[关键词]虚拟实验；整合情境；轻游戏；沉浸理论；整合教学法
[中图分类号]G40-057 [文献标识码]A [论文编号]1009—8097（2013）11—0109—06
一 引言
虚拟实验注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性，主要是借助于图像/图形、仿真和虚拟现实等技术在计算机上所营造的可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环节。通过研究发现，现在的虚拟实验普遍存在以下几个问题：第一，虚拟实验缺乏趣味性，枯燥乏味，不能引起学生的兴趣，学生很难主动投入学习并维持学习兴趣。第二，虚拟实验缺乏与学生的互动，基本上虚拟实验是由教师控制界面，学生处于聆听模式。第三，教学理论陈旧无力，学习者缺少自主探宄，合作分享的机会。以上这些问题容易导致学习者对虚拟实验缺乏兴趣，产生厌烦、急躁甚至排斥的情绪，学习效果大打折扣。归根到底，出现这些问题的原因是与现代教育理念相悖，现代教育理论倡导教师应由处于中心位置的知识权威转变为学生学习的指导者和合作伙伴、设计者、教育的研究者，学生应由被动的知识容器和只是受体转变为知识的主宰、学习的主体，学习环境应由简单的背景化信息转变为具有吸引力和复杂情境的功能性教学载体。由此可见，虚拟实验的设计面临着改进需求。
按照2002年麻省理工学院和微软公司提出“现代教学法+艺术化游戏环境=下一代教育媒体”的观点，虚拟实验要实现吸引、促进学习者沉浸其中，使学习者深度体验实验过程，探究实验结果，那么有先进并恰当的教学理论为设计依据，加上具有强烈感官刺激、心理挑战的游戏化环境设计，实现教学、心理、艺术效果的完美结合。据此，我们认为虚拟实验应创设为能吸引并使学习者沉浸其中的虚拟学习环境，这个虚拟环境具有较强的现实感、交互性、艺术性、娱乐性等特点。基于以上考虑，此本文提出创设整合情境，将“轻游戏”元素增设到虚拟实验中，设计了基于整合情境的游戏化虚拟实验模式，并将此设计模式应用到开发的虚拟实验案例中。
二 整合情境及沉浸理论概述
1 整合情境
（1）整合情境的概念。20世纪80年代，比利时、瑞士、法国等欧洲国家提出整合教学法（Integrative Pedagogy），该教学法是训练学生联合调动若干知识和技能，来解决复杂的情境。开始时整合教学法被应用在大学教育、职业培训中，逐渐应用到中小学教育。整合情境（Situation Integration）是整合教学法的核心，学者有些称之为靶向情境（SituationCible）或重新投入的情境（Situation Reinvestissement）。德·克特勒等认为，整合情境是“一个包括主要信息、干扰信息，并运用先前学习的一个复杂情境”，它有三个构成要素：物质支持工具、若干任务和若干命令。在物质支持工具中呈现出来的实物、背景、信息、功能等都可能是复杂、凌乱无序的。
（2）整合情境与问题情境。上述的整合情境与我们常提到教学论中的问题情境（Problem Situation）较为相似，为了更好地理解整合情境，在此有必要对两者做一个比较分析。学者对问题情境的界定不统一，布鲁纳认为“学习者在一定的问题情境中，经历对学习材料的亲身体验和发展过程，才是学习者最有价值的东西。”他指的问题情境可以理解为一种具有特殊意义的教学环境，既是教学背景，也可以是本学科的问题，还可以是其他学科的相关内容等。埃纳尔和尤尼尔认为问题情境是“教育者为了以下目的所设计的情境：为学生们创造一个围绕某个有待解决的问题进行思考和分析的空间；帮助学生们从这一“空间—问题”出发，对关于某个明确主题的新的表现加以概念化。”它包含三个因素：背景、信息和有待完成的任务。从上述概念来看，整合情境与问题情境确实有很大相似之处，都是为了教与学活动，完成某些教学任务的具象化背景，但两者的内涵和侧重点并不相同。两者的比较如表1所示。
从表1不难看出，整合情境和与我们一般所指的问题情境有很大区别，第一，功能性，整合情境更具明确的目标，教师应考虑如何利用支持工具，也就是情境的利用，而不像问题情境更重视的是情境本身。第二，情境的类型，整合情境倾向于自然情境，需要学习者在真实的环境中辨别、分析，适合学习者个体探究学习，而问题情境更多的是建构的情境，是教师为了教学目的而设计出来的情境，使学习者个体或小组获得知识和技能。第三，设计整合情境的初衷是为了整个学业的提升或学习评估，相对问题情境的目标要广泛和深远。按照达蒂夫¨2J的说法，问题情境是“任务来源”，而整合情境是“任务靶向”，可以理解为一个偏重于问题本身，一个偏重于通过问题来探究的目标。一言蔽之，整合情境是“被瞄准”的问题情境，为了更明确的方向和目的所设计的问题情境，整合情境相对于问题情境更具复杂性和真实性，更适合学习者探索和建构知识和技能。
2 沉浸理论
沉浸理论（Flow Theory）于1975年由Csikszentmihalyi首次提出，解释当人们在进行某些日常活动时为何会完全投入情境当中，集中注意力，并且过滤掉所有不相关的知觉，进入一种沉浸的状态，这种状态被描述为“流”（flow）。Wigand和Nilan将沉浸感分为三个阶段：沉浸的先前准备阶段、沉浸体验阶段、沉浸体验的结果。沉浸的先前准备阶段所考虑的要素包括注意力的集中、明确的目标、与玩家技能相平衡的挑战、活动的趣味性、简单快速的上手；沉浸体验阶段的体验包括行动与意识的统一、高度专注、对活动的控制感、时间感的变化、远程监控感；沉浸体验所带来的结果是促进学习、激发学习者的探索行为、信息技术的接受及使用、行为控制的认知。从文献可以看出，国内外游戏的设计和开发基本都与沉浸理论相关，游戏化的学习的设计和开发也当如此。有研究表明，“深度沉浸的学习相对于浅度沉浸的学生而言.在虚拟实验的环境中更容易获得满足”。据此我们认为追求流体验是游戏化虚拟实验设计的重要目标和依据。
三 基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计
基于以上的理论讨论和实践研究，本文提出基于整合情境的游戏化虚拟实验模式，这种虚拟实验模式以创设整合情境为手段，以“轻游戏”元素为设计元素，目的在于增加学习者虚拟实验的沉浸感，激发学习动机，维持学习体验，从而达到提高虚拟实验学习的效果。
1 基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计机理
根据心理学研究表明，要真正达到教学效果，必须从吸引学习者，维持学习者注意力着手，实现虚拟实验的沉浸体现。然而内部的心理活动是由外部的刺激，反复强化才能影响。所以外部的教学设计成为虚拟实验的关键，笔者认为可以从创设整合情境入手，给学习者营造一个逼真复杂的情境，这个情境即包括教学情境，还包括现场情境，避免枯燥无味又不具备现实意义的学习环境。本文提出，虚拟实验过程应是一个“三层”体系结构：教学层、行为层、心理层，实现一个由外至内的心理过程，由教学活动至实验过程，再到达到学习者沉浸体验的过程，从而提高学习者学习兴趣，维持注意力。具体见图1。
从图1可见，教学层、行为层和心理层都包括技术和学习两个方面，教学层处在基础的地位，也是最重要的层面，它是引领学习者进行虚拟实验的关键手段和方法，包括创设整合情境，设计实验界面，教学设计等；行为层是学习者完成虚拟实验的过程，探究实验结果；心理层是虚拟实验的最高层面，实现心理沉浸，保持学习注意力，从而完成虚拟实验的体验活动。这三层体系结构是一个从下到上，从外到内，从教学到心理一个完整的过程。
2 基于整合情境的游戏化虚拟实验设计模式
根据上述基于教学层、行为层、心理层的“三层”游戏化虚拟实验的设计机理来设计虚拟实验学习模式。虚拟实验主要分为：演示实验、验证试验和探索实验三种，它们一般的实验流程为激发兴趣、获取知识和经验、验证、应用和控制。为了体现实验的特点本文称实验操作为行为层，而每一个实验行为都对应着教学层的教学活动以及心理层的沉浸过程，它们的相互关系及内涵是学习模式的核心内容，见图2。
（1）教学层：创设整合情境、设计游戏化元素。为了能吸引学习者全身心地投入到虚拟实验中，首先可以从教学设计层面设计具有整合情境的虚拟实验环境，使学习者被生动、自然、复杂的情境所吸引，目标直指虚拟实验的核心知识：然后重点设计具有游戏化元素的虚拟实验，包括人物、场景、情节、任务和音效等，以声音、图形、视频等多媒体表现实验内容；最后通过设计的交互活动达到知识巩固、反思和激励的作用。
（2）行为层：操作游戏化虚拟实验。虚拟实验教学设计的目的是使学习者能按既定的设计步骤达到相应的实验目标，虚拟实验一般分为演示实验、验证试验和探究实验，一般都有以下几个步骤：激发兴趣、获取知识和经验、验证实验、实验的应用和控制等。实验过程是学习者在教学设计下完成的是可见、可控制的行为活动。
