虚拟仿真实验技术篇1

关键词：FLASH；面向对象编程；虚拟仿真实验；物理天平

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)17-31438-03

Development of Virtual Simulate Experiment Based on Flash

WANG Lin,JI Yi

(Southeast University,Nanjing 211189,China)

Abstract：The application of virtual simulate experiment can help students familiarize the experiment, offset the deficiency of the hardware in the laboratory, improve the effect of teaching and study, and accelerate the innovation of teaching. By the example of simulate measure of physical balance, the article introduce the characteristic of object-oriented programming and the object-oriented development of virtual simulate experiment based on flash.

Key words：Flash；Object-oriented Programming；Virtual Simulate Experiment；Physical Balance

1 引言

虚拟仿真实验利用计算机网络技术和多媒体技术对实验项目进行仿真，仿真实验系统应能提供简单通用的交互界面，能准确地计算并模拟实际实验状态和仪器操作状态，能正确地分析判断用户的操作流程，对用户不当操作进行屏蔽或提示，并能支持在网络上的应用。基于以上一些特点，使得仿真实验的开发相对比较困难，制作周期长。笔者多年来一直致力于仿真实验方面的工作，尝试过数种开发软件，总结发现FLASH开发出的软件文件小、画面形象、交互性强、支持流媒体，同时开发方法也较容易掌握。

就目前市场上而言，大多数基于FLASH的教学软件还仅仅停留在利用FLASH强大的动画功能，制作形象生动的演示型课件。其实到了FLASH MX 2004以后，FLASH已显示了强大的编程功能，完全能够轻松开发出交互性极强的虚拟仿真软件。本文将以物理天平的模拟调节为例，介绍如何利用FLASH进行面向对象虚拟仿真实验的开发。

2 面向对象的FLASH编程

2.1 面向对象编程的特点

从FLASH MX 2004开始出现了ActionScript2.0，这是一个完全基于面向对象编程（Object-Oriented Programming）的编程语言。面向对象编程中最重要的概念是“对象”，它是一个自我包含的个体，可以说现实世界中任何东西其实都是一个对象。每个对象都会有一些状态或信息，也就是对象中的变量，在面向对象编程中就叫做“属性”，而“方法”就是用来读取或修改“属性”的。每个对象只可以管理自己的属性，而不应该让外界直接读取或修改对象的属性，这就是“封装”。外界可以调用对象的方法来调整对象的数据。利用封装的好处就是使编程寻找错误更加容易，更可以避免因为数据改变而影响其他程序。

外界改变对象的属性，可以通过对象自己提供的方法：公共方法和隐式获取/设置方法。如图1所示。

两者都是属性对象里的方法，区别是，前者除了可以用来改变对象的属性外，更可以提供一些程序给外界调用；后者则只提供途径给外界改变对象的属性。一般我们在编程中，应该集中用隐式获取/设置方法负责属性的改变，而公共方法负责提供一些程序给外界调用。

前面介绍的是面向对象编程特点中的“封装性”，此外还有一些特点，如“重用性”、“继承性”和“多态性”，这些特性使得面向对象编程较之于过程性编程有开发流程清晰、编程容易、维护容易、程序健壮性强等特点。

图1 外界如何改变对象的属性

2.2 对象间的通信

通信在面向对象的编程中很重要，对象彼此要通知对方何时开始工作，何时工作已经完成；当对象间的数据不能实时传递，有异步要求时需要通信；当一个对象要通知多个对象时需要通信。

对象分为两种身份，一种是通知者，称为主题（Subject）；另一种是被通知者，称为观察者（Object）。要想成为主题的观察者，是通过向主题注册。当主题发出广播时，所有观察者就会收到通知。主题发出广播就是一个消息，观察者根据收到的消息名称执行特定的程序。

在Flash中消息由作为主题的MovieClip发出，并可以由TimeLine获得；接收的MovieClip注册为观察者后对时间轴进行侦听，一旦主题发出广播，观察者就可以捕获到。如图2所示。

图2 带有消息的对象

FLASH MX 2004中内置了一个EventDispatcher类，它方便的实现了Flash中对象间的通信问题。

EventDispatcher 类的5个重要方法；

initialize() 当对象要利用EventDispatcher类加入事件广播功能时，就必须先调用EventDispatcher. Initialize（对象）进行初始化，给对象加入以下4个方法；

addEventListener() 给外界对象注册为观众者；

removeEventListener() 给外界对象取消注册为观众者；

dispatchEvent() 给主题发出广播；

dispatchQueue() 真正执行广播的程序，利用for循环遍历名单，调用观众者/观众者的事件同名方法。

有了以上的一些基本概念，下面来介绍如何利用FLASH面向对象编程方法开发具有模拟调节、称量功能的物理天平。

3 物理天平模拟调节实验的开发

3.1 天平各个部件的分解

根据面向对象编程的特点，第一步就是将目标进行分解，将其不同的部件都看成一个对象，设计成一个单独的类。就物理天平而言，主要包括制动旋钮（RotateBtn）、横梁（hBannerMC）、刀托（vBannerMC）、调平螺丝（BoltBtn）、平衡螺母（BoltTopBtn）、游码（MoveCodeMC）、左右托盘（TrayMC）、待测物（ObjectMC）、砝码（CodeMC）。

在ActionScript里面定义类的方式与JAVE等非常类似，以横梁为例，其基本结构如下：

class hBannerMC {

//属性

private var _isMoveUp:Boolean;

public var ... ...//构造函数

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function hBannerMC (){

... ...}//隐式获取/设置方法

Public function get isMoveUp ():Boolean {

return _isMoveUp;}

public function set isMoveUp(inValue:Boolean) {

_isMoveUp = inValue;}//公共方法

public function RotateDirection (){

... ...} //私有方法

private function RotateAction (){

... ...} }

可以利用以上的结构分别定义天平的各个部件。

3.2 主程序的开发

物理天平的调节可以分为三大步，调平――空载调零――称量物体，实验中三个步骤的顺序不能颠倒，并且是在前一步完成后才可进入下一步。当然在开发过程中，可以先抓主要矛盾，攻破重点，其他的步骤再一步步补充。就天平的模拟调节来说，物体的称量这部分最复杂，涉及部件也最多，下面主要介绍一下这部分的制作。

物体的称量中涉及到的部件有：制动旋钮、横梁、刀托、左右托盘、待测物、砝码和游码，其中制动旋钮起着一个重要作用。旋转制动旋钮，横梁、刀托升起，托盘、物、砝码同时抬起；再次旋转制动旋钮，横梁放下，其他物体也一起放下。横梁放下时，可将待测物置于左托盘，增减砝码于右托盘，并可调节游码；横梁升起时，判断天平是否平衡，同时不可移动待测物、砝码和游码。

