第一篇：焊接虛擬仿真培訓系統

1、焊接培訓行業狀況

焊接是一項對過程要求很高的工作，在現有的手工焊接生產中，采用MAG/MIG焊接的約占50%，TIG焊接約占30%，MMA焊接約占20%；如：在造船行業中，MAG約占70%，MMA約占30%；那么，這就需要焊工要有扎實的操作手法、規范的動作。而在焊接培訓過程中傳統方式存在以下多種問題：（1）消耗大量的焊條(絲)、焊件和保護氣體等材料；（2）對學員的培訓過程難以準確掌握；（3）對學員的焊接水平難以評價；（4）培訓效果不盡理想；

（5）培訓過程環境污染嚴重，有害健康；（6）培訓過程安全性差。

2、項目實施目的

1）減少甚至避免焊接練習過程中強光、高溫、明火及煙塵以及有毒氣體的產生，全面保護教師和學員的身體健康；

2）減少或者避免焊接實訓過程中對空氣污染的有害氣體的排放，防止對環境造成污染；

3）能夠讓無工作經驗的學員快速、真實的投入到焊接實訓中，提高培訓效率，避免由于無經驗操作產生的事故。同時能夠讓有經驗的訓練者有更高的訓練平臺，提高焊接技術；

4）節省真實焊材、工件等焊接材料以及工業用電，降低培訓成本； 方便教學。

3、焊接仿真模擬器概述

電焊操作訓練模擬器系統是由武漢科碼軟件有限公司獨立自主研發的焊接虛擬仿真培訓系統。該系統是基于虛擬計算機系統，是以中高度仿真的教學培訓系統，能讓學員在接近真實的模擬環境下進行焊接技術的訓練。該系統能促進焊接技能向實際工況焊接的有效轉換。與傳統的焊接培訓相比減少了焊材的浪費。

該設備結合了：焊工的動作、仿真焊接焙池、焊接聲音及焊接手感，使用該系統的受訓者能夠感受到幾乎真實的焊接過程。

電焊模擬實訓系統是新一代環保、節能、通用型操作技能實訓與評價平臺。該系統采用分布式仿真實訓技術、虛擬現實技術、微機測控技術、聲音仿真技術及計算機圖像實時生成技術。在不需要真實焊機的情況下，通過仿真主控系統、位置追蹤系統，將焊接演練過程中焊槍的位置、速度和角度等進行采集處理，并實時生成虛擬焊縫。

該系統將仿真操作設備、實時3D技術及渲染引擎相結合，演練過程真實，視覺效果、操作手感與真實一致。在焊接演練的過程中，學員能夠看到焊接電弧以及焊液從生成、流動到冷卻的過程，同時聽到相應的焊接音效。

該系統與傳統的焊接技藝教學能有機的融合在一起，是實現靈活、高效、安全、節約、綠色無污染的焊接模擬培訓教學與考核的最佳教學方法。

通過電焊模擬實訓系統，學員不僅僅可以獲得與傳統實訓相同的操作經驗，同時通過系統內置的數據采集、智能專家輔助模塊和量化考核評價系統等一系列先進獨特的教學功能，配合合理明晰的焊接知識穿插講解，使學員可以獲得在傳統教學實踐過程中難以量化的精確焊接培訓指導，大幅度提升學員在培訓過程中的方向性和目的性，有效縮短學員的培訓周期，降低教師的教學負擔，達到以低成本、低投入實現“精教、精學、精煉”的焊接培訓機制。

電焊模擬器主機效果圖

電焊模擬器設備圖片

4、技術基礎

當操作者進行訓練時，系統中的多個傳感器將獲得的多個焊槍實時參數反饋給計算機，計算機對數據進行處理分析，并在顯示裝置和音響上顯示相應的焊接畫面和焊接聲音。焊接實訓設備應具有以下技術：

