时间：2022-09-18 18:57:04
序论：在您撰写仿真实验时，参考他人的优秀作品可以开阔视野，小编为您整理的7篇范文，希望这些建议能够激发您的创作热情，引导您走向新的创作高度。
【中图分类号】G420【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2010)06―0132―03
一 引言
模拟仿真实验作为计算机用于教学的一种基本模式,在教学中有着广泛的应用前景。它既适合于在教师指导下课
堂教学,也适合于学习者进行探究式自主学习和协作学习。本课题在认真研究已有模拟仿真实验基础上,发现实验构建中的模型创建和教学设计存在一些普遍问题,表现在抽象模型,交互性、针对现象反馈和教学性能方面。我们所开发的模拟物理实验系统,正确地运用了建构主义学习理论,实现了一个全新的面向学习者的学习环境。
二 模拟仿真实验
模拟是指在交互控制状态下,对某种现象或过程进行表现和展示。按照所要表现的现象,可以把模拟分为两大类四种情况:物理现象和过程变化的模拟;程序性和情形性的模拟。在计算机辅助真实现象的模拟教学模式中,物理现象的模拟是将一个真实的现象或过程的某种规律在屏幕上表现出来,以供学习者去学习和研究,如表现光线通过透镜的成像规律,光线通过棱镜的传播等问题。过程变化的模拟,通常是为学习者说明解释一个不会明显表现出来的过程及难以理解的概念所进行的模拟。这两种模拟一般是不可人为随意干预或参与的。第二类情况中,大多数程序性模拟是为了教授一个构成过程的行为或动作顺序,它的主要特点是有一个或更多的步骤序列,以供学习者学习或训练。情形性模拟是在不同的情形下,涉及人的态度而非技能行为,不像程序性模拟要教一系列规则,而是展示允许学习者针对某种情形探索,用不同方法或扮演不同的角色时,所产生的影响并实时地表现出来。其中物理现象和过程变化的模拟,最常见的一种就是模拟仿真实验。
三 模拟仿真实验设计
随着信息技术的发展,人们可以模拟出自然界发生的各种现象和过程,并实时地加以显示。在所建立的模拟实验教学情境中,不但能够实现随时观察到与实际实验相同的现象或结果,还可以清楚地观察到实验发生和现象演变的过程、扩大或缩小观察空间、减慢或加快时间上的控制等,还可在有效的范围内方便地改变某些条件、参数或仪器进行对比实验,随时触发对当前状态的说明解释。将其用于教学中将极大地引起学习者的学习兴趣,大大提高教学和学习过程的效率,使抽象的概念、规则和原理变得简单易学。同时可以做到及时纠正实验中所犯的错误,绝对避免了在实际实验环境中可能带来的可怕后果。
那么,在设计模拟仿真实验时,要充分考虑其教学设计,以建构主义学习理论作为指导,结合物理现象的特点,建立以计算机模拟物理实验和对实验进行分析的学习情境。模拟仿真实验设计目标,能够在交互控制下实现对现象、过程、内部机制和原理等内容的展示,易于学习者对系统的运动状态、变化过程、受外部条件的影响、概率特性和响应特性等进行观察思考和分析研究。
1 设计要求
为了方便教师或学习者自身在所创设的情境中,启发、诱导或学习者之间通过协作学习的过程,进行讨论和探究来完成意义建构,在探索的环境和气氛中实现有目的学习[2]。设计要能够完全反映真实现象的整个过程,包括仪器设备、装置及所呈现的现象显示逼真,模拟过程科学、结果真实、数据可靠等。能够对实验现象的展示进行多次重复,以利于对现象的规律、规则、理论进行详细深入的探索和研究。能够实现智能化的模拟仿真,让学习者观察到实际实验中难以或根本观察不到的实验发生过程和微观内部机制,并通过形象的表现揭示其中内涵、规律;实现对某些实验的人为控制,能够瞬间观察感兴趣的现象或量值;可以把隐藏在现象背后的实质问题突出地展示出来;通过改变实验条件、参数或仪器进行对照类比等。这对于学习者理解抽象的概念、掌握或探索有关的规则、定理或定律会起到非常关键的作用。
2 实验设计
根据模拟实验的特点和教学性能设计目标,可以将实验的结构和流程设计成介绍部分、呈现现象、交互活动、系统修改、系统反馈和结束。为了便于说明和设计,这里主要从以下几个方面讨论实验设计中所涉及的问题。
(1)实验说明与帮助
说明包括本专题的教学意图、演示项目和教学建议的总的扼要文字说明、使用与操作指导,其作用在于避免学习者盲目进行操作或对学习过程不知所措;帮助应实现在线帮助,即在实验过程中可以随时激活、浏览一个帮助窗口,提醒学习者对现象进行特别提示和探究引导。例如,在单摆实验中使用指导提示和教学建议提示。
(2)基本模型确定
模拟实验基本模型,是从真实实验抽象出关键的要素,能够用计算机编程实现模拟的首要一步。建立模型要有足够的精度。在设计时重点应抓住实验中最本质的东西,而把非本质的东西尽可能去掉,又不影响反映实验现象本质的真实程度。例如模拟物理实验系统中在确定单摆实验模型时,只考虑摆长和重力加速度对单摆周期的影响,而忽略空气阻力的作用;只考虑摆线长度,摆球质量及实验地点的变化,而忽略具体变化摆线长度的调节过程,摆球质量的称量过程和实验地点的转移过程。摆动过程中的数据调节范围足以表现其运动规律,摆线长度的变化范围在35cm-106cm之间(地面上摆的摆长约99.4cm),利用滑块变化技术即时调节摆长;摆球质量有20g、30g、40g、50g几种。地点有柏林、北京、新加坡、月球等可供选择。每次变化摆长、质量、地点进行实验所得的数据,完全按照单摆周期公式反映了对周期的影响。真实单摆实验的摆球运动轨迹是弧形的,其摆动过程是连续的,而模拟摆动实验却是跳跃的、间断的,但在计算机程序代码运行时利用了人的视觉反应时间,完全可以较逼真地模拟出连续的效果[1]。
模型要尽量简单。模型的构造是为了计算机编程实现上的考虑,对所要模拟的现象应从持续性、分立性和逻辑性方面进行数学抽象。持续性是指在视觉反应期间能对模拟现象的连续变化的描述;分立性是指通过一些分立的量来表现现象的某种规律或规则;逻辑性是指对模拟现象表现过程的逻辑方面的考虑。这里的持续性、分立性和逻辑性,在整个模式构造中要既分开独立找到特有影响因素或相关量,又要统筹考虑对现象整体效果的影响。在模型中既要考虑模拟现象自身的特性,又要考虑与学习者进行实验控制操作有关的交互性,涉及到的因素有:模拟中的每个对象、每一个物理量;所遵从的规律规则;现象的精确性;实现的顺序;几种解决方案;时间帧;学习者的角色扮演等。在模型确立过程中,要严格地按照科学规律进行设计,同时要注意模拟现象对条件的要求,在何条件下成立,何条件下不成立要明确。如模拟物理实验系统中,物距与像距是相对透镜光心而言的,只要物距和像距的调整范围能够表现出成像位置及大小的变化规律即可,无需由于变化透镜位置给实验设计及测量带来麻烦和不便。基于这样的考虑,要求透镜固定放在60厘米处,对于焦距是10、15、20厘米来讲,物的放置范围在060厘米之间,物可放在此区间的任何位置,屏在0110厘米的区间内通过任意移动,来找到清晰成像的位置及观察像的大小变化,从而表现出物距u、像距v和焦距f间的位置对应关系及物像大小的变化规律等。设计时的数学抽象既简单又有效,在现象的表现中既涉及到持续性、分立性,又涉及到逻辑性。
