仿真实验篇1
【关键词】系统思维仿真实验
【中图分类号】G642【文献标识码】A【文章编号】2095-3089（2016）09-0151-02
一、引言
目前，系统仿真技术在实际应用中受到更为广泛的重视，因此学生在高校学习阶段，应重视其在系统仿真能力方面的培养。本校的仿真实验室具备教学的基本环境，为了应对日益发展的新需求，应该形成一套有效的培养模式。本文从系统思维在仿真实验的设计和分析两个方面的应用，说明了如何有效的从系统角度构建仿真实验及实验室教学方案以提高学生的系统仿真能力。
二、仿真实验概述
仿真实验是利用仿真模型针对系统目标进行定量研究的一种设计实践活动[1]。仿真实验设计就是对仿真实验的详细构思，是在正式进行实验之前，根据实验的目的和要求，运用有关的实验设计原理和方法，对实验方法和实验步骤的预先设定。作战仿真实验的操作是使用仿真模型或系统上的一些操作实验定量研究活动。作战仿真实验设计是详细的作战仿真的概念，是在正式实验之前，根据实验的目的和要求，利用实验设计的原理和方法、实验方法和步骤的设置[2]。
仿真实验主要有两个方面的问题需要解决，即实验的设计和数据的统计分析。实验设计主要包括对实验变量进行控制，即有目的地、系统地操纵和改变自变量，从而使得因变量的变化得到观察。只有按照系统的实验设计方法进行仿真实验，才能得到的比较真实客观的实验数据来进行科学的统计分析，才能分析出有效的建设性的结论[3]。
三、系统思维在作战仿真实验设计中的必要性
仿真实验设计要满足学生能力培养的需求，而学生的能力培养是一个长期的变化的过程，在学生的能力素质培养过程中实验室依然要能够为学生的能力培养提供继续发展的空间。然而目前的教学中仅仅是部分学生，或者是部分课程使用仿真实验室，仿真实验的设计并没有一个整体的规划，也没有系统的将实验室的建设与学生的能力素质培养紧密结合起来。
系统思维就是把认识对象作为系统，从系统和要素、要素和要素、系统和环境的相互联系、相互作用中综合地考察认识对象的一种思维方法。与形而上学的静止的不变的思想不同，系统思维是将研究对象看作动态的，不断变化的，内部因素互相作用，互相影响的整体。通过改变系统的结构，影响系统内部要素之间的关系从而影响系统的功能，达到最优或者满足条件的效果。系统工程通过系统设计，系统分析，系统决策来选择出最优方案。其中较为重要的是系统思维是动态的看待研究对象，用反馈的方式来认识对象，我们提出方案设计，对方案进行试验，试验后进行分析得出结果是为了反馈方案设计达到不断完善，不断修正的目的。运用系统思维能够更好地发挥仿真实验室的作用，以提高学生的能力为目标，综合设计实验室的各种功能，用系统的课程方案，在合理的训练中达到最好的效果。因此，必须在设计之初就贯彻系统思维从内到外整体的考虑实验室所要满足的需求，既要满足当前的需求，又要满足未来可能的需求，既要满足课程设置的需求，又要满足学生能力整体综合发展的需求。
四、运用系统思维的仿真实验设计过程
仿真实验设计是一系列操作仿真分析和测试分析方法，通过有目的的改变仿真系统的输入得到输出数据，并分析系统的输入和输出之间的关系，从实验中获得最大的收获和可靠的研究成果。
运用系统思维合理选取经典案例以及未来可能产生的案例作为想定，让每个学生自行撰写系统仿真方案，然后分组进行讨论，再使用仿真实验并用不同的参数对系统进行模拟，对结果进行分析。
在这个过程中主要分以下几个步骤：
1.运用实验室环境下的局域网，组织仿真比赛对抗
在经过学习一段时间后，学生对仿真系统的背景参数有了一定的了解，在电脑对抗中也将自己的能力进行提升。运用实验室环境进行分组比赛对抗，能更好的发挥自己的创造力和才能。
2.写出心得体会，组织分组交流讨论
学生经过专门培养之后也需要总结自己的学习经验。特别是在比赛中取得好成绩的学生，将自己的系统设计及仿真结果进行汇报展示。
3.各组针对本组的设计对方案修改再次组织模拟对抗
每组学员对本组的方案中的不足，运用系统思维整体地考虑作战计划，提出新的作战方案，进行再次模拟。
4.对系统方案中重要参数进行分析
对比多次仿真比赛结果，运用层次分析法，找到对作战结果影响最大的因素并调整对应模型的中的参数来加强学员对于作战中各项因素起到的作用的理解。
5.收集仿真模拟中自主设定的数据
收集每个学生设定的多次大量数据为下一步仿真实验系统化分析做准备，得出建设性的建议来指导学生的仿真实验实践过程。
五、总结
本文着眼于学生的仿真能力培养需求，结合仿真实验室的功能，运用系统思维提出更为有效的培养模式，着重分析了如何运用系统思维让仿真实验发挥出最大的长久的作用更为有效的提升学员的能力素质。系统思维的运用将实验室对仿真实验产生作用的各个要素有效的组织，通过有效规划就能更好地发挥实验室教学对人才培养的辅助作用。
参考文献：
[1]王海英.系统思维与全局设计：成功教育改革的前提条件[J].湖南师范大学教育科学学报，2014（04）.