1、數字圖像處理、信息技術。

2、計算機圖形學、傳感與控制技術。

3、多種焊接操作技術、安全操作規范。

4、融多項高新技術于一體，呈現代職業教育之先進手段。

5、新型的焊接訓練實訓設備是一種低成本、高效率、現代化的焊接訓練解決方案。

焊接模擬器技術原理圖

5、視景仿真系統結構

焊接模擬器視景仿真系統結構圖

各個模塊應具有的功能如下：

1、數據輸入模塊主要負責將焊接工藝參數和焊槍運動參數狀態信息傳遞給焊接仿真模型模塊和仿真引擎模塊。

2、仿真模型模塊主要負責對工件、焊槍等焊接仿真環境進行靜態幾何建模, 完成焊縫模擬、煙、光照、火光、陰影、光照等特效3D圖形渲染。

3、焊接仿真引擎是系統的核心，它主要探尋焊接工藝、焊槍運動狀態參數和焊縫橫截面幾何參數之間的關系。

4、仿真結果輸出模塊包括評價系統模塊和其它功能子模塊。主要負責實時監測仿真狀態, 輸出動態仿真結果，分析、評價仿真過程數據。

5、具備培訓效果可評估功能：具有實時可視的操控信息反饋、虛擬焊縫的實時檢測指導、訓練者操作技能的實時評估功能。

6、學員端系統功能與特點

1、性能與優勢： 1）、多種焊接工藝。

本套實訓設備可以模擬訓練多種焊接工藝，焊條焊、氣體保護焊、氬弧焊、，還可擴展直流焊、鋁焊、氣焊，并包含焊接共享資源庫。

（1）焊條電弧焊模擬訓練系統

焊條電弧焊模擬訓練系統可模擬焊條與工件互相熔化并在冷凝后形成焊縫，從而獲得牢固接頭的焊接過程的模擬系統。本系統可進行酸性焊條J422（Φ2.5、Φ3.2、Φ4.0）、堿性焊條J507（Φ2.5、Φ3.2、Φ4.0）的多種訓練，并可對焊件進行平焊、立焊、橫焊和仰焊等多種不同位置的焊接訓練。訓練者在手工焊接操作時可看到焊縫熔池實時生成，訓練者的手工操作直接影響到了熔池成形的結果，并由系統進行實時的專家評定焊接缺陷，以便訓練者了改進焊接手法，以達到焊條電弧焊訓練效果。

（2）CO2氣體保護焊模擬訓練系統

CO2氣體保護焊模擬訓練系統可模擬以二氧化碳氣體作為電弧介質，保護金屬熔滴、焊接熔池和焊接區高溫金屬的一種熔焊模擬系統。本系統可選用藥芯焊絲YJ502、YJ507、YJ507CuCr、YJ607、YJ707； 自保護焊絲：直徑Φ1.0、Φ1.2、Φ1.6。并可對焊件進行平焊、立焊、橫焊和仰焊等多種不同位置的焊接訓。訓練者在手工焊接操作時可看到焊縫熔池實時生成，訓練者的手工操作直接影響到了熔池成形的結果，并由系統進行實時的專家評定焊接缺陷，以便訓練者了改進焊接手法，以達到CO2氣體保護焊訓練效果。

（3）氬弧焊模擬訓練系統

氬氣體保護焊可模擬200A/mm2左右的高強度電流密度效果，焊接過程中系統可體現氬弧焊燃燒穩定、熱量集中、熔滴細小、飛濺少的使用特點。并可對焊件進行多種不同位置的焊接訓。訓練者在手工焊接操作時可看到焊縫熔池實時生成，訓練者的手工操作直接影響到了熔池成形的結果，并由系統進行實時的專家評定焊接缺陷，以便訓練者了改進焊接手法，以達到氬弧焊訓練效果。

2)、三種焊槍

本套實訓設備包含以下三種焊槍，與真實焊槍比例一致：焊條電弧焊槍、CO2氣體保護焊槍及氬弧焊槍，操作過程中有焊條融化的縮短真實體驗和焊條

自動更換功能，并能體驗到操作手感。見下圖：

3）多種接頭（焊件）形式

本實訓設備可以模擬多種焊接接頭形式，對接、角接、T接接頭形式以及I形、V形（單面焊雙面成形）、Y形坡口類型。

系統還可模擬管對板，管對管接頭的形式。還可擴展多種焊接形式。

4）、多種焊接位置

本實訓設備有獨立的操作臺，可以在虛擬場景中靈活地調節多種焊接位置，讓訓練者無障礙進行平焊、立焊、橫焊、仰焊等多角度焊接位置訓練。示意圖如下：

5）、能夠真實的模擬焊接過程中的各種條件設置，引弧、焊接、收弧中的

各種手法，在焊接過程中具有自動換條功能，并能體驗操作中的力量反饋感，電弧、明暗場、飛濺、焊縫、聲效表現逼真。

6）、系統設置簡單，虛實結合，通過真實的焊板、焊槍、示教器進行焊接訓練；系統可提供完善的語音提示，焊接過程中可以通過圖形及語音提示幫助學員校正操作姿勢，輔助指導學員的培訓過程與應用。

（1）該系統具有仿真示范教學功能，示范最佳的焊槍姿態（包括焊接速度、焊槍角度、焊槍與工件的距離和位置等）。

（2）系統可體驗焊接過程中的的使用感覺，包括焊條的更換等。

（3）系統具有可觀察高仿真熔池反應的模擬界面，焊接完成后可看到高仿真的焊縫成形現象。

第二篇：虛擬汽修仿真教學系統

虛擬汽修仿真教學系統

中國已成為全球汽車的第一大市場，快速發展的汽車工具為我國經濟注入了一支強心劑，拉動了各個產業的發展，隨著我國汽車保有量的不斷攀升，另一個問題已經浮出水面——汽車維修維護。