针对这样一个规律，在制动旋钮这个类中需要一个属性，给出状态是升起还是放下，将其定义为一个Boolean量：isUp。横梁、托盘、待测物、砝码等物体通过隐式获取方法得到该属性的值，决定自己运动状况。下面的程序完成了制动旋钮旋转横梁抬起，再次旋转横梁放下这样一个过程，通过这段程序也可以看出制动旋钮和横梁间是如何通信的。

时间轴上的主程序balanceMC.as：

//定义一个侦听器对象HBannerListener

var HBannerListener:Object = new Object();

//为onRotation事件定义一个回调函数

HBannerListener.onRotation = function() {

hbanner_mc.RotateAction();};

//为onUpJudge事件定义一个回调函数

HBannerListener.onUpJudge = function(evt) {

hbanner_mc.isMoveUp=rotatebtn_mc.isUp;};

//将HBannerListener侦听器对象注册到

实例rotatebtn_mc和实例hbanner_mc

rotatebtn_mc.addEventListener("onRotation",

HBannerListener);

hbanner_mc.addEventListener("onUpJudge",

HBannerListener);

制动旋钮类RotateBtn.as：

import mx.events.EventDispatcher;

class RotateBtn extends MovieClip {

public var addEventListener:Function;

public var removeEventListener:Function;

private var dispatchEvent:Function;

private var _isRotate:Boolean;

function RotateBtn() {

EventDispatcher.initialize(this);

_isRotate = true;

this.onRelease = startRotate;}//获取制动旋钮的状态

public function get isUp():Boolean {

return _isRotate;}

private function startRotate() {//制动旋钮的旋转动作(略)

……

//旋转结束改变制动旋钮的状态

_isRotate = not _isRotate;

//调度onRotation事件,将事件发送已注册的侦听器

dispatchEvent({type:"onRotation"});}}

横梁类hBannerMC.as：

import mx.events.EventDispatcher;

class hBannerMC extends MovieClip {

public var addEventListener:Function;

public var removeEventListener:Function;

private var dispatchEvent:Function;

private var _isMoveUp:Boolean;

function hBannerMC() {

EventDispatcher.initialize(this);}

//获取制动旋钮的状态

public function set isMoveUp(inValue:Boolean) {

_isMoveUp = inValue;}

private function RotateAction() {

dispatchEvent({type:"onUpJudge"});

//横梁的上抬、下降动作(略)

……}}

以上程序完成了制动旋钮旋转横梁上抬、下降的动作，当然还需要进一步扩展，比如横梁在上抬、下降中还存在着左右方向的变化，这就牵涉到物和砝码质量的比较，可以用同样的方法将比较的结果发送到主程序中，横梁、托盘等物体侦听该结果，决定自己的运动方式。

图3 用物理天平称量物体

3.3 开发中应注意的一些事项

（1）开始编写程序前，应先熟悉实验，清楚把握操作的要领，理清操作过程和各个对象间的逻辑关系；

（2）每个对象单独建一个类，类之间的通讯通过主程序完成；

（3）主程序不易过长，可以根据功能拆分为单个.as文件，比如增、减物和砝码的动作作为一个文件，判断横梁、托盘、物和砝码旋转方向的作为一个文件，操作中各种提示语的显示作为一个文件等等；

（4）先解决主要问题，细节在后期一步步完善，有利于提高开发效率。

4 小结

虚拟仿真实验近几年在高校教学中得到了越来越多的运用，通过精心设计的软件，可以巩固和拓展学生所学知识，提高教学效率，降低教学成本；虚拟实验强大的网络功能，还能推动自主学习模式的开展，促进远程教育的发展。本文借助物理天平模拟调节的例子，介绍了基于FLASH的面向对象开发方法，其开发思路清晰、编程简单、充分利用了FLASH的交互功能，是开发虚拟仿真实验的一种有效方法。希望本文所述，能给致力于仿真实验开发的教师提供一个新的思路，为现代化教学做出一点贡献。

参考文献:

[1]颜金桫.Flash MX 2004 ActionScript 2.0与RIA应用程序开发[M].北京,电子工业出版社,2005:65-139.

[2]吴凯威.“基于工程虚拟实验室”的设计与开发[J].实验室研究与探索,2006,25(5).

[3]李柯.面向对象仿真方法框架研究[J].军械工程学院学报,2000,12(4).

[4]黄悦微.基于FLASH技术的虚拟模拟电路实验场景[J].计算机工程与应用，2005(24).

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。

虚拟仿真实验技术篇2

关键词 初中物理；虚拟仿真技术；实验教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）05-0159-02

1 前言

随着现代科技的快速发展，计算机和互联网等技术在教育领域里得到广泛推广、普及和应用，这为传统的初中物理实验教学注入新鲜的血液，增强了实验教学的效果。虚拟仿真实验技术是当前科学前沿技术在初中物理实验教学中运用的具体体现，可以突破实验仪器和设备不足等教学限制，帮助学生直观、形象地模拟各种物理实验的操作过程，有利于促使学生积极投入实验教学中来，不断提升实验教学效率。

2 虚拟仿真实验技术软件分析

仿真物理实验室 仿真物理实验室是一款针对中学物理课堂开放性而设计的专业物理学习软件，可以为学生提供完善的综合实验室，更好地实现各种物理演示实验，有利于学生更好地验证自己的实验猜想。比如可以为学生提供一个包括平面角、凹凸透镜和棱镜等物理模型在内的光学实验室，使师生按照自己制订的实验方案来自行构建各种实验模型，探究有关的物理规律。学生可以借助光学实验室来合理构建凸透镜成像模型，以发现和归纳出凸透镜成像的具体规律。另外，该种虚拟软件具有较高的集成度，并且易于操作，可以使学生便捷地进行各种物理实验，真实性比较强。

MATLAB仿真软件 MATLAB仿真软件是一款用于数据可视化、分析与计算的计算机软件，广泛应用于工程计算以及图像、通信与信号处理等领域中，并且主要包括MATLAB和Simulink两个部分。与仿真物理实验室这款仿真软件相比，MATLAB仿真软件具有比较强的灵活性，更加有利于构建有关的实验模型，同时其界面比较简洁，有利于编程，另外还有集成度高、数据处理能力强等优点，是一款功能非常强大的仿真软件。

3 虚拟仿真实验技术软件的具体应用

在测量型实验中的应用 测量型实验是初中物理中一种基本的实验类型，步骤比较简单，所用设备也比较容易获得；但是针对那些比较复杂的测量实验而言，无法使学生在真实的实验环境下进行。借助虚拟仿真实验技术软件的合理运用，可以帮助学生更好地观察有关的物理实验现象。

以“伏安法测小灯泡电阻”为例，就虚拟仿真技术软件在物理实验中的具体运用进行分析和探究，以帮助学生更好地掌握测量小灯泡电阻的方法。首先，在仿真实验开展之前，物理教师需要先让学生明确本次实验课程开展的主要目标，并要使学生掌握电流表和电压表测电阻的方法，以便学生可以借助欧姆定律的合理运用来测量有关的电阻值。而在具体的模拟仿真实验开展中，物理教师可以采用边讲解边进行虚拟实验的方法和手段，引导学生根据欧姆定律原理来连接软件中的各种实物电路图，接着要求学生通过鼠标滑动变阻器的划片来改变电阻数值，并要记录对应的电流和电压数值，最后引导学生绘制出小灯泡电阻的伏安特性图，从而使学生更好地发现和掌握有关的物理规律。

