时间：2023-01-06 15:58:19
关键词：阿贝成像原理；空间滤波；MATLAB；信息处理
光学信息处理技术是通过傅立叶变换方式，进行光学频谱分析，调制频谱信息，运用空间滤波技术来实现光学信息处理。德国科学家阿贝在1873年提出了一个二次成像理论，在相干光源的照射下，透镜成像基本过程。首先，物体表面发出光线，经过物镜之后，在焦平面后面产生衍射，所得到的物像便是第一次相干光衍射的结果；然后，这次由衍射所得到的图像又作为新的相干光源，这个新的光源发射出的光线经过第二次干涉，又得到一个新的像，这个图像便是第二次衍射后所得的像[1-2]。空间滤波实验也引发了人们的关注，运用到传感器、测速信号基频消除、目标检测及高频GPS定位等[3-7]。本文着重研究空间滤波原理，并在MATLAB环境下对阿贝-波特实验进行仿真，实验仿真结果清晰，利于观察分析。
1 空间滤波原理
空间滤波是利用傅立叶变换透镜对光信息进行空间变换，在空间频谱面上，利用滤波器对空间频谱信息进行选择性通过，改善图像成像。空间滤波实验采用三个傅立叶透镜组成的系统，设图像的透过率为l（x1，y1），滤波器透过率为F（fx，fy），则频谱面后的光波复振幅为
式（4）中“*”为卷积运算符号，若滤波器采用不同的振幅函数透过率，则可以影响图像成像特点。
2 阿贝-波特空间滤波实验仿真
运用MATLAB的技术，根据空间滤波原理。进行阿贝-波特空间滤波实验仿真，首先由计算机程序生成光栅。
2.1 方向滤波器
方向滤波器只允许一排与透光方向一致的频谱信息通过。首先利用MATLAB构建水平方向滤波器，借助该滤波器来探讨阿贝-波特实验在水平方向滤波器下的现象。光波通过该滤波器后，所得的图像和滤波器的方向呈垂直分布。所得的图像全部是垂直的，没有水平方向上光栅分量，得到光栅在频谱面上水平方向的信息分量决定了像的垂直部分。将水平光栅向任意方向旋转，便能得到特定方向的光栅滤波器。为了实验仿真结果更清晰，同时也为了实验的准确性，我们将水平滤波器特定的旋转45度，这样所得的图像便于观察。结果分析与水平滤波器完全一样，滤波器只允许与其垂直的光栅分量通过。将水平方向光栅旋转90度得到竖向滤波器，该滤波器只允许中央一排竖直方向的频谱分量通过，所得结果只有水平方向的光栅分量，这更加印证了方向滤波器只能让与其垂直方向的光栅分量的频谱通过。
2.2 圆孔低通滤波
构建圆孔低通滤波器，进行滤波仿真实验。图1为低通滤波器仿真结果，图1（a）为输入图像，图1（b）为圆孔低通滤波器图像，图1（c）为输出图像。通过在频谱面加在低通滤波器来观察输出图像的变化，加载低通滤波器之后，只允许低频信息通过，高频信息被阻挡，像平面上所成的像，亮度较大，但是比较模糊，图像边缘轮廓信息丢失。从理论上讲，如果光学信息在傅里叶变换时没有丢失，那么这两次变换时理想的过程，那么物和像就是一样的。但是由于滤波器的作用范围是一定的，不可能将所有的频谱信息都百分之百的通过，所以，会有损失一部分高频信息。这与实验中物镜会受直径所限制，总会有角度太大的高频信息不能够进入物镜，损失部分信息也是必然的。
2.3 高通滤波器
构建高通滤波器，如图2（a）所示，进行阿贝-波特空间滤波的高通滤波实验。图2为高通光阑滤波实验仿真结果，与低频滤波实验截然相反，低频信息不能通过，高频滤波的通过，导致图像轮廓清晰但亮度减弱。这和低频滤波器的现象形成鲜明对比，也验证了高频频谱远离光轴。高频信息由于集中在离光轴远的地方，而低频信息都聚集在光轴附近，这正是高通滤波器的作用原理。阻挡低频信息，允许高频成分通过。图像之所以清晰是因为高频滤波能显示物体的精细部分，由于高通滤波器将低频滤波过滤了，导致图像亮度减弱。
3 结束语
综上，输入图像是二维正交光栅时，在频谱加载方向滤波器，在像平面得到与方向滤波器透光方向垂直的光栅分量图像。输入“光学实验”图像，在频谱面加上低通滤波器时，允许低频信息通过。所以形成图像亮度较强，但是边缘轮廓模糊不清；而在频谱面加入高通滤波器时，形成图像轮廓清晰，亮度明显减弱。说明高频信息由于集中在离光轴远的地方，而低频信息都聚集在光轴附近。实现阿贝-波特实验仿真操作，便于观察分析。
参考文献
[1]杨述武，赵立竹，沈国土，等.普通物理实验（光学部分）[M].高等教育出版社，2008.
关键词： 虚拟实验室 仿真实验平台 Remote Panels技术 C/S结构
1.引言
所谓虚拟仪器，就是在通用计算机平台上，用户根据需求来定义和设计仪器的测试功能，其实质是充分利用计算机的最新技术来实现和扩展传统仪器的功能［1］。虚拟仪器系统的构成有多种方式，主要取决于系统所采用的硬件和接口方式，其基本构成如图1所示［2］。
虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素。硬件的主要功能是获取真实世界中的被测信号，可分为两类［3］：一类是满足一般科学研究与工程领域测试任务要求的虚拟仪器，最简单的是基于PC总线的插卡式仪器，也包括带GPIB接口和串行接口的仪器；另一类是用于高可靠性的关键任务，如航空、航天、国防等应用的高端VXI仪器。
LabVIEW是美国国家仪器公司（NI）的产品，是一种基于图形编程语言的开发环境G语言，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域［6］。LabVIEW是一个开放式的开发环境，用户可以将其与任何测量硬件轻松连接。
虚拟实验就是指利用计算机技术与网络通讯技术，以Web为实现平台，将一系列软件和硬件有机结合起来，通过鼠标的点击、拖动和键盘操作等，按照实验要求和实验过程组装成一个完整的实验系统。
2.网络虚拟实验系统
网络虚拟实验系统是基于网络的仿真现实中现场操作实验的计算机应用系统，它实现的基础是计算机技术、网络技术与仪器技术的结合。网络虚拟实验系统降低了科研成本，节省了研究经费并且提高了使用效率。它突破了传统教学模式受时间、地点的限制，提高教学效率。
2.1网络虚拟实验系统的体系结构
基于网络的虚拟实验室一般采用C/S（Client/Server）结构式构建，其主要分为两类――基于Internet的C/S结构以及基于Web的C/S结构。
针对虚拟实验室应用于高校教育上的特点，我们采用了基于Web的分布式C/S结构。Web的C/S模式，也即通常意义上的B/S（Browser/Server）模式，客户机上无需安装专门的客户端软件，只要有标准的Web浏览器就可以实现对虚拟实验室的访问，不过其缺点在于不适合大量数据的传输。由于将实验系统的主体部分集中到了服务器端，对系统的维护以及实验项目的增加也只需在服务器端进行。这样不仅使系统的维护工作大大减轻，而且当实验项目增加时，只需要对服务器端进行更新，使系统具有高扩展性和适应性［3］。
2.2Remote Panels技术
从LabVIEW 6.1开始，LabVIEW集成了Remote Panels技术，允许用户直接在客户端计算机上打开并操作位于服务器端计算机上的VI的前面板，甚至可以将LabVIEW VIs的前面板窗口嵌入到一个网页中并在网页中直接操作它，这是一种软件操作界面共享方式。
LabVIEW的Remote Panels不仅可以观看，而且可以在LabVIEW的环境中或浏览器上加以控制 。这个强大的功能让开发人员可以轻松地创建远程应用程序，使用户在周末的时候坐在家中的计算机前轻松地监控办公室、实验室甚至生产线上的各种情况。
2.3远程访问原理
网络实验室仿真实验平台，主要针对大学物理、数字电子，模拟电子、电学、磁学、传感器原理等方面。学生利用网络登陆本仿真实验平台，可以在线做理工类仿真实验。在网络仿真平台上，学生自己动手设置实验参数，运行在服务器端的平台仿真程序根据实验原理进行仿真，并实时返回仿真结果。主要原理图如图2：
实验者可以通过浏览器观察模拟实验过程，通过鼠标的点击以及拖曳动作来操作和控制虚拟的实验过程。在本文所介绍的过程控制虚拟实验室系统中，学生通过浏览器就可以观察到参数的调节对控制过程产生的各种影响，使得他们很方便的观察到不同的控制效果并很容易地掌握控制原理，极大地提高了他们的学习兴趣和效率。本系统的开发为用户访问远程虚拟实验室提供了技术支持，通过计算机网络把实验过程、方法，以及实验结果迅速而直观的展示给远程用户。
下面以磁化曲线为例介绍仿真实验平台的设计。
3.磁化曲线
3.1基本原理