仿真实验篇2
关键词：供配电技术；实践教学；仿真实验
作者简介：钱素琴（1971-），女，上海人，东华大学信息科学与技术学院，副教授。（上海201620）
中图分类号：G642.423?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）33-0069-02
现代电力系统的大容量、超高压、跨区域特征导致系统分析极其复杂。电力系统事故发生具有突发性和复杂性的特点，而且事故维持时间短，破坏力大，事故后对故障原因的分析和查找十分困难。对电力系统的分析研究需要进行各类试验，但不管从现有技术能力还是从系统安全性角度考虑，在实际运行的电力系统及变电所中进行人员培训和科研都是不现实的。
当前社会不仅要求高素质人才要掌握高新技术，还要具备实践动手能力。因此，高校教育中实践环节越来越受重视。从近年的高校教育改革来看，一方面是理论教学课时的压缩和专业实践环节课时量的大量增加，另一方面国家在教学经费投入上，也越来越倾向于实验室建设和实践教学改革。
“供配电”课程是电气自动化专业一门重要的专业技术课程。其主要是研究电力供应和分配问题，包含了电力系统的发电、配电和用电三大环节的相关技术，涉及到电力系统的暂稳态分析、短路故障及电气保护等问题。该课程内容与工程实际结合紧密，教学中迫切需要相应的电力系统实验的支撑。但是目前学校不具备实验条件，多年来只能开展供配电电气设计实践，无法结合理论内容进行相关的电力系统分析实验，不利于学生的学习。
同时，电力系统的设备成本昂贵，要仿照实际应用的电力系统组建实验装备，投入太高。而且电力系统的安全运行也不允许进行如系统短路故障等类型的实验。因此，采用计算机仿真技术进行电力系统仿真，可以不受原有系统规模和安全运行的限制，结合课本内容开发典型的仿真实验，成为解决“供配电”课程实践教学问题的最佳途径。
一、仿真软件的选用
当今比较流行的国内外电力系统仿真软件，因其软件结构和功能特点不同，其应用领域有所侧重。如加拿大H.W.Dommel教授开发的EMTP软件，主要用于进行电力系统电磁暂态过程数字仿真；德国西门子公司开发的NETOMAC软件、美国电力技术公司开发的PSS/E主要进行电磁暂态和控制环节的仿真；中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序PSASP主要进行潮流和机电暂态数字仿真等。随着科技的发展，这些大型的专业电力系统仿真软件正不断的更新完善，向多功能、综合分析的方向发展。
以上专业仿真软件功能强大但成本昂贵，用来作为课程教学的辅助工具不免大材小用。学生对这类软件比较陌生，上手较慢，不利于教学的开展。Mathworks公司开发的MATLAB软件是一种以矩阵为基本编程单元的程序设计语言，具有良好的开发性、高效的数据仿真分析。目前，该软件大量应用于高校教育，已成为高等应用数学、工业控制、信号处理等领域有力的教学辅助工具，学生对该软件的开发应用十分熟悉。MATLAB的电力系统模块库PSB（PowerSystemBlockset）包含六个子模块：电源模块库、连接模块库、测量模块库、基本元件模块库、电力电子模块库、电机模块库，可用于进行电力系统仿真。
基于MATLAB的电力系统仿真相较于其他专业软件，有以下优势：
第一，PSB库提供了丰富的电力及电气系统通用元件模型。同一个元件有时提供不同模型，可根据仿真对象的实际情况和仿真目的合理选择。特殊的元件可以通过MATLAB程序建立数学模型调入使用。数学模型可以根据工程实际情况单独建立，也可以通过对现有元件模型的修改来实现。
第二，运行于Simulink模型化图形输入环境，操作十分方便。用户只需知道所用模块的输入输出及模块功能，不必了解模块内部如何实现。采用鼠标点击和拖放方式将所需的元件模块添加到模型编辑窗口中，并将其连接起来，即可建立用户所需的电力系统仿真原理图。利用模型元件的对话框设置相关参数，实现电力系统的仿真计算。利用示波器等测量模块，显示观测点处的仿真结果和波形。
第三，MATLAB是一个开放式的开发平台，提供了许多分析控制工具模块，如神经网络、模糊控制等，可以方便地实现电力系统的各种高级控制策略，并进行效果测试和分析。