(3)模型建立步骤
在明确实验设计目标基础上,对实验进行认真研究,确定主要变量;找出实验中的各种内部联系和关系;确定实验约束条件;根据有关学科规定使用符号或代号;简化和检查实验模型,看它是否可以表现出真实的实验现象。
3 实验现象显示
把模拟现象真实表现出来,既要考虑让学习者看见的,又要考虑听见的,同时注意所表现现象和数据的可靠性。在这一阶段,首先应明确要表现的主题是为了观察现象,还是为了说明某个概念。一般情况下,物理模拟主题,通常是观察现象或通过现象总结出某种规律。情形性模拟主题,通常要说明某种概念;而程序性和过程模拟通常两者都包括。其次考虑模拟中项目或仪器的选择,操作对象,对事件作出的反应,对现象某种规律的有效观察等等。另外应考虑模拟表现上的真实性,这就需要充分利用计算机技术,做到生动、直观、形象真实。如真实摩擦力实验中,摩擦力不是直接看到的,而在模拟实验中却可显示任一瞬间摩擦力的大小和方向;在弹簧振子的简谐振动实验中,学习者可观察到位移、回复力、速度、加速度矢量随振动而周期性变化的情况,并可显示任一位置的位移、回复力、速度、加速度的数值;在自由落体运动实验中,类似于闪光照相技术,提供了每隔1/30秒在落体瞬时位置打点的方法,直观展示出在相同时间间隔内,落体的位移变化情况,同时将数据记录在表格中,以利进一步研究和计算;在楞次定律的真实实验中,磁感线是不能直接观察到的,但在模拟物理实验中则根据需要让学习者生动、形象地观察到磁感线的疏密、方向的变化。为了达到实验的准确性,在动画设计上应采用定时处理,既做到模拟的实验现象与实际的现象相一致,又做到模拟的过程与实际的过程相一致。同时注意动画的演示不要因机器速度的不同而发生畸变。有些现象专门为其具有教学性能而展示。
4 交互性设计
模拟实验设计中的交互控制,主要体现在学习者与模拟事件的交互性作用上,模拟的交互性越强,越真实有效,越具吸引力。模拟实验有别于一般演示实验,体现在它具有较强的交互性,主要反映在用户对各种参数的选择、设定和调节上或仪器的选用上,实现在有效合理范围内方便地改变参数或仪器等进行对比实验。可表现在系统中的角度、位置、速度、温度等几何和物理参量变化上,也包括选择物理模型、样式或样品、条件等,还应包括观察角度、画面显示状态、计算步长等等。如模拟物理实验系统中,在交互性方面体现在:可将物、透镜和屏拖动至光具座的相应位置上,且可对相互位置关系正确与否作出判断与提示。物和屏可分别放在各自区间内任意移动,使学习者清楚地观察到物距与像距、物与像大小的对应关系与规律。同时允许学习者随时更换或调节透镜焦距和物的大小,这些教学性能给教师的讲解和学习者的学习提供了更多的可变参数,便于对问题的深入研究探讨。
控制功能要灵活方便,设计时注意参数的调节过程和参数的显示,要比较直观、方便、快捷。交互形式最常用的是键盘、鼠标、触摸屏、光笔和语音等。因为学习者的参与主要靠灵活方便的控制来实现,通过提供一定的实验控制或选择条件,将有利于学习者的进一步钻研和知识的拓宽[3]。
5 显示与反馈
当对模拟系统进行某种操作后,系统应给出相应的反馈,这种反馈可以是自然的,也可以是人为的。所谓自然反馈是类似于可能发生的事,人为反馈是类似于个别指导或练习模式中给出的相应提示或结论性信息,如对当前状态的说明解释。对于前一类情况,应能随时显示改变参数后的实验结果,即可以实时绘制与显示。如当物距、物大小、透镜焦距及屏位置中,只要有一个量发生变化,屏上所接到的光斑或像就随之变化。另外考虑提供多种显示方式,如截面、二维或三维表现等;可调显示参数,如投影角度、比例、显示范围等,体现出显示的多样性、可调性。如模拟物理实验系统中除了在屏上观察像外,可随时激活图标显示正面画面,满足学习者从不同角度进行观察。这将有利于学习者对同一现象的观察与思考,能从不同的侧面、角度进行全面的观察与分析比较,经过探究而得出结论。
四 模拟仿真实验教学应用
对于模拟仿真实验系统,它既适用于教师课堂进行教学,也适用于学习者自己进行探究式学习。教师利用这种特定实验情境,启发学习者主动探讨研究,完全像做实验一样归纳和总结出相关的规律。利用情境或在情境中进行教学,能够让学习者参与进来,做到教师只是引导者而非讲演者,更利于学习者主动进行学习。教师再也不会感到物理难教,一些原来单纯利用黑板和演示不容易讲得清楚的东西,现在在模拟实验中实实在在地动态显示出来,便于讲解。从学习者角度也不会再感到物理难学,原来仅仅靠想象的抽象东西,现在活灵活现地出现在面前,你可以仔细观察,反复实验,经过思考后得出结论。对学习者而言,完全可以独立或与学习伙伴一起进行实验,利用系统关键提示和解释,实现探究学习。因此,利用这样的模拟实验开展教学,能够大大激发学习者的求知欲,满足学习者的探索欲,最大限度地发挥学习者的认知主体作用,让学习回归本体,就是实现学习者自主学习,不再是“被教会”。
五 结论
通过结合作者开发的模拟物理实验系统项目设计与实践,文章探讨了模拟仿真实验设计及其教学设计的方法,由于不同学科有其自身的特点,在进行设计时应该根据实际情况进行具体处理,但总体目标都是要求实现随时观察到与实际实验相同的现象或结果。归纳为以下几点:(1)模型构建时要简洁,抓住最基本要素,排除非本质的东西。(2)实验要有很强交互性。(3)模拟过程要清晰、可重复。(4)模拟的结果要真实可信。(5)现象呈现时关键帧有说明解释。(6)有学习指导和使用说明。这样设计出来的模拟仿真实验,在教学上有利于学习者的启发式、探究式学习。随着计算机技术不断进步,计算机用于教育教学,特别是模拟实验这种教学模式,必将在教学和学习中发挥愈来愈大的作用。
参考文献
[1] 李云程.探讨制约CAI开展的关键环节软件设计问题[J].中国电化教育, 2000,(3):40-42.
