交通高教研究
文章编号:1004-6585(2003)03-0063-02
2003年第3期
虚拟实验在实验教学中的应用
杜俊敏,李建中
(焦作工学院,河南)
摘 要:虚拟实验是实验教学的发展方向虚拟实验在实验教学中的优点,统为例,,、,提出了一个。
关键词:实验教学;虚拟实验;液压传动中图分类号:G642.423 文献标识码:B
随着计算机技术的发展,虚拟实验也将随之发展,将会具有智能化、更形象逼真等更多的优点。2 虚拟实验系统的构成与实现
随着现代科学技术的不断发展,计算机在教
育领域的应用日趋广泛,计算机辅助教学(CAI)广泛兴起,并成为一种日益重要的教学手段而大量出现在教学中。作为CAI的一个重要发展方向———虚拟实验,也越来越引起人们的重视。1 虚拟实验的特点
用于教学的虚拟实验系统应考虑如何达到教
学目的和具体的实现方法。下面以液压传动实验为例,介绍虚拟实验系统的一种实现方案。
液压传动是高校机械类专业的一门重要的专业基础课,主要是使学生掌握液压传动基本原理、液压元件结构与工作特性、液压基本回路功能、液压系统设计等知识。在传统教学中一般使用挂图、幻灯片、模型等进行讲解,存在二维性和静态性的制约,无法实现液压元件的三维展示和系统各部件在工作中的运行状况,这导致教学效果不甚理想。在传统的液压实验中,由于传动系统是密封的,学生在实验台上看到的只是元件和表盘,无法观察到系统内部油液流动和元件的动态变化,对完整的系统回路的理解效果不理想,难以达到预期的实验教学效果。
计算机科学和技术的迅速发展和普及应用,提供了克服这些难点的方法和手段。使用“虚拟元件”“、虚拟仪表”构造虚拟实验系统,用计算机展示出元件的三维结构,模拟液压元件和系统工作过程,使难于理解的实验过程在计算机上动态的表现出来,并获得可靠的实验数据和结论,达到理想的教学目的,提高实验教学质量。
液压传动虚拟实验包括液压元件实验、液压基本回路实验和液压系统实验三部分。实验过程结构分为实验演示模块、实验仿真模块和实验记录模块。
第一,实验演示模块。这部分包括液压元件的结构展示、元件工作原理和特性演示、回路和系统的工作过程演示。对元件的结构用图片、三维
虚拟实验是利用计算机技术及其图形功能,应用虚拟模型来仿真实际物理实验过程,以达到实验目的的应用系统。相对于实际实验来说,虚拟实验主要是对虚拟物的操作,实验过程中所涉及的工具和对象不是实物形态的,而是虚拟出来的。虚拟实验的特点主要有:①激发学习动机,增强学习兴趣。虚拟实验将计算机技术、多媒体技术、网络技术等信息技术结合使用,选择合适的
媒体信息(如文本、图形、图像、动画、音效等)组合安排,能激起学生更大的学习兴趣。②由于虚拟实验的虚拟性,使得我们可以对其中的虚拟物进行任何操作。基于此,我们可以距离物体很近或很远进行观察,或从物体内部进行观察,能更精确、清晰的表现实际中难以观察到的特征和过程。③易于控制和维护,使用成本低,安全可靠性高。特别对于那些设备昂贵、操作过程有危险的毁坏型实验,虚拟实验的优点更为突出。④基于因特网的虚拟实验系统具有教学时空的无限性和人机优势互补性,可以将讲课与实验结合起来,能实现
作者简介:杜俊敏(1976-),女,河南焦作人,硕士生。
