虚拟实验论文范文

下面是小编精心推荐的《虚拟实验论文范文(精选3篇)》仅供参考，大家一起来看看吧。摘要：生物学是一门以实验为基础的探究性自然科学，观察和实验是生物学研究的基本方法。由于各种因素的存在，实验教学不能完全开展。随着信息技术的发展，虚拟实验平台在实验教学中显现出的重要作用，为传统实验的数字化教学奠定了基础。

第一篇：虚拟实验论文范文

典型测试技术实验的虚拟课堂实验设计

[摘 要] 探讨了虚拟仪器技术在“测试技术”课程相关知识点中的应用，在理论教学和实践教学的基础上，建立了与理论教学相辅相成的仿真实验目标，设计了课程中信号及其频谱、电桥的仿真实验方案及仿真实验程序，实现了不同信号的频谱分析、不同组桥类型的电桥输出特性等仿真实验。结果表明：电桥特性的仿真程序可以分别进行单臂电桥、半桥、全桥的仿真实验;周期信号频谱分析的仿真程序可以直观地给出周期信号的时域和频域波形。研究成果为仿真实验在“测试技术”课堂教学中的应用提供了解决方案。

[关键词] 虚拟仪器;测试技术;电桥和差特性;周期信号频谱

[基金项目] 2019年度中国矿业大学教育教学改革与建设课题“虚拟仪器技术在‘测试技术’课堂教学的应用及探索研究”(2019YB09)

[作者简介] 李贝贝(1984—)男，江苏徐州人，博士，中国矿业大学机电工程学院副教授，主要从事机械工程研究;刘秀梅(1982—)，女，江苏盐城人，博士，中国矿业大学机电工程学院教授(通信作者)，主要从事机械工程研究。

引言

“测试技术”是高等院校中机械工程等相关专业学生的必修课，其专业知识在工程科学领域中的应用非常广泛[1]。传统课堂教学方法主要以理论教学为主，需要学生在严谨的数学推导等手段下学习相关概念、原理等。但这种教学方式对学生学习和理解所学知识是不利的。因此，通过课堂演示实验的方法能帮助学生更深入理解课堂中讲授的理论知识。但传统的实验装置因结构复杂、体积大，因而只適合在实验室内使用。此外，受实验条件限制，相应的实验项目也难以与课程教学同步。导致学生在学习课堂理论知识时，不能及时有效的通过实验加深理解，降低的学习兴趣和效果[2]。

因此，通过虚拟仪器技术将课堂教学和仿真实验的有机结合，用直观的课堂演示为理论教学提供验证，必然能够增强学生对理论知识的理解[3，4]。虚拟仪器技术已经广泛应用于大学教学和科研、测试等各个领域。如：蔡共宣讨论了虚拟仪器在课堂教学过程的实现方法，研究了虚拟仪器技术引入“测试技术”课程教学的意义[4]。汤小娇等人对测试技术传统教学活动存在的问题进行了分析总结，建立了基于虚拟仪器的测试实验室，提高了教学质量和学生的实践创新能力[5]。邹大鹏等人将虚拟仪器技术与“机械工程测量与试验技术”课程内容相结合，构建了计算机辅助教学系统，实现了教学内容的直观体现和演示[6]。尤丽华、周洋搭建了基于涡流传感器振动测试的虚拟仪器综合实验教学系统，让学生对测试系统有了更加全面的认识[3]。姚建南、蒋玉强开发了基于虚拟仪器技术的模块化测控实验系统，使得教师的授课不再是单纯的理论教学，促进了学生对问题的理解[2]。南京理工大学的谢丽华设计并开发了测温、称重等虚拟仿真实验，让学生能够更加形象地理解课堂教学的理论知识[7]。此外，泰州职业技术学院王艳[8]、齐齐哈尔大学的王丽[9]等人也分别针对虚拟仪器在“信号与线性系统分析”“传感器”等课程教学活动中的应用展开研究，并取得了积极的效果。

为了更加直观的将理论知识展示并传授给学生，本文分析了机械工程专业对测试技术的学习要求及相应先修课程情况，课程典型知识点的实践教学方法及手段，研究了虚拟仪器在课程典型知识点上的课堂教学仿真实验的实践环节设计。

