工科学生的实际动手能力方面明显不如实物实验台。因此，虚实结合是未来实验教学的必由之路。本文主要探讨虚拟实验和实物实验的有机结合，提升本科实践教学质量。
一、虚拟实验与实物实验的优势及局限性
实物实验是传统的实验教学手段，是学生理论联系实际的重要环节。实物实验过程中，学生通过实际动手操作仪器设备、真实观察实验物理现象，在视、听、感、触等方面具有真实的体验，对提高学生观察问题、分析问题能力的培养与提高具有重要作用。对于某些大型的综合性实物实验，需要一个小组的学生相互配合才能完成，这对锻炼学生的团队意识、协作精神非常有意义。
虽然实物实验具有很多独特的优势，但也存在不少局限性。首先，实物实验的投资较大，且台套数有限，有些仪器设备十分昂贵；其次，实物实验需要一定面积的实验室；再次，实物实验还受到实验时间的制约，即便是开放性的实验室也存在一定的时间限制；最后，有些实验现象很难在实物实验中进行仔细观测，如流体力学中的漩涡、紊流等现象。
虚拟实验是随着计算机技术发展的新的实验手段，其主要优点有：（1）成本相对较低，且功能齐全，无须购置昂贵的仪器设备，没有实验材料消耗； （2）不受时间和空间的约束，学生可在任何时间、任何地点进行实验；（3）安全性好、可靠性高，由于所有操作都是在计算机上的模拟操作，避免了实物实验可能存在的危险，如有些实验涉及易燃、易爆、有毒等物品；（4）将抽象的内容形象化，更好地表现细节，便于学生观测一些实物实验无法仔细观测到的现象；（5）学生为实验的主体，可自主进行综合性实验设计，并与计算机进行很好的交互，充分调动学习积极性，变“要我学”为“我要学”。
与实物实验一样，虚拟实验也存在一定的局限性。首先是没有实物感，学生得不到实际操作仪器设备的感受，不利于实际动手能力的培养；其次是虚拟实验过于“精确”，每次实验过程都一模一样，难以实际模拟实物实验中存在的各种干扰因素和误差，对学生创新能力和发现问题意识的培养不利。
根据以上分析可以发现，实物实验与虚拟实验之间存在很强的互补性，它们的优点与局限性正好相反，片面强调实物实验或虚拟实验都无法达到提升本科实践教学质量的目的。
二、本科实验教学中的虚实关系
虚拟实验和真实实验不仅具有很强的互补性，还是相互依存的关系。虚拟实验以真实实验原理为基础，利用多媒体技术和现实仿真技术对真实实验进行模拟；真实实验需要以虚拟实验作为补充和拓展。只有充分发挥虚拟实验和真实实验的优势，利用其互补性克服各自的局限性，才能使学生得到全面的锻炼，培养学生的创新能力，达到提升本科实践教学质量的目的。
1.虚拟实验和实物实验是互补的关系。虚拟实验的优点往往是实物实验的局限性，而虚拟实验的局限性恰好又是实物实验的优点，反之亦然。例如，对于某些难以用肉眼观察的实验现象，利用虚拟实验就可以得到清晰、生动的表现；对于一些基础性的操作训练，则必须采用实物实验；对于贵重仪器设备，由于台套数有限，直接进行虚拟实验可以大大降低成本，也可利用虚拟实验使学生先熟悉实验过程，减少在实物实验中的失误，并避免损坏仪器。
2.容易实现的实验尽量采取实物实验。虽然虚拟实验具有实物实验所不具备的诸多优点，但是不能陷入“为了虚拟实验而虚拟实验”的误区，能“实”勿“虚”。例如，本科基础性实验绝大部分只需要简单的仪器设备，操作并不复杂，利用真实实验平台很容易完成，就没必要用虚拟实验；常见仪表的调试与使用、基本的测试原理与技术等，最好用实物实验，以提高学生的实际动手能力，使其掌握基本的实践技能与方法。 3.虚拟实验无法完全替代实物实验。虚拟实验是为了解决实验器材、资金投入、实验场地等问题而发展起来的新型实验手段，它只是实物实验的补充和拓展，不能本末倒置，不能用虚拟实验完全替代实物实验。离开实物实验，学生将得不到实际动手能力的锻炼，对将来工作中遇到的各类仪器设备没有感性认识。同时，实物实验过程中不可控因素非常多，包括设备故障、测量误差、人为失误等，学生亲自动手做实验的过程，其实就是一次简单的探索与发现过程，无论实验结果如何，学生均可得到动手操作能力的锻炼及分析问题和解决问题能力的培养。
三、虚实结合本科实验教学平台的构建