（3）心理层：实现沉浸体现。为了使学习者达到知识的内化，可以通过设计游戏化虚拟实验吸引并维持学习者达到长时间的心理沉浸感，可以分成沉浸准备阶段（吸引）、沉浸体验阶段（维持）、沉浸反馈阶段（迁移）三个过程，每个过程都需要和相应的教学设计和实验操作阶段配合发生，整合情境的创设就是为了激发学习者的兴趣，达到学习者沉浸体验的准备阶段。游戏化虚拟实验的设计就是为了使学习者在实验过程中获取相应知识和经验，达到学习者沉浸体验阶段。而教学反思和巩固为的是使学习者很好的应用实验知识，达到沉浸反馈阶段，实现知识的迁移。
3 基于整合情境的游戏化虚拟实验的特征
（1）强调自然情境的学习意义。从社会学的视角来看，“情境”指一个人正在进行某种行为时所处的社会环境，是人们社会行为产生的条件；从心理学的视角来看，“情境”指的是事物发生并对机体行为产生影响的环境条件；学习论的视角来看，“情境”则是学生从事学习活动、产生某种学习行为的一种环境和背景。基于整合情境的游戏化虚拟实验所指的“情境”在学习环境中一般并不存在，它是被建构出来的，任务的结果也不是一目了然，信息复杂，表述曲折，难以理解，具有障碍和隐蔽性，更趋向于真实的自然情境，但它的功能明确，即为了服务教学目标。
（2）强调游戏对学习兴趣的激发。布鲁纳等认为学习是学习者内部动机驱动的积极主动的建构过程，激发学习者的学习动机尤为重要。基于整合情境的游戏化虚拟实验强调利用“轻游戏”的设计，给学习者创造“流体验”，使学习者更容易沉浸，达到深层次的参与。虚拟实验的激发兴趣、获取知识和经验、验证、应用和控制等一般步骤，都可以在游戏化虚拟环境中完成。我们认为，游戏不是虚拟实验的目的和重点，游戏化的环境设计是让学习者能沉浸虚拟实验学习的手段，完成心理层面的沉浸体验的三个阶段，最终实现虚拟实验的知识获得或迁移。
（3）强调教师对学习者或学习小组的支持。建构主义学习理论强调学习者积极主动地建构知识，教师的地位发生了变化，从原来的灌输知识主导教学活动。基于整合情境的游戏化虚拟实验“情境”的设计者一般是教师，当然也可以是其他成员，情境的发起者和解决者之间形成合约的关系，教师可以让学习者选择是否进入学习情境，学习者可以自由选择学习方式，教师可以提供帮助，督促学习者学习，直到评估合格。整个教学过程的设计十分重要，关系到整个学习过程的展开。学生或者学习小组成了主体，而教师的地位退居其后，成为中介者、支持者，负责情境的建议和发起，更多的学习主动权交给了学生。
（4）强调探宄学习对虚拟实验的作用。虚拟实验可充分发挥其优点，根据实验的特点和学习者的特征，控制实验的条件，设计、开发具有较强交互的探究性虚拟实验。基十整合情境的游戏化虚拟实验由于其具有较强的现实性、趣味性，更适合也更容易探究学习。学习者或学习小组从整合情境中的复杂信息或自身具体经验出发，通过观察和反思概念或认知，设计或验证试验方案，这样的学习过程往往不能一次性完美完成，学习者或学习小组得反复探宄，不断完善和修正。如此一来，可以发展学习者的积极主动性和探索精神。
综上，基于整合情境的游戏化虚拟实验实质上是创建了以学习者为中心，教师为支持的整合学习环境，这个学习环境具有一般虚拟实验特点的同时还具有情境性、艺术性、娱乐性，吸引并使学习者沉浸其中，完成虚拟实验的演示、验证或探究活动。
四 基于整合情境的游戏化虚拟实验的应用案例设计
近年来食品卫生和安全成为备受关注的热门话题，为了加强青少年对食品添加剂方面的知识，提高选购安全食品的能力。本研究基于以上提出的基于整合情境的游戏化虚拟实验的设计理论，设计开发了能进行虚拟实验和检测的食品添加剂虚拟实验室。
1 教学设计。根据“食品安全学”教学大纲和实验要求，为了学习者能融入并沉浸到虚拟实验.达到主动探究学习，获取实验知识和经验的目的，本文设计并开发了“添U加C”游戏化虚拟实验，以下将介绍该虚拟实验的设计和实现研究。
（1）整合情境创设与游戏化学习活动设计，如表2。
（2）游戏化虚拟实验。根据以上游戏化学习活动设计，我们可以将游戏化虚拟游戏过程主要分为三个阶段：整合学习活动、轻游戏化探究学习、反思分享。
①整合学习活动阶段。依照整合教学法的理论，学习是一些展开局部学习2、使用整合情境和评估情境所构成的一个连续体。整合学习活动是本案例的设计重点，主要是从其三要素：物质支持工具、信息、命令来展开设计，该案例将物质支持工具和信息整合在资料中，即物体、背景、信息、功能、信息等。
虚拟实验教学目标：为了了解食品添加剂知识，学习者进入了一个三维虚拟的超市进行选购食品，学习者可以根据以下资料，了解食品中含有哪些添加剂？推断食品添加剂对人身体有哪些影响？以及计算出人一天食品添加剂最高剂量是多少？
资料1：选购商品情境，如图4。
资料2：介绍食品添加剂情境，如图5。
命令1：完成购物报告，如图6。
命令2：完成虚拟实验，如图7。
命令3：完成实验报告，如图8。
命令4：完成添加剂重新选购，如图9。
通过以上整合学习活动后，学习者将传统学习而来或自有的经验知识整合到复杂的情境中，进行自主学习，该虚拟实验提供了物质的支持工具和信息，教师处于支持或辅导的地位，学习者被生动、自然、复杂的情境所吸引，目标指向虚拟实验的核心知识，完成指定的命令任务。
②“轻游戏”化探究学习阶段
尚俊杰等【22】对“轻游戏”的界定为“轻游戏=教育软件+主流游戏”，认为它首先是一个教育软件，并追求主流游戏的内在特征，如挑战、好奇、控制、目标、竞争、合作等，以此平衡游戏的教育性和游戏性。本虚拟实验的设计遵循“轻游戏”的设计思想，将虚拟实验设计成模拟类游戏。第一，本游戏化虚拟实验具有模拟仿真性，学习者进入的“添u加C”食品超市，其中的人物、货物、货架、标签、背景、音效等完全仿真现实超市。第二，本游戏化虚拟实验具有“轻游戏”元素设计，如情境、系统帮助、导航、虚拟实验关卡逐级递增等。第三，本游戏化虚拟实验具有真实并可完成的任务，学习者在挑选自己喜欢食品时，会出现该商品包括添加剂的情况等信息，这时适时对学习者进行添加剂知识的介绍，而学习者在离开超市前得完成添加剂知识的实验报告和虚拟实验，之后会让学习者重新选择食品的数量和种类。这样的设计是让学习者在知道、了解、掌握、应用食品添加剂的学习过程中，完成探究学习活动，教师或本虚拟实验设计者自始至终处于整合情境的发起地位，学习者主动思考、积极参与、探索食品添加剂知识成为本虚拟实验的重点。
③总结分享阶段
总结分享是一般虚拟实验的应用阶段，本虚拟实验要求学生在完成整合学习活动和“轻游戏”化探究学习后，完成食品添加剂的知识巩固练习，并在退出虚拟实验前在工艺宣传栏中填写自己对食品添加剂的宣传语，分享游戏化虚拟实验的学习心得体会，效果如图10、11所示。
2 模块设计与实现
本虚拟实验仿照了现代超市模式，按照功能进行区分，主要有购物中心、服务中心、支付中心、帮助中心。依次是对食品添加剂的了解、学习、反馈和巩固四个阶段。
（1）购物中心：是对食品添加剂的初步了解阶段。它模拟现代超市购物环境，通过键盘方向键来控制购物车的运动，按照食品的分类主要有五大区域：生鲜蔬果区、休闲食品区、粮油调味区、酒饮冲调区、营养健康区，选购时能显示食品名称、所含添加剂、原料、保质期、生产日期等信息，购物中显示购物清单，结束购物时得出购物报告，告知是否购买的食品添加剂超出国家标准。
（2）服务中心：是以食品添加剂学习和实验阶段，主要分为添加剂原理实验、剂量对比实验、添加剂案例三个部分。通过这样的实验，一方面深刻理解添加剂的功能与副作用，另一方面加强青少年动手能力。离开服务中心时，得出实验报告，告知在该中心做了哪些实验，并得出实验结论。
（3）支付中心：是以对食晶添加剂学习的反馈和巩固阶段。由于之前在服务中心的学习，会对食品添加剂有了一些队识，因此在支付报告中，学习者可以再次决定哪些食品是否要购买，以及购买的数量，还包括有奖测验和公益宣传两个模块。
（4）帮助中心：主要包括课件导航地图和添加剂知以帮助，主要是帮助青少年更好地了解该虚拟实验室的结构及操作及其对各种添加剂的认识。
本虚拟实验经过反复的调试，实现了在整个超市各个中心的数据传递，用Asp连接Access数据库，按照数据结构来组织、存储和管理数据，完善地管理各种数据库对象.实现登录注册页而、购物清单和公益宣传等数据的传递。
五 结束语
