关键词：传热学 仿真实验 探讨
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）08（b）-0040-02
1 实验教学存在的问题
实验教学是工科类专业素质教育的重要组成部分，是巩固课堂所学知识、培养学生的科学研究方法、实验基本技能以及创新能力的重要途径。加强实验教学改革有助于提升整体教学水平。实验室硬件水平是开展教学实验的基本保障，但由于人力、物力、财力的限制，实验室硬件通常不能满足实际教学需求。比如，实验室缺乏必要的专业实验设备导致教学计划中的一些教学实验无法顺利开展，或者部分教学设备陈旧老化、数量严重不足，无法为每个学生提供全程动手操作的机会，另外某些专业实验设备价格昂贵甚至实验过程存在一定的危险性也导致许多学校在开设实验项目时常常有所保留。有些实验受到场地和课时限制，在规定的时间内无法完成实验或实验效果不理想，这些都直接影响了实验课的教学效果。上述问题除了通过合理的实验室建设和设备购置来解决外，还可借助现代计算机仿真技术开展仿真实验教学来解决。
2 仿真实验
仿真实验是指在交互状态下，借助编程软件、多媒体、仿真等技术在计算机上营造可辅助、部分替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，学生可以像在真实环境一样完成各种实验项目，所得的结果甚至优于实际实验结果。仿真实验具有很多的优点它营造了多样化的教学环境，能大大提高学生的学习兴趣；将仿真实验与网络链接后，学生可以利用校园网进行实验课程的学习，打破了传统实验教学时间和空间的限制；可以节省实验经费，实现多种实验目的。
一些高等院校和企业开发了适用于不同专业、实现不同功能的实验仿真软件，促进了仿真实验在工科实验教学中的应用。如能实现离心泵测定、精馏、吸收等功能的化工原理仿真实验、验证电工基本定理的电工电子仿真实验、大学物理仿真实验、建筑工程仿真实训系统等。在热能与动力工程专业中有西安交通大学[1]开发的制冷过程多媒体演示与模拟教学实验，浙江大学[2]开发的基于web的小型冷库教学系统，东南大学[3]开发的制冷空调综合创新模拟实验平台，长沙理工大学[4]开发的能够实现二维稳态导热、竖壁附近自然对流换热和辐射角计算3个虚拟实验的传热学虚拟实验等。这些仿真实验借助计算机仿真技术，通过声音、动画、彩色图像等丰富的表现力为学生提供了内容丰富、形象直观的学习环境，充分调动了学生的学习积极性，取得了较好的教学效果。
3 传热学仿真实验
传热学实验教学是热能与动力工程专业的专业基础课实验教学，与传热学理论课程互为补充，是课堂理论教学的继续和深化，对于培养学生的解决工程实际问题能力和研究开发能力具有重要的作用。在传热学教学中引入仿真实验，是为了更好地完成大纲中规定而实际无条件实现的实验项目和内容。以我校热能与动力工程专业为例，目前本专业传热学实验内容主要包括隔热材料导热系数测量（10台）、外掠管束对流传热系数测量（2台）、换热器性能测试（3台）等。实验内容相对较少且实验台数量太少远远不能满足实际需要，导致实验过程中无法保证每个同学的实际动手操作。另外，因实验设备使用过于频繁导致其老化加快，实验中就曾出现因设备部件故障而无法继续实验的情况，如换热器性能实验中因热电偶出错影响了实验的顺利进行。因此，在不能保证足够实验设备数量前提下，借助计算机仿真实验来辅助传热学实验教学不仅能扩展本专业实验教学内容，还能帮助学生深入了解实验原理，保证实验的顺利进行。
3.1 传热学仿真实验介绍
根据传热学实验教学内容和目标，我们对现有的硬件实验设备进行了综合分析，确定了这些设备能够开展的实验内容，把无法开展的实验内容用计算机仿真实验来代替。为此，我们开发了一套传热学实验仿真软件，下面就此软件进行介绍。
传热学实验仿真软件采用的开发工具为Visual Basic 6.0软件，该软件可以很方便地实现用户界面、菜单、操作按钮和工具条的制作，能够完成实验过程需要的原理演示、实验装置构成显示、阀门开关与开度调节、数据读取、数据处理、实验帮助等功能，开发的软件用户容易上手，使用起来很方便。图1为其中的水平圆管壁面自然对流传热关联式仿真实验主界面。界面主要由标题栏、状态条、实验设备、操作按钮组成。点击操作按钮可以实现加热器的电压调节，可以查看并学习实验指导书的相关内容，还可以查看实验过程中的换热量和温度参数的动态变化情况以及确定读取实验数据。
传热学实验仿真软件的功能是能实现圆球法测导热系数实验、二维导热温度场的数值计算、非稳态导热温度场的数值计算、水平圆管壁面自然对流传热关联式实验、中温辐射物体黑度测试和换热器性能测试实验等6项实验内容。与实验室现有的硬件实验教学设备形成互补后，基本上涵盖了包括导热、对流、辐射和换热器在内的所有传热学实验内容。
传热学实验仿真软件采用模块化建模，开发过程中，将每部分实验内容作为一个单独模块。每个模块中除了包括实验台系统动画图形外，还包括实验目的、实验原理、实验步骤、数据处理方法和思考题等内容。开发过程中采用了动态模拟技术，实验过程中的实验参数可以实现动态即时显示，使模拟实验更贴近于实际情形，学生可根据参数的动态变化随时了解实验进行情况并判断数据读取的时机。由于该仿真软件详细地介绍了每个实验的原理、内容、操作步骤、数据处理等内容，所以它也可作为传热学实验的系统学习工具使用。
3.2 仿真实验教学效果
通过使用该传热学实验仿真软件，取得了较好的实验教学效果。首先，该传热学实验仿真软件能够实现因缺少相关实验室硬件而无法进行的实验项目，完成了传热学实验教学大纲规定的教学内容。学生使用后，加深了对数值计算、对流传热、辐射、换热器性能等实验涉及的理论和实验测试内容的理解，丰富了学生的传热学实验实践，实现了学生对传热学知识的全面学习和理解。
其次，由于实验形式新颖，加上界面设计友好，学生学习兴趣较高，实验后普遍反映对所进行的实验尤其是原理和数据处理等相关内容有了更全面和深刻的了解。另外，由于该仿真软件具有完善的用户帮助功能，且可以直接在Blackboard教学平台上进行操作，学生实验时不受实验时间和空间限制，也可多次进行，使用起来相当方便，效果较好。
为了取得更好的教学效果，未来将在该传热学实验仿真软件中进一步增加测试与评分模块，实现用户仿真实验效果的即时测试与打分。还将在该实验仿真软件中增加更多的动态模拟内容，使其更喜迎并方便用户使用。
4 结论
针对现有实验教学中存在的问题，本文探讨了计算机仿真在实验教学中的应用，分析了仿真实验的优点。对我们开发的一套传热学实验仿真仿真软件进行了介绍，并概括描述了仿真实验的教学效果。
参考文献
[1] 晏刚，吴业正，厉彦忠，等.发挥实验室优势，完善实践教学改革[C].2004年制冷会议论文集，2004：135-137.
