仿真物理实验室篇1

关键词：仿真实验；优势互补；适时适度

物理是一门以实验为基础的学科，常规教学和实验教学是中学物理教学的重要环节。内容丰富的实验是物理实验教学的特点，利用实验课不仅可以让学生自主学习物理知识，更有助于学生掌握物理实验的原理，进一步深化课堂所学的知识、相关概念和理论。

现在来看，传统实验至少有两个方面明显缺陷：在传统物理实验室，一方面为防止发生意外或造成实验仪器的损坏，制定了许多实验室规章制度，限制学生的活动；另一方面目前高中物理实验器材陈旧，实验现象不明显，实验效果大打折扣，不能起到实验应有的作用。

新课标全面推进素质教育，从高中生的心理发展特点看，他们具有强烈的探究未知的动机，他们思维活跃，兴趣广泛，自尊心强，绝不会满足于“按图索骥”、“按方抓药”式的实验学习，因而改变陈旧的实验学习方式是必然的。

仿真物理实验室是一个开放性的教学平台、课件制作平台和学生的探索性学习平台。与常规的物理教学软件所不同，仿真物理实验室不是单纯地演示几个现成的实验，而是把物理定律内建其中，提供中学物理常用的数十种器件和对象，通过这些器件和对象的任意组合，我们就可以制作出无穷的物理实验和物理模型。它不但专业性强，而且具有很好的交互性。

仿真实验具有以下优点：

一、实验环境开放，仪器多样。这种仿真实验室为学生提供了全方位的开放性的操作环境，使学生在课堂以虚拟的环境实现真实的实验室操作，弥补了常规实验仪器不足，某些难以在常规实验环境下完成的物理实验在这里都可以实现。例如力学中物体受力分析，运动学中平抛运动和自由落体运动的验证，万有引力中卫星环绕地球的运动，带电粒子在电磁场中的运行轨迹……等等。

二、仪器不怕损坏，保护学生创造力。在上传统电学实验课时，实验教师通常会告诉学生，电流表的接线柱不能短接、测量的电压不能超过电压表最大量程，电池不能短路……，很多实验不允许学生自己独立操作，需要实验教师检查之后才可以进行实验。这些规章制度虽然保护了实验仪器，防止了可能的危险操作，但是无形中扼杀了学生的创造性思维和积极性。有些学生为了研究自己所学的理论，经常背着教师进行实验，结果可能就是被实验教师赶出实验室或者进行其他处分，而恰恰是这些学生就是动手能力、创造能力强的学生，传统的物理实验室是在无法满足学生的求知欲和探索精神。

三、不受时间地点限制，有个人电脑即可完成。物理仿真实验利用计算机软件技术将实验的内容及过程在计算机上模拟出来，学生可利用个人电脑在家中或学校随时模拟实验的全过程。现在我国常见的仿真实验软件体积不大，一般不超过几十兆，而且安装方便。

四、现在市面上一部分仿真实验软件具有保存或生成独立演示实验的功能。如果及时保留典型的实验，积少成多，无论对学生还是教师都将是一件莫大的幸事。

物理仿真实验在实验教学中所发挥的作用是十分明显的，但虚拟的环境也有它明显的不足。例如：完全虚拟，没有实物，缺乏物理实验的氛围；实验过程理想化，对真实实验中一些细节，特别是易出现的实验故障等问题缺乏模拟，不利于培养学生发现问题和解决问题的能力；据采集具有统一性，不利于教师及时发中的问题，也增加了实验管理的难度；实验软件本身有一定的缺陷或不符合物理实验习惯。

写到这里，大家就物理实验的虚实结合应该有了一定的想法。下面是我在实验教学中的几点体会，仅供各位参考：

1.仿真预习、真实为主，优势互补、加强理解。基础教育的教学实验有一个基本的次序，那就是“真实为主，体验优先”。当仿真实验和传统实验并存时，我的做法是，用仿真实验预习，再做实际实验努力使两者水乳相溶、优势互补。

仿真物理实验室篇2

关键词：森林防火；虚拟仿真；实验教学；林业；自主创新

中图分类号：S762.3文献标识码：A文章编号：0439-8114（2017）07-1351-05

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2017.07.039

ExplorationandPracticeofVirtualSimulationExperimentalTeachingSystemConstructionforForestFirePrevention

WANGYing，YANGZhi-gao，LIUJiang-long，ZHANGGui，CAOXiao-yu

（SchoolofScience，CentralSouthUniversityofForestyandTechnology，Changsha410004，China）

Abstract：Inrecentyears，virtualsimulationexperimentsolvesmanyproblemsthatcannotbesolvedbytraditionalexperiment，andmoreandmoreattentionsfocusonitbyeducators.ItbecomesanimportantpartofExperimentTeaching.TheforestrycharacteristicsaregivenfullplayintheVirtualSimulationExperimentTeachingCenterofForestFirePreventionofCSUFT.Ahighqualifiedvirtualsimulation’steachingteamwasbuilt，andalargeofvirtualsimulationexperimentalresourcesarereservedthroughindependentinnovation，sharingandopenness.Thefactindicatesthatvirtualsimulationexperimentteaching，whichdevelopstudents’comprehensiveabilities，bringsalotofconvenienceandbenefitsforstudents，includingforestrymajorandinformationmajorinexperimentclass.

