虚拟实验设计论文范文第1篇
摘要：针对快速捕捉赛场中裁判员手势判决跟踪问题，依靠图像的动态手势跟踪虚拟现实交互技术，研制了一种基于惯性传感技术的裁判员手势控制器，并进行了相关实验验证。该手势控制器由安装在手部、小臂和大臂的13个传感器节点组成，可用于计算机快速捕捉到裁判员对赛事的判罚，进而与虚拟空间中的物体进行交互。实验结果表明，该手势控制器能够准确地跟踪裁判员手姿势，进而控制虚拟手完成虚拟各类手势等交互操作。
关键词：虚拟交互;裁判员手势;惯性传感
文献标识码：A
0 引言
裁判员作为体育比赛中负责赛场只需的任务，其主要依靠手势行使规则赋予的职权[1]。针对裁判员手势的跟踪研究是快速判断比赛结果的重要依据。虚拟现实（Virtual Reality，VR）作为目前虚拟空间并与之交互的三维环境模拟系统，是视觉表达最为完美的艺术表现形式，具有很强的沉浸感[2]，且已经在军事航天、康复医疗训练、游戏、室内设计、工业仿真、教学等从军事到民用等诸多领域得到了广泛应用[3]。裁判员手势输入具有迅速、直观的特点，主要分为基于数据手套的静态手势识别[4]和基于图像的动态手势跟踪[5]两类。数据手套能够准确地识别出手势信息，但是手势被限制在固定点，属于静态手势，而且柔性传感器成本昂贵、容易损坏[6]。基于图像的动态手势跟踪是基于实时图像处理技术实现的，該方法能有效快速跟踪裁判员手部的运动，但是算法实现难度大[7]，而且容易受到赛场摄像机视场以及光照条件的限制。
近年来，随着微惯性传感技术（MEMS）的不断发展，惯性式动作捕捉技术逐渐成为研究热点[8]。国内外对惯性传感技术在手势跟踪方面的研究主要集中在主从控制[9]、人机交互[10]、康复医疗[11]等领域，而且这些研究大多针对静态手势识别。从交互的角度来看，静态手势识别适用于指令式操作，属于单向输入，一般用于流程控制;动态手势跟踪适用于交互式操作，可用于操作虚拟空间中的手势。
从虚拟现实输入的角度出发，针对裁判员动态手势跟踪，提出了一种基于惯性传感技术的手势控制器，并加入了振动反馈。该控制器不仅可以为虚拟现实提供手势跟踪，而且可以提供触觉反馈，使得虚拟交互变得更加真实自然，且快速获取裁判员对赛事判决。
1 整体方案设计
1.1 功能需求
在体育赛事中，裁判员通过手势去表达比赛结果的判决，手势表达在赛事中具有非常重要的意义。在人机交互中，手势输入作为一种新型交互手段，具有生动、形象和直观的特点，可以为研究裁判员手势提供非常自然的交互体验。
针对虚拟交互的动态手势跟踪方法主要有两类，一是基于图像的动态手势跟踪方法[12]，该方法对摄像机视场中的图像进行实时处理，但是当赛场中众多运动员同时交互发生遮挡或受到空间中其他物体的遮挡时，动态手势跟踪会失去效果。另一类是基于惯性传感技术的动态手势跟踪方法[13]该方法不受光照、背景、空间等外部环境的限制，不存在遮挡问题，而且具有实时性好、灵敏度高、动态性能好等优点，非常适合应用在多人互动的虚拟交互环境中。
针对虚拟交互设计的裁判员手势控制器应该具备以下功能：（1）适用于虚拟交互，具有可拓展性，未来可用于现实赛场;（2）具有触觉反馈功能，可用来感知操作对象;（3）穿戴方便，且性能要稳定可靠。手势控制器中增加的触觉反馈功能可以增强互动感，考虑到舒适性、体积限制等因素，拟采用振动触觉反馈方式。
1.2 传感器布局方案设计
图1所示为人手骨骼解剖结构图。手掌骨骼主要由掌骨、近节指骨、中节指骨和远节指骨构成。其中除大拇指外，其他四指均由远节指骨、中节指骨和近节指骨构成。手指的弯曲由三节指骨的旋转运动来实现，其中除大拇指外其余四指主要依赖近节指骨和中节指骨的主动运动。由于远节指骨的自主运动范围极小，而且它与中节指骨在运动上有一定的附属关系，因此在手势跟踪中，远节指骨的数据常常根据中节指骨来计算出，而不需要在远节指骨上安装传感器。大拇指的运动是由远节指骨和近节指骨的运动来共同完成的。因此，在手掌部分，每根手指需要安装两个传感器，同时手背处也需安装传感器来检测手的空间翻转、俯仰运动，则手掌部分共需11个传感器。
人手在空间中的运动范围可以抽象为：以肩关节为原点，臂长为半径的球形空间（在不考虑关节运动限制的情况下）。当前设计出的包含11个传感器节点的手势控制器所控制的虚拟手被限定在固定位置，属于静态手势识别。因此，参照人手的运动特点，在大臂和小臂处增设传感器节点，以肩关节为原点，大臂、小臂和手掌共同作为运动捕捉对象，通过关节间的旋转构造出人手的空间运动姿态。在单手手势控制器中，共需13个传感器，最终的传感器布局方案如图2所示.
2 姿态解算原理
2.1 捷联惯导系统
在捷联惯导系统中[14]，导航坐标系为n，即地理坐标系，一般采用东北天坐标系。由运载体的机体轴确定的坐标系为6，一般称为载体坐标系。根据欧拉旋转定理可知，载体坐标系相对于导航坐标系的转动可通过三次独立的旋转来实现。初始时载体坐标系与导航坐标系重合，设旋转轴依次为：-Zn→Xn→Yn，得到的旋转角依次为：偏航角ψ，俯仰角θ，横滚角φ。初始时载体坐标系b与导航坐标系n重
2.2 空间旋转四元数法
表征空间旋转的方法主要有欧拉角法[15]、方向余弦法[16]和规范化四元数法[17]。其中欧拉角法仅用三个旋转角参数（ψ、θ、φ）进行描述，计算简单，但是会出现奇异值，造成万向节死锁，不能用于全姿态的解算。方向余弦法可用于全姿态解算，但是需对九个方程求解，计算量大，不适合实时解算系统。规范化四元数法相对于方向余弦法而言，计算量小，动态响应快，对处理器性能要求低，且不会出现欧拉角法涉及到的万向节锁，是空间全姿态解算方法，因此在惯导系统中应用较为广泛。四元数的复数形式表示为：
2.4 基于互补滤波器的四元数姿态解算方法
在姿态解算中，利用加速度计和磁力计可以直接解算出姿态信息，静态时准确性较好，但是容易受到外界加速度及磁场的影响，动态性能较差。陀螺仪动态响应特性良好，但是直接用于积分会累积误差，精度也不高。为了获得较准确的运动信息，同时兼顾动态性能，拟采用滤波算法融合这三个传感器的数据，以提高解算精度和系统的动态性能。最常用的滤波算法有卡尔曼滤波和互补滤波两类。卡尔曼滤波是一种最优估计方法，计算过程中涉及到大量代数运算和矩阵求逆，运算量很大，对处理器性能要求较高。相比之下，互补滤波具有计算量小、实时性好、对处理器性能要求不高等特点，而且在载体变化率较小的情况下，互补滤波的效果比卡尔曼滤波更好。综合考虑，选择采用互补滤波算法来进行数据融合。姿态解算流程如图3所示：
3 硬件设计
3.1 传感器节点设计
传感器节点的硬件电路架构如图4所示，包括微处理器及外围电路、三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计。
传感器节点的功能是采集当前传感器原始数据，进行数据融合处理得到姿态数据[19]（四元数），最后将姿态数据输出到数据采集板。由于该节点要安装在手指上，因此其尺寸必须满足微型化要求，且不能影响手指的正常生理活动。
