时间：2023-03-22 17:45:50
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1.弹性元件的虚拟模型根据导体材料的应变电阻效应，电阻的相对变化与应变之间的关系。为了获得电桥输出与载荷的关系，需要构建弹性元件的数学模型。电阻式传感器的弹性元件结构有圆筒式、柱环式、悬梁式和轮辐式四种基本类型，各种不同的结构型式的弹性元件应变ε与载荷F的关系如下所示。（1）柱筒式弹性元件其中E为弹性模量，A为横截面积。（2）柱环式弹性元件其中R0为内环半径，b为柱环宽度，h为柱环厚度，E为弹性模量。（3）悬梁式弹性元件其中l为有效长度，b为悬梁宽度，h为悬梁厚度，E为弹性模量。（4）轮辐式弹性元件其中b为轮辐条厚度，h为轮辐条宽度，G为剪切模量。将四种弹性元件类型设计在一个子VI中，通过操作“弹性元件类型”下拉列表进行选择。
2.虚拟电桥模型电桥是目前常用的电阻式传感器测量电路，整个电桥电路由四个桥臂组成，当桥臂接入应变电阻时则成为应变电桥。当有一个臂被接入应变电阻时，被称为单臂电桥；两个臂被接入应变电阻时则为双臂电桥（也称半桥）；四个臂均被接入应变电阻时则称为全桥。在桥路中均未接入应变电阻时。
3.电阻属性和接桥方式设计前面板（如图1所示）上电桥部分的电阻属性分为固定电阻、应变电阻和平衡电阻三种，应变电阻的贴片方式分为受拉应力和受压应力。（1）电阻属性。图1中的电阻R1的属性只有两种：应变电阻和固定电阻。该属性通过操作“R1”设置开关进行选择。若R1为应变电阻属性，其阻值会随载荷F的增减而产生相应的ΔR1以及因温度变化产生的ΔR1t。电阻R2的属性与R1相同。通过操作“R2”设置开关可以选择R2的属性。若R2作为应变电阻，则会随载荷F的增减而产生相应的ΔR2以及因温度变化产生的ΔR2t。若操作“差动设置”开关，则可使R2的受力方式为受压应力，从而会随载荷F的增减而产生相应的-ΔR2以及因温度变化产生的ΔR2t。R3，R4需要参与调平电路的设计，因此接线也会相对复杂。通过操作“R3”和“R4”设置开关对该电阻进行属性操作。图中出现的Rr显示框为调零电路中的R5的右半部分与R6串联然后再与R3并联后的阻值。Rl显示框为R5的左半部分与R6串联后再与R4并联后的阻值。（2）接桥方式的设计。虚拟前面板上的电桥工作方式分别为：不工作、单臂工作，半桥工作和全电桥工作方式四大类型。对于半桥和全桥方式，其中应变片又分为差动和非差动两种布片方式。不工作方式指的是R1，R2，R3和R4都设置成固定电阻。该方式无论怎样施加外力，输出始终为零。单臂工作时将R1设置为应变电阻，R2、R3、R4设置为固定电阻。此时，按“R1”按钮，“R1”按钮变绿，图中应变电阻R1如果显示向上的箭头，表明该应变电阻受拉应力，对应电阻值增大；如果应变电阻R1显示向下的箭头，表明该应变电阻受压应力，对应电阻值减小。半桥非差动工作时，R1、R2设置为应变电阻，R3、R4设置为固定电阻。按下“R1”、“R2”两个按钮，两者均变绿表示接入工作臂，同时电阻R1、R2上的箭头方向一致，表示应变片受到相同性质的应力，此时电桥输出基本为零。半桥差动工作时，R1、R2设置为应变电阻，R3、R4设置为固定电阻。按下“R1”、“R2”两个按钮，两者均变绿表示接入工作臂，同时电阻R1显示向上箭头，R2显示向下的箭头，表示对应的应变片受到拉应力和压应力。全桥非差动工作时R1、R2、R3、R4属性均为应变电阻，此时，按下“R1”、“R2”、“R3”、“R4”按钮，均变为绿色。四个电阻上的箭头方向一致，表明四个电阻受相同性质的应力，此时电桥输出基本为零。全桥差动工作时，“R1”、“R3”电阻箭头向上，表示受拉应力；“R2”“R4”箭头向下，表示受压应力。
4.温度误差计算及补偿在讨论应变计的工作特性时通常是以温度恒定为前提的，但在实际应用过程中，工作温度可能会发生变化，从而导致应变电阻的阻值发生变化。设工作温度变化为Δt℃，则由此引起粘贴在试件上的应变电阻的相对变化为。将公式（11）代入公式（7）-（10），即可以计算出温度变化时的电桥输出，该输出即为温度误差。单臂工作时，采用补偿块法进行温度误差补偿，该方法利用两块参数相同的应变计R1、R2，R1贴于试件上并接入工作臂，R2贴于与试件材料相同温度环境的补偿块上，但该补偿块不参与机械应变，同时接入电桥相邻臂作为补偿臂。当接通电源并施加负载时，补偿臂产生的热输出与工作臂产生的热输出相同，则可达到温度误差补偿的目的。对于半桥差动和全桥差动工作方式，根据公式（10）的和差特性即能进行温度误差补偿。5.非线性误差计算及补偿公式（10）是对公式（9）进行线性化后的输出。对于单臂工作时，非线性误差可以通过在电路中加入补偿臂（该臂不受外加应力作用）。对于半桥差动和全桥差动工作方式，不需要外接补偿电路，因为差动工作方式具有很好的非线性补偿作用。
二、虚拟操作面板的设计
用LabVIEW软件开发虚拟仪器，用户能“量身定制”仪器的操作面板。本实验根据真实的电阻式传感器实验电路接线图作为虚拟仪器的操作面板，能直观地阐述电阻式传感器实验原理及操作方式，虚拟面板如图1所示，主要包括虚拟弹性元件选择、应变电阻布片方式选择、电桥接法选择、电桥调零模块、差动放大模块、直流电源模块。此外前面板还包括电阻、外力、温度的赋值等。
三、远程虚拟实验的演示步骤
电阻式传感器实验的远程操作分别由DataSocket技术与Web网络工具来实现。DataSocket技术以及网络化技术的结合使虚拟仪器的远程控制成为可能，可在若干计算机上对传感器虚拟实验进行操作及数据处理。这为传感器虚拟实验的互动教学提升了便捷性。电阻式传感器虚拟实验的远程操作过程如下：第一步，打开服务器网页。第二步，输入R1、R2、R3、R4的阻值。第三步，选择弹性元件类型。第四步，设置接桥和布片方式。第五步，打开电源开关。第六步，调节调零电位计，直至电桥近似达到初始平衡状态。第七步，点击“施力F”按钮。第八步，查看客户端网页，查看电桥输出曲线。第十步，点击服务器面板中的“复位键”，使所有选项、开关及输入数据均清零和初始化。第十一步，关闭电源开关。
四、结束语
虚拟实验是依托“虚拟现实”技术产生和发展的一种实验模式，利用计算机及仿真软件来模拟实验环境及过程，学生通过计算机操作来做实验，以代替或加强传统的实物实验。虚拟实验一般通过虚拟实验室进行。虚拟实验室是由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括虚拟实验室环境、相关实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等，是一个基于网络的实验教学、技术交流、共同研究、协同工作的平台。虚拟实验室最早由美国弗吉尼亚大学的威廉•沃尔夫教授于1989年提出，被称为“无墙的研究中心”。虚拟实验室具有传统实验室无法比拟的特点，如资源共享性、互动操作性、用户自主性、安全性等，并且可以有效地减少实验设备购置经费和实验学时。随着虚拟实验技术的成熟，虚拟实验室在教育领域得到了越来越广泛的应用［8］。
2机械设计虚拟实验室
以“CAXA实体设计”和“CAXA－EB”软件系统为依托，利用VisualBasic6．0和C/C++开发了机械设计虚拟实验室(见图1)，包括三维虚拟实验环境和二维虚拟实验环境，可进行机构运动简图测绘、齿廓范成原理、减速器拆装等11个机械设计虚拟实验。学员可利用虚拟实验室进行实验，完成并提交实验报告，教师可利用该平台查阅批改实验报告。机械设计虚拟实验室由服务器端核心处理模块、客户端实时运算模块、用户管理模块、机构库模块、零件库模块等七大模块组成。其中，机构库包含40多个常用机构，零件库包含80多个常用零件，标准符号库由100多个常用标准符号组成，在线帮助信息库有近5万字的在线帮助信息［9－10］。目前机械设计虚拟实验室已在全军院校推广使用。近几年的教学应用表明，机械设计虚拟实验可部分取代实物实验，某些传统实验如简图测绘、齿廓范成等可利用虚拟实验室独立完成;同时，虚拟实验室大大扩展了原有实验内容，增加了机构改进设计、轴的设计、连杆机构的设计等综合性和设计性实验，并且实验室为开放性环境，实验内容还可根据需要继续扩充;另外，虚拟实验室是实物实验和课堂教学的有力补充，连杆机构的基本形式和演化等实验内容对进一步理解和巩固课堂知识具有重要作用，通过虚拟实验还可进行一些实物实验很难实现的实验，如齿廓范成原理实验，传统的范成仪只能加工两种参数的齿轮，而利用虚拟实验室可以任意设置加工参数。又如轴的设计实验，可实时设计、实时修改，并及时观测设计结果。虚拟实验室有效拓展了课内实验的时间和空间，在提高课程教学效果和实验教学质量及培养学生工程实践能力方面，起到了非常重要的作用。