如果在由电流产生的磁场中放入铁磁物质，则磁场将明显增强，此时铁磁物质中的磁感应强度比没放入铁磁物质时电流产生的磁感应强度增大百倍，甚至在千倍以上。铁磁物质内部的磁场强度H与磁感应强度B有如下的关系：B=μH
对于铁磁物质而言，磁导率μ并非常数，而是随的变化而变化的物理量，即μ=f（H），为非线性函数。所以B与H也是非线性关系，如图3所示：
铁磁材料的磁化过程为：其未被磁化时的状态称为去磁状态，这时若在铁磁材料上加一由小到大变化的磁化场，则铁磁材料内部的磁场强度H与磁感应强度B也随之变大。但当H增加到一定值（Hs）后，B几乎不再随着H的增加而增加，说明磁化达到饱和，如图3中的OS段曲线所示。从未磁化到饱和磁化的这段磁化曲线称为材料的起始磁化曲线。可以看出，铁磁材料的B和H不是直线，即铁磁材料的磁导率μ=B/H不是常数。
3.2设计思想及实现
当U = 0，0.2，0.4，0.6 ...3.0 V时，根据前面板中的电路图计算出U，U，H和B，作出B-H曲线即磁化曲线，如图4。
由磁化曲线的程序框图，即图5可知，本设计主要是由两个公式节点、各种运算控件，Build XY Graph控件和图形控件XY Graph组成。与Waveform Graph一样，XY Graph也是一次性完成波形显示刷新。不同的是，XY波形记录控件在波形显示的同时还反映测量点X、Y值的变化，所以它的输入数据结构是由两组数据大包（bundle）构成的簇，簇的每一对数据都对应一个显示数据点的X坐标和Y坐标［4］。
由数组控件得到一串数组U，经过公式节点中运算处理后得到B的一串数组以及H的一串数组。经Build XY Graph捆绑后由XY Graph输出波形。
4.基于Web的交互型虚拟实验室设计
4.1Web服务器设置
一个站点基本上是将站点上的文件提制到一个目的地，让其他人可以访问站点［5］。在站点之前，应该测试站点的各项操作都能正常工作，来确认站点已准备好。有一个好的方法可以确认您的站点已准备就绪，那就是在Web浏览器上进行预览并且浏览站点，检查所有文件的状态。这就需要通过配置IIS服务器来构建测试Web应用程序的环境。最后，将测试成功的Web应用程序到Internet上［6］。
IIS默认的Web文件存放于系统根目录中的%system%?摇Inetpubwwroot中，如果主页就放在这个目录下，出于安全考虑，微软建议用NTFS格式化使用IIS的驱动器。
4.2主页及仿真实验页面设计
主页界面如下图6所示，页面右下角是在线聊天程序。访问此张页面的人都可以进行相互地聊天，教师也可以在线指导学生更好地完成实验以及在线答疑，使网络虚拟实验室的交互性有了很大的提高。
在各个实验网页中也可加入另一些美化框图或程序来完善页面，具体方法与设计网页一样。
教师要介绍虚拟实验室在网络部分的构建方法，包括Web服务器和LabVIEW服务器的设置，以及VI的嵌套实现和网页设计。
5.结语
本文设计主要分为两个部分：一部分是仿真平台的设计，另一部分是通过Web的网页形式来调用此仿真平台。
虚拟实验室虽然能很大程度地辅助教学，但并不代表可以代替真的实验室。若学生要有真实的控制仪器的经验，便需要在真实的实验室里做实验。如果某项实验只是集中于设计、解决问题的过程，而不是要求学生对仪器的亲自控制，这时就可以利用虚拟实验室。
参考文献：
［1］李莉玲，方康玲，周波.LabVIEW在远程虚拟平台中的应用［J］.武汉科技大学学报，2004，（7）:34-36.
［2］马宏斌，杨波.虚拟实验室管理系统实现技术.信息技术报［J］.2005，（2）:78-81.
［3］蒋英.对虚拟现实技术构建虚拟实验室的初浅认识.实验室科学［J］.2006，（3）:67.
［4］吴晓男.高校虚拟实验室的构建［J］.国外电子测量技术，2006，（10）:23-25.
［5］袁太文，罗世勇，李迅波.Web分布式虚拟实验室的研究与实现［J］.中国测试技术，2005，（6）:34.
［6］David Kahaner. Japanese Activities in Virtual Reality［J］.Computer Graphics and Applications，Vo1.14.No.1，Jan 1994：75-78.
【关键词】高频电子线路，设计，实践
前言：高频电子线路之所以被大众熟知和关注，是因为其在电子信息类技术中扮演着不可缺少的角色。如果我们想要了解甚至研究高频电子线路，实验操作这一步是必不可少的。一般来说，高频电子线路，学生的操作只能局限于实验箱上，很难升级硬件，也很难更新内容。本文根据高频电子线路课程的特点结合3大电子仿真软件SPICE、EWB、MATLAB的特点，优化了高频电子线路的实验内容。
一.高频电子线路仿真实验的特点
在教学过程中，老师的教学方式是先进行理论教学，然后再进行实验验证，最后进行综合性课程设计，但是这样的教学方式达不到很好的效果，传统的课堂教学都注重于理论分析、实验物件的介绍，难以给学生留下深刻的印象，导致学生对所学习内容的兴趣慢慢消失。如果在授课过程中，能够在对电路进行理论分析的同时加入仿真软件SPICE、EWB、MATLAB的仿真演示，从而达到理论讲解和验证的同时进行，这样既增强了教学的灵活性和直观性，也能够在有效的学识内，让学生加深对基本理论知识的理解，这比传统的教学方法更有效率，更有活力。
二.高频电子线路仿真实验的设计
我们在对高频电子线路的了解中，不能仅停留在个别内容的认知，而进行应该对整个高频电子线路体系达到认知的效果，这有利于我们对相关领域技术的领悟。
1对于电路原理的通信系统仿真实验。对于在教学中，学生的理解只停留在公式层面上的问题，我们可以设计以教学为基础的通信系统仿真实验，让学生加深对数学模型的理解。因为实验中的每一个模块都是根据该模块所代表的单元电路来实线原理的建立，使数学模型更具有关联性和形象性。
2对于硬件电路的仿真实验。为了使得硬件测试与软件仿真相结合，设计了硬件电路的仿真实验。我们可以了解到，高频电子线路是电子技术类课程的其中一种。课程中除了相关的原理外，还有大量关于电路分析与设计的问题。
在软件仿真实验中，我们可以观测到一些现象，这些现象是无法在硬件电路实验中所观察到的。比如，振荡电路中有些参数对时间的影响，又比如电路参数的相关条件对电路性能的影响等等。另外，我们可以节约实验的花费，不必花大量的钱购买相关仪器。如果学生掌握了仿真软件的使用方法，那就为后期的电路设计应用铺好了道路，能够更好地认识电路的分析、设计和优化。
三.高频电子线路仿真实验的实践
1.模拟通信系统的仿真实验研究。Matlab中的Simulink是一种具有可视化功能的工具，与传统的模式相比更容易被大众所接受，因为它具备更灵活、更直观的优点。Simulink可以很简单灵活的把数字模型转化为软件模型，从而可以进行动态的仿真实验，这种仿真注重了可操纵性，也注重了系统的概念。在操作系统中，为了使大家更清楚的了解系统的结构、仿真模型、数字模型这三者的对应关系，在显示的界面，我们还可以清楚的了解到具体的发射系统和接收系统。
2.电路仿真实验研究。Protel是应用最广泛的电路辅助设计软件，它与其他软件最大的区别就在于具有很强大的印制版设计功能和电路原理图设计功能。电路仿真实验已经在高频电子线路实验中进行了多方面的应用。
3.接收机电路仿真实验研究。进行接收机的电子线路仿真实验的目的是专门为了突出二极管包络检波器的特有性能以及小信号调谐放大器的特有性能等等。我们在进行这两种实验的时候发现，改变硬件的参数操作非常不方便，一方面是浪费时间，另一方面也浪费精力。所以我们根据在实际操作中出现问题才设置了这类的仿真实验，达到解决这方面的很多问题。新方案中信道检查这一功能，能够很迅速的检测到各路信号能否满足幅值要求，不满足要求的能通过报警然后发出通知，让我们知道系统的出错位置在哪里，并且达到很具体的效果。针对粗码信号，我们主要需要检查是否存在高低电平的变化。针对精码信号可以根据比较精码信号的A/D量，来判断这五种幅值标准是否达到要求 。这五种检测项目的要求分别如下所示：（a）峰值幅值小于或者等于98%；（b）、峰值幅值大于或等于75%；（c）、谷值幅值大于等于或2%；（d）、谷值幅值小于或等于25%；（e）、幅值的误差小于10%。
四.编码连续性的实时性检查
如果想要保证整个系统正常工作的基本功能，你们就需要编码的正确率，什么叫做编码正确，直接的来说，就是没有出现跳码。如果一旦出现跳码，有关系统都将失去控制，甚至导致整个系统的瘫痪。正因为如此，我们在编码器信号处理系统中增加了了实时进位检查的功能，这个不仅能够准确的检测编码器编码，而且在发现错误时，还能迅速出现报警然后通知上位机系统，这样就能够让上位机能及时的采取相应施，避免了失控造成大的巨大损失。