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动画进行展示,清晰的表现出液压元件的外形和内部结构。对元件、回路、系统的工作原理用二维动画一步步展示,便于学习者能从整体进行把握。当点击二维动画展示中的某一个元件时,会弹出此元件的三维工作状态,并以三维动画方式演示其工作过程,展示出元件内部的变化过程,并以油液颜色和浓度的变化来反映其压力和密度的变化。素材的具体实现采用以下方法:①图形图像的获取。液压元件的外形图片,用扫描仪将现有图片扫入计算机,用数码相机对实物拍摄,或从有关液压网站下载液压元件图片(图),然后用PhotoShop幕、制作。,然后用Premiere。在工作原理演示所用的动画中,动力元件、控制元件、执行元件之间有相互运动关系和一定的工作顺序,对此采用动画软件进行制作。二维动画采用Flash软件制作。三维动画的制作,可以先在AutoCAD中按照其尺寸和形态做出三维实体模型,然后输入到3DSMAX场景中,添加灯光、材质等特效,并制作成动画。③音效。从MIDI音效库、CD光盘截取,或从网上下载,录音制作合成(如解说词等)。在基本素材的获取方面,要充分利用现有的资源,如有很多网站提供可免费下载的音乐、图库等,因而对某些所需的素材,可以直接从网上下载,或使用现成的图片库、模型库等,再用工具软件进行加工处理,这样可以节省大量的时间,缩短开发周期。另外,应尽量减小系统所占空间,在不影响播放效果的前提下,对多媒体信息进行最大限度的压缩处理,如图像借助Photoshop压缩为JPG格式,音频和视频借助Premiere、VideoStudio等压缩为MPEG格式。
第二,实验仿真模块。此模块包括典型液压回路和系统的模拟实验。模块提供一个虚拟、逼真的实验环境,包括实验所用元件、油管、仪表等,学习者可以像在真的实验台上一样进行实验,自主选择元件和油管,连接成液压回路或系统,并可以对其中的参数进行调节。其工作过程与真实的实验过程一致,对系统进行测试,得到可靠的实验数据和结论。此模块采用Authorware软件为制作平台,Authorware是一种优秀的多媒体编辑系统,它是基于图标的流程式设计工具,提供了显示、移动、导航、框架、判定、交互、计算、群组、数字64
电影、声音、视频等十几种图标和控制按钮,使用
简单,功能强大。同时它还拥有多种函数和变量,具有编程能力,并支持多种语言的控件,是制作交互式软件的得力工具。VisualBasic功能丰富强大、操作灵活简单、完全可视化,是多媒体教学软件的首选开发环境。本系统的虚拟环境就是用VB语言编程做成ActiveX控件,嵌入Authorware中,实现无缝连接。另外应用了多媒体的,使得交Authorware,通HTML超文本文件。
第三,实验记录模块。此模块可以为每个实验者建立个人登陆密码和实验记录档案,方便的进行实验管理和监控。学生在虚拟实验系统中进行仿真实验时,记录模块会记录下学生在实验过程中使用的元器件类型、所选用的实验参数、由仿真模块生成的实验数据。在实验完成后,系统在实验纪录册上填入实验数据,生成可供打印和查阅的实验报告。
在各模块设计完成后,用Authorware作为连接合成平台。具体做法是。利用Authorware的Active技术,将仿真模块嵌入到Authorware中。利用系统变量SearchPath为外部文件指定搜索路径。将实现特效的文件夹Xtras和动画驱动程序文件a5vfw32.xmo、a5mpeg32.xmo、a5gt32.xmo拷贝到打包文件的同一目录下。3 结束语
以计算机和现代网络技术为特征的现代信息技术,使现行的教育方式和方法面临着前所未有的挑战,虚拟实验教学系统作为一种新的教育形式,具有重要的意义,并呈现出广阔的发展前景。虚拟实验软件的研制与开发是一个系统工程,它的设计内容应由实验教学的内容决定,基于教学设计进行。同时,虚拟实验系统作为一种计算机软件,它的具体开发及维护应按照软件工程的思想和方法进行。总之,我们要遵循科学的开发过程及开发方法,掌握教学、心理、计算机软硬件等多方面的知识,充分利用计算机领域内的最新科研成果,开发出功能完善的虚拟实验教学系统。