第四，MATLAB提供了多种数值算法的选择，可以对仿真过程进行跟踪和调试。还可以从仿真模块直接生成代码，用于实时控制系统。
当然，基于MATLAB的电力系统仿真也有不足。由于没有充分考虑电力系统的固有特性和应用要求，在模型上没有进行相应的简化，系统的仿真速度较慢。考虑到仿真实验开发的目的是用于“供配电”课程的实践教学，通过实验进一步加强学生对理论知识的了解和深化。因此，应考虑仿真实验内容的全面性，知识的由浅入深，对系统的结构复杂性和仿真速度要求不高。综上所述，开发基于MATLAB的供配电系统仿真实验是十分适宜的。
二、供配电系统仿真实验开发
供配电系统仿真实验主要包括：电力系统主要元件模块的仿真认识、系统稳态分析即潮流计算、系统暂态仿真如开关暂态仿真和系统故障暂态仿真、无功补偿仿真实验等内容。应用MATLAB进行电力系统仿真的主要步骤为：一是建立系统模型；二是设置仿真参数和控制算法实现；三是动态仿真即稳态和暂态仿真；四是结果显示和分析。
1.主要元件仿真
电力系统主要元件包括：发电机模块、电力变压器模块、输配电线路模块和负载模块等。
发电机模块采用简化同步电机模型。PSB库中分别提供了标幺值单位和国际单位制下的两种模块，其实质相同，仅在参数单位上有所区别。模块有二个输入端子，一个输出端子和三个电气连接端子。输入端子Pm输入电机的机械功率，输入端子E为电机内部电压源的电压。连接端子A，B，C为定子输出电压。输出端m输出电机的内部信号。
PSB库提供两种电力变压器模块：双绕组和三绕组三相变压器模块。前者可以模拟线性和铁芯变压器，后者实际上是由三个单相变压器模块根据不同的联接组别联接而成的。双绕组变压器的一次二次侧的连接方法有五种：Y型、Yn型、Yg型、D11型、D1型。不同的连接方法对应不同的模型图标。
输电线路分为RLC串联型、PI型、分布参数线路型。在电力系统中，对于电压等级不高的短线路，常忽略线路电容的影响，用RLC串联支路等效；对于长度大于100KM的架空线路以及较长的电缆线路，电容的影响一般不能忽略，计算中常用PI型电路模块；当分析线路的波过程或进行更精确分析时，常使用分布参数模块。
电力系统的负荷种类繁多，工作状态有很大的随机性和时变性，建立准确的负荷模型十分困难。PSB中的负荷模型分为静态模型和动态模型。静态模型反映稳态下负荷功率与电压频率的关系，动态模型反应电压频率变化时负荷功率的变化。常用负荷模型有含源等效阻抗支路、恒定阻抗支路和异步电机等效电路等。
2.系统稳态仿真
PSB库Powergui模块为电力系统的暂稳态仿真提供了有用的图形用户界面。对该模块进行功能设置，可以选取不同的仿真类型，进行稳态电压电流分析、潮流计算和频率分析等。
潮流计算是在给定电力系统网络结构、参数和系统运行条件的情况下确定系统的稳态运行状态，求取电力系统节点电压和功率分布，用于检查系统各元件是否过负荷、各点电压是否满足要求，功率的分布是否合理等。这是电力系统分析中最基本、最重要的计算。潮流计算是基于矩阵的迭代运算，MATLAB最大优势正是矩阵处理，因此基于MATLAB的电力仿真系统的潮流计算是可行的。
3.系统暂态仿真
电力系统暂态仿真是了解电力系统在正常运行情况下遭受扰动，系统中各种电气参数变化趋势的一种方法。常见的暂态仿真包括：开关暂态仿真和故障暂态仿真。
开关暂态仿真是模拟一次闭合操作后流过系统的暂态电流，或一次开断操作后，工频电流被遮断时出现在遮断设备端子上的暂态电压，从而了解不同电网配置下电流和电压的变化情况。PSB库提供的断路器模块可以对机械开关设备的闭合和关断进行仿真，从而实现开关暂态分析。
电力系统故障暂态仿真是模拟短路发生时故障点的电压和电流的变化情况。短路故障类型有单相接地短路、两相接地短路、两相短路和三相接地短路等。PSB中的三相故障模块由三个独立的断路器模型组合而成，能模拟各种相与相之间或相与地之间的故障。
4.无功补偿仿真
多数电力系统用电设备从电网吸收大量无功功率，导致系统功率因素降低，增加电能损耗和电压损失。当现有功率因数不满足国家标准要求时，需进行人工补偿。最常用的方法是采用并联电容器补偿。电容器装置根据安装点分为集中和分散两种。前者电容器组集中装设在变电所母线上，安装位置集中利于维护；后者安装在个别功率因数较低的设备或设备组旁，补偿效果更好，但位置分散不利于维护。电容器组的接线方式分为星形和三角形两种，在补偿容量大小和安全性方面各有利弊。