Keywords：forestfireprevention；virtualsimulation；experimentalteaching；forestry；independentinnovation

包括森林防火在鹊牧盅ёㄒ担是一门实践性非常强的学科。无论是森林培育，还是森林经营管理，其理论和方法都是千百年来劳动人民和林学科研工作者从实践中萃取的精华。

森林防火作为森林经营管理的一个重要部分，实践对其具有重要作用。然而，专科生、本科生森林防火实践教学面临许多现实困境。首先，林火发生具有偶然性，同时起火地点多位于偏僻的林区，不容易及时赶赴现场；其次，林火蔓延的面积广、危险系数高、专业性强、时间紧迫，近距离的观摩指挥与扑救过程是不现实的；再次，学校缺乏消防演习场所和器材，如果从消防部门借用，庞大的开支无法负担，因而操作实践也无从谈起。因此，林业院校的森林防火类教学往往停留在理论层面，观看图片和视频成为主要的“实践”方式[1-3]。

近年来，随着虚拟仿真技术的兴起与广泛应用，应急类虚拟仿真教学与培训在多个行业得到应用，如消防、电力、水利、石油等行业。这些成果为森林防火虚拟仿真实验的开发和应用提供了良好的基础。

1森林防火虚拟仿真实验教学中心建设历程

中南林业科技大学是一所以林业为特色，多学科协调发展的综合性大学。学校拥有1个国家重点野外科学观测研究站，2个国家工程实验室，3个部级实验教学示范中心，一个教育部重点实验室，1个国家林业局重点开放性实验室。

2004年学校对实验室进行优化整合，组建了森林植物实验教学中心，2007年被评为部级实验教学示范中心。示范中心是中国南方最大的森林植物实验中心，依托中国亚热带丰富的森林植物资源和独特区位优势，为培养高质量、高素质、具有创新能力的人才与建设支撑学科发挥了辐射与示范作用。

2011年学校以部级森林植物实验教学示范中心为依托，整合森林培育、动植物标本室、遥感中心、计算机科学与技术、信息管理与信息系统、测量等实验室的相关资源组建了森林防火虚拟仿真实验教学中心。中心是目前国内第一个森林防火虚拟仿真实验教学中心，通过对虚拟森林植物生长过程、虚拟森林植物生长与林火干扰与恢复过程、虚拟三维场景、林火蔓延模拟、火灾指挥扑救模拟等的研究及软件和信息系统的开发，不但为本科教学提供了直观、互动性强的实验教学平台，也为中国林业部门人员的培训提供了丰富的教学资源，为林火的扑救教学提供了信息化手段。

2014年，中心凭借在森林防火领域长期的实践探索，以及在虚拟仿真实验教学领域获得的成果，成为首批入选的部级虚拟仿真实验教学中心。

2森林防火虚拟仿真实验教学体系建设

中南林业科技大学在林学领域发展近60年，在林木育种、森林培育、森林保护、森林经理、动植物保护、水土保持和经济林等领域进行了长期的探索与科学研究，取得了丰硕的教学与科研成果。同时，学校在中国南方森林防火研究中占有很重要的地位。学校森林防火专家经常受邀参与森林火灾的规划设计与评审、火案侦破、损失评估与人员培训等工作。制作的林火模拟案例连续四年均入选国家森林防火指挥部森林防火案例教学库，开发的软件与信息系统在湖南、广西、广东、云南、大兴安岭等地进行了推广与应用，效果良好。

2.1构建具有林业特色的虚拟仿真实践教学模式

根据学校专业特色，中心着力打造具有林业特色的虚拟仿真实践教学。中心坚持以人才培养为目的，以虚拟仿真实验为手段，构建了“层次多样、内容丰富、师生共建”的创新型虚拟仿真实验教学模式，如图1所示。即教学方式上由易到难逐步推进；教学内容以森林防火为主，辅以动画、三维建模等知识的教学；实验项目的建设立足自身，以本校师生作为实验室建设的绝对主力[4]。

2.1.1设计循序渐进的教学方式森林防火教学分为基础理论教学、进阶实训教学和自主创新实践三个层次。基础理论教学阶段的实验项目，主要针对理论教学中的演示性内容开展，确保学生对教学内容有个直观了解；进阶实训教学主要满足学生的上机实验，通过可交互的、动态的实验项目，加深学生对课堂内容的理解，强化学生实际动手操作能力；自主创新实践主要结合中心建设与学科建设项目，教师主导，学生作为主力军，师生合力完成森林防火教学实验项目的设计与开发[5]。

因此，各个教学阶段对应的实验项目，并不是严格区分的，实际上，同一个实验项目，可能是在第三阶段由师生共同开发出来的，但在第一阶段被用来做演示实验使用，在第二阶段则成了实验中的操作对象。

2.1.2提供丰富的能满足各个专业需求的教学内容森林防火虚拟仿真实验教学中心为林学、风景园林、地理信息、计算机等专业提供虚拟仿真教学。考虑到不同学生个体的爱好、专业、就业方向，中心在设计实验项目时，尽可能提供多种实验教学内容，以满足不同专业学生的学习。通过多年的探索，中心实验项目日益丰富。主要包括：①三维模型制作教学，中心提供3DsMax、Maya等3D建模软件的培训学习，利用上述软件，学生可以学习制作简单几何模型、建筑家居模型、人物模型、地形模型、粒子系统（火焰烟雾水体）等；②三维动画制作教学，中心购置了Unit3D、VRP_Builder等国内外优秀的三维交互式动画软件，并提供上述软件的教学培训，如人物、动物动作仿真，消防器材使用仿真，场景漫游等等；③林学方面教学，因为主要涉及森林培育、森林保护、森林经理、动植物保护、经济林等方向的教学，因此，中心着力打造了植物生长仿真、森林资源仿真、森林公园场景仿真、植物三维建模、地形快速建模等实验项目；④森林防火方面教学是中心的建设重点，主要针对森林火灾现场的仿真，借助高分辨率的大屏幕，使学生获得沉浸式森林火灾实践体验。同时，森林防火实验项目主要结合科研项目与学科建设项目成果，因而综合程度、仿真度都很高，如林火扑救指挥仿真、林火蔓延仿真、林火避险仿真及森林火灾卫星监控预警系统仿真等综合实验项目。

2.1.3设计开发自主产权的虚拟仿真创新实验项目通常，虚拟仿真的实验项目大部分都是由专业公司使用专门软件制作而成，在制作过程中，师生的参与程度低、制作费用高；在教学过程中，维护困难，难以根据实际场景对实验进行修改。基于上述问题，森林防火虚拟仿真实验教学中心师生充分利用实验中心提供的软硬件条件，选用业界常用的3D制作软件，自主开发了多个实验项目。