本文通过文献调研、设计机理与模式的提炼、案例的设计开发等研究，提出了基于整合情境的游戏化虚拟实验模式，并将此模式进行了初步的应用。实践证明该虚拟实验模式具有很好的艺术性、娱乐性，能很好地将虚拟实验与轻游戏化体验结合起来，能吸引学习者进入虚拟实验过程，有一定的保持吸引的作用，并能保持沉浸效果，对于学习者探究能力和合作能力的培养有一定促进效果。但是，由于研究条件和时间的限制，本研究还存在很多的局限，如案例设计和开发内容有待进一步深入，设计策略不详尽，交互设计何待改进等。我们将在后续研究中，将对该模式进行实验研究，通过数据统计和分析出该模式在维持学习者动机、学习效果、探究认知等方面的情况，为实现吸引学习者并保持沉浸感的虚拟实验进行更深入研究。
关键词： 虚拟制造；机械；实验平台
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）05-0273-02
0 引言
机械类课程设置实践环节，由于其实践性比较强，实验教学多，可以很大程度的提高学生的动手能力和工程意识。过去的实验都是首先准备好实验设备，然后由学生按照操作完成实验内容，且大多是在实验室中进行的。辽宁石油化工大学机制专业开设了机械制造技术基础以及机械CAD/CAM等课程，从不同角度向学生介绍传统制造以及现代制造技术知识。目前存在的问题是缺乏先进制造技术配套的实验环节，授课局限于黑板教学。由于现代制造装备种类繁多，范围广泛，尤其如模具、夹具等形状复杂、涉及大量空间曲面的研究，从设计到加工乃至装配的各个环节如果没有较为直观、先进的教学手段，很难取得好的教学效果。另一方面，鉴于模具、夹具等种类的多样性、时变性，这一问题不可能通过购置或制作一批模具实物作为实验手段予以解决。通过建立虚拟制造装备实验平台可以有效的解决在教学中可能会遇到的一些问题，比如实验场地不足、设备陈旧、消耗原材料和刀具等问题，更有利于学生自主学习和创新能力的培养，同时虚拟制造实验平台的设置也能够很大程度上的节约教育成本，因为它不仅可以帮助实现教育资源共享，也有利于精品课程网络化。
1 虚拟制造技术研究现状
近年来，有一项新技术开始走进人们的视野，那就是虚拟制造技术，它能够形成一个三维视觉、听觉和触觉环境，用户只要通过系统提供的人机对话工具，就可以实现和虚拟环境中的物体进行交互操作，就好像到了一个真实的环境中，这个平台是以计算机应用为基础，各种先进技术结合起来的产物，比如图像技术、传感器技术、计算机技术、网络技术以及人机对话技术等[1]。其实在过去的很多年里，人们都一直希望打破原有的、呆板的数字化方式，想象着如果我们的信息环境是图文并茂、绘声绘色的，就好像真实生活中的某个场景，如果是这样我们就可以用自己的感觉感官来接受和处理各种信息，并在这个过程中形成自己的认识。正是由于有着这种现实需求，才让原本在1968年就诞生的虚拟现实技术在近几年来越来越受欢迎，甚至被认为是影响未来的主要科技手段之一。虚拟实验室的概念是由美国弗吉尼亚大学的William Wolf教授在1989年首次提起的，指一个计算机网络化的虚拟实验室环境。现阶段，虚拟现实技术在教学领域已取得了许多成功的应用。
随着社会经济的持续发展，社会对人才的要求也越来越高，要求各高校必须培养出更多的高素质创新人才。但现有的教育模式是传统的“填鸭式”的教育模式，学生没有学习积极性，高校很难培养出学生的创新意识和创新能力，不能满足现实社会的需求。在这种形势下，虚拟制造实验平台就应运而生了，该平台在过去主要用于机械和电子产品的研制和开发领域，但是现阶段在教育领域也发挥着重要的作用。因为虚拟制造实验平台可以为学生制造一个好像真实场景的虚拟环境，学生们好像身临其境，然后再结合真实现场实训教学，教学效果一定会大大提升。
2 虚拟制造实验平台建设意义
利用虚拟技术创建机械制造实验平台将对探索、发展现代机械制造的教育思想、改善实验实训环境、优化教学过程，培养具有创新意识和创新能力的人才产生深远的影响[2]。利用虚拟制造技术创建机械制造实验平台可以解决由于实验场所比较特殊，不能进入的问题，比如一些不可视、不可摸、不可入、有危险性的实验场所，还可以解决一般高校都会存在的设备陈旧的问题。
综合运用多媒体技术、虚拟现实技术和网络技术，避免采用极其昂贵设备的实物仿真方案，能充分发挥虚拟现实技术的集成性、控制性和交互性的特点，以培养具有独创性的综合能力训练内容，使学生在学习过程中学习目的明确，学习兴趣浓厚，通过虚拟制造实验平台提高学生自主创新设计能力，使学生获得基本的创新素质和创新能力[3]。
如果在教学中，采用虚拟制造实验平台，教学效果一定会得到大大的提升，因为通过建设虚拟制造实验平台，学生可以在教学的过程中随时进行虚拟实验，让理论和实践及时的得到同步，学生对所学知识也会更加的深刻。另外学生也可以在虚拟实验室里操作虚拟仪器，不管是仪器的故障检测和维修，还是各种虚拟系统的连接和组装等，都可以在虚拟实验室里进行，并且不会发生仪器的损坏现象，更不会因为场地等原因而受到限制，如果没有得到满意的结果，可以一直进行实验，直到满意为止，最重要的是虚拟实验室不会发生人身事故。
除了上述功能，虚拟制造实验平台还具有更多的功能，比如网络功能，它可以实现远程教育培训，采用宽带方式进行数据的传送，在局域网和互联网上都可以进行双向互动的远程教学功能。并且虚拟制造实验平台还具备答卷保存、自动评分、成绩查询和分析等功能，轻松实现无纸化的考核与测评。
3 虚拟制造实验平台建设内容
对现有的教学及实验设备进行综合开发利用，结合辽宁石油化工大学实验中心已有的实验设备，建立虚拟实验平台，运用基于几何建模和图像相结合的建模方法，采用虚物实化、实物虚化、虚实结合、增强现实的方法，可建立基于图像的真实感强的具有物理属性机械产品模型。
3.1 虚拟平台系统框架设计 本部分包括系统规划、系统数据流过程设计、供求分析、开发手段选择等，开发零部件数据库。项目组设计虚拟制造平台的系统框架，研究系统所需资源及系统开发手段及方法，创建系统虚拟平台所需的零部件库。利用设计软件模拟实际零件模具的制造装配、零件的机械加工过程及产品的拆装过程，建立可实现人机交互的网络精品课程的虚拟加工及装配资源。
3.2 虚拟制造实验平台建设 本部分包括界面设计、内核设计、通讯设计、各模块设计以及虚拟加工过程设计等。界面设计和实现，包括虚拟制造实验平台的运行界面和软件安装界面的设计和实现；实验平台建立虚拟制造所需的各模块，确定虚拟加工过程的各参数，建立机械加工系统和参数化选择。增加实验平台的互动性和参与性，可以激发学生的学习兴趣，对学生学习过程产生积极的引导作用。
3.3 虚拟制造实验平台测试以及评价系统 本部分包括平台各种测试、建立典型零件库、与平台的通讯链接和测试、建立配套的评价系统。评价系统具有自动打分功能，包括虚拟实验过程及结果测试在内的综合评价单元；测试项目的内容是可以灵活更改的，教师可以通过终端服务器对项目的内容进行修改。
4 虚拟制造实验平台开发研究的实施方法
采用虚拟制造实验平台，可以有效的把虚拟实验和实物实验有机的结合起来，把“理论准备实物实验”模式为“理论准备虚拟实验实物实验拓展创新模式”，形成循序渐进、虚实结合的实验教学模式，按照从理论到实践、从虚拟到实物、从基本实验到综合创新设计实验的渐进过程，逐步培养学生的实践技能和创新能力。
在前期工作基础上，进行调研和论证。认真总结机械制造课程改革的经验和存在的问题，到兄弟院校进行调研，学习其机械制造理论和实践课程的培养模式、培养途径和手段、教学建设和改革等方面的先进经验，学习虚拟实验平台建立的方法及注意事项。以培养和创新能力的培养为内涵建设的主要内容，结合学校人才培养实际，进行广泛论证，完善新形势下应用型创新人才培养模式。
对虚拟制造实验平台进行重点建设，建立虚拟平台系统框架设计，准备虚拟平台的软硬件设施，设置其与虚拟平台连接方式。全面组织实施虚拟制造实验平台的建立，搭建模具虚拟平台和数控虚拟机床；建立虚拟平台所需各典型零件库，采用虚拟现实技术，并通过计算机构建一个与实物同样的3D零件或3D机床，采用Pro/E建模，将各种数控设备和产品进行虚拟化；建立虚拟制造平台的各种测试，建立典型零件库以及与平台的通讯链接和测试。建立配套的评价系统。
5 结束语
虚拟制造仿真实验教学手段的应用，其先进性不仅体现在技术手段上，更重要的是关注教学设计理念与教学质量。无疑，虚拟设计与制造等先进的技术改变了教学环境与教学手段，学生可以在仿真的环境下完成实验，教师能够方便地查阅学生的实验情况与评判实验结果。更关键的是教学中设计思想的先进性，虚拟制造仿真实验教学为学生提供各种丰富翔实的教学资源，各取所需，提供开放的实验空间，能真正满足学生自主学习，让学生学在其中，乐在其中，达到良好的教学效果。同时也会提高学生的创新意识，有力地推动地方院校机械专业实验教学内容与实验教学方法的深刻变革。
参考文献：
[1]王会.虚拟设计与制造在机械专业实验教学改革中的应用[J].职业时空，2012，8（6）：117-120.