微处理器采用ARM Cortex -M3内核的STM32F103系列微处理器，该处理器内部集成了IIC接口、USART接口以及CAN控制器等，提供了多种数据传输方式。处理器外围电路主要包括供电（3.3V）、复位、晶振以及通讯相关接口部分。姿态传感器采用MPU6050芯片，该芯片是集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪的6轴运动处理组件，消除了加速度计与陀螺仪安装轴误差带来的影响，减小了封装空间，且该芯片内部集成了nc接口以及辅助nc接口，能够挂载额外的传感器，如磁强计或气压计。三轴磁强计采用HMC5883L芯片，该芯片体积小集成度高，具备nc接口，航向精度能精确到10至20，使用简单且成本较低，充分满足了设计需求。
3.2 触觉反馈设计
由于手部体积限制，考虑采用振动来提供反馈，即在传感器绑带的内侧（手心一侧）增加微型振动马达（如图6所示），连接到微控制器10处，通过PWM输出来调节振动强度。当虚拟手与虚拟物体接触时，将接触信号反馈到对应的微控制器，微控制器进而驱动微型马达振动，为操作者提供一个触觉上的接触反馈。
3.3 节点实物图
3.4 数据采集模块设计
数据采集模块的硬件电路架构如图7所示，包括微处理器、串口芯片、WIFI模块、CAN收发器。
数据采集模块的功能是接收各传感器节点的姿态数据并打包处理[20]，然后通过有线（串口传输）或无线（WIFI）传输的方式发送到上位机中。传感器节点内已经集成了CAN控制器，每一个CAN控制器都对应一个CAN收发器，二者配合实现CAN总线的数据传输，即实现了各传感器数据的采集。数据采集模块内主要包括处理器、CAN收发器、WIFI模块、USB转串口芯片及外围电路，其中处理器采用STM32F103系列微处理器;WIFI模块采用正点原子[21]的HLK-RM04模块，CAN收发器采用SN65HVD230芯片，该芯片采用3.3V供电;USB转串口芯片采用CH340G芯片。
4 软件设计
4.1 软件处理流程
（1）传感器节点内处理好传感器数据，经由CAN收发器与CAN总线连接，将姿态信息发送到CAN总线上;
（2）数据采集模块内的处理器STM32F1系列经CAN收发器从CAN总线接收姿态信息;
（3）当处理器接收到全部13个节点数据后，将数据进行打包处理，然后经由有线（串口）或无线（WIFD的方式发送至控制主机（即计算机）。
（4）控制主机对姿态数据进行解包，并将数据与骨骼相对应，操作虚拟手运动，当虚拟手与虚拟物体发生交互作用时，触发反馈信息，同时将该信息发回到处理器，进而驱动振子振动，为使用者提供振动反馈。
4.2 虚拟平台设计
采用PC机作为控制主机，选择Unity 3D软件作为虚拟平台。Unity 3D是由Unity Technologies开发的一个专业游戏引擎，其具备跨平台发布、高性能优化、高性价比、高级游戏渲染效果等特点，应用范围非常广泛，也是目前主流的一款VR开发平台。
在场景建模方面中，本文采用了从外部直接导入模型的方式，将在3DS MAX软件中建立的模型.max文件直接导入到Unity中使用，被导入的信息包括物体的空间位置、材质、关节信息等。
4.2.1 虚拟手模型驱动
在裁判员手势活动中，以手臂运动为例来说明，手指可以独立运动而不影响手背、小臂、大臂的运动;但是，当大臂、小臂、手背运动时，手指必然会随之运动而改变手指的空间位置。因此，在运动捕捉的过程中，我们以大臂终点肩关节为基本根关节，小臂肘关节为子关节，手部腕关节为次子关节，各手指关节同一指节的地位相同，依照图9所示的次序驱动各个关节运动。
Unity 3D中支持脚本语言C#和JavaScript，通过选择合適的脚本，可以完成数据通信、模型控制、场景变换等不同的功能。本方案中，选择C#脚本语言作为开发语言，Unity中封装了大量的API函数供开发者调用。通过GameObject.Find O函数获得指定游戏对象，进而用Quatemion（四元数）类下的API函数去处理由串口或WIFI读入的姿态数据（四元数），从而驱动指定游戏对象做相应的运动。
4.2.2 坐标系转换
由串口读入的数据是在地理坐标系n下的载体姿态数据，由于Unity中有世界坐标系和局部坐标系的概念，世界坐标系是固定在Unity中一切其他坐标系的总参考，因此经串口读入的数据需要进行坐标转换，转换步骤如下：
（1）首先通过Quatemion类下的旋转函数将虚拟手臂的坐标系旋转到与世界坐标系重合;
（2）真实手臂相对于东北天坐标系的初始姿态与虚拟手臂相对于Unity中的世界坐标系的初始姿态重合，进行初始化;
（3）通过配置运动函数及参数，使得真实手臂运动来驱动虚拟手臂同步运动。
4.2.3 弯曲检测
弯曲检测可以模拟出现实环境中物体碰撞到障碍物时产生的反应。在Unity3D中，要产生弯曲的效果，必须为操作对象添加刚体属性（Rigidbody）和碰撞器（Collider）。当为虚拟手臂添加组合碰撞器和刚体属性后，手臂可以在虚拟空间中与其他物体产生联系，进而可以设计弯曲、抓取等交互实验。在Unity3D中，通过MonoBehaviour.OnTriggerEnter和Mono Behaviour.OnCollisionEnter可以设计出各类弯曲情形的组合。
5 实验设计
5.1 初始化
裁判员穿戴好传感器设备后，上电进行初始化。待初始化完成后，手部运动可以控制虚拟手同步运动，如图10、图11所示。图10为手掌展开状态，图12为握拳状态。
5.2 弯曲实验
在虚拟空间中创建立方体，并增加碰撞体表面。在手臂皮肤表面创建组合弯曲体，当手臂皮肤与立方体接触时，会触发弯曲，弯曲实验如图13、图14所示。图12表示手指在移动过程中即将与立方体接触但还未接触到时的状态;图13表示手指拨动立方体后的状态，接触的瞬间振动马达会振动产生反馈，立方体受到碰撞后旋转向上运动（此状态下未增加重力约束）。如果没有在立方体表面和手臂皮肤表面增加碰撞体表面，则手指在触碰到立方体后会穿透立方体表面，而没有相对运动的产生，也不会产生碰撞效应。
5.3 抓取实验
在虚拟空间中创建虚拟小球，并增加弯曲体表面。实验者操作虚拟手来完成小球的抓取，抓取实验如图14、图15所示。图14表示手指在移动过程中靠近小球但还未接触到时的状态，此时小球颜色为白色。图15表示手指抓取到小球时的状态，此时小球颜色变为红色，表示手指抓取到小球，且手指内侧的振动马达开始振动从而为用户提供一定的触觉反馈。在抓取状态下，小球可随手指在空间中移动。
6 结论
针对虚拟交互设计的裁判员手势控制器立意较新颖，能够流畅地完成动态手势跟踪及虚拟交互。在比赛场地中且不需要苛刻的实验环境条件下，该控制器稳定可靠，佩戴舒适，能够较好地满足裁判员手势跟踪的操作需求，并且还可用于快速获取裁判员对赛事判决，具有广阔的现实应用前景。
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虚拟实验设计论文范文第2篇
INTERBUS总线上的主要设备有总线终端BT(BUS Terminal)上的BK模块、I/O模块和安装在PC或PLC等上位主设备中的总线控制板。总线控制板是INTERBUS总线上的主设备,用于实现协议的控制、错误的诊断、组态的存储等功能。I/O模块实现在总线控制板和传感器/执行器之间接收和传输数据,可处理的数据类型包括机械制造和流程工业的所有标准信号。