基于MATLAB的无功补偿仿真实验，可以按照用户的不同补偿要求，采用三个一组的电力电容器元件模块进行不同的接线组合，通过鼠标拖动和连接，可以将其任意布置到电力系统的不同补偿点。
5.仿真界面设计
仿真开发应考虑实验内容的由浅入深和系统结构的逐步复杂。因此，建立的供配电系统模型涵盖了简单的单机无穷大系统和多电源拓扑结构的大系统，实验内容较多。如果把多种类型的仿真实验集中在同一个软件平台下，通过人机交互来选择实验类型并观看仿真结果，这是很有意义的。
MATLAB提供了用户图形界面的设计向导GUIDE。在GUIDE环境下，建立一个交互式图形用户界面，集成上述各种仿真实验，并设置按钮控件和菜单式的交互功能，学生可以方便快捷地运行各种仿真实验，并显示对应的仿真波形和结果。
三、总结
将实践环节融入课程教学中，有利于学生充分理解枯燥的专业理论知识。但现有实验条件的限制，导致无法开展“供配电”等相关课程的实体实验，严重制约了课程教学实践的开展。利用仿真技术开发具有典型意义的电力系统仿真实验，为解决上述问题提供了有效手段。
目前MATLAB在高等教学的许多重要课程中反复应用和深化，其PSB模块提供了丰富的电力电子系统元件模型，可以方便地进行电力系统仿真。我们尝试采用MATLAB仿真技术设计出多种典型的电力系统案例，并将其应用到“供配电”课程教学中。
实践证明，仿真实验的应用活跃了教学气氛，激发了学生的学习兴趣，提高了教学效果，使学生在较短的时间内对电力系统和供配电技术的相关理论有了较深的理解和掌握，并提高了学生的仿真实践能力。
参考文献：
[1]李辉.MATLAB/SMULINK软件在电气工程类专业毕业设计教学环节中的应用[J].电气电子教学学报，2003，25（1）：106-109.
[2]宋彩霞，等.计算机仿真在电力系统中的应用和研究[J].计算机仿真，
仿真实验篇3
关键词：仿真实验真实实验
中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0241-01
目前多数高校的大学物理实验室在实验课中都是多个学生共用一套仪器，大大影响了教学效果。已有的仪器“过期”现象严重，一个标准电池用上七八年很常见。像检流计、示波器这些仪器基本上都是修了再修凑合使用。更不用说那些耗资较大、仪器昂贵的实验，根本就无法开设。[1]
开放性实验的重要性不言而喻，它对于提高学生的创新能力和独立思考能力都有着积极的作用。但因受到经费、人力和管理上的限制，大多数院校都是小范围开展或者不开展开放性实验。
基于以上原因，仿真实验系统已逐渐地应用于大学物理实验课程中，将来势必会在所有高校普及。
1仿真实验的优势
1.1仿真教学环境
大学物理仿真实验是用软件对仪器形状进行建模，根据真实仪器的外形材质蒙皮，制作动画，并通过编程使得仪器能与操作者进行交互。它能够实现的功能有：学习者可以以拖动鼠标的方法连接仪器，自行设定参数，调节仪器，观察实验现象，记录实验结果。基本上能够实现实验必须的步骤。
最重要的一点是它能够再现实验环境。在真实实验室中，受课时限制，学生一般只能进行一次完整实验过程。而仿真实验却可以一直重复实验，提升教学效果。
另外，仿真实验系统认错性很强，在模拟的过程中学生操作一旦出错，系统立即指出调节错误，如果前一步调整不好就不允许进行下一步，迫使学生反复演练直至成功。这样就不用担心元器件的损坏。
1.2提高教学效率
学生在课前预习的时候，会感到书上一些仪器介绍和概念性的原理或现象介绍很抽象。对实验原理也只是一知半解。而且有一些调节难度比较大的实验如分光计等，在真实实验教学中往往课时不够。所以我们可以把真实实验与仿真实验相结合，先安排学生课前进行仿真实验，熟悉仪器和实验过程后再进行真实实验，实现两段式教学。
再者，在大学物理实验中很多仪器都是黑匣子，学生不明白仪器的内部变化，不利于学生对实验原理和仪器原理的理解应用，仿真实验可以实现仪器的内部直观化。
所以，仿真实验可以很好地提高教学效率。
