盛 力 沈 洪 劉 濤 徐竟成

同濟(jì)大學(xué) 上海 200092

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用*

盛 力 沈 洪 劉 濤 徐竟成

同濟(jì)大學(xué) 上海 200092

實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高綜合素質(zhì)和培養(yǎng)創(chuàng)新思維起著重要作用。數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和數(shù)字化真實(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，應(yīng)優(yōu)勢互補(bǔ)，共同在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮作用。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)；數(shù)字化；仿真實(shí)驗(yàn)；在線監(jiān)測

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)工作的重要組成部分，在培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才方面發(fā)揮著十分重要的作用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用不僅僅是為了配合課堂理論知識的學(xué)習(xí)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，創(chuàng)新能力，科學(xué)探索能力以及與他人合作的能力。

教育手段的信息化是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化的具體途徑和主要標(biāo)志，以教育信息化帶動教育現(xiàn)代化是教育改革和發(fā)展的大勢所趨。實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化不僅成為信息技術(shù)與課程整合、教育手段現(xiàn)代化的一個突破口，而且對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高綜合素質(zhì)和培養(yǎng)創(chuàng)新思維起著重要作用。

一、數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的形式、功能及特點(diǎn)

與理論課程教學(xué)時數(shù)相比，實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時較少，且由于實(shí)驗(yàn)條件、場所、儀器的限制，實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容開設(shè)有限、復(fù)習(xí)和鞏固教學(xué)環(huán)節(jié)缺失，嚴(yán)重制約了實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。微型計(jì)算機(jī)的普及和校園網(wǎng)建設(shè)的日益成熟為實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改進(jìn)和內(nèi)容的革新提供了條件。

1.數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的形式和功能

要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用首先須進(jìn)行數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)，開發(fā)多媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)字模擬。通過收集實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)字信息，將多媒體資源制作成實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)字資源，表現(xiàn)特定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，借助Flash動畫軟件，整合聲音、圖像、文字等多種媒體資源。通過多種媒體表現(xiàn)形式，呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)大綱、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)演示課件、實(shí)驗(yàn)示范錄像等信息。學(xué)生不僅可以觀看實(shí)驗(yàn)?zāi)M過程，還可以動手操作課件。通過不同操作參數(shù)的變化，在動畫及聲像軟件中產(chǎn)生不同結(jié)果的信息反饋，通過學(xué)生與教學(xué)資源的互動，使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)信息有更深刻地理解和認(rèn)識。

數(shù)字化仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互動提供了基礎(chǔ)。由網(wǎng)絡(luò)平臺提供瀏覽、查詢、測試、交互等功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)上預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的網(wǎng)上提交。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)開始前利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)課件，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳給教師，實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，在網(wǎng)上與教師和同學(xué)進(jìn)行交流獲取幫助。教師在網(wǎng)絡(luò)平臺上發(fā)布實(shí)驗(yàn)通知和實(shí)驗(yàn)要求，上傳實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，對學(xué)生進(jìn)行答疑。

2.數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及局限

(1)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)越性

針對真實(shí)實(shí)驗(yàn)的缺欠，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)是目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。與傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)相比，仿真實(shí)驗(yàn)具有一些顯著的優(yōu)越性。

①仿真實(shí)驗(yàn)突破了現(xiàn)實(shí)教學(xué)條件對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在時間與空間上的制約。在顯示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備由于價格昂貴、操作復(fù)雜、操作條件苛刻或其他一些原因，難以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中完成。還有一些項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)周期長、測試項(xiàng)目反復(fù)，不適宜于安排在實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂上完成。而數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)平臺是一個開放的實(shí)驗(yàn)平臺，師生可以不受時間空間的限制，在虛擬的環(huán)境條件下，自由地操作選定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。對于在實(shí)際操作中容易出現(xiàn)錯誤、發(fā)生危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更是可以放下包袱，反復(fù)操作、練習(xí)。