实验中，我们还采用了抛物线拟合算法，通过等时间采样连续的几个位置点以此推算出未来位置点得位置，假如未来点的位置出现的偏差是在游走在误差范围内的，我们就判定出编码是连续的，相反如果出现报警并通知上位机系统，那就是不连续的。
五.结束语
我们利用各种仿真软件对高频电子线路进行了仿真分析，了解其特点，测试了调幅信号的输出波形的变化规律和检波后的波形变化规律；观察并分析了电路中关键节点的 频谱关系，得到的结果是一致的，即虚拟仿真结果与理论分析相对应。我们将仿真软件高效合理地应用到高频电子线路的实验教学中，可让很多抽象的理论教学变得更简单明了，让学生更有效的从实验中了解到相关知识。希望通过一系列的仿真实验，也能够为？集成电路（IC）是整个电子信息产业奠定基础.随着电子计算机技术的飞快进步，高频电路的集成化已经成为高频电子线路发展的一个重要方向.一方面可以节省时间另一方面也可以节省费用，缩短周期。因此，各种简洁方便的仿真软件不断涌现，并得到广泛的认可。
参考文献：
[1]吴青萍，罗锦宏；PSPICE在高频电路仿真分析中的应用[J]；常州信息职业技术学院学报；2003，（02）
【关键词】GNS3 VMware 网络实验 研究与应用
高职院校计算机网络技术专业主要是培养拥护党的基本路线，具有良好的职业道德和法制观念，适应网络应用、开发、建设等一线需要的，掌握计算机网络专业的相关知识和技术，具备网络组建与管理，面向网络管理、建设、应用等岗位，从事网络规划与设计等工作的技术技能型人才；要想真正实现这一人才培养目标，必须建立配套的网络实验室。但由于学院条件有限，往往很多实验条件达不到预期要求。例如在网络实验中，经常涉及到服务器（安装Windows Server、Linux等不同的操作系统）、交换机、路由器等设备的互联，完成不同的系统集成实验。搭建符合实际真实的网络技术实训环境，需要投入大量的资金。随着虚拟仿真技术的发展，特别是把仿真软件GNS3和虚拟机软件VMware的整合，能够搭建综合的虚拟网络平台，仿真服务器、交换机、路由器等多种设备的互连、配置与测试的网络系统集成实验；通过该实训平台的搭建能够让学生真正了解思科网络设备的配置以及和实际的网络操作系统的互联过程，达到很好的教学效果。
1 GNS3和VMware软件介绍
1.1 GNS3网络仿真软件介绍
GNS3是一款优秀的具有图形化界面可以运行在多平台（包括Windows、 Linux、MacOS等）的网络虚拟软件。它可以用于虚拟体验Cisco网际操作系统IOS或者是检验将要在真实的路由器上部署实施的相关配置。简单说来它是Dynamips的一个图形前端，相比直接使用Dynamips这样的虚拟软件要更容易上手和更具有可操作性。GNS3整合了Dynamips、Pemu、Winpcap等软件，轻易地搭建网络拓扑结构，模拟Cisco各种设备，为创建虚实结合的网络综合实训平台创造了条件。
1.2 VMware虚拟机介绍
VMware是一款优秀的虚拟机软件，它允许在一台计算机上同时运行多个操作系统，每个OS都有自己独立的一个虚拟机。在虚拟机上搭建教学环境、测试环境，为网络综合实验提供了条件。
2 集成GNS3+VMware+真实主机仿真网络实验
2.1 仿真GNS3+真实主机
（1）实验拓扑如图1所示。
（2）设置真实机的Loopback环路接口，用来连接gns3中的路由器，保证链路永远的畅通。
（3）启动GNS3，按图1搭建实验拓扑图。
（4）配置路由器R1。
（5）配置Computer的IP地址。在真实主机上，找到本地网络（Loopback），配置Ip地址和网关。
（6）主机上可以Ping路由器R1，说明GNS3和真实主机连接成功。
2.2 仿真 GNS3+VMware
（1）实验拓扑图如图2所示。
（2）启动GNS3和VMware（在VMware中安装Windows、Linux操作系统），按图2完成拓扑图的搭建。
（3）把Windows所在虚拟机设置到VMnet1网卡上、Linux所在虚拟机设置到VMnet2网卡上。
（4）启动Windows虚拟机设置其IP地址为192.168.2.2，网关为192.168.2.1；同样，设置设置Linux的IP地址及网关。
（5）配置路由器。
（6）在路由器上Ping两台虚拟机的IP。
（7）在虚拟机上Ping路由器地址。
（8）两台虚拟机互Ping.。
以上命令如果能够Ping通，说明GNS3+VMware连接成功。
2.3 仿真GNS3+VMware+真实主机
通过2.1、2.2的两个实验，我们完成了GNS3+真实主机、GNS3+VMware的相关实验。同样，我们可以把两者进行综合，完成仿真GNS3+VMware+真实主机的网络实验。
（1）把3.1、3.2的实验拓扑结构进行合并。
（2）启动GNS3、VMware，完成网络拓扑图，具体操作过程可参考2.1、2.2相关操作。
（3）完成对路由器的配置。
（4）完成设备间的Ping命令，验证连通性。
3 结束语
利用Cisco网络设备仿真软件GNS3、虚拟机软件VMware和真实主机相结合，可以加载真实Cisco IOS，并且能够和Windows、Linux等不同网络操作系统进行通信，能够将真实的实验效果模拟出来，解决了网络设备不足的尴尬局面。通过该实训平台的搭建能够让学生真正了解思科网络设备的配置以及和实际的网络操作系统的互联过程，达到很好的教学效果。
参考文献
[1]蔡志平，陈彬，肖侬.虚拟计算环境中的虚拟网络[J].计算机工程与科学，2008，11（30）：1-4.
[2]包敬海，周小珠，樊东红.基于VMware构建虚拟网络实验室的研究[J].计算机技术与发展，2006，6（20）：242-245.
[3]赵征鹏，保利勇，袁国武等.利用VMware的Windows和Linux虚拟机组网方法[J].网络与通信，2009（3）：79-81.
1“仿真物理实验室”的教学模式建立
仿真物理实验室的本质是一个软件，是基于网络和信息技术而开发的一款模拟实验软件。它能真实模拟出一些教学中无法做的实验，也可以模拟最简单的实验。仿真物理实验室包含很多模块，每个模块又可以独立的设置一些实验器材，设置独立的实验环境。教师可以为学生在实验环境中设置不同的组合，而且实验的环境也可以构建出真实的情况。学生在教师的指导下，可以随意的设置参数，通过对实验动画的对比，在结合数据以达到物理实验的教学目的。
仿真物理实验只是一个教学的平台，实验可以随时进行，不受实验条件的限制，比如实验中对真空的要求，现实实验室的条件不容易满足，但在仿真物理实验中就可模拟出这种效果。实验的条件满足了，得出的数据就会相对准确，缩短实验的时间，失误降到了最低。但是仿真物理实验室中也存在着一些弊端，本质上它只是一个软件，是种虚拟的模式，并没有在真实实验中的触感和体验。一些实验的动画表达只是表面上的，没有现实实验的真实感，比如在电子的偏转中，学生是通过动画的形式去理解，这对学生的知识掌握是有一定影响的。总体来说仿真实验室的使用对教学还有很大的促进作用的。
物理仿真实验的教学建立需要借助“仿真物理实验”在网络的环境中开展，实验教学的理论主要由基本的四个方面组成：一是依据实验的要求提出问题，二是要引导学生去大胆猜想，提出实验的假设条件；三是对学生的假设进行验证；四是结果和数据进行归纳和总结，找出规律。仿真物理实验室需要教师和学生在实践中，逐步建立对物理实验模式的建立。仿真实验教学的过程大致可划分为：学生观看存储在仿真实验中的动画，然后教师要建立情境提出疑问，组织学生对实验结果进行假设，依据实验的难易程度，教师要合理划分实验小组开始实验，学生在实验完成后要进行合理的推断，对实验的结论要准确分析，学生可以对参数的设置进行一些改变，实验创新，以此来验证结论的正确性，最后教师做总结，得出实验的结论。
2“仿真物理实验室”的教学运用实例
2.1提高物理教学水平
仿真物理实验的优点就是没有实物，只是借助里面课件来设计实验学生只要根据需求把实验需要的器材放入设置中。一个实验系统就能组合起来。学生只要操心物理实验的合理性，不用去考虑计算机是如何把它设置出来的。例如在探究“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验中，需要打开电路模块这一项，点击新建实验，根据实验要求去选取实验所要用到的器材。然后依据实验连接实验电路，然后就可以去开始实验。