1.3丰富教学内容
大学物理实验设备昂贵。开设的实验数目多的话对于多数院校来说是难以承受的。仿真物理实验系统能用相对低很多的价钱搭建出丰富的实验项目，满足新形势下实验教学的需求，无疑是一个实用的方案。灵活性的解决了资源严重不足和教学需求量大这一矛盾。仿真实验系统提供的实验内容涉及力热电光、近代物理和前沿领域攻击70多个实验项目。满足了大学物理实验的教学需求。
1.4突破时空限制
我们所用的网络版仿真实验可以不受时间、地点、人次的限制。在办公室安放一台服务器，装上大学物理仿真实验Online版，并通过IP将其绑定于校园网。学生在终端申请用户名和密码，就可以随时随地的进行实验。使实验教学内容在时间、空间上得到了延伸。因此，仿真实验是一个极好的辅学习资源。
1.5便于开放实验
目前，建立开放实验室需要解决的问题很多，如：开放实验室的实验选题多，教师要超时上课；学生自由操作仪器，损坏率会提高；为不断提高学生兴趣，根据实际情况须不断地更新实验项目和仪器；开放实验教学的实行给实验教学管理带来了新的问题；开放实验项目耗时长，经常使开放时间延长到课余和节假日。这一系列的问题都给开放性实验造成了障碍。而仿真实验系统具有设计性、研究性，为学生提供了自由的教学环境，克服了面向大面积学生开设开放实验受到实验课时等困难。
2仿真实验的消极作用
模拟过程还比较僵化。在实际测量时，多次测量取得的结果往往有一定的偏差。我们就会鼓励学生排查错误或回溯误差来源，就比较有效的培养了学生解决问题的能力。而在仿真测量实验中，只要按照实验过程来操作，同一个实验重复做多次得到的结果都是一致的，忽视了实验的不确定度。
不能完全的模拟真实实验现象。在牛顿环法测量曲率半径实验中，我们在显微镜中看到的牛顿环中心会是暗斑或者亮斑，有时会是不规则环形。施与牛顿环装置不同的压力，环纹形状会相应改变。而仿真实验中看到的始终是标准的牛顿环图。诸如此类，学生会忽视实验操作与实验现象的因果关系。
仿真实验过于理想化。目前的大学物理仿真实验多是理想化的：标准的仪器，正确的方法，理想的环境，完美的结果，一切都是无误差的，即使有偏差也是人为设置。整个实验过程就是移动鼠标、敲击键盘。而只有亲自去操作真实的仪器，才能在实践中提高实验技能和能力。因此仿真实验在培养学生的实验技能和能力、创造发现的机会与环境方面有所欠缺，用仿真实验替代真实实验不合适。
3对仿真实验的期待
综上所述，大学物理仿真实验虽然有着很多的优势，但并不能带来视觉、听觉、触觉和嗅觉全方位的真实感受。针对当前仿真实验的不足，我们除了选择合理的教学方法提高教学质量外，还应完善仿真实验系统。作为教师，我们对仿真实验有着以下的期待。
更好地虚拟实验的不确定性。目前部分仿真实验也能形成误差，但相对于真实实验中误差的随机性而言，仿真实验的误差机制过于单一。这就要建立在大量实际实验测量数据分析的基础上，找出随机误差的分布规律，并考虑到一定的实验系统误差因素，添加各种随机模拟测量程序代码组合，合理生成数据误差。
进一步提高实验细节的仿真性。例如惠斯通电桥实验，在实验中我们着重训练学生的接线故障排除技巧。还要注意螺丝固定、检查接触是否良好等基本实验规范。但在仿真实验中，学生连接线路只需拖动鼠标即可简单实现顺利接通，根本没有犯错的机会。所以我们认为，在仿真实验中是否可以随机设置出一定的干扰，制造出不合理的测量现象或结果，引导学生去分析解决问题。
是否能在仿真系统中建立一个仪器设备库。使得这些仪器设备能实现跨实验的完美组合，并且这里面的所有仪器能够高度模拟真实仪器的每一个功能和每一块细节。为开放性、探索性实验提供良好的平台和交互界面。鼓励学生选择和组织不同的仪器，自主设计创新实验项目和实验方法。
4结语
当然，无论仿真实验如何改善，它是不可能替代真实实验的作用和功能的。我们期望真实实验与仿真实验优势互补。通过两段式乃至三段式教学，形成一个完整的学习链，在仿真实验更优化的基础上，开发一种高效的教学模式来适应目前的信息化环境。
仿真实验篇4
分析将仿真实验应用到医学物理实验教学中的作用，并通过调查问卷形式了解学生对仿真实验应用于物理实验教学的需求度。
关键词：
医学物理实验；仿真实验；操作技能
