數(shù)字化實驗系統(tǒng)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用*

盛 力 沈 洪 劉 濤 徐竟成

同濟大學(xué) 上海 200092

數(shù)字化實驗系統(tǒng)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用*

盛 力 沈 洪 劉 濤 徐竟成

同濟大學(xué) 上海 200092

實現(xiàn)實驗教學(xué)的信息化對培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力、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)字仿真實驗系統(tǒng)和數(shù)字化真實實驗系統(tǒng)作為實驗教學(xué)信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，應(yīng)優(yōu)勢互補，共同在實驗教學(xué)中發(fā)揮作用。

實驗教學(xué)；數(shù)字化；仿真實驗；在線監(jiān)測

實驗教學(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。實驗教學(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)生的實驗設(shè)計能力，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。實現(xiàn)實驗教學(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)字化虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的形式、功能及特點

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

1.數(shù)字化虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的形式和功能

要實現(xiàn)數(shù)字化實驗教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用首先須進行數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)，開發(fā)多媒體實驗教學(xué)課件，實現(xiàn)實驗過程的數(shù)字模擬。通過收集實驗設(shè)備的數(shù)字信息，將多媒體資源制作成實驗教學(xué)數(shù)字資源，表現(xiàn)特定的實驗教學(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)實驗大綱、實驗原理、實驗?zāi)康呐c要求、實驗設(shè)備、實驗演示課件、實驗示范錄像等信息。學(xué)生不僅可以觀看實驗?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)生對實驗信息有更深刻地理解和認識。

數(shù)字化仿真實驗系統(tǒng)為教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生實現(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，實現(xiàn)實驗的網(wǎng)上預(yù)習(xí)、實驗報告的網(wǎng)上提交。學(xué)生在實驗開始前利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)實驗課件，實驗結(jié)束后將實驗報告上傳給教師，實驗中遇到的問題，在網(wǎng)上與教師和同學(xué)進行交流獲取幫助。教師在網(wǎng)絡(luò)平臺上發(fā)布實驗通知和實驗要求，上傳實驗教學(xué)資源，對學(xué)生進行答疑。

2.數(shù)字仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點及局限

(1)仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)越性

針對真實實驗的缺欠，虛擬仿真實驗項目建設(shè)是目前實驗教學(xué)發(fā)展的熱點之一。與傳統(tǒng)真實實驗相比，仿真實驗具有一些顯著的優(yōu)越性。

①仿真實驗突破了現(xiàn)實教學(xué)條件對實驗內(nèi)容在時間與空間上的制約。在顯示實驗教學(xué)中，一些實驗設(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)生在實驗室中完成。還有一些項目實驗周期長、測試項目反復(fù)，不適宜于安排在實驗教學(xué)課堂上完成。而數(shù)字仿真實驗平臺是一個開放的實驗平臺，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驗項目。對于在實際操作中容易出現(xiàn)錯誤、發(fā)生危險的實驗項目更是可以放下包袱，反復(fù)操作、練習(xí)。

②虛擬環(huán)境下的仿真實驗節(jié)省了大量經(jīng)費和資源。實驗室的建設(shè)維護、儀器設(shè)備的采購保養(yǎng)以及實驗教學(xué)運行管理都需要很多費用，仿真實驗使這些費用都大幅度降低，而且可以創(chuàng)造更好的實驗條件和更多的實驗機會。另外，學(xué)生開展設(shè)計性、綜合性實驗時，可以先進行模擬仿真實驗，在得到最優(yōu)方案后再進行實際實驗，可以有效地避免盲目性錯誤，提高實驗的成功率。

③數(shù)字仿真實驗還能夠有效促進學(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)境下開展綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗，徹底擺脫現(xiàn)實實驗條件的約束，在更深、更廣的知識領(lǐng)域內(nèi)探索。利用網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境，可以發(fā)揮實驗者的想象力，去實現(xiàn)自己的設(shè)計，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)化仿真實驗?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。仿真實驗內(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)生都可以進入實驗系統(tǒng)，實驗者不再受時間、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)仿真實驗教學(xué)的局限性