在探究型实验中的应用 探究型实验也是高中物理中一种常见的实验类型，其重在培养学生透过现象看本质的能力，以便让学生养成科学的探究精神和意识，有助于使学生更好地发现有关的物理实验规律。此外，探究型实验的开展也可以使学生针对具体的物理问题采用不同的实验来加以解决。在真实物理实验开展过程中，因各种外界因素的影响，物理实验方案有可能无法顺利实施，所以可以借助虚拟实验的引入来解决这一问题。教学实践表明，虚拟实验教学的效率更加有利于实验目标的完成。如在凸透镜成像规律的探究型试验中，光线的影响对于实验观察的效果具有较大的影响，而如果没有准确的实验结果，更谈不上实验规律的有效总结。此时可以在实验开展过程中应用虚拟仿真实验技术软件，确保探究实验开展的质量。

下面以凸透镜成像规律的探究为例，就虚拟仿真实验技术软件在探究型物理实验中的运用进行分析和探究[1]。

首先，物理教师可以引导学生观察在实际生活中存在的各种与凸透镜有关的现象，并提出有关的探究性问题，比如物距大小是否会对成像产生影响？具体特点是什么？接着物理教师需要引导学生结合自己的猜想来设计有关的探究性实验。然后，物理教师鼓励学生将自己的实验思想借助仿真软件来进行检验，并记录试验中的各种数据结果。最后，物理教师让学生根据分析所得到的各种数据来帮助学生更好地归纳出凸透镜成像的规律。另外，通过虚拟仿真实验技术软件运用，为学生排除其他影响实验结果的客观因素，比如室内光照情况等，从而可以使学生全身心地去探究有关的实验结论[2]。

在演示型实验中的应用 演示型实验也是一种比较常见的物理实验形式，其可以帮助学生更好地理解有关的物理知识、规律和原理，深化学生对于这些知识的理解和认识。但是在当前的初中物理教学过程中，因班级人数过多，部分学生可能因距离过远而无法清晰地观察教师所做的各种物理实验，部分甚至可能会因为观察不清楚而发牢骚或在课堂上公然睡觉等。虚拟仿真实验技术软件可以有效地解决上述学生观察不清、缺乏学习物理知识兴趣的问题，也可以解决那些受外界环境因素影响大的演示型实验效果不理想的问题，增强学习的效果。

如针对光的反射实验，物理教师可以借助光的反射演示实验来帮助学生更好地了解和掌握反射定律。但是影响自然光的反射实验效果的因素比较多，物理教师开展演示实验的效果不是非常理想。虚拟仿真实验技术软件在其中的运用则可以有效克服这个问题。首先，物理教师可以引导学生借助仿真软件平台来演示光反射现象，激发学习物理知识的兴趣，帮助学生根据有关的现象来自行设计实验去总结和验证反射定律，从而提高课堂演示实验的应用质量。

虚拟仿真实验技术软件除了应用于测量型、探究型和演示型等物理实验中，还可以应用于设计型和操作型等类型的物理实验中，并均取得良好的教学效果。因此，在平时的初中物理实验中，物理教师需要以身作则，不断提升自己的专业能力，尤其应用虚拟仿真实验技术软件开展实验教学的能力。还要明确虚拟仿真实验技术软件在实验教学中存在的缺陷和不足，以更好地发挥其教学优势。另外，学校也应该积极进行相关虚拟仿真实验技术软件的引进，满足初中物理实验教学需求。但是为了确保软件设计的科学性，希望有关设计人员必须要加强与一线教师的沟通和交流，从而充分发挥虚拟仿真实验技术软件与传统物理实验教学摸式二者的优势，不断提升软件的应用功能和质量。

总之，虚拟仿真实验技术软件在初中物理实验教学中的运用可以为学生创设一个虚拟的“真实”实验操作情境，有利于激发学生参与实验学习的积极性，调动学生的热情，同时也有助于实验的顺利开展，免受客观因素的影响。因此，在初中物理实验教学过程中，物理教师必须合理运用虚拟仿真实验技术软件来开展教学，还要兼顾传统物理实验教学，从而不断提升实验教学的质量。

参考文献

[1]刘长春.虚拟仿真实验于初中物理试验教学的应用[J].中学课程辅导，2013（22）：16-17.

虚拟仿真实验技术篇3

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[8]李平，毛昌杰，徐进.开展部级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.

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虚拟仿真实验技术篇4

化学实验“绿色化”，目的是把现有化学和化工生产的技术路线从“先污染，后治理”改变为“从源头上消除污染”，核心是“杜绝污染源”。随着人们环保意识的提高及环保各项工作的深入，教学实验的环保问题将被人们重视。同时，结合化学实验自身的特点，化学实验教学实现“绿色化”不仅非常必要，而且现实可行。

随着计算机信息技术的高度发展，我们的中学化学实验教学已经迎来了改革的春风，中学化学虚拟仿真实验思想怦然诞生了。中学化学虚拟仿真实验就是利用计算机编程工具模仿真实的实验环境编写的软件，借助计算机营造一个虚拟的实验环境，使实验接近或优于真实的实验环境，实验者可借助操作计算机虚拟实验系统完成各种预定的实验项目。

事实上，计算机模拟仿真化学实验是化学实验摆脱实物教育的一场革命，它的产生和发展，不仅是教育方法、教育手段、教育技巧的更新，而且对保护自然资源、缓解化学实验对环境的污染都具有深远的意义。利用模拟仿真对实验过程和实验仪器进行剖视及仿真，对有毒物质出现的实验进行模拟，避免有毒物质危害师生身体的健康。常规的、传统的化学实验不可避免的消耗许多药品和大量的水资源，尤其对于那些要使用昂贵试剂药品的、实验中容易引起爆炸或必须采用有毒有害试剂（如氢气、苯、苯酚、砷化物、重金属等）的实验，运用计算机多媒体系统进行仿真实验显得尤为重要。这样，利用计算机多媒体技术对实验原理、装置、流程、实验过程进行仿真，用文字、声音、图像、动画的效果让学生在计算机屏幕上做实验，既让学生学会了实验方式，领会了化学原理，实现了化学教学与现代信息技术的整合，又节省了资源、保护了环境，使我们的化学实验变成“绿色化”的实验。