一、测试技术典型知识点的仿真实验设计

(一)电桥和差特性的仿真实验设计

在工程测试中，常用电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器测量力学参数、位移参数、振动等，而这类传感器仅仅是将被测量转换为电路或磁路的参数变化。因此，此类传感器往往需要使用电桥电路将电路或磁路的参数变化转换为电压变化。此外，电桥具有结构简单、组桥形式灵活的特点，使得电桥在工程测试中得到了较广泛的应用。因此，电桥及其和差特性是“测试技术”课程教学的重点内容之一。

为了实现电桥和差特性的仿真实验，让学生掌握单臂电桥、邻臂同号/异号电桥、邻臂同号/异号电桥、全桥等不同组桥形式下的电桥输出、灵敏度等特性参数。同时，为了减小课堂演示实验的复杂程度，本文采用如图1所示的电路原理图及实验流程图，并使各桥臂上元件(R1、R2、R3、R4)可分别设置为固定电阻值、应变片，且不同桥臂上应变片的电阻变化率可以分别设置正负变化。因此，在课堂教学的演示实验中，可以按照设计组桥类型—指定各桥臂元件类型—指定应变片电阻变化率符号—指定输入电压—改变电阻变化率—计算输出电压的顺序进行。最后，根据得到的数据分析不同类型电桥的输出特性。其中，在指定各桥臂元件类型时，可以指定各个桥臂的元件为“固定电阻”或“应变片”;在指定应变片电阻变化率符号时，可以指定应变片的电阻变化率为正或负。

为了实现电桥和差特性的虚拟实验，本文设计了如图2所示的程序界面(程序运行时的典型界面)和LabVIEW程序图。运行仿真实验程序，我们可以分别进行单臂电桥、邻臂同号/异号电桥、对臂同号/异号电桥和全桥等六种不同类型组桥方式，在不同电阻变化率下的输出电压值仿真实验。根据实验得到的电桥输出特性，可以画出如图3所示的典型实验结果曲线。通过图3中曲线，引导学生分析不同组桥类型的电桥输出特性及其灵敏度关系。

(二)周期信号频谱的仿真实验设计

由课程知识点可知，任意满足狄里赫利条件的周期函数都可以分解成一个直流分量和无限多个正弦分量，且其频谱呈谐波性、离散性和收敛性。为了让学生更好地理解这一周期信号的频谱特性，采用对不同周期信号进行频谱分析实验，可以非常直观的展示这些特性。因此，本文应用快速傅立叶变换，设计了如图4所示的仿真实验流程及程序图，即：在仿真实验过程中，依次按照选择周期信号—指定周期信号的幅值、频率等—计算信号频谱—观测信号原始波形及幅值谱—测量各谱线对应的频率和幅值的顺序进行。其中，周期性信号的类型有正弦波、方波、锯齿波和方波。

根据所设计的仿真实验流程图，本文设计了如图5所示的程序界面(程序运行时的典型界面)。此外，图5给出了方波信号的原始波形和信号幅值谱。从图5可以看出：幅值谱在基频和奇次谐波分量上具有谱线且幅值逐渐减小，使用读数光标可以将幅值谱的各次谐波的幅值和频率读取出来。因此，在课堂教学过程，我们可以通过运行仿真实验程序，完成不同周期信号的频谱分析，并且可以非常直观的向学生展示周期信号频谱的特性。

二、结论

本文分析了虚拟仪器技术在“测试技术”课堂教学中的应用，并设计了基于虛拟仪器的电桥和差特性、周期信号频谱的仿真实验方案和仿真实验程序。结果表明：电桥和差特性的虚拟仿真实验可以完成不同组桥类型的电桥输出特性实验，分析其灵敏度;周期信号频谱的仿真实验可以完成多种典型周期信号的频谱分析，并直观的展示周期信号频谱的特性。通过虚拟仪器技术的演示实验，可以达到实践教学与理论教学相辅相成，让学生在实践中学习，从而更好地掌握本专业课程教学内容。

参考文献

[1]戴振松，葛康定，鈡瑞明.基于LabVIEW的“测试技术基础”教学研究与实践[J].现代测量与实验室管理，2014，22(5)：32-33+42.

[2]姚建南，蒋玉强.基于虚拟仪器仿真的测控课堂实验演示教学方法研究[J].教育教学论坛，2018(25)：276-278.