不僅是現有的4S店，社會上的各類大大小小的汽車維修店如雨后春筍般涌現，而汽車維修維護人才卻極為缺乏，近年來汽車工業和汽車技術不斷發展，新能源汽車也不斷普及，對汽車的維修維護提出了更高的要求。作為汽修人才培養的主力：職業院校，如何解決社會汽修人才的問題，成為了最大的教學要求。

汽車作為一個高度機電一體化的產品，內部結構非常復雜，需要全面了解汽車的結構和運行原理，才可能對維修維護有深刻的認識和技能，利用先進的IT技術，使用虛擬汽車教學培訓系統，對培養汽修人才有著巨大的促進作用。

鳳凰創壹虛擬汽車教學培訓系統以3D互動方式直觀展現汽車的基本結構和工作原理，以及虛擬拆卸與安裝（每一步互動操作都有相應的語音解說或提示）。并提供3D互動 故障診斷及考核功能。本系統包含汽車機械常識、汽車文化、汽車的美容與裝飾、汽車電子電工技術應用、汽車結構與拆裝、汽車使用日常維護、汽車的修理、汽車 性能檢測、汽車故障診斷九大模塊：（1）汽車機械常識包含量缸表的使用、曲軸的測量、汽缸的測量；（2）汽車文化包含汽車駕駛的演示和汽車駕駛的實訓；（3）汽車的美容與裝飾章節包含的主要課程（汽車清洗、汽車護理、汽車漆膜修補、汽車車身裝飾、汽車室內裝飾、車身電器的裝飾等）；（4）汽車電子電工技 術應用主要包含電源系統繪制與連接、啟動系統繪制與連接、點火系統繪制與連接、照明系統繪制與連接；（5）汽車結構與拆裝包含整車拆裝，發動機拆裝，發電 機拆裝，發電機拆裝（含工具），自動變速器原理，變速器內部展示與拆裝，汽車整車展示與拆裝，汽車底盤展示與拆裝等（所有拆裝均包括：自動拆卸，自動安 裝，手動拆卸，手動安裝。其中自動拆卸，自動安裝是為了讓學員學習整個拆裝過程，手動拆卸，手動安裝是為了學員練習對所學拆裝步驟的熟悉度）；（6）汽車使用日常維護包含調整點火正時、交流發電機各部件的檢修、啟動機故障診斷與排除、前照明燈的檢查與排除、電動門窗故障診斷與調整等。（7）汽車的修理包 含汽油泵拆裝、分電器拆裝、曲柄連桿機構拆裝、活塞環更換、噴油器拆裝、汽油機竣工驗收、柴油機竣工驗收、氣缸壓力的測量、變速器的拆裝、前橋拆裝、轉向 器拆裝桑塔納主減速器拆裝、東風制動閥拆裝、交流發電機拆裝、分電器拆裝、四缸發動機拆裝、以及制冷劑進行瀉放、添加及抽真空等常見汽車修理內容；（8）汽車性能檢測功能模塊可讓學員在三維互動的場景中學習動手進行制動性能檢測、燈光性能檢測、汽車尾氣性能檢測、側滑性能檢測、蓄電池性能檢測、交流發電機 性能檢測、啟動機性能檢測、點火性能檢測、點火能量檢測等性能檢測；（9）汽車故障診斷包含機械故障，電控故障，電器故障。機械故障主要檢查器件磨損間 隙，裂紋，變形，老化等故障（包括冷卻系統，潤滑系統，啟動系統，點火系統等故障）；電控故障檢查發動機控制和各個系統控制反饋信號的檢測，查看各個功能 傳感器的故障（防盜系統，燃油系統，排氣系統，點火系統，空氣供給系統等故障）；電器故障檢查各個系統的電器原件故障(如雨刮噴水系統，燈光照明系統，儀 表系統，啟動系統，充電系統，玻璃升降系統，電動后視鏡系統等故障)。本系統還提供排除故障過程中需要用到相關儀器儀表，例如：汽車故障檢測儀，示波表，千分尺，內徑千分尺等三維互動模型。

在職業院校汽修專業中推廣和普及虛擬汽車維修維護培訓系統，是汽修教學改革的一大進步，不僅在教學方法是進行了改革，在教學內容和教學模式上都是巨大的進步和變革，對我國大力發展汽修人才有巨大的推動作用。