师生自主开发虚拟仿真实验项目，有以下意义：①体现了教与学的“相长”。以往的实验设计，都是从教师教学的角度来进行。学生的参与程度低，缺乏学生意愿的表达，而中心的实验从设计到制作均由师生共同完成，既兼顾教师对森林防火知识和3D建模知识的传授，又更多的站在学生学习知识的角度来考虑实验的设计制作。②体现了理论与实际的结合。每个实验项目在开始制作之前，都会对相应理论进行认真研究，对相关实体进行亲身体验。如林火扑救指挥仿真的开发，首先就对林火蔓延、林火扑救等理论进行了深入研究，然后对森林植物与林火发生发展等实地进行考查与验证。在此基础上，制成森林火钠司戎富尤维虚拟仿真系统，接着应用到教学中，在这个过程中，师生会对系统提出改进意见，根据这些意见，制作人员进行反复修改，直至真正符合教学要求，于是在应用、完善、再应用过程中形成良性循环。③体现了科研与学科建设的相互促进。绝大部分实验项目在制作过程中，都充分借鉴和吸收了老师前期的科研成果。得益于中南林业科技大学在林业和森林防火方面的大量科研成果，几乎所有实验项目的制作都能在前人的成果中找到理论源泉，甚至部分成果可以直接利用，如森林公园三维漫游等[6，7]。

2.2建立健全开放的实验教学资源共享长效机制

在《关于开展部级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》中，教育部明确要求“优质实验资源共享”是虚拟仿真实验教学中心建设的核心工作之一。森林防火虚拟仿真实验教学中心自成立之初，就十分重视资源共享建设。

1）资源丰富、覆盖面广。中心为林业类、信息类（林学、森林保护、测绘工程、地理信息科学、土地资源管理、信息与计算科学、软件工程、通信工程、电子科学与技术、电子信息工程、机械制造及自动化、土木工程等）本科生、硕士生及博士生提供直观互动的实验教学平台。该中心所建平台同时也可为我校所有理、工、农、管等门类本科专业进行虚拟仿真实验教学，覆盖了全校6成以上的学生。另外，中心还对林业消防部门提供虚拟仿真消防培训，产生了较好的社会效益。

2）所有实验项目均为自主研发，共享时无产权限制。中心除了硬件及通用基础开发软件外，所有实验资源（模型及实验项目）均为自主研发，因此不同于商业软件，存在知识产权限制而不能充分共享的问题。

3）建设了完善的共享平台作为支撑。中心建立了WEB服务平台，学校师生足不出户，就可以通过服务平台使用、、管理相应实验资源。同时，服务平台提供了完善的实验教学辅助功能，协助管理者与教师完成实验管理与教学工作。

4）建立了合理的激励机制。中心建立了交换与补偿机制，鼓励师生对实验资源“多使用多贡献”。如积分模式，用户可以通过购买或贡献资源的方式获得积分，然后用积分兑换实验资源。同时，对在实验室建设与管理中做出重大贡献的师生，中心在制度允许的范围内给予一定的物质奖励。同时，中心制定了严格的考核制度，对出现的问题予以相应处罚[8-10]。

2.3打造高水平的、创新型的虚拟仿真实验教学和管理团队

森林防火虚拟仿真实验教学中心的建设，离不开一支优秀的团队。建设团队包括实验技术人员、专业教师、部分学生。实验技术人员主要负责中心日常管理与实验教学，专业教师主要负责教学与实验项目开发，学生主要是在教师的指导下开展实验项目开发。

在组建团队时，中心以学科专业带头人牵头组织本专业的实验教学小组。每个专业由专人设计编写各自的虚拟仿真实验课程、实验内容和实验教材，然后由中心熟悉虚拟仿真软件开发的师生进行具体开发，最后将上述成果交由专业教师进行教学。由此，中心形成了相对稳定的实验教学队伍。目前，中心拥有专职教师12人，兼职教师19人，所有教师均具有硕士以上学历，博士占到80%。大胆启用在校学生是中心一大特色。中心比较固定的学生团队16人，本科生、研究生各占一半。另外，中心还组织了虚拟仿真协会，协会拥有注册会员120多人，固定成员与协会会员均采取老带新的模式进行培养。中心全部的三维模型及大部分实验项目主要由学生在中心实验室完成，教师主要负责指导与技术难点攻关。这样做的好处是增强了学生的就业技能，为教师节约了大量科研教学时间，提高了实验项目的开发效率，且师生在协助开发的过程中加深了相互了解，从而有助于提高教学质量。从中心走出的学生，就业率达到100%，而且就业质量远高于其同专业平均水平。

3建设内容与成果

经过近5年的发展，尤其是入选教育部首批虚拟仿真实验教学中心以来，森林防火虚拟仿真实验教学中心在软硬件建设上成绩裴然，成果丰硕。中心拥有实验室5间，面积达360m2，分别是2个实验机房、沉浸式虚拟现实实验室、工作人员办公室以及实验项目开发人员工作室。拥有高性能图形工作站45台，高性能服务器4台，配备3D高清LED大屏的沉浸式虚拟现实系统1套，360度全景摄像机2台，红外热像仪1台。另外，中心还购置了Unity3D、3DsMAX、Photshop、VRP_Builder、SkyLine等一批图形开发软件。

目前为止，中心最大的成果来自于自主研发的实验资源。中心师生已经自主开发了8个完整的实验项目，400多个三维模型，另外，尚有多个实验项目正在制作当中。模型主要分为以下几类（图2）：

1）简单模型。主要是用来作为3D建模学习，包括建筑、家居、汽车等常见模型，共100多种。

2）植物模型。3D植物模型200多种，以树木为主。

3）消防器材模型。3D消防器材模型30多种，包括风力灭火机模型、消防车模型、飞机模型、遥感卫星模型等。

4）人物模型。3D人物模型25种，涵盖男女、老中青各种角色，同时包括跳、走、跑、卧、坐等通用动作以及灭火、捂鼻、砍树等专用动作。

5）粒子模型。包括烟、雾、水、雪、火等各种用粒子模拟的模型共28种。

实验项目主要包括（图3）：

1）3D校园漫游。以中南林业科技大学校园为蓝本，具有位置导航等交互功能的3D校园漫游导航系统。

2）森林公园仿真。模拟广州市白云山森林公园，重要景点提供高清360°视频或图片，并具有一定的交互性。

3）林火蔓延仿真。模拟林火在不同地形（平地、山地、丘陵）、气象（不同的风速、风向）、植被（草地、灌木、疏林地）条件下的蔓延火行为，包括火烧速度，火烧强度等，并具有一定的交互性。