关键词：传热学 仿真实验 探讨
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）08（b）-0040-02
1 实验教学存在的问题
实验教学是工科类专业素质教育的重要组成部分，是巩固课堂所学知识、培养学生的科学研究方法、实验基本技能以及创新能力的重要途径。加强实验教学改革有助于提升整体教学水平。实验室硬件水平是开展教学实验的基本保障，但由于人力、物力、财力的限制，实验室硬件通常不能满足实际教学需求。比如，实验室缺乏必要的专业实验设备导致教学计划中的一些教学实验无法顺利开展，或者部分教学设备陈旧老化、数量严重不足，无法为每个学生提供全程动手操作的机会，另外某些专业实验设备价格昂贵甚至实验过程存在一定的危险性也导致许多学校在开设实验项目时常常有所保留。有些实验受到场地和课时限制，在规定的时间内无法完成实验或实验效果不理想，这些都直接影响了实验课的教学效果。上述问题除了通过合理的实验室建设和设备购置来解决外，还可借助现代计算机仿真技术开展仿真实验教学来解决。
2 仿真实验
仿真实验是指在交互状态下，借助编程软件、多媒体、仿真等技术在计算机上营造可辅助、部分替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，学生可以像在真实环境一样完成各种实验项目，所得的结果甚至优于实际实验结果。仿真实验具有很多的优点它营造了多样化的教学环境，能大大提高学生的学习兴趣；将仿真实验与网络链接后，学生可以利用校园网进行实验课程的学习，打破了传统实验教学时间和空间的限制；可以节省实验经费，实现多种实验目的。
一些高等院校和企业开发了适用于不同专业、实现不同功能的实验仿真软件，促进了仿真实验在工科实验教学中的应用。如能实现离心泵测定、精馏、吸收等功能的化工原理仿真实验、验证电工基本定理的电工电子仿真实验、大学物理仿真实验、建筑工程仿真实训系统等。在热能与动力工程专业中有西安交通大学[1]开发的制冷过程多媒体演示与模拟教学实验，浙江大学[2]开发的基于web的小型冷库教学系统，东南大学[3]开发的制冷空调综合创新模拟实验平台，长沙理工大学[4]开发的能够实现二维稳态导热、竖壁附近自然对流换热和辐射角计算3个虚拟实验的传热学虚拟实验等。这些仿真实验借助计算机仿真技术，通过声音、动画、彩色图像等丰富的表现力为学生提供了内容丰富、形象直观的学习环境，充分调动了学生的学习积极性，取得了较好的教学效果。
3 传热学仿真实验
传热学实验教学是热能与动力工程专业的专业基础课实验教学，与传热学理论课程互为补充，是课堂理论教学的继续和深化，对于培养学生的解决工程实际问题能力和研究开发能力具有重要的作用。在传热学教学中引入仿真实验，是为了更好地完成大纲中规定而实际无条件实现的实验项目和内容。以我校热能与动力工程专业为例，目前本专业传热学实验内容主要包括隔热材料导热系数测量（10台）、外掠管束对流传热系数测量（2台）、换热器性能测试（3台）等。实验内容相对较少且实验台数量太少远远不能满足实际需要，导致实验过程中无法保证每个同学的实际动手操作。另外，因实验设备使用过于频繁导致其老化加快，实验中就曾出现因设备部件故障而无法继续实验的情况，如换热器性能实验中因热电偶出错影响了实验的顺利进行。因此，在不能保证足够实验设备数量前提下，借助计算机仿真实验来辅助传热学实验教学不仅能扩展本专业实验教学内容，还能帮助学生深入了解实验原理，保证实验的顺利进行。
3.1 传热学仿真实验介绍
根据传热学实验教学内容和目标，我们对现有的硬件实验设备进行了综合分析，确定了这些设备能够开展的实验内容，把无法开展的实验内容用计算机仿真实验来代替。为此，我们开发了一套传热学实验仿真软件，下面就此软件进行介绍。
传热学实验仿真软件采用的开发工具为Visual Basic 6.0软件，该软件可以很方便地实现用户界面、菜单、操作按钮和工具条的制作，能够完成实验过程需要的原理演示、实验装置构成显示、阀门开关与开度调节、数据读取、数据处理、实验帮助等功能，开发的软件用户容易上手，使用起来很方便。图1为其中的水平圆管壁面自然对流传热关联式仿真实验主界面。界面主要由标题栏、状态条、实验设备、操作按钮组成。点击操作按钮可以实现加热器的电压调节，可以查看并学习实验指导书的相关内容，还可以查看实验过程中的换热量和温度参数的动态变化情况以及确定读取实验数据。
传热学实验仿真软件的功能是能实现圆球法测导热系数实验、二维导热温度场的数值计算、非稳态导热温度场的数值计算、水平圆管壁面自然对流传热关联式实验、中温辐射物体黑度测试和换热器性能测试实验等6项实验内容。与实验室现有的硬件实验教学设备形成互补后，基本上涵盖了包括导热、对流、辐射和换热器在内的所有传热学实验内容。
传热学实验仿真软件采用模块化建模，开发过程中，将每部分实验内容作为一个单独模块。每个模块中除了包括实验台系统动画图形外，还包括实验目的、实验原理、实验步骤、数据处理方法和思考题等内容。开发过程中采用了动态模拟技术，实验过程中的实验参数可以实现动态即时显示，使模拟实验更贴近于实际情形，学生可根据参数的动态变化随时了解实验进行情况并判断数据读取的时机。由于该仿真软件详细地介绍了每个实验的原理、内容、操作步骤、数据处理等内容，所以它也可作为传热学实验的系统学习工具使用。
3.2 仿真实验教学效果
通过使用该传热学实验仿真软件，取得了较好的实验教学效果。首先，该传热学实验仿真软件能够实现因缺少相关实验室硬件而无法进行的实验项目，完成了传热学实验教学大纲规定的教学内容。学生使用后，加深了对数值计算、对流传热、辐射、换热器性能等实验涉及的理论和实验测试内容的理解，丰富了学生的传热学实验实践，实现了学生对传热学知识的全面学习和理解。