一、引言
随着现代计算机和信息技术的不断发展，数字信号处理在当今高科技领域有着极为重要的地位和广泛的用途[1]。然而它的基础课程却处于教难、学更难的境况中，并且，学生即使掌握了理论知识，也很难灵活应用至实践中[2]。调研国内外数字信号处理课程教学，上述问题主要归因于两个方面：一方面是传统的教学形式单一，仅依赖文字帮助理解基本理论[3-5]；数字信号处理课程不同于其他课程，它是基于“高等数学”、“大学物理”等公式和推导较多的学科，理论性强，极具抽象性，有大量的算法和晦涩难懂的基本理论[6]。在课堂教学中教师仅采用Powerpoint软件编制的课件不够直观，许多内容学生很难透彻理解。其次，数字信号处理是适应高速数字集成电路的面市应运而生的，其大量的计算算法适于在计算机上实现，对于人来说则运算量大且烦琐，学生们难以亲手验证，因而经常得不到形象化的结果，使得对理论的理解难以透彻，实际应用中总有一层障碍。另一方面是受限于传统实验室的模式和格局，数字信号处理课程的实验教学环节严重缺失[7-9]；信息类专业课程有很强的实用性，其受众广，且信息量大，然而因实验场地、设备、资金等因素，目前单一的传统实验室已完全不能满足学校完成教学任务，很难开展实验教学，很多院校根本没有配套开设实验教学。然而，实验教学是高等院校培养高素质合格人才的重要实践性环节，在培养学生的实践能力、研究能力、创新能力和综合素质等方面有着其他教学环节所不能替代的独特作用。若学生们缺乏实验教学环节，在实际应用时则会显得有些束手无策，实际动手能力和创新能力也亟待增强。若不能在教学中突破以上两个瓶颈问题――单一的教学形式和传统的实验室建设模式及格局，数字信号处理课程的教学质量和教学效果将大打折扣。
二、虚拟仪器技术在教学应用中的优势
伴随着虚拟仪器技术的发展及其在国内的普及，它可为数字信号处理课程的教学提供新的思路和巨大变化。突破传统教学手段，深入融合虚拟仪器技术，全面创新数字信号处理课程教学方法应运而生[10-11]。虚拟仪器是将现有的计算机技术、软件技术和高性能模块化的硬件结合在一起而建立的功能强大又灵活易变的仪器，其强调硬件是基础，软件是核心，使用者可通过修改软件，方便地修改和增加仪器的功能和规模，性价比高[12]。模块化硬件体积小，便于携带，可“装入”计算机，即能与计算机互联互通。软件开发平台可选择图形化编程语言LabVIEW，它具有功能强大的数据分析函数，可以非常灵活地为教学中的理论知识设计各种虚拟仪器。同时，它也将使用者从复杂的文本编程语言中解脱出来，将重心专注于软件的功能。这使得教师可在很短的时间内开发出虚拟仪器课堂应用，把书本上理论性较强的知识转换成直观性很强的动态图形，加深对理论知识的理解。由于虚拟仪器使用的硬件大多是通用的，各种专业仪器的功能主要依靠软件实现，将虚拟仪器引入至实验教学中，必将大量减少设备经费的支出和节省实验场地的空间，学生们也能感受和应用先进的科学技术和手段，积极主动地学习。因此，根据数字信号处理课程的特点，基于虚拟仪器技术开发虚拟辅助教学软件和构建虚拟实验教学平台，全面创新数字信号处理课程教学方法和体系。这对活跃课堂气氛，增强学生学习兴趣，提升学生基本技能，提高教学质量，巩固教学效果等将具有非常重要的意义。
三、创新课程教学形式，开发虚拟辅助教学软件
虚拟辅助教学软件是基于虚拟仪器技术开发的教学演示子系统。针对数字信号处理课程中许多难以理解的抽象概念与性质，对应每一章的内容相应制作多个精致的演示程序，用丰富而具有动感的彩色图形把课程中疑难之处用生动形象的形式展现出来，使学生加深理解。下面以“窗函数”为例，具体阐述虚拟辅助教学软件如何进行辅助教学。在数字信号处理课程中，为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截短，截断函数称为窗函数，简称为窗。在教学演示子系统中，基于虚拟仪器技术开发出窗函数比较动态演示程序，其前面板和程序框图分别如图1和图2所示。针对同一个信号施加不同的窗函数，让学生观察频域波形的变化，从而体会窗函数的性质和特性。这样动态形象的演示让学生能感性地认识到窗函数之间的不同，加深对窗函数的理解。
从以上应用实例可发现，通过利用虚拟辅助教学软件，不仅能够采用文字和静态图形直观地展示教学内容，还能通过动态图形生动形象地阐述教学内容，更易于学生理解所学内容。采用PPT课件和虚拟辅助教学软件结合授课，教学形式新颖，教学内容生动，教学效果更好。
四、完善课程教学体系，构建虚拟实验教学平台
虚拟仪器使用的硬件大都是通用的，各种专业仪器的差异主要靠软件实现。依托虚拟仪器技术、计算机技术、电子技术和通信技术等，融合多种模块化硬件设备构建高校虚拟实验教学平台，具有无可替代的优势和广阔的发展前景。图3为虚拟实验教学平台架构，由n台计算机及相关硬件如采集卡、信号调理箱、电工实验箱等组成，形成一个局域网，并与校园网连接，方便学生随时随地接入进行实验。
虚拟实验教学平台充分利用虚拟仪器技术和计算机高速计算的优势，给学生提供实用的信号仿真、分析处理、设计等工具，不仅可以快速便捷地得到所需的信号数据或计算结果，而且能把这些结果绘制成图形，给学生以非常形象化的感性认识。数字化的实验结果存储，加上网络传输能力，使实现远程实验教学成为可能，虚拟实验教学平台让实验随时随地进行。整个实验也许只需要一套硬件设备，其他是由软件来实现的，这样可以大大节省实验设备和场地的资金投入，即共享教学设施，节约现实教学资源。虚拟实验教学平台具有灵活、成本低、网络化等特点，在高校的教学乃至科研中将发挥极大的作用。与传统的实验室相比，虚拟实验教学平台的优势主要体现在：（1）传统仪器的功能仅由厂家定义，虚拟仪器在很大程度上功能可由使用者自行定义和设计，便于开展研究性或设计型的实验。（2）各种测量仪器不应当再是彼此相互孤立的，能够与计算机相联，组成一个以一台计算机为中心的测量环境（系统）。（3）计算机进一步组成网络，因而形成一个网络化的仪器与测量环境（系统）。虚拟实验教学平台能够为学生提供高性价比的实验教学条件，让教学环节从课本延伸到实验，加深对理论教学的深入理解，巩固教学成果，培养学生实践动手和创新能力，提高学生技能水平，让学生今后无论是直接就业还是继续深造都更具竞争力。