[3]尤丽华，周洋.基于虚拟仪器的测试技术实验教学系统建立[J].实验技术与管理，2011，28(2)：83-86+90.

[4]蔡共宣.虚拟仪器技术引入测试技术教学的研究与实践[J].装备制造技术，2009(2)：170-171+183.

[5]汤小娇，雷振山.虚拟仪器在测试、教学改革中的应用[J].理工高教研究，2004(1)：107-108.

[6]邹大鹏，吴百海，龙建军.基于虚拟仪器技术实现测试技术教学改革的研究[J].东工业大学学报(社会科学版)，2007(S1)：104-107.

[7]谢丽华.基于虚拟仪器技术的信号检测课程演示和实验方法的研究[D].南京：南京理工大学，2010.

[8]王艳，于雯.基于Labview的《信号与线性系统分析》教学实现[J].当代教育实践与教学研究，2015(9)：54.

[9]王丽，苗凤娟，王艳春，等.虚拟仪器在传感器教学改革中的应用[J].高师理科学刊，2015，35(1)：81-83.

On the Virtual Classroom Experiment Design of Typical Testing Technology Experiment

LI Bei-beia， ZHAO Qiaob， LIU Xiu-meia

(a. School of Mechatronic Engineering， b. College Student Innovation Training Center， China University of Mining and Technology， Xuzhou， Jiangsu 221116， China)

Key words： virtual instrument; Testing Technology; bridge and differential characteristics; periodic signal spectrum

作者：李贝贝 赵巧 刘秀梅

第二篇：利用虚拟实验平台，构建数字实验教学

摘 要：生物学是一门以实验为基础的探究性自然科学，观察和实验是生物学研究的基本方法。由于各种因素的存在，实验教学不能完全开展。随着信息技术的发展，虚拟实验平台在实验教学中显现出的重要作用，为传统实验的数字化教学奠定了基础。文章通过实例介绍，对虚拟实验平台，特别是对NOBOOK生物实验的优越性和不足之处进行了简单分析，对利用虚拟实验平台、构建数字化实验教学提出了展望。

关键词：初中生物学;实验;数字化;虚拟实验平台

作者简介：曹喜军(1975—)，男，河南洛阳人，河南省洛阳市第四十八中学教师，一级教师。

一、传统实验的数字化工具——虚拟实验平台

计算机功能和技术的发展，以及实际教学的需要，催生了一系列虚拟实验平台。此类软件将传统实验数字化，能够模拟真实的实验环境，借助电脑或手机完成实验操作，得出实验结果。在这些虚拟实验平台中，NOBOOK生物(以下简称“NB生物”)实验是其中的佼佼者。

NB生物是一款能够在电脑或手机上使用的，基于HTML5技术开发的跨平台学科工具。NB生物采用高精度3D模型制作，视觉效果清晰震撼，所展示的生物结构、生命现象、生命活动规律以及原理一目了然。NB生物包含观察类、演示类、动手操作、探究类等实验资源，分为动物学、植物學、人体生理、微生物、遗传学、生态学六大模块，同时兼具高清图片、3D模型、3D动画300个以上，3D模型支持360度旋转、多维立体展示，效果逼真，可进行放大缩小等操作。这些优点使NB生物成为一款优秀的虚拟实验平台，配合其他虚拟实验软件，为数字化实验教学提供了技术支持，也使实验的数字化成为可能。

二、数字化实验的优越性

1.模拟完成课堂上难以开展、完成的传统实验

在初中生物学实验中，有些实验是利用现有实验室条件难以完成的。这些实验由于实验材料难以获得、学生所处生活环境、学生的实验能力等原因，难以在课堂上开展、完成。在传统条件下，单纯依靠教师讲授或者观看视频，无法获得直观的实验结果，影响学生对知识的掌握。如果利用虚拟实验平台则能避免这些尴尬现象。