在本实验中，首先要创设情境，提出问题，小电珠的伏案特性是如何变化的。设置一些假设然后进行实验。实验的目的就是为了把小电珠的伏安特性借助实验描绘出来，通过对曲线变化的规律的总结，分析得出结论。实验的原理：在纯电阻电路中，电压和电阻的关系是线性的，可是由于受到实际因素的影响，电压和电流的变化不是一条直线。实验过程：在选区里选出实验要用到的器材，然后拖入到实验区里；选择实验器材对上面的数据进行一个属性上的设置，额定电压设置为5 v，额定功率为1 W的小电珠。滑动变阻器的总电阻为20 Ω。设置学生电压为5 V，内阻设置为零，确保电源为理想电源；依据实验图纸把每个器材用电线连接起来，注意不要接错；连接完成后就可以点击开关，开关就会闭合。这时在两个表上就会显示读数，这就是需要测量和计算的电压和电流。把得出的数据放在坐标轴中，纵坐标为电流，横坐标为电压。借助鼠标去移动滑动变阻器，把每次得到的数据记录在坐标轴中，最后通过数据分析描绘出曲线。
在实验中我们可以很简单的去设置一些参数，如电流表的内接和外接，变阻器的阻值可以根据需要随意设置和变化，也可以很方便快捷地对滑动变阻器的限流和分流的接法、电源的类型进行模拟和讨论。这样的教学模式可以提升课堂教学的效率，优化课堂教育。
在仿真物理实验室中这款软件中，基本可以分为三个大的模块：运动及力学模块、电学模块、光学模块。每个模块中又分为很多小模块，基本包含了高中物理中所有的实验模型。学生可以利用里面大量的虚拟与元件，随意的组合运用，设置参数，搭建物理模型，收集数据；教师也可以利用它的编程功能做出吸引学生目光的优秀课件。
2.2锻炼学生自主探究能力
知识不是简单的通过教师传授给学生，需要构建一个良好地情境，依据方法才能实现的。仿真物理实验室作为一个简单上手的软件，学生可以自己去设计实验完成，提高独立意识，选取自己需要的元件，或是自己借助软件创造，而后建立模型设置情境。也可以通过教师的指导，把一些问题放到模拟中来，还原一下场景，经过自己独立的探究，对实验的把握也更加深刻，深化对物理知识的理解。
例如在学习透镜的成像时，学生可以设置：
情境问题一：透镜的位置和光屏之间的位置会引起像的变化。在仿真物理实验室中建立模型，设置透镜的焦距为30cm，把蜡烛、透镜和光屏按照顺序排好，使三者的中心在一条直线上。然后开始进行试验，移动光屏可以发现，透镜和光屏之间的位置变化确实会引起像的变化。
情景问题二：调节蜡烛与透镜之间的距离，让物距小于焦距的距离。在模型中进行操作，发现当蜡烛的位置小于焦距时，成像为一个正立、放大的虚像，成像发生了变化。
情境问题三：调节蜡烛与透镜之间的距离，让距物距大于焦距。在模型中操作，开始像是一个倒立放大的实像，但在物距的增大中，像在不断地缩小，在某个值成为一个倒立、等大的实像，此时测量距离得出物距等于焦距的两倍。在扩大物距，会发现像接着缩小。经过对数据的处理可以知道，物距为焦距两倍时，像为倒立等大的；物距大于两倍焦距时，像是倒立缩小的实像物距大于焦距而小于两倍焦距时，像是一个倒立、放大的实像
情境问题四：如果在透镜上遮挡一个物品，还会有像的出现吗？学生预测不会出现像。在模型中操作，让一个物体一点一点去遮挡透镜，会观察到，像会从亮到暗，到没有。
情境问题五：凸透镜换为凹透镜时，像的变化。在模型的操作中，在光屏上是看不到像的，凹透镜的像为虚像。
关键词：中职学校；电子仿真；技术；实验；结合
中职学校是为社会培养专业性与应用型人才的重要阵地，电子技术仿真教学是电类专业的专业课程，主要对电子器件以及其对电子电路进行技术分析。在我国电子技术快速发展且普遍应用的今天，我国的工业农业生产、交通运输通信等多个经济发展领域，都得到了电子技术的大力支持。电子技术具有较强的理论性与实践性，在中职教育过程中，将理论教学与仿真实验教学进行有效结合，有利于促进教学水平的提升。
一、利用理论教学，打好仿真实验教学基础
利用理论教学，做好仿真实验教学的基础，是促进理论教学与仿真实验教学结合的第一步。在仿真实验教学的准备阶段，教师需要引导学生进行理论学习，并不是每一部分电子技术仿真学习内容都适合进行实践学习，仿真实验学习也不是在任何学习阶段开展都可以的。在仿真实验学习之前，学生一定要花时间与精力做好前期准备工作，对相关的理论内容进行有针对性与计划性的学习。
比如，在利用MATLAB仿真软件组织中职学生进行仿真实验学习之前，教师要引导学生对MATALAB仿真软件进行认识，通过理论教学，为学生的仿真实验学习做好铺垫。MATLAB软件来自于美国，是一套将数值、符号运算以及可视模型建立等功能结合在一起的图形语言。在学习电子技术仿真过程中，学生可以利用MATLAB软件进行有关电能变换与控制的计算与研究，促进电子技术仿真学习效果的深化。将理论教学与仿真实验教学进行结合，还需要在仿真实验学习之前，对学生进行理论化的指导。让学生了解仿真实验学习中要注意的问题，从而促进学生仿真实验学习效果的优化，提高教学质量。
二、利用仿真实验教学，促进理论教学完善
让仿真实验教学促进理论教学的完善，这一效果发生于仿真实验教学与理论教学的结合过程中。在仿真实验教学活动开展过程中，学生用自己已经具备的电子技术仿真理论知识指导自己的实验操作行为，在仿真实验中利用理论知识，发现理论知识的正确性以及自身理论学习方面存在的不足。同样，教师在仿真实验教学的过程中，还可以发现理论教学的不足，随时扩展理论教学的内容，调整理论教学的重点与难点。在中职电子技术仿真教学过程中，教师要根据教学的目标与内容进行仿真实验活动的开展，促进学生在真实的环境中去体会理论知识，促进理论知识的升级。
比如，在利用Multisim7.0软件进行仿真实验教学时，教师要通过观察学生的仿真实验学习行为去发现教学的漏洞与学生学习能力上的缺陷。像在让学生利用Multisim7.0软件建立电路图的时候，教师要引导学生先对实验电路进行确认，正确打开Multisim7.0软件，并选择正确的电子元器件。再利用软件最右边的仪表工具栏选择最恰当的仪表，如果教师发现学生在仪表选择上存在困惑，需要进行现场指导，并在下一次讲解时提高仪表内容的课堂讲解比例。在这样的仿真实验教学中，理论教学与仿真实验教学得以结合，并在结合中相互促进。学生在动手操作的过程中得到教师的理论指导，方便学生快速掌握理论知识，有利于学生在第一时间将其应用于真实的环境中。
三、结合理论与实验，总结电子仿真教学
总结是教学活动的重要环节。通过总结，学生可以对课堂所学内容进行回顾，建立属于自己的专业知识体系，促进学习思路的顺畅。课堂理论教学会因为总结而变得更清晰，仿真实验教学也会因为总结而变得更有意义。将理论教学与仿真实验教学进行结合，需要在总结时进行整合。在传统的教学过程中，教师总是将自己视为课堂总结的主体，一直让学生听自己对专业理论知识或者仿真实验学习应当注意的进行总结，学生被动地将教师的总结记录在笔记本上。在教学改革的今天，教师要认识到学生在学习活动中的主体地位，组织学生进行自主总结或者互动总结。
关键词：虚拟仿真实验；实验教学；土木工程；实验室建设
1土木工程专业的实验教学特点
土木工程专业的实验与实践教学具有行业的特殊性。
（1）空间体量巨大。土木工程的服务对象是建筑物、桥梁、隧道，一般体量巨大。现在世界最高的建筑物高度超过800m，桥梁的最大跨度达1991m，超高层建筑物的单根柱子、单根桩基的承载能力上万吨。进行这些结构或构件的实体实验几乎是不可能的，即使是缩尺实验，也存在实验构件及加载设备体量大、实验环境恶劣、实验费用高的问题，限制了学生的参与。
（2）施工周期长。土木工程的建设周期一般比较长，世界最高建筑物———迪拜塔的建设历时6年，通常一幢普通的住宅楼施工工期也需要1年以上。由于时间的限制，学生的认识实习和生产实习无法得到工程建设全过程的体验。
（3）工程参与方多。土木工程存在不同的建设参与方（建设方、设计方、施工方、监理方等），在学生认识实习和生产实习过程中，往往只能体验其中某一方的工作，无法从不同参与方的视角去感受和经历工程。
（4）危险性高。土木工程实验很多是破坏性试验，并且是脆性破坏，具有一定的突然性，学生在实验过程中的安全问题十分突出。同时，由于施工现场工序复杂、人员众多，而很多学生又缺乏施工经验和对危险源的判别能力，这使得很多施工单位在安排学生的认识实习和生产实习时存在顾虑。