物理实验教学是提高学生科学素质的重要手段，其对于培养学生的探索和创造能力、理论联系实际的科学思维方式及研究技能是理论教学所不能企及的。与理论教学相比，实验教学更容易体现出学生学习的主动性，但由于很多实验耗资较大，尤其是在医学院校物理属基础课程，一些价格昂贵的实验仪器学校不会购买，而已有仪器如果在使用过程中全交由学生摸索操作，必然会加速损耗。因此，诸多因素制约着实验教学质量的提高[1，2]，而设计性和研究性实验更是难以开展。物理仿真实验系统就是用计算机将实验条件、教学内容、教师指导和学生操作等融为一体，借助计算机编程和3D动画营造一种仿真实验环境，学生可以通过操作电脑进行相关实验操作。通过图形化界面联系理论条件与实验过程，加深学生对实验物理思想和方法、仪器结构及原理的掌握，培养学生设计思考能力和分析问题能力，这就为教师和学生进行传统物理实验及自由实验探索提供了平台，节省了很多实验仪器更新费用。为此，个别高校也进行了物理实验仿真教学的尝试[3～5]。
1研究目标及对象
为提高医学物理实验教学质量，并考虑到学生作为学习的主体，我们设计了调查问卷和访谈内容，了解学生对物理实验中开设仿真实验的看法，从而探讨应用仿真实验进行物理实验教学改革的有效途径[6]。围绕该目的自编调查问卷，由10道选择题、14道填空题和1道问答题组成。1～4题是对学习者基本情况的调查，5～10题是调查学习者对实物实验教学的看法，11～24题是调查学习者对仿真实验应用效果的评价，问答题为开放性试题，旨在获得一些意见和反馈。分别对我校2012、2013级本科生物医学工程班和2013级本科信息班共129名学生进行了问卷调查，发放问卷129份，收回有效问卷121份；同时对几名有丰富实验教学经验的物理教师进行了访谈。
2研究发现
2.1基本情况
考虑到仿真实验需要借助于计算机完成，学习者使用计算机的熟练程度会直接影响到仿真实验的有效利用率。调查数据显示，只有3人表示对计算机操作不熟练，大部分学生都有一定的计算机操作基础，而且有86.00%的学生曾经接触过其他学科的虚拟实验，这就为物理仿真实验的顺利进行提供了技术支持。在网络便捷度调查中，只有1.00%的学生表示网络不便。这就为物理仿真实验的网络应用提供了一个很好的外部环境，同时也为学习者自主探索提供了便利条件。
2.2物理实物实验与仿真实验效果对比
物理实物实验与仿真实验效果的最大差别在于数据处理方面，在实物实验数据处理中，有近85%的学生还是沿用手算方法，而仿真软件的拟合计算功能会有效帮助学生课后处理实验数据，画图功能可以给出精确的实验数据曲线，从而引导学生在本学科甚至其他学科计算中使用拟合软件、甚至编写程序来辅助进行复杂运算。在使用便捷程度上，半数以上学生曾有过在学习中产生疑问、想借助实验验证时却由于实验室不是随时开放而放弃想法的经历，仿真实验不受地域和开放时间限制，可以随时帮助学生进行实验操作，解决学习过程中的疑问，这一优点也得到学生的认可。此外，在操作技能和实验理解方面，两种实验区别不是太大。在记忆重现方面，仿真实验由于其界面的新奇性，对学生的感官刺激更大，使得学生留下更为深刻的印象。
2.3仿真实验学习效果
绝大多数学生认可物理仿真实验软件操作界面，认为其界面友好、逼真，学生认为仿真实验有助于他们理解实验原理，该系统的应用使得实验步骤更加清晰，能够帮助其掌握仪器的功能和操作，对物理实验教学十分有帮助。对于能否提高学习兴趣，仅有极少数学生持反对意见。对于仿真实验后，调查对象产生了疑问会不会通过理论学习寻找答案，只有极少数人不赞成，这说明仿真实验在知识迁移方面和传统实物实验一样，可以实现理论教学与实验教学的相辅相成。
3结语
大学物理实验教学改革是一项巨大的系统工程，因其涉及实验教学条件、教学方式方法等诸多方面。借助调查问卷及访谈结果，我们可以了解到学习主体的想法，在我们积极购置实验仪器的同时，可以尝试将仿真实验引入课堂教学，摸索仿真实验教学与实物实验教学的最佳结合方式，从而最大限度地调动学生学习物理知识的主动性，提高学生自学能力。
作者：程阳王阿明单位：徐州医学院
参考文献：
[1]李亦宁，姜照林.仿真物理实验”得失初探[J].中国医学教育技术，2002，16（3）：142-143.