3虚拟实验室在课程教学中的作用
机械设计虚拟实验室具备强大的模拟实验和相关辅助功能，对课程教学和能力培养具有非常重要的作用。
3．1有效拓展课程实验内容，集实验和辅助学习功能为一体
机械设计虚拟实验室不仅可完成机构运动简图测绘、齿廓范成原理、减速器拆装等传统实验内容，还增加了机构组成原理、连杆机构的应用和设计、凸轮设计、周转轮系的应用、轴的设计、齿轮传动等新的实验，拓展了实验内容。所开发的11个实验既有传统的基础性、验证性实验，如机构运动简图测绘、减速器拆装等，又有设计性实验，如齿轮范成原理、轴的设计、凸轮设计等。学员不仅可以通过虚拟环境完成实验操作和设计，提高机械设计能力，还可利用实验项目复习巩固课堂所学知识，加深对知识的理解。例如连杆机构的型式和演化实验，学员可通过实验环境设置机构的杆长参数和机架，根据课堂知识判断该机构的型式，再利用虚拟实验室验证自己的判断，使知识得以巩固和加深。机械设计虚拟实验室将数值分析算法应用到实验开发中，形象地描述了在传统实验中很难实现的实验，实现了实验内容的创新。例如齿廓范成实验，传统实验使用齿廓范成仪进行，一般每种范成仪只能范成同一参数(模数、压力角等)、两种齿数的齿轮，而在机械设计虚拟实验室中学员可任意设置齿轮的齿数和模数等参数(见图2)，观察各种参数的渐开线齿廓的形成过程和齿廓特点，扩展了设计性实验的内容。图3为利用机械设计虚拟实验室进行渐开线齿廓的范成加工。
3．2构建三维虚拟实验环境，实现三维动态仿真和创新设计功能
机械设计虚拟实验室构建了机构模型库和零件库，包含多个常用机构和通用零件，常用机构具有仿真动画效果，通用零件具有三维渲染效果，学员在进行实验时可随时调用，也可随时运行观察其运动以进行组成和运动分析。如图4所示即为机构库中的飞机起落架机构模型，学员可在三维实验环境中观察其组成和运动情况，或对其进行运动尺寸测绘，在二维环境中绘制其机构运动简图，这是机械设计基础课程的一个传统实验。机械虚拟实验室的零件库包含轴、齿轮、轴承等80多种常用零件，学员在进行设计性实验时可随时调用，同时还可在原模型的基础上进行实时修改，以用于所设计的机构。如图5所示为对设计的阶梯轴进行结构修改。这样使学员既有很强的感性认识，又锻炼了其设计能力，为基于想象的开放性创意设计提供了虚拟实现的平台，拓展了学员的创造空间。
3．3实验操作方便，相关功能完善
机械设计虚拟实验室具有可视化的实验界面，交互功能强大，实验操作简单，实验结果直观。每个实验都有详细的实验指导，进行基础性、验证性实验时在实验界面上及时提示后续的操作步骤，操作不正确时系统会给出提示。如减速器拆装实验，要求能按正确的顺序将减速器进行拆卸和安装，在拆装过程中，如果顺序不正确，系统会出现警告，并提示正确的操作。机械设计虚拟实验室具有在线帮助功能，学员在实验操作中可随时查阅实验目的、内容和实验步骤等。另外，在每个实验完成后可在虚拟实验室中方便地撰写、修改实验报告，并进行提交，如图6所示。教师可在虚拟实验室中检查、批改学生的实验报告，并将实验评价反馈给学员。
4结束语
郑州大学基础医学实验教学中心组建于2001年9月。根据“学科交叉、设备共享”的原则,充分结合各课程特点及资源分布,中心下属各专业实验室优化重组为4大实验室板块,构建起医学形态学、医学机能学、分子医学及人体解剖学四个医学基础实验教学平台。以培养学生综合能力为核心,针对实验教学课程体系与实验教学内容进行了整合,从而组成了与实验教学平台相对应的形态学实验、机能学实验、分子医学实验,人体解剖学实验四大模块。从根本上改革实验教学依附于理论教学的传统观念,构建了既与相应学科的理论教学保持有机联系又相对独立,具有鲜明特色的“一体化,模块式,综合型、开放性”实验教学课程体系。
2分层次设置实验内容,采用多元化教学方法
按照“扎实基础、自主开放、鼓励创新”的原则,大幅度调整实验课程内容和授课程序,以能力培养为主线呈渐进式衔接,按基本技能实验(50%)、综合设计性实验(40%)、研究创新性实验(10%)三个层次设置实验项目,编写与之相适应的基础医学实验教学大纲和实验教材,逐渐形成从宏观至微观、从形态至机能、从简单至综合、从基础至临床,纵横相互联系的实验教学模式,以培养学生的科研素质和创新能力。同时,根据不同学科特点,采用多元化教学方法,最大程度提高学生的学习积极性和主动性[2]。基本技能实验结合理论课教学,开设传统的经典验证性实验、基本仪器使用、实验动物手术操作、实验数据和图形的记录、采集和处理,训练学生基本实验操作和技能。综合设计性实验引导学生以“一个问题”为中心,综合多学科知识点,从人体器官、组织细胞的形态结构、遗传特性、生理生化到疾病发生的分子机理、基本病理过程、药物作用等多个角度来设计实验,使学生以跨学科的思维方式建立整体的概念,增强学生对实验现象的观察与思考。设计性实验让学生选择自己感兴趣的题目,运用已学到的知识和技能,独立设计并开展带有研究性质的综合性实验,搜集必要的实验数据并加以分析,写出实验论文,以学术交流会的形式,讨论各自的实验结果,从而培养学生综合思维能力及创新意识[3]。研究创新性实验结合学校“大学生创新实验计划支持基金”,学生自行组织课外科研小组,在导师的指导下设计感兴趣的小型科研课题,申请创新实验基金或参加指导老师的在研课题。该实验从实验设计、科研实施、结果整理分析到论文撰写,全部由学生独立完成。2007年以来,我校7年制及5年制医科各专业学生共获得资助15余项,资助经费达10万元,公开发表科研论文28篇,获得各种奖励及发明专利20余项。以学生为主体、教师为主导的创新实验,采取自主式、学导式、研究式的教学方法,学生接受了较全面、严格、系统的科研训练,启发了他们在科研过程中提出问题、解决问题的逻辑思维方式,提高了独立工作和科研创新能力[4]。
3积极开展“第二课堂”教学活动,培养学生观察问题、解决问题能力
开展“第二课堂”活动是中心实验教学改革的另一大特色。富有内涵的第二课堂活动,既强化了学生实习、实践环节,也提供了互动的师生交流空间,创造了学生自己动手、动脑的机会。通过引导学生参加社会活动,激发了学生积极探索的精神,缩短了学生与社会的距离。医学昆虫学课程教学中,采取了专题讲授与社会实践相结合的教学方式,结合所讲授的专题,把学生组织成若干社会实践小组,利用周末开展小型调研活动。学生们在辅导教师的指导下,走出实验室,制订医学昆虫调查、防治技术方案,在锻炼学生动手能力和实际工作能力的同时,也培养了学生科研工作的能力及兴趣。临床药理学将实验课搬到工厂车间,让学生现场亲眼目睹制药过程。人体解剖学在课余时间将学生组织成若干课外实践小组,参与解剖技术室的尸体解剖与标本制作,使学生们在实践中进一步学习掌握解剖学知识[5]。第二课堂教学活动的开展,既强化了学生实习、实践环节,也创造了互动的师生交流空间和学生自己动手、动脑的机会,有利于加强学生主动获取知识和动手能力、创新能力的培养。2001级7年制临床医学专业赵菁同学,从大二开始,就参与了“河南省重点科技攻关基金资助项目”的有关课题研究。她提出的将物理和化学中有关载体模型的思想引入到生命科学领域的原理,在我省大中专院校尚属首例。其研究课题“小鼠IFN-γ真核表达载体的构建和转染鼠腹腔巨噬细胞抗肿瘤效应研究”已在基础研究中获得了肯定的治疗结果,可为临床治疗提供可靠的实验依据。在大学学习的几年里,赵菁同学将课余时间和节假日全都用在了科学实验和科技制作上[6]。当中心开展第二课堂活动来发展学生的兴趣和爱好时,赵菁就找来理工科的学生成立课外科研小组,常常领着小组成员研究生物、电子技术,搞科技制作,一项一项的创造发明问世,并连续在“挑战杯”竞赛中获奖。在第二届“挑战杯”河南省大学生课外学术科技作品竞赛中,《针剂破口器》、《新型解剖床》荣获二、三等奖;在第八届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛中,《针剂破口器》荣获三等奖;在第四届“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛中赵菁同学主创的《河南医美乐医疗器械有限责任 公司》创业计划荣获铜奖;在第三届“挑战杯”河南省大学生课外学术科技作品竞赛中,赵菁同学的两件作品《解剖室空气净化装置》和《便携式电子防晕动装置》分别获得二等奖和优秀奖。在校期间,她连续四年在全省、全国“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛和创业计划竞赛中获奖,2003年被授予“中国大学生跨世纪人才奖———建昊奖”,2004年荣获“青春中华―首届中国青年文化周特别奖”,2005年8月被授予“第二届中国青少年科技创新奖”,2005年11月被授予“首届河南省十佳青少年读书成才奖”,2005年12月荣获“中国十大年度大学生创意人物入围奖”,2006年2月荣获“首届河南省十大教育新闻暨教育新闻人物奖”,2006年6月获得“郑州市学习标兵奖”,截至目前,她已拥有7项国家专利,被誉为“学生发明家”[7]。2004级临床医学专业卢沛琦同学积极参与老师的科研活动,将所学知识与科学实践结合在一起,利用第二课堂活动,在指导教师的带动下顺利完成一项科研内容,其撰写的科研论文《骨髓间充质干细胞体外诱导为心肌细胞的实验研究》,在2006年郑州大学组织的学生科技竞赛活动中,荣获“郑州大学学生科技创新与科技论文”一等奖。