（5）实验难度大。在土木工程的实验中，灾害环境（如台风、火灾、地震、滑坡和泥石流等）的模拟设备造价高（大型地震模拟振动台的造价上亿元、大型风洞的造价几千万元）。灾害环境实验难度大、危险性大、费用高。为解决土木工程传统理论教学与学生工程化培养之间的矛盾，拓展实验及实践教学的深度和广度，提高实验教学的实效，实现理论教学与实践教学的紧密结合，特别是进行灾害环境对土木工程影响的分析、解决重大工程的防灾问题，尽可能减少实验成本和潜在危害，东南大学在课堂理论教学、原有实体实验、认识实习和生产实习的基础上，利用专业的仿真软件，采用多媒体技术以及网络通信平台，构建了具有高度真实感、直观性和精确性的虚拟仿真实验教学平台，作为实体实验及实践教学的有益补充和创新［1－5］。
2实验教学资源建设
早在2005年“工程结构设计原理”与2006年“建筑结构设计”国家精品课程建设期间，东南大学就开始组建土木工程计算机辅助结构设计实验室，此后结合“土木工程施工”、“工程合同管理”、“结构力学”及“工程结构抗震与防灾”几门国家精品课程和其他相关课程的建设，又相继成立了土木工程施工虚拟仿真实验室、土木工程管理信息化等实验室。2013年通过资源整合，依托国家级土木工程实验教学示范中心，成立了东南大学土木工程虚拟仿真实验教学中心。中心面向土木工程、建筑学、交通工程及其他相关专业，形成了“三层次、四模块、五结合”的教学体系。（1）三层次：按照人才培养需求与教学规律，将实验教学内容划分为基础训练、提高训练和创新训练；（2）四模块：按专业知识体系与工程实践规律，搭建土木工程设计、施工、管理、创新实践4个虚拟仿真实验平台；（3）五结合：与理论课程相结合、与实体实验相结合、与科研项目相结合、与实际工程相结合、与企业实践相结合。其中，四模块的18门实验课程支撑8门专业主干课程与12门实体实验实践课程，辐射其他16门专业课程，基本覆盖了土木工程专业的主要专业课。
2．1土木工程结构分析与设计虚拟仿真模块
模块主要包括：（1）基本构件虚拟仿真、楼盖设计虚拟仿真及单层工业厂房设计虚拟仿真等基础训练层次的虚拟仿真实验项目；（2）建筑结构抗震虚拟仿真、高层建筑结构设计虚拟仿真、大跨空间结构设计虚拟仿真及桥梁结构设计虚拟仿真等提高训练层次的虚拟仿真实验项目；（3）复杂结构虚拟仿真、基于MTS混合实验、大跨桥梁抗风虚拟仿真、结构构件抗火虚拟仿真等创新训练层次的虚拟仿真实验项目，是“工程结构设计原理”、“建筑结构设计”与“工程结构抗震与防灾”这3门国家级精品资源共享课的重要建设内容。结构分析与设计虚拟仿真实验项目充分体现了CDIO（conceive－design－implement－operate）的工程教育理念［6－7］，是从工程的构思到概念设计，再进行仿真分析，根据仿真分析结果对概念设计进行优化调整，最后按优化后结构进行施工图设计的全过程虚拟仿真实验，实现虚实结合的实践教学。以特色实验项目“基于MTS系统混合模拟实验平台”为例，传统的建筑物抗震防灾实验大多数是对整个结构进行的，由于整体实验成本较高且实验项目较多，导致实验场地和实验时间安排紧张。为了提高实验项目的实际效果和设备的有效利用，将结构的大部分替换为数值子结构并采用计算机进行仿真，而只有小部分结构在实验室进行足尺实验（见图1）。仿真实验具有参数可调、实验方案可扩展、不存在硬件损耗的特点，能够加深学生对实验的理解；实体实验具有真实可靠、直观性强的特点，能够提高学生的动手能力和观察能力。采用计算机仿真实验与实体实验相结合的手段，可以有效提高学生综合应用所学知识的能力。同时，实时混合实验作为目前最先进的抗震防灾实验手段之一，有助于培养学生的创新意识，提高学术水平。
2．2土木工程施工虚拟仿真模块
该模块主要包含基本施工技术虚拟仿真、复杂工程施工技术虚拟仿真及关键施工技术仿真分析3部分。基本施工技术虚拟仿真主要包括土方、桩基础、模板、钢筋工程等施工过程的虚拟仿真，是模块的基础训练部分；复杂工程施工技术虚拟仿真主要是针对超高层建筑结构、大跨空间结构、大跨桥梁结构等典型工程施工全过程的虚拟仿真，向学生介绍最新的施工技术和复杂工程的施工组织，它是模块的提高训练部分；关键施工技术仿真分析部分主要针对全新的施工技术，通过对施工过程中关键部分的仿真分析，确保施工的顺利和安全，它是模块的创新训练部分。以典型实验项目“大跨桥梁结构施工虚拟仿真”为例，该实验项目以铜陵长江大桥工程为案例，与中铁大桥局集团和柳州欧维姆机械股份有限公司合作完成。对该工程的施工全过程进行了虚拟仿真，包含桩基础施工、沉井施工、主塔施工、钢桁梁吊装施工、斜拉索施工等子系统（见图2）。通过该项目的学习，学生可以了解大跨斜拉桥施工的主要步骤、施工工艺、技术措施等。
2．3土木工程管理虚拟仿真模块
该模块包含工程项目管理、工程造价管理、工程合同管理和工程管理BIM综合4个部分。传统的信息技术类课程教学模式比较注重信息系统管理知识的介绍和基础软件操作，但是存在信息技术类知识体系在不同部分之间的割裂问题，使学生难以形成结构化、模块化的专业信息技术能力和素质。土木工程管理虚拟仿真实验平台对传统课程设置模式进行了改革，根据多学科对信息技术的应用需求，注重学生专业核心能力的培养，形成信息技术类实验课程平台。以典型实验项目“工程管理BIM综合虚拟仿真”为例，该项目根据给定的工程项目设计（包括建筑、结构、设备等）方案、相应的城市规划条件以及有关的地理环境数据，从施工单位、设计单位或咨询单位的角度进行项目建筑设计方案的多维可视化仿真（见图3），并利用BIM模型进行辅助施工管理，包括项目的日照分析、建筑能耗分析、绿色建筑评价、建筑体量计算等。
2．4土木工程创新实践虚拟仿真模块
本模块主要分为基于创新训练计划的虚拟仿真和基于学生参加科技竞赛的虚拟仿真两部分，以满足学生课外研学课程的需要，在实验项目的设计上充分体现CDIO的工程教育理念。学生根据项目的要求，利用已学的专业知识，对结构进行概念设计，然后运用仿真分析软件进行模型计算分析，根据仿真分析结果对模型设计进行优化，完成实体模型的制作，将制作好的模型进行加载或让其完成特定功能。通过本模块实验项目的训练，可以加深学生对各类结构体系、设计分析的理解和认识，使学生在知识运用能力、创新能力、动手能力、团队协作精神等方面得到全面提升［8－9］。以典型实验项目“创新结构体系虚拟仿真实验”为例（见图4），要求学生设计并制作创新结构模型，以反映学生的力学概念、结构概念和创新思维。实验项目鼓励节能减排、循环经济的创新思路，旨在通过指导学生对结构概念设计、基本构件受力状态、空间结构体系及特点、典型工程案例分析等内容的学习，培养学生勤于观察与思考，并动手制作结构模型的能力，使学生能够从结构整体上把握建筑物的结构体系及受力特点，并通过学习报告、制作模型及加载体验的方式提高学生的动手实践能力和创新意识。
3教学特色
3．1依托优质教学资源建设虚拟仿真实验平台
土木工程虚拟仿真实验教学中心长期坚持实体实验项目建设和虚拟仿真项目建设相结合，通过国家级教学团队的规划，完善了实验教学体系，并将学生实验训练的学时数比例由总学时的19％增加到25％。中心依托国家级土木工程实验教学示范中心，与理论教学紧密结合，进行虚实结合的实验教学资源建设，有力地支撑了6门国家精品课程、5门国家级精品资源共享课程和1门国家级视频公开课的建设，提升了课程建设和专业建设的水平。2013年，土木工程专业以优秀成绩第4次通过住建部高等教育土木工程专业评估委员会的评估，在2012年的全国学科评估中，东南大学土木工程学科名列全国第三。
3．2来源于科研项目，面向创新能力培养
中心依托“国家预应力工程技术中心”、“混凝土与预应力混凝土教育部重点实验室”等国家和部省级科研基地，不断地将最新科研成果转化为虚拟仿真实验项目。通过把科研成果转化为实验教学内容，把科研方法融入实验教学活动，向学生传授科研理念、科研文化、科研价值，使学生了解科技最新发展和学术前沿动态，激发科研兴趣，启发科研思维，培养科研道德，提升学生科学研究和科技创新能力。
3．3来源于工程实践，面向工程实践能力培养
中心的大量虚拟仿真实验项目来自于真实的工程实例，是以实际工程为背景，解决工程实际问题为目标的“实战型”项目。通过真实项目的演练，指导学生综合运用专业知识，进一步培养学生的工程素质和实践能力，为社会输送合格的“来之能战”的毕业生。已将典型重大工程转化为实验项目的实例有：（1）山东博物馆屋盖薄壁箱型结构虚拟仿真；（2）广州南站大跨空间结构温度应力虚拟仿真；（3）广州白云机场复杂铸钢节点虚拟仿真；（4）润扬长江大桥大跨桥梁抗风虚拟仿真；（5）深圳大运会体育馆钢结构安装施工虚拟仿真；（6）沪通长江大桥桥梁沉井施工全过程虚拟仿真。