4）林火紧急避险仿真。模拟几种主要危险环境条件下的避险逃生方法和过程，具有简单的交互功能。

5）林火扑救仿真。模拟几种主要环境条件下间接扑救指挥过程和结果，具有简单的交互功能。

6）森林火灾卫星监控预警系统仿真。模拟遥感卫星拍摄图片，地面接收站接受图片，解码图片，发现火点，发送火点警报整个流程，具有简单的交互功能。

4结语

由于受实际情况限制，过往的森林防火教学通常停留在纸上谈兵阶段，极少涉及实践。虚拟仿真实验教学中心的建立，为森林防火实验教学提供了一个不可或缺的平台。同时，它不仅仅是一个森林防火的教学平台，还是一个虚拟仿真技术的培训平台，不同专业的同学，在这里学到了各自想要的知识，开阔了视野，锻炼了能力。事实表明，广泛开展虚拟仿真实验教学是今后实验教学的一个发展趋势，虚拟仿真实验是实验教学的一个重要组成部分。

森林防火虚拟仿真实验教学中心将根据教育部“科学规范、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的精神，加强校企合作，进一步强化队伍建设，持续提升自主创新能力。具体来讲，完善以树木为主的模型库，增强模型的仿真度，改善实验项目的交互性与可操作性，开发更多的实验项目是今后中心工作的重点。

参考文I：

[1]沈建华，李飞，程崇虎，等.通信与信息网络部级虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].实验室研究与探索，2015，34（1）：161-164.

[2]李炎锋，杜修力，纪金豹，等.土木类专业建设虚拟仿真实验教学中心的探索与实践[J].中国大学教学，2014（9）：82-85.

[3]孙龙，刘菲，金森，等.森林防火课程综合实习改革设计[J].教育教学论坛，2013（3）：57-58.

[4]汪雪琴，张贝克，吴重光.开展控制技能仿真实训培养学生创新能力[J].中国大学教学，2008（7）：37-38.

[5]刘桂阳，李媛媛，张园园.虚拟农场地形地貌建模研究[J].湖北农业科学，2015，54（7）：1726-1730.

[6]杨庆，黄陈蓉.虚拟现实与系统仿真实验教学改革探讨[J].实验技术与管理，2011，28（3）：94-97.

[7]刘小英，张健.三维校园虚拟现实平台的设计与实现[J].湖北农业科学，2013，53（12）：2909-2912.

[8]陈国辉，刘有才，刘士军，等.虚拟仿真实验教学中心实验室教学体系建设[J].实验室研究与探索，2015，34（8）：169-172，185.

仿真物理实验室篇3

【关键词】仿真技术人体生理实验教学

【中图分类号】G642【文献标识码】A【文章编号】1674-4810（2014）33-0065-01

仿真技术运用在各个高校都是处于起步阶段，调查中显示，许多学科都没有采用仿真教学。对人体的生理功能进行模拟，并用计算机对人体的生理特性进行分析，是目前国内外的一个研究重点和主要的研究方向。国内很多高校在人体生理教学中都采用了相关的仿真实验技术，在教学的过程中取得了不错的成绩。

一仿真实验技术在人体生理实验教学中应用的优越性

1.成本低、难度小

生理系统是人体内或动物内较为复杂的一个系统，随着科技的发展，仿真实验技术的出现在人体生理实验的教学中起到了重要的作用。为了解决生理系统的复杂性问题，可以通过使用仿真实验技术对整个生理系统进行分解研究，第一步先对系统、器官进行逐个分析研究建模，第二步将各个部分的输入、输出联系，从而构成整个人体和动物的生理系统。通过应用仿真实验技术，在人体生理实验教学中将一些操作复杂的实验简单化，更容易进行，尤其是一些慢性实验。通常这些慢性实验都需要很长的时间，且费用昂贵，工作难度也加大，还有可能出现实验体死亡等问题从而导致实验失败。如在动物手术实验中，发生感染或其他环节的错误，导致实验失败，但一旦采用仿真实验技术，这些问题将不再是问题。此外，在人体生理学的实验中，采取仿真实验技术可以大大节省开支，同时配置一套生理仿真实验的软件可以长期使用，不需担心材料不够的问题。

2.实验教学的效果好

在生物类实验中，人体生理实验是最具操作难度的一项，甚至全班实验均失败的可能性都会存在。如离体蛙心灌流实验，由于蛙心小而脆，常常在插管时容易把蛙心戳破，或因操作不熟练等原因而导致实验无法进行。因此，为了提高实验的成功率，必须让学生了解实验的难点，如动脉血压的神经、呼吸运动的调节、体液调节等。采用计算机仿真技术，可使学生在实验前学习CAI课件，进一步充分了解实验原理和方法，有助于学生感悟实验原理和方法。同时，在模拟实验的过程中，能更好地了解动物生理指标在实验过程中的变化情况，有助于学生更好地掌握实验过程。

3.使建立不受时空限制的虚拟生理学实验室成为可能

生命科学是最神秘的一门课，至今仍存在着许多不为人知的秘密和机理。人类对自身的研究存在着很多的问题，常常会受到伦理道德和实验手段的限制。目前人体生理学的主要研究方法有两类：动物实验和人体实验。无论何种方法都存在以下三种局限性：（1）动物模型与人体模型相差过大，不易于结论的推广。（2）动物因个体差异而存在不同，因而需要大量的人力、物力进行数据统计，故耗时费力。（3）实验条件不够充足完备，如长期实验或某些极端条件等导致实验无法进行。相对于动物实验而言，人体实验还受到伦理道德的限制。

仿真实验通过模型来替代真实实验进行研究，以此来获取最快、最有效的实验结果。通过对人体生理系统的建模与仿真不仅可以弥补真实实验的不足，同时还可能将建立不受时空限制的虚拟生理学实验室变为现实。