那么，我们应该怎样来构建这种“绿色化”的实验教学呢？这一课题正是我们亟待解决的问题。目前，我们正在着手研讨这一问题，现已形成以下几条研究思路。

思路一：建立新课标背景下的课堂实验教学设计模型

为了实现新课标提出的化学实验教学目标，贯彻绿色化学的教学思想，我们创立了下面化学课堂实验教学设计（初始）模型。

确定实验课题及类型――展示用品及仪器――实验指导――实验过程――总结――撰写实验报告

说明：实验课题即实验内容，实验类型即教师演示实验或学生动手实验；用品即实验使用的试剂和药品，仪器即实验所要用到的器具；实验指导即实验前有哪些准备工作和哪些注意事项；实验过程即实验操作流程；总结即实验过程的注意事项与实验现象；实验报告即对实验的总体汇报。

思路二：建立演示实验课件平台

演示实验是老师为了说明某一化学反应过程或现象而做的实验。这样的实验比较多，我们可以在校园网上建立演示实验课件平台，把老师们设计好的演示实验课件收集其中，老师上课时可以任意选用。

思路三：建立学生实验课件平台

学生实验是指由学生亲自动手进行的实验，这类实验也可以事先制作课件，然后让学生动手实验。这类课件如果是等到要上课了再来制作，那就迟了，因此，我们事先组织一批优秀的化学老师对所有的实验进行课件设计，并存人校园学生实验课件平台，可供老师们教学时应用。

虚拟仿真实验技术篇5

关键词:虚拟仿真;教学实验系统;应用

中图分类号:TP391.9 文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 05-0000-01

Application of Teaching&Experiment System in Virtual Reality

ShanzengLiangjie

(Northwest University for Nationalities,Mathematics and Computer Science College,Lanzhou730000,China)

Abstract:The paper introduced the conception of virtual reality and virtual labs in the field of education,and constructed the structure model of teaching and experiment system with virtual reality.A design example of computer interface experiment teaching and experiment system with virtual reality was presented,and the major problems which need to be aroused during the process of making application of virtual reality in virtual labs were pointed out.

Keywords:Virtual reality;Teaching and Experiment System;Application

一、引言

虚拟仿真技术是对虚拟现实技术和系统仿真技术的合称。虚拟现实技术是先进的人―计算机接口技术,其实质是利用计算机产生一个三维的、基于感知信息的临场环境。人可以参与和控制环境,同时环境能够对人的控制行为做出动态的交互反应。系统仿真技术是随着计算机技术的发展而形成的新兴学科,它是通过建立真实系统的数学模型,利用计算机来达成对系统的分析、研究、设计等目的。目前,虚拟仿真技术在军事、教育、医学、工业设计等多个领域都得到了应用。在教育教学领域,虚拟仿真技术能够进行教学活动或实验操作的模拟,具有经济性好、安全性高以及可重复等多种优势,已经开始替代某些费时、费力、费钱的真实试验和教学演示,对传统的教学活动产生了强烈冲击,引发了教学领域产生一系列深刻的变化。

二、虚拟实验的概念

虚拟实验是指借助于多媒体、系统仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造辅助实验、部分替代甚至全部替代传统实验各个操作环节的相关软硬件平台。虚拟实验是建立在一个虚拟的实验环境(仿真平台)之上,其重点关注的是实验操作的交互性和实验结果的真实性,因此,在虚拟实验室或者实验设备上,实验者可以完全像在真实的实验环境中一样完成各种实验项目,所进行的操作就像是在真实的实验设备上进行的,并且能够取得不低于或者超出在真实实验环境中或者在真实设备上所取得的实验效果。尤其对于一些对经费、场地和器材等方面都要求较高的实验,虚拟实验具有相当的优势。尤其随着网络技术的发展,基于网络的虚拟实验更是突破了传统实验对“时间和空间”方面的限制,不论是实验者还是指导教师都可以方便的上网进入虚拟实验室进行各种实验,虚拟实验的开展极大的促进了教学实验活动的进行。

三、虚拟仿真教学实验系统的模型结构和实例分析

(一)虚拟仿真教学实验系统的模型

虚拟教学实验系统的设计的着眼点主要建立在对实物实验设备和实验环境的仿真上,包括对实验场景和实验对象的实体仿真以及实验对象内部的数学仿真,对应的仿真模型是实体模型和数学模型,具体的模型结构如图1所示。

图1虚拟仿真教学实验系统的模型结构

在这样的模型结构中,实体模型的优劣程度直接影响虚拟实验的真实感与交互性,而数学模型的精确程度则影响着实验的效果和实验质量。在虚拟实验系统的模拟中,为了逼真地模拟出实验场景,使实验仪器和元器件等对象在外形上与操作上都具有真实感,一般采用三维建模技术进行场景和实体的建模。对于数学模型的构建,则是依据系统之间的相互关系和内在联系机制,依据成熟的理论和模型在分系统之间建立确定的对应关系。因此,对于不同的虚拟实验类型,一般具有不同的数学模型。

(二)微机接口电路教学实验系统的虚拟仿真设计实例

下面介绍了基于虚拟仿真技术建立的微机接口电路教学实验系统设计实例。传统微机接口电路实验中,需要专门的硬件实验设备与普通微机相连,实验的主要过程是在微机中利用asm等工具软件进行接口实验程序的调试操作。其基本过程如图2所示。

图2微机接口电路“半虚拟化”设计方案

对这一基本实验采用虚拟仿真技术进行虚拟教学实验系统设计,应该主要针对“专用硬件实验台”进行虚拟化设计,其实现难点在于真实的实验软件与虚拟的接口电路之间进行虚拟“连接”。利用Windows对底层硬件设备的管理和访问控制方法,可以设计专门的设备驱动程序(VxD)软件来代替外部的实验接口电路。具体的应用技术和设计方法如图3。

图3虚拟硬件接口电路实现方法

(三)虚拟仿真技术在教学实验系统中应用需要注意的问题

随着虚拟仿真技术在教学实验系统的应用日益广泛,在具体实践中也需要注意两个问题:首先,注意强化虚拟仿真技术与多媒体技术的有机结合。多媒体技术具有直观、逼真的视觉效果,有利于构建和营造逼真的实验环境,要充分利用、虚拟技术来,营造逼真的训练工作环境,仿真技术则通过建立真实的数学模型,能够进行实时仿真,这两者之间的融合,有利于构建真实环境下的实时仿真平台,实现虚拟与仿真的无缝联接。其次,根据不同实验的特点确定虚拟教学实验系统的设计思想和仿真工具。虚拟教学实验系统的开发应该注意将实验工程环境的开发和实验仿真过程开发进行结合,一般把仿真过程主要在后台运行,强调实时性和可靠性,而具体的实验工程环境的运行作为前台,强调真实性和高仿真性。因此需要根据具体的实验需求加以侧重。

三、结束语

虚拟仿真技术应用于教学实验系统,是对实物实验的补充、完善和扩展,能够保证实验教学系统中具有良好的开放性和具有真实感的交互,必将引发实验教学领域的深刻变化,虚拟仿真实验教学也将成为实验教学改革的一个重要方向。

参考文献:

[1]嵇萍,刘泗岩.虚拟仿真实验在单片机教学中的应用[J].中国现代教育装备,2009,17:94~96

虚拟仿真实验技术篇6

关键词：实验教学；虚拟仿真；土木类专业；工程素质

随着国内建筑行业的快速发展，对土木类人才的需求日益增加，土木类专业办学规模日益扩大。截至2013年，我国开设土木工程专业的高等学校达到439所，设置给水排水工程专业、建筑环境与设备工程专业的高等学校分别有192所和181所，土木类专业在校学生近40万人。专业扩招以及建筑企业安全管理等因素造成土木类专业在开展实践教学环节过程中遇到了很多技术难题，主要包括：（1）土木类专业实验综合性强，设备体量大，实验环境恶劣，资源消耗大，成本较高，特别是高危险、大型复杂但与实际工程结合紧密的实验无法在实验室内让本科生直接深入参与；（2）土木类专业相关教学实验选课学生多，实验操作复杂，实验开支较大，实验安排难度大，造成学生参与实验自主性不够；（3）受到场地和实习时间的限制，土木工程中施工周期长、一些隐蔽工程无法现场展示，一些大型实验无法让本科生动手参与。同时，在专业认识实习和生产实习环节学生只能参观构筑物但无法通过实际操作了解建筑过程的整体工艺。随着计算机技术和信息技术的发展，结合高等教育信息化建设开展土木类专业实践教学改革是克服实践教学环节技术困难的一个重要途径[1]。

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容[2]。2013年，教育部根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，决定开展部级虚拟仿真实验教学中心建设工作[3]。其目的是鼓励高校采用多媒体虚拟现实技术和数值计算仿真技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，并进行教学方法、实验手段等方面的改革研究与实践探索，使实践训练及时跟上相关技术的发展。为了有效解决土木类专业开展实践教学遇到的技术困难，培养学生的工程实践能力，达到培养高素质的工程应用型创新人才的目的，北京工业大学土木类专业在部级实验教学示范中心――土木工程实验教学中心的基础上，利用多媒体虚拟现实技术和数值计算仿真技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，并进行教学方法、实验手段等方面的改革研究与实践探索。2013年12月北京工业大学土木工程虚拟仿真实验教学中心入选部级虚拟仿真实验教学中心。

一、虚拟仿真实验教学中心建设理念和思路

紧密结合土木类专业实践性强、工程能力培养要求高的专业特点，土木工程虚拟仿真实验教学中心建设始终坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的理念。在虚拟仿真平台建设规划过程中，明确了实体实验和虚拟实验的定位，确立了“能实不虚”的建设原则。以“实”为目标、“虚”为手段，扬长避短，以“虚”来加强理论知识与实践动手操作的联系，以“实”来提高学生解决工程实际问题的能力。即将虚拟实验手段融入课前预习、课上实训和课后实践等环节中，用虚拟实验对实验现象进行展示、对实验仪器设备的使用流程和注意事项进行说明。通过计算机虚拟环境进行交互性虚拟实验使其成为理论和实践教学的重要补充和有效辅助手段，从而最大限度提高学生的工程素质。

虚拟仿真实验教学中心的建设目标是采用网络技术、多媒体、人机交互等技术构建高度仿真的虚拟仿真实验教学平台，解决土木类专业实践教学环节中的技术难题，培养学生的创新精神、实践能力、自主学习能力以及获取信息、运用信息的能力。

在虚拟仿真实验教学系统的开发过程中，中心坚持“重点开发、积极引进、软硬结合、适当超前”的基本思路。优先选择土木类专业实验难度大、实验花费高（如大型结构破坏性实验、重复次数多的混凝土梁加载实验、大型水质仪器分析实验、建筑设备智能控制实验、污水处理实验等）、专业理论性较强的实验项目进行虚拟仿真实验教学系统开发试点，同时积极引进国内外成熟的虚拟仿真实验教学系统，充分重视虚拟实验环境的真实感、可操作性。

虚拟仿真实验教学中心面向学生采用“多层次”的开放模式。包括虚拟实验不限时开放、教学实验室预约开放（定期开放与网站预约开放相结合）和全天候开放创新基地三层次，使现有资源最大限度得到利用。

二、依托虚拟仿真实验教学中心建设积极开展土木类专业实践教学体系改革

北京工业大学土木类专业坚持“实践教学一条线”、“创新人才培养不断线”的教改思路，将实践教学体系分为三个层次：

（1）工程认识实践与基础训练层次。主要包括各课程教学大纲所规定的基本型实验。

（2）专业应用实践层次。主要包括大纲中规定的综合设计型及个性化创新型实验（综合知识的应用、创新思维培养）。该层次整合了学科基础课、专业主干课及其综合实践环节等，目的是着力进行学科基础技术研究方法的教育。

（3）工程实践层次。以土木工程一级学科为平台，发挥科研活动的支撑与引领作用，以工程为背景，实现学生真实工程环节的训练，增强学生工程实践能力，使学生从专业技能培养逐步进入学科前沿，在加强面上培养的同时实现点上的突破。

土木工程虚拟仿真实验教学中心首先重点解决专业应用实践层次和工程实践层次遇到的主要问题。依托虚拟仿真实验教学中心建设，积极开展实践教学体系的改革，主要包括：（1）围绕虚拟仿真实验教学平台建设创新培养方案，包括在教学计划中增设创新实践课程和改革实验环节的指导模式。（2）推进实践教学内容更新。实践教学大纲必须明确提出“虚实结合、相互补充”的具体实施方案以及具体的培养目标。（3）将高层次的学科建设平台、高水平的科研与工程技术项目以及高质量科研成果融入虚拟仿真实验系统建设，扩大虚拟仿真实验的范围。（4）加强多媒体、网络技术的应用，实现多层次开放模式。（5）改革实践环节评分考核模式。注重对学生利用平台进行自主实验、互动交流过程的考核，强化对学生分析实验结果能力以及答辩的考评。

三、虚拟仿真实验教学平台的功能

以部级土木工程实验教学示范中心硬件平台为基础，虚拟仿真实验教学中心第一阶段建设是基于Eclipse、WebBuilder、Visual Studio、Adobe Flash、LabVIEW等开发平台和工具并结合主流的专业仿真计算软件30余套（包括PKPM、ANSYS、ABAQUS、5D施工BIM等）开展实践教学环节的虚拟仿真建设。目前土木工程虚拟仿真实验教学中心下设10个虚拟仿真实验教学平台，即大型设备结构实验虚拟仿真平台、混凝土梁静载实验虚拟仿真平台、桥梁工程实验虚拟仿真平台、工程施工虚拟仿真平台、工程测量虚拟仿真平台、道路勘测设计一体化虚拟仿真平台、楼宇自控系统虚拟仿真实验平台、空调系统调试虚拟仿真实验平台、大型水质分析仪器虚拟仿真平台、水处理工艺运行虚拟仿真平台，利用平台建成了相应的土木类专业虚拟仿真实验教学系统。