(收稿日期:2002-10-15;编辑:张正华)
交通高教研究
文章编号:1004-6585(2003)03-0063-02
2003年第3期
虚拟实验在实验教学中的应用
杜俊敏,李建中
(焦作工学院,河南)
摘 要:虚拟实验是实验教学的发展方向虚拟实验在实验教学中的优点,统为例,,、,提出了一个。
关键词:实验教学;虚拟实验;液压传动中图分类号:G642.423 文献标识码:B
随着计算机技术的发展,虚拟实验也将随之发展,将会具有智能化、更形象逼真等更多的优点。2 虚拟实验系统的构成与实现
随着现代科学技术的不断发展,计算机在教
育领域的应用日趋广泛,计算机辅助教学(CAI)广泛兴起,并成为一种日益重要的教学手段而大量出现在教学中。作为CAI的一个重要发展方向———虚拟实验,也越来越引起人们的重视。1 虚拟实验的特点
用于教学的虚拟实验系统应考虑如何达到教
学目的和具体的实现方法。下面以液压传动实验为例,介绍虚拟实验系统的一种实现方案。
液压传动是高校机械类专业的一门重要的专业基础课,主要是使学生掌握液压传动基本原理、液压元件结构与工作特性、液压基本回路功能、液压系统设计等知识。在传统教学中一般使用挂图、幻灯片、模型等进行讲解,存在二维性和静态性的制约,无法实现液压元件的三维展示和系统各部件在工作中的运行状况,这导致教学效果不甚理想。在传统的液压实验中,由于传动系统是密封的,学生在实验台上看到的只是元件和表盘,无法观察到系统内部油液流动和元件的动态变化,对完整的系统回路的理解效果不理想,难以达到预期的实验教学效果。
计算机科学和技术的迅速发展和普及应用,提供了克服这些难点的方法和手段。使用“虚拟元件”“、虚拟仪表”构造虚拟实验系统,用计算机展示出元件的三维结构,模拟液压元件和系统工作过程,使难于理解的实验过程在计算机上动态的表现出来,并获得可靠的实验数据和结论,达到理想的教学目的,提高实验教学质量。
液压传动虚拟实验包括液压元件实验、液压基本回路实验和液压系统实验三部分。实验过程结构分为实验演示模块、实验仿真模块和实验记录模块。
第一,实验演示模块。这部分包括液压元件的结构展示、元件工作原理和特性演示、回路和系统的工作过程演示。对元件的结构用图片、三维
虚拟实验是利用计算机技术及其图形功能,应用虚拟模型来仿真实际物理实验过程,以达到实验目的的应用系统。相对于实际实验来说,虚拟实验主要是对虚拟物的操作,实验过程中所涉及的工具和对象不是实物形态的,而是虚拟出来的。虚拟实验的特点主要有:①激发学习动机,增强学习兴趣。虚拟实验将计算机技术、多媒体技术、网络技术等信息技术结合使用,选择合适的
媒体信息(如文本、图形、图像、动画、音效等)组合安排,能激起学生更大的学习兴趣。②由于虚拟实验的虚拟性,使得我们可以对其中的虚拟物进行任何操作。基于此,我们可以距离物体很近或很远进行观察,或从物体内部进行观察,能更精确、清晰的表现实际中难以观察到的特征和过程。③易于控制和维护,使用成本低,安全可靠性高。特别对于那些设备昂贵、操作过程有危险的毁坏型实验,虚拟实验的优点更为突出。④基于因特网的虚拟实验系统具有教学时空的无限性和人机优势互补性,可以将讲课与实验结合起来,能实现
作者简介:杜俊敏(1976-),女,河南焦作人,硕士生。
63