4利用现代化教学手段,提高实验教学质量
中心将网络信息技术引入实验教学,建设了一批数字化、网络化的实验教学平台。包括人体解剖学虚拟实验室、数字网络多媒体解剖学实验室、数码显微互动形态学实验室、多通道生物信号采集系统和机能学仿真实验网络教学系统实验室等。各实验室根据不同需求装备相应的数字化网络设备,使实验室信息网络硬件建设处于国内高校实验室领先地位。虚拟、仿真实验软件与实验硬件配合,多媒体技术,网络教学———三种教学手段,进一步强化了实验教学效果。我们自行研发的一套局部解剖学虚拟教学软件,利用虚拟的人体三维技术实现了“虚拟人体解剖”,学生通过鼠标、键盘等工具输入相应的变量,进行逼真的人体解剖实验,收到了良好的教学效果,受到学生和省内外同行专家的一致好评[8]。借助校园局域网和中心网络实验平台连接,应用现代化网络信息技术,开辟了试验项目网上预约、网上预习、网上复习、在线实验等方式消除空间和时间上的障碍,培养学生利用计算机网络平台猎取本专业发展前沿信息和新技术的方法。在中心网站创建的局部解剖学虚拟实验室、机能学网络仿真实验室、形态学网络标本陈列馆。由于网络教学的个体性和交互性,极大地激发了学生的学习兴趣、主动性与创造性。
5完善实验考核方式,科学评价实验教学效果
针对不同层次的实验,采取不同的考核方式,客观、准确、科学地评价学生成绩,构建了以教学督导与信息反馈为主要手段、以实验过程监控为主要内容、以完善的规章制度为保障的实验教学质量保证体系。基本技能实验的考核主要依据:实验预习与报告,实验操作,实验考试[9];综合设计性实验的考核主要依据:选题的合理性和难度,设计方案的完整性、合理性、经济性,仿真优化的正确性,硬件制作、测试结果和设计报告;研究创新性实验的考核主要与课题、论文完成情况,答辩情况以及竞赛结果相结合。
[关键词]人体解剖学 实验教学 创新能力 临床应用
一、研究背景
实验教学是学生巩固和深化理论知识的重要途径，也是培养学生基本技能、发现和解决实际问题能力、自主学习能力、创新和临床思维能力的重要途径。目前，我国大多数医学院校的人体解剖学主要有《系统解剖学》和《局部解剖学》两门课程组成，实验课基本上还是按课程孤立设置，学生按照编好的实验指导书的要求，由教师指导下的学习模式，学生都是在“接受性学习”，缺乏“自主探究学习”，整个实验缺乏系统性、全面性以及创新性。因此，通过对原有的实验教学定位、教学理念、教学模式、教学方法和手段进行改革，对培养学生的临床应用能力、创新精神和创新能力等综合素质有着非常重要的意义。
二、教学模式的改革
我校五年制医学专业采用系统解剖学和局部解剖学分别在大一下学期和大二上学期完成的模式，我们初步尝试将原有的《系统解剖学》和局《部解剖学》实验进行整合，在前期系统解剖学验证性实验学习的基础上，加强综合性实验，增加设计性、创新性实验，由教师根据学生所学的知识和教学安排，分不同层次、由浅入深提出实验任务，学生自主选择综合性设计性和创新性的实验内容、确定实验步骤及注意事项、经老师审核后开始实验过程，并对实验结果进行分析判断、完成实验报告或实验论文的新模式。通过一系列的有系统、有计划的实验教学，使学生达到由理论知识到实践操作，再由实践操作到创新和临床思维能力的不断由量变到质变的转变。在时间安排上，课内课外并重，充分利用学生的课余时间，要求学生在课余时间完成部分标本制作的实验内容。另外，在基础知识的基础上对局部解剖学的部分实验进行独立的设计，改变原来的实验依托理论的模式，要求学生根据临床手术操作中遇到的问题进行设计，在尸体和标本上进行模拟手术，进一步加深学生对局部解剖学知识的理解。同时将现有的课堂教学、课外专题讲座、课程实验、课外第二课堂等实践形式向课外科技创新、科研训练（student research train，SRT）、大学生科技创新竞赛、新苗计划等活动延伸，不断丰富课内外一体化自主研学平台的内涵，使学生尽可能多的学做合一，扩大学生自主创新实践的内容，有效的启发学生的发散思维。推进学生的个性化发展和全面发展。人体解剖学实验教学就是要构建教与学为一体、理论教学与实践教学为一体、课内与课外教学为一体的实验教学模式。
三、教学内容改革
对现有的《系统解剖学》和《局部解剖学》的实验教学内容和课程体系进行改革，结合教学大纲和高等教育教学加强实践教学环节薄弱改革的需求，按照分层式实验教学的模式；增加实验内容和实验项目；增加实验的开放性，综合性、设计创新性的思维方式，对人体解剖学实验教学课程进行了改革。
1.拓展基础理论知识、基本技能训练实验层
在系统学习解剖学的基础理论知识的基础上，穿插讲解对尸体解剖的一般方法、解剖器械和操作方法、基本解剖方法、标本防腐固定法、血管灌注技术、淋巴管灌注方法等实验对学生进行解剖学实验技能训练。课堂并以学术讲座的形式向学生讲解解剖学科学研究方法，文献综述撰写，布置学生查阅文献，撰写文献综述。使学生掌握解剖学实验的基本知识、基本方法与基本技能，熟悉常用仪器的操作，培养学生观察、记录实验结果及整理、分析实验数据的能力。
2.以临床应用为导向的解剖学实验教学
将系统解剖学和局部解剖学内容相互穿插并与临床及其他相关基础学科结合起来。将实验课内容分为骨学、节学、下肢、上肢、头颈部、脊柱区、胸部、腹部、盆部与会阴、感官、中枢神经系统十一部分。在教学实施过程中，每一章节（如上肢、躯干、头颈部等）实验开始和结束都由教师进行15min的结合临床案例的前言和总结的讲座，使学生认识到解剖学在临床医学中的重要性及其如何与临床结合。以颈部为例，我们通过和临床医师及其他相关基础学科的教师一起讨论，把颈部的内容提炼成以下几个问题：（1）简述颈动脉鞘内结构的排列关系；（2）甲状腺切除术时，从皮肤切口到暴露甲状腺依次有哪些层次结构，术中需特别注意对哪些重要结构的处理，为什么？（3）气管切开术选择何部位，到达气管要经过哪些层次结构？（4）左、右喉返神经的来源和走向有何不同？（5）颈部皮神经的分支分布有何特点？颈部局部麻醉宜选在何处？（6）颈内静脉和锁骨下静脉有何结构特点和重要毗邻，对深静脉穿刺有何影响？上课时先由带教教师介绍甲状腺次全切除术手术步骤、手术中应注意事项，并发症及其处理措施，然后将问题一一列出。
3.以创新为导向的解剖学实验教学
该部分实验分为设计创新型实验教学和课外研究创新型实验两类。设计创新型实验教学由教师提出实验任务，学生独立实施过程，教师全程指导、启发和评价，使学生从科研选题、实验设计、实验操作、结果分析、文献查阅、论文撰写、报告与答辩等各个环节得到一次全面的创新能力和方法的训练。比如教师结合某些知识点或关键的实验技术，提供一些与临床联系较紧密且学生感兴趣的题目作为实验教学内容以供学生选择，让学生在第一、第二阶段已掌握的理论和的技能的基础上自主完成实验，并根据完成情况提交实验报告、实验作品或学术论文。
课外研究创新型实验主要形式为：给定有关题目；各种大学生科技活动；学生直接参与教师科研子课题等项目。让学生通过课外科技创新活动培养学生的创新精神、实践能力和临床思维意识，同时培养学生的团队精神、交流沟通能力和责任感。
四、教学方法与手段的改革
1.以学生为中心，实现自主实践为主的教学模式。将传统的实验指导书修改为由浅入深、由验证、综合再到设计创新的实验项目，充分调动学生学习的主动性。学生通过验证性实验掌握基本实验操作方法，学会正确查找资料，设计综合实验，正确记录观察实验结果，分析实验结果，对实验结果进一步作出判断、推理的能力；正确的通过查阅相关文献、书籍、工具书及其他信息源信息已解决临床应用中的问题的能力。同时借鉴借鉴PBL（problem based learning）改变传统的教学方式，在教学过程中根据进度安排临床病例讨论课，提供相应的病例设计问题和相关的参考书籍书目，让学生围绕病例，通过书籍杂志和网络、用解剖学知识解决问题。