【关键词】labview 虚拟实验 信号与系统
在电子信息类基础课程的实验教学中，由于学生人数多，批次多，传统实验室在经费、场地、器材等方面普遍面临较大的困难和压力，同时传统实验教学需在规定时间内完成规定的实验，自行设计、修改参数、更换元件等均不方便，阻碍了学员个性的发展。建设虚拟实验室可以打破传统实验室在时间和控件上的局限性，学生通过自主登录网络即可完成实验的预习和操作，通过文字、图片、动画、声音等多方面辅助提示进行相关实验，激发学生的实验兴趣，增加对知识的理解。
1 虚拟实验室
虚拟实验室相对于真实实验室而言，它是基于计算机创造的仿真实验环境来模拟现实实验中的设备和仪器，最大化的模拟和再现真实的实验场景，使得使用者有身临其境的感觉。通过虚拟实验室的模拟操作，使用者能较全面的认识各种实验设备，熟练实验操作流程，并能对实验结果进行数据分析，加深理论知识的理解与消化。虚拟实验与真实实验类似，可供学生自己动手调节和使用实验仪器设备。教师也可利用虚拟器材库中的器材和典型实验案例进行教学，在计算机中真实重现整个实验流程。与现实实验室相比，虚拟实验室是现代教育技术的一个重要应用领域，它具有许多优势和特点：
（1）开放性。虚拟实验可以彻底打破空间的限制，在任何地点任何时间给实验者提供实验环境；
（2）经济性。传统实验需要借助于具体的实验设备，损耗大，实验成本高。而虚拟设备不存在磨损、破坏的问题，可反复使用，既满足了教学要求，又能节省实验经费；
（3）交互性。在虚拟实验中实验者可以根据自身的需要利用虚拟实验室提供的虚拟器材搭建、设计实验。
2 信号与系统虚拟实验室设计思想
信号与系统课程是理工科院校电类专业的一门核心基础课程，课程内容与数学联系较紧密，概念较抽象，理解起来较困难。很多设计性和综合性试验不易开设，即使能开出一部分，也存在在实验台上修改参数、更换元件、实际测量等操作较困难问题。建设信号与系统虚拟实验室，实现实验资源的网络共享，学生通过浏览器即可进行实验操作，将抽象的概念形象化，也易于实验内容的扩展、平台升级换代和维护，以解决实验设备不足、型号落后、更新换代慢的困难等问题。
3 虚拟实验室系统设计
3.1 系统功能模块
从功能上，信号与系统虚拟实验室可以划分为三个部分。
3.1.1 网络服务
该部分实现了虚拟实验室的网络功能。用户可以通过互联网登录系统，注册个人信息。登录后学生可以自主选择将要进行的实验，完成实验的预习、模拟仿真和实验操作以及实验报告提交等。如图1所示。
3.1.2 实验部分
该部分主要实现帮助学生了解实验目的、实验原理，并进行模拟仿真，增加对理论知识的了解，然后联系实际仪器进行具体的实验操作。如图2所示。
3.1.3 交流区
交流区是为师生提供了交流平台，学生在实验过程中可能会遇到各种问题，也可能通过实验会对理论知识产生疑问，通过交流区可以随时与教师进行交流。如图3所示。
3.2 虚拟实验设计
根据信号与系统课程内容的安排，以及知识点的难易程度，虚拟实验主要分成四部分：时域实验、频域实验、复频域实验以及综合实验。如图4所示。
4 虚拟实验实例
以时域实验中的零输入响应和零状态响应实验为例，设计了完整的实验过程。在实物实验中，一般只进行零状态响应的实验操作，而在虚拟实验中，学生可以对零输入响应和零状态响应有充分的了解。
（1）首先学生登录网站后，可以浏览本实验的目的，了解实验原理。如图5所示。
（2）然后进入模拟仿真页面，通过设置系统的相关参数，观察系统响应波形，并与理论结果相比较。如图6所示。
（3）在实验操作阶段，学生可以进行实验连线，进行数值测量，观察实验结果。并且结合实际仪器，例如示波器，实验过程中学生可以与真实仪器一样设置示波器的显示，帮助学生更好地熟悉仪器使用。如图7所示。
（4）最后，完成实验操作后，根据具体实验内容，学生完成实验报告，并在线提交。学生提交报告后，教师可以登录后下载报告查看。如图8所示。
5 总结
基于网络的labview虚拟实验室为教师和学生提供了一种新的实验方法，它不受时空限制，在一定程度上节约了元器件的损耗，开拓了实验范围，可以帮助学生更好地掌握知识。虚拟实验系统的应用范围很广，因它的种种优点，它更可以广泛应用于各种实时的仿真流程及工业生产当中。对虚拟实验室的研究需要综合运用多方面的知识和经验，而本文的研究也只算是起步阶段，接下来将进一步完善系统功能，加强实验效果，给学生提供更多地学习帮助。
参考文献
[1]王惠兰.基于B_S模式的网络虚拟实验室设计方法及实例研究[D].吉林大学，2005.
[2]陆兴华，冯志鸿，基于开放式虚拟实验室的电子通信学科计算机仿真实验改革与研究[J].新校园，2015（06）.
[3]吕睿.基于B/S体系的电工电子网络虚拟实验室设计研究[J].电子设计工程，2015（11）.
[4]于文波.开放式网上电工虚拟实验室建设的研究[J]考试周刊，2015（65）.
[5]王薇.网络信息化虚拟实验室模式的实践与探索[J].现代情报，2006（12）.
[6]曹颖.虚拟实验室在仪器分析教学中的应用探讨[J].实验科学与技术，2015（02）.
[7]戴成梅，戴成建.基于Labview的电工电子网络虚拟实验室研究与开发[J].实验室研究与探索，2011（02）.
[8]王学严，张茹，张虎等.大学物理虚拟实验一体化设计与实例[J].实验技术与管理，2015（09）.