[2] 张华，刘楚芸，王勤.基于web的小型冷库教学系统的设计与开发[C].2004年制冷会议论文集，2004：142-144.
[3] 张小松，蔡亮，李舒宏，等.建立多功能开放实验台，培养学生创新科研能力[C].2004年制冷会议论文集，2004：148-153.
[4] 姜昌伟，傅俊萍，赵李铁.基于Matlab的传热学虚拟实验开发[J].中国电力教育，2008：316-317.
中图分类号：TN710文献标识码：A
Physical Experiment and Simulation Circuit Comparative Study
CHEN Yuehua, ZHU Ziyi, WAN Fei, KANG Qin, ZHOU Xuelian
(Computer and Information Science School of Southwest University,Chongqing 400715)
AbstractThis paper analyses computer simulation of electronic circuits EWB software features and teaching functions of teaching, and computer technology and application of the school students of the circuit for the study of experimental teaching program, carried out physical experimental methods, simulation methods and physical simulation experiment + Comparison of methods to get the physical simulation experiment + experimental teaching method is one of the best quality to improve the conclusions of several experiments.
Key wordselectronic circuit；computer simulation；EWB；experimental methods
1 实验背景
1.1 电路课程教学的特点
电路课程是电子、通信、计算机技术与应用等许多学科专业的技术基础课程。课程具有概念多、公式多、定量计算多、图形多、宏观现象的微观分析多和实践性强等特点，教与学难度较大。尤其是实验教学对于实验仪器和元器件的要求较高。其教学质量直接影响学生对后续相关专业课程的学习。课程教学流程如图1所示。一般由理论教学、实验教学和课程设计等环节构成。实验教学流程如图2所示。
图1电路课教学流程图2电路实验教学流程
实物实验主要有以下不足：（1）教学形式、方法与内容的固定。由于受教师、课时、场地、设备、元器件等教学资源的限制，实物实验通常有四定：定时间、定地点、定内容、定人员。学生无论能力大小都按同一个步调做着相同的实验内容，很少有独立思考的时间。教师对学生的指导也多表现为帮助完成实验。而要实现学生的全面发展，必须立足于个体差异，因材施教。
（2）教学准备工作量大。实验教学中，器材的准备工作量很大，实验中对元器件的消耗大，仪器设备更新换代周期长。这些也是影响设计性实验开设的主要原因。
1.2 EWB仿真实验的特点
EWB(electronics workbench电子工作平台)电子电路仿真软件与其他类似软件（ORCAD、PROTEL）相比，它最大的特点是采用图形操作界面模拟一个电子实验台，且仿真实验仪器操作界面与实物仪器相差无几，所有仿真仪器都是数字化、智能化的。安装了EWB的电脑就相当于拥有一个功能强大、设备齐全、元器件丰富的小型“电子电路实验室”。EWB具体特点如下：
（1）界面直观，易学易用。电子元器件和实验仪器均可直接从屏幕上选取。实验仪器面板、操作开关同实物仪器相差无几。提供了数量不限的数字万用表、示波器、函数信号发生器等十多种仿真实验仪器。电子元器件、电源、接地等符号都是通用标准符号。EWB7.0以上版本更是采用了3D技术，使实验环境更加逼真。
（2）电子元器件丰富，仿真功能强大。提供了具有标准通用符号的上万种电子元器件，元件参数可实时更改，同时具有模拟元器件开路、短路、漏电等故障的功能；EWB还提供了直流分析、交流分析、温度分析、噪声分析等多种电路性能分析功能；具有强大的在线联机帮助功能，可以随时了解所用电子元器件、实验仪器的性能指标；可在线升级元器件库、仪器库。这些都大大地拓展了实验研究的内容深度与广度。
（3）实验效率和精度高、无消耗。基于EWB的仿真实验排除了实验中的次要因素，如：电子元器件参数的分散性，电路连接不良，电子元器件、实验仪器故障，温度、湿度等环境因素影响，因此实验效率高、精度高、成功率高，且无元器件、实验仪器的消耗。
（4）文件容量小。实验电路、数据、波形和实验描述等可以EWB格式文件打包保存，携带、传输方便，并可在EWB平台上直接运行，大大提高了教师批改实验报告的效率，实现了无纸化实验报告。同时由于EWB可上网运行，为远程合作实验研究提供了条件，突破了时间和空间的限制。
基于EWB仿真实验具有如此多的优势，那么它是否能代替传统的实物实验教学？实物实验与仿真实验结合是否能取得更好的实验教学效果？这些都是我们探究的问题。
2 实验介绍
（1）实验对象：我校计算机与信息科学学院计算机技术与应用专业2008级三个班级，各55名学生。
（2）实验目的：通过对实物实验方式、仿真实验方式以及实物实验+仿真实验方式这三种实验方式的比较研究，探究三种实验方式中提高电子电路课程实验教学质量的最佳实验教学方式。
（3）实验时间：
2008.3~2008.7相关内容最新研究情况的调查和资料收集，确定实践教学环节及各环节的实践教学内容。
2008.9~2009.7设计具体实验项目并进行实验研究，并在研究中不断充实、完善。
2009.8~2010.2整理、分析实验数据，完成研究论文。
3 实验过程
3.1 实验条件
为保证实验数据的可信度，除实验形式不同之外，其它变量（理论课教材、实验课教材、实验内容、实验时间、实验设备完好率等）保持一致。参与实验学生为学院08级计算机技术与应用专业1、2、3班的各55名新生。由于学生为同一专业新生，其理论与实验技术基础基本相同。三个班的实验教师为同一人，理论课教师虽有不同，但教学年限、经验和水平基本处在同一水平。
表1实验分组情况
3.2 实验分组
实验分组如表1所示。每组实行一种实验方式，实验内容各组都相同。实物实验两人一组，EWB仿真实验一人一组。
3.3 实验内容
我们选取了三个实验项目来对三组学生做对比研究。选取的实验项目既符合学生的认知水平，又要达到教学预期的目标。实验项目是：（1）基尔霍夫定律和叠加原理。（2）戴维南定理及功率传输最大条件的研究。（3）受控源特性的研究。
对参与实验的学生通过实验教师的讲解，要求做到：实验目的、实验要求、实验内容明确，了解和掌握实验设备的基本功能和使用。
3.4 时间分配
每个实验3 课时，3个实验共计9课时。仿真实验组和实物实验组每个实验按3个课时完成。实物实验+仿真实验组则需在3个课时内既完成实物实验，又完成仿真实验。其中，实物实验与仿真实验所占用的时间比例由学生根据自己的实验情况决定。