3．4面向防灾减灾，开展灾害虚拟仿真
现代土木工程的最大威胁来自于各种自然灾害和人为灾害———地震、台风、海啸、火灾、爆炸、泥石流等。各种灾害因其巨大的时空尺度而难以再现，因其复杂的生成原因而无法重复，所以要借助现代虚拟仿真技术进行演示。中心依托云计算中心每秒37万亿次峰值浮点计算能力，运用大型虚拟仿真分析软件，开展地震、台风、火灾及爆炸等灾害的模拟，提升学生防灾意识和减灾水平。
4结束语
通过多年的建设，东南大学土木工程虚拟仿真实验教学中心已经成为由国家级教学团队及国家级教学名师负责规划和建设，面向土木工程、工程管理2个国家级高等教育特色专业和其他相关专业的实验实践教学基地，为“结构力学”、“工程结构设计原理”、“建筑结构设计”、“工程结构抗震与防灾”、“土木工程施工”、“工程合同管理”等6门国家级精品课程和其他相关课程开展虚拟仿真实验教学，面向7个专业的学生开展创新训练。2014年，该中心获批为国家级土木工程虚拟仿真实验教学中心。
参考文献（References）
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1前言
虚拟仿真实验室(Virtuallab)是1989年由美国弗吉尼亚大学(UniversityofVirginia)的教授威廉?沃尔夫(WilliamWolf)首先提出的,它描述了计算机网络化的虚拟仿真实验室环境[1]。虚拟仿真实验室是信息时代的产物,在教学中具有广阔的应用前景,是实验教学的一个新的发展方向,促进了教学观念与教学形式的变革[2],提高了学生的综合素质。
2虚拟仿真实验室的发展及政策解读
虚拟仿真实验室自1989年提出以来,在世界范围内得到迅速发展。目前,发达国家在虚拟仿真实验室的建设方面已经十分普及,美国正在致力于构建一个覆盖全国的虚拟仿真实验网络。近年来,国内许多高校根据自身科研与教学的需要建立了虚拟仿真实验室,并取得一定的成就。国家相关部门对虚拟仿真实验室的建设也越来越重视,为了进一步推进实验教学信息化建设,推动高等学校实验教学改革和创新,2013年教育部《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》(教高司函〔2013〕94号),明确提出高校建设虚拟仿真实验室的重要性。
3基础医学虚拟仿真实验室的发展现状
教学过程中实验和实训教学是培养学生实践能力和技术能力的关键,虚拟仿真实验室在培养学生综合素质方面起着至关重要的作用。国内外基础医学虚拟仿真实验教学平台的应用现状基础医学专业课程是一个对实践性要求比较高的课程,但是一些实验课程由于毒性、致病性、时间等原因,导致这部分实验不能顺利开展,虚拟仿真教学平台在基础医学实验教学中就显得至关重要。在教学过程中,虚拟仿真实验与实际实验相结合,以实际教学中的重点、难点作为课程设计的重点,教学内容丰富,包括常规学生实验、设计性实验,此外部分虚拟仿真实验室还包括实习、临床案例讨论、自我测试、BBS交流区、网上相关资源等内容[3]。实时临床案例讨论及网上相关资源共享,既丰富了学生的学习内容,又开拓了学生视野,从而激发学习兴趣[4]。虚拟仿真实验教学以其独特的优势,在提高实验教学质量中发挥着重要的作用。虚拟仿真实验与实际实验相结合,不仅激发了学生学习的兴趣,提高了学生创造力和对实验的感性认识,而且通过对虚拟仿真实验平台实验操作的正确方法和理论知识的学习,减少了盲目操作和错误操作的几率,提高了实验的成功率[5]。此外,虚拟仿真实验室在节省实验投资的同时,为学生提供了一个良好的学习空间[6]。虚拟仿真实验室的优势及建设中存在的问题由于传统实验教学存在实验教学经费投入不足、实验教学仪器设备紧缺和老化、实验教学用房面积不足等传统问题,同时在教学内容、教学时间和空间上受到限制,影响了实验教学的质量。与传统实验教学相比,虚拟实验教学有着突出的优势,成本方面,大幅度降低实验室改造、建设和维护的资金,节省实验经费、时间和空间成本;安全方面,减少实验室事故发生几率;环境方面,减少环境污染,促进绿色实验室的建设;教学方面,打破了传统实验教学的时间和空间的限制,有效增加学生对实验的理解能力;教学质量方面,提高学生的创新能力、实践能力和综合素质[7]。虚拟实验教学这种新的教学模式为实验教学质量的提高提供了一个新的平台,随着教学行为、方式的改革和信息技术的发展,虚拟实验教学必将成为实验教学中不可或缺的一个环节[8]。目前,虚拟实验室在促进实验教学现代化,推进实验教学模式改革等方面发挥着至关重要的作用。但是,虚拟实验教学在教学实践中也存在诸多不足,主要体现在以下几个方面。1)教学方面,培养学生动手能力、误差分析能力等方面存在欠缺,而且虚拟实验不能真实地再现实际实验过程中的故障和现象[9-10];2)虚拟系统方面,教学实践中发现存在系统不稳定、有些功能不能使用、缺乏教学监视功能等问题,给教学带来一定的影响。除此之外,还有诸如界面及画面的任务形象的美观度不够,虚拟实验项目的数量不能满足学生的需求等问题。3)建设必要性方面,虽然虚拟实验室弥补了真实实验室的诸多不足,但也并非任何实验、任何专业都需要建设虚拟实验室来辅助教学。
4构建基础医学虚拟仿真实验室的建议
虚拟仿真实验室是一种投入少产出多、资源共享的一种全新的办学理念,是高校未来发展的必然。在建设过程中应借鉴其他课程和专业实验教学改革的经验,创造出一套适合自身专业的虚拟仿真实验室的建设方法;共享现有虚拟仿真网络资源,节省建设成本。在实验教学中,要注意虚拟仿真实验和实际实验的有机结合,合理安排分配教学比例以促进学生实践能力的发展。在软件技术方面,向协作式虚拟仿真实验室方向发展,即跨越地域障碍,能够满足异地学生一起进行科学实验和讨论的方向。虚拟仿真实验室虽然能大大辅助教学,但并不能取代真实的实验室。此外,虚拟仿真实验教学中心的建设应响应国家号召,本着“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则,并结合专业的自身特点。
5结语
虚拟仿真实验生动形象,激发了学生学习的兴趣,培养和锻炼了他们的创造力,克服了传统教学模式无法解决的感性认识不足的缺点,推进了医学专业的课程建设和教学手段的改革。虚拟仿真实验室的建设符合当今中医院校基础医学专业发展的方向,有巨大的发展潜力、广阔的应用前景。基础医学虚拟仿真实验室作为基础医学教学模式改革的方向,其建设任重而道远。
【关键词】Proteus；仿真实验室；构建
一、Proteus仿真实验室概念
Proteus仿真实验室就是把计算机当作实验平台和实验中心，通过网络进行电路分析、数字电路、嵌入式系统（单片机应用系统、ARM应用系统）、模拟电路、微机原理与接口技术等课程，在计算机软件上进行电路设计、仿真和调试等通常在实验室完成的实验。Proteus仿真实验室的实验主要是电路分析、数字电路、模拟电路、嵌入式系统（单片机应用系统、ARM应用系统）等课程的实验和研究。
二、Proteus虚拟仿真实验室系统结构。
Proteus虚拟仿真实验室系统结构如图1所示，以建立在计算机网络平台上的Proteus软件平台为基础，构建一个完整的Proteus实验系统的综合设计与创新实训平台。在Proteus实验系统结构中，从原理图设计、单片机编程、系统仿真到PCB设计一气呵成，真正实现了从概念到产品的完整设计。
（1）计算机网络平台。从图中可知，Proteus实验系统是建立在计算机网络平台上的。为了使更多的模拟实验者参与到仿真实验中来，实现资源共享，要发挥Proteus实验室的网络资源开放的作用，实现多人参与实验，以Proteus服务器为网络中心，实现Proteus仿真实验的全覆盖。（2）Proteus软件平台。Proteus是一种强大的计算机自动化设计软件，能够提供智能原理图设计系统，SPIC模拟电路、数字电路以及MCU器件混合仿真系统和PCB设计系统功能。（3）Proteus实验系统。Proteus实验系统是仿真实验室的核心，其系统能够在实验中直观的显示实验的过程，通过图形显现实验的每个细节，使参与实验操作的人员能够对实验的动态有个感官的过程。
三、单片机虚拟仿真实验的内容构成