二仿真技术的应用和发展

在实验教学的过程中，仿真技术具有十分广阔的应用空间和发展前景，伴随着实验的普及，仿真技术在人体生理实验教学改革中的优越性会被更多的人认识。但要真正让仿真技术在人体生理实验中得到应用，还受到一些条件的限制，例如观念的转变，教师观念如果不发生改变，不能进行创新，则很难将仿真技术运用到教学过程中。要将创建全新的实验室作为重点，要培养一支高素质的实验团队，不断创新，对信息加工和收集、利用，提升学生在仿真实验方面的积极性和主动性。结合实验的发展，要注入全新的生命活力，根据实际情况进行安排。

仿真物理实验室篇4

关键词：3D打印；机械基础

中图分类号：G712文献标识码：B文章编号：1002-7661（2015）05-014-01

在机类基础课程学习过程中，常用零部件、传动机构、常用机构是教学的重要部分，需要学生知道其结构、原理和常见故障排除。而在培训和教学过程中如何让专业基础课程更加紧贴专业课、更加紧贴生产实际，成为必须面对的问题。为提高《机械基础》实验课程教学水平，笔者提出了一种基于3D打印技术的实验室建设方案。

一、方案总体设想

机械基础半实物仿真实验室系统由3d打印模块和仿真设计模块组成。仿真设计模块的主要作用是提供一个原理演示和仿真设计环境，逼真地再现学生在实验过程中看到的情况，并通过显示系统达到与操作者实时互动，让学生产生身临其境的感觉。根据仿真实验室系统的作用，对系统提出如下功能要求：建立一个逼真的虚拟环境，包括自然环境、工作环境和实验环境；能够达到人机互动，并通过显示终端实时显示实验状态；事件特殊效果的显示和运动碰撞检测响应与实际情况相符。3d打印模块包含3d打印机硬件、驱动程序和模型优化程序组成，可完成仿真设计模块设计的零部件。在仿真设计模块中用户管理模块完成对使用者（学生）和管理者基本信息、学习进度、考核情况等基本信息进行管理。原理学习模块包含文字、图片、视频等多媒体素材，按照《机械基础应用》教材章节进行编排。学生可通过目录和关键词检索两种方式学习、查阅相关知识。为开阔学生视野在原理学习模块还将编排部分拓展内容。在虚拟实验模块中学生可以通过鼠标拾取、点击菜单等方式完成预定实验。参数化设计模块将利用soliderworks提供的动态链接库进行二次开发，学生通过勾选、指定输入等方式来完成常见机械零部件的设计和三维形体展示。在3d打印模块中模型优化程序完成3d模型格式的转换和面数的优化。系统总体组成框图如图1所示。

图1系统总体组成框图

图2软件功能组成框图

机机械基础半实物仿真实验室系统软件部分依靠unity3d引擎采用VisualC#来进行开发。其中界面部分利用Microsoft最新的界面技术WPF，采用XAML语言来进行编写，数据库管理部分采用SQL2008来进行存储。为提高程序开发效率采用模块化编程思想，软件模块划分如图二所示。

二、方案设计关键技术

1、3D打印技术

3D打印（3Dprinting），即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

2、unity3d虚拟仿真技术

仿真物理实验室篇5

关键词：物流；管理；实验室；软件

中图分类号：G642文献标识码：A

Abstract：Withthedevelopmentofthelogisticsindustrytospecializationandstandardization，thetraditionalpuretheoryeducationhasbeenverydifficulttoadapttotheneedsofthelogisticspersonnelinthesociety.Logisticshasstrongcharacteristicsofpracticaloperation，usingsoftwaretosimulatetheoperationoflogisticsenterprisesandthepracticalprocessofmodernlogisticstechnology，enhancethestudents'teamcooperationability，understandthelogisticsoperationprocessandtheexperienceofthefieldoperation，practicalapplicabilityofenhancedprofessionaltrainingtalents.

Keywords：logistics；manage；laboratory；software

物流学属于应用学科，它是自然科学与社会科学的有机结合，具有综合性、系统性、先进性、应用性和服务性等特征。物流活动的每一个环节，都有严格的操作标准和技术标准，物流路线的规划、物流方案的编制、物流网络的构建、物流园区的建设以及物流信息系统平台的搭建等都没有固定的模式可循，每一项活动都要根据企业的实际情况来做出全新的设计，这就要求物流行业的从业者具有很强的操作能力和分析处理业务的能力。根据广播电视大学人才培养模式的需要，物流专业的教学不能沿袭传统的课本为主的教学模式，需要建立培养动手和实际操作能力的实践教学模式。不具备建设实践基地教学条件的，要建立仿真实验室，从而加强学员对理论知识的消化和吸收，增强学员的实际操作技能。

1加强实验教学的意义

1.1实验教学是开放教育培养人才的需要

广播电视大学物流管理专业的人才培养目标，是培养系统掌握物流基础知识和方法，能从事各类物流型企业的需求分析、运作方案的制定、物流供应链的设计及过程控制能力，也能从事企事业单位物流运作管理的应用型专门人才，要求能够运用所学的知识分析和解决物流系统中的实际问题。当前，物流管理专业主要偏向于理论教学，实践环节或者实践教学内容较少，学员毕业实习前缺乏清晰的、明确的、操作性强的实践任务，也没有建立科学合理的实践教学评价体系，现有的实践环节主要以社会调查报告为主，实践环节的考核标准不够清晰，同时缺少有效的监控管理手段。这种培养方式造成学员毕业后所掌握的知识结构、操作技能与用人单位的上岗要求不相适应，因此，加强实践教学是实现人才培养目标的基本保障，是掌握专业知识和技能的必然要求。

1.2实验教学是提高物流人才培养质量的有效途径

调查显示，就全国总体来看物流人才的需求缺口惊人。预计2015年大专以上物流人才的需求量为40～50万人，其中高级物流管理人才将达到20～30万人。可见物流人才培养市场是很广阔的，面临的任务是如何培养出满足市场需求的应用型人才，传统的物流管理教育无法实现可视性和操作性，通过建设实训实验室给学员提供可操作性的场所，来培养学员的思维能力、信息传递能力和动手操作能力，从而提升物流人才培养的质量[1]。