3.5 实验考试
完成3个实验项目后，对三组不同实验方式学生进行了实物实验的操作考试，获得不同组别（实验用时、实验结果正确率等）实验数据。为了保证结果的准确性、有效性，考虑实验室的条件，随机从三个班各抽取20人参加实物实验操作考试。考试时安排多名教师巡考，对每位学生完成实验的时间、完成质量等进行详细记录。三组考查题目是：基尔霍夫定律和叠加原理。考查中涉及电源使用、万用表的使用、电路连接、数据的正确读取与处理等内容，具体如表2所示。
3.6 实验数据分析
通过SPSS分析得出三组的平均成绩（Mean列的值）如表3所示。
表 3各组平均总成绩的简单描述统计量结果
由表3可以得出，第1组平均成绩高于第2组。前两组的平均成绩显著高于第3组。
为了进一步分析第1组和第2组的差异是否显著，对第1组和第2组进行独立样本t检验。表中的方差其次性检验（Levene’s Testfor Equality of Variances）结果中，显著性概率P（即：表4中的Sig.）=0.933>0.05，表明两个样本的方差差异不显著，即符合方差其次性检验的假设：两个独立样本的方差相等。因此在后面的t检验中应选择Equalvariances assumed一行的结果。另一行是方差不相等时t检验的结果。因此t=0.594，Sig.（2-tailed）是双尾t检验的显著性概率，本文其概率为0.555>0.05，差值的95%置信区间（95%Confidence Interval of the Difference）在-10.185-18.612之间，包括0，这两个数据都表明两组均值之差有显著差异。
对第2组和第3组的成绩也进行独立样本t检验，其结果如表5所示：
表中的方差其次性检验（Levene’s Testfor Equality of Variances）结果中，显著性概率P（即：表5中的Sig.）=0.337>0.05，表明两个样本的方差差异不显著，即符合方差其次性检验的假设：两个独立样本的方差相等。因此在后面的t检验中应选择Equalvariances assumed一行的结果。即：t=4.263，Sig.（2-tailed）概率为0.000
由实验数据得到结论：第1组 “实物+仿真”组的总体成绩好于第2组“实物”组的总体成绩，而这两组的成绩都显著好于第3组“仿真”组。
同时，我们对各小组的两道题各自的得分进行分析，他们各自的平均分如表6所示。从该表可以看出，尽管三个组的总成绩存在较大差异，但每组的第一题平均得分都显著高于第二题。原因是两道题的难度相差较大（第一题是基础题，按照步骤操作即可，第二题则需要灵活变通，更体现学生举一反三的能力）。进一步分析每道题的最高分可以发现，各小组在第一题上面最高分上相差较小，分别为：50分、50分、45分，表明各组在选择所需电源值、正确接入电源和搭接基本电路等方面都较熟练。而第二题中，最高分相差显著，分别为：50分、20分、0分。其中第3组“仿真”组在第二题的得分全部为0分。由于仿真实验组对实物元件和实验台的不熟悉，使得对稍加变化的实验电路，基本不能进行实验，更不能灵活变通。
表 6各组两道题的平均得分的简单描述统计量结果
从三个实验组的分数折线图可以清楚的看出，第一组在第二组、第三组的上方，而第三组在最下方。从不同实验考核项目得分情况分析，第一题的第一项、第二项由于实验项目比较简单三个组的差距不大，第一题的第三项、第二题的第一项、第五项实验项目要求比较高，三个小组的差距明显。实验结果符合预期。
图 3三个小组的实验分数折线图
通过对实验数据的SPSS数据分析，并结合对各实验组学生的随机访谈，我们得出以下结论：
（1）仿真实验方式的优势与不足：优势主要有：仿真元器件、实验仪器丰富，实验精度高、效率高，无消耗，能够最大限度地发挥学生自主探索学习的潜力，尤其是对基本理论和实验原理的学习。其不足是实验的真实感不够，实验结果近以理想，而实物实验会遇到许多意想不到的情况，存在思维的盲点。显然，仿真实验不能替代实物实验。
（2）实物实验方式优势和不足：优势主要有：真实、实验中随机出现的问题，对于培养学生的分析和解决实际问题的能力，对于学生养成严肃认真、严谨求实的学习和钻研态度有着不可替代的作用。其不足在于，实验受时间、地点、元器件、实验仪器等客观条件限制。
（3）实物实验方式与仿真实验方式相结合的实验方式：实物实验方式与仿真实验方式二者的结合，既给予了学生很好练习的自由探索学习的环境，又保证了学生对实物实验的感知能力。既发挥实物实验和仿真实验二者的优势，又克服了二者的不足，是一种提高电路课程实验教学质量更有效的实验方式。
4 教学建议
（1）实物实验之前，先进行仿真实验，掌握实验的基本原理、主要步骤和关键环节，模拟实物实验中常见的故障，使学生实物实验中遇到类似故障，可更有效的解决，从而提高实验效率。
（2）整个实验中，实物实验应占实验教学的主体部分，仿真实验应作为实物实验的“预热”、“补充”和模拟训练的辅助过程，最终目的是培养学生的实物实验能力。
（3）在实验内容上，仿真实验做哪些，实物实验做哪些、他们的交集是哪些，时间如何分配等，教师都应根据实验项目的教学目标、要求和具体内容来加以确定，以达到教学最优化为目的。
5 结束语
计算机仿真技术的飞速发展，以及在电子电路实验教学中的广泛应用，为改革电子电路实验课程教学创造了很好的条件。如何使实物实验与仿真实验有机结合，做到扬长避短，优势互补，以促进电路实验教学质量的不断提高，是值得不断研究的课题。
西南大学教学改革支持项目。项目编号：104250――20710107
参考文献
[1]陈跃华,蕾菡.基于仿真技术的电子电路课堂教学方法探讨［J］.教育技术研究,2004(6).
[2]陈跃华,谢利东.电子电路计算机辅助教学与其仿真教学的比较研究［J］.中山大学学报论丛,2004(6).
[3]陈跃华.改革电子电路实验教学的实践与研究[J].实验技术与管理,2006（7）.
[4]张克明.EWB仿真系统对电子技术课程教学改革的探讨［J］.中国科技创新导刊,2007(总467期).
关键词：粒子系统；虚拟现实；沉浸感
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21677-02
Research of Virtual Experimental Phenomenon Simulation
YANG Wei-ping, ZANG Wei, ZHAI Yong, YU Liang
(Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China)
Abstract:Take that particle system in virtual experiment, special efficiency simulating in virtual training as an example, the article mainly discussed the important effect of the particle system which incorporating flexibility, randomness and suitable into an integral whole in virtual teaching.