虚拟仿真实验教学平台主要功能包括：

（1）利用平台实现虚拟实验仪器开展实验和搭建典型的实验项目。平台建设紧密结合土木类专业实验教学需求，使学生利用平台进行虚拟仪器操作和动手搭建实验系统并配置相关技术参数。如大型水质分析仪器仿真与模拟操作系统对大型气相色谱仪、TOC/TN、原子吸收光谱仪等的构造及工作原理进行仿真模拟，同时将仿真模拟系统与仪器离线操作平台偶联，实现仪器的模拟操作与样品分析仿真；利用钢筋混凝土简支梁静载实验模拟系统可以自行设置梁的截面尺寸、配筋、长度等几何参数和混凝土、钢筋等材料参数形成自己的实验对象，在虚拟场景中布设支座形式、分配梁、加载点等加载条件和设备，扩大学生能够操作实验工况的数目。

（2）利用平台实现数字化工程设计和虚拟施工、调试及运行。工程施工虚拟仿真平台充分利用建筑信息模型（Building Information Modeling简称BIM）技术完成了土木工程关键施工过程模拟动画30套，能够基本实现对土木工程施工关键过程的模拟仿真；工程测量虚拟仿真平台所建立的仿真系统能模拟校内外实验场地条件以及各种工程测量实验仪器设备，可实现人机交互操作，形象地展现了工程测量课程中主要实验环节的工作过程；道路勘测设计一体化虚拟仿真平台利用当今国际道路勘测设计主流技术，将野外道勘实习基地和校内道勘实训中心集成为数字化、一体化、可视化的虚实结合、内外结合的教学平台，主要功能是利用真实项目完成道路勘测与设计的综合实训；楼宇自控系统虚拟仿真实验平台利用楼宇自控虚拟仿真系统制作的虚拟控制对象来代替真实对象，不仅接受控制器的控制信号，而且还能向控制器发出各种反馈信号，反映实际系统的响应，从上位机控制界面上直接显示控制过程和控制结果，给学生带来“身临其境”的感觉，为楼控系统的编程和调试带来很大方便，有利于对空调系统控制原理的认识以及对楼宇自控技术的学习和应用。

（3）利用平台的网络化协同支持教学。平台构建了作业、协同交流、答疑、留言、测试、文件存储等模块，中心网站具有友好的用户界面，用于为师生用户提供相对完整的实验学习支持系统。在功能上包括提供实验设计、背景知识、参考资料和课件等。针对学生用户，记录其实验过程，包括实验报告、数据、实验结果统计、成绩评定、教师评语等；针对教师用户，提供实验设计、分类实验结果和内容统计等。

（4）基于网络的宣传、交流和实验展示功能。平台具有信息、成果展示、专业介绍、实验设计、教学名师、精品课程等宣传和展示功能。虚拟仿真实验教学平台体现了全天候开放性，随时随地可以访问；体现了创新性，利用现代信息技术，实现了低成本，高安全，运行维护方便，改进教学效果，积极革新教学模式的目的。

四、注重利用“产、学、研”合作建设虚拟仿真实验教学中心

土木类专业教师的虚拟仿真技术开发能力、网络多媒体技术水平是影响虚拟仿真实验教学平台建设水平的一个主要因素，软件公司的技术人员对专业实践教学要求的理解对平台开发效果有重要的影响。为了提高中心下设的虚拟仿真实验教学平台的建设水平，中心本着“优势互补、资源共享”的原则与建研科技股份有限公司、北京长筑工程软件有限公司等近10家软件开发单位开展校企共建共管的合作模式。一方面，企业参与土木类实践教学计划制订，为中心建设提供各类技术资料、工艺规程和软件，参与中心虚拟仿真实验教学平台的研发工作、软件维护和升级管理工作，确保了平台良好的运行状态并始终处于同类平台的领先地位，服务于校内人才培养；另一方面，校企合作共建的虚拟仿真实验教学中心为企业软件产品的市场推广、人才培训提供支持，中心教师也积极为企业的研发工作提供技术支持。通过人才培养这个纽带，学校和企业整合各自优势，结成战略合作伙伴关系，从而为土木工程虚拟仿真实验教学中心的可持续发展提供了强大的技术研发支撑平台。

五、虚拟仿真实验教学中心建设的效果

中心搭建14门实验课程，其中设计型1门、创新型4门、综合型9门。中心经过第一阶段建设，土木类专业能够将虚拟实验和真实实验结合的实践环节的比例超过30%。虚拟仿真实验教学中心直接面向于全校6个专业并对全校其他专业开放，年均直接受益人时数近60000（人・小时）。

通过三年实践教学平台的“虚实结合”建设以及实践教学体系改革，中心对人才培养的教学效果主要体现在以下方面：

（1）强化了“学生是主体、教师是主导”的教学理念，提高了实验教学质量，学生自主参与实践环节的能力得到加强。

（2）实现了虚拟仿真平台和校外实习基地建设相互补充、相互支持，提高了土木类专业校外实习环节的效果，强化了工程素质的培养，有助于培养学生的专业学习兴趣。

（3）通过“虚实结合”拓宽了学生的专业视野，提高了学生的自主学习能力，加强了学生的创新意识和创新能力的培养。

（4）“虚实结合”的实践教学模式的开展促进了实验教学管理体系的改革，促进了实验教学队伍水平的提高。

总之，土木类专业应紧密结合行业的相关需求以及学校的发展定位来开展虚拟仿真实验教学中心建设，要坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的理念，以培养学生的创新能力、自主学习能力、工程实践能力为目的开展工作。同时要积极与相关技术公司开展“产、学、研”合作来提高虚拟仿真实验教学平台建设水平。实践表明，虚拟仿真实验教学有助于解决由专业扩招以及建筑企业安全管理等因素造成的实践环节中遇到的技术难题，有助于培养高素质工程应用型创新人才和实现教学运行经费高效利用。虚拟仿真实验教学平台对提升土木类专业的整体实践教学水平能起到良好的促进作用，对提升建筑行业单位的技术水平有明显的促进作用。

参考文献：

[1] 张敬南，张钟. 实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J]. 实验技术与管理，2013（12）：101-104.

[2] 戴成梅，戴成建. 基于 LabVIEW 的电工电子网络虚拟实验室研究与开发[J]. 实验室研究与探索，2011（2）：74-78.

[3] 教育部高等教育司. 关于开展部级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知（教高司函〔2013〕94号）[Z].