第三篇：煤礦安全生產虛擬仿真培訓系統

煤礦安全生產虛擬仿真培訓系統

產品簡介

全面提高煤礦職工隊伍的安全素質，增強依法自我安全保護的意識，堅持“安全第一、預防為主”的生產方針，促進全國煤礦安全生產狀況的穩定好轉和優化煤礦生產，北京金視和科技股份有限公司致力于VR技術在礦業領域的研發，結合煤礦領域的實際情況，并聯合煤礦開發和安全生產方面的相關高校專家共同研發制成煤礦安全生產虛擬仿真培訓系統。系統以煤礦職工安全生產、優化技術設計、安全技能培訓和提高礦產效益作為主要目的。利用國際領先的虛擬現實和三維仿真技術開發而成。煤礦安全生產虛擬仿真培訓系統緊緊圍繞著煤礦安全生產，搭建了完整的、系統的、可視化的應用平臺。該系統由兩大部分構成，分別為理論培訓和實戰操作培訓，提供基于虛擬現實的人機交互演練，大幅度提升學員的實際操作能力和安全防范意識。

產品特點

真實準確，知識庫豐富

煤礦安全生產虛擬仿真培訓系統以國家統一的煤礦培訓教材《煤礦新工人崗前安全培訓教材》為基礎，整個系統不但客觀的復原教材中的關鍵知識點，而且還將實際生產操作進行了深度擴展結合，從而提高了系統知識的豐富性，提高了學員對相關操作規程的理解和認識。系統內置的數據庫管理模塊，可以詳細準確的記錄所有學員的學習、訓練以及考核數據，具有安全生產的規范性和準確性。三維交互

煤礦安全生產虛擬仿真培訓系統以獨特的三維仿真技術將煤礦井下環境完整的呈現，全新的三維仿真交互操作突破了以往傳統的教學方式，讓學員能夠以多種視角對井下環境進行多維度的學習和認識。

立體可視化

煤礦安全生產虛擬仿真培訓系統以國際先進的三維仿真技術為基礎平臺，搭載定制化開發的立體顯示設備，讓用戶佩戴液晶快門立體眼鏡即可在任意環境下呈現井下立體畫面。立體顯示設備堅固穩定，精致便攜，且不受場地限制即可沉浸式體驗立體畫面。自由操作，煤礦安全生產虛擬仿真培訓系統包含兩種學習模式：順序模式和自由模式。分別為初級學習和強化訓練提供人性化的學習方式。順序模式可以根據煤礦安全生產的工序流程進行逐步學習，在每項工序開始前會彈出提示框，提示下一步應該執行哪項任務，這樣可以幫助學員快速了解相關開采及預防的流程。自由模式可按照學員自身需求，有針對性的對某項任務進行深入學習，而不需要每次都從新開始學習整個工序流程。

在線式多人協同

煤礦安全生產虛擬仿真培訓系統支持多人在線式協同作業，學員通過學習了解井下相關任務流程后，可同時在線扮演各個工種的角色，通過班長的指揮或工序流程完成各自任務。在沒有下井之前便可以在虛擬的環境中進行開采訓練，積累井下開采經驗，提前發現問題并及時解決，有效的防止因人為因素引發的礦難事故。

第四篇：水電廠仿真培訓系統

FS系列華勝水電廠仿真培訓系統

FS系列華勝水電站仿真系統

? ? 產品標準： DL/T 1024-2006 試驗標準： DL/T 1040-2007《電網運行準則》 ◆概述

水電站仿真系統是電氣值班員職業技能鑒定實操項目的規定軟件，也是電氣類專業課程和實訓項目的重要教學軟件。華勝FS系列水電站仿真軟件符合 DL/T 1024-2006《水力發電廠仿真機技術規范》，完全可以仿真實現水電站值班員工作職責,即巡視和監視電站所有電氣設備，電氣設備的倒閘操作，電站各種事故、不正常工作狀態的處理。

◆ 華勝FS水電站仿真系統內容

一、水輪機系統

1.最低水頭和最高水頭之間任一水頭均能仿真；

2.引水系統：引水管道、閘門、液壓啟閉機控系統；

3.水輪機：混流式水輪機或其它類型水輪機；

4.調速系統：調速器機調控制系統、調速器電調控制系統、壓油裝置系統、分段關閉、漏油泵控制系統、過速限制器及接力器；

5.水導軸承冷卻系統：軸承瓦溫、、水壓、油溫、油位、冷卻油盆中油混水監控部分；

6.頂蓋排水系統: 頂蓋排水控制系統；

二、發電機系統

1.制動系統：2號發電機制動混合制動、機械制動控制系統;4號發電機制動方式為混合制動、電制動、機械制動控制系統；

2.推力、上導軸承冷卻系統：軸承瓦溫、、水壓、油溫、油位、冷卻油盆中油混水監控部分；

3.頂轉子操作系統：手動操作頂轉子操作系統；

三、勵磁系統

發電機勵磁系統勵采用自并激勵磁方式，包含勵磁變、可控硅整流裝置、自動勵磁調節裝置、發電機轉子滅磁裝置、起勵設備等部分組成，四、主變壓器

主變系統包括主變壓器本體、主變壓器冷卻系統、主變冷卻系統控制系統、主變中性點等設備。

五、開關站

開關站系統設備包括110KV開關站、220KV開關一次系統接線圖，各線路開關、刀閘、母線及配電裝置實際布局圖，各線路開關和隔離刀閘、PT隔離開關控制箱。

六、量測系統

用于表計和保護的電流、電壓量測回路，包括電壓互感器、電流互感器；

七、同期系統

同期系統包括手動同期和自動準同期回路;