“模拟保护色的形成”是有关生物对环境的适应、环境影响生物、生物进化的一个十分典型的实验，课本中实验的设计是把学生作为捕食者，把不同颜色的纸片作为被捕食者，通过模拟捕食和繁殖，得出相应的结论。在实际实验时，由于人的注意力和习惯、颜色的对比差别等原因，部分学生会下意识地寻找某些颜色的纸片，难以真正实现随机性选择，从而使实验的效果不很理想。在NB生物中，通过计算机随机对不同颜色的青蛙进行捕食，计算剩余青蛙的数量，产生相应数量的后代，记录数据并多次重复(如图1)，最终得到与背景颜色近似的青蛙存活率最大，从而得出相应的结论。由于计算机的随机选择比人的选择公平性更大些，避免了人为因素的影响，实际效果好于传统手段。

“酒精对水蚤心率的影响”这一实验设计很好，通过计数不同浓度酒精溶液中水蚤的心率，得出不同浓度酒精对水蚤心率的影响。在实际实验过程中，由于水蚤很小，需要用显微镜观察，而显微镜的视野范围比较小，运动的水蚤很快就离开视野;水蚤的心率比较快，又在运动中，计数比较困难;城市中水蚤不易获得;学生期末时间有限等原 因，实验很难真正开展。在NB生物中，完全无视上述困难，在高清动态图片中观察并计数不同浓度酒精溶液中水蚤的心率(如图2)，然后通过对比得出结论，既减少了教师的工作量，又降低了学生实验的难度。

在虚拟实验平台中，把实验数字化，对于用传统方法难以在现实教学中开展、完成的实验，通过虚拟手段完成，给学生直观的实验感受。这样比单纯的讲授，或者播放视频更容易提高学生的主动性和积极性，学生也更容易参与实验，掌握知识。

2.不会造成安全性问题

现在的学生大多都是独生子女，父母十分爱护，加上社会舆论、法律意识、经济利益等因素，一些原本能够在课堂上开展的实验，出于安全性的考虑，教师不敢开展，影响学生的实验体验。

“血型鉴定”是学生比较喜欢的一个实验，学生也希望通过该实验知道自己的血型。出于安全性考虑，初中生物学不再进行真实的血型鉴定，利用化学药品的模拟实验存在药品价格昂贵、效果不佳、体验不真实等问题。在NB生物中，学生能够体验到真实的血型鉴定的所有步骤(如图3)，观察到实验结果，避免了传染病、感染等危险因素，体现了学生的参与，有助于知识的掌握。

“观察眼球的结构”一般使用模型教具，模型虽然能够较好地实现眼球各结构的认识，但是对各结构之间的空间关系不好表现，不容易弄清整体与局部的联系。在NB生物中，在观察眼球结构的某一部分时，需要观察的部分用带色彩的图形表示，其他部分用网状线条描绘(如图4)，局部与整体关系清晰，对学生弄清各结构的空间位置和联系，有很好的效果。

使用数字化的虚拟实验平台，既可以避免对学生造成人身伤害，也可以解决教师购买和保存实验材料的麻烦，避免实验材料的浪费，达到较好的实验效果。

3.实现学生的自主学习和练习

实验的操作能力是学生必备的技能。传统实验只能在实验课上进行操作练习，离开实验室，学生无法进行实验操作训练，观看视频也只能有整体的认知，没有实际的动手操作，不能提高动手能力。

显微镜的操作不仅是初中学生的基本实验技能，也是中招实验考试的重要内容。由于学生人数多，显微镜少，学生没有充足的时间进行练习，同时现有的显微镜质量不佳，一台新的显微镜用不了多长时间，就会出现滑丝等故障，造成显微镜的损坏。在NB生物中，学生可以虚拟操作显微镜，实时观察操作结果(如图5)，实现对显微镜结构的掌握，熟练显微镜的使用方法。学生还可以随时多次重复练习，虽然不能替代真正的显微镜操作，但是对于技能的熟练有很大帮助。

在“观察蚯蚓的结构”实验中，部分学生由于对活蚯蚓有畏惧感，不敢进行实验操作，实验时间过长也容易造成蚯蚓的死亡。利用NB生物，观察的是高清图片，而不需要面对真实的蚯蚓，克服了学生的畏惧感，多次练习操作时也不需要担心蚯蚓的死亡，还可以观察蚯蚓的内部结构(如图6)。

使用虚拟实验平台，实现数字化实验教学，在电脑或手机中进行实验操作，实现了随时随地的学习和练习。多次的重复操作，对于学生实验技能的提高有很大的帮助，也能让学生获得很好的实验体验，提高其学习兴趣。