此实验需要完成以下任务:某车间传送带分为三段,由三台电动机分别驱动。传送带及传感器的安装位置如图1所示。传感器检测物品的存在。该传送过程如下:传送带1一直运转。传送带2的运转由1号传感器启动,由2号传感器停止。传送带3由2号传感器启动,由3号传感器停止。
一个工作循环是:启动第1段传送带、物品被1号传感器检测,启动第2段传送带、物品被2号传感器检测,启动第3段传感器,同时延时2s后停止电机2,在物品被3号传感器检测到2s后,将电机3停止,随后进入下一个循环,等待1号传感器检测物品。
本文即以现场总线虚拟实验项目为背景,以该项目中的具体测试工作为依据展开论述。
1.1 现场总线虚拟实验功能测试需求
现场总线虚拟实验的功能测试需求主要是客户端的测试,包括:链接测试、元器件拖放测试、按键测试、连线测试、梯形图编程测试、IO配置测试。
1.2 现场总线虚拟实验性能测试需求
(1)连接速度测试:保证用户在一个可接受的时间范围内连接上。(2)负载测试:保证系统在某一负载级别上的性能系统在需求范围内能正常工作。(3)压力测试:保证实际破坏一个应用系统时,系统不会崩溃。
1.3 现场总线虚拟实验客户端兼容性测试需求
(1)同低版本浏览器的兼容性:保证低版本向高版本兼容。(2)不同浏览器的兼容性:必须保证IE浏览器可以访问,Firefox建议可以访问。
2 现场总线虚拟实验软件测试方法选择
现场总线虚拟实验系统是由事件触发来控制流程的,事件触发时的情景便形成了场景,而同一事件不同的触发顺序和处理结果形成事件流。这种在软件设计方面的思想也可被引入到软件测试中,生动的描绘出事件触发时的情景,这样不仅有利于测试设计者设计测试用例,同时测试用例也更容易的得到理解和执行。场景是通过描述流经用例的路径来确定的过程,这个流经过程要从用例开始到结束遍历其中所有路径和备选路径。
因为基于Flex现场总线虚拟实验代码单元比较大,黑盒测试比白盒测试效率要高;因为测试人员在测试时不需要关心具体实现的细节;从用户的视角进行测试也容易被理解和接受;有助于暴露任何规格不一致或者有歧义的问题。因此把黑盒测试作为基于Flex现场总线虚拟实验的测试方法。
3 现场总线虚拟实验软件测试内容设计
3.1 现场总线虚拟实验功能测试内容设计
现场总线虚拟实验的功能测试主要是客户端的测试,包括:链接测试、元器件拖放测试、按键测试、连线测试、梯形图编程测试、IO配置测试。下面具体介绍各种功能测试的内容。
(1)链接测试。链接测试包括:确认是否能够到达链接页面;确认被链接页面是否存在;确认每一个页面至少被一个其它页面链接。
(2)元器件拖放测试。当用户进行实验时,需要将元器件拖放到实验操作台上,元器件拖放测试主要测试将元器件从器件库拖放到实验台是否成功。元器件拖放测试包括以下两点:此元器件是否可拖放;此元器件拖放的位置是否正确。BK模块IO模块的拖放如图2所示。
(3)按键测试。用户在进行实验的过程中,有些元器件如开关,实验台上的按钮需要鼠标点击触发开与关,在使用按键操作时,需要根据操作手册验证此按钮时点动式还是联动式,并确认其是否有效。
(4)连线测试。用户在实验时,当把所有元器件拖放到实验台上以后,需要对元器件进行连线。连线测试如图3所示。
(5)梯形图编程测试。用户在完成实验元器件的拖放和连线以后,需要用梯形图编程将相关的逻辑用梯形图的形式表现出来。
(6)IO配置测试。用户在完成梯形图编程以后,需要将梯形图编程的逻辑与具体的实验元器件绑定。这样才能通过梯形图编程最终控制元器件的工作状态。在IO配置测试的过程中,需要测试梯形图中元件的接口与实验台上的元器件接口能否关联。
3.2 现场总线虚拟实验性能测试内容设计
(1)连接速度测试:对于一般用户来说,连接速度是衡量一个系统好坏的最初标准。同样的上网方式,如果系统响应时间太长,用户很可能会离开。(2)负载测试:负载测试目的是测量系统在某一负载级别上的性能,以保证系统在需求范围内能正常工作。(3)压力测试:压力测试是指实际破坏一个应用系统,测试系统的反映,也就是测试系统会不会崩溃,崩溃时的系统所承受的压力状态。一般在表单、登陆和其他信息传输页面等区域进行压力测试。
3.3 现场总线虚拟实验客户端兼容性测试内容设计
(1)同低版本浏览器的兼容性。
为新版浏览器设计的网页如果在旧版的浏览器上是一团糟,则设计是失败的。如何使利用样式表设计的网页能被其它低版本浏览器兼容。
方法1:在类似的HTML标签上应用样式表。如果你想利用字重属性控制文字的加重显示程度,应该使用标签加入这种效果,这样一来,在所有的浏览器中都可以显示出文字的加重显示效果。尽量使用和CSS说明相应的HTML标签,以便在老的浏览器中也能达到新版浏览器相同的显示效果。
方法2:用HTML标签重复加入样式。如果你想确保使段落显示蓝色,那么你应该同时使用样式表属性和HTML标签设定段落的颜色。color:blue同时设定。如果你想使某要素居中,则同时使用text-align:center和
方法3:隐藏不想要的要素。如果你使用了大的装饰性的文字符号,而这个文字符号在老的浏览器中显不是很正常,你可以使用使它的要素同背景色相同,从而使得它在老的浏览器中被“隐藏”起来。
(2)不同浏览器的兼容性。
网页在不同浏览器的兼容性是一个很复杂的问题,只有通过不断的测试改进才能达到最好的效果。要做到100%的兼容,理论上不仅要求对编程人员根据不同的浏览器选用使用的方法,而且需要大量的重复性调试。同时,随着各种浏览器不断的退出新版本,在生产商趋于同一个标准的条件下,兼容性问题会得到很大的改善。有理由相信,在网页设计人员和浏览器生产商不断的努力下,浏览器兼容性将不再是制约虚拟实验网络教育的因素。
4 结语
本文阐述了现场总线虚拟实验软件测试的设计,详细介绍了现场总线虚拟实验的需求分析;软件测试方法的选择;软件测试内容的设计。对从事虚拟实验软件开发和测试人员有一定的帮助和指导作用。
摘要：虚拟实验相对传统实验具有更多的优点:使用不受时间、地点的限制;节约资源,不再需要提供专用的场地和计算机;受益面广,只要操作对象有上网的条件,都可以从中受益。鉴于此,虚拟实验室将可能取代当前传统的中学实验室,大学实验室,成为今后实验的发展趋势。本文以具体的实验现场总线实验为例从需求分析、软件测试方法选择、软件测试内容设计、软件测试用例设计四个方面对基于Flex现场总线虚拟实验软件测试设计做了详细的阐述。
关键词：现场总线,虚拟实验,软件测试
参考文献
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虚拟实验设计论文范文第3篇
化学是一门以实验为基础的科学，从新元素的发现，新化合物的合成，到化学反应规律的研究，各种假设、理论的证实都离不开化学实验;同时，实验亦是自然科学研究问题的最重要最基本的方法之一。然而，在“化学以实验为基础”的教学观已普遍为大家所接受的同时，人们对“以实验为基础”及“化学实验技能的形成”的理解还没有完全上升到理性的高度，实验教学仍是中学化学教学中最薄弱的环节。在化学实验中引进计算机仿真技术，设计出的虚拟化学实验室，在增强学生感性认识、培养学生动手能力、提高实验效率、避免人身伤害和节约费用等方面有着传统手段不可比拟的优势，对学生实验技能的培养和造就创造性人才，有着十分重要的意义。