八、廠用電系統

廠用電變壓器、廠用母線及其附屬設備，廠用電開關控制盤及儀表、廠用變低壓側負荷開關，廠用電的備自投系統；

九、直流系統

直流系統包含：蓄電池、直流母線、直流聯絡屏、可控硅充電設備、直流負荷屏、直流屏上儀表、負荷開關；

十、繼電保護、自動裝置和中央信號系統

1.發電機、變壓器、線路、開關、母線、切機、廠用電交流系統中的繼電保護和自動裝置，保護和自動裝置的種類、型號、數量按原始資料中的保護配置，自動裝置包括備用電源自動投入、自動重合閘、自動同期、自動啟動／停機裝置。

2.中央信號系統：包括所屬光字、簡報信息、報警等。

十一、機組輔助系統

1.風系統

風系統由高壓風系統、低壓風系統。風系統設備主要由高低壓空氣壓縮機、高低壓機控制柜，高壓儲氣罐、工業用氣儲氣罐，制動用氣儲氣罐、制動風閘、調相補齊、空氣圍帶布局圖及控制系統。

2.技術供水系統

技術供水系統由取水口、各電動閥門，水過濾器，減壓閥、各部冷卻器，示流器、壓力表計、電動閥控制柜，過濾器控制柜設備布局及控制系統。各部水壓在監控棒圖中按比例表示出來，水壓過高、過低時棒圖的顏色相應的發生變化，具備實時監視功能。

3.排水系統

排水系統概況：排水系統由滲漏水泵，檢修水泵，滲漏集水井，檢修集水井，排水閥門，廠區排水和機組頂蓋排水泵設備布局及控制系統。

◆ 華勝FS變電站仿真系統的優勢

☆ 歷史悠久：20年電力系統仿真技術研究、開發。

☆ 經驗豐富：已成功仿真300MW、600MW火電機組，500kV變電站綜合自動化系統。正在開發1000MW超超臨界火電機組和1000kV特高壓變電站仿真軟件。

☆ 技術先進：具有自主知識產權的電力系統仿真開發平臺，維護方便、系統穩定、持續開發。

☆ 專業專職：專業的計算機仿真專家和電氣工程專家，專職的仿真培訓教師。

☆ 培訓經驗：已培訓國內、國外（巴基斯坦、印尼等）發電廠、變電站技術人員和大專院校師生上萬人。

☆ 權威鑒定：參與國家職業資格技能鑒定變電站值班員中級工、高級工、技師和高級技師試題庫的編制和國家標準《變電站仿真機技術規范 DL/T 1024-2006》的起草工作。☆ 系列產品：500kV及以下電壓綜自站和普通站，包括：500kV變電站仿真系統（軟件），220kV變電站仿真系統（軟件），110kV變電站仿真系統（軟件），35kV變電站仿真系統（軟件），各類型水電站仿真系統。

◆ 華勝FS變電站仿真系統的特點和意義

☆ 對電腦配置要求低，軟件容量小（約300MB），運行速度快；

☆ 設置幾百種故障和不正常工作狀態，涵蓋電站值班員職業技能鑒定的考試范圍； ☆ 全中文界面提示，易學易用；

☆ 基于典型的電站，可根據用戶的要求適當修改仿真系統； ☆ 局域網連接，可集中或分散培訓，一機在手，隨時學習； ☆ 降低培訓費用，一次性投入，反復培訓，無需維護、管理人員； ☆ 實用性強，適合不同層次電運行人員的培訓；

☆ 提高電氣運行人員的技術水平和電站值班員職業技能鑒定考試能力，培養電站運行人員快速準確的判斷和處理異常事故的能力，避免電站各種事故特別是人為原因誤操作事故的發生。

◆ 產品別稱

水電站仿真軟件，水電站仿真培訓軟件，電力系統仿真軟件，水電站仿真機，水電廠仿真軟件，水電廠仿真培訓軟件

第五篇：基于虛擬仿真實驗系統的自主學習研究

基于虛擬仿真實驗系統的自主學習研究

摘 要：虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物[1]。為了研究基于虛擬仿真實驗教學系統進行自主學習的過程和效果，文章基于北京郵電大學電子信息虛擬仿真實驗教學中心的虛擬仿真實驗教學平臺，以《集成運算放大器的基本應用―低通濾波器》實驗為例，歸納沒有模擬電路基礎的學習者通過自主學習完成虛擬仿真電路實驗的過程，并采用調查問卷的方式收集學習者的學習效果。實驗結果表明，虛擬實驗可以讓學習者獲得相關的電路知識，虛擬仿真實驗平臺可以作為學習者自主學習的工具，并且在自主學習的過程中提高了學習者的學習興趣和發現問題解決問題的能力，培養了學習者的探索精神。