Key words:particle system; virtual reality; immersion
1 引言
随着计算机技术、图形学技术、光电子技术、仿真技术等的飞速发展，综合运用上述技术，高度逼真地模拟仿真人在现实世界中视、听、触等行为的人机界面的虚拟现实技术也日趋完善。在虚拟现实技术构建的接近真实的虚拟环境中，人可以通过形体动作与其它仿真实体交互并达到一种沉浸的感觉。主动地交互学习比被动地接受说教更具折服力，因而基于具有强大交互能力的虚拟现实技术的虚拟教学，如雨后春笋迅速发展起来。目前，大多数虚拟教学局限于简单的二维仿真与演示，或者是操作的简单交互，缺乏对特殊现象及过程的三维动态仿真，使得现有的虚拟教学在生动性、逼真性上与理想意义上的“灵境”交互教学有很大差距，粒子系统的引入恰好能弥补上述不足。本文通过研究粒子系统在虚拟实验、虚拟教学效仿真，进一步探讨了它在虚拟教学中的重要作用。
2 虚拟教学发展现状
在高校连年扩招造成的资金严重不足、实验设备的折损严重、高精度昂贵设备误操作易导致重大损失、高危险性实验对初学者人身安全存在的潜在威胁等因素影响下，又有综合了计算机技术、图形学技术、仿真技术等的虚拟现实技术的日趋成熟的外界动力下，虚拟教学出现并在虚拟实验、虚拟培训等很多方面得到成功运用。虚拟教学比传统教学更能充分调动学习者的感官及学习激情，利用虚拟现实技术营造自主学习的环境，学习者由传统的“以听而学”的学习方式变为以通过自身与虚拟环境的相互交互获取知识、技能的“以动而学”。本文简单介绍虚拟教学的以下几方面：
2.1 虚拟课堂
虚拟现实技术与课堂教学的完美结合打破了教学活动的时空局限性，学习者可在虚拟教室根据自身基础与爱好自主进行课程内容选择，避免了传统课堂的“同时、同地、同内容”的授课形式与学习者基础参差不齐之间的矛盾，使得教与学更人性化。
2.2 虚拟实验
在传统实验中由于受设备、经费、危险性、时空限制等外因所限，许多实验无法开设，而利用虚拟现实技术建立的物理、化学等各种虚拟实验环境中，学生可以安全操作各种虚拟实验，并可获得与真实实验相近的体验。虚拟实验能彻底打破时空限制，在虚拟环境中学习者只需花费几分钟时间便可观测到现实中需要几天甚至几年才能完成的过程，并且不会产生误操作带来的人身伤害和财产损失，使得知识的获取更高效、更安全。
2.3 虚拟培训
针对职工岗前培训，特别是高危行业的岗前安全培训，传统培训方式中通常采用文字形式或简单二维形式，缺乏生动性及真实性，学员在接受完培训后仅在短期内对培训内容有二维的记忆，遇到突发事件由于现场实景与各自对培训内容的理解相去甚远，往往无法快速运用所学知识解决生产实际问题。虚拟培训使受训者在培训过程中感触现场，在接受培训后，对培训内容有三维、逼真的系统理解，能够将所学知识准确应用于生产实际，当真正经历事故时能迅速反应，安全逃生。
3 粒子系统
3.1 粒子系统基本原理
粒子系统算法是Reeve于1983年提出，它通过采用大量形状简单且具有一定属性的基本粒子作为基础元素来表示不规则模糊物体，这些基本粒子都有一定的生命周期，基于它们不断改变形状、不断运动，所以粒子系统能充分体现模糊物体的动态性与随机性。粒子系统不是静态的系统，而是一个动态表现过程，是随时间变化处在不断运动中的粒子群，粒子群的分布状态可以随机改变，动力学性质决定各粒子位置的移动方式，新粒子的不断产生同时可以伴随着旧粒子的消亡。
3.2 粒子系统绘制的基本步骤
Step1 由粒子源产生新的粒子并加入系统中；
Step2 给每一个新粒子分配一定的静态属性；
Step3 删除系统中已存在且超过其生存期的所有粒子；
Step4 根据系统中剩余粒子的动态属性对粒子进行移动和变换；
Step5 绘制并显示由有生命的粒子组成的图象。
可将粒子系统与所描述物体的自身特征与运动模型结合，进行相应的模型建立。为体现系统的随机特性，常采用随机过程进行粒子形状、运动等的控制。每个粒子都有各自的变化范围，该范围内随机给数以确定它的大小，而变化范围则由即定的期望与方差来确定，基本表达式为：Para=MeanPara+Rand()'VarPara，其中Para代表需随机确定的参数；Rand()为[-1，1]中的均匀分布的随机函数；MeanPara为该参数的期望值；VarPara为其方差值。
4 粒子系统与虚拟教学
因在虚拟实验与虚拟培训环节中需进行大量特效模拟，因此本文仅以粒子系统在这两方面的应用来介绍并说明它在虚拟教学中的重要地位。
关键词：阿贝成像原理；空间滤波；MATLAB；信息处理
光学信息处理技术是通过傅立叶变换方式，进行光学频谱分析，调制频谱信息，运用空间滤波技术来实现光学信息处理。德国科学家阿贝在1873年提出了一个二次成像理论，在相干光源的照射下，透镜成像基本过程。首先，物体表面发出光线，经过物镜之后，在焦平面后面产生衍射，所得到的物像便是第一次相干光衍射的结果；然后，这次由衍射所得到的图像又作为新的相干光源，这个新的光源发射出的光线经过第二次干涉，又得到一个新的像，这个图像便是第二次衍射后所得的像[1-2]。空间滤波实验也引发了人们的关注，运用到传感器、测速信号基频消除、目标检测及高频GPS定位等[3-7]。本文着重研究空间滤波原理，并在MATLAB环境下对阿贝-波特实验进行仿真，实验仿真结果清晰，利于观察分析。
1 空间滤波原理
空间滤波是利用傅立叶变换透镜对光信息进行空间变换，在空间频谱面上，利用滤波器对空间频谱信息进行选择性通过，改善图像成像。空间滤波实验采用三个傅立叶透镜组成的系统，设图像的透过率为l（x1，y1），滤波器透过率为F（fx，fy），则频谱面后的光波复振幅为
式（4）中“*”为卷积运算符号，若滤波器采用不同的振幅函数透过率，则可以影响图像成像特点。
2 阿贝-波特空间滤波实验仿真
运用MATLAB的技术，根据空间滤波原理。进行阿贝-波特空间滤波实验仿真，首先由计算机程序生成光栅。
2.1 方向滤波器
方向滤波器只允许一排与透光方向一致的频谱信息通过。首先利用MATLAB构建水平方向滤波器，借助该滤波器来探讨阿贝-波特实验在水平方向滤波器下的现象。光波通过该滤波器后，所得的图像和滤波器的方向呈垂直分布。所得的图像全部是垂直的，没有水平方向上光栅分量，得到光栅在频谱面上水平方向的信息分量决定了像的垂直部分。将水平光栅向任意方向旋转，便能得到特定方向的光栅滤波器。为了实验仿真结果更清晰，同时也为了实验的准确性，我们将水平滤波器特定的旋转45度，这样所得的图像便于观察。结果分析与水平滤波器完全一样，滤波器只允许与其垂直的光栅分量通过。将水平方向光栅旋转90度得到竖向滤波器，该滤波器只允许中央一排竖直方向的频谱分量通过，所得结果只有水平方向的光栅分量，这更加印证了方向滤波器只能让与其垂直方向的光栅分量的频谱通过。
2.2 圆孔低通滤波
构建圆孔低通滤波器，进行滤波仿真实验。图1为低通滤波器仿真结果，图1（a）为输入图像，图1（b）为圆孔低通滤波器图像，图1（c）为输出图像。通过在频谱面加在低通滤波器来观察输出图像的变化，加载低通滤波器之后，只允许低频信息通过，高频信息被阻挡，像平面上所成的像，亮度较大，但是比较模糊，图像边缘轮廓信息丢失。从理论上讲，如果光学信息在傅里叶变换时没有丢失，那么这两次变换时理想的过程，那么物和像就是一样的。但是由于滤波器的作用范围是一定的，不可能将所有的频谱信息都百分之百的通过，所以，会有损失一部分高频信息。这与实验中物镜会受直径所限制，总会有角度太大的高频信息不能够进入物镜，损失部分信息也是必然的。
2.3 高通滤波器
构建高通滤波器，如图2（a）所示，进行阿贝-波特空间滤波的高通滤波实验。图2为高通光阑滤波实验仿真结果，与低频滤波实验截然相反，低频信息不能通过，高频滤波的通过，导致图像轮廓清晰但亮度减弱。这和低频滤波器的现象形成鲜明对比，也验证了高频频谱远离光轴。高频信息由于集中在离光轴远的地方，而低频信息都聚集在光轴附近，这正是高通滤波器的作用原理。阻挡低频信息，允许高频成分通过。图像之所以清晰是因为高频滤波能显示物体的精细部分，由于高通滤波器将低频滤波过滤了，导致图像亮度减弱。
3 结束语
综上，输入图像是二维正交光栅时，在频谱加载方向滤波器，在像平面得到与方向滤波器透光方向垂直的光栅分量图像。输入“光学实验”图像，在频谱面加上低通滤波器时，允许低频信息通过。所以形成图像亮度较强，但是边缘轮廓模糊不清；而在频谱面加入高通滤波器时，形成图像轮廓清晰，亮度明显减弱。说明高频信息由于集中在离光轴远的地方，而低频信息都聚集在光轴附近。实现阿贝-波特实验仿真操作，便于观察分析。
参考文献
[1]杨述武，赵立竹，沈国土，等.普通物理实验（光学部分）[M].高等教育出版社，2008.