本科实验体系一般可分为基础性实验、综合性实验和创新设计性实验三种，针对不同类型的实验，可以采取完全实物实验、完全虚拟实验以及虚拟实验为辅实物实验为主的方式进行。虚实结合本科实验教学平台主要由三部分构成：（1）一定台套数的实物实验平台；（2）基于虚拟现实技术的3D虚拟实验室；（3）虚拟实验管理平台及手机客户端。
基础性实验的主要目的是让学生学会一种实验技术或者一种实验仪器设备的使用方法，如学会流量、压力的测量，掌握微压计、皮托管的操作方法等。这类实验相对比较简单，同时对实际动手能力要求较高，因此一般均采取实物实验，以使学生得到实际操作的训练。基础性实验中还有部分是演示性实验，目的是让学生了解一些物理现象，如流线、漩涡等。这类演示性实验有时需要借助虚拟实验技术才能更好地呈现出物理现象的细节，使学生有更深刻的理解。
综合性实验和创新设计性实验的目的是让学生综合运用所学知识，利用各类仪器设备设计实验并进行实际操作，因此，必须将实物实验和虚拟实验有机结合起来，才能达到实践教学目的。可以采取的虚实结合方式包括实中有虚和虚中有实等，视实验的复杂程度进行合理组合。
实中有虚的方式是先让学生通过虚拟实验熟悉实验过程和实验原理，掌握实验操作要点，然后进行实物实验。其优点是可以避免学生在实验中的操作失误，这种方式对诸如燃烧、高温高压等危险性实验特别适合。
虚中有实的方式是让学生先进行部分实物实验，在真实实验环境中建立对复杂实验的感性认识，并在实物实验中发现疑难问题，然后再进行虚拟实验。这种方式特别适合复杂程度较高的创新性实验，学生通过局部的实物实验积累经验并发现问题，最后通过虚拟实验搭建整个实验平台。
虚实结合实验平台中的虚拟实验一般由四部分组成：实验指导、实验演示、实验操作和实验考核。实验指导以文字内容为主，主要包含实验目的、实验装置和实验原理。实验演示以动画或录像为主，详细介绍每个实验的步骤，让学生在正式的虚拟实验之前可对操作过程提前学习，进度可重复、回放，从而使学生能够实现“一对一”的学习效果，增强学习的自主性和积极性。实验操作是让学生根据演示的内容，对实验进行虚拟操作，每个学生都可根据自己的操作过程得到相应的数据，避免了实际实验过程中由于台套数限制而造成的学生抄袭问题。实验结果分析主要以文字为主，包括对实验现象进行描述、实验中常见问题、实验结果处理等内容。实验考核主要考查学生对实验过程的掌握情况，在考核的过程中，只有当学生操作的步骤及方法正确时，才能进入下一步实验，而成绩判定的主要依据是学生实验过程中步骤及操作错误的次数。
为充分发挥虚拟实验的优势，必须开发相应的手机客户端，使学生可以随时随地进行实验学习。需要强调的是，虚拟系统应具有良好的开放共享性，还应具备考核功能，能够评价学生的学习效果，强化学生对实验知识内容的掌握。
实践教学是工程教育中非常重要的环节，构建虚实结合的实验教学平台，可充分发挥虚拟实验与实物实验各自的优势，既有效解决传统实验教学存在的场地不足、设备缺乏、实验效果不佳等缺点，又可使学生得到身临其境的实践教学过程体验，达到更好的实践教学效果，提高实践教学的质量。构建虚实结合实验平台将是未来实验室建设的发展方向，具有良好的发展前景。
［参考文献］
［1］崔刚，陆勇.面向“卓越工程师”培养的工科院校实践教学体系之架构［J］.江苏高教，2012（5）.
［2］陈显涛，金伟祖，于志安.基于NS3的虚拟网络实验室构建及可视化实现［J］.电脑知识与技术，2014（1）.
［3］汪寅.虚拟现实技术的哲学意蕴及其社会影响［D/OL］.南宁：广西大学，2004［2013-12-24］.http://d.wanfangdata.com.cn/Thesis/Y621027.
［4］胡今鸿，李鸿飞，黄涛. 高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究［J］.实验室研究与探索，2015（2）.
［5］程思宁，耿强，姜文波，等.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践［J］.实验技术与管理，2013（7）.