其次，由于实验形式新颖，加上界面设计友好，学生学习兴趣较高，实验后普遍反映对所进行的实验尤其是原理和数据处理等相关内容有了更全面和深刻的了解。另外，由于该仿真软件具有完善的用户帮助功能，且可以直接在Blackboard教学平台上进行操作，学生实验时不受实验时间和空间限制，也可多次进行，使用起来相当方便，效果较好。
为了取得更好的教学效果，未来将在该传热学实验仿真软件中进一步增加测试与评分模块，实现用户仿真实验效果的即时测试与打分。还将在该实验仿真软件中增加更多的动态模拟内容，使其更喜迎并方便用户使用。
4 结论
针对现有实验教学中存在的问题，本文探讨了计算机仿真在实验教学中的应用，分析了仿真实验的优点。对我们开发的一套传热学实验仿真仿真软件进行了介绍，并概括描述了仿真实验的教学效果。
参考文献
[1] 晏刚，吴业正，厉彦忠，等.发挥实验室优势，完善实践教学改革[C].2004年制冷会议论文集，2004：135-137.
[2] 张华，刘楚芸，王勤.基于web的小型冷库教学系统的设计与开发[C].2004年制冷会议论文集，2004：142-144.
[3] 张小松，蔡亮，李舒宏，等.建立多功能开放实验台，培养学生创新科研能力[C].2004年制冷会议论文集，2004：148-153.
[4] 姜昌伟，傅俊萍，赵李铁.基于Matlab的传热学虚拟实验开发[J].中国电力教育，2008：316-317.
系统将根据用户的操作给出相应的评价
后台功能通过数据库系统将前台和后台系统有机连接，后台系统可对前台系统中的信息进行管理。（1）信息管理：管理员对平台中的文章及资源进行修改及更新操作。（2）用户管理：对注册用户及内部用户信息进行管理。（3）题库管理：对现有题库进行管理，包括添加、修改、删除。（4）系统管理：对课程主体模块进行设置，添加或删除菜单选项。（5）虚拟实验管理：对实验模块进行管理，包括添加、删除。数据库的设计与实现对于一个系统来说，数据库的设计与实现非常重要。本系统主要涉及的表有用户表、文章目录表、文章表、题库表、虚拟实验表；在本系统中，比较有特色的设计是文章目录表和虚拟实验表。文章目录表对于一个好文章系统设计来说，需要实现的功能为：（1）实现无限级分类。（2）实现无限级链接导航。（3）实现逐级分类下各条信息的查询，包括最多浏览量、最多评论量、最新信息。（4）随意转移子分类到任何级别而不用修改分类下的信息表。（5）使用最少的参数得到所要的信息，URL参数最好只有一个。（6）不管多少级，只有一个ASPX文件实现类列表和各种方式的信息调用。在本课程平台系统中，采用树形的结构来构造目录系统，通过root、depth、parent、left、right字段来设定文章所在的层次和对应的父目录和子目录。虚拟实验表主要字段包括验名称、实验介绍、所对应的链接。通过链接的方式来完成实验的。
虚拟实验开发实现
系统建设流程大致分为三个阶段，即收集整理资料、建立三维实体模型、系统集成与功能开发。虚拟实验详细创建流程如图一所示。收集整理资料收集各种实验设备的照片及图纸，进行分类，并用Photoshop进行预处理，包括调节自动对比度、裁剪等来达到实验的需求。图片可以采用单张图片的方式，也可采用多通道的方式存储。三维实体建模本系统使用三维建模软件3DMAX进行建模、渲染、烘焙，然后使用VR-Platform(VR～Plat-form，三维互动仿真平台是由深圳中视典数字科技有限公司独立开发的三维虚拟现实平台软件)制作交互。课程实验中主要场景模型是实验设备、实验器材作为各种碰撞障碍物，具体模型参数的设置是在考虑物体物理属性，所以建模过程相对简单。一些模型可以通过AUTOCAD图纸导入后转为三维模型方式；高级三维建模通常方法是建立基础模型，如长方体、平面、圆柱体等，之后经过对其加线、改线、添加修改器等一系列操作后，方可得到所需模型。模型建立完成后再进行相应的材质贴图、添加灯光操作。进行较大型VR场景制作时，后期通常会对VR场景进行分批烘焙，分批导出操作，这时就需要对部分已烘焙的静态模型进行导出。系统集成与功能开发在Max里完成以上操作后，就可以将场景导入VRP中进行交互功能设计了。VRP中进行漫游交互的制作。VRP具有人性化、易操作、所见即所得；高真实感、实时画质；高教渲染引擎和良好的硬件兼容性；高精度碰撞检测算法；丰富的特效；功能强大的实时材质编辑器；强大的界面编辑、独立运行功能。系统优化影响基于VRP的虚拟现实系统最终运行速度的三个因素为：VR场景模型的总面数量、VR场景模型的总个数和VR场景模型的总贴图量。因此对系统的优化主要从这三个方面进行。（1）场景模型的总面数：通过做简模、删除无用的面的方法来减少总面数。（2）VR场景模型总个数：将相同材质的物体进行合并，加快场景的加载时间和运行速度。（3）VR场景模型的总贴图量：尽可能利用已有的贴图减少贴图量，将烘焙好的场景导入VRP编辑器之前将所有烘焙后的贴图进行贴图格式压缩。
结束语
防窃电仿真实验平台就是基于以上的需求研制开发出来的防窃电技术研究实训教学的平台。本平台设备采用计算机技术、仿真技术和虚拟负荷技术，实现需求侧计量点防窃电仿真实验。本装置既能进行反窃电教学实验，同时也能进行各种创新的防窃电实用实验。
关键词：防窃电 仿真技术 反窃电教学
1.引言