三、虚拟实验平台的不足之处

1.有些实验过于程序化

虛拟实验平台是在程序设计的基础上实现虚拟实验操作，不可避免地要受到程序设计的影响，从而造成实验比较程序化，预设性较强，不能体现真实实验的各种意外表现，这是CAI所不可避免的[2]。

2.有些实验设计不够合理

虚拟实验平台需要收费，因此包括推广阶段的NB生物在内，虽然集合了大量生物教师的意见，但是毕竟使用人群较少，一些问题可能还没有发现，一些设计不够合理的部分却已经表现出来。“模拟保护色的形成”这个实验中，以下设计就不够合理：①绿色的青蛙与背景色差距较大，还是很容易被点击而捕食。②点击A青蛙后消失的不是A青蛙，而是B青蛙。③青蛙颜色的设置不合适，蓝青蛙和红青蛙在现实生活中基本没有。其他虚拟实验平台和虚拟实验也有相应问题，需要设计者加以改正。

3.有些图片不够清晰，有些实验操作起来比较复杂

虚拟实验平台所使用的部分图片不够清晰，甚至是简单的矢量图。NB生物宣传的是高清大图，但是实际上部分图片的效果并不是很好，可能和设计者获得的途径有关(图7是笔者自己实际拍摄的显微照片，效果明显好于图8NB生物所使用的图片)。同时部分实验，特别是显微镜的实验，操作比较复杂，不很准确，另外一些需要用到滴管的实验没有提示要点击滴管的胶头等，这些瑕疵影响了数字化实验体验。

随着信息技术的飞速发展，信息技术在生物教学上必将有更为广泛的应用、更进一步的发展，虚拟实验软件的效果也会更加逼真，更加接近于传统实验，实验体验感会更好，也能实现更多实验的数字化、更为自由的实验组合。我们需要不断地学习、研究，充分利用数字化实验手段，并与传统实验手段优化组合，发挥各自优势，弥补各自的局限性，力争获得理想的教学效果。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准(2011年版)[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]赵山鹰.多媒体环境下的教学设计和资源应用[M].开封：河南大学出版社，2012.

作者：曹喜军

第三篇：运用虚拟实验，提高高中物理实验教学效率

摘 要：计算机信息技术不断渗入教学课堂中，为现代高中物理实验教学奠定了良好的技术基础。通过计算机信息技术的运用，有效地将虚拟实验室带到高中物理教学课堂上，显著提高了现代高中物理实验教学的质量。根据高中物理实验室的教学目标，针对实验室的特点、物理实验室的相关实际操作和应用以及高中物理实验室的教学质量等所存在的教学问题进行研究。虚拟实验主要是通过计算机信息技术的支持，利用信息科技构建虚拟的仿真实验室，并结合Flash课件，以实现网络信息化的虚拟实验，能显著提升学生的物理知识实践能力，提升学生的自主学习能力，同时还能更大程度地发挥学生的创造力。

关键词：虚拟实验;高中物理;效率

随着计算机信息技术不断渗入教学课堂中，这为实现高中物理实验操作带来相当大的积极影响作用。同时运用计算机信息技术，将虚拟实验室引进课堂，直观地将物理知识通过虚拟实验展现在学生面前，显著将实验教学的课堂效益提升。虚拟实验主要是通过计算机信息技术的支持，利用信息科技构架虚拟的仿真实验室，并结合Flash课件，以实现网络信息化的虚拟实验。在高中物理课堂的教学中灵活将信息技术化的虚拟实验渗透进物理理论教学中，对深化物理教学改革至关重要，同时能有效激发学生的学科积极性以及学习兴趣，进而有效提高实验教学效率。

一、物理教学中运用虚拟实验的好处

1.有效减少物理课堂实验的成本

在以往的传统高中物理教学过程中，进行实验操作的时候均是要借助相关的实验器材才能完成。然而用于物理实验操作的相关专业器材费用相对比较高，且相对比较容易损坏，因此整个物理实验进行下来，耗费教学经费相当大，但是利用虛拟实验室，能在很大程度上将传统实验室的成本降低，通过实验器材的信息科技数字化，运用虚拟仿真实验系统的教学模式，不仅能降低成本，同时还能全面实现高中物理课堂上的实验教学。