虚拟仿真实验技术篇7

关键词：化学化工；虚拟仿真；实验教学中心

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2016）10-0038-02

1989年，美国弗吉尼亚大学威廉沃尔夫教授首次提出虚拟实验室的概念[1]，由于其强大的应用前景，各国均在大力开发，经过二十余年的发展，取得了喜人的进展。在发达国家虚拟实验室建设已经普及，特别是科研实力雄厚的美国，在该领域的研究已占据领先地位。目前，世界各大院校和科研机构争先开展虚拟实验室的建设，也将其应用到教学、科研工作中，如墨尔本大学建立的化工3D虚拟实践教学系统，是国际上一致认同的化工工程教育的典范。在国内，特别是高校，虚拟实验室建设越来越受到重视。目前，大部分高校已经开发虚拟仿真技术，并将其应用到教学和科研中，尤其是在实验教学方面其发挥越来越重要的作用[2-5]。例如清华大学、复旦大学、上海交通大学、陕西师范大学、常州大学、中国科学技术大学等[6]。随着信息化技术的不断发展和深入，教育信息化受到了国家的高度重视，教育部在建设部级实验教学示范中心加强实验教学基础上，进一步提出建设部级虚拟仿真实验教学中心的建议。黑龙江大学化学化工与材料学院以省级实验教学示范中心为依托，建立了化学化工虚拟仿真实验教学中心，对虚拟仿真实验教学资源、管理、平台、教学和管理队伍、管理体系进行了初步的建设和探索。

一、虚拟仿真实验教学中心建设的意义

为贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高〔2012〕4号）精神[7]，根据《教育信息化十年发展规划（2011―2020年）》[8]，教育部自2013年将开展部级虚拟仿真实验教学中心建设工作作为高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容。化学作为材料科学、纳米科技、生物化学等科学的重要核心，被称为“中心科学”。化学是一门以实验为基础的自然科学，实验教学在化学类专业学生培养中起重要作用。但某些实验我们无法在真实的实验室为学生开展，例如某些化学反应速度很快，物质间微观作用机理，微观结构的影响机制无法用常规宏观实验直接获得，学生无法直接感知，学习抽象，不易理解，严重影响实验教学效果和质量。某些化学反应需要在高温高压等苛刻条件下完成，也有些化学实验会生成危害性物质，容易产生环境污染和危害学生身体健康，都无法在实验室中正常开展。再如随着化工企业生产规模日益扩大，设备趋于巨大复杂化、高度密集化、控制自动化，同时，化工生产过程存在高温高压、易燃易爆、有毒有害等高危险性。而在化工实验教学中很难达到实际化工企业的规模和效果，在一定程度上降低了实验教学效能和影响了创新型人才的培养。开展虚拟仿真实验可以解决传统化学无法或者难以实现的过程，弥补真实实验教学的不足，提高实验教学效能和学生创新能力。

二、化学化工虚拟仿真实验教学中心建设路径

黑龙江大学化学实验教学中心高度重视实验教学的信息化建设，积极探索实验信息化教学改革与创新。早在1998年，以化学工程学科、“黑龙江省普通高校转化的化工过程与技术重点实验室”、中俄联合部级科技创新平台和中俄联合本科实验室等资源为依托，以学院网络信息化平台为基础，与北京东方仿真公司合作开发了8个工艺流程仿真实验项目，用于化学工程与工艺专业本科教学。经过多年的建设，开发了一批虚拟仿真实验项目。近年来，黑龙江大学利用校内信息科学与技术学院、信息与网络建设管理中心和信息现代教育技术中心等资源，充分发挥化学、教育技术、信息技术等学科的优势，2014年成立了化学化工虚拟仿真实验教学中心，内设化学虚拟仿真实验室和化工虚拟仿真实验室，在基础化学实验和化工原理实验方面开展了虚拟仿真实验教学。目前的中心已初具规模，拥有专门的百余台高性能计算机组成的虚拟仿真实验室和虚拟仿真实验教学平台，专门用于虚拟仿真实验教学工作，服务于化学工程与工艺、化学、环境科学、高分子材料与工程、材料化学、应用化学、制药工程、生物工程、生物技术、食品科学与工程、农业资源与环境、植物保护、土木工程等7个二级学院的13个专业。

（一）加强虚拟仿真实验教学中心教学平台建设

化学基础虚拟仿真实验教学平台拥有9个三维和2个二维虚拟仿真实验项目，实验内容仿真效果逼真、交互功能强、可情景化参与、可实施评价。将化学实验中无法观察的微观作用机制和现象，通过虚实结合的形式展现给学生。构建的大型科学仪器虚拟仿真实验操作系统，实现了虚拟仿真实验对实体仪器操作和训练的有效补充和动态化展示，消除了学生对科学研究的神秘感，提升了学生对科学研究过程的理解力，突破了传统实验的限制，实现了化学实验的绿色化、手段现代化和结论科学化，让学生在安全、环保、节能的实验环境中获得与真实实验相近的体验，使教师获得事半功倍的教学效果。

化工虚拟仿真实验平台现拥有一套化工单元实习仿真实验，其中包括15个基本单元操作；结合我省工业产业特点，开发了常减压虚拟现实仿真石油化工类和甲醇工艺仿真煤化工2个仿真实验；与北京欧贝尔公司合作开发了合成氨三维虚拟仿真软件。形成了虚拟现实实验环境、实时交互、远程网络运化、沉浸感和趣味性强的化工虚拟仿真实验平台。采用三维动态过程高度模拟工厂实验设备，所有操作站都实时模拟各种控制仪表的参数。克服了常规操作危险性、功能单一、人机联系差的缺点，弥补了实验教学学生动手操作受限的不足，满足了学生对工艺原理、操作环境、控制系统、故障处理的理解。

（二）注重虚拟仿真实验教学中心师资队伍建设

中心实行主任负责制，由主任、秘书、专职、兼职实验教师和专职实验技术人员组成一支相对稳定的实验教学和实验室管理队伍。经过几年来的教学运行，中心已经形成了由专职教师、专职实验技术管理人员、技术支持人员以及兼职教师所组成的，能覆盖多个专业的教学、管理及开发的师资队伍。管理人员相对固定，以保证实验教学中心的正常运行。专职、兼职教师共同负责实验课程的设计与全程教学，教学人员将会随着以后课程项目的增加、变动而改变，实行动态管理，择优选择。实验技术人员负责实验课程的准备与安排，实验的日常管理，耗材的管理，小型实验仪器的维护工作。

三、化学化工虚拟仿真实验教学中心建设展望

教育部相继批准的部级虚拟仿真实验教学中心中理工类占70%，化学化工类约7%，理工教育集中了大批优质虚拟仿真实验教学资源，这也与理工类学科一直以来重视实验实践教学密不可分[9]。随着虚拟仿真实验教学资源共享机制的建立和地方高校对虚拟仿真实验教学的不断投入，预计在今后几年的建设工作中，批准建设的部署和地方高校的比例将会增加到近1：1。黑龙江大学作为黑龙江省人民政府共建的有特色、高水平、现代化地方综合性大学，应该抓住发展机遇，利用现有化学学科优势，加大对化学化工类虚拟仿真实验教学中心建设力度，学习先进理念，早日进入部级虚拟仿真实验教学中心建设的行列。应大力解决以下待解决的问题：（1）应充分利用化学一级学科强大的科研优势，以及功能无机材料化学教育部重点实验室先进的科研成果，将其科研成果转化成虚拟仿真实验教学内容。（2）加大与虚拟仿真实验开发公司以及黑龙江省化工企业的合作，自主和合作开发符合学校自身和我省实际需求的虚拟仿真实验教学平台。（3）加强网络化和信息化建设，优化共享资源配置，健全合作机制，实现平台资源共享，加大中心的辐射作用。