培养学生具备人因学的眼光，去发现问题和解决现实问题的能力以及灵活运用人因理论方法和技术的能力，仅靠传统的人因工程教学实验是不够的。传统的人因工程教学大多侧重于某项内容的测定，形式比较单一，比如环境噪声的测定、环境照明的测定、心率与耗氧量的测定、劳动强度的测定等。仅这些测定内容，对于学生创新能力、综合能力的培养是远远不够的。
随着我国机动车的增长和交通系统的发展，道路交通形势极为严峻，应用人因工程专业知识解决道路及汽车驾驶问题是十分重要和必要的。而且，学生对现实生活中的交通系统问题感同身受，易于学生对问题的认识和理解。为此，我们以驾驶仿真为基础，通过开设实验培养学生从人因的角度去发现问题的能力，培养学生综合、系统地应用人因理论知识去分析和解决实际问题的能力，使学生加深对人因理论和方法的理解与掌握。
1实验实施基础
1．1硬件基础
清华大学工业工程系人因工程实验室自行研制了多通道宽屏幕固定式驾驶仿真系统，见图1所示。该系统由真车改造，具有可用性、柔性、整体性好和成本低等特点。系统的多个模块具有可配置性，能灵活地运用于各种驾驶仿真任务的模拟，可随时根据实验任务和研究对象的变化对系统的各个软硬件进行调整，以适用不同研究课题或实验教学的设计需要。
通过驾驶仿真系统可以对驾驶员在驾驶过程中的行为、感知、认知、决策和态度进行观察、测量和分析，具有安全性、可控制性、可重复性、易于采集客观数据等特点。
1．2软件及仿真场景模型库
驾驶仿真系统的主要构成部分之一是虚拟驾驶场景的仿真，它基于虚拟现实技术，具有沉浸、交互、构想的特性，使驾驶员身临其境，与驾驶仿真的场景环境自然交互。驾驶场景的构建主要是根据科研或教学内容，构造交通场景的三维模型或再现真实的交通场景。可以采用MuhigenParadigm公司的Creator建模软件或常见的3DSMAX造型软件进行虚拟驾驶场景的建模，采用MuhigenParadigm公司Vega软件构建模拟驾驶的仿真平台。
我们目前已拥有具有一定素材，可用性强的仿真场景模型库，如图2所示，具有多种形象逼真的交通环境、车辆和行人模型，具备各种机动车辆等可配置交通模块，还具备模拟特殊天气下的交通环境，如雪天、雾天、夜间等驾驶环境。这些丰富的仿真场景设计元素大大增加了系统的柔性和可用性，方便研究人员及学生根据实验目的，设计和开展各种有关驾驶员行为的研究。
1．3知识基础
基于驾驶仿真的人因实验教学要求学生已经具备一定人因工程基础理论和方法的基础，例如反应时的测定、标识的设计理念、人因设计的基本思路及应用的方法等。另外，还需学生具备一定的计算机软件应用的基础和经验，以便能更快地学会相关模型软件的使用。
2人因实验教学的设计与实施
结合驾驶仿真所设计的人因教学实验，使学生的实践内容更加贴近实际应用，以培养学生的综合素质、创新精神和实践能力为目标，我们在设计实验时，主要着重于以下几个方面。
2．1发挥学生的自主性
以交通标志设计与评估实验为例，交通标牌的字体大小、图样设计，直至放置实施均由学生以团队的组织形式分工协作，独立完成。要求交通标牌设计合理，易于道路使用者识别；模型设计后，可以直接使用驾驶仿真系统进行实车、实路驾驶；对设计成果进行有效、合理的评估。学生在做实验的过程中充满了挑战性，因此大大地激发了学生的兴趣和主动性。
2．2实验的开放性
实验室仅提供驾驶仿真系统及配套模型软件，模型的设计以及对模型评估的方法和手段都由学生根据需要自行确定，这为学生的创造性思维发展提供了很大的自由度。例如，针对驾驶安全某个主题的研究，学生可以自行设计模型，自行设计调查问卷，组织实验的实施，并分析实验的结果。
2．3实验内容的综合性
实验的设计思想是让学生在课程学习的．同时，培养理论联系实际，灵活应用人因工程理论解决实际问题的思路及方法的能力。正如学生在实验报告里所说：“在整个实验中，从发现问题、提出问题到解决问题，我们都遵循了在人因学中起核心作用的以人为本的思想。实验中我们面对的是一个现实生活中的复杂问题，我们实践了一个完整的应用人因学原理到实际系统设计的全过程，即确定设计目标和绩效评价标准一系统定义一基本设计一界面设计一测试评估一方案改进的过程，课堂上学习到的理论知识在此得到了实践与巩固。”
2．4实验教学模式的创新性
我们应用驾驶仿真系统的相关软件和硬件，给予学生全新的集成体验，加深理论知识的学习，并感知复杂的系统和理论。使学生的方案设计和改进措施更加符合实际，利于学生的实践实施，使学生对实验充满兴趣和积极性。学生在实验报告中说到：“我们体会到了虚拟现实技术在系统研究中的巨大作用。就这次实验来说，我们利用现有的模型，屏幕上谈兵，就完成了系统的分析以及再设计。虚拟现实技术已经成为现在我们研究现实世界的有力工具。我们学习到了很多应用案例，也更加深入地理解了人因课上所讲到的一些理论与原则性的知识。理论结合实践，是学习知识的最佳方式。不过，我们的实践，不是传统意义上的实践，而是在虚拟的现实世界中进行的实践。”
我们针对不同的教学需求，可以开设如下不同类型、不同形式的人因教学实验。
(1)体验式教学。可以把复杂的难于理解的人因工程理论通过驾驶交互体验来领会和学习。
(2)研究型教学。学生自主设计实验场景或测试方案，开展针对特定理论或者原则的实验研究。例如，有准备的反应模式与无准备的反应模式区别，有分神或者无分神的反应模式区别，疲劳和正常精神状态下的反应模式区别等。
(3)专题教学。例如：交通险情专题实验主要针对险情反应模式、反应时间的测定，学生也可进行交通险情的体验；交通标识专题实验可以对交通路标进行主观、客观的评估。
3实验教学效果
基于驾驶仿真，我们已经开设了人机系统仿真体验式实验、汽车贴膜研究型实验和以北京西直门为案例开展了交通标志设计与评估的专题实验等。这些实验贴近生活实际的应用，培养了学生综合应用理论知识分析和解决实际问题的能力。教学实验很好地达到了预期效果，受到了学生的肯定与好评。
(1)学生感受到人因理论方法与技术在实际生活中的重要地位，真正理解了人因工程的内涵，有助于学生在实践中加深对理论知识的理解和运用，加强了对所学知识的感性认识。
(2)利于创新能力的培养，提高了学生的创新意识和创造性解决问题的能力。
(3)培养了团队协作能力。实验需要学生合理分工，相互协作，进行有效的团队沟通，共同解决问题，才能成功地完成。