为了配合打击窃电行为、降损节能、维护用电正常秩序，培训中心需要对相关的专业人员进行理论和实际窃电的现场侦测技能的培训。本文所述防窃电试验平台采用计算机技术、仿真技术和虚拟负荷技术，结合新型的智能电表（内部经过改造）。实现培训教学与生产实际操作的零距离衔接。本装置既能进行窃电理论教学也能演示多种生产实际中的窃电手段，使装置具备"教、学、练"等多层次的培训功能。
2.平台设计方案
防窃电仿真实验平台模拟现场实物进行各种防窃电技术的实验，模拟1条10kV线路，模拟该线路负荷包括高供高计专变公变用户、高供低计公变专变用户。实验部分即可监控系统既采集10kV线路的分支用户各种数据，又采集现场运行的典型数据，达到实验与实用并重的效果。
2.1 设计目标
培训学员对电能表的安装、运行、内部结构及工作原理有深刻的认识和了解，在熟悉窃电犯罪分子常用的窃电手法以后，通过直观检查、电量检查、仪表检查进而掌握如何识破各种各样的窃电方法，找到有力的犯罪证据，从而提高学员的现场窃电的侦查能力。
2.2防窃电仿真实验平台实现的概要
防窃电仿真实验平台具有以下5个功能模块：
1）防窃电模拟实验功能；
2）防窃电实时监测实验功能；
3）反窃电方式实验功能；
4）自动筛选可疑用户实验功能；
5）电量追补及辅助取证功能实验；
2.2.1防窃电模拟实验功能
模拟搭建单相、三相计量环境，模拟窃电现场，根据不同的窃电方式，在计量设备的多个环节设置窃电操作点，连接窃电线路，布置多种窃电工具，供用电检查人员演练查处方法，学习查处技巧。并结合原理图分析各种旧式、新式、高科技等类型窃电手段原理，强化对反窃电方法的技术分析与研究，使用电检查人员全面实验了解窃电各类手法。
2.2.1.1无表、越表窃电实验：
表前引电源通过控制开关窃电；
表前引电源通过单电流接触器窃电；
表前引电源通过双电流接触器窃电。
2.2.1.2攻击计量回路窃电实验：
1）短接CT窃电；
2）改变CT变比窃电；
3）CT二次开路窃电；
4）CT二次侧反接窃电；
5）断开PT与三相电能表接线窃电；
6）PT与电能表之间串接电阻窃电；
7）反接PT二次侧接线窃电；
8）短接电流回路窃电窃电；
9）电流回路开路窃电窃电；
10）反接火线窃电；
11）一线一地法窃电；
12）改变电压相位窃电；
13）改变电流相位窃电；
14）利用变流器附加电流窃电。
2.2.1.3攻击电能表窃电实验：
1）电能表内部电压回路分压窃电；
2）切断电能表内部电压回路窃电；
3）利用遥控装置窃电；
4）更换计度器或者利用倒表器窃电；
5）强磁铁窃电；
6）更改表内电流采样接线窃电；
7）修改费率时段窃电；
8）修改脉冲常数窃电。
2.2.2 防窃电实时监测实验功能
利用一次侧和二次侧已安装的防窃电设备，深入挖掘电力用户用电信息采集系统功能应用，增强采集系统的反窃电监测与事件分析功能。
研究新报装用户的防窃电方案，拓展用电信息采集系统的功能。
2.2.3 自动筛选可疑用户实验功能
根据不同用户的用电情况，实验建立不同的分析模型，导入用电信息采集系统的历史数据，自动筛选出可疑用户。
2.2.4电量追补及辅助取证实验功能
通过实验研究，解决反窃电工作过程中取证难及追补电量难的问题，最终形成可用于日常工作的科研成果。
2.3防窃电实验平台设备配置
本实验平台是按照全线路防窃电与防窃电实验设备配置，包括高供高计供电方式、 高供低计供电计量方式等。主要设备包括实验用变压器、开关；实验用防窃电计量箱、表箱环境监测装置；各种防窃电、反窃电实验模式装置；用于实验的负荷测量装置、高频信号实验装置等。
3.应用分析
本平台是基于窃电手法的理论与实践相结合的产物，系统建成应用后对于培养强有力的电能计量、用电检查、用电稽查队伍提供方便有效的教学环境，从而大大提高公司的反窃电能力，可以更高效的查处窃电者。不仅可以减少供电企业的经济损失，同时还可以规范用电市场，保障电网的安全运行，保护了广大人民的生命和财产安全。
关键词：仿真实验室 财务管理 情境设计
财务仿真实验室不仅可以加强学生的创新能力和实践能力，还可以从专业领域发展来对实验室管理进行规划。人们在进行系统的设计、研究、实现以及分析时，总是通过实验完成的，在传统实验中一般都是由真实系统来完成的，但是这种方式可以直接造成系统的破坏和故障，使得实验难以重复、费用昂贵，所以这种传统方法不能有效的进行研究，而信息技术和计算机技术的引入，使得研究手段和研究方法都获得了突飞猛进的发展。
1、财务仿真实验室的概述
传统的实验方法是通过生物、化学以及物理等进行研究对象的理论检验、观察、模拟、分析，这种方法的优点是具有可重复性、安全性、经济性和可靠性，缺点是对于复杂的经济社会系统研究和分析无法胜任，为了让实验具备政策试验、观察分析、决策试验、计划分析、运筹试验、评价、预测、监督以及控制等功能，需要建立计算机技术和电子技术的策略。经济实验的主要目的就是揭示经济社会系统过程中的规律和现象，探索经济社会系统运行中的控制手段和可控性，所以经济实验需要和科学思想进行结合，并通过实验手段和实验工具让生产力的发展得到促进。
2、财务仿真实验室的主要问题
2.1欠缺形式灵活性
会计核算操作一般都是由一套固定的使用业务来处理的，这种操作方式不仅直接导致原始凭证的审计以及识别遭到忽略，还使得账务过于集中进行处理，让会计处理违背了真实工作过程和一般顺序。在模拟财务决策过程中，一般都是通过若干案例的给定来让学生进行计算和理解。上述因素的发生都是因为案例来源、业务来源的局限性，使得学生在面对工作时缺乏挑战性，老师在面对实际教学时缺乏改变。
2.2缺少情境真实性
模拟财务决策实验的重点是股利分配、投资、资本运营以及融资等管理财务决策。我国目前还没有有效的表现模拟财务决策实验的方法，因为该实验过于简化、过于理想化，不仅不能在财务管理中反映出企业的动态效果，还不能在资本市场中反映出企业的表现。