2.运用现代化技术及先进的实验教学手段。对临床应用中的实际问题如常见病的手术治疗采用计算机虚拟技术、虚拟人、医学仿真技术等现代化实验信息技术手段，结合学校的BB平台、已经建好的人体解剖学PBL教学平台和人体形态学数字化教学平台，把虚拟实验、医学仿真实验和临床实践问题想结合起来，使实验教学与创新和临床应用接轨，可以有效提高学生的学习兴趣，刺激学生参与实验的积极性。将尸体上的实际操作和虚拟仿真、现场授课和多媒体课件、网络化远程互动和掌上智能式平板虚拟有机结合起来，充分利用网络、教学平台及各种实验教学媒体进行实验教学，激发学生学习兴趣，提高实验技术的临床应用性和常见手术操作的前瞻性，促进学生科学的临床思维方法与创新能力的结合。同时让学生了解先进的手术操作技术及其应用，拓宽知识面，培养他们的实验技能和科研能力。
3.课外开放实验。在开放性实验室里，学生可以在自己支配的时间内从事提前设计的，教师审核通过的实验，也可以完成课外的实验，以学生为中心，自主设计制作的人体解剖学标本制作大赛。开展“解剖学实践大赛”，学生根据自己兴趣，自愿参加，自由组合，设计方案，拟定操作步骤和程序，在教师和实验师指导下，完善方案，独立完成解剖学标本制作和实验报告。如学生制作阑尾炎手术的解剖学入路。
4.运用先进的实验教学考核方法。实验成绩采取平时成绩同实验报告和实验论文相结合的做法。鼓励学生实验中有创新。（1）实验报告为平时成绩，主要考察学生对实验结果的整理、分析、总结能力。此部分成绩约占总成绩的30%；（2）以实验考试、考核成绩反映学生对人体解剖学的基本理论、基本技能的掌握（考试、考核的内容除解剖、观察标本外，还应包括X光片、螺旋CT图片阅读及相关临床病例分析、讨论等）。此部分成绩约占40%；（3）学生设计方案及实施考核，主要考察学生创新意识、科学思维方式与实践能力。教师根据学生查阅文献情况、实验设计水平、实验方案的实施情况、以及实验结果的分析能力和科研论文撰写情况综合评定实验成绩，此部分成绩占30%。
五、结语
人体解剖学实验教学是医学院校学生学习基础与临床课程桥梁的重要组成部分，是人才培养的重要基础环节，是学生巩固和深化医学基础理论知识的重要途径，也是培养学生基础技能、发现和解决临床应用问题能力、自主学习能力、创新能力的重要途径。因此我们非常重视实验、实践教学环节，从实验教学理念、教学内容、教学方法和手段等多方面进行改革，保证实验教学适应新形势下对人才培养的总体要求，不断对实验教学进行改革，提高实验教学的质量和水平。
【关键词】虚拟实验;弹药检测;
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2009)07―0130―02
引言
在弹药检测技术和传感器技术等课程教学中,为了使学员理解讲授内容,需要进行一些必要的实验操作。由于弹药检测实验具有一定的危险性、过程短暂、过程细节不易观察、实验费用高等特点,而虚拟实验作为一种先进的教学手段,以其直观性、灵活性、实时性、形象化的优势,通过创建动画,细化过程细节,可比较轻松地解决传统授课方式无法解决的问题,把抽象的问题变得很直观,使学员能置身于现场实验氛围之中,对突破教学难点起到了较好的作用。教学实践证明,在现有条件下开展虚拟实验与现场实验相结合的实验方法,是一种行之有效的教学方法。
一 虚拟实验的概念和特点
虚拟实验通常是指借助于借助计算机技术,利用文字、图形、图像、声音等在微机屏幕上形成的可部分或全部代替传统实验过程的实验操作环境,实验者利用鼠标和键盘的操作完成实验,使实验者感受到与真实实验相似的过程。我们按照教学要求组成的虚拟实验软件,为学员提供一个虚拟实验环境和过程的操作平台,它包括系统结构组成、实验设计、工作原理、操作过程、实验状态、步骤提示、结论分析等。通过虚拟实验软件把实验设备和教学内容有机地融为一体,加深了学员对实验目的、原理、过程、方法、设备结构、注意事项等的理解,达到现场实验难以实现的效果,培养了学员动手和思维能力,丰富了实验技能,深化了对知识的理解,同时增强了学员对实验的兴趣,提高了教学效果。
二 弹药检测虚拟实验的优点分析
1 保证实验者的安全:在真实的弹药实验中,由于弹药特有的危险性,容易发生安全事故,产生一定的心理负担,而采用虚拟实验由于不使用真枪实弹,可以避免事故发生,杜绝真实弹药实验的风险。
2 降低实验成本:弹药实验的费用较高,少则几十元,多则上万元,而且一旦损坏设备,往往还会伴随人员的伤亡,后果十分严重;采用虚拟实验的投资费用比较低,可以长期使用,并可以不断改进和优化实验内容,近似达到零成本的效果。
3 提高学习效果:虚拟实验软件可以直接安装在微机上,摆脱了传统实验受时间、场合的限制,学员通过调用不同的实验模块,可以自行选择实验项目,实验结果可以通过文字、图形、图像、声音等形式显示给学员,来判断操作是否正确,激发学员的学习兴趣;它还具有重复性的特点,通过多次重复使用,加深学员对实验的理解,使学员熟悉实验设备的应用,锻炼他们观察实验过程和分析实验现象的能力。
4 强化学员对实验细节的认识:弹药实验具有“三高一短”(高温、高速、高压、过程短暂)的特点,其过程复杂而短暂,很难从感官上得到深刻的认识,即使参加了实际的试验过程,如果不采用相应的设备,也很难获得实验结果。弹药发射实验过程通常在数十毫秒内结束,实验结果单凭人的感官是无法得出结论的。而采用虚拟实验的方法,可以将实验过程速度放慢,结合声光效果,细化实验过程,观察细微环节,加深了对实验内容的理解。
三 弹药检测虚拟实验的实现手段[2] [3]
制作实验课件首先要进行总体规划,制定系统总体目标、模块功能和实验流程图,绘制设备或零件图,完成脚本编写。
选择合适的软件是制作虚拟实验课件的基础,我们根据虚拟实验的特点,由flash、3D Max完成二、三维动画等基本素材的制作,利用它们具有的多媒体编辑、声光效果和控制功能,实现了实验项目的虚拟实验设计功能;课件的部分复杂设备零部件由SolidWorks软件制作,再以图形方式代入flash或3D Max中,充分发挥各自的特点,最后以Authorware为平台进行模块的链接合成及调试,完成课件的,它们最终都可以在Powerpoint下,以超动态链接被调用。
四 虚拟实验的应用范例[1]
在弹药检测技术课程教学中,我们制作了多个虚拟实验模块,经过在课堂应用后,学员们普遍反映教学内容易于理解、印象深刻,通常完成一次虚拟实验后,就可以基本叙述出工作原理和实验过程,而这是教员用语言表述很难达到的效果。在此例举几个虚拟实验的应用范例:
1 初速、膛压虚拟实验
弹药的初速、膛压实验是弹药检测技术课程的重要实验,但是由于现有实验条件的限制,不可能也没有必要每人都进行一次实验,即使实验者亲自参加了实验,也只是在现场听到一声发射的巨响,看到一团火光,从实验设备上得到了一组数据,而对实验中的细节是无法体会的,我们在课堂教学中采用了虚拟实验软件,把实验过程以“慢镜头”的方式,将火药燃烧、弹丸运动、传感器接收测试信号等过程展现给学员,使学员清晰的看到了实验的细节和结果,仿佛亲身经历了现场实验。膛压和初速虚拟实验的部分画面见图1和图2。
2 传感器原理虚拟实验[4]
传感器是新型弹药和检测设备的关键部件之一,掌握传感器的知识对理解教学内容十分重要,由于它们的结构通常精密小巧,理论推导复杂,有时很难用语言讲述清楚。在讲解时通过虚拟实验演示,将结构原理、实验曲线、工作过程等动态地展示给学员,可以取得较好的效果。例如,在讲解热释电传感器和光电二极管时,通过虚拟实验,将传感器的结构组成、工作原理、光谱和阶跃响应、灵敏度等特性形象清晰地表现出来,其部分画面见图3和图4。
五 结束语
由于虚拟实验可以生动形象地反映教学实验内容,教员讲得轻松,学员学得透彻,节约了大量的时间和精力。通过多期的教学实践证明,虚拟实验已经成为弹药检测技术和传感器技术等课程教学的有效教学方法之一,取得了良好的效果,受到了广大师生的青睐。但是虚拟实验毕竟是实验教学的辅助手段,决不能完全取代实际实验,必要时要采用虚实结合的方式,通过个别现场实验、(高速)录像片回放等方法,才能达到更好的教学效果。虚拟实验不是万能的,我们需要把它和传统的实验方法相结合,具体问题具体分析,充分发挥它们各自的优势,才能提高教学效果和质量。
参考文献
[1] 陈雷等.弹药检测技术[M].石家庄:军械工程学院出版社,2007.