经过多年建设，化学化工虚拟仿真实验教学中心已成为黑龙江大学化学实验教学中心的重要建设组成部分，坚持能实不虚的大方向，以培养具有创新精神和实践能力化学化工人才为建设目标，按照“资源共享、学科融合、虚实结合”的建设理念，搭建了化学虚拟仿真实验室和化工虚拟仿真实验室，建立了虚实交融、开放共享、综合性的虚拟仿真实验教学体系，制定和完善了中心管理体系和规章制度，建设了虚拟仿真实验网络信息平台，实现了虚拟仿真实验教学资源的智能化和网络化管理。中心将不断完善虚拟仿真实验教学平台建设，为国家建设培养优秀的化学化工人才做出更大的贡献。

参考文献：

[1]费克文，倪光峰，王伏玲.高校大型仪器设备开放共享实

践与探索[J].实验室研究与探索，2011，（9）.

[2]李亮亮，赵玉珍，李正操等.材料科学与工程虚拟仿真实

验教学中心的建设[J].实验技术与管理，2014，（2）.

[3]万坚，宋丹丹，涂海洋等.在基础化学实验教学实践中培

养学生综合素质[J].实验技术与管理，2012，（5）.

[4]余建星，赵伟，李辉等.深化实践教学改革形成实践育人

氛围[J].中国高等教育，2012，（Z2）.

[5]梁芳，李国柱，肖文俊等.高等学校实验资源利用效益评

价指标体系构建研究[J].西安石油大学学报：社会科学

版，2010，（4）.

[6]中国科学技术大学化学虚拟仿真实验教学中心开放共

享平台.[2016-05-18].http：//.

[7]中华人民共和国教育部.教育部关于全面提高高等教育

质量的若干意见[Z].教高〔2012〕4号.

[8]中华人民共和国教育部.教育信息化十年发展规划

（2011―2020年）[Z].教技〔2012〕5号.

[9]徐进.2013年部级虚拟仿真实验教学中心建设工作

虚拟仿真实验技术篇8

关键词：虚拟仿真实验；实验教学；土木工程；实验室建设

1土木工程专业的实验教学特点

土木工程专业的实验与实践教学具有行业的特殊性。

（1）空间体量巨大。土木工程的服务对象是建筑物、桥梁、隧道，一般体量巨大。现在世界最高的建筑物高度超过800m，桥梁的最大跨度达1991m，超高层建筑物的单根柱子、单根桩基的承载能力上万吨。进行这些结构或构件的实体实验几乎是不可能的，即使是缩尺实验，也存在实验构件及加载设备体量大、实验环境恶劣、实验费用高的问题，限制了学生的参与。

（2）施工周期长。土木工程的建设周期一般比较长，世界最高建筑物———迪拜塔的建设历时6年，通常一幢普通的住宅楼施工工期也需要1年以上。由于时间的限制，学生的认识实习和生产实习无法得到工程建设全过程的体验。

（3）工程参与方多。土木工程存在不同的建设参与方（建设方、设计方、施工方、监理方等），在学生认识实习和生产实习过程中，往往只能体验其中某一方的工作，无法从不同参与方的视角去感受和经历工程。

（4）危险性高。土木工程实验很多是破坏性试验，并且是脆性破坏，具有一定的突然性，学生在实验过程中的安全问题十分突出。同时，由于施工现场工序复杂、人员众多，而很多学生又缺乏施工经验和对危险源的判别能力，这使得很多施工单位在安排学生的认识实习和生产实习时存在顾虑。

（5）实验难度大。在土木工程的实验中，灾害环境（如台风、火灾、地震、滑坡和泥石流等）的模拟设备造价高（大型地震模拟振动台的造价上亿元、大型风洞的造价几千万元）。灾害环境实验难度大、危险性大、费用高。为解决土木工程传统理论教学与学生工程化培养之间的矛盾，拓展实验及实践教学的深度和广度，提高实验教学的实效，实现理论教学与实践教学的紧密结合，特别是进行灾害环境对土木工程影响的分析、解决重大工程的防灾问题，尽可能减少实验成本和潜在危害，东南大学在课堂理论教学、原有实体实验、认识实习和生产实习的基础上，利用专业的仿真软件，采用多媒体技术以及网络通信平台，构建了具有高度真实感、直观性和精确性的虚拟仿真实验教学平台，作为实体实验及实践教学的有益补充和创新［1－5］。

2实验教学资源建设

早在2005年“工程结构设计原理”与2006年“建筑结构设计”国家精品课程建设期间，东南大学就开始组建土木工程计算机辅助结构设计实验室，此后结合“土木工程施工”、“工程合同管理”、“结构力学”及“工程结构抗震与防灾”几门国家精品课程和其他相关课程的建设，又相继成立了土木工程施工虚拟仿真实验室、土木工程管理信息化等实验室。2013年通过资源整合，依托部级土木工程实验教学示范中心，成立了东南大学土木工程虚拟仿真实验教学中心。中心面向土木工程、建筑学、交通工程及其他相关专业，形成了“三层次、四模块、五结合”的教学体系。（1）三层次：按照人才培养需求与教学规律，将实验教学内容划分为基础训练、提高训练和创新训练；（2）四模块：按专业知识体系与工程实践规律，搭建土木工程设计、施工、管理、创新实践4个虚拟仿真实验平台；（3）五结合：与理论课程相结合、与实体实验相结合、与科研项目相结合、与实际工程相结合、与企业实践相结合。其中，四模块的18门实验课程支撑8门专业主干课程与12门实体实验实践课程，辐射其他16门专业课程，基本覆盖了土木工程专业的主要专业课。

2．1土木工程结构分析与设计虚拟仿真模块

模块主要包括：（1）基本构件虚拟仿真、楼盖设计虚拟仿真及单层工业厂房设计虚拟仿真等基础训练层次的虚拟仿真实验项目；（2）建筑结构抗震虚拟仿真、高层建筑结构设计虚拟仿真、大跨空间结构设计虚拟仿真及桥梁结构设计虚拟仿真等提高训练层次的虚拟仿真实验项目；（3）复杂结构虚拟仿真、基于MTS混合实验、大跨桥梁抗风虚拟仿真、结构构件抗火虚拟仿真等创新训练层次的虚拟仿真实验项目，是“工程结构设计原理”、“建筑结构设计”与“工程结构抗震与防灾”这3门部级精品资源共享课的重要建设内容。结构分析与设计虚拟仿真实验项目充分体现了CDIO（conceive－design－implement－operate）的工程教育理念［6－7］，是从工程的构思到概念设计，再进行仿真分析，根据仿真分析结果对概念设计进行优化调整，最后按优化后结构进行施工图设计的全过程虚拟仿真实验，实现虚实结合的实践