基于網(wǎng)絡(luò)的土工虛擬仿真試驗(yàn)室開發(fā)

張麗萍

摘要：土工虛擬仿真試驗(yàn)室應(yīng)用于繼續(xù)教育網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，突破了時(shí)空限制，節(jié)約了現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，彌補(bǔ)了實(shí)踐教學(xué)條件的不足，大大提高了實(shí)踐教學(xué)的效果。文章以選擇土工試驗(yàn)作為研究對(duì)象，通過(guò)利用目前比較成熟的WEB技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的土工虛擬仿真試驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)相關(guān)知識(shí)的輔助學(xué)習(xí)、試驗(yàn)過(guò)程的模擬仿真操作、試驗(yàn)記錄表的提交、試驗(yàn)后的教師批改評(píng)語(yǔ)、學(xué)生查看成績(jī)等網(wǎng)絡(luò)化的虛擬試驗(yàn)教學(xué)和管理功能。

關(guān)鍵詞：土工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室;繼續(xù)教育;實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）20-0224-03

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展迅速，在大眾化教育及軍事、醫(yī)學(xué)、航空等的教育方面都得到了廣泛應(yīng)用。自從1989年，美國(guó)費(fèi)吉尼亞大學(xué)（University of Virginia）的William wolf教授提出虛擬實(shí)驗(yàn)室（Virtual laboratory）概念以來(lái)，虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究在發(fā)達(dá)國(guó)家十分普遍[1]。美國(guó)北卡羅來(lái)那大學(xué)的LAAP物理試驗(yàn)室和Howard Hughes醫(yī)學(xué)院開發(fā)的Biointeractive系列軟件[2]。國(guó)內(nèi)對(duì)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真試驗(yàn)室的研究雖然起步比較晚，但是也出現(xiàn)了一些非常優(yōu)秀的虛擬仿真試驗(yàn)室。如：中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所虛擬化學(xué)試驗(yàn)室Chemlab套裝軟件、大連理工大學(xué)analab的化學(xué)虛擬試驗(yàn)室系列、中國(guó)科技大學(xué)的大學(xué)物理仿真試驗(yàn)、中學(xué)電路虛擬實(shí)驗(yàn)室、生物虛擬實(shí)驗(yàn)室、南京大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室[3]。文章選擇土工試驗(yàn)作為研究對(duì)象，通過(guò)利用目前比較成熟的WEB技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的土工虛擬仿真試驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)相關(guān)知識(shí)的輔助學(xué)習(xí)、試驗(yàn)過(guò)程的模擬仿真操作、試驗(yàn)記錄表的提交、試驗(yàn)后的教師批改評(píng)語(yǔ)、學(xué)生查看成績(jī)等網(wǎng)絡(luò)化的虛擬試驗(yàn)教學(xué)和管理功能。

一、土工虛擬仿真試驗(yàn)室的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

土工虛擬仿真試驗(yàn)室的系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括試驗(yàn)室平臺(tái)搭建和虛擬仿真試驗(yàn)開發(fā)。

1.土工虛擬仿真試驗(yàn)室平臺(tái)搭建。平臺(tái)采用的是基于Web的B/S架構(gòu)，客戶機(jī)上只要用一個(gè)瀏覽器（Internet Explore、Firefox、Chrome）就可以了。該模式最大的優(yōu)點(diǎn)在于，用戶可以在任何地方進(jìn)行操作而不用安裝任何專門的軟件，只要有一臺(tái)能上網(wǎng)的電腦就能使用。服務(wù)器端采用PHP+MYSQL技術(shù)，在瀏覽器端采用Ext 2.0javascript庫(kù)進(jìn)行開發(fā)，使用ajax技術(shù)使瀏覽器端與服務(wù)器端通信。

搭建由學(xué)生、教師、管理員三界面組成的網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺(tái)，包含試驗(yàn)演示系統(tǒng)、試驗(yàn)仿真操作系統(tǒng)、試驗(yàn)結(jié)果記錄系統(tǒng)、試驗(yàn)結(jié)果評(píng)閱系統(tǒng)、成績(jī)反饋系統(tǒng)、后臺(tái)管理系統(tǒng)等，如圖1所示。

2.虛擬仿真試驗(yàn)開發(fā)。開發(fā)11個(gè)高交互、高仿真的土工虛擬仿真試驗(yàn)：土的含水率試驗(yàn)（烘干法）、土的密度試驗(yàn)（環(huán)刀法）、土的比重試驗(yàn)（比重瓶法）、擊實(shí)試驗(yàn)、顆粒分析試驗(yàn)（篩析法）、顆粒分析試驗(yàn)（密度計(jì)法）、直接剪切試驗(yàn)（快剪法）、土的壓縮試驗(yàn)、變水頭滲透試驗(yàn)、淺層平板載荷試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)。

試驗(yàn)系統(tǒng)采用Flash作為開發(fā)工具。開發(fā)出和實(shí)體儀器形似并具備其對(duì)應(yīng)實(shí)體的所有特性或功能的虛擬儀器;具備真實(shí)土樣一切物理性質(zhì)的虛擬土樣。試驗(yàn)的仿真模擬操作：學(xué)習(xí)者可以自主選擇儀器和土樣，在虛擬界面上進(jìn)行試驗(yàn)，如圖2、圖3和圖4。