[2] 李永等.Flash多媒体课件制作范例导航[M].北京:清华大学出版社, 2006.
论文摘要：工程图学课程是理论性和实践性都较强的课程，在理论教学中由于缺乏真实感受，学生听课时常会感到枯燥乏味、内容很难理解，因此，在教学中进行虚拟仿真实验教学，不但在一定程度上可以弥补实验资源的匮乏，而且可以提高学生观察问题、分析问题和解决问题 的能力。因此，在《工程图学》教学中应用“虚拟仿真实验教学”进行教学改革的探索。
0 引言
工程图学课程教学理论与实践相结合是非常重要的特别是学生的动手及创新能力的培养，是理论性和实践性都较强的课程，因此实验教学环节对学好这门课程至关重要。通过加强实践教学环节，才能使学生真正理解和掌握该学科的理论知识。
工程图学课程的教学是很具体形象的，它注重机构的运动及动作 ，在理论教学中由于缺乏真实感受，学生听课时常会感到枯燥乏味、内容很难理解；机械类课程 中的实验设备大多很昂贵，有些情况下，不能完全满足相应的实验要求，尤其是对每个学生而言，学生实验通常是分组 ，对有些实验，实验设备很少时，分组的人数会很多，这样学生在做实验时会没有很多机会熟练掌握 ；因此，如果能在教学中进行虚拟仿真实验教学，不但在一定程度上可以弥补实验资源的匮乏 ，而且可以提高学生观察问题、分析问题和解决问题的能力，以求达到掌握一门专业技术技能。
1 虚拟仿真实验应用于教学中的现实意义
目前国内大多数高校的实验还是采用传统方式，即老师讲解、演示，再由学生自己动手。而国外已经从传统实验转为实物实验与虚拟实验相结合，充分利用先进的计算机设备进行虚拟仿真实验教学，取得了较好的效果。
传统的教学模式以教师为中心，知识的传递主要靠教师对学生的灌输，作为认知主体的学生在教学过程中自始至终处于被动状态，其主动性和积极性难以发挥，不利于培养学生的发散性思维、批判性思维和创造性思维，也不利于创造性人才的培养。虚拟仿真实验突破了传统教学手段上的局限。学生自己动手操作，亲身参与整个实验过程的操作，通过将实际生产的工艺过程以影像、动画等生动的形式表示，从而增强学生的感性认识和学习兴趣，提高教学效果，使其实践能力、观察能力及归纳能力等都得到很好的锻炼。虚拟实验技术创设了一个人性化的学习环境 ，使学生能够在自然、互动的气氛中进行学习。基于以上思考 ，尝试在《工程图学》教学中应用“虚拟仿真实验教学”进行教学改革的探索。
2 虚拟仿真实验设计目标
虚拟实验的开发工具主要是网络虚拟现实建模语言(VRML)和三维建模软件。VRML是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构三维世界的场景建模语言。VRML的基本目标是建立因特网上的交互式虚拟对象、场景、三维模型，基本特征包括分布式、三维、交互性 、多媒体集成、境界逼真性等，是 目前 Intenet上基于“www”的三维互动网站制作的主流语言。
虚拟现实系统的设计要达到以下目标 ：
a)要使参与者有“真实”的体验。这种体验就是“沉浸”或“投入”，即全心地进入，简单地说就是产生在虚拟世界中的幻觉。理想的虚拟环境应达到用户难以分辩真假的程度，甚至比真的还“真”。这种沉浸感的意义在于可以使用户集中注意力。为了达到这个 目标，就必须具有多感知的能力，理想的虚拟现实系统应具备人类所具有的一切感知能力，包括视觉 、听觉、触觉 ，甚至味觉和嗅觉。
b)系统要能提供方便的、丰富的、主要是基于自然技能的人机交互手段。这些手段使得参与者能够对虚拟环境进行实时的操纵，能从虚拟环境中得到反馈信息 ，也能便系统了解参与者的关键部位的位置、状态、变形等各种系统需要知道的数据。实时性是非常重要的，如果在交互时存在较大的延迟，与人的心理经验不一致 ，就谈不上以自然技能的交互，也很难获得沉浸感。
3 零、部件测绘实践虚拟辅助教学
《工程图学》课程为机械类专业一门主要技术基础课，是一门理论性和实践性都较强的课程，因此实验教学环节对学好这门课程至关重要。通过加强实践教学环节，才能使学生真正理解和掌握该学科的理论知识。本项目的实施内容主要是采用 inventor 2008，3D max，AutoCAD及 vrml软件系统设计虚拟实验系统，使之能够对齿轮油泵(图1)、减速器(图2)、虎钳 (图 3)的装配进行动态模拟 ，通过影像、动画等生动的形式对装配过程进行动态模拟 ，可以充分发挥学生的主观能动性，有利于学生获得丰富的感性认识，激发学生进一步提出问题与寻求解决问题的兴趣 ，有助于拓宽学生的知识面，有效地支持理论学习。
零部件测绘实践虚拟辅助教学技术的做法是，以实物模型为基本要素、以实物模型测绘为主线，用计算机虚拟现实的方法，制作图画和动画形式为主的直观形象，去解析零部件的形状结构和测绘过程。
将虚拟辅助教学融于测绘实践教学的过程是：布置测绘任务；观测分析实物模型；教师依据实物模型通过虚拟辅助教学课件集中指导；学生依据实物模型，参照虚拟辅助教学课件自主测绘；教师集中讲评。
虚拟辅助教学主要构件是以虚拟图象为主，配有少量文字说明的电子文档。分别是：以动画为主去表达零部件形状结构的图画集，以对零部件形状结构分析和视图分析为主的图画集，以对零部件测绘方法和过程指导为主的图画集，以对尺寸、技术要求、图样、作业要求指导为主的图画集。
4 零、部件测绘实践虚拟辅助教学技术的特点
a)基于实体的虚拟。计算机虚拟现实、虚拟三维图与构形思维和视觉及视觉心理密切相关。实践表明：没有实体模型做基准没有构形思维和视觉及视觉心理的支持，计算机虚拟现实、虚拟三维图就会成为没有意义的作品；另一方面，没有构形思维和视觉及视觉心理知识去指导计算机虚拟现实、虚拟三维图的创作，也不能获得效果良好的作品。
b)基于图学素质对测绘对象 (零、部件)的选择。选择好测绘对象是保障零、部件测绘实践教学效果的首要条件。简单化和过度复杂化都不可取，都可能给大学总体教学带来损害。选择测绘对象 (零、部件)的第一因素是考虑对学生图学素质培养的要求，其次是考虑后续课的需求。阀类、泵类、夹具类(虎钳)、减速器类是常选测绘对象，其主要原因是便于教学。按图学素质培养的要求考虑，所选零、部件的测绘内容应当尽量多的涵盖图学主要的核心内容。例如，表达方法典型、全面，结构具有代表性。按后续课的需求考虑，所选零、部件的测绘内容要含有后续课的主要要素。
5 结语
开发零、部件虚拟测绘装配实验是为了拓宽实验教学平台，改进测绘方法，提高测绘效率和品质，减轻教学负担。这一教学技术的核心涉及到传统测绘的方方面面，也涉及到现代教育技术的深层理论和技术问题。当然虚拟仿真实验不能完全替代实物实验，但可以探索将其作为实物实验及课堂理论教学的补充。
参考文献
【关键词】趣味性;虚拟实验;设计;层次;情境
【中图分类号】G40―057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2009)10―0134―04
一 引言