仿真實驗在實驗、實習(xí)、實訓(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驗教學(xué)中，工藝實驗處理效果受各項水質(zhì)參數(shù)和運行操作參數(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)各項參數(shù)變化由于受不同機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，在仿真實驗中，大部分的實驗參數(shù)被確定，每個實驗只能限定1～2個工藝參數(shù)作為可調(diào)整的實驗參數(shù)、演示處理過程中及處理后水質(zhì)的1～2項水質(zhì)參數(shù)的變化。學(xué)生在實驗過程中只能觀察到單一參數(shù)對實驗結(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重要機理，難以對工藝過程產(chǎn)生全面、立體、多維度的認識，使實驗教學(xué)效果大打折扣。仿真實驗的這種局限性難以在短期內(nèi)有所突破，需要新的實驗教學(xué)形式作為有效補充。

二、在線監(jiān)測實驗系統(tǒng)的作用

一些水處理工藝實驗運行周期較長，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到幾十個小時以上，也就是說運行參數(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。實驗周期過長，不適宜于在實驗課上進行。另外實驗取樣次數(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，難以有效保障實驗教學(xué)質(zhì)量。而一些典型工藝的實驗教學(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驗教學(xué)。在線儀表與計算機相結(jié)合應(yīng)用在實驗教學(xué)中是克服實驗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)無法模擬的實驗項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驗為例，將在線監(jiān)測有機物、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，與計算機進行通訊，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、計量泵、鼓風(fēng)機等執(zhí)行機構(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)處理進行動力學(xué)計算和反應(yīng)機理分析，根據(jù)水質(zhì)參數(shù)和運行參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果優(yōu)化工藝運行條件。系統(tǒng)具有一些有利于提高教學(xué)效果的獨特屬性。

1.數(shù)據(jù)記錄和存儲功能

在線記錄、保存實驗信息是在線監(jiān)測實驗教學(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驗數(shù)據(jù)進行分析，充分認識和理解實驗的教學(xué)內(nèi)容。

2.對實驗過程的指導(dǎo)和規(guī)范

在實驗指導(dǎo)、教學(xué)內(nèi)容信息傳遞方面具有與數(shù)字仿真實驗系統(tǒng)相同的功能，同時在操作上實時提示學(xué)生應(yīng)如何操作，隨著操作階段的不同，指出操作要點和注意事項。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)計性實驗和創(chuàng)新實驗平臺

在線監(jiān)測的模型實驗系統(tǒng)具有完備的數(shù)據(jù)采集功能和最接近實際工藝運行狀況的實驗操作過程，能夠進行復(fù)雜、多樣的實驗，為綜合性、設(shè)計性實驗提供完備的物質(zhì)基礎(chǔ)。最接近真實狀況的實驗條件和實驗內(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)新實驗提供廣闊的舞臺。

4.教學(xué)資源利用最大化

實驗操作條件、實驗結(jié)果的數(shù)字化為在線監(jiān)測實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化打下基礎(chǔ)。學(xué)生可以利用校園網(wǎng)對實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)備現(xiàn)場進行遠端操作控制、實時下載實驗數(shù)據(jù)并與指導(dǎo)教師進行交流，使學(xué)生不致在漫長的實驗周期中全部時間被實驗操作和取樣分析所占用，同時大量的實驗數(shù)據(jù)可以由所有學(xué)生共同分享，各取所需，讓實驗數(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)測實驗系統(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)測實驗系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)連接，讓更多的學(xué)生和教師分享實驗數(shù)據(jù)，使其體現(xiàn)最大價值。

三、結(jié)束語

信息化是實驗教學(xué)發(fā)展的重要方向，數(shù)字仿真實驗系統(tǒng)和數(shù)字化真實實驗系統(tǒng)作為實驗教學(xué)信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，應(yīng)優(yōu)勢互補，共同在實驗教學(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。

*本文系同濟大學(xué)教改項目(項目編號：0400104071)。