2.化解时空限制的教学局限性

在以往旧式的器材实验室教学中，经常会受到时间以及实验空间的限制，出现这种现象主要是因为实验室相关器材相对短缺，且空间有限，不能同时一次性让学生进行相关物理学科课程的操作学习。然而通过虚拟实验室的运用，促使高中物理实验实现数字化传播，并且在时间和空间上不受到任何限制，只要课程设计中需要，师生便能随时通过信息化虚拟实验室进行相关课程的实验操作。

3.有效把控实验过程中的节奏

在传统式的相关物理器材实验室教学过程中，对于部分瞬间即逝的物理实验现象相对比较难观察到，而通过进行虚拟数字化实验操作，我们可以通过信息科技技术将实验现象进行缓慢播放，以把控实验的节奏，有效观察实验现象，更好地帮助学生对课程实验进行相关笔记记录，以帮助学生更全面地进行实验操作与学科思考。

4.有效保证实验过程中的人身安全性

高中物理学科理论知识相对比较难，且相关的物理实验的难度系数以及危险性系数相对比较高，一旦实验操作失当，有可能引发某些危害，以影响操作者的生命安全。但是通过使用虚拟实验室进行实验操作，那么就能排除掉实验里存在的一系列安全隐患，这样进行物理课堂实验更加安全。

二、虚拟实验的作用

1.提高学生学习积极性以及学科兴趣

在教学过程中，有效地将学生引导到学科理论知识的海洋里让其自主进行学习，依靠的不是强制性管制，而是学生发挥自身能动性主动地学习，并对所学习的学科怀揣着兴趣、热情以及学习信心。在以往的教学过程中，教师的教学方式相对比较单一、枯燥，物理学科的知识传授更是由教师使用粉笔在课堂上进行书写绘画，因而大部分学生并不能很好地参与到教学活动中。长期如此，学生在课堂上逐渐变得烦躁、思维不活跃，导致整个高中物理实验的课堂教学质量下降，即使是教师使用简单实验操作也不能有效地帮助学生提升学习兴趣。通过使用虚拟实验网络系统，将实验教学附上浓郁的现代技术色彩，以给学生带来科技现代化的视觉冲击，更加有效地帮助学生集中注意力，提高学生的学习热情和参与实验学习的积极性。

2.虚拟效仿实验现象，指导学生自主研究探讨

实验是教师引导学生自主进行研究探讨的一种科学的教学手段，通过使用虚拟实验教学方式，将抽象的高中物理理论知识融入实践性实验中，以深化学生的学习思维逻辑性，通过虚拟实验的运用，将抽象化转变成形象化，将实验静态转变为实验动态，将实验微观性转变为实验宏观性。比如，在教学马德堡半球的物理实验的过程中，教师可以用实验中对两个马德堡半球进行真空处理，将空气抽取出来后两个半球无法拉开的现象，向学生展现大气压强，但是大气压强到底有多大，运用传统的实验方式几乎是不可能让学生感受到的。但是通过使用虚拟实验验证马德堡半球实验，将实验中的两边马匹逐渐以两倍进行增加，直至成功将半球有效分开，能真切地让学生感受大气压强的大小。

3.扩展了学生的操作空间，挖掘学生的创新力

在传统的实验室操作中，学生初始接触物理实验，由于心里对实验操作以及相关的实验过程、设备等可能发生不安全事故的担心，导致学生在实践过程中过多顾虑，致使实验课堂的效率下降。通过虚拟实验课堂，为学生提供了全新的安全性实验实践渠道，学生可以放心地按照自己创新能力以及想象能力开展实验操作，进而有效激发了学生的学习积极性与主动性，扩展了学生操作空间，挖掘了学生的创新力。

参考文献：

[1]邓小静.基于虚拟仪器的高中物理实验教学设计的初探[D].华中师范大学，2012.

[2]张俊年.运用虚拟实验，提高初中物理实验教学效率[J]. 学周刊，2016，1(3)：125.

[3]孟艳朋.虚拟实验对高中物理实验教学的辅助作用初探[D].云南师范大学，2007.

[4]佘春华.基于认知灵活性理论的高中物理虚拟实验教学平台的设计与开发[D].广西师范学院，2011.

编辑 李博宁

作者：周广力