从目前虚拟实验的研究来看,多数局限在研究虚拟实验的开发、虚拟实验的优缺点以及虚拟实验的教学模式等问题上,而对虚拟实验如何与学习者建立情感上的交流,从而激发学习者的学习兴趣、增强学习者的求知欲望等问题上,关注的较少,这也正是虚拟实验教学效果优劣的关键因素之一。例如中学物理电学实验要求学生掌握电学的基本元器件和连接方法,互联网上相关的虚拟实验大多可以实现元器件的识别和绘制电路图这些基本功能,然而这些虚拟实验仅仅是对教学内容的呈现,并没有创设与之相关的情境和任务,缺乏与学习者的情感交流,在交互行为上也较为复杂,导致了学习者对该类虚拟实验不感兴趣、没有好奇心,很容易产生厌烦、急躁和排斥情绪,学习效果大打折扣。爱因斯坦曾说过:“兴趣是最好的老师”。兴趣是求知的巨大动力、发明创造的源泉。对于正处于学习厌倦期的青少年来说,学习兴趣对他们知识的掌握、能力的发展乃至才能的形成都有巨大影响。因此,虚拟实验如何能更有趣味性、更能激发学习者的求知欲望是非常值得研究的,构建这类虚拟实验即“趣味性”虚拟实验具有一定现实意义。
二 “趣味性”虚拟实验设计的三个层次
“趣味性”虚拟实验通过创设虚拟情境,优化学习者学习的外部条件,能激发学习者的学习兴趣,但还要保证学习者在学习过程中全身心投入、避免产生厌烦情绪。“趣味性”虚拟实验的设计应从情感、表现和行为三个层次把握(如图1),每一个层次在虚拟实验中发挥的作用不同,每一层次也需要不同的设计风格。
1 情感层次――结合实际问题创设虚拟情境的设计
情境教学是指在教学过程中,教师有目的地引入或创设具有一定情绪色彩的生动具体的场景,以引起学生一定的态度体验,从而达到对教材的深入理解和熟练把握。“趣味性”虚拟实验借鉴了情境教学的理念,将教学目的、教学内容同实际问题联系起来,创设能引起学生态度体验的虚拟情境。对于实际问题,学生看得见,摸得着,有的亲身经历过,当学生在学习过程中遇到这些问题时,他们都跃跃欲试,想学以致用。结合实际问题创设虚拟情境,学生置身其中,身临其境,触景生情,能激发学生的情感体验,调动学生的积极性,使学习由被动变为主动,学生由旁观者变为参与者,发挥了学生的最大潜能。此外,在创设的情境中,要体现具有一定挑战性的任务,根据学生完成任务的情况,给予相应的奖励与惩罚,有助于提高学习的内在吸引力,使学习更有意义。
2 表现层次――恰当地运用多媒体元素的界面设计
多媒体技术对教育的发展起着巨大的推动作用,并逐步影响着教学手段、教学方式的变化和教学观念的更新。“趣味性”虚拟实验不仅是对现实世界的模拟,更是在创设一个有益于激发学生兴趣和探究欲望,并引起学生思维和想象的环境。这种环境的创设离不开多媒体元素,一方面多媒体元素形象鲜明,画面逼真,形象直观,可以真实的再现现实世界中的景物,很容易将学习者带入情境中,进而激发学生兴趣,有利于学习活动的持续进行;另一方面将图片、声音、视频等多媒体元素加入到“趣味性”虚拟实验中来,对学生的感官起到一定得刺激作用,使枯燥的学习变得生动活泼。
在“趣味性”虚拟实验中运用多媒体元素要恰如其分,必须注意“度”的问题。例如有些虚拟实验设计者会在角落里放一个活泼生动的小动物,这虽然可以激发学习者的学习兴趣,但同时也分散了学生的注意力,很容易产生负面影响。因此,“趣味性”虚拟实验中的多媒体元素要和主题息息相关,慎重选择,合理运用。
3 行为层次――操作简捷、适时准确的交互设计
心理学研究表明:人的认知心理虽然有求新求变的特点,但在完成具体任务时却要求越简单越好,即认知负荷越轻越好[1]。“趣味性”虚拟实验在提高中小学生的学习效果方面更为明显,由于他们的计算机水平、思维能力有限,根据认知负荷理论,对于控制虚拟物体的设计方面,要在能体现真实行为的前提下,控制方式越简捷越好,过于复杂的控制方式往往会增加学习者的认知负载,从而降低学习者的学习动机甚至放弃学习。而且,对于学习者容易出现疑问、错误的地方和学习结果要给予适时准确的提示和反馈,适时、准确、人性化的提示和反馈信息能对学习者进行鼓励和引导,提高其学习的自信心并激发其进一步学习的欲望。
三 “趣味性”虚拟实验的设计流程
按照“趣味性”虚拟实验设计的三个层次,同时借鉴电脑游戏故事情节、环境设置和角色控制三个要素及教育性原则,将“趣味性”虚拟实验的设计分为教学分析、情境创设、界面设计、交互设计和测试五个环节,这五个环节相互影响,层层递进,逐步细化,其中情境创设、界面设计和交互设计三个环节同“趣味性”虚拟实验设计的三个层次相互照应,是构建“趣味性”虚拟实验的关键(如图2)。下面结合“认识人民币”虚拟实验来具体分析“趣味性”虚拟实验的设计流程、实现方法以及注意事项。
1 教学分析
为了保证“趣味性”虚拟实验的教育性和科学性,首先要运用教学系统设计的理论进行需求分析、教学内容分析、教学目标分析和学习者分析,明确构建虚拟实验的必要性、所要解决的问题及达到的程度。
“认识人民币”是小学一年级数学课本中的教学内容。小学生的好奇心强、自制力差、思维水平较低,对学习有一定的厌烦心理。“认识人民币”这一教学内容是在学习者初步的生活经验基础上对人民币进行的系统学习。经调查发现,在讲授该教学内容时存在两个问题:①学生的学习积极性不高、注意力不集中;②部分学生虽能掌握“一元=10角,一角=10分”这一知识点,但对换毕、取币、购物等问题始终模糊不清。针对这些问题有必要开发虚拟实验,以提高学习者的学习动机,进而更好的掌握“认识人民币”这一知识点及其应用。
2 情境创设
德国教育家第斯多惠说:“教育的艺术不在于传播的本领,而在于激励、唤醒和鼓舞”。教学情境的创设正是激励、唤醒和鼓舞学生的一种教学手段。在“趣味性”虚拟实验中创设教学情境应遵循以下原则:①真实性:所设情境必须符合学生学习的认知规律,注重联系学生的现实生活,不能盲目创设。②形象性:形象的、具体的、感性的情境能有效的激发和刺激学生的想象和联想。③任务性:所创设情境需体现一定的任务,这样学习者的注意力容易稳定下来,也愿意围绕这一任务展开思考。
“趣味性”虚拟实验的特点是将人的学习与虚拟环境相统一、将抽象的知识和生动的情境相结合。结合教学分析,将“认识人民币”的教学内容划分为基础知识和模拟购物两个模块(如图3)。
基础知识模块包括识币、换毕和取币三个基本知识点,模拟购物模块用于创设“购买物品”的情境。学习者在完成基础知识后,进入购物模块,对基本知识进行巩固、提高和应用。购物模块的设计具体分为情节、挑战和帮助三个部分:
(1) 情节:在“虚拟商店”中设置了食品、动物和用品三类商品,教师(即实验说明)要求学生到虚拟商店购买若干种物品,并说明相应的惩罚与奖励措施。
(2) 挑战:在模拟购物模块中设置了生命值和时间,随着时间的推移生命值逐渐降低,当生命值为零或时间耗尽时,系统自动退出该模块。学习者若正确购买所选物品,回馈一定的生命值,并随机奖励玩具、鲜花等,反之,则惩罚臭鸡蛋或炸弹,根据学习者奖励和惩罚所获得的分数,进行英雄榜排名。学习者可以通过“查看成绩”模块查看排名情况。
(3) 帮助:为学习者提供学习方面的支持与帮助。学习者在虚拟实验学习中遇到困难时,如不知某个物品该付多少钱,通过寻求帮助系统会给出正确的答案,每个学习者共有三次使用帮助的机会。
人都有力求成功的天性,在创设了这样的情境后,以任务和排名为诱因,一方面激发了学习者学习的积极性和主动性,另一方面也有利于学习者对所学知识的深入理解,顺利的实现了知识的迁移和应用。学习者在娱乐的同时,也收获了知识。
3 界面设计