2.3缺乏科学性评价
财务仿真实验室管理是一个试验项目繁多、体系庞大的学科，对于老师指导和学生实验都比较困难。学生如果想要单独进行全部实验的完成，难度系数巨大的，必须和岗位评价相联系，不仅需要通过角色来培养学生的团队协作，还需要通过设计方案、问题解决、问题灵活分析来培养学生的处理能力。此外实验项目的决策以及判断存在较多的答案只有正确的对学生实验结果、实验过程进行评价，才可以客观的、科学的进行财务仿真实验室管理。
2.4缺乏技术先进性
随着我国经济化的不断发展，学习财务管理的人是越来越多，面对如此数量的学生老师的工作量大幅度上升，但是实验技术依旧是没有改变，学生在财务管理实验中遇到的特定问题是很难及时让老师一对一的进行帮助，并且老师也不可能全面的、动态的对实验全局进行控制，使得实验效率低下，而在财务仿真实验室管理中老师虽然可以让实验参数的设定比较灵活、教学成本降低，但是实验却存在重复性。
3、财务仿真实验室管理的关键技术
3.1科学评价
财务仿真实验室管理主要融合了企业经营模拟、经济战略制定、经济决策模拟以及会计核算操作等方面，它的数据流量和存储量都要求比较庞大，也就是说财务仿真实验室管理是一种团队协作的科学评价机制。传统的财务管理中主要从财务总监、会计主管、投资主管、运营主管、融资主管以及分析主管六种岗位进行了定义，这六种角色是所有团队的组合方式，都是由财务总监进行未来财务规划和未来财务目标，通过责任细节要求和总体目标来分配工作给各个部门，并由各个部门制定出执行方案，最后进行分析、筹资、核算、运营以及投资等工作。财务仿真实验室管理不仅需要通过团队协作能力来对最终成绩进行考核，还需要通过个人业务能力来对最终成绩进行考核，做到各部门策略工作之间相互影响、相互配合，让团队成绩与企业财务绩效相挂钩，其中个人业务能力是任务完成质量的反映，根据正确结果和业务方法可以对个人业务能力进行评价。
3.2经营模拟扩展
财务仿真实验室管理主要是针对企业进行研究的，需要研究企业在发展过程中以及经营过程中的财务管理战略制定，并利用外部资源和内部资源来制定决策活动、财务核算，让企业实现最大化的经济效益。财务管理实验一般是由固定案例开始的，严格的对企业行为边界和企业环境进行了限定，人为的让企业经营活动与财务管理活动出现割裂，造成企业经营活动与财务管理活动之间相互作用被忽略。在实际运用中企业的投资项目融资容易受到财务管理决策型活动的影响，从而是企业的发展方向和经营方向遭到改变，而企业经营过程中一旦出现决策不同，是可以反过来对企业核算工作结果、制定财务决策进行影响的。要想让财务仿真实验室管理符合一般会计业务处理顺序、具有动态变化，就必须让会计处理的灵活性和真实性得到加强，让业务处理的挑战性和复杂性得到加强。
3.3任务驱动
财务管理在教学过程中一般需要比较庞大的教学案例，并需要大篇幅来进行企业实际环境背景的介绍，对于企业的资本运营情况、融资情况以及财务投资项目进行详细描述，而财务仿真实验室管理的实验项目和实验目标非常容易迷失在大背景中，所以就需要使用生成微型案例库技术，把大案例逐步进行微小案例的分解，这种技术是通过财务管理知识进行的，利用人工干涉分类过程和识别过程把大案例进行知识列表归纳，从而形成事实基本单元。老师通过情景编辑工具的使用，并根据某种业务预定逻辑进行事实基本单元的重构以及连接，让一个大案例完整的呈现出来。虽然这个过程使得案例原有语境遭到破坏，但是又因为情境设计是严格按照通用业务逻辑进行的，所以会出现新语境的多种组合，不仅加强了财务仿真实验室的数据扩展能力，还让真实性得到了保持。
4、结束语
财务仿真实验室通过信息技术和计算机技术的引入，成功的避免了实验的难以重复、费用昂贵以及系统的破坏、故障，财务仿真实验室管理的三种关键技术分别是科学评价、经营模拟扩展以及任务驱动，其中科学评价是指通过团队协作能力和个人业务能力来对最终成绩进行考核，做到各部门策略工作之间相互影响、相互配合，经营模拟扩展是指让会计处理的灵活性和真实性得到加强，让业务处理的挑战性和复杂性得到加强，任务驱动是指利用人工干涉分类过程和识别过程把大案例进行知识列表归纳，从而形成事实基本单元，并让真实性和数据扩展能力得到了保持、加强。
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关键词：虚拟仿真实验；真实实验；仪器
高中生物学科中的实验教学要求学生在教材及教师的指导下自主完成实验。实验教学在课堂中的扎实展开，能够有效地培养学生的动手实践能力和操作能力，促进学生在掌握生物原理和操作技能的基础上，更加全面地认识和学习生物科学。在高中生物课堂中，学生可以通过实验简单快捷地了解和掌握所学的生物知识及原理，感受生物这门特殊的自然科学。
一、当前高中生物实验教学中存在的问题
然而，在实际的实验教学中，许多方面存在不足，如实验教学中所需要的材料过少或者缺少其中某一样实验器材都将导致实验无法正常开展。而有些则是因为所要进行的实验本身存在一定的危险性而无法真正开展，以至于实验教学在生物课堂中成为一种摆设，也就无法发挥实验教学本身的辅助作用。这不仅严重影响着教师的教学活动，还减少了学生全面学习生物知识的方法和途径。当然不免有些教师在实验教学中为了节省时间而演示生物实验，也就是通常所说的教师做、学生看。这样一来，学生也就不会积极主动地参与到实验教学中，这不仅不利于培养他们的动手实践和操作能力，还降低了他们运用生物知识去分析和解决实际问题的意识与能力。由此可见，高中生物教学中实验教学的开展存在许多的问题，而作为高中生物教师，我们在教学过程中要善于科学合理地运用适当的教学方法进行实验教学，对于存在危险性及实验器材缺乏的实验，我们可以利用计算机、多媒体技术模拟实验仪器及实验操作进行模拟仿真实验教学，以此突破生物实验的局限性，实现生物虚拟仿真实验与真实实验的相互交融与