一、虚拟实验概述
虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等于甚至优于在真实环境中所取得的效果。[1]
虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、想象性等特征，在实验教学方面有以下优点:[2]
1.吸引学生参与实验，调动学生学习化学的积极性
在虚拟实验室里，学生可以按自己的想法做任何化学实验，通过自己的参与来认识化学现象，了解物质的属性，以获得对课本知识的感性认识，由此，化学不再是枯燥的只强调死记硬背的学科，学生通过做实验在实践中学习新知识、复习旧知识，有利于培养学生对化学的学习兴趣，调动他们学习化学的积极性。
2.有利于避免真实实验带来的各种危险
由于化学自身的学科特性，相当一部分实验有一定的危险性，在虚拟实验室中这些实验仍旧可以通过虚拟操作进行。虚拟的化学实验可以避免腐蚀性物品带来的危险，也可以避免化学反应引发的燃烧、爆炸等现象对人身或实验室造成损失。
3.打破现实实验所受的时空限制
传统的实验室由于受时间和空间的限制，一部分教学内容无法以生动的形象呈现给学生。而在虚拟实验室中，虚拟现实技术可以打破这种限制。例如：要认识化学分子的结构，学生可以进入到化学分子的内部，分析各种物品分子结构有何不同。有些化学反应需要较长时间才能观察出结果，在传统实验室中这种实验结果不容易得到，而在虚拟实验室可以在很短的时间内由学生自主发现。
4.避免材料磨损
学生在虚拟实验室中通过操作虚拟仪器以及虚拟物品来观察、参与化学实验，不会耗费现实实验材料。另外，虚拟实验室不会出现任何磨损、破坏，可反复使用。学生可多次进入虚拟实验室练习实验以训练其实验操作技能。既满足了教学需求，又提高了教学效益，同时减少实验损耗。
5.可有效地提高学生的动手能力
虚拟实验允许学生按自己的设想动手，参与或从事实验研究，允许学生失败、允许犯错误，允许仪器设备“损坏”或“灾难性事故”的发生并通过正、反两方面增加和培养学生的想象力和创造力。
二、传统化学实验教学模式
化学实验教学模式是在一定的教学思想指导下，围绕着教学活动中某一主题而形成的相对稳定的、系统化的、理论化的方案，是教学理论和教学实践活动的桥梁和中介，也是一种化学实验教学范型。[3]图1所示为传统的化学实验教学模式。
图1 传统的化学实验教学模式[4]
传统实验教学的不足在于：
(1)实验环节多是以教师为主，学生按部就班，处于被动学习的地位，即“填鸭式”的教学，往往是教师讲、学生做，以得到数据或观察实验结果为目的。
(2)不能调动学生学习化学的积极性和主动性，不利于学生创造性思维能力的培养。
(3)正是因为以得到数据或观察实验结果为目的，忽略了对学生实验技能的培养，不利于学生形成较强的动手能力，也难以使学生形成科学探究的学习习惯。
三、虚拟化学实验教学模式
利用虚拟实验进行化学实验教学时，要以培养学生实验技能为目的，就必须注意学生的认知规律，即认知阶段、联系形成阶段和自动化阶段。[5]一些学者提出了化学实验操作技能的培养策略：教师启发讲授、教师示范、有指导的学生实验、学生独立实验等。[6]
因此，利用虚拟实验室进行教学包含如下过程：用虚拟实验给学生演示示范实验操作及实验过程，待学生基本理解实验内容时，给学生一定的交互进行适当的模仿操作，在进入学生技能学习的联系阶段时，让学生进入实物实验阶段，将原来在虚拟实验环境中学习到的化学知识以及一长串分开的实验操作向现实实验操作迁移转化。随着实物实验的多次练习，学生的实验动作由最初的呆板到协调、灵活，并逐步将学习到的化学知识内化到自身知识结构中，并进入到实验技能形成的自动化阶段。
根据学生实验技能的形成过程，提出如图2所示的实验教学模式。
图2 虚拟实验在教学中的应用模式图
图2中的模式是先做虚拟实验，虚拟实验又分为操作示范和分步操作兩个阶段，让学生在初步了解所需掌握实验技能的情况下再进行模仿操作，并将需要掌握的实验技能尽可能地细化、分解动作，以加深学生对技能的理解、提高学生学习技能的效率。在学生逐步了解该化学实验并对所需掌握的技能有了一定的内化认识之后再加入实物实验，以促进学生头脑中对所要学习的技能的认识向现实中的实验技能迁移。多次进行实物操作实验直至学生掌握实验技能。
最后，在应用计算机虚拟技术进行实验教学的过程中，在肯定虚拟技术在实验教学方面有效性的同时还要处理好虚拟实验与传统实验的关系。明确虚拟实验是传统实验方法的辅助和深化，并不能完全代替传统的实际实验，要将虚拟实验与传统实验有机结合起来，提高学生的动手能力、培养学生的实验技能并促进学生形成科学探索精神。
四、培养实验技能的虚拟实验设计模型
培养中学生实验技能的虚拟实验教学过程是基于一般的实验教学活动过程、对实验内容进行教学设计并通过虚拟现实技术来实现。因此，可利用教学设计的一些理论和方法指导虚拟实验的设计。
图3是乌美娜于1994年归纳出的教学设计过程的一般模型。[7]
图3 教学设计的一般模型
分析教学设计模型，包含的基本要素有四个：学习者分析、教学目标、教学策略(如何进行教学)、教学评价。因此，在设计培养中学生实验技能的虚拟实验时可从前期分析(学习者分析、教学目标、教学内容分析等)，场景设计，总结与评价三个方面入手。而虚拟实验的实现还要有虚拟现实技术的支持。这是在设计以培养中学生实验技能为目的的虚拟实验时应该考虑的四个方面。
培养中学生实验技能的虚拟实验教学过程是基于一般的实验教学活动过程、对实验内容进行教学设计并通过虚拟现实技术实现的，因此，借鉴教学设计模型并根据技能形成的教学理论，笔者提出了培养中学生实验技能的虚拟实验设计模型(如图4所示)。
图4 培养中学生实验技能的虚拟实验设计模型
1.前期分析
以实验技能的培养为导向的虚拟实验是基于一般的实验教学活动过程，设计时也应遵循虚拟实验设计的科学性原则，首先，需要了解要设计的化学实验的实验目标、实验内容、实验步骤等。根据实验目标才能确定该虚拟实验所要传授的是什么样的化学知识、意在培养学生的哪种实验技能(如使用某种仪器的技能、药品取用的技能等等)。根据教学设计理论应先了解学生已有的化学知识结构以及学生已掌握的实验中包含的技能，尽可能避免在开发过程中浪费物力、人力。
2.场景设计
根据化学实验技能的培养策略将场景分为自动演示、实验说明、分步操作三个部分。自动演示用于向学生演示整个化学实验的过程以及发生的实验现象;实验说明用于向学生说明该实验的步骤和化学反应方程式;这两个部分起到教师示范的作用，对应于学生学习化学实验操作技能的认知期心理特征。分步操作部分根据化学实验的具体步骤以及该实验的实验目标再确定虚拟实验中要实现的虚拟实验操作，并赋予合适的实验效果。
3.技术实现