(4)提高了学习的兴趣。实践教学内容目的性强，贴近实际应用，给学生充分的自由度，学生学习热情高，自主、积极地查阅资料，确定解决方法。
(5)提高了实践教学效果。利用驾驶仿真系统使教学环境生动、逼真、安全，学生能够多方体验，吸引了学生学习和研究的兴趣，也有利于学生对方案结果的检验和评估。
4结束语
关键词：虚拟仿真实验；真实实验；仪器
高中生物学科中的实验教学要求学生在教材及教师的指导下自主完成实验。实验教学在课堂中的扎实展开，能够有效地培养学生的动手实践能力和操作能力，促进学生在掌握生物原理和操作技能的基础上，更加全面地认识和学习生物科学。在高中生物课堂中，学生可以通过实验简单快捷地了解和掌握所学的生物知识及原理，感受生物这门特殊的自然科学。
一、当前高中生物实验教学中存在的问题
然而，在实际的实验教学中，许多方面存在不足，如实验教学中所需要的材料过少或者缺少其中某一样实验器材都将导致实验无法正常开展。而有些则是因为所要进行的实验本身存在一定的危险性而无法真正开展，以至于实验教学在生物课堂中成为一种摆设，也就无法发挥实验教学本身的辅助作用。这不仅严重影响着教师的教学活动，还减少了学生全面学习生物知识的方法和途径。当然不免有些教师在实验教学中为了节省时间而演示生物实验，也就是通常所说的教师做、学生看。这样一来，学生也就不会积极主动地参与到实验教学中，这不仅不利于培养他们的动手实践和操作能力，还降低了他们运用生物知识去分析和解决实际问题的意识与能力。由此可见，高中生物教学中实验教学的开展存在许多的问题，而作为高中生物教师，我们在教学过程中要善于科学合理地运用适当的教学方法进行实验教学，对于存在危险性及实验器材缺乏的实验，我们可以利用计算机、多媒体技术模拟实验仪器及实验操作进行模拟仿真实验教学，以此突破生物实验的局限性，实现生物虚拟仿真实验与真实实验的相互交融与
互补。
二、高中生物虚拟仿真实验与真实实验的整合
（一）虚拟仪器及虚拟仿真实验
高中生物虚拟仿真实验即利用全新的、先进的且富有生命力的虚拟仪器和多媒体计算机，对教材数据进行分析和处理，在虚拟操作中为学生展示其中的实验步骤和结果。虚拟仿真实验综合运用了计算机图形学、图像处理与智能技术及音响技术等多方面的功能，给学生以直观形象的感受，促进他们更加简单快捷地学习和掌握生物实验的设计及操作。虚拟仿真实验主要通过虚拟仪器进行，虚拟仪器就是在多媒体计算机上配上相应的专用软件和硬件，并设定和设计好的测试功能，从而实现真实仪器所具备及缺乏的特殊实验教学。
1.虚拟仪器的特点
相比于传统的实验仪器，虚拟仪器更加智能，处理能力更强，且使用起来更加方便灵活，它的开放性和功能软件的模块化有利于提高资源的重复利用率，并缩短系统组建时间。运用计算机对生物实验内容进行分析、存储、显示及打印，能够有效地完善数据的传输和交换等性能，使得组建系统更加简单快捷。
2.虚拟仿真实验的特点
虚拟仿真实验使抽象的生物知识更加形象和具体，运用多媒体为学生提供声音、图像、文字等多方面的内容，其信息量大且应用范围广，能够在激发学生学习兴趣的基础上，提高他们对生物知识的表达和运用能力。在进行虚拟实验教学之前，教师可以利用多媒体计算机对实验模型和过程进行精心设计，从不同的角度和层次为学生加以演示和讲解，促进他们形象化思维的形成。高中生物教学中进行虚拟仿真实验对实验教学尤为重要，不仅有利于提高生物教与学的质量和效果，还能够保障实验设备及教师的安全，促进实验教学的高效开展。相对于传统的生物实验教学，虚拟仿真实验给学生的实验过程增加了许多乐趣，使他们更加热爱生物实验，乐于学习生物知识。
例如，人教版高一生物必修2第三章《基因的本质》中，DNA分子的结构和复制过程微观、抽象，学生即使制作出DNA物理模型，也难以在不断犯错和纠正过程中，准确模拟整个复制过程。借助虚拟仿真系统，利用计算机对DNA分子的复制步骤进行分析整合，使学生能够展开思维的翅膀，自由模拟想象中的复制过程。在各种史料和事实的支撑下，构建、完善DNA复制模型。在手脑并用操作实验的过程中直观地感受和理解DNA复制的方式、特点，大大提高了生物教学的效率。
（二）真实实验
真实实验是教师在生物教学过程中运用实验仪器进行实际操作的实验活动，它给学生以真实的感受，消除他们对抽象知识点及虚拟实验的学习障碍，并在这样的实验过程中对生物产生新的认识和看法，这对高中生物实验教学起着重要的作用。
（三）高中生物实验教学中虚拟仿真实验与真实实验的关系
高中生物实验教学中的真实实验是虚拟仿真实验的基础，即虚拟仿真实验是对真实实验的模拟，虚拟仿真实验能够有效地弥补真实实验的缺点和局限性，二者相辅相成。因此，教师在教学过程中结合它们各自的优势，对生物实验教学进行精心设计，可以取得良好的实验教学效果。
1.能真勿虚
对于生物实验教学中那些过程简单且易于操作的实验，且在现有条件下能够运用真实实验完成并达到预期教学效果的，教师在教学时就要运用简单的基础性实验仪器完成实验教学。
2.虚实互补
在高中生物实验教学中，有的主要是观察试验中所产生的现象，而有的是以得出结论为主，也有以理解生物规律和实验原理及实验仪器使用为主的。这就要求教师在实际教学中根据实验教学目标的不同，准确无误地确定是要采用虚拟仿真实验还是真实实验。
对于实验室的条件限制，需要采用先进技术或是稀缺仪器的实验，或实验现象不太明显的实验，一般采用仿真实验平台进行虚拟仿真实验。当然，在学习新知时，教师可以先安排相关的简单、易于操作的真实实验，使学生在对主要实验仪器有了一定的真实感受之后，再辅之以虚拟仿真实验，这样能够有效地提高实验教学的效果。
总而言之，在高中生物实验教学中，教师要学会综合运用和发挥虚拟仿真实验和真实实验的作用，并充分结合这两者的优势，以此，在培养学生动手操作能力的基础上，利用先进而高效的现代化实验手段，锻炼理性思维能力。只有这样，才能更好地达到预期的实验教学目标，并培养出具有扎实生物实验能力和独立思维能力的创新型人才。
参考文献：
【关键词】计算机教学应用;模拟仿真实验;教学设计
【中图分类号】G420【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2010)06―0132―03