1.3实验教学是培养物流人才职业技能的重要环节

物流人才的职业技能需要社会、行业、用人单位的实践检验，广播电视大学通过实验和实践教学让学员置身于一定的场景中扮演一定的角色，结合所学的专业基础知识和模拟物流的各个环节和运作流程，来获得参与物流企业工作的前期经验和技术能力。在此过程中，学员可以不断提高物流设施与设备的操作能力、物流线路的规划方法、物流信息系统的操作步骤能力，不断提高物流管理能力和操作技能。

2物流仿真实训实验室要实现的功能

受客观环境以及物流设备成本等因素的制约，建设实践基地尚需时日。随着物流技术以及计算机技术的发展，针对广播电视大学物流管理专业实践环节存在的缺陷，可基于计算机仿真模拟技术，设计和开发一个虚拟现实的实验环境[1]，应用于日常理论教学和实践环节教学。物流实训实验室不仅可以面向学员开放，开展在校学员实训，还可以开展在职培训、师资培训等，而且可以覆盖电子商务专业的部分实验实训项目，实现教学资源的最大化利用，通过网络教学、实验室开放等措施，建立起开放式的教学环境[2]。

3物流仿真实训实验室的构成

3.1物流实训实验室的硬件配置要求

仿真实验室主要由硬件环境、软件环境和网络环境构成。最理想的硬件环境是在一个单独的服务器上运行，也可以在单独的PC机上运行，推荐配置CPU单核主频2GHz以上；双核主频1.5GHz以上；二级缓存1M以上。内存DDR2512MB以上；硬盘7200rpm以上，容量80G以上。软件环境要求较小，具体包括以下几项：操作系统MicrosoftWindows2000以上操作系统；由自己开发的或者外包的最新版本的教学版软件；数据库（比如SQLServer2000）；必要的杀毒软件，特别是在B/S结构中的服务器上必须具备良好的杀毒功能，服务器一旦中毒，将会影响到整个实验室计算机的正常运行。

3.2物流虚拟实验室的软件系统构成

3.2.1门户网站。门户网站具备信息查询和功能，仓储中心仓容量、价格，运输中心运量、路线规划，平台上运行的客户的资源状况都可查询和浏览，同时建设一些有助于学员们扩展视野和查阅资料的栏目。如：案例库和拓展栏目，新闻资讯、商务合作等。

3.2.2第三方物流管理系统。以Intranet/Extranet/Internet为运行平台，以注册的学员为客户和主体，并提供在线方式监控订单在各部门的运行过程，该平台的交流方式主要以网络技术为主降低费用的支出。学员主要是以分组的形式扮演角色和完成流程任务，每一次新任务开始要交换角色，主要角色有：系统管理员、资源管理员、仓库管理员、运输委托单管理员、运输调度员、运输管理员、财务人员等。

教师可以根据学员的具体情况调整模块构成增减操作难易度来增强学员实验兴趣，增强具体场景的应变能力。初始环境分为两部分内容，一是根据物流企业数据资料构建运行环境，设置好各个职能部门，不同职能部门完成不同的任务，对仓储成本、运输成本、配送费用、设施设备成本划定区间范围。二是对时间的设置采用虚拟手段，12分钟等同于24小时的模拟时间。各模块功能如下：（1）系统管理：是整个系统的高层管理，主要负责学员角色的分配和系统用户的管理，对管理中心机构维护管理、全系统基础数据的审核管理和基础参数配置。（2）仓储管理：根据管理中心下达的仓储作业计划负责货物的仓储作业，对货物的入库、出库、盘库、移库和库存进行管理，该模块支持QX分拣库、QX立体库、普通平面库、普通立体库、保温立体库、冷藏平面库等现代化仓库[3]，可以实现对仓库作业流程和智能化的货位管理等仓储作业的熟练操作。（3）运输管理：根据客户下达的订单，制定出运输委托单并下达运输作业计划任务。执行集货、配载作业。在运输过程中，进行运输调度的管理，实时监控运输过程及货物的在途跟踪，该模块支持通过GPS和GIS对货物进行跟踪管理。（4）异常管理：对系统发生的异常进行处理。（5）合作管理：第三方物流运营需要与客户、供应商、承运商等签订大量的合同，对于刚签订的合同要及时添加到系统中，以作为合同的备份文件和资料。（6）资源管理：是对该信息系统基础数据的设计、管理与维护，包括供应商、承运商的信息，以及运输业务和仓储业务要用到的车辆、货物、货位的信息。（7）客户管理：对物流公司客户的基本信息进行维护，向客户提供收货、发货信息，为客户提供所有的物流服务，学员可以通过该模块，掌握操作信息系统的流程和向物流公司快速获取所需要的服务。（8）结算管理：包括运输和仓库的费用结算，在运输业务和仓储业务结束后，都要对该业务进行财务结算，并打印出财务报表。（9）统计分析：是财务管理的一部分，负责对公司财务的利润、销售收入、成本、运营指标进行统计，分析其财务比率和财务状况。

第三方物流管理仿真实验系统的具体流程主要有以下步骤：（1）生产商填写发货单，并交给分销商；分销商确认；生产商填写运输委托单，发给第三方物流中心，物流中心审核并确认。通过信息系统查询库存数量，并及时补货，向承运商发出运输通知。（2）承运商确认准备运输，运输中心接到指令后安排运输作业，同时向仓储中心发出出库指令和清单。（3）仓储中心根据出库清单填写出库单并进行出库确认，安排出库，将货物装入承运商的运输工具。（4）货物处于在途，运输中心对货物进行跟踪和监控，分销商、承运商和生产商进行到货确认。（5）物流中心填写结算清单发给生产商，生产商结算并支付费用，物流中心确认并打印财务报表发给承运商并支付费用，承运商确认费用支付并打印财务报表。第三方物流管理仿真实验系统的具体流程如图1所示。