作者简介
朱莹（1983-），女，江苏省镇江市人。硕士学位。现为理工大学通信工程学院讲师，主要从事信号分析等方面的教学和科研工作。
论文摘要:当前很多院校都开设了有关网络信息安全的课程，然而由于部分院校还没有来得及建立相关的专业实验室，而正常的教学工作用机又不允许安装实验演示需要的环境和软件，只能进行单纯的理论教学，因此很难激发学生的学习兴趣，学习效果也达不到预期目标。笔者经过一段时间的摸索，通过采用虚拟机技术，在一台实体的计算机上，安装任意台的虚拟机，模拟真实网络服务环境，解决了网络信息安全教学备课、教学演示中对于特殊网络环境的要求问题。
1虚拟机技术的简介
所谓虚拟机，顾名思义就是虚拟出来的计算机。虚拟机技术也就是利用虚拟机软件可以在一台实体计算机上虚拟出来若干台计算机一种技术。这些虚拟出来的计算机和真实的实体计算机几乎完全一样，每台虚拟机可以运行单独的操作系统而互不干扰，而且可以随意修改虚拟机的系统设置，而不用担心对实体计算机造成损失。
采用虚拟机技术一方面可以解决一般院校课堂教学没有网络环境的问题，另一方面也可以解决一些带有破坏性的实验演示所需要的特殊环境要求的问题。
2利用虚拟机技术构建实验演示环境
在木马的功能与危害实验、网络攻击典型手段等演示中需要在一台实体机(为了方便备课和教学可以采用笔记本电脑)上同时启动多台虚拟机，对实体机的系统资源占用量大，在操作中也经常需要重新启动虚拟机，考虑到virtual pc在资源占用和简单易用上的优势，所以，在本课程的实验演示中虚拟机软件选用了virtual pc。
virtual pc虚拟机软件的安装和设置不是很复杂，但是在构建具体的实验演示环境时还要注意以下几点事项。
1)虚拟机数量的选择问题。为了节约资源，提高系统运行速度，一般建立2个虚拟机就能满足实验演示的需要了。
2)旎拟机操作系统安装的问题。如果建立了2个虚拟机，一般一个安装windows 2000 server操作系统，另一个安装windowsxp操作系统，安装过程和操作与实体机上的操作一致。在安装操作系统时要注意版本的选择，因为我们的目的是要演示木马的功能和危害还有网络攻击手段，因此虚拟机的操作系统还不能全部打上补丁和安装杀病毒软件。
3)实体机的网络配置问题。virtual pc是通过在现有网卡上绑定virtual pc emulated switch服务实现网络共享的。对于win-dows2000或windows xp等操作系统，如果实体机在课堂教学时网线没插或没有网卡的时候，要安装microsoft的loopback软网卡，才能实现网络共享。在virtual pc的global setting里，当有网卡并插好网线的时候，将virtual switch设成现实的网卡;当没有网卡或网线没插的时候，将virtual switch设成ms loopback软网卡，即可实现网络共享。
4)实体机的硬盘空间问题。在一个硬盘分区中，为每台虚拟机的映像文件预留足够的硬盘空间。windows2000 server的虚拟机映像文件约占2.4gb , windows xp的虚拟机映像文件约占1.sgb。如果启用硬盘undo功能，所需硬盘空间还要增加一倍。
5)实体机的内存大小的问题。由于在实验演示时要同时启动2个以上的虚拟机的数量，所以，要尽量扩大实体机内存的大小。建议实体机系统的内存最少也要达到igo。
论文摘要：虚拟实验的出现引起了实验领域的一场新的革命．本文借助于虚拟现实技术。分析虚拟实验室的实现模式及体系结构，并根据虚拟实验过程研究了主要功能的实现．本文为虚拟实验方面的研究提供 了一定的 参考 借鉴．
虚拟实验技术是基于一定技术进行的实验，是信息时代 发展 的产物，是人类的实验技术和研究能力进入一个新发展阶段的标志．学生通过虚拟实验 ，可以对实验的思想和方法、仪器的结构及原理的理解取得较好的效果，达到培养能力、学习技能、深化知识的目的．
1 虚拟实验的设计
1．1 虚拟实验室的实现模式
虚拟实验室的建立，使得处于不同位置的学习者可以同时对一个实验项 目进行实验工作．web为虚拟实验室的实现提供了一种基础平台，基于 web的 b／s构建模式是实现虚拟实验室的一种基本模式．
完善的虚拟实验室包含下面几个重要的组成部分 ：第一，能处理大量模拟操作数据的服务器(女口超级 计算 机中心高性能的计算机系统)；第二，用于存储模拟数据初始条件和边界条件以及实验结果数据的数据库系统；第三，连接于 网络 的 科学 实验仪器及合作工具等；第四，实验处理软件 ，每一个虚拟实验系统都是基于专业的仿真软件系统的，它们用于数据处理、分析 、存储并使这几个过程可视化．这几个部分的紧密结合就组成了一个虚拟实验室．
1．2 虚拟实验的体系结构
虚拟实验根据参与感知交互方式的不同，主要分为三类：桌面虚拟现实系统、座舱式虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统后 两类虚拟实验系统需要昂贵的设备 ，创建一个虚拟现实系统的花费是相当巨大的，无论是从软件还是从硬件 ，普通的用户都无法承担．因此在 目前阶段还不可能大规模应用，其仅仅运用在军事和航空航天等方面囝i本文研究的虚拟实验系统属于第一类，即桌面虚拟现实系统．和用软件编程方法在输出设备(如显示器)上输出逼真的具有虚拟现实系统特征的三维场景．网络虚拟实验平 台采用的是vrml-java同步协调技术．总体的设计思想如下：
(1)系统结构为 3层 b／s结构，由客户端、网络服务器和数据库服务器组成．b／s结构简化了客户端软件，只须安装web 浏览器作为客户端的运行平台，采用该结构实现的共享虚拟环境比较稳定和健壮 ，可扩展性较好．系统版本的升级及维护均在web服务器端进行的，用户需要访问时才动态下载，这就保证了用户每次使用的都是最新版本．
(2)客户端与服务器端的通信采用基于tcp//p 协议的．1ava socket通信技术 ，java对网络通信提供了强有力的支待，其中 java．net包中的 inetaddress 、url、socket 等类对tcp／ip 协议提供了良好的支持．
独立运行的服务器应用程序主线程负责监听客户端的连接请求 ，连接上后生成另外一个线程与客户端通过‘iep／ip进行通信．在服务器上建立一个共享对象的数据库上面有所有变动对象的当前信息．当一个新用户连接进来的时候，他的信息将写入该共享对象数据库中，同时通过该数据库读取共享对象的信息，并将这些信息在本地机器上的vrml世界中表现出来．
(3)服务器与数据库的通信技术是基于jdbc．
(4)vrml与java间的通信是基于 sai．
综上所述，系统采用 web、vrml、sai、java、jdbc、sql等主要开发技术．虚拟单元作为实验的主体，提供不同的设定参数，以java applet形式运行 ，并通过 vrml脚本编程接口sai与 java进行通信翻．
1．3 虚拟实验的功能层次结构
虚拟实验系统遵循模块化设计的原则，采取类 iso协议的分层技术，无论是什么课程的虚拟实验系统，最终的程序遵循以下的层次结构：上层是实验接 口层；中间是 web服务接口、仿真服务接 口以及中间件等．下层是后台服务程序．
(1)用户实验接口的主要功能：作为虚拟实验室客户端模块的一部分，主要完成“所见即所得”功能，给用户提供一个良好的界面(实验环境)．同时引导用户 了解 、熟悉、掌握虚拟实验软件的基本使用方法；收集用户设置的实验参数和数据；检查用户的实验环境是否配置正确．提供与web服务接 口的相关函数．另外 ，还要完成实验结果的采集、处理、优化和显示 ，可以包括各种数据的图形化、图表、动画显示及打印输出．具备简单的智能分析功能，给用户提供方便的处理接口．
(2)web服务接口的主要功能：负责管理虚拟实验系统的一般 web服务请求，负责接受虚拟实验原始数据 ，向客户端发送虚拟实验结果．负责通知消息的 ，统计 网络 状态信息，调整用户权限等．
(3)服务接 口的主要功能：负责调度后台虚拟服务程序，接收上层接口传递的实验数据 ，记录用户的实验过程．
(4)a0间件模块的主要功能：为仿真后台程序和仿真服务接口模块提供通用的接口，向下负责发送调度指令和接收结果，向上负责接收调度指令和发送结果．
(5)服务程序的主要功能：第三方服务程序，提供相应的服务． [
2 虚拟实验的实现
【关键词】计算机网络;虚拟实验室;虚实结合;整合资源
【中图分类号】G420 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)09―0143―03
引言
高校的许多非计算机专业的培养方案中要求开设计算机网络课程,如信息管理管理与信息系统、电子商务、图书情报学等专业,一些高校还开设了计算机网络公共选修课[1]。计算机网络是一门既重理论更重实践的课程,实验教学是帮助学生理解原理、加深认识而达到学以致用的必要环节。然而众所周知的是网络设备、服务器一般是比较昂贵的,且更新较快,因此建立完备的计算机网络实验环境是比较困难的。一些高校尤其是文科类院校,开设计算机网络课程的专业少,出资建设网络实验室显然是投资回报率非常低的。所幸近些年来,随着虚拟硬件的软件(部分免费)有了显著的发展并普及,越来越多的高校利用这一契机建立了虚拟实验室,部分还开发了配套的实验课程设计。虚拟实验室既节省了资金,又可突破传统实验室在时间、空间上的限制,同时还能激发学生的主观能动性,并可融合E-learning的优点[2]。然而虚拟环境毕竟不能代替真实环境,部分实验内容必须有真实的设备为辅方可顺利进行。为避免出现学生只会操作软件、一旦碰到实际问题却无从下手的情况,必须在利用虚拟实验室的优点的同时配备符合一定要求的真实实验环境。