Proteus软件具有动态的模仿优势，在教学中可以通过《单片机原理与应用》这门课程的教学内容进行分析研究，对教学的知识点进行拆分和综合，可将Proteus单片机仿真实验分为基础性试验、综合性试验和创新性实验。基础性试验是对单片机系统相关课程中的实验进行模拟设计及设计验证，实验设计的目的将学生在课堂上所学的知识进行消化，同时学会用Pro
teus软件系统解决课堂上出现的问题，使课堂教学与实验相结合；综合性实验是在学生学习单片机系统模拟实验的基础上，增加实验的内容，在实验教师的指导下，运用MCU解决命题性实验的题目，学生按照拟定的题目内容进行电路图设计、仿真调试、代码的编写、PCB设计、制作PCB和验证PCB设计等一系列过程。由于在Proteus软件平台上，一个产品项目可以做到从原理图设计、单片机编程、系统仿真到PCB设计的完整过程，实现从概念到产品的完整设计。而完整的工作过程包括资讯、计划、决策、实施、检查、评估6个环节，项目化实验主要有四个步骤：（1）工作任务的描述。包括工作任务在整个工作体系中所表现的出的作用、所处的地位，完成工作任务需要的设备、工具和材料等等；（2）现场演示与理论讲解。教师根据工作任务，进行现场作品演示，演示作品制作的过程，加深学生的感性认识，同时在演示文本的过程穿插理论的讲解，引导学生在Proteus仿真实验中构建理论知识；（3）项目的实施。根据老师的讲解和工作任务对题目进行设计和制作，完成课题项目；（4）对仿真实验进行总结。教师对学生完成的作品进行评价，包括作品的外观、产品制作水平和质量等级等，在学生之间进行对比分析，找出优点和缺点。因此，引入Proteus虚拟仿真实验系统后的单片机系统相关课程，非常适应于采用基于工作过程的项目式教学模式，利于单片机系统课程开展基于工作过程的项目化课程教学改革。
在教学实验中，充分的利用学校现有的计算机设备，购置Proteus软件，帮助学生消化教学中的难点，加强学生的理解能力，提高学生的动手能力和创新能力。引入Proteus虚拟仿真实验，有利于促成课程和教学改革，更有利于具备工程实践能力的应用性人才的培养。
参 考 文 献
关键词:环境工程;虚拟仿真;平台建设
为加快提高本科教育质量，2019年底教育部办公厅公布了2019年度国家级和省级一流本科专业建设点名单，认定首批4054个国家级一流本科专业建设点和6210个省级一流本科专业建设点［1］。作为进入榜单的省级一流环境工程专业建设点，需要进一步加强专业建设，持续提升本专业内涵和建设水平，发挥一流专业的示范领跑作用，培养本专业一流人才，为学校“双一流”建设奠定坚实基础。
1虚拟仿真实验平台建设意义
国家《教育信息化十年发展规划(2011—2020)年》提出深入推进信息技术与高等教育实验的深度融合，将实验信息化作为高等教育系统性变革的内生变量［2］，以高质量实验助推高等教育质量变轨超车，对培养高素质人才，建设高等教育强国，具有十分重要的意义［3］。虚拟仿真实验平台依托虚拟现实和人机交互等技术，使学生在虚拟场景中开展实验和实践［4］。虚拟仿真实验中心建设任务是实现真实实验不具备或难以完成的功能，在涉及高危或极端的环境、不可逆的操作，高消耗、高成本、大型训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目［5］。虚拟仿真实验中心建设应充分体现虚实结合、能实不虚的原则［6］。
2建设思路
以环境工程省一流专业建设为契机，武汉工商学院环境与生物工程虚拟仿真实验中心以开源共享、在线学习的信息化方式推进我校化学和污水处理类改革，以实验、开放的思想推动化学和污水处理类教育更新;充分利用新媒体技术和互联网平台，创建开放共享平台，回应全媒体大数据时代对于“终身学习”的需求［8］。虚拟仿真实验平台建设以学生为中心，平台全天候开放，以线上线下交互学习的模式，将化学和污水处理类相关理论课、实验课、课程设计和污水处理厂生产实习等环节，与仿真实验互通交叉进行。在传统课堂中，学生学习的知识理论性强，理解扁平化，通过在直观、可视的虚拟仿真实验项目中实施设计实践、构思实现、运行操作、问题解决过程，增加学习的趣味性，学生对理论知识的感性认识不断增强，对设计理念的掌握运用逐步熟练，对知识结构的建立形成持续完善，实现对专业知识体系理解的“理性—感性—理性”螺旋提升，强化学生的问题分析解决能力、综合设计能力、实践创新能力。
3建设措施
3．1开发与利用实验资源
依托虚拟仿真技术研发公司提供的虚拟仿真产品及相关技术支持，项目用于学校虚拟仿真实验，并持续开发拓展项目内容及功能;充分发挥工程技术企业和信息技术企业在虚拟仿真实验项目中的积极作用，创新才人培养模式，强化大学生综合能力训练，培养适合创新性国家建设的应用型创新人才。湖北君集水处理公司是学校合作企业，为实验项目提供了大量的专业实验设备、技术支持和经费支持。持续开发独立自主知识产权《污水处理工艺虚拟仿真实验》软件作为课程推进的新动力。虚拟仿真实验平台建设涵盖四个模块:化学水质检测仿真实验室(含COD、BOD、总磷、总氮和污泥的仿真实验，包含演示，可用于预习，见图1)，污水处理厂3D仿真培训(可用于学生认知仿真实习或企业入职培训，见图2)，污水处理工艺设计(见图3)和仿真污水处理厂运行(见图4)。每个模块化单元有其参数设置和设计计算等。
3．2建设化学和污水处理虚拟仿真实验网络共享平台
3．2．1建设门户网站实现网络共享门户网站作为虚拟仿真实验网络平台数据库系统的网络入口，各模块包括首页，项目描述，项目团队，网络相关要求等，首页涵盖通知公告、相关视频、虚拟仿真平台和仿真软件展示等。通知公告便于师生及时掌握本行业相关赛事和讲座信息;相关视频有实验室安全知识讲座、科技治污、各种宣传片等;网络平台支持学生开展专业讨论、在线共享学习资料等，承担随时学习等功能［7］。污水处理仿真实验是在线开放共享的，进入实验时可以选择不同的角色，实现对用户的分级管理，主要包括专家、教师和学生，不同级别用户享有不同的使用权限，用以提高网络的安全性［8］。3．2．2实现虚拟仿真实验管理平台功能虚拟仿真实验项目构架及研发技术:通过3D仿真技术实现虚拟仿真。3D引擎在Windows平台下通过DirectX技术实现3D渲染。通过骨骼动画、关键帧和序列帧动画制作3D动画。通过计算机图形学(实时阴影，光照贴图，凹凸贴图等)和计算几何学(碰撞检测、射线检测、刚体、流体模拟等)等实现现象仿真。通过后台模块化模型的搭建和链接实现数据仿真。开发工具采用Unity3d作为3D引擎，采用C#语言并通过VisualStudio工具进行程序开发。通过SVN，MicrosoftProject等工具进行程序版本控制和项目管理。虚拟仿真管理平台的开发语言是JAVA，开发工具是Eclipse跨平台的自由集成开发环境(IDE)。服务器硬件设有专人专管，部署在实验室核心机房;制定了虚拟仿真平台维护流程要求及维护记录，安排专人与欧倍尔公司对接并将软件持续改进。虚拟仿真实验平台涵盖对实验平台的后台维护人员和各类基础信息进行初始化、数据维护和功能设置，具体包括仿真程序教师端和仿真程序管理平台，仿真程序教师端包括学员管理和考试管理，仿真程序管理平台包括运维管理和部署管理。学员管理包括设置教师和学生的基本信息，包括实验安排、实验结果存储上传与数据分析、实验操作评价、实验报告成绩、实验课程成绩管理等功能;部署管理包括资料库、实验交流、实验过程管理、和在线答疑等部分［7］。
3．3建立和完善实验与科研队伍的培养制度
着力规范和加强教职工培训管理工作，明确按照学校建设发展的需要，“统筹规划、合理安排”的基本原则，采用校内与校外、国内与国外培训相结合，形式多样、有针对性、注重实效的方式来加强培训工作，确保建立起一支高水平的实验与科研队伍。大力支持从事实验与科研队伍人员相互学习、相互促进、共同提高，研究成果和发表的相关论文及编写的实验教材与同类科研成果一样享受各种奖励。担任有实验教学课程的新教师和实验技术人员上岗前必须经过培训，过好实践教学关，熟悉实验室环境，了解掌握仪器设备性能和操作使用方法，掌握实验教学软件的运用，认真备课，撰写指导实验的教案。同时，在指导实验前必须完成预备实验，进行试讲、试做，提供讲稿、试做记录，经系、实验中心负责人组织审查确认后可进行实验教学和指导实验。
4应用情况
4．1学科竞赛