3.2.3物流技术模拟系统。该系统用来模拟商务活动、物流活动及国际贸易活动。主要涉及到的信息技术有POS机、无线手持终端采集器、无线射频识别技术、AVG（无人搬运车）、电子标签拣选货架、GPS车辆跟踪技术。将物流技术融于管理信息系统中，集技术与管理为一体来完成包含物流总部、物流配送中心、国际物流公司、国内供方用户、国外厂商、船务公司、海港码头、航空公司、空港机场、海关、检验检疫局、银行等各机构的系统所要实现功能。系统设计能使学员体验物流技术最真切的实验环境，学员可以完成一系列业务活动，得到全方位的训练。物流技术实践平台系统如图2所示。

物流技术模拟系统以连锁超市管理系统作为模拟的实验环境，连锁超市管理系统包括连锁超市总部管理系统、配送中心管理子系统、门店POS管理系统以及通信管理系统。各子系统的功能如下：

连锁超市总部管理系统的主要功能：（1）管理整个连锁网点的资料和管理连锁网点的供应链；（2）对商品的进、销、退、存进行规范化管理，通过对门店上传单据的检查对门店的运作管理进行规范；（3）提供财务结算功能和向总部管理人员提供营运分析数据。

配送中心系统的功能：（1）完成要货处理和提供补货；（2）提供对大宗客户或其他客户的批发销售功能；（3）提供详细的仓库管理、完整的库存管理、批发销售的收款功能；（4）提供高效的分拣配送流程和处理方法。

门店POS系统的功能：（1）对前台POS系统的数据进行管理；（2）提供快速作业流程和数据处理方法，提供调拨、报损、仓库管理，提供完善的促销功能和提供快速有效的多种盘点方式；（3）对商品的进、销、退、存进行规范化管理和提供多种营运数据分析报表。

这两个系统是相对独立的，感兴趣的学员可以选择两个系统的学习，也可以根据工作需要选择其一。

4物流仿真实训实验室建设注意事项

物流实验室的设计要全面考虑，给学员的学习提供实训的虚拟实验基地，通过这个平台学员可以加深对课本知识点的理解和消化；同时要体现现代物流和信息技术相结合的特点。但不能为了体现新颖性和吸引性而纯粹“游戏性”的界面设计和实验环境。实验室为学员提供良好的实习基地，为教师教学提供完整、系统的辅助教学工具，从而真正提高学员的实际操作能力。

4.1逐步推进

物流实验室的建设不是完全的一步到位，各地物流发展速度和重点是不一样的，不能完全忽略地区差距建设整齐划一的物流实验室，要根据自身的发展阶段和学员本身的特点有重点的建设核心部分，要根据实际教学的需要来建设，先满足基本的需要，然后再根据行业的发展新动态来补充和完善。当然要有总体规划，不能抱有短浅发展目光。

4.2增强互动

互动性是仿真实验的重要特点之一，学员实训过程中以角色扮演的方式参与物流企业的运营，物流实验室通过计算机技术的应用，将物流设备、物流操作、物流过程真实逼真的通过友好界面和清晰画面展现到学习者面前，在轻松的环境中掌握物流设备的功能和特性。模拟真实物流企业的硬件环境，如仓储仿真中模拟多种物流设备，港口仿真中模拟多种码头相关设备，运输仿真中模拟多种运输相关设备。只有仿真物流企业的管理流程，学员在仿真实验过程中进行互动、共同完成物流任务，物流技术及物流管理方法才能学有所用。

4.3过程可控

具备实验课程体系建立、过程管理、实验指导和在线交流等功能。教师可根据实验教学计划在系统中自主创建实验课程和实验项目，可控制上课内容、上课时间、实验人数、实验分组等，方便教师对实验过程进行指导、监控，把握学员的实验过程，减轻实验备课负担，方便教学。

4.4评价管理

通过对学员操作过程进行跟踪，根据评分体系对学员实验过程进行自动打分，使学员规范操作过程，培养严谨的实验态

度[4]。物流仿真实训实验室的建设既不是一蹴而就的事，也不是一劳永逸的事，实验室在运行过程中需要根据教学以及社会物流人才需求的变化而不断调整优化实验室系统，改善实验教学的效果，充分发挥实验室的作用。同时，建立管理制度，加强系统及设备的维护是实验室高效运行的保障。

当前广播电视大学的物流专业，由于缺少实验条件只能停留在课堂授课、企业参观的模式，实践环节没能发挥应有的作用，严重影响教学质量。加强物流流程、操作能力、系统规划能力的培养，切实提升学员实际业务操作能力的培养，将理论教学与实践教学密切衔接，激发学员的学习兴趣，培养学员的探索精神和解决问题的能力，培养和提高物流管理专业学员的实践技能和动手能力。通过建设物流仿真实训实验室，将物流专业实践教学环节贯穿渗透整个教学环节中，按照认知―实践―综合应用递进，每个实践环节完成不同技能训练，为实现培养物流专业创新型、应用型人才培养的目标提供充足的保障措施。

参考文献：

[1]周利琴，洪玫，饶军.物流教学仿真实验室的实现[J].计算机应用，2006（26）：298-302.

[2]陈文.高职物流管理专业实验室建设的研究[J].职业教育研究，2007（3）：117-118.