[2]辛旭平.仿真与物理实验[J].大学物理实验，2005，18（3）：106-108.
[3]王晓蒲，霍剑青.大学物理仿真实验和教学实践[J].物理实验，2001，21（1）：28-29.
[4]宁锌，庞玮.大学物理仿真实验在教学实践中的应用[J].大学物理实验，2012，25（3）：110-111.
仿真实验篇5
【关键词】：仿真实验物理实验创新
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。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。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，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。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。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。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，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。
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。
仿真实验篇6
［关键词］虚拟仿真；实验教学中心；学生培养
培养具有优秀的职业素养，扎实的临床实践操作能力以及创新探索能力的医学生是现阶段国家和社会对医学高等院校的要求[1]。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2022年）》《中共中央国务院关于深化医药卫生体制改革的意见》和《教育信息化2.0行动计划》等文件要求各高校创新医学教育体系改革，深化医学专业与信息技术深度融合。但医学相关专业的实验教学存在诸多问题，一是因实验设备贵重、耗材消耗较大等原因导致学生实际操作机会少，不能有效验证理论知识，练习实验操作；二是实验教学模式相对单一，因医学生人数过多，大多数高校医学相关专业实验课程基本以教师引导为主，学生自主学习方式少；三是部门实验因安全、伦理等问题导致无法开展，学生无法进行验证[2-7]。虚拟仿真实验教学项目通过人机交互、人工智能等技术创造出逼真的虚拟环境[8-9]，为学生提供更好的实验操作环境和更多的实践操作机会，这种崭新的方式恰好能解决上述问题，通过虚实结合满足医学实验教学的需求。虚拟仿真实验教学项目的建设和应用均依托于虚拟仿真实验教学中心。
一、充分调研得出建设中的关键问题
通过文献回顾法和调研法对虚拟仿真实验教学中心建设中的问题进行调研，先通过文献回顾法对相关文献调研得出建设中存在的问题，然后通过调研虚拟仿真建设相关专家从中筛选出建设中的关键问题：一、虚拟仿真实验教学项目的如何遴选。二、采取何种方式进行虚拟仿真实验教学项目建设。三、虚拟仿真实验教学项目如何应用。
二、结合经验阐述如何进行建设
围绕上述通过调研得到的建设中的关键问题，结合多年来自身建设的经验，逐一针对上述关键问题进行分析并详细进行阐述解决。
（一）超前识变着手虚拟仿真硬件配置虚拟仿真技术在教学中的应用依托于硬件持续建设。经过多年发展，在硬件的建设过程积累了丰富的经验，并获得卓越的成效。2009年中心依靠“中央财政支持地方高校发展专项”初步建成人体解剖学、机能学、诊断学等虚拟仿真实验室。2017年依托“贵州省一流大学平台建设”等项目经费，耗资800余万元建成部级医学虚拟仿真实验教学中心公共实验教学平台：包含5间云桌面教室、2间VR实验室（60台计算机及VR设备）、1间创新创业实验室（1台图形工作站、2台摄像机及2套室内摄影棚）。斥资190余万元建成《高清数字解剖互动教学系统》（包含8间局部解剖学实验室和1间系统解剖实验室）。医学虚拟实验室与真实实验室都需要依托较为强大的硬件支持，硬件配置为虚拟仿真实验项目提供载体，在进行硬件配置的过程中优先考虑学科分布，哪些学科更适合应用虚拟仿真实验教学，并且结合学校发展规划和学科评估规划，确定学科进行虚拟仿真硬件配置的先后顺序。