一 引言
模拟仿真实验作为计算机用于教学的一种基本模式,在教学中有着广泛的应用前景。它既适合于在教师指导下课
堂教学,也适合于学习者进行探究式自主学习和协作学习。本课题在认真研究已有模拟仿真实验基础上,发现实验构建中的模型创建和教学设计存在一些普遍问题,表现在抽象模型,交互性、针对现象反馈和教学性能方面。我们所开发的模拟物理实验系统,正确地运用了建构主义学习理论,实现了一个全新的面向学习者的学习环境。
二 模拟仿真实验
模拟是指在交互控制状态下,对某种现象或过程进行表现和展示。按照所要表现的现象,可以把模拟分为两大类四种情况:物理现象和过程变化的模拟;程序性和情形性的模拟。在计算机辅助真实现象的模拟教学模式中,物理现象的模拟是将一个真实的现象或过程的某种规律在屏幕上表现出来,以供学习者去学习和研究,如表现光线通过透镜的成像规律,光线通过棱镜的传播等问题。过程变化的模拟,通常是为学习者说明解释一个不会明显表现出来的过程及难以理解的概念所进行的模拟。这两种模拟一般是不可人为随意干预或参与的。第二类情况中,大多数程序性模拟是为了教授一个构成过程的行为或动作顺序,它的主要特点是有一个或更多的步骤序列,以供学习者学习或训练。情形性模拟是在不同的情形下,涉及人的态度而非技能行为,不像程序性模拟要教一系列规则,而是展示允许学习者针对某种情形探索,用不同方法或扮演不同的角色时,所产生的影响并实时地表现出来。其中物理现象和过程变化的模拟,最常见的一种就是模拟仿真实验。
三 模拟仿真实验设计
随着信息技术的发展,人们可以模拟出自然界发生的各种现象和过程,并实时地加以显示。在所建立的模拟实验教学情境中,不但能够实现随时观察到与实际实验相同的现象或结果,还可以清楚地观察到实验发生和现象演变的过程、扩大或缩小观察空间、减慢或加快时间上的控制等,还可在有效的范围内方便地改变某些条件、参数或仪器进行对比实验,随时触发对当前状态的说明解释。将其用于教学中将极大地引起学习者的学习兴趣,大大提高教学和学习过程的效率,使抽象的概念、规则和原理变得简单易学。同时可以做到及时纠正实验中所犯的错误,绝对避免了在实际实验环境中可能带来的可怕后果。
那么,在设计模拟仿真实验时,要充分考虑其教学设计,以建构主义学习理论作为指导,结合物理现象的特点,建立以计算机模拟物理实验和对实验进行分析的学习情境。模拟仿真实验设计目标,能够在交互控制下实现对现象、过程、内部机制和原理等内容的展示,易于学习者对系统的运动状态、变化过程、受外部条件的影响、概率特性和响应特性等进行观察思考和分析研究。
1 设计要求
为了方便教师或学习者自身在所创设的情境中,启发、诱导或学习者之间通过协作学习的过程,进行讨论和探究来完成意义建构,在探索的环境和气氛中实现有目的学习[2]。设计要能够完全反映真实现象的整个过程,包括仪器设备、装置及所呈现的现象显示逼真,模拟过程科学、结果真实、数据可靠等。能够对实验现象的展示进行多次重复,以利于对现象的规律、规则、理论进行详细深入的探索和研究。能够实现智能化的模拟仿真,让学习者观察到实际实验中难以或根本观察不到的实验发生过程和微观内部机制,并通过形象的表现揭示其中内涵、规律;实现对某些实验的人为控制,能够瞬间观察感兴趣的现象或量值;可以把隐藏在现象背后的实质问题突出地展示出来;通过改变实验条件、参数或仪器进行对照类比等。这对于学习者理解抽象的概念、掌握或探索有关的规则、定理或定律会起到非常关键的作用。
2 实验设计
根据模拟实验的特点和教学性能设计目标,可以将实验的结构和流程设计成介绍部分、呈现现象、交互活动、系统修改、系统反馈和结束。为了便于说明和设计,这里主要从以下几个方面讨论实验设计中所涉及的问题。
(1)实验说明与帮助
说明包括本专题的教学意图、演示项目和教学建议的总的扼要文字说明、使用与操作指导,其作用在于避免学习者盲目进行操作或对学习过程不知所措;帮助应实现在线帮助,即在实验过程中可以随时激活、浏览一个帮助窗口,提醒学习者对现象进行特别提示和探究引导。例如,在单摆实验中使用指导提示和教学建议提示。
(2)基本模型确定
模拟实验基本模型,是从真实实验抽象出关键的要素,能够用计算机编程实现模拟的首要一步。建立模型要有足够的精度。在设计时重点应抓住实验中最本质的东西,而把非本质的东西尽可能去掉,又不影响反映实验现象本质的真实程度。例如模拟物理实验系统中在确定单摆实验模型时,只考虑摆长和重力加速度对单摆周期的影响,而忽略空气阻力的作用;只考虑摆线长度,摆球质量及实验地点的变化,而忽略具体变化摆线长度的调节过程,摆球质量的称量过程和实验地点的转移过程。摆动过程中的数据调节范围足以表现其运动规律,摆线长度的变化范围在35cm-106cm之间(地面上摆的摆长约99.4cm),利用滑块变化技术即时调节摆长;摆球质量有20g、30g、40g、50g几种。地点有柏林、北京、新加坡、月球等可供选择。每次变化摆长、质量、地点进行实验所得的数据,完全按照单摆周期公式反映了对周期的影响。真实单摆实验的摆球运动轨迹是弧形的,其摆动过程是连续的,而模拟摆动实验却是跳跃的、间断的,但在计算机程序代码运行时利用了人的视觉反应时间,完全可以较逼真地模拟出连续的效果[1]。
模型要尽量简单。模型的构造是为了计算机编程实现上的考虑,对所要模拟的现象应从持续性、分立性和逻辑性方面进行数学抽象。持续性是指在视觉反应期间能对模拟现象的连续变化的描述;分立性是指通过一些分立的量来表现现象的某种规律或规则;逻辑性是指对模拟现象表现过程的逻辑方面的考虑。这里的持续性、分立性和逻辑性,在整个模式构造中要既分开独立找到特有影响因素或相关量,又要统筹考虑对现象整体效果的影响。在模型中既要考虑模拟现象自身的特性,又要考虑与学习者进行实验控制操作有关的交互性,涉及到的因素有:模拟中的每个对象、每一个物理量;所遵从的规律规则;现象的精确性;实现的顺序;几种解决方案;时间帧;学习者的角色扮演等。在模型确立过程中,要严格地按照科学规律进行设计,同时要注意模拟现象对条件的要求,在何条件下成立,何条件下不成立要明确。如模拟物理实验系统中,物距与像距是相对透镜光心而言的,只要物距和像距的调整范围能够表现出成像位置及大小的变化规律即可,无需由于变化透镜位置给实验设计及测量带来麻烦和不便。基于这样的考虑,要求透镜固定放在60厘米处,对于焦距是10、15、20厘米来讲,物的放置范围在060厘米之间,物可放在此区间的任何位置,屏在0110厘米的区间内通过任意移动,来找到清晰成像的位置及观察像的大小变化,从而表现出物距u、像距v和焦距f间的位置对应关系及物像大小的变化规律等。设计时的数学抽象既简单又有效,在现象的表现中既涉及到持续性、分立性,又涉及到逻辑性。