仿真物理实验室篇6

关键词：仿真实验；物理实验；创新

中图分类号：G642文献标识码：A

文章编号：1009-0118（2012）06-0039-02

物理实验是物理学和科学实验的重要部分，在物理学的创立和发展中物理实验占有十分重要的地位，同时在推动其他科学、工程技术的发展中也起到重要的作用。

大学物理实验是学生进入大学后接收系统实验方法和实验技能训练的开端，是理工类各专业学生进行科学试验训练的重要基础。它的目的是:（1）培养学生的以下几方面的科学实验工作能力：即正确使用仪器、进行测量、出来数据、分析结果以及撰写实验报告等，使学生初步掌握实验科学的思想和方法；（2）培养学生的创新意识和科学思维，使学生掌握实验研究的基本方法，提高学生的创新能力和分析能力；（3）提高学生的科学素养，培养学生严格、细致、实事求是、认真严肃、一丝不苟的科学态度，培养学生积极主动的探索精神以及团结合作、爱护国家财产的道德品质；（4）培养学生善于动脑、乐于动手、讲究科学方法、遵守操作规程、注意安全等科学习惯［1］。总之，是为学生今后的学习和工作奠定一个良好的实验基础。

一、物理实验教学中存在的问题

（一）由于学校扩招及多很实验设备耗资太大、实验室不能购买等原因，很多高校实验室存在仪器设备落后、实验项目单一等问题［2］。严重制约了实验教学质量的提高及实验室的建设和发展，不利于培养与时俱进的人才。

（二）每个实验开始之前，都要求学生进行预习，但是学生在写预习实验报告时［3］，往往是照抄照搬教材上的内容，对于实验原理、设备、操作步骤和操作过程中的注意事项根本没有用心去阅读并体会，这样的应付性劳动，极大的限制了学生的思维。

二、物理仿真实验在教学中的积极作用

（一）提高教学质量和效率

物理仿真实验是虚拟环境下进行的实验，实验仪器主要是虚拟仪器，只需购置计算机等少量的硬件资源和软件《大学物理仿真实验》即可开设实验。《大学物理仿真实验》分为三部分，包含了凯特摆测重力加速度、核磁共振、螺线管磁场及其测量、检流计的特性、单透镜物理实验、分光计实验、空气比热容比测定、电子荷质比的测定、杨氏模量、迈克耳逊干涉仪、牛顿环测量曲率半径、介电常数的测量等丰富的实验内容，只要将仿真软件安装到计算机上，就可以进行软件里面的任何实验，这就解决了实验室仪器设备落后、实验项目单一的问题，而且由于有丰富的资源,更有利于学生自主开发实验,故更利于培养学生的创造能力和创新思维。有些实验仪器比较昂贵，易于损耗，普通高校一般难以开出［4］。而仿真实验能营造一个虚拟的实验环境使无法开设的实验得以开设，学生只要在装有《大学物理仿真实验》软件的电脑上就能进行整个实验的操作，并且能看到测量结果完成实验。由于是在虚拟环境下进行的实验，所以不存在仪器设备的损坏，操作者的心理压力小，更乐于去动手，在操作过程中遇到问题解决问题。

仿真实验是一种新的实验方式，它利用计算机把实验目的、实验仪器、实验内容、教师指导和学生操作有机地融为一体［4］。如果学生在做实验之前没接触过该实验仪器，很多学生就会拿着书与仪器的部件一一进行对照，甚至在不清楚仪器正确使用方法和操作注意事项的情况下而进行了错误的操作，导致实验中断、仪器损坏。仿真实验中实验仪器的关键部位能够拆卸，增强学生对仪器功能的熟悉和使用方法的训练。而如果课前学生通过仿真实验进行预习，对实验所用仪器的整体结构建立起直观的认识后，那么上面损坏仪器的情况出现的几率就会大大降低。比如分光计的调整与使用实验，每台仪器近乎万元，让学生在对仪器毫不熟悉的情况下直接接触实验仪器会增加仪器受损的风险。所以我们首先进行分光计的仿真实验教学,学生通过仿真实验的学习，对仪器的结构和调试技术有了整体认识，而通过计算机操作，也掌握了一定的操作技巧，然后我们再让学生去做相关实物实验。而对于实验难度较高的实验,也是先进行仿真实验教学,再进行实物实验,如此就缩短了做实验的时间。通过仿真实验的学习后,学生对实验有一个整体的认识,然后在进行实物实验时会感到心中有数，操作起来更轻松，这样就大大提高了实验教学的效率和质量。

（二）营造多样化教学环境［5］。我们学院专门拿出一间计算机机房作为物理仿真实验室，每周周一至周五开放，学生可以随时去进行实验操作。如果学生自己拥有计算机，便可在课外继续实验亦可以通过网络进行自学，为学生对实验的课前预习和课后复习带来了方便。计算机仿真实验使实验教学走出实验室,克服了实验教学长期受到场地、课时限制的困扰,使实验教学内容在时间和空间上得到延伸，学生能够充分的学习和掌握实验教学内容［5］，这也利于学生根据自己的兴趣选择实验,可满足不同层次学生的需求，极大的调动了学生学习的积极性。

（三）对于实物实验,实际操作中由于仪器的缺陷、实验环境以及人为不当操作等因素的影响,致使结果误差较大,从而影响学生对实验的兴趣。仿真实验采用虚拟的实验环境,最大限度地避免了实际中存在的各种不利因素,实验结果较准确,所以通过仿真实验可以极大地增强学生科学实验的信心,有利于培养学生实事求是的科学实验态度,是对传统实验一个有益的必要的补充［2］。

三、仿真实验在教学中的不足之处

尽管仿真实验在实验教学过程中有一定的积极作用，但它仍具有有一定的局限性。一方面，仿真实验中的仪器相对比较精确,使学生不能通过数据处理、误差分析等环节训练来体验和分析产生误差的主要原因。另一方面，在使用仿真软件的过程中，对仪器的操作主要是通过鼠标点击来实现，缺乏真实感，并且缺少实际动手的机会，从而减少了学生在实验中遇到实验故障并排除故障的机会。

四、结论

综上所述，我们清楚的知道，仿真实验不能完全取代实物实验，为了更好的教学质量，最好的办法是在教学过程中将仿真实验与实物实验相结合,正确处理好仿真实验与实物实验之间的关系［6］，开创物理实验教学的新模式，使仿真实验在教学中起到应有的作用。

参考文献：

\[1\]向必纯,马景琦,包兴明,李筱柏.大学物理实验\[M\].成都:西南交通大学出版社,2008:1-3.

\[2\]黄英群,王秀娥,俱海浪.计算机仿真实验在物理实验教学中的作用\[J\].大学物理实验,2011,(2):91-92.

\[3\]吴晶晶.物理仿真实验在大学物理实验教学中的地位\[J\].中小企业管理与科技,2010,(8):164-164.

\[4\]程阳.物理仿真实验教学心得\[J\].数理医药学杂志,2009,(2):241-242.