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浅析现代教育技术在高校实验教学中的应用研究
http://www.edu.cn   2008-04-24 中国教育技术网 作者:陈卫东;何 刚

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  虚拟现实技术的特征有实时交互性、多感知性、存在感和自主性。一般的虚拟现实系统包括虚拟环境产生器、效果产生器、应用系统和仿真管理器等。目前的虚拟现实的实现技术有纯软件模拟,和软件硬件结合两种,主要的系统有Videoplace系统、VIEW系统、Dialogue系统、Super VIsion系统和CAVE(洞穴式)虚拟现实系统。

  虚拟现实系统可以广泛用于化学、物理等课程的实验教学中。化学实验中有些药品具有剧毒、刺激性气味的特性,而且有些化学反应比较剧烈或时间较长。利用虚拟现实系统,则可以对这些现象或过程很好地模拟而不用担心会对学生造成伤害。物质的原子、分子结构与化学反应时是很抽象的,虚拟现实系统则可以让抽象的内容具体化。美国华盛顿州开发了一种虚拟化学反应的装置,学生只要戴上头盔,手握操纵杆,眼前就会出现一幅幅栩栩如生的景象。学生可以通过电脑将采集到的一个氧原子和二个氢原子结合在一起,眼前就会出现一个网状的水球,这就是学生们自己创造的水分子。

  2、虚拟仪器技术是计算机技术与电子仪器相结合而产生的一种新的仪器模式,它通常是由具有虚拟仪器面板的计算机、模块化的功能硬件与用于数据分析、过程通信及图形用户界面的应用软件有机结合构成,使计算机成为一个具有各种测量功能的数字化测量平台。它利用软件在屏幕上生成各种仪器面板,完成对数据的处理、表达、传送、存贮、显示等功能。

  虚拟仪器的关键技术之一是应用软件,仪器的主要功能多是由软件来体现的,如NI公司的LabView、LabWindows及HP公司的VEE等图形化、交互式的编程设计环境,使用者无需软件专业背景,就可以在几天培训后即可根据图标用鼠标自行编程设计测量仪器和测量程序,有Windows经验的使用者更容易掌握。

  用户通过鼠标和键盘操作虚拟的仪器就象操作传统的电子测量仪器一样,但与传统的仪器相比,其主要优点是可以由用户自己定义、自己设计仪器系统,以满足不同的要求,使仪器的功能更加强大、灵活、而且很容易同网络、外设、及其它应用相连接,因而具有成本低、通用性好、功能强(一台虚拟仪器可以完成数台甚至成套仪器所能完成的全部功能)、易于升级与扩展(通过添加适当的硬件和软件使其功能更强、性能更优)以及不受地域限制进行过程监控。

  此外,也可利用诸如NI的fieldpoint做分布测试,它对整个网络来说是一个测量结点,从这些测量结点所得出的测量信息共享,利用虚拟仪器的开发平台、标准的数据库技术或电子表格如NI的LabView、Oracle的数据库和Microsoft的Excel等,对信息进行分析,构成一个新的系统[5],使信息系统与测量系统无缝地连接起来,对数据的分析、处理、交换更加方便。

  在高校实验教学中需要使用大量的测量分析仪器设备,由于传统的电子测量分析仪器功能单一,完成一个教学、科研项目,有时需要多种仪器设备组合起来,共同完成测量分析功能,不但成本高,使用也不方便。特别是实验教学,每种仪器都必须配置多套,而且有的仪器设备价格昂贵,因此仪器设备所需投资巨大,一般学校很难满足,造成许多学校仪器设备缺乏和过时陈旧等现象,严重影响教学科研。

  而如果在实验教学中运用虚拟仪器系统,情况就大不一样了。由于虚拟仪器系统可以由用户自己定义、自己设计仪器,以满足不同的要求,一台虚拟仪器可以完成数台甚至成套仪器所能完成的全部功能,加之通用性好、易于升级与扩展,而且成本低,操作使用与传统仪器基本相同,对实验数据的分析处理更加方便快捷,而且便于与其它数据分析、文字处理和报表制作等工具软件进行数据交换。使用虚拟仪器不但可以节约大量仪器设备的经费投入,而且能够提高教学科研的质量与效率。

  3、计算机网络技术的发展,使得计算机网络在教学中发挥着越来越重要的作用,尤其是利用计算机网络的资源共享特性,而开发的CSCW(计算机支持的协同工作系统),使得教学者可以利用计算机构建基于网络的协同学习环境,将这一技术应用到高校实验教学中,有助于让学生间凭借网络构建的协同学习系统,共同进行实验,互相启发,亦给共享实验数据和共同解决实验当中遇到的一系列问题。利用这一系统,教师亦可成为这一系统的成为,既可以是学生们学习的伙伴,又可以充当实验教学过程的管理者和辅导者。

  应用案例

  前面我们已经对现代教育技术在高校实验教学的中的应用进行了分析,下面我们给出两个具体的应用案例。

  案例1:利用计算机应用软件开发虚拟仿真实验,摄影技术中的胶片感光的效果通常肉眼难以确定,只有等到胶片通过后期处理后才可以看到曝光的效果,所以学生在学习时总是难以把握,而且还需花费大量的时间和费用。而我们在教学中,利用计算机多媒体技术,结合应用软件开发出一种虚拟现实仿真软件,学生可以通过提供的照相机模型,来分别操作影响胶片最终曝光的效果的三个主要因素,相机的快门速度值、光圈系数和胶片的感光度,并给学生提供不同的模拟光照条件和拍摄场合,学生可以利用软件提供的操作按钮,尝试选择不同的快门速度值、光圈系数和胶片的感光度值,软件会根据学生选择的数据,及时给出最终的曝光的效果。该软件采用Macromedia 公司的Aauthorware软件,利用软件提供的函数和提供的外部接口,可以设计出较为逼真的虚拟现实仿真实验软件。

  案例2:利用虚拟仪器技术进行实验教学,前面我们已经提及虚拟仪器的特征,由于虚拟仪器以计算机为核心,它不仅具有强大的数据处理功能,而且还有数据存储功能。因此,使用虚拟仪器能够轻而易举地测量、显示暂态或缓慢变化的量以及对被测量进行各种分析,而这对于传统仪器来说是困难的。

  测量 RL C串联电路的暂态过程

  当电路稳定时,将开关 K从 1合到2。如果电路中参数 R>2 L / C则Uc=Ee-t/τcos(ωt)(τ=2 L/ R)输出如图 3(b),这是一个暂态过程,用传统示波器难以观察。本例中虚拟仪器先将 Uc暂态信号采集并通过 A/ D变换后,保存到计算机内存中,再显示。这里虚拟仪器起到存储示波器的作有用。此外,还可以同时将 L、R上的电压 UL、UR采集、A/ D变换后,保存下来,显示在屏幕上,以供比较。这是传统仪器无法实现的。

  结论

  前面我们已经分析了现代教育技术在实验教学中的应用,依据高校实验教学的特点,我们在实验设计、实施、准备和评价过程中恰当的应用现代教育技术,有助于我们应用先进的教学思想、方法和理论对实验的计划的作出安排实验者分析,对实验教学过程进行设计,并利用教学评价理论对实验的整个教学过程进行形成性评价以及最终的终结性评价,从而有助于我们对于实验教学过程的总体把握。

 

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