②虛擬環(huán)境下的仿真實(shí)驗(yàn)節(jié)省了大量經(jīng)費(fèi)和資源。實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)維護(hù)、儀器設(shè)備的采購保養(yǎng)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)行管理都需要很多費(fèi)用，仿真實(shí)驗(yàn)使這些費(fèi)用都大幅度降低，而且可以創(chuàng)造更好的實(shí)驗(yàn)條件和更多的實(shí)驗(yàn)機(jī)會。另外，學(xué)生開展設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)時，可以先進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)，在得到最優(yōu)方案后再進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)，可以有效地避免盲目性錯誤，提高實(shí)驗(yàn)的成功率。

③數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)還能夠有效促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境下開展綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，徹底擺脫現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)條件的約束，在更深、更廣的知識領(lǐng)域內(nèi)探索。利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以發(fā)揮實(shí)驗(yàn)者的想象力，去實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)，而不受器材、儀表等的限制，為學(xué)生創(chuàng)造力的發(fā)揮提供廣闊的空間。

④網(wǎng)絡(luò)化仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺浞煮w現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的開放性和資源共享性。仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有高度的可獲得性，更廣泛專業(yè)范圍內(nèi)、不同高校的學(xué)生都可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)者不再受時間、空間上的制約，而教師可以共享教學(xué)信息資源，促進(jìn)相互交流，節(jié)省教學(xué)資源和快速反饋教學(xué)問題，發(fā)揮優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的輻射作用。

(2)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性

仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)等方面具有明顯的優(yōu)越性，值得大力推廣，但同時其在某些方面的應(yīng)用也存在不足之處。

例如在水處理工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，工藝實(shí)驗(yàn)處理效果受各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)和運(yùn)行操作參數(shù)的影響，每個參數(shù)對處理后水質(zhì)參數(shù)的影響程度和趨勢各有不同，處理后水質(zhì)各項(xiàng)參數(shù)變化由于受不同機(jī)理的控制也存在很大的差異。各工藝參數(shù)協(xié)同作用對處理后水質(zhì)參數(shù)影響的數(shù)學(xué)模型極其復(fù)雜，學(xué)術(shù)界至今沒有形成成熟的、被廣泛接受的模型理論。因此，在仿真實(shí)驗(yàn)中，大部分的實(shí)驗(yàn)參數(shù)被確定，每個實(shí)驗(yàn)只能限定1～2個工藝參數(shù)作為可調(diào)整的實(shí)驗(yàn)參數(shù)、演示處理過程中及處理后水質(zhì)的1～2項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的變化。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中只能觀察到單一參數(shù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果中單一數(shù)據(jù)的影響，不能綜合分析討論工藝過程中的多項(xiàng)重要機(jī)理，難以對工藝過程產(chǎn)生全面、立體、多維度的認(rèn)識，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果大打折扣。仿真實(shí)驗(yàn)的這種局限性難以在短期內(nèi)有所突破，需要新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式作為有效補(bǔ)充。

二、在線監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的作用

一些水處理工藝實(shí)驗(yàn)運(yùn)行周期較長，水在處理構(gòu)筑物中停留時間最短也要幾個小時，生物處理工藝甚至達(dá)到幾十個小時以上，也就是說運(yùn)行參數(shù)或水質(zhì)參數(shù)發(fā)生變化需幾個小時甚至幾十個小時才能顯現(xiàn)出后續(xù)效果的改變。實(shí)驗(yàn)周期過長，不適宜于在實(shí)驗(yàn)課上進(jìn)行。另外實(shí)驗(yàn)取樣次數(shù)頻繁、水樣檢測分析工作量龐大，分析過程中產(chǎn)生操作誤差的幾率高，難以有效保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。而一些典型工藝的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生深入理解和掌握學(xué)習(xí)到的理論知識具有重要意義，須尋求適當(dāng)方式開展典型工藝的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在線儀表與計(jì)算機(jī)相結(jié)合應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是克服實(shí)驗(yàn)周期及檢測分析問題的有效途徑，同時對于一些仿真技術(shù)無法模擬的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也能夠提供適宜的操作條件。