關鍵詞：自主學習；虛擬仿真實驗系統；模擬電路；學習效果

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）06-0093-04

在現代教育中，實驗教學占有越來越重要的地位，為了培養學生的實際動手能力和觀察能力，很多課程往往需要學生進行大量的實驗，而且許多實驗需要多協同操作才能完成。但現實中許多問題在真實環境下實驗具有不可見性、危險性或需要昂貴的實驗設備，成為制約教學質量提高的重要因素。虛擬仿真實驗是解決此問題的有效方案[2]。

虛擬實驗教學平臺不僅可以解決上述問題，而且對于提高學習者的學習興趣，激發學習者的學習動機有很大的幫助。在利用虛擬仿真實驗平臺進行自主學習的過程中，完全是以學習者為中心，學生可以自主調節學習的時間、地點、順序以及學習的進度，鼓勵學生的自主學習、協作學習，有利于學習者的主動建構，符合建構主義的教育觀和?W習觀，具有較高的理論意義和實踐價值[3]。自主學習虛擬實驗還有利于培養學習者的探索精神和實踐能力。學習者在自主學習虛擬仿真實驗的過程中，也提高了遇到問題解決問題的能力，并且確實獲得了實驗的相關知識。將虛擬仿真實驗引入教學有利于推進高等學校實驗教學信息化建設和實驗教學的改革與發展。

一、研究現狀及不足

1.虛擬實驗室建設現狀

虛擬仿真實驗室受到了各國高校的普遍關注，我國教育部從2013年起開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，截止2015年共評審出300個國家級虛擬仿真實驗教學中心。科技部2010年將《虛擬實驗教學環境關鍵技術研究與應用示范》作為“十一五”國家支撐計劃重點項目開展研究，清華大學、北京大學、上海交通大學、北京郵電大學、華南理工大學等高校已陸續在網上提供了虛擬實驗服務。在國際上有芝加哥伊利諾伊大學的數字化有機化學實驗室，卡羅萊納州立大學利用Java技術建設基于Web的探索式虛擬物理實驗室，密歇根大學為操作系統和高級語言課程建設了虛擬網上系統實驗室等。

2.國內研究現狀及啟示

虛擬仿真實驗與實驗教學的結合方式主要有兩種，一種是先實驗教學后虛擬實驗，這里虛擬實驗主要是用于鞏固知識，完善知識結構，提高學生的動手實踐能力。這也屬于先理論后實驗的教學方式，李旭鋒在《“先實驗后理論”化學教學方法探析》[4]中提出“先理論后實驗”的教學方法會抑制學生在實驗中發現問題的積極性和探索創新的主動性。另一種是先虛擬實驗后實驗教學，這里虛擬實驗主要是來達到預習實驗的目的，有利于教學更加順利地進行，如藺智挺在《基于虛擬仿真實驗的模擬集成電路實驗教學》[5]一文中，以模擬集成電路實驗教學為例，介紹了安徽大學基于虛擬仿真實驗進行實驗教學改革的做法和效果，利用虛擬仿真實驗中心，緩解了課時的矛盾，較好地達到了預習實驗的目的，拓展了實驗的內容，對實驗教學改革的深化產生了積極而深遠的影響。

虛擬仿真實驗可以作為學生自主學習的資源，培養學生的自主性、探究性學習能力。如潘雪濤、鄔華芝等在《創新虛擬實驗教學模式 培養自主學習能力》[6]一文中提出“三三三”教學理論新模式，其中虛擬實驗室在課前應用，激發學習者興趣，進行自主預習；在課中應用，主要用于教學互動，提高效率；在課后應用，用于自主復習，自主訓練。多年的實踐證明，教學改革成果顯著，教學效果明顯，學生的自主學習能力和實踐創新能力不斷提高。趙琪、孫紅等在《基礎醫學虛擬仿真實驗教學平臺構建研究》[7]中，提出開放式網絡化基礎醫學虛擬仿真實驗平臺豐富了實驗教學內容和手段，逐漸成為學生自主學習、自助學習的重要場所和學習方式，能夠突出探究、實踐和創新，提高學生自主學習和探究性學習能力。