(3)模型建立步骤
在明确实验设计目标基础上,对实验进行认真研究,确定主要变量;找出实验中的各种内部联系和关系;确定实验约束条件;根据有关学科规定使用符号或代号;简化和检查实验模型,看它是否可以表现出真实的实验现象。
3 实验现象显示
把模拟现象真实表现出来,既要考虑让学习者看见的,又要考虑听见的,同时注意所表现现象和数据的可靠性。在这一阶段,首先应明确要表现的主题是为了观察现象,还是为了说明某个概念。一般情况下,物理模拟主题,通常是观察现象或通过现象总结出某种规律。情形性模拟主题,通常要说明某种概念;而程序性和过程模拟通常两者都包括。其次考虑模拟中项目或仪器的选择,操作对象,对事件作出的反应,对现象某种规律的有效观察等等。另外应考虑模拟表现上的真实性,这就需要充分利用计算机技术,做到生动、直观、形象真实。如真实摩擦力实验中,摩擦力不是直接看到的,而在模拟实验中却可显示任一瞬间摩擦力的大小和方向;在弹簧振子的简谐振动实验中,学习者可观察到位移、回复力、速度、加速度矢量随振动而周期性变化的情况,并可显示任一位置的位移、回复力、速度、加速度的数值;在自由落体运动实验中,类似于闪光照相技术,提供了每隔1/30秒在落体瞬时位置打点的方法,直观展示出在相同时间间隔内,落体的位移变化情况,同时将数据记录在表格中,以利进一步研究和计算;在楞次定律的真实实验中,磁感线是不能直接观察到的,但在模拟物理实验中则根据需要让学习者生动、形象地观察到磁感线的疏密、方向的变化。为了达到实验的准确性,在动画设计上应采用定时处理,既做到模拟的实验现象与实际的现象相一致,又做到模拟的过程与实际的过程相一致。同时注意动画的演示不要因机器速度的不同而发生畸变。有些现象专门为其具有教学性能而展示。
4 交互性设计
模拟实验设计中的交互控制,主要体现在学习者与模拟事件的交互性作用上,模拟的交互性越强,越真实有效,越具吸引力。模拟实验有别于一般演示实验,体现在它具有较强的交互性,主要反映在用户对各种参数的选择、设定和调节上或仪器的选用上,实现在有效合理范围内方便地改变参数或仪器等进行对比实验。可表现在系统中的角度、位置、速度、温度等几何和物理参量变化上,也包括选择物理模型、样式或样品、条件等,还应包括观察角度、画面显示状态、计算步长等等。如模拟物理实验系统中,在交互性方面体现在:可将物、透镜和屏拖动至光具座的相应位置上,且可对相互位置关系正确与否作出判断与提示。物和屏可分别放在各自区间内任意移动,使学习者清楚地观察到物距与像距、物与像大小的对应关系与规律。同时允许学习者随时更换或调节透镜焦距和物的大小,这些教学性能给教师的讲解和学习者的学习提供了更多的可变参数,便于对问题的深入研究探讨。
控制功能要灵活方便,设计时注意参数的调节过程和参数的显示,要比较直观、方便、快捷。交互形式最常用的是键盘、鼠标、触摸屏、光笔和语音等。因为学习者的参与主要靠灵活方便的控制来实现,通过提供一定的实验控制或选择条件,将有利于学习者的进一步钻研和知识的拓宽[3]。
5 显示与反馈
当对模拟系统进行某种操作后,系统应给出相应的反馈,这种反馈可以是自然的,也可以是人为的。所谓自然反馈是类似于可能发生的事,人为反馈是类似于个别指导或练习模式中给出的相应提示或结论性信息,如对当前状态的说明解释。对于前一类情况,应能随时显示改变参数后的实验结果,即可以实时绘制与显示。如当物距、物大小、透镜焦距及屏位置中,只要有一个量发生变化,屏上所接到的光斑或像就随之变化。另外考虑提供多种显示方式,如截面、二维或三维表现等;可调显示参数,如投影角度、比例、显示范围等,体现出显示的多样性、可调性。如模拟物理实验系统中除了在屏上观察像外,可随时激活图标显示正面画面,满足学习者从不同角度进行观察。这将有利于学习者对同一现象的观察与思考,能从不同的侧面、角度进行全面的观察与分析比较,经过探究而得出结论。
四 模拟仿真实验教学应用
对于模拟仿真实验系统,它既适用于教师课堂进行教学,也适用于学习者自己进行探究式学习。教师利用这种特定实验情境,启发学习者主动探讨研究,完全像做实验一样归纳和总结出相关的规律。利用情境或在情境中进行教学,能够让学习者参与进来,做到教师只是引导者而非讲演者,更利于学习者主动进行学习。教师再也不会感到物理难教,一些原来单纯利用黑板和演示不容易讲得清楚的东西,现在在模拟实验中实实在在地动态显示出来,便于讲解。从学习者角度也不会再感到物理难学,原来仅仅靠想象的抽象东西,现在活灵活现地出现在面前,你可以仔细观察,反复实验,经过思考后得出结论。对学习者而言,完全可以独立或与学习伙伴一起进行实验,利用系统关键提示和解释,实现探究学习。因此,利用这样的模拟实验开展教学,能够大大激发学习者的求知欲,满足学习者的探索欲,最大限度地发挥学习者的认知主体作用,让学习回归本体,就是实现学习者自主学习,不再是“被教会”。
五 结论
通过结合作者开发的模拟物理实验系统项目设计与实践,文章探讨了模拟仿真实验设计及其教学设计的方法,由于不同学科有其自身的特点,在进行设计时应该根据实际情况进行具体处理,但总体目标都是要求实现随时观察到与实际实验相同的现象或结果。归纳为以下几点:(1)模型构建时要简洁,抓住最基本要素,排除非本质的东西。(2)实验要有很强交互性。(3)模拟过程要清晰、可重复。(4)模拟的结果要真实可信。(5)现象呈现时关键帧有说明解释。(6)有学习指导和使用说明。这样设计出来的模拟仿真实验,在教学上有利于学习者的启发式、探究式学习。随着计算机技术不断进步,计算机用于教育教学,特别是模拟实验这种教学模式,必将在教学和学习中发挥愈来愈大的作用。
参考文献
[1] 李云程.探讨制约CAI开展的关键环节软件设计问题[J].中国电化教育, 2000,(3):40-42.