学习者与虚拟实验的一切操作都是通过界面进行的,界面设计的好坏直接影响着学习者的学习兴趣和学习效果。虚拟实验的界面设计包括风格和布局两方面,风格是指虚拟实验的整体形象给学习者的综合感受,包括虚拟实验的色彩、字体、标志等诸多内容;布局是指虚拟实验的分块结构,功能元素的尺寸位置,涉及的内容有结构、标题、导航等。风格独特、美观大方的界面会对学习者的学习产生激励作用,否则,就会使学习者感到单调、乏味。“趣味性”虚拟实验的应用对象主要是中小学生,其风格应体现学科特性与卡通风格,一般以暖色调为主,布局要注意尽量避免界面元素过于复杂,遵循合理、清晰、简捷、层次分明的原则,让学习者在使用时有一个愉快的心情。“认识人民币”趣味性虚拟实验的界面设计如图4所示,实验的整体风格为暖色调,根据不同的场景选择不同的色彩合理搭配,根据不同情况灵活运用文字、符号、声音、图片、动画等多媒体信息,从视听方面加大对学习者的刺激,给学习者带来享受,促进其对学习内容的理解和掌握。实验的导航包括实验说明、基础知识、模拟购物、查看成绩、帮助文档和退出程序几个模块,模拟购物模块具体又分为商店页面、付款页面、购买成功或失败页面三个小部分,整体清晰直观、简便易用。
4 交互设计
在“趣味性”虚拟实验中,交互不仅是学习者同虚拟实验之间的信息交流,也是虚拟情境展开的手段。“趣味性”虚拟实验中的交互设计包括控制虚拟物体和呈现提示与反馈信息两个方面:
(1) 虚拟物体的控制
虚拟物体的控制是指学习者操作虚拟物体的方式。“趣味性”虚拟实验控制物体的方式有多种,如键盘、鼠标点击、鼠标双击、鼠标滑过、鼠标拖动、鼠标右键等。采样哪种控制方式,应根据实验本身的特点、功能、创设的情境以及技术实现,遵循方便、易懂、合理的原则,要尽量与真实实验控制方式相近或有明显的操作提示。鼠标操作能实现的尽量不使用键盘,鼠标点击能实现的不用双击,而且对于同一类物体要采用相同的控制方式,如控制物体A采用鼠标拖动的方式,控制同类物体B也要采用这种方式,否则二者的操作行为不一致,很容易使学习者产生混乱、不适应。在“认识人民币”趣味性虚拟实验中,选择虚拟物体的行为采用了鼠标滑过和点击两种方式,当鼠标滑时虚拟物体变大并呈现价钱和名称信息(图5A),当鼠标点击后,进入购买页面,可以进行付款操作;对付款的操作采用鼠标拖动的方式,学习者将钱币从位置A拖动到位置B时,即可完成操作,采用这种方式简便、实用,可以降低学习者的认知负载(图5B)。
(2) 提示和反馈信息的呈现
提示和反馈信息是虚拟实验的主要构成元素。提示信息出现在操作动作之前,用以对学习者未来的操作进行引导;反馈信息出现在操作动作之后,用以对当前操作的确定或对错误予以纠正,让学习者及时了解自身状况[2]。在“趣味性”虚拟实验中,主要是针对重难点、学习结果以及学习者可能出现疑问的地方提供适当的提示和反馈。运用提示和反馈信息必须及时准确,能够给学习者针对性的指导,任何的滞后和延时都会给学习者带来思维中断、兴趣转移甚至是厌烦心理的产生;此外提示和反馈信息尽量要人性化,语言要有感彩,尽量以鼓励性的语言来调控学习者的情绪、注意力等,从而促进学习者保持最佳学习状态。在“认识人民币”趣味性虚拟实验中,当学习者选择物品或付款之后,系统都会给出提示信息,以便学习者确认或取消操作;在付款操作之后,若学习者所付金额和物品价格相等,系统给出购买成功反馈并奖励鲜花或玩具,对学习者进行鼓励,见图5(C);若学习者所付金额和物品价格不等,系统给出购买失败的反馈,并告知二者的差距,以便学习者及时纠正自己的错误。
5 测试与
测试是指在“趣味性”虚拟实验完成后进行的整体功能、性能、稳定性的调试和优化,如不同场景之间色彩搭配、交互和链接的可用性、是否存在断点等问题。是将整个虚拟实验程序打包,以便在服务器或单机上运行,可以根据实际情况选择不同的格式,本文开发的“认识人民币”趣味性虚拟实验最终为HTML格式。
四 结语
学习兴趣是保证教学有效性最重要的因素之一。“趣味性”虚拟实验在传统虚拟实验构建的基础上,充分发挥了多媒体技术和虚拟现实技术的优势,以激发学习者兴趣、提高学习动机为主线,将实际问题和教学内容有机结合,创设虚拟情境,界面设计和交互设计围绕虚拟情境展开,给学生创造了一个愉快、轻松、和谐的学习环境,有利于学习者深入理解教学内容,使学习变得更有意义。
参考文献
（1）创建艺工结合开放式实践教学网络管理模式。以实践创新能力培养为核心，以现代教育技术为手段，以计算机网络为支撑，自主研发实验室与实践教学综合管理系统。系统包含三大模块：包含实验项目、实验队伍、实验室数据上报和报表汇总、成果管理等 8 项内容的实验室综合管理模块；贯穿于毕业设计（论文）全部流程的管理子系统；包含本科生科研训练管理、实验室开放项目管理、学科竞赛项目管理 3 个子系统的大学生创新计划管理模块。
（2）构建“三层次、五模块”的实践教学体系。建立基于网络管理的“基础实验技能训练”“专业综合能力训练”和“设计创新能力训练”三层次和“验证性实验设计性与创新性实验跨课程综合性实验艺术创作（工程设计）能力实训集成创新实践（创作、研究开发）”五模块的实践教学体系。
（3）夯实基础，强化创新，多方位拓展和丰富实践教学内容，重塑学生知识结构。创建本科生科研训练、实验室开放和学科竞赛项目，并将其作为实践教学的重要内容。积极开展项目教学，推进产学研合作。将三类项目与相关课程相结合，突破传统内容局限，实现理论与实践的紧密融合。
（4）搭建贯穿人才培养全过程，多方协同、资源共享、产学研合作的“大实践”平台。将相关实验室和工作室、大学生创意工厂、市级实验教学示范中心、校级科研和学科竞赛基地等校内资源与校外人才培养基地等资源进行有机整合。
（5）建立实践教学项目的评审、管理和奖励等长效机制。制定各类项目管理办法，建立教务处、各教学部门、项目负责人的三级项目管理制度。每年以网络为平台，开展项目的立项工作，并强化网上过程管理，定期进行项目验收与总结。
论文摘要：针对电子信息类专业实验教学中存在的问题，结合实际的教学条件，对实验教学提出了改革，将仿真技术应用到实验体系中，避免了实验条件的空间和时间限制，充分发挥了学生能动性，提高了实验教学质量。
实验是电子信息类专业学生课程教学的一个重要环节，是对理论教学的补充和深化，其开设方式关系到学生对理论知识的掌握和应用，直接影响着学生的操作技能、主观能动性和实际动手能力的提高，也决定着理论和实验的教学水平。因此，在教学过程中一定要加强实验这个实践性教学环节，充分利用实验资源来培养和提高学生解决问题的能力和创新能力，使学生能够更加快速地适应于将来的工作。加强实验教学环节，最大限度地利用学校的实验教学资源，对提高教学水平，培养学生的实际应用能力和综合素质具有重要的意义。
1 实验教学的传统模式和问题
在我国高校工科教育中，实验教学硬件条件普遍不足，或者是硬件实验条件的发展跟不上技术的要求，同时各高校大幅度扩大招生，实验教学硬件条件更显不足。加大对实践教学条件的投入，加强培养实践教学科技人才，强化实践教学内容和条件的改革与建设，在当前来说具有特殊重要性[1]。我国教育主管部门也在积极得进行着推进实践教学的改革与建设。例如：在全国高校本科教学水平评估中，实验室建设基地和建设经费以及实验教学改革就是一项重要的指标内容。越来越多的高校开始响应教育部的号召，实行了“双基”实验室，并在此基础上进一步建设“实验教学示范中心”。
目前，实验教学的传统模式的缺点主要表现有：
1）实验设备陈旧，实验模式单一；
2）验证性实验分量大，与设计性、综合性和创新性实验之间的比例失调；