3.當前研究的不足之處

通過以上文獻分析可以看出，廣大研究者對開發出的虛擬實驗系統在教學中的應用情況不太關注，對虛擬實驗系統應用于教學的過程設計與效果分析、虛擬實驗系統開發評價等方面的研究不多，尤其是關于學生對虛擬實驗系統學習體驗的調查和從學生視角對使用虛擬實驗系統進行學習的評價很少。實際上，這方面的研究，對于檢查所開發平臺的有效性、實用性有很重要的意義[8]。

已有研究大多關注利用虛擬實驗進行教學改革或者虛擬實驗平臺建設，目前尚未有研究者進行虛擬實驗的自主學習過程以及學習效果驗證的研究，而基于沒有模擬電路知識基礎的學習者的自主學習更能反映出虛擬實驗平臺對于知識掌握和實踐能力提高的效果。因此筆者基于北京郵電大學自主研發的電子信息虛擬仿真實驗教學中心，以未學習過《模擬電路》相關課程的學習者為研究對象，對學習者的學習過程、學習積極性、學習效果進行研究。

二、研究方法及過程

1.研究目的

本研究旨在通過對沒有模擬電路知識基礎的學生進行虛擬仿真實驗的自主學習過程和效果的調查研究，來分析通過自主學習虛擬仿真實驗，學生是否可以獲得相關的電路知識；學生在學習過程中積極性和注意力的集中程度如何，發現問題解決問題的能力是否有所提高，以及實驗平臺的易用性等問題，通過此次調查，了解虛擬仿真實驗是否可以作為學生自主學習的工具。

2.研究對象

本次調查問卷以40名研究生為例。在樣本的選取上，本次調查對象為沒有學過《模擬電路》相關課程、沒有做過任何一個模擬電路實驗的學習者，這樣更能體現出自主學習虛擬仿真實驗的效果；本研究所用的實驗平臺是由北京潤尼爾網絡科技有限公司研發、北京郵電大學電子信息虛擬仿真實驗教學中心運營的。實驗課程類屬《模擬電路》，實驗名稱：《集成運算放大器的基本應用―低通濾波器》，學習方式：自主學習。

3.研究工具

本次研究采用的工具為一份問卷調查表，在填寫完問卷之后采用訪談的方法來獲取被試者的主觀感受。

（1）問卷調查

本問卷的題目包括三個部分：第一個部分是第1題，是關于研究對象的個人信息，是否做過任何一個模擬電路的實驗。若做過，則被視為無效問卷；第二個部分是2～6題，從做實驗的積極性和注意力的集中性（問題2～3），遇到問題的解決辦法（問題4～6）三個方面來了解學生做實驗的過程。第三部分是7～9題，分別從實驗的原理（問題7）、器材的種類（問題8）、器材的作用（問題9）、學習虛擬實驗的基本步驟（問題10）、虛擬實驗對學習的幫助程度（問題11）四個方面來調查學習效果以及虛擬實驗對自主學習的有用性。

實驗在2017年6月份進行，每個學生自主學習虛擬仿真實驗的時間不限制，可以使用互聯網進行信息的查詢，學習過程沒有硬性要求，學習順序自主安排。調查問卷安排在做完實驗之后，其中問卷的第10題是關于學習者對學習虛擬仿真實驗的步驟排序。將學習虛擬仿真實驗的過程進行精簡和編碼：①進入虛擬實驗界面，瀏覽實驗內容；②打開各個儀器的開關；③根據網絡實物圖連接完整的電路圖；④尋求場外人員幫助；⑤調節各個儀器的量程；⑥根據實驗原理圖連接實物圖的基本部分。分析學習者的排序，得出學習過程的活動圖如圖1所示。

進入虛擬實驗界面，瀏覽實驗目的、實驗器材、實驗原理、實驗報告以及實驗操作平臺。通過實驗原理可得知：濾波電路的基本功能是濾除（抑制）某一頻率段的輸入信號。低通濾波器抑制的是高頻段的信號，通過低頻段的信號，當信號和噪聲在不同的頻帶時，可以實現信號分離，濾除噪聲。

通過參照實驗原理圖和百度的完整實物圖在虛擬實驗臺上進行電路連接。在實驗過程中遇到不認識的器材，通過雙擊實驗器材來獲得器材的屬性以及幫助信息，遇到不太懂的地方則通過網絡搜索或者尋求他人的幫助，原理圖中的三角形器件為運算放大器，有八個引腳，有放大信號的功能；信號發生器發出信號，通過泰克示波器來展示波形。

當完成電路的物理連接后，打開和調節各個儀器設備。但是波形并沒有顯示出來，然后通過檢查自己的電路圖是否連接正確來進行排錯處理，查完之后還沒有出現波形，請其他人員幫助，通過調節泰克示波器的量程來顯示出波形，實驗成功。實驗臺如圖2所示。