二、土工虛擬仿真試驗(yàn)室的過(guò)程設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)課程以及真實(shí)試驗(yàn)教學(xué)中，教師都會(huì)按照一定的教學(xué)過(guò)程來(lái)實(shí)施教學(xué)活動(dòng)，在虛擬仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中，為學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)部分。

1.用戶登錄。在虛擬試驗(yàn)室中，學(xué)習(xí)者必須是通過(guò)用戶界面與虛擬試驗(yàn)進(jìn)行交互。構(gòu)建了和諧友好、方便操作、逼近物理原型的試驗(yàn)環(huán)境。如圖5～圖9。

2.試驗(yàn)過(guò)程模擬。虛擬試驗(yàn)過(guò)程模擬與仿真階段，學(xué)習(xí)者通過(guò)鼠標(biāo)選擇工具欄的工具和土樣，拖曳到試驗(yàn)操作界面中，按照自己的步驟進(jìn)行虛擬仿真試驗(yàn)，虛擬儀器會(huì)顯示出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在試驗(yàn)記錄表中，并處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出試驗(yàn)結(jié)果。提交試驗(yàn)記錄表。試驗(yàn)過(guò)程中不設(shè)置錯(cuò)誤提醒，即使過(guò)程錯(cuò)誤虛擬試驗(yàn)也能進(jìn)行下去，如操作者發(fā)現(xiàn)操作試驗(yàn)過(guò)程錯(cuò)誤，可重新操作。這種過(guò)程模擬更接近真實(shí)操作過(guò)程，學(xué)生不是被牽著鼻子。進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)，有助于提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

3.試驗(yàn)評(píng)價(jià)。教師登錄到虛擬試驗(yàn)室中，可以查看學(xué)生提交的試驗(yàn)報(bào)表，給出分?jǐn)?shù)和評(píng)語(yǔ)。學(xué)生在我的成績(jī)中可以看見成績(jī)和評(píng)語(yǔ)。通過(guò)虛擬試驗(yàn)，學(xué)習(xí)者可以分析虛擬試驗(yàn)的進(jìn)程、描述自己的感覺(jué)和反應(yīng)，以判斷自己對(duì)概念的掌握程度以及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的提高程度。同時(shí)，把虛擬情境與真實(shí)世界相比較，把虛擬試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系，使得學(xué)習(xí)者在虛擬試驗(yàn)中掌握的概念和解決問(wèn)題的方法遷移到真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境之中。

三、結(jié)論

1.突破了空間和時(shí)間的限制，實(shí)現(xiàn)了繼續(xù)教育實(shí)踐教學(xué)的開放性。對(duì)于在職在崗的絕大部分繼續(xù)教育學(xué)生而言，相對(duì)集中安排進(jìn)行的試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)直接與他們的工作時(shí)間發(fā)生了沖突而使工學(xué)矛盾更為尖銳。利用基于網(wǎng)絡(luò)的土工虛擬仿真試驗(yàn)室，學(xué)生只需一臺(tái)可以上網(wǎng)的電腦，就可隨時(shí)隨地進(jìn)行虛擬仿真試驗(yàn)。

2.節(jié)約現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，共享教學(xué)資源。土工虛擬仿真試驗(yàn)室投入少、收益大，實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)實(shí)踐。在虛擬仿真試驗(yàn)室學(xué)生能完成在線試驗(yàn)記錄、試驗(yàn)結(jié)果提交、成績(jī)查詢;教師能完成試驗(yàn)報(bào)告的批閱。實(shí)踐教學(xué)手段與組織管理方式的現(xiàn)代化，緩解了實(shí)踐教學(xué)中學(xué)生人數(shù)多與指導(dǎo)教師人數(shù)少的矛盾。

3.解決了繼續(xù)教育網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)無(wú)法動(dòng)手操作、達(dá)不到實(shí)踐教學(xué)效果的問(wèn)題。繼續(xù)教育網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)多數(shù)拘泥于文字和圖片的表現(xiàn)，或者偶爾配以簡(jiǎn)單動(dòng)畫、視音頻的輔助。真正基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)操作性的試驗(yàn)寥若晨星，多數(shù)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)都是演示性質(zhì)的，學(xué)生多是通過(guò)瀏覽網(wǎng)頁(yè)或者觀看多媒體教學(xué)來(lái)了解試驗(yàn)過(guò)程，不能達(dá)到預(yù)定的試驗(yàn)?zāi)康模瑢?duì)學(xué)生理解所學(xué)知識(shí)的幫助也不夠理想。學(xué)生利用土工虛擬仿真試驗(yàn)室，通過(guò)操作虛擬儀器進(jìn)行試驗(yàn)，并得到了試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)，學(xué)生可以輸入試驗(yàn)界面上的試驗(yàn)記錄表中，通過(guò)公式計(jì)算即可得到試驗(yàn)結(jié)果，也可輸入試驗(yàn)記錄表內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行存盤提交。教師可以進(jìn)行評(píng)閱，對(duì)試驗(yàn)做出評(píng)判。通過(guò)動(dòng)手試驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生選擇試驗(yàn)儀器、獨(dú)立操作、觀察現(xiàn)象、正確測(cè)量、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與誤差分析等方面的能力，以及分析和解決問(wèn)題的能力，增強(qiáng)了實(shí)踐教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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