技术实现即用虚拟现实技术开发虚拟实验，由于虚拟现实硬件设备过于昂贵，在化学实验教学中应用的虚拟现实形式大多是桌面虚拟现实。整个开发过程主要包括实物建模、添加交互、作品发布三个步骤。实物建模主要是对虚拟实验中所涉及到的实验物品、实验环境模拟，根据实验成本以及实验目标所占比重可选择适合的虚拟技术或建模软件，也就是虚拟实验设计的适宜化原则。添加交互是在虚拟场景中给物品与物品之间及用户操作达到某种效果添加交互以给学生一定的反馈，并保证反馈的科学性。作品发布包括单机发布以及发布到互联网上两种，发布到互联网上更能突破时间、空间的束缚，使更多的人能使用该虚拟实验。
4.修改与评价
根据前三个阶段所做的工作或请教化学教师检验开发出的虚拟实验是否设计合理、科学，并做出适当修改，根据学生的基本能力(化学概念的掌握、所授化学知识是否理解)掌握程度，在学生进行实际实验操作后检验其在虚拟实验中所学是否迁移到现实实验中，以评价该虚拟实验在培养中学生实验技能方面是否有效。
从图4中我们也可看出，这四个组成部分是缺一不可的，前期分析是进行培养实验技能的虚拟实验设计的基础，只有做了前期分析才能进行下面的工作，而場景设计又是技术实现的基础，正是基于这三个步骤才能对开发出的虚拟实验进行修改与评价，以保证其科学性和有效性。
五、总结
虚拟实验不仅能避免真实化学实验所带来的各种危险，还能打破时空限制实时实地地给学生提供实验条件，同时，还能调动学生学习的积极主动性，有效提高学生动手能力。本文结合操作技能培养教学理论，参考传统化学实验教学模式，提出虚拟实验教学模式，并提出以培养实验技能为导向的虚拟化学实验设计开发模型，在未来研究中有待进一步实践，并对实验效果与传统实验教学进行比较，以验证该设计理论的科学性并加以推广。
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[6] 麻昌爱.中学化学实验操作技能学习策略初探[J].中学化学教学
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[7] 乌美娜.教学设计[M].北京:高等教育出版社,1994:11-12.
[见习编辑：郑方林]
虚拟实验设计论文范文第4篇
当前网络虚拟实验是高校中进行计算机网络实验课程非常重要的活动, 其在教学中有效的突破了时间和空间的局限性, 对于学生学习积极性调动有一定的帮助。但是, 在实际教学中, 虚拟实验平台还存在有较多问题, 具体如下:
(1) 虚拟实验平台所设置的实验固定, 其难以结合学生的需要灵活变动。虚拟实验智能分析平台在教学中应用时虽然不再受时空限制, 而且其所应用的设备也比较先进。但是, 虚拟实验平台的使用设置却多是从教师的教学经验设计, 而且使用时间也需要结合教师的时间进行安排, 而学生在进入到大学之后, 在学习上更加自主, 学习需求更加多元化, 因此, 教学效果并不是十分理想。
(2) 虚拟实验平台在学习记录上也存在有缺陷, 由于技术水平的制约, 虚拟实验平台往往只能记录学生的实验结果, 但是却无法记录实验过程, 这也导致教师在教学中无法深入的了解学生实施实验过程中存在的问题, 虚拟实验结束之后, 教师只能从实验报告上分析一下表面存在的问题, 对于内里性的问题无法进行深入的分析, 进而影响学生的学习效果。
二、大数据下网络虚拟实验智能分析平台的构建
当前越来越多的人开始关注大数据应用研究工作的开展, 为此, 本文也对其进行了深入的研究, 其具体设计如下。
(一) 大数据下网络虚拟实验智能分析平台的总体框架
大数据下网络虚拟实验智能分析平台主要包含有以下几大模块:即数据采集模块, 该模块主要是在实验机中安装电脑的操作记录模块, 其能够将学生实验过程的一系列操作痕迹记录下来, 上传至云端供教师查阅。智能分析模块, 这一模块的主要作用是借助数据挖掘和机器学习几乎对学生历史实验操作数据建模, 记录学生一段时间内的学习情况, 进而结合学生的实际学习需要, 有选择性、有针对性的为学生选取与其能力相符的知识, 满足他们多元化的实验学习需要, 帮助学生学习更好的实验知识。智能指导模块, 该模块的主要作用是结合学生已有的实验记录数据, 分析在一段时间内学生学习的优缺点, 针对学生学习中存在的问题, 指导其进行改进, 并在第一时间将这些问题反馈给教师, 以便教师能够及时的了解学生学习情况, 帮助学生反思自己在学习上遇到的种种不足, 记录学生学习数据, 修正和完善智能模型。
(二) 智能分析模块的功能概述
智能分析模块的主要作用就是在采集学生实验操作数据的基础之上, 对收集到的数据进行分析和整理、归类。该模块是计算机网络虚拟实验的关键构件, 其主要包含有三方面的功能, (1) 辅助实验知识的进一步发散和完善。实际教学中, 教学的教学能力及学生的学习能力往往存在有较大的差别, 因此学生的知识水平也有所不同, 如本科院校与专科院校教师及学生的综合素质就比较大, 所以智能平台系统能够根据学生的实际需要辅助知识, 该功能的实现能够更好的帮助学生学习知识, 这样对于学生综合能力的提升有着较大的帮助。 (2) 实验操作建模。该模块主要是借助机器学习算法收集云端的历史操作数据进行建模, 这些模型能够有效的根据用户的操作步骤识别其操作中的错误, 并提出警告或者是终止实验, 引导用户发散自己的思维, 寻找正确的操作步骤。 (3) 实验操作和理论知识点的联系。该模块的作用就是结合学生实验操作的历史数据记录, 运用机器学习对实验操作时产生的错误信息进行分类整理, 然后将具有相似特点的知识点进行分析, 建立相似关联, 这样有助于教师开展针对性教学, 帮助学生更好的掌握相关知识, 进而更好的提升学生的综合能力, 促进教学的发展。
(三) 智能指导模块的功能
智能指导模块也是计算机网络须虚拟实验智能分析平台中的重要组成部分, 其同样也具有三各功能, 一是相关知识推荐, 如在学生实验操作过程中, 当学习出现疑问, 难以继续进行实验操作时, 学生可以借助该功能查看相关的知识推荐, 发散自己的思维, 然后再学习探讨相关知识。二是实验助手, 该模块主要是将学生实验过程中的所有步骤都传送到云平台中让进行分析, 在实验时如果学生遇到问题, 实验助手则能够及时的给出建议, 或者是对学生的错误进行提示, 引导其更好的探索知识。三是错误分析报告, 错误分析报告则主要是提供给教师使用的, 通过错误报告分析, 教师能够更好的对教学中存在的问题进行分析和探讨, 进而调整教学内容, 引导学生学好相关知识。
总之, 大数据技术在教学中的应用是时代发展的必然趋势, 本文就当前大数据教学现状及存在的问题进行了详细的分析, 同时, 探讨了计算机网络实验课程网络虚拟实验智能分析平台框架设计策略, 其有助于实现个性化教学, 能够有效的调动学生的学习积极性, 展现学习的趣味性。
摘要：大数据时代的带来极大的冲击了高校教育事业的发展, 传统的高校教学模式被打破。为了更好的分析大数据对高校教学的影响, 本文, 尝试从“计算机网络”实验课程的虚拟实验平台入手, 分析虚拟实验智能分析平台的设计框架, 以便能够设计更加合理的网络虚拟实验平台提供参考, 进而更好的发挥大数据的作用。
关键词：大数据,虚拟实验,智能分析平台,设计框架
参考文献
[1] 胡弼成, 王祖霖.“大数据”对教育的作用、挑战及教育变革趋势——大数据时代教育变革的最新研究进展综述[J].现代大学教育, 2015 (4) :98-104.