互补。
二、高中生物虚拟仿真实验与真实实验的整合
（一）虚拟仪器及虚拟仿真实验
高中生物虚拟仿真实验即利用全新的、先进的且富有生命力的虚拟仪器和多媒体计算机，对教材数据进行分析和处理，在虚拟操作中为学生展示其中的实验步骤和结果。虚拟仿真实验综合运用了计算机图形学、图像处理与智能技术及音响技术等多方面的功能，给学生以直观形象的感受，促进他们更加简单快捷地学习和掌握生物实验的设计及操作。虚拟仿真实验主要通过虚拟仪器进行，虚拟仪器就是在多媒体计算机上配上相应的专用软件和硬件，并设定和设计好的测试功能，从而实现真实仪器所具备及缺乏的特殊实验教学。
1.虚拟仪器的特点
相比于传统的实验仪器，虚拟仪器更加智能，处理能力更强，且使用起来更加方便灵活，它的开放性和功能软件的模块化有利于提高资源的重复利用率，并缩短系统组建时间。运用计算机对生物实验内容进行分析、存储、显示及打印，能够有效地完善数据的传输和交换等性能，使得组建系统更加简单快捷。
2.虚拟仿真实验的特点
虚拟仿真实验使抽象的生物知识更加形象和具体，运用多媒体为学生提供声音、图像、文字等多方面的内容，其信息量大且应用范围广，能够在激发学生学习兴趣的基础上，提高他们对生物知识的表达和运用能力。在进行虚拟实验教学之前，教师可以利用多媒体计算机对实验模型和过程进行精心设计，从不同的角度和层次为学生加以演示和讲解，促进他们形象化思维的形成。高中生物教学中进行虚拟仿真实验对实验教学尤为重要，不仅有利于提高生物教与学的质量和效果，还能够保障实验设备及教师的安全，促进实验教学的高效开展。相对于传统的生物实验教学，虚拟仿真实验给学生的实验过程增加了许多乐趣，使他们更加热爱生物实验，乐于学习生物知识。
例如，人教版高一生物必修2第三章《基因的本质》中，DNA分子的结构和复制过程微观、抽象，学生即使制作出DNA物理模型，也难以在不断犯错和纠正过程中，准确模拟整个复制过程。借助虚拟仿真系统，利用计算机对DNA分子的复制步骤进行分析整合，使学生能够展开思维的翅膀，自由模拟想象中的复制过程。在各种史料和事实的支撑下，构建、完善DNA复制模型。在手脑并用操作实验的过程中直观地感受和理解DNA复制的方式、特点，大大提高了生物教学的效率。
（二）真实实验
真实实验是教师在生物教学过程中运用实验仪器进行实际操作的实验活动，它给学生以真实的感受，消除他们对抽象知识点及虚拟实验的学习障碍，并在这样的实验过程中对生物产生新的认识和看法，这对高中生物实验教学起着重要的作用。
（三）高中生物实验教学中虚拟仿真实验与真实实验的关系
高中生物实验教学中的真实实验是虚拟仿真实验的基础，即虚拟仿真实验是对真实实验的模拟，虚拟仿真实验能够有效地弥补真实实验的缺点和局限性，二者相辅相成。因此，教师在教学过程中结合它们各自的优势，对生物实验教学进行精心设计，可以取得良好的实验教学效果。
1.能真勿虚
对于生物实验教学中那些过程简单且易于操作的实验，且在现有条件下能够运用真实实验完成并达到预期教学效果的，教师在教学时就要运用简单的基础性实验仪器完成实验教学。
2.虚实互补
在高中生物实验教学中，有的主要是观察试验中所产生的现象，而有的是以得出结论为主，也有以理解生物规律和实验原理及实验仪器使用为主的。这就要求教师在实际教学中根据实验教学目标的不同，准确无误地确定是要采用虚拟仿真实验还是真实实验。
对于实验室的条件限制，需要采用先进技术或是稀缺仪器的实验，或实验现象不太明显的实验，一般采用仿真实验平台进行虚拟仿真实验。当然，在学习新知时，教师可以先安排相关的简单、易于操作的真实实验，使学生在对主要实验仪器有了一定的真实感受之后，再辅之以虚拟仿真实验，这样能够有效地提高实验教学的效果。
总而言之，在高中生物实验教学中，教师要学会综合运用和发挥虚拟仿真实验和真实实验的作用，并充分结合这两者的优势，以此，在培养学生动手操作能力的基础上，利用先进而高效的现代化实验手段，锻炼理性思维能力。只有这样，才能更好地达到预期的实验教学目标，并培养出具有扎实生物实验能力和独立思维能力的创新型人才。
参考文献：
针对在大学物理实验中模拟示波器损坏折旧严重的问题，本文提供了一个基于LabVIEW平台的模拟示波器仿真实验。文中详细介绍了实现仿真模拟示波器(虚拟示波器)各功能的程序结构。通过此仿真实验，学生可了解传统模拟示波器的操作，又可体会LabVIEW的强大功能和图形化编程特点。本文为模拟示波器仿真实验提供多样性。
关键词:
LabVIEW；模拟示波器；仿真实验
0引言
模拟示波器实验是许多理工科大学生必作的实验内容。然而，由于在实验中的频繁使用和误操作等原因，模拟示波器的损坏和折旧也相当严重。常出现的损坏元件是电位器旋钮，由于高频率的使用磨损，在较短的时间就不得不更换。这给仪器的维护带来很大的工作量。针对实际实验中仪器成本高易损坏等问题，大学物理仿真实验应运而生[1]。仿真实验具有成本低，不需购置仪器也不损坏仪器的优点。学生通过仿真实验的练习，在实际实验时就可能避免误操作或过度频繁的尝试操作，从而减少对仪器的损耗。仿真实验和实际实验相辅相成，两者的结合可使实验教学取得更好的效果。此前已有一些基于LabVIEW的仿真模拟示波器的报告[2-6]。本文将侧重于将虚拟示波器应用于模拟示波器的仿真实验。仿照传统模拟示波器的实验仪器，本仿真实验设计有信号发生器和虚拟示波器两部分。虚拟示波器设计有时间坐标调节，电压幅度调节，触发调节，信号通道选择，交/直流信号选择等模拟示波器的常用功能。通过仿真练习，学生既可熟悉模拟示波器旋钮的功能，又了解一些LabVIEW的编程特点。