本文首先分析了计算机网络课程实验教学的内容和要求,总结了三类实验室的特点,提出可整合校内外资源、网络资源,扬长避短建立以虚为主、以实为辅、“虚实结合”的计算机网络实验室及课程教学设计。
一 计算机网络课程实验教学的内容及特点
计算机网络课程讲授内容的范围及深度主要包含以下7点:(1)从总体上了解计算机网络的概念、发展史、应用领域、功能和特点、掌握计算机网络的拓扑结构,了解OSI与TCP/IP体系结构;(2)掌握数据通信的基础知识,弱化通信技术理论;(3)掌握局域网络、广域网络的基础知识及基本原理,强化简单的局域网组网方法;(4)掌握网络互连技术的基本知识及网络互联设备的使用,强化交换和路由的概念;(5)掌握TCP/IP协议各层协议及其基本工作原理,立足端到端通信;(6)了解网络管理技术的基本知识;(7)了解网络安全技术的基本知识,掌握简单的保护网络安全方法。
计算机网络的应用繁多、知识面广连贯性弱,实验操作能够帮助学生加深对网络原理的理解,提高应用能力,促进创新性思维。可将计算机网络实验分为3种类型:原理验证型实验、综合应用型实验和探索研究型实验。(1)原理验证型实验借助PC机、网络基本设备、协议分析仪和流量发生器等软件帮助理解复杂的计算机网络工作原理。实验可以在基本网络环境中进行,也可以在仿真实验环境下进行。目的是帮助学生提高计算机网络应用和维护的技能,为服务社会做好准备,同时有助于深入理解网络原理。(2)综合应用型实验应在真实网络环境下由学生实际操作完成,如设计并安装局域网,配置交换机和路由器等网络设备,配置、应用和维护各种应用服务器,如DNS服务器、web服务器、电子邮件服务器、媒体服务器等,这类实验需要有网络设备和服务器的硬件基础。(3)探索研究型实验主要用于发现网络新知识、验证协议或某种猜想等,这是专家或研究生要从事的工作[3]。
根据不同的教学层次,可将实验内容划分为五大类别:
二 计算机网络课程实验室的分类
不同的院校及不同专业对计算机网络课程的定位不同,造成了他们对课程实验的要求不同。一些专业的学生可能今后大部分将直接从事计算机网络相关工作,而一些专业可能更偏重于了解原理懂得操作但不会直接从事相应工作。课程要求不同将造成他们所使用的实验设备也不同。根据课程所使用的实验设备可将实验室分成3类:
1 传统实验室
实验设备就是各大厂商生产的设备,其中网络设备包括主流的思科、华为、H3C、锐捷等产品,服务器则可以是IBM、HP、DELL等品牌的。一些高校是自行购置设备,而不少学校则是通过与设备厂商或者是外部培训学校合作的方式建立实验室,以达到节省资金并提高教学效果的目的。
真实的实验环境是学生验证知识、学习技能的绝佳环境,但是设备昂贵、种类众多、维护困难,随着学生不断增多,要达到人手一套,无论是自行购置还是与外部合作都有较大困难。
2 虚拟实验室
实验设备为软件虚拟而来。许多网络设备公司为推广其产品和技术,开发出免费的模拟硬件设备的软件以供技术人员使用。流行的虚拟网络设备有思科公司的Packet tracer和Dynamips、Boson公司的NetSim等,虚拟计算机硬件的主要有VMware公司的VMware workstation、微软的Virtual PC等[4]。教育界逐渐将这类软件引入到计算机网络的实验课程中,并有一些高校自行研发了具备系统教学功能的虚拟实验平台,如北京邮电大学研制了Linux操作系统和计算机网络虚拟实验系统,浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室开发了虚拟环境行为仿真系统等[5]。
虚拟实验室具有如下主要优点:
软件即设备,安装方便,节省了购置和管理维护硬件的成本和时间。
哪里安装哪里使用,突破了传统实验室在时间、空间上的限制。
操作简便,无需担心操作失误、破坏设备,具有可再生的等能力。
实现E-learning,网络上丰富的学习资源、技术支持,可充分发挥学生的自主学习能力,为今后的进一步学习打下基础。
在前面列出的5类实验中,除基础实验的识别设备和制作线缆外,虚拟设备几乎可以满足全部验证性的实验要求。但同时也应该认识到虚拟设备有其局限性,一般只能虚拟部分类型的设备,同时许多操作特性两者不一致,软件也可能出现小Bug。现实中的小问题也可能成为阻碍学生进步的绊脚石。
3 “虚实结合”的实验室
即既配备真实设备,也有虚拟的实验环境。“虚实结合”的实验环境中,其中“实”的部分是一套或多套典型的目前流行的硬件设备,“虚”的部分包括即可以使用已有的虚拟软件,也可以自行开发的虚拟平台。“虚实结合”的实验室需要教师在课程演示中即提供真实的操作又教会学生在软件上的操作,使得学生更能体会虚拟软件的优点,达到实战的效果。
三 整合各种资源,构建“虚实结合”的计算机网络课程实验室
将虚拟技术用于构建计算机网络课程实验室既是方法和理念的创新,目前已有广大院校专业建立了虚拟实验室。然而这也引起了另一种做法的出现,即认为实验室里使用虚拟硬件可以完全满足实验需求,无需再购置任何硬件资源[6]。事实上,通过上文对计算机网络实验教学内容的分析以及对广大网络技术人员的实际经验的总结,可以知道虚拟和现实是存在差异的,虚拟设备可以用以验证原理和练习部分操作命令,但是学生如果仅仅掌握软件的使用很可能连基本的网线都不会制作。我们必须本着以“实”为目标、“虚”为手段,扬各自的长处,避他们的短处,建立以“虚”为主、以“实”为辅、“虚实结合”的实验室[7]。
构建“虚实结合”的实验室必须要避免“实”的部分的缺点。通过分析可知,与传统实验室的“实”不同的是,“虚实结合”的实验室只需要少数几套硬件网络设备即可,主要用于帮助学生区别“虚”和“实”的差别。各院校专业可充分利用校内、外及网络上的各种资源以建立高性价比的“虚实结合”的实验室。一般情况下,这些潜在的资源包括:
四 “虚实结合”实验室的应用
1 “虚实结合”的实验教学设计
各院校专业可根据开课的教学层次、要求,开发配套的实验教学设计和考核方式。
一种可行的教学设计将实验内容分为三个部分:课前基本实验、课堂实验和课后发散实验。
课前实验是指在教师在讲授完相关知识点后,进行课堂实验前,先布置一个简单的实验供学生理解原理。实验提供详细的实验步骤、操作命令及网络拓扑图等。
课堂实验是指在计算机房,教师当场布置一个与课前实验类似当难度相对较大的实验,要求学生在课堂即完成,可提交实验结果文件或当场要求学生操作相关命令,以检验学生理解原理、掌握命令的程度。课堂实验可作为学生实验课程评分主要部分。如果没有紧迫感和时间限制很多学生将不会完成课前实验,课堂实验效果也不会理想。这样方式可以提高学生的实验积极性和成就感,避免学生因为无监督而恍然学过本课程。
发散实验有两方面的内容,一是指在实物设备上进行操作,而是指创新性实验。完成虚拟实验训练以后,教师设计具体现实问题,组织学生再进行实际实验操作。由于有了前面虚拟实验的基础,学员进行实物实验时不能和虚拟实验完全一样,所以实物实验要加大难度,可以事先由教师人为设置实验故障,教学中适时启发学生的思维、巡视检查学生的排查故障情况、及时发现并纠正学出现的错误,最后进行实验总结。创新性实验可以是综合性实验的全部或者部分。它是在前面三个部分基础上的又一次的提升,教师提出创新实验课题,让学员充分运用各种资源,进行网上讨论和实验设计,利用课外时间成立实验小组来开展创新实验。
2 “虚实结合”的考核方式
不同院校专业根据各自的教学目的和教学要求决定考核方式。“虚实结合”的实验课程考试要求检验学生在虚拟环境和现实环境中解决问题的能力,因此考试要求包括虚、实两部分内容,均要求学生在课堂上规定的时间内完成。
五 结语
“虚实结合”的实验环境及课程设计有利于提高实验教学质量有利于激发学生的兴趣和积极性,可节省投入,对培养学生的自主学习能力和创新能力有较大的帮助。各院校可根据掌握的资源条件建立最高性价比的实验室,并设计配套的教学方案和考试方式。同时院校间可加强合作、共享资源,不断吸收企业、培训机构的先进技术和教学经验,推进“虚实结合”的实验室建设及教学模式的发展。
参考文献
[1][3] 田青,邵美科.信息管理与信息系统专业“计算机网络”课程教学的思考与实践[J].计算机教育,2009,(4):87-89.
[2] 李冠群,丁友斌.E-learning与《计算机网络》课程教学的整合[J].安徽水利水电职业技术学院学报,2009,9(4):81-83.
[4] 吴俊强.构建虚实结合的计算机网络实训室[J].实验室研究与探索,2009,28(11):245-247.
[5] 孙燕莲,文福安.虚拟实验教学的探索与实践[J].现代教育技术,2009,19(4):131-132.