[2] 白鹏, 杨新湦, 张亚宜等.大数据背景下的空管实验室建设探索[J].实验技术与管理, 2015, 32 (2) :228-230.
虚拟实验设计论文范文第5篇
摘 要：文章介绍了《计算物理基础》课程进行混合模式和全网络模式的教学实践情况。混合模式教学与传统模式教学相比，学生课堂投入度更高，网络教学平台的统计功能允许更高效地进行学习督导。与混合模式教学相比，由于课堂氛围不足，全网络模式教学的教学效果下降了，文章提出了相应的对策，同时全网络模式教学也呈现了一些独特的优势。在总结两种教学模式的基础上，为了应对突发事件对教学秩序的冲击，文章探索了一种并行双模式教学，教学活动可以在混合模式教学和全网络模式教学之间进行平顺切换，甚至可以两种教学模式同时开展。
关键词：混合模式教学;全网络模式教学;并行双模式教学;计算物理基础
计算物理可以消除实际物理问题没有解析解的障碍，随着计算机计算能力的不断提高，全国各类高校的物理学本科专业普遍开设了计算物理学基础课程。随着网络技术和网络教学平台的快速发展，许多高校已经把推动混合式教学作为教学改革的重要方向。根据《计算物理基础》课程的基本特点，我校建设了线上线下相融合的混合式课程，教学效果得到了显著提升。2020年上半年的新冠疫情导致学生不能返校，我们被迫把《计算物理基础》课程的混合式教学模式改成全网络教学模式。由于课堂氛围的不足，全网络课程的教学效果有所下降，经过认真分析，我们提出的对策是：针对自律性差的学生，营造课堂氛围和加强学习督导。在总结两种教学模式的基础上，我们探索了一种基于混合模式和全网络模式的并行双模式教学，以期应对未来突发状况对教学秩序的冲击。
一、计算物理课程教学实践简介
随着计算机的飞速发展，数值计算成为物理学研究中必不可少的重要手段，计算物理、实验物理和理论物理成为物理学发展的三大支柱。[1]计算物理可以消除实际物理问题没有解析解的障碍，也可以模拟现有技术手段难以实施的物理实验。2010年教育部正式将《计算物理基础》课程列为物理学专业本科必修课。[2]《计算物理基础》课程讲授的数值计算方法包括数值微积分、解代数方程、曲线拟合和解微分方程等，处理的物理问题涉及力学、电磁学、光学、电动力学和量子力学等大学物理课程。作为本科生综合应用的专业课，讲授的数值算法尽量做到理论推导简单，需要解决的物理问题尽量采用简化的物理模型，教学目标为：让学生体验用数值计算的手段解决实际物理问题的一般步骤。
《计算物理基础》课程融合了物理专业知识和计算机编程技术，其特点是内容综合性强、知识专业性强和对操作细节要求严格。开设课程的头几年，我们采用了传统的教学模式，即学生课前预习、教师课堂讲授和课后学生完成作业。尽管传统的教学模式基本能完成教学目标，但是这种教学模式不太符合前面提到的课程特点。课前预习中学生会遇到一些有关程序操作细节的问题，增加了学生预习的难度;课堂讲授阶段，尽管我们选择了尽量简单的物理问题，但是内容依然综合性强、细节信息量大，即使知识点不难，学生也需要放慢节奏慢慢消化，往往存在跟不上讲课进程的情况，课堂授课信息量大，导致师生少有互动，因而课堂教学效果欠佳，同时，教师每年在课堂上重复讲授基础知识，严重浪费了宝贵的课堂时间，对学生关注的重点难点却来不及讲解;课后作业更是操作性强，学生需要传授编程经验，教师最好能够从旁边点拨，否则学生会事倍功半。
近几年，借助于网络技术的快速发展和网络教学平台的功能升级，我们吸取了翻转课堂的教学理念，基于超星学习通平台，建立了线上线下相融合的混合式课程。[3]在混合式课程的教学中，教师将传统的授课内容录制成教学视频，学生课前通过收看视频自主学习基本知识点，在此基础上，教师充分利用课堂时间通过问题探究的方式引导学生进行更深入的思考和练習。通过混合模式的教学实践，教学效果得到了显著提升。
二、基于超星学习通的混合模式教学
1.教学资源库的开发与课前在线自主学习
学生课前通过收看视频自主学习基本知识点，代替传统课堂的功能，有两个好处：一是学生可以根据自己的理解状况自主控制学习进度，遇到不懂的地方还可以反复收看和思考;二是允许充分利用课堂的宝贵时间进行更多的师生互动。课前自主学习虽然是在课外进行，却是本课程的基础部分。没有课前自主学习的基础，课堂时间对疑难问题的解析和对教学内容更深入的讨论就无从谈起。
教师通过超星学习通平台准备的课前学习资源库包括电子版教材、授课ppt课件、授课视频、例题编程演示视频。授课视频是学习资源库的核心内容，录制视频需要教师进行多年积累，是进行混合模式教学的重要基础。作为实际操作性很强的课程，授课内容涉及许多技术细节，授课视频可以讲得详细一些，这样可能会增加学生收看视频的时间，尽管如此，学生花在琢磨技术细节上的时间少了，学生的整体学习效率还是会提高。建议授课视频做成短视频，每个授课视频尽量控制在15分钟以内，这样做的目的是：课外学习时学生保持注意力集中的难度会增加，观看短视频更容易让人获得成就感。另外，从教师的角度讲，把长视频分解成短视频，当发现纰漏时，更便于订正。相关例题的程序演示视频，可以展示编程的实际过程，因其实用性强，颇受学生欢迎。为视频添加字幕、标注知识点，可以增加视频的可观看性。教学资源的开发，不能期望一劳永逸，需要经常维护更新，每学期都要检查、纠错和更新迭代。优质的教学资源库，配合合理的督导学习机制，会大大改善学生自主学习的效果。
在课前自主学习阶段，教师在超星学习通平台发布相关章节的教学资源，学生通过收看视频、阅读教材和复习授课ppt课件等方式进行学习。超星学习通平台允许教师为教学资源设置任务点，实时统计学生的学习进度并计算学生的自学成绩;自学成绩被设置成期末总成绩的组成部分，可以提高学生课前自主学习的积极性。为了应对少数学生的拖延心理，建议教师为授课视频设置收看截止时间;对于未按时完成课前自学的学生，教师可以进行单独提醒或课程群内公开提醒。教学实践表明，经过督导，视频收看率几乎达到百分之百。超星学习通平台还具有统计视频收看反刍率的功能，这个数据可以反映视频的难易程度，供教师更新视频时参考。学生对视频中基本知识点的消化程度，只能通过课堂问题讨论和课后作业质量来反映。另外，教师也要注意：布置课程进度，要坚持宁少勿多的原则，否则学生会感觉任务难以完成而产生挫败感。
虽然我们力求教学资源库尽量详细，学生在课前自学中也必然会产生疑问。我们尝试在课堂讨论之前以多种形式收集学生的疑问，比如在超星学习通讨论区留言、将疑问发到课程群、将疑问记录到小纸条拍照后直接发给教师等，以便教师进行更有针对性的备课。然而，清晰地书面呈现疑问需要较高的总结问题和表达问题的能力，因此，课前收集疑问的尝试并不理想。
2.课堂讨论的三个环节
通过课前自学阶段对基本知识点进行了初步消化后，在课堂讨论阶段教师就有充裕的时间引导学生进行更深入的思考和练习了，课堂讨论阶段可分为教师答疑、问题讨论和当堂测验三个环节。