（二）积极应变加强虚拟仿真软件建设以学生为中心，积极拓展虚拟仿真项目的涵盖范围，并大力支持虚拟仿真教学改革项目立项。根据实际教学情况和自身学科特色，结合各专业人才培养方案，构建自主研发特色突出、教学资源共享、学科结构清晰的医学虚拟实验综合网络平台。网络平台教学资源涵盖15个专业的实验课程，45个实验项目，272项虚拟实验资源。虚拟仿真软件数量79个（二维仿真软件77个，三维仿真软件数量2个），5个虚拟仿真项目拥有自主知识产权，信息化资源达到125767Mb。依托VR实验室建成《遵义医科大学虚拟现实教学平台-开腹阑尾切除术》《药用植物学虚拟实验》和《实验室安全VR教学系统》等VR教学项目。虚拟项目的持续开发与虚拟仿真实验教学模式的探索是虚拟仿真实验教学前进的桥梁。中心根据不同专业的教学目的和实施方法，积极组织教师，学生开发新的虚拟项目，针对临床医学、护理学等专业，采用AR、VR技术在手机移动平台、电脑端开发新的虚拟项目。利用创新创业实验室，由专业教师指导学生进行虚拟仿真实验项目的开发，增强学生创新创业意识，提升创新创业水平。此外，在学校组织的2018年实验教学改革项目（2年一度）申报中，中心大力支持虚拟仿真项目立项（虚拟仿真实验教学改革项目占实验教学改革项目立项比例的21%），积极探索虚拟仿真实验教学项目在医学实验教学中开发和教学模式探索。
（三）主动求变开展虚拟仿真教学教师通过网络平台进行课堂教学，指导学生进行实验操作。学生也可自行通过平台进行学习和测验。仅2018年网络平台的教学记录达到502304条，教学内容涵盖学校大部分专业。中心联合外科手术学教研室利用VR实验室进行虚拟仿真项目实验课开放，学生可通过网络预约平台进行预约，课上通过教师讲解基础知识要点、演示、学生自主练习的模式进行教学。中心根据不同年级、专业的学生开放相应的虚拟仿真实验课程，如针对临床医学专业学生开放《开腹阑尾切除术》《肠肠吻合虚拟项目》。中心积极联合院系进行虚拟实验技能大赛，增加虚拟仿真实验教学宣传力度。2018年11月，中心针对临床专业学生，与基础医学院联合联合主办的“首届机能学实验操作技能大赛暨虚拟仿真实验技能大赛”。参赛人数312人，占大二学生人数的28%，中心积极拓展网络教育平台资源共享业务，承接各类网络考试，参加网络考试人数达到30000余人次/年。依托虚拟仿真实验教学项目，开展形式多样的虚拟仿真实验教学。一是第一课堂采用虚实结合的方式进行虚拟仿真实验教学，真正的把虚拟仿真实验项目融入实验教学，作为实验教学的一部分。二是充分利用虚拟仿真实验教学项目的特点，可以使学生随时随地的进行实验，有效的进行实验教学的预习和复习，提升学生的自主学习能力。三是开展虚拟仿真技能竞赛，充分调动学生对虚拟仿真实验教学项目的兴趣。
三、建设成果及展望
经过多年的发展，持续坚持共建共享的原则，以开发为手段，截止到目前，贵州省获得的3项“国家虚拟仿真实验教学项目”全部为我校建设项目；以应用为目的，近3年获批教育部学校建设发展中心学校绿色发展研究基金1项；获得“贵州省一流大学平台建设”项目1项；获批教育部第二批产学合作协同育人项目2项；获批贵州省教育教学改革计划项目1项。持续更新软件、硬件，大力开发虚拟仿真多模式教学，积极对外合作交流，近1年来应邀外出讲学次数8人次；中心接待其他高校专家参观11次，参观人数146人次。信息化教育是未来教育行业的重要组成部分，其特性决定了信息化教育在未来教育方式的多元与高效。坚持虚实结合、以虚补实是医学虚拟实验教学的中心原则。
参考文献
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［3］石新丽,唐飞羽,孙梦雯,等.虚拟实验室在医学实验教学中的应用研究［J］.实验技术与管理,2014(6):114-116.
［4］王健,蔡茹.高校医学实验教学改革初探［J］.辽宁医学院学报,1999(4):68-69.
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［6］张媛媛,孟庆玲,庞刚,等.求发展促创新,构建基础医学实验教学新体系［J］.基础医学教育,2018(10):64-67.