3）先进的实验教学手段在实验教学中的引入还不够；等。
2 实验教学方法改革势在必行
随着计算机的普及和应用，在教学中也越来越多地借助计算机来辅助设计方法，同样，在实验中借助计算机仿真技术具有很大优点：减少实验中所需的耗材、降低对实验器材的破坏性、完成更复杂更高难度的设计性实验、更加全面地分析实验对象以及结果的性能指标等，具有高效、快速、直观、完整的优势。开展仿真实验作为一种新型的实验教学方法是在现有实验室设备的基础上采用计算机新型软件对实验进行模拟，大大提高了学生对本专业知识的应用能力和科研创新能力。因此，在当今的实验教学中，仿真实验的引入势在必行。
对当今高校来说，学生人数不断增加，实验室设备和资金满足不了大学中学生的试验要求，为了不断提高实验教学的质量，又进一步解决实验设备少、不好维护、建设费用高等问题。将仿真技术引入实验教学中来，学生一方面可以利用计算机实现实验方案的设计，又可以直观地验证仿真过程和结果，不受实验室条件和空间的限制，可将实验设计带入到课余生活中来进行，大大提高了学生对实验的操作兴趣。利用仿真实验由于方法的灵活性可以充分发挥学生的想像力和创造力，比起传统的实验教学更利于培养科技创新人才，且有利于降低实验成本，能够使得实验室的建设和发展进入一个良性循环中。
3 实验教学改革方案
3.1 实验中引入相应的仿真技术来进行虚拟实验
在实验教学中引入计算机仿真技术，一方面，充分发挥学生的主观能动性，激发学生学习兴趣，另一方面，老师可以利用计算机技术来观察学生的实验过程，采集学生的实验结果，更好地跟踪和指导学生，先进的教学理念和教学手段有助于提高实验教学效果，提高教师的教学水平。而计算机的引入可把实验设备、理论教学、教师指导和学生的思考、操作有机地融合为一体，克服了传统实验教学过程中受到课堂、课时、实验设备等的限制，使实验教学内容进一步灵活化，在时间和空间上得到延伸，也进一步激发了学生的实验热情。
在实验中引入相应的仿真技术来进行虚拟实验，可以使得学生在进行实验的过程中培养独立思考能力，激发学生的学习兴趣，提高学生的创新意识，同时为学生提供了更加开放灵活的实验条件。对实验内容和实验教材来说，采用仿真技术把将虚拟实验和真实的电路实验有机地整合起来，充实了实验内容，增强了实验的能动性和趣味性，有利于实现培养学生综合实践和探索创新能力[2]。目前，越来越多的高校重新对实验室建设进行了规划，利用计算机仿真技术改革实验教学是一个新的发展方向。在高校实验室中引入计算机以及相应的软件技术不仅可改善实验条件、改革实验教学方法、充实实验教学内容，还可大大提高实验效率，降低实验成本，增强学生学习的积极性和创新性，为实验教学和科研提供良好的实验平台[3]。
以单片机实验教学为例，在实验过程中我们引入proteus仿真软件，用它来模拟单片机硬件系统。由于软件的灵活性，可以克服实验箱硬件电路固定、实验内容难于改动等局限。整个实验设计都是基于计算机仿真技术的，除了计算机外不再需要任何硬件即可进行实验，这样有利于促成课程和教学改革，更有利于人才的培养。仿真技术的另一应用表现在学生的业余爱好上，比如目前的电子设计大赛，挑战杯等，学生完全可以利用计算机来进行仿真，先用计算机仿真出相应的实验模型，在计算机上进行模拟调试，最后用硬件实现。在整个过程中，学生可充分发挥自己的才能，通过大量仿真对比，达到设计目的，学生也可以大胆地反复调试，避免了损坏器件。在电子设计竞赛中，我们使用proteus开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。 转贴于
另外，开展仿真教学对于我国的远程教学也是一种很好的尝试，有着重要的意义。
3.2 重新安排各类性质的实验，适量增加综合性、设计性实验
验证性实验是实验中最基本的，可以使学生巩固理论知识，它的实验内容相对简单，重点培养学生的基本操作、数据处理和计算技能，验证和加深对课本知识的掌握和理解。综合性实验则要求学生必须具有一定的专业基础知识和基本操作技能，能够运用某一课程或多门课程的综合知识，进而对实验技能和实验方法进行综合训练的一种复合性实验。目前工科高校中越来越多地提出课程设计也是为了加强学生对综合知识的运用。为充分调动学生的学习积极性和主观能动性，设计性实验也必不可少。设计性实验能加深学生对理论知识的认识，由学生自己负责计划和执行，充分提高了学生的思维能力、动手能力、分析和解决工程实际问题的能力[3]，发挥了学生的主观能动性，设计性实验的完成可以充分借助于计算机仿真技术来完成。
验证性、综合性、设计性实验相结合，培养了学生基本的实验技能和方法，同时又促进了学生的创新思维，打破了原有实验教学附属于理论教学的模式，建立与理论教学并行的，既相对独立、又相互联系的实验教学体系。在某些应用性强的实验教学中，综合性和设计性实验的比例至少要达到60%以上，同时设计性实验最好要跟得上科学技术的发展。一方面保证基本实验技能训练，另一方面，实验内容应与当今先进技术的发展相结合，适应社会发展的需要，将科研成果转化为实验内容，提高实验的先进性和代表性。那么，工科院校中一方面加大实验器材的投入，提高实验教学条件，开设先进的实验内容，提高学生的积极性，使学生适应当今社会的发展；另一方面，要充分利用现有的条件，引进先进的仿真技术，使得实验条件进一步升华，充分发挥教师和学生的主观能动性和创新能力。
3.3 硬件软件都要抓，都要硬
计算机仿真实验虽然可以准确地反映整个实验过程， 是一种新型的应用技术，十分有效，但是仿真技术不是万能的，它毕竟不是真正的实验，在许多场合仿真只能起辅助作用。也就是说不能用仿真实验来全部代替硬件电路实验，而是将仿真试验和传统的硬件实验相互结合，根据学校的实际情况和实验的情况灵活运用，虚拟实验不是万能的，如果所有的实验都用虚拟实验替代的话，学生在虚拟环境中实验会产生或多或少的不踏实的虚拟感，实践能力也不可能得到真正的提高。
3.4 加强对实验课教师的培训，通过培训交流更多地了解新的实验技术
在实验教学改革的同时，必然对教师提出更高的要求：一是教师也应加强专业知识和技能的学习，来提高自己的业务能力和综合素质，另外，不断更新专业知识的结构，了解前沿技术的发展也是必需的；二是高校中要大力创造条件促进教师经常参加基础理论知识的培训和实验的培训以及学术研讨会，从而扩大视野，更新教学观念，及时了解嵌入式系统发展趋势和动态，促进电子类实验技术的发展；三是要大力组织专业教师去积极申报相关的创新实验和科研项目，提倡以科研资金来促进实验室的建设，用科研成果去改进实验内容，同时可以提高教师的科研能力，在科研中更好地去锻炼自己，为实验教学服务。
4 结论
随着社会对人才要求的提高，大力推进实验教学改革迫在眉睫，而大学实验教学的改革又直接影响到学生的动手和创新能力。实验教学必须能够跟得上时代的脚步，将仿真技术应用到实验教学中可以充分调动学生的主观能动性，激发学生的创新能力，加快学生适应社会的能力，同时学习了先进的新技术。
参考文献：
[1] 丁美荣，柴少明.基于虚拟实验与真实实验整合的计算机网络实验教学改革[J].现代教育技术，2007，7(17):99-102.
[2] 孙晓明.土力学实验课程教学方法的研究与改革[J].黑龙江教育，2006(11):59-60.