第一个环节：教师答疑。学生提出问题以后，先尝试让其他同学发表看法，然后教师解答或总结，这个环节的教学目的是解答学生课前自主学习的疑问，然而我们的教学实践中，学生提问并不积极。通过和学生交流，发现提问不积极的原因大体分两种情况：一是课前自学后，学生表面的疑问基本解决了，但还没有深入思考，反映了学生发现问题的能力不强;二是学生即使发现了问题，由于“怕丢面子”的心理因素，往往习惯私下请教，而不是在课堂上公开主动发问。
第二个环节：问题讨论。教师以问题为导向引导学生进行深入思考，这个环节有两个教学目的：一是检查学生对基本知识点的掌握情况;二是教师把重点和难点以问题的形式提出来，学生对重点和难点进行重新思考，教师针对学生的回答進行点评分析，从而达到消化重点和难点的目的。建议教师提出问题以后，给全体学生适当的时间进行思考，然后再进行点名提问，防止未被提问的学生懈怠。对于难度较大的题目，可以考虑点名回答和鼓励学生自愿回答两种方式相结合。从教学实践来看，尽管学生不习惯主动公开提问，但是回答问题却相当踊跃，反映了青年学生“争强好胜”的积极心态。
第三个环节：当堂测验。教师提供若干练习题，这些练习题需要学生运用刚刚学习的知识点解决一些简单的实际问题;被点名学生需要在限定时间内“爬黑板”给出答案，这个环节的教学目的是锻炼和检查学生运用所学知识处理简单实际问题的能力，“爬黑板”其实是小测验，教师给出某个具体题目后，可以让全体学生先准备几分钟，随机指定3～5名学生到黑板上解题，答题过程中允许查书、请教同学或者在个人电脑上实际运行程序。然后教师对各个答案进行点评、错误分析和评分。对于较难的题目，鼓励学生自愿“爬黑板”而不是点名。教师在这个环节记录成绩作为平时过程分数的一部分，除了可以提高学生解决实际问题的积极性，还可以督促学生在课前自主学习阶段和课堂讨论环节更加认真地学习。实际教学过程中，学生对于“爬黑板”做题很积极，感觉收获较多，加上成绩激励，学习氛围和学习效果非常好。
随着移动互联网的发展，学生“上课玩手机”现象是一个令人头疼的问题。[4]我们的混合式课程教学实践中，教师采用点名提问和点名“爬黑板”做题的互动方式，学生全程高度参与课堂讨论，加上过程分形式的成绩考核激励，学生注意力高度集中，“上课玩手机”现象从根本上得到了解决。不仅如此，我们还鼓励学生在手机或平板电脑上安装计算机高级语言（如Matlab移动版），允许学生在课堂上对相关程序代码进行验证，把理论知识和实际运用结合起来达到“学以致用”的效果。
3.完成作业和上机练习
教师布置适当数量的课后作业习题，目的是锻炼学生用数值计算的方法处理实际物理问题的能力。教师将作业发布在超星学习通平台上，同时设定作业提交期限，防止学生拖延。教师布置作业不一定与学习进度同步，可以提前发布，甚至可以提前很长时间发布，允许学有余力的学生提前尝试解答。学生可以在自己的电脑上完成作业，也可以在上机课中到机房教室完成作业。学生提交作业后，教师在超星学习通推送详细的作业讲解视频及编程演示视频，供学生参考;对于作业视频没有解决的问题，留到上机课或课堂讨论中继续处理。教师可以随时在线批阅作业，对于错误较多的作业，教师可以利用超星学习通平台的“退回”功能要求学生修改或重做;教师对每次作业打分，平台系统自动统计作业分数，作为过程考核分的一部分。教学实践表明，得益于超星学习通平台的强大功能，完成作业环节进行得非常顺利。
本课程具有操作性强的特点，保证上机练习的时间非常重要。针对普通知识点和例题，鼓励学生课下在自己的电脑上进行自主练习;到机房教室进行上机课的时候，学生的主要任务是，对疑难知识点进行练习和完成作业。无论自主上机练习，还是机房教室上机课练习，学生非都常喜欢同学间的经验交流，这种交流对学习有很大的促进作用。教师在上机课中的任务是：对疑难知识点和作业完成过程中遇到的障碍进行单独辅导，单独找作业问题较大的学生进行指正，以及对普遍存在的问题统一讲解。
4.成绩评价
该课程本质上是方法的学习，具有操作性强和细节性强的特点，不宜采用期末书面考试的方式进行考核，建议采用过程性评价和终结性评价相结合的方式进行学业成绩评价。过程性评价既可以督促平时学习，又可以避免学业成绩受考试偶然因素（如试题因素、发挥因素和突发状况）的影响。过程性评价的弊端是操作烦琐、工作量大，好在超星学习通平台可以自动统计视频收看分数和作业分数，大大减少了教师的工作量。教学实践也表明，虽然过程性评价记录的是平时的成绩，却能比考试更真实地反映学生的学习成果。
本课程成绩评价的分数统计涉及4个教学模块：①课前自学，就是统计视频收看的分数，学生只要按时完成收看就可以得分，得分相对容易。②课堂测验（爬黑板），需要学生在认真完成视频学习的基础上，保持比较好的课堂专注度，在规定的时间内完成答题，得分有一定难度。③完成作业，需要在掌握知识点的基础上，具有解决实际问题的能力，但是完成作业既有充足的时间，又可以求助教师或同学，只要下工夫就能得分。④课程论文，是在学期末自拟题目或根据教师给出的题目，解决一个复杂度较高的实际问题，并通过论文的形式把题目的来龙去脉论述清楚，是对物理理论、数学建模、编程调试、写作表达等能力的综合运用。[5]具体成绩评价的计分方式和权重如表1所示。
5.教学效果
与传统模式教学相比，混合模式教学充分发挥了网络教学平台的视频播放功能和统计分析功能，教学效果有了较大的改进，主要体现在三个方面：①没有互动的基本讲课内容以视频的形式发布在网络教学平台上，学生根据理解状况自主控制进度;②课堂教学以讨论的形式对重要知识点进行剖析，教学内容更深入，学生课堂参与度更高;③网络教学平台的统计功能先进，允许教师更高效地进行学情分析和学习督导。
三、全网络教学模式
1.具体实践
尽管混合式教学模式比较符合《计算物理基础》课程的教学特点，但是2020年上半年突如其来的新冠疫情打破了正常的教学秩序，本课程被迫从混合模式教学改成全网络模式教学。对比混合模式教学，全网络模式教学中有些环节保持不变，有些环节发生改变，具体情况如表2所示。
全网络模式教学中，课堂讨论需要网络直播，对网络直播平台流畅度的要求非常高，对网络直播平台功能的要求相对简单，只要具备语音通话、视频通话和屏幕共享几个简单功能即可。经过比较，我们采用腾讯会议进行网络直播。网络直播中的课堂讨论依次分为教师答疑、问题讨论和当堂测验三个环节。在教师答疑环节中，学生通过语音通话和屏幕共享方式提出疑问，也可以在聊天室输入文字表达疑问。在问题讨论环节中，被点名的学生通过语音通话功能进行回答，也允许学生在聊天室通过文字输入方式自愿回答，这样可以提高回答问题的效率，教师对答案进行点评分析;对于较难的问题，鼓励学生自愿语音回答。在当堂测验环节中，教师给出题目后，可以让全体学生先進行思考，然后指定3～5名学生拍照上传答案，教师对各个答案进行点评和错误分析讲解，并在花名册记录分数。全网络模式教学中，教师无法面对面指导上机练习，教学形式调整为：学生共享屏幕提出疑问，教师实时语音指导，教师还可以共享屏幕展示程序操作细节。