2020年第46届世界技能大赛水处理技术项目交流赛(武汉)由武汉工商学院承办［9］，结合疫情防控相关要求，虚拟仿真平台模块是其中5个考试模块之一，占总成绩的10%，每个模块的设置充分考验选手设备安装能力、操作熟练程度、实验进程把握能力，以及界定、探索、解决不确定性问题的能力;2020年第46届世界技能大赛水处理技术项目湖北省线上集训也采用了虚拟仿真平台，并且向参加的14所院校52名学生和10余名教练介绍和推荐了本校自主开发的虚拟仿真软件;2020年第46届世界技能大赛湖北省选拔赛水处理技术项目正式比赛中［10］，武汉工商学院学子分别取得了第一名和第二名的好成绩。
4．2实验和实践教学
【关键词】 Matlab Gui，阿贝-波特实验，滤波
【中图分类号】G64.23 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）15-000-01
一、引言
众所周知，光学专业实验对仪器的稳定性要求很高，对于复杂光路的搭建和调试都是非常耗费时间的，而计算机仿真能克服上述缺点，而且能够呈现出实验中很难实现的实验现象。所以光学专业实验的计算机仿真成为了当前实验教学研究的一个热门课题。阿贝-波特实验是光信专业的一个经典实验[1]，目前也有不少人对该实验进行了仿真，但目前该实验的仿真要么缺乏直观的界面[2]，要么界面不够友好，不够丰富[3]，比如界面中没有给出实际的实验光路等。针对上述情况，本文对阿贝-波特实验进行料Matlab Gui仿真，仿真界面不但给出了该实验的实际光路，而且验证了阿贝波特实验的所有现象，实现了仿真界面友好、内容丰富，使学生更能深刻理解阿贝波特实验。
二、阿贝-波特实验的原理
如图1所示[1]，在相干平行光照明下，物的成像过程可分成两步：①入射光经过物的衍射在物镜的后焦面上形成夫琅禾费衍射图样;②衍射图样作为新的子波源发出的球面波在像平面上相干叠加成像。概括地说，上述成像过程分两步：先是“衍射分频”，然后是“干涉合成”。所以如果在透镜的后焦面（即频谱面）上放上各种滤波器，就可以改变频谱的信息，从而引起输出像发生变化。
图1 阿贝成像原理图
三、阿贝波特实验的Matlab Gui仿真
图2是阿贝波特实验的MATLAB GUI仿真界面。界面的右上方为实验光路及实验注意事项。滤波对象是正交光栅，在界面的下面显示物及其频谱，点击滤波器下拉菜单，选中水平狭缝作为滤波器，则界面的下面第三个图显示该滤波器，再点击进行滤波按钮，则在界面的下面第四个图显示经滤波处理后的像，如图2（a）所以，由图可见，频谱面上的横向分布是物的纵向结构的信息，如果点击滤波器下拉菜单，选中纵向狭缝作为滤波器，则在界面的下面第四个图显示经滤波处理后的像，如图2（b）所以，由图可见，频谱面上的纵向分布是物的横向结构的信息。如果点击滤波器下拉菜单，选中方向滤波，则经滤波后的输出像如图2（c）所示，得到的是相对方向的信息，由图可以看出，采用方向滤波器，可完全改变像的性质。如果点击滤波器下拉菜单，选中低通滤波，则经滤波后的输出像如图2（d）所示，由图可见，零频分量是一个直流分量，它只代表像的本底，即只有0级衍射（空间频率为0）能通过时，则在像平面上虽有光照，但完全不能形成图像。如果点击滤波器下拉菜单，选中高通滤波，则经滤波后的输出像如图2（e）所示，由图可
（a）横向狭缝滤波
（b）纵向狭缝滤波
（c）方向滤波
（d）低通滤波
（e）高通滤波
图2 阿贝波特实验的Matlab Gui仿真界面。
见，阻挡零频分量，在一定条件下可使像发生衬度反转。由2（d，e）还可以看出：允许低频分量通过时，像的边缘锐度降低;允许高频分量通过时，像的边缘增强。
四、结论
为了更好理解阿贝波特实验，本文对阿贝波特实验进行了Matlab Gui仿真，仿真界面友好、操作方面，内容丰富，本仿真界面不但给出了实际的实验光路，而且实现了实验的所有功能，仿真结果验证了所有的阿贝波特实验现象。
参考文献
[1]苏显渝，李继陶.信息光学M.北京，科学出版社，1999
【关键词】仿真技术；大学物理；实验教学
大学物理的教学内容在知识的深度和广度上都有更进一步的提升，而学生对其中概念等基础知识和内容的理解往往要通过实验过程辅助，但是，传统的大学物理实验由于各种条件等的限制，往往不能达到预期的效果[1]。而作为一种综合性的信息技术，仿真技术涵盖了网络、多媒体等多种先进的计算机技术，将其运用于大学物理的实验教学过程中，对学生随时随地进行物理实验，并且自主学习、揭示其内在规律等都具有重要的作用[2]。
一、传统大学物理实验教学中的问题
1.教学模式单一
传统的大学物理实验往往严格按照有关的实验教材进行，教师在课堂上进行相应的讲解，而学生往往以此进行实验，几乎所有学生的实验过程和实验结果都有相同的效果。而不能有同样效果的学生，为了提高自己的成绩往往会修改实验数据以期达到预期的效果，这与物理实验的科学性极不相符。
2.实验内容有限
大学物理的实验往往紧贴教材，实验课程的课时设计通常也十分有限，而实验课上，教师的教学内容往往是根据教材进行相应的“复习”，将其中的理论知识进行再次疏通，以期对课本上的定理等进行验证，这就大大限制了学生的创新性。
3.实验资源不足
大学的物理学习中，有许多章节可以进行有关的实验，但是，受制于实验室的数量、实验设备的短缺，很多实验往往只能有教师进行有关操作步骤、实验现象、实验结果的讲解，而学生并不能进行实际操作，对教师所讲的内容往往不知所云，这与培养学生综合素质的基本目标极不相符。
二、仿真技术应用于大学物理实验的优势
目前，应用于大学物理实验的仿真技术已经相对成熟，其中的各种软件如JAVA、VRML、FLASH等都可以对物理实验进行三维模拟，而针对不同的专业学科，还有不同的其他软件，诸如应用于电子电路技术的Labview，应用于自动控制的Matleb等等[3]。对实验模式、实验内容等都具有多方面的优势：
1.改进实验教学模式
首先，仿真技术使物理实验不再拘泥于实验地点和实验器材的限制，而是通过网络和相关软件就能随时随地进行，这样，学生不仅可以在实验课上进行实验，在课下也可以主动进行实验，提升自己的实验能力。其次有关的仿真实验软件大多具有良好的交互性能，即使没有教师的指导，学生也可以自主进行实验。再次，某些比较危险或者较难操作的实验过程，通过仿真技术来实现，对学生有更强的保障，同时还能提高其动手能力。
2.丰富实验内容
仿真实验软件的不断改进，使得其在物理实验中的应用越来越广泛，而其不同的实验内容往往都可以找到合适的软件进行模拟，甚至教材上并没有设计实验的内容，学生也可以充分发挥其创造性，对其中涉及的原理等通过实验进行模拟或者验证，而那些相对复杂的综合性实验，也可以顺利进行，并针对其中的问题进行改进，这对激发学生的学习兴趣也有重要的作用。
3.降低实验成本
物理实验往往需要多种教学器材，大型的实验甚至需要耗资数万不止的高质量仪器，而仿真实验往往不需要复杂的实验器材，也不需要充足的实验空间，只需要电脑或者网络就可以随时进行，这在实现开放性实验教学的同时，也降低了有关的实验成本，节约了教育经费。
三、大学物理实验应用仿真技术的问题
1.应当与传统实验模式相结合
仿真技术尽管可以在大学物理实验教学中得到较广泛的普及，但是，为了保障学生的实际操作能力等多方面综合性能力，仿真实验并不能完全取代实际的实验操作，而是应当将二者进行充分的有机结合，使其相互弥补，相互促进，进而培养学生的综合实验能力。
2.做好良好的技术支持
仿真实验的顺利进行，需要计算机技术作为有力的支持，而针对仿真实验的施行，有关的工作人员应担具备较高的计算机水平，对设备进行科学的管理和维护。同时，在实验开始前，也应当对学生进行相应的课前培训，使其能够使用正确的方法和步骤进行有关的实验，保障实验过程的顺利进行。
3.在实际应用中应得以不断优化
应当结合实际对仿真实验进行优化，首先，针对有关的虚拟元件库，有关人员应当及时进行补充，方便更多实验的顺利进行；其次，针对不同的知识点，理应设置科学的实验流程，引导学生个性化学习，或者针对某些知识点进行强化和巩固；再次，针对实验数据，应当将某些数据分析软件与仿真实验软件进行兼容和链接，方便实验结束后进行复杂的数据处理。
综上所述，仿真技术的应用对促进大学物理实验教学的科学化、完善化发展具有十分重要的作用，同时也可以提升学生的综合实验能力和创新能力，激发学生的物理学习兴趣和科学的实验精神。在实际应用过程中，有关的教师或者工作人员应当结合实际情况和实验过程中的问题，不断进行总结和改进，使仿真技术对大学物理实验教学起到真正地促进作用。
作者:李秀文 单位:中北大学理学院
参考文献：
[1]马如远,朱永安.计算机仿真在大学物理实验教学中的应用探讨[J].装备制造技术,2013,08:212-214.