动画进行展示,清晰的表现出液压元件的外形和内部结构。对元件、回路、系统的工作原理用二维动画一步步展示,便于学习者能从整体进行把握。当点击二维动画展示中的某一个元件时,会弹出此元件的三维工作状态,并以三维动画方式演示其工作过程,展示出元件内部的变化过程,并以油液颜色和浓度的变化来反映其压力和密度的变化。素材的具体实现采用以下方法:①图形图像的获取。液压元件的外形图片,用扫描仪将现有图片扫入计算机,用数码相机对实物拍摄,或从有关液压网站下载液压元件图片(图),然后用PhotoShop幕、制作。,然后用Premiere。在工作原理演示所用的动画中,动力元件、控制元件、执行元件之间有相互运动关系和一定的工作顺序,对此采用动画软件进行制作。二维动画采用Flash软件制作。三维动画的制作,可以先在AutoCAD中按照其尺寸和形态做出三维实体模型,然后输入到3DSMAX场景中,添加灯光、材质等特效,并制作成动画。③音效。从MIDI音效库、CD光盘截取,或从网上下载,录音制作合成(如解说词等)。在基本素材的获取方面,要充分利用现有的资源,如有很多网站提供可免费下载的音乐、图库等,因而对某些所需的素材,可以直接从网上下载,或使用现成的图片库、模型库等,再用工具软件进行加工处理,这样可以节省大量的时间,缩短开发周期。另外,应尽量减小系统所占空间,在不影响播放效果的前提下,对多媒体信息进行最大限度的压缩处理,如图像借助Photoshop压缩为JPG格式,音频和视频借助Premiere、VideoStudio等压缩为MPEG格式。
第二,实验仿真模块。此模块包括典型液压回路和系统的模拟实验。模块提供一个虚拟、逼真的实验环境,包括实验所用元件、油管、仪表等,学习者可以像在真的实验台上一样进行实验,自主选择元件和油管,连接成液压回路或系统,并可以对其中的参数进行调节。其工作过程与真实的实验过程一致,对系统进行测试,得到可靠的实验数据和结论。此模块采用Authorware软件为制作平台,Authorware是一种优秀的多媒体编辑系统,它是基于图标的流程式设计工具,提供了显示、移动、导航、框架、判定、交互、计算、群组、数字64
电影、声音、视频等十几种图标和控制按钮,使用
简单,功能强大。同时它还拥有多种函数和变量,具有编程能力,并支持多种语言的控件,是制作交互式软件的得力工具。VisualBasic功能丰富强大、操作灵活简单、完全可视化,是多媒体教学软件的首选开发环境。本系统的虚拟环境就是用VB语言编程做成ActiveX控件,嵌入Authorware中,实现无缝连接。另外应用了多媒体的,使得交Authorware,通HTML超文本文件。
第三,实验记录模块。此模块可以为每个实验者建立个人登陆密码和实验记录档案,方便的进行实验管理和监控。学生在虚拟实验系统中进行仿真实验时,记录模块会记录下学生在实验过程中使用的元器件类型、所选用的实验参数、由仿真模块生成的实验数据。在实验完成后,系统在实验纪录册上填入实验数据,生成可供打印和查阅的实验报告。
在各模块设计完成后,用Authorware作为连接合成平台。具体做法是。利用Authorware的Active技术,将仿真模块嵌入到Authorware中。利用系统变量SearchPath为外部文件指定搜索路径。将实现特效的文件夹Xtras和动画驱动程序文件a5vfw32.xmo、a5mpeg32.xmo、a5gt32.xmo拷贝到打包文件的同一目录下。3 结束语
以计算机和现代网络技术为特征的现代信息技术,使现行的教育方式和方法面临着前所未有的挑战,虚拟实验教学系统作为一种新的教育形式,具有重要的意义,并呈现出广阔的发展前景。虚拟实验软件的研制与开发是一个系统工程,它的设计内容应由实验教学的内容决定,基于教学设计进行。同时,虚拟实验系统作为一种计算机软件,它的具体开发及维护应按照软件工程的思想和方法进行。总之,我们要遵循科学的开发过程及开发方法,掌握教学、心理、计算机软硬件等多方面的知识,充分利用计算机领域内的最新科研成果,开发出功能完善的虚拟实验教学系统。
(收稿日期:2002-10-15;编辑:张正华)