1虚拟示波器实验介绍
虚拟示波器实验仪的前面板。实验时，学生先在信号发生器上设定待测信号，包括波形、频率、幅值等，然后操作虚拟示波器以正确测量待测信号的上述参数。
1.1信号发生器
信号发生器可设定两路独立的待测信号。每路信号可设定信号的波形、幅值、频率、采样率和采样点数。波形设定可选择正弦、三角波、方波、锯齿波和直流共五类信号类型。此待测信号不是真正连续的模拟信号，而是由计算机生成的由有限数据点组成的离散数字信号。采样率设置1秒的数字信号由多少数据点组成，而采样点数则设置信号发生器每次发出的信号包含多少数据点。信号发生器是用了Sub信号发生器模块的五个参数设置功能来实现的。Sub信号发生器模块还具有更多参数的设置选项。学生在实验时还可以尝试增加噪声、占空比、相位等参数设置以进一步丰富待测信号的多样性。
1.2时间和幅值显示调节旋钮
时间和幅值显示调节旋钮位于右下端。模仿模拟示波器的相应功能，这两个旋钮是用来调节示波器显示窗口的时间和幅值坐标轴的示值范围。该功能的实现主要是利用了LabVIEW波形图的属性节点功能。首先旋钮连接到一个条件结构框图，框图内部预设一些想要的示值范围。然后旋钮控制的示值范围发送给示波器波形图的属性节点，达到波形图示值范围的调节。
1.3触发功能的实现
触发功能是模拟示波器必备的功能，也是学生们在学习示波器工作原理时的一个难点。当示波器时间轴示值范围不是待测信号周期的整数倍时，如果此时仍然连续采样，则示波器显示波形的起始点会位于信号周期的不同节点上，导致信号不能被稳定地显示。“触发”功能让示波器显示波形的起始点在每次刷新时都会位于信号周期的固定节点上，从而实现稳定的波形显示。触发有多种方式，本虚拟示波器采用了最基本的边沿触发方式，即根据信号的电压值和信号点处于上升还是下降沿两个参数来确定波形显示的起始数据点。触发功能的控制区域位于右上端，包括两个独立的信号调节部分，可对两路待测信号进行相互独立的触发设置。其中，“斜率”滑动开关用来设置触发数据点是处于上升沿(正)还是下降沿(负)；“水平”旋钮用来设置触发点的电压选取信号峰峰值的多大比值，本设计中取10%到90%，间隔为10%。触发功能的编程是整个虚拟示波器编程的关键。(A)显示了“判定范围并强制转换”模块，对此模块的灵活运用既可实现寻找与设定触发电平最接近的数据点，又可判断该数据点是处于上升沿还是下降沿。而此模块本身的功能却相对简单，我们给它输入上限，下限和X值，它将判断X是否处于上/下限之间。图4(B)显示触发功能的程序结构。首先输入的波形信号经过一个索引数组，每次取出该数组的第i和第i+1号元素，分别赋值给上/下限(下降沿判定范围模块)和下/上限(上升沿判定范围模块)。触发电平的设定值赋给两个判定范围模块的X值。用一个FOR循环检索全部元素。如果设定值在数组的第i和第i+1号元素之间，元素i为下限，元素i+1为上限，则让检索号i为上升沿起始数据点检索，即为i上；反之，元素i+1为下限，元素i为上限，则让检索号i为下降沿起始数据点检索，即为i下。在示波器显示波形时，根据上升或下降沿触发，分别从第i上或i下个元素开始显示即可。
1.4信号通道选择
下方“通道”区域所示，虚拟示波器也设置了信号通道选择。它可以单独显示A通道，或B通道，或A和B通道同时显示。当单独显示A通道或B通道时，滑动开关右侧的“幅值”和“频率”示值显示自动测量的单通道信号的幅值和频率。信号通道选择滑动开关连接到一个条件结构，用来控制信号A，或信号B，或两者同时接入波形图显示。同时，条件结构中还包含了单频测量模块和幅值与电平测量模块，可自动测量单通道信号的幅值和频率。
1.5虚拟示波器的其余功能
1.5.1信号的DC（直流）和AC（交流）切换。这个功能的设计思路是，当测量直流信号时，触发功能将被屏蔽；当测量交流信号时，则启用触发功能的相应程序。
1.5.2索引A，索引B，和长度A/B。因为周期信号的每个周期都有一个上升沿和一个下降沿触发数据点，所以在搜索上升/下降沿触发点的索引时，应取输入信号的第1个周期内的数据点即可。索引A，索引B定义了A，B两信号在一个周期包含多少数据点。为了避免程序的过度繁杂，这个功能需要学生根据信号发生器设置的频率和采样点数进行手动输入。另外，虽然信号发生器上定义了采样点数，但是在显示波形时，不一定要显示所有的采样点数。“长度A/B”设定虚拟示波器上实际显示的数据点数，即A，B两个信号显示相同数量的数据点。
1.6虚拟示波器的运行界面
已显示了一个虚拟示波器的运行界面。设定的参数为：通道A为正弦信号，幅值1V，频率10Hz，20%峰峰值下降沿触发；通道B为三角波信号，幅值1V，频率12Hz，20%峰峰值上升沿触发。
2结论
相比于一些已发表的基于LabVIEW的虚拟示波器的设计，本文有两个侧重点：一是详细介绍了实现虚拟示波器各功能的程序结构和编程思路；二是着眼于虚拟示波器在大学物理仿真实验中的应用。因而，本虚拟示波器一方面可帮助学生练习和了解模拟示波器的使用，另一方面也可培养学生对LabVIEW的了解和编程兴趣，为他们今后编制其他虚拟仪器开拓思路。
作者：朱子鹏 单位：太原理工大学物理与光电工程学院
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