以一個污水生物處理工藝實(shí)驗(yàn)為例，將在線監(jiān)測有機(jī)物、氮、磷含量等水質(zhì)參數(shù)以及流量、液位等操作參數(shù)的傳感器安裝在處理工藝構(gòu)筑物模型的適當(dāng)位置，水質(zhì)及操作條件模擬信號傳入探頭控制器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，工業(yè)控制組態(tài)軟件將分析數(shù)據(jù)經(jīng)過處理存儲起來備查。組態(tài)軟件可以適當(dāng)發(fā)揮控制功能，調(diào)節(jié)閥門、水泵、計(jì)量泵、鼓風(fēng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制參數(shù)。讓學(xué)生通過對存儲的數(shù)據(jù)做數(shù)學(xué)處理進(jìn)行動力學(xué)計(jì)算和反應(yīng)機(jī)理分析，根據(jù)水質(zhì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果優(yōu)化工藝運(yùn)行條件。系統(tǒng)具有一些有利于提高教學(xué)效果的獨(dú)特屬性。

1.數(shù)據(jù)記錄和存儲功能

在線記錄、保存實(shí)驗(yàn)信息是在線監(jiān)測實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的基本性能。記錄數(shù)據(jù)量大，不僅可減小學(xué)生自行檢測和記錄可能造成的取樣和分析誤差，而且由于數(shù)據(jù)豐富，便于師生從多方面對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，充分認(rèn)識和理解實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容。

2.對實(shí)驗(yàn)過程的指導(dǎo)和規(guī)范

在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、教學(xué)內(nèi)容信息傳遞方面具有與數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相同的功能，同時在操作上實(shí)時提示學(xué)生應(yīng)如何操作，隨著操作階段的不同，指出操作要點(diǎn)和注意事項(xiàng)。限制操作參數(shù)在合理范圍內(nèi)，當(dāng)學(xué)生操作失誤時能夠即時發(fā)出警示，并拒絕執(zhí)行操作，保障儀器設(shè)備不會由于誤操作而造成損壞。

3.優(yōu)良的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺

在線監(jiān)測的模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有完備的數(shù)據(jù)采集功能和最接近實(shí)際工藝運(yùn)行狀況的實(shí)驗(yàn)操作過程，能夠進(jìn)行復(fù)雜、多樣的實(shí)驗(yàn)，為綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提供完備的物質(zhì)基礎(chǔ)。最接近真實(shí)狀況的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的豐富性使學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、開發(fā)想象力、發(fā)揮創(chuàng)造性方面擁有極大的空間，為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供廣闊的舞臺。

4.教學(xué)資源利用最大化

實(shí)驗(yàn)操作條件、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)字化為在線監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化打下基礎(chǔ)。學(xué)生可以利用校園網(wǎng)對實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)備現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)端操作控制、實(shí)時下載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并與指導(dǎo)教師進(jìn)行交流，使學(xué)生不致在漫長的實(shí)驗(yàn)周期中全部時間被實(shí)驗(yàn)操作和取樣分析所占用，同時大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以由所有學(xué)生共同分享，各取所需，讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)揮最大的作用。

一些在線儀表比較昂貴，整個在線監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)造價較高，一套系統(tǒng)不能只供少數(shù)學(xué)生使用。將在線監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)連接，讓更多的學(xué)生和教師分享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使其體現(xiàn)最大價值。

三、結(jié)束語

信息化是實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的重要方向，數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和數(shù)字化真實(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，應(yīng)優(yōu)勢互補(bǔ)，共同在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮作用。

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Application of digital experimental system for teaching

Sheng Li, Shen Hong, Liu Tao, Xu Jingcheng
Tongji university, Shanghai, 200092, China

Informationization of experimental teaching is very significant for students in training practicing faculty, excitation studding interesting, enhancing all-around ability and cultivating innovative ideation.As the indispensable part of the informational construction of experimental teaching, digital simulation experimental system and digital real experimental system should be exploited for their strong suit and make up disadvantage each other.

experimental teaching; digitalization; simulation experiment; on-line monitor

2010-06-01

盛力，博士，副教授。

*本文系同濟(jì)大學(xué)教改項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：0400104071)。