关键词：虚拟现实;展示设计;文化传播
引言
中国拥有悠久的历史和厚重的传统文化，需要我们不断传承下去，然而有很多人并不曾真真正正了解过这些优秀的历史文化。中国地域上的空间界限，人们通过游览观看，阅读文字等方式了解传统文化，但这些方式仅仅是浅尝辄止的，众多青少年对传统文化并没有足够了解与深入的认识。传统展示方式的体验形式单一、载体匮乏、内容枯燥乏味，难以吸引青年的关注。拥有良好视觉效果的展示设计能够吸引青少年注意力，随着虚拟现实技术的发展，借助虚拟现实展示设计能够达到文化传播的目的。因此传统文化传播借助新技术将是必然趋势。
一、传统文化的传播
当今社会，传统文化逐渐被人们轻视和忽视。青少年在了解学习传统文化时，通过阅读书籍报纸、观看影像资料参与当地祭祀活动等，然而这些传统参与方式并不能给予青少年良好的体验感受。这些悠久的历史文化如何能吸引青少年的关注，使他们更深入了解文化内涵和底蕴，实现文化传播的目的。我们需要将传统文化体验方式进行一些创新和设计，结合当下时展，用更新颖的方式推广。
（一）青少年对传统文化的认知状况：随着社会的不断发展，极大丰富青少年的日常生活，各种各样的外来文化进入了青少年的生活当中。青少年受这些时尚潮流的影响，青少年在接受新鲜文化的同时对于自己国家的传统文化了解很少。如今的青少年来到具有浓厚历史文化的古城、古镇，或者去一些具有丰富人文历史的地方游览时，大多数青少年只是下车拍照，之后在社交软件上展示就什么也不记得了，很少有人能融入到历史文化中。中华文化源远流长，几千年的积淀中，蕴藏着丰富的前人智慧，吟诵经典、各地民俗、手工艺等传统活动。让孩子们从小就熟悉、喜欢传统文化，因此中小学教育加入对传统文化内容的学习，开展与文化社团合作的体验活动，书法、造纸、青花彩绘等，传统文化的传承要在体验中感受它独特的魅力（如图1、2）。
（二）传统文化传播意义：中华传统文化源远流长，内容博大精深，保护与传承中华五千年的文明成果是一个国家、一个民族发展的根本。然而传统文化逐渐被青少年忽视，如何引导青少年传承中华优秀民族文化，拉近青少年与传统文化之间的距离。这需要社会各界一起努力。弘扬中国传统文化有利于增强国家文化软实力，我们要积极反思与探索，为中国传统文化良性发展与传承作出努力。发扬中国优秀传统文化具有重要价值和意义，我们需要让青少年浸润在优秀传统文化当中，汲取精神营养、树立正确价值观。加强传统文化保护与发展，有助于文化兴盛，更有助于中华民族精神力量的提升，是国家、民族发展繁荣的条件。
二、虚拟现实展示设计概述
（一）展示设计概述：在空间环境中通过艺术手段，借助一定的展具设施，有计划、有逻辑地传达给参观者准确信息和内容。这种展示手段将最核心的信息内容传递给观众，并以此对观众的心理、思想和行为产生影响的创造性设计活动。从传统展示设计的展示角度看，传统的展示方式不能满足观众对信息获取的需求，无论从传统的印刷品、文物展示、文化活动等都受到了空间与时间上的限制。随着科技水平的进步，参观者获取信息的途径越来越多元化，参观者并不需要到现场去获取信息，大量的信息内容在网络中就可以得到共享。
（二)虚拟现实技术的定义：虚拟现实起源于20世纪50年代的美国，是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术而发展起来的计算机领域的新技术。综合来说，虚拟现实技术是一项采用计算机领域多种学科技术而形成的一种具有真实感官体验的虚拟环境，虚拟现实技术所具有的特性：多感知性、交互性、自主性。通过电脑技术产生虚拟的三维空间，使体验者置身其中，并通过交互设备与三维空间环境中的目标物体展开交互，相互影响。
（三）虚拟现实展示技术的界定：虚拟现实展示设计是一种新的多媒体展示手段，具体来说，它通过计算机将真实场景生成虚拟环境，将声音、图像等信息传递给人们。这是一种具有人机交互能力的信息展示方式。通过设计者的制作实现实时交互，使人们游览浩如烟海的文化历史。虚拟现实展示设计对信息的传达越来越丰富。与传统展示方式相比，虚拟现实展示手段通过三维数字模型作为展示媒介，观众可以在虚拟环境中从任意角度获取信息内容，也可以遵循自己的意愿去了解信息，避免了传统二维图形传达信息的单一性，不完全性。设计者充分利用虚拟现实技术来实现展示方式的艺术性突破。虚拟现实展示设计使观众的感受得到突破。传统信息展示过程中，观众通过视觉听觉获取来自多媒体上面的信息，这种信息传达是设计者有意安排传达给观众的，科技高速发展的今天，我们有能力实现信息展示的创新，帮助观众自由地获取信息。虚拟现实展示设计的优势在于互动性，它使观众与人机之间产生交互，突破以往的限制，有利于观众自主获取信息资源。虚拟现实具有更个性化的展示效果。充分发挥设计者的想象力，以及情感目的，改变真实世界中理性带来的束缚，你可以穿越时空回到过去，可以亲身经历那些经典文化。展示的内容不再局限在书本、影像中，虚拟现实创造的虚拟环境绚丽多彩，把过去不复存在的东西又带回到我们的眼前，独特的观察体验方式符合新时代的需要。
（四）虚拟现实技术的应用实例：目前，VR技术早已走进了我们的生活当中，特别是在文化领域，虚拟现实技术使青少年逐不出户就能领略到古老紫禁城的历史风貌，不用穿越时空就能体验到华夏民族祭天仪式对于天滋润、哺育万物的感恩之情。目前，许多大公司把注意力放在虚拟现实技术与其他领域相结合上，比如，由北京暴风魔镜科技有限公司联合北京龙泉寺推出的虚拟现实产品，《全景龙泉寺》是将龙泉寺转化成虚拟现实场景。通过手机下载全景龙泉寺APP，佩戴VR眼镜后，就可以通过手机浏览内容。观看虚拟森林剧院中百余部虚拟动画短片，在虚拟的佛堂中品味梵呗，读诵经典，在见行堂体验龙泉寺内僧侣修学的活动场。以别样的视角来到龙泉寺游览，足不出户领略龙泉寺的绝美风光;瞻仰深奥佛法的道理，增加智慧。新颖的体验方式满足青少年的好奇心，提高他们的求知欲，避免了青年人对佛法枯燥的接受。通过虚拟现实技术所展现的内容是传统展示方式无法比拟的，其独特的沉浸式交互体验吸引青少年学习传承传统文化的热情，传统文化的传播与体验方式会因VR技术而改变（如图3、4、）。
三、虚拟现实展示设计的技术
（一）虚拟现实环境建模技术：以《全景龙泉寺》为例，利用计算机构建一座高度还原的龙泉寺场景，人身处虚拟场景中获取庞大信息量。因此建立逼真的环境模型是一个重要环节，通过获取现实环境中数据信息，通过三维制作软件建立三维虚拟环境模型。目前三维制作软件常用到的有有maya、3dmax等。
（二）实时三维图形生成技术：人身处在虚拟环境中需要实时感受环境的动态变化，以人的行为活动为中心，人与环境产生交互动作。为使人在虚拟环境中产生身历其境的效果，因此良好的实时动态的图形效果是首要条件。随着科技水平的进步，计算机硬件设备的升级，在不降低图形的质量和复杂度的前提下，使图形处理能力得到提升，使人体验到更真实的效果。
（三）虚拟现实交互设备：通过输出设备有效实现同虚拟世界中的对象进行互动。为使人在虚拟世界中与场景物体产生反映，不少公司开始生产可实现的虚拟现实设备，这些交互设备包括数据手套、动作捕捉设备、眼动仪等。不同设备各有优点也有很多不足，例如体验者长时间使用头戴式设备时会产生眩晕感，使体验者并不能从虚拟环境中获取快乐。因此虚拟现实交互设备有很充足的提升空间。
四、虚拟现实展示设计对文化传播的启发
（一）公众教育：在文化传播中运用虚拟现实技术使当前传播方式获得巨大改变。传统文化传播方式枯燥无味，难以满足观众文化学习的需求。越来越多的观众在文化学习过程中，更加注重文化的呈现方式以及触动内心情感。而利用计算机创建出虚拟三维环境，观众通过佩戴设备在虚拟空间里感受历史的厚重内涵。引领观众穿越时空融入历史文化当中去，与历史面对面地进行交流。这种虚拟现实直接使人们在游览中获得更高的视觉冲击与心灵感受，也使得观众对传统文化产生新的认知，有利于传统文化的进一步发展。
（二）融合创新：随着交互设备的出现，人不再通过传统的方式触摸屏或鼠标、键盘等进行操作，这种更真实与更深入的体验方式，使人们能够深刻了解文化内容。虚拟现实展示设计通过人们艺术性的思维创作使得表现形式丰富多彩，文化传播中具有明显的优势，通过独特的互动体验使得文化展示的艺术效果强烈而深入人心。文化传播依托于新技术的出现使得中华传统文化的继承与发展更为深刻有效。
结论