在整個實驗進行的過程中發現，認知虛擬實驗平臺只需要三分鐘左右，實驗平臺簡單易用，查詢信息方式很多，有獲取實驗幫助、獲取智能指導、獲取器材信息等等，實驗過程中，學生一直都保持很高的積極性，注意力很集中，遇到問題時，能夠積極主動的尋找問題的來源，主動尋求幫助，提高了發現問題和解決問題的能力。

（2）訪談

填寫完問卷，筆者對于調查對象關于做虛擬實驗的主觀感受以及填寫問卷的認真程度進行訪談。經訪談發現，學習者表示不用去實驗室就能把實驗做出來，很方便快捷，學習者在學習過程中充滿了好奇心，尤其是當波形調出來之后，覺得很神奇，自主學習的結果能夠實時的被觀察到，能夠激勵學習者進一步學習，并且所有的被試者都認真完成實驗和問卷，沒有無效問卷。

4.資料處理與分析

本研究共回收實驗問卷40份，其中第一題的選項均為B，即在本次實驗之前沒有做過虛擬實驗，因此問卷全部為有效問卷。

問卷首先調查了學習者在進行實驗時的注意力保持情況，和學習者在使用虛擬實驗平臺時的態度，筆者將注意力的五級進行編碼，在SPSS（“統計產品與服務解決方案”軟件，用于統計分析）中將選項依次賦值，A為4分，B為3分，C為2分，D為1分，E為0分，統計結果顯示，被試學習者的注意力平均水平為2.9分，說明虛擬實驗教學系統可以使學習者的注意力保持在中等偏上水平。

相關研究表明，根據認知負荷理論，當使用虛擬實驗室進行虛擬實驗時，學習者往往需要先掌握相關的知識與技能，比如了解虛擬實驗系統的操作規范和技術流程等，雖然這些知識和技能可能跟當前學習任務沒有必然聯系，但其實無形中增加了學習者的認知負荷[9]。本組下的另一個研究主題是關于學習者的學習積極性，通過圖3可以看出，被試對象的積極性保持在較高水平，所有的學習者都選擇了“積極”或“非常積極”。本主題的研究結果表明，與傳統實驗教學方式相比，學習者的認知負荷反而降低了。

虛擬實驗過程中，學生可以隨時登錄網站進行各種實驗，操作實驗設備，不受時間和空間的限制；學生在實驗中自主發現并解決問題，有利于培養在實際操作中分析和解決問題的能力，可以有效提高學生的動手能力[10]。本部分問卷題目設置的目的是探索學習者在自主學習、實驗過程中解決問題的途徑選擇。

由圖

4、圖5可以看出，當學習者在自主學習過程中遇到問題時，最常用的辦法是查看實驗平臺中的實驗幫助。此結果說明，在未來的虛擬實驗平臺或者其他在線學習的平臺建設過程中，需要提供盡可能詳細、準確的平臺幫助或說明。詢問他人，說明自主學習的過程常常與學習者的社會網絡相關。

本??卷的7至9題分別從實驗的原理（問題7）、器材的種類（問題8）、器材的作用（問題9）檢驗了虛擬實驗平臺的教學效果，其中問題7、8的正答率為100%，問題9正答率為97.5%，只有一位同學答錯，說明沒有模擬電路基礎的學習者經過虛擬實驗平臺的操作和學習，可以對模擬電路的基礎知識達到很好的掌握程度，驗證了虛擬實驗教學平臺的實際教學效果。

圖6顯示了被調查者在試驗后對于虛擬實驗平臺的主觀評價，如圖6可知90%的學習者認為虛擬實驗平臺對于掌握低通濾波器的知識和技能有幫助，驗證了筆者在上文中提出的假設，實驗證明，虛擬仿真實驗確實可以作為學生自主學習的工具。

三、研究結論

虛擬仿真實驗能夠提高學習者的興趣，可以作為自主學習的工具。在完成虛擬仿真實驗的過程中，學習者被深深吸引，能夠保持極高的注意力，學習效率極高。學習者在自主學習虛擬實驗的過程中能夠主動的發現問題并解決問題，提高了學習者的動手實踐能力。沒有模擬電路基礎的學習者通過虛擬實驗可以獲得相關的電路知識，學習效果良好。虛擬實驗室降低了實驗教學的成本，解決了傳統實驗室受時間、地點限制的問題，虛擬實驗簡單方便，虛擬儀器具有靈敏性與高效性。開展虛擬仿真實驗教學可以延伸實驗教學時間和空間，提升實驗教學質量和水平。在今后的教學實踐中，我們要發揮虛擬實驗的優勢，使之能夠與傳統的實驗教學密切融合。課堂教學、虛擬實驗和實驗室教學深度融合是現代實驗教學的發展模式，能夠培養學生的自主學習能力、動手實踐能力以及發現問題和解決問題的能力。

參考文獻：

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