2.遇到的困难和得到的启发
已经建成的混合式课程教学资源库为全网络模式教学提供了强有力的支持，尽管如此，全网络模式教学仍然遇到了一些困难。一是课堂讨论阶段学习氛围不足。积极的课堂学习氛围，使师生双方精神焕发、思维活跃，激发师生潜能的充分发挥，从而能够较好地完成教学任务。全网络模式教学中，师生无法面对面交流，导致课堂学习氛围不足，部分学生在课堂讨论阶段心不在焉、反应迟钝、很少主动发言，造成教学效果不理想。二是课前阶段和课后阶段的学习效果也出现了下降。比较全网络教学模式和混合教学模式，课前自学的环节完全一致，尽管如此，由于缺少了师生面对面的课堂情感交流，师生之间的陌生感增加，因此居家全网络模式教学的课前视频收看率明显不如在校混合模式教学的课前视频收看率;由于同样的原因，学生未能按时交作业的比例也提高了。尽管整体的教学效果下降了，我们也注意到一个事实：从混合教学模式切换成全网络教学模式，自律性差的学生受到的影响很大，甚至是毁灭性的，形成鲜明对比的是，自律性强的学生受到的影响较小，甚至可以忽略。上述事实表明，进行全网络模式教学，改进教学效果的措施应该聚焦于：针对自律性差的学生，营造课堂氛围和加强学习督导。
除了遇到的困难，网络课堂也展现了一些现实课堂不具备的优势：①学生提问比在真实课堂中更加活跃，尤其是在允许聊天室匿名提问的情况下。经过和其他课程教师交流，普遍认为性格内向的学生更喜欢匿名提问，类似于网络上的“键盘侠”现象，也许这是网络时代一个值得利用的学生心理。②直播视频可以保存，供缺课的学生或想复习的学生使用，也可以供教师进行总结时参考。鉴于本课程的特点，教学视频注重展示屏幕内容细节，可以方便地将课堂直播视频录屏保存。③共享屏幕的功能非常适合上机练习环节。网络教学前，我们预计上机课无法当面指导，教学效果会打折扣，然而，腾讯会议等软件的共享屏幕功能，再配合语音通话功能，教学效果比机房当面指导毫不逊色。④网络教学直播平台可以统计学生的发言活跃度，允许教师更有针对性地进行督导。⑤所有学生都能看得更清楚听得更清楚，而不受真实课堂中座位位置和教室音响效果的影响。诸如此类的网络教学优势预示：随着网络信息技术的发展，网络模拟真实课堂的能力越来越强，网络教学平台也将提供更便捷的学情数据统计分析和人工智能技术，因此，尽管现在网络教学还有诸多不足，但是网络教学必将成为未来教学改革的重要方向。
四、并行双模式教学的探索
如上所述，我们已经在《计算物理基础》课程中分别进行了混合式课程和全网络课程的教学实践。在总结分析这些教学实践经验的基础上，为了应对未来可能出现的疫情（或类似的突发状况），我们试图实现这样一种创新性的教学方式：无论是平常时期、疫情时期、从平常时期进入疫情时期，还是从疫情时期恢复到平常时期，混合式教学模式和全网络教学模式都能够平顺地切换，力求将仓促的教学模式切换带来的负面影响降至最低。也就是说，混合教学模式和全网络教学模式类似两条并行的铁轨在兼容状态下同时运转，教学活动可以根据社会状况的变化在两者之间进行任意选择，或者可以两种教学模式同时开展，从而实现一种基于混合模式和全网络模式的并行双模式教学。
得益于混合式课程中教学资源库的建设和当前网络信息技术的飞速发展，我们所采用的混合教学模式和全网络教学模式基本上可以做到平顺切换，比如两种教学模式的课前自主学习阶段、作业环节、成绩评价、学情观测和督导方式等几个教学环节完全一致。同时，经过对前期教学实践具体情况的分析，我们也认识到，全网络模式教学中课堂氛围的不足是影响两种教学模式切换的主要限制因素，因此我们也提出了缓解限制的两个应对措施：一是在全网络模式教学中积极营造课堂阶段的学习氛围;二是根据网络教学平台的学情数据加强对学生的心理关怀和学习督导。
1.营造全网络模式教学中课堂阶段的学习氛围
全网络模式教学中课堂氛围的不足，对自律性不强的学生会产生严重影响。为了减少这种影响，建议在网络直播教学中采取以下几个措施：①要求教师和所有学生开摄像头。开摄像头会产生身处公共场合的感觉，不易开小差，自然会将注意力集中于讲课内容。②鼓励学生参与讨论。允许和鼓励学生使用语音通话或聊天室文字输入进行提问和回答，也允许匿名发言，都可以增加学生参与讨论的积极性。③控制上课人数。如果上课人数过多，学生在课堂上与教师、同学进行互动的平均机会就会减少，课堂参与度的下降会导致学生的注意力不集中，建议上课人数不要超过45人。④除了鼓励学生自愿参与讨论，教师还要增加点名的次数，督促潜水的学生参加互动。总之，上述措施都是为了克服课堂氛围不足的负面影响。尽管采取了上述措施，网络虚拟课堂与真实课堂在营造学习氛围方面还是存在差距的，另外，对于个别学生来说，上网设备落后、网络状况不佳和居家环境不舒适等客观因素，更让营造课堂气氛很难实现，也是必须接受的客观现实。
2.加强心理关怀和学习督导
全网络模式教学期间，教师可以通过主动关怀学生拉近师生心理距离，从而潜移默化地促进学生学习。利用社交软件的语音通话或视频通话功能，教师可以方便地与学生进行交流，通过询问、鼓励、引导和关怀等方式增进师生情感。教师也可以通过加强网络督导来提高学生的学习积极性。通过超星学习通等网络教学平台的数据统计和分析功能，教师可以获得班级整体和具体学生的详细学情，从而能够在分析学情的基础上进行精准督导。实施网络督导也很方便，教师可以在课程群发布整体学情，让学生清楚自己的学习状况在班级整体中的位置，教师也可以通过腾讯QQ对某个学生进行相应的提醒，在有必要的情况下可以直接通过语音通话或视频通话进行交流。相比课堂督导，这种网络督导更有针对性，也更加明确具体。同时，加强对学生的心理关怀和进行网络督导也要把握松紧适度的原则，避免过多干涉学生的自主空间。
五、结语
本文介绍了《计算物理基础》课程进行混合模式教学和全网络模式教学的实践情况。与传统模式教学相比，混合模式的教学效果有了较大的改進。与混合模式教学相比，由于课堂氛围不足，全网络模式的教学效果下降了，改进措施是：针对自律性差的学生，营造课堂氛围和加强学习督导。同时，全网络模式教学也呈现了一些现实课堂不具备的优势，预示了未来的教学改革方向。在总结两种教学模式的基础上，为了应对突发性事件对教学秩序的冲击，我们探索了一种基于混合模式和全网络模式的并行双模式教学，教学活动可以在混合模式和全网络模式之间进行平顺切换，甚至可以两种教学模式同时开展。鉴于《计算物理基础》课程是一门与编程操作密切相关的专业课，期望本文的探索为类似课程的教学研究提供一个示例。
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（编辑：王天鹏）