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虚拟实验室虚拟仿真实验室 创新教学课程资源开发

发布时间:2023-04-14

编辑人:灵图互动

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随着教育技术的不断进步,虚拟实验室虚拟仿真实验室逐渐成为现代教育的重要组成部分。这些创新性的在线和离线教育工具为教育者和学生提供了更安全、高效、便捷的学习平台。虚拟实验室虚拟仿真实验室是基于计算机技术,通过虚拟现实、仿真技术和高级计算机图形学来模拟真实实验室的环境和设备,使学生可以在虚拟环境中进行实验操作。这种方法具有安全性高、成本低、可重复性强、随时随地访问和可控性等优势,广泛应用于化学、物理、生物、医学、工程等多个学科领域。

1. 虚拟实验室虚拟仿真实验室的建设内容

虚拟实验室虚拟仿真实验室系统具有完整的在线学习流程和教学管理功能,教师可自主上传、修改、制作和整合系统所有图片、文字、多媒体课件、三维模型等资源,也可在线进行师生互动交流,跟踪学生学习进度,对实验结果进行考核评价。

1.1 虚拟仿真课程资源建设

根据院校相关专业的知识体系和教学大纲,构建完整的虚拟仿真课程资源库。资源库涵盖理论课程、实验课程、案例分析、技能训练等多种教学形式,满足学生多样化的学习需求。

1.2 虚拟仿真实训场景及平台建设

使用虚拟现实技术和计算机图形学技术构建高度仿真实验室环境,包括实验室布局、实验设备、操作台等。同时,根据实验的实际操作流程,设计虚拟实验操作流程,使学生能够在虚拟环境中完整地体验实验过程,学习相关专业知识。

1.3 虚拟仿真教学管理平台

虚拟仿真教学管理平台集理论教学、实操培训、教学管理、实训管理、设备管理、评价考核于一体,用于对虚拟仿真实验教学进行管理,从实训室到实训设备,从学生到教师,从课程编排到考试成绩的发布、查询以及数据导出,实现教学全流程管理。

 

虚拟实验室虚拟仿真实验室的建设内容

2. 虚拟实验室虚拟仿真实验室的课程资源开发

虚拟实验室虚拟仿真实验室的课程设计从相关专业的基本原理、结构出发,再到基础操作实验,最后是综合型的设计实验,通过这种分层次,循序渐进的学习模式构建一套完整的虚拟仿真实训体系。

2.1 教学内容设计

结合学科知识和实验要求,设计适用于虚拟实验室的教学内容,确保学生能够在虚拟环境中掌握实验原理和技能。以工业机器人专业为例,需要进行以下课程内容设计:

(1) 机械类基础技能:要求能看懂机械图纸;会使用二维和三维软件制图,可以完成机械部件的设计工作;完成关键性部件的结构分析工作;具备行业内的专业知识等。

(2) 机器人专业理论知识:掌握机器人运动中的数学计算,涉及空间描述、广义坐标、运动学、动力学、轨迹生成、控制学等相应的理论知识。

(3) 机器人本体及编程:了解某些特定品牌的机器人本体结构、故障处理、坐标系应用、安全区域设定、运动指令、逻辑控制指令、机器人案例分析 (搬运、码垛、上下料、焊接、涂胶等)、IO应用等知识。

(4)PLC电气与编程:工业机器人本体是一个标准设备,需借助周边设备和工业软件的配合使用,按照现场实际灵活运用。一个典型的工业机器人工作站,需要工装夹具、气缸、气阀、传感器、电机、传送带、导轨、变位机、机床CNC等外部设备的配合才能完整运行。外围设备的相互配合,就需要PLC进行控制协调,所以,学会通过工控PLC控制机器人的运行、停止以及程序的选择等项目集成应用,学会变频器、伺服电机、变位机等工业设备的控制编程及应用实践知识等至关重要。

2.2 实验教学方法

采用先导学习、探究式学习、合作学习等多种教学方法,提高学生的学习兴趣和实验效果。

2.3 教学资源整合

整合多种教学资源,如实验手册、教学视频、实验报告模板等,为学生提供全面的实验学习支持。

(1)线上的课前预习,教师通过教学系统或邮箱等方式向学生发送实训的内容和要求,学生在实验系统上选择相应的项目资源进行学习,要求学生在课前熟悉相关专业的基础知识,并完成具体项目的虚拟仿真实验操作,对整个操作流程有所了解。同时,学生在实验过程中遇到的问题可以用“课程交流”栏目与教师进行在线互动,教师给予指导和解答。

(2)线下的课堂教学是来到真实的实验室,教师先检查学生的课前预习整体情况,对学生课前可以自行掌握的基础知识不做过多讲解,重点讲授关键、有难度的知识点,同时引导学生在课堂上积极讨论互动。 接下来教师进行实物讲解和演示,这个过程可由学生操作,教师在旁指导和讲解,观察学生实际操作的熟练程度,之后分组完成相关专业基础实验项目操作。 最后让学生依照分组,共同完成一个综合类型实验任务,比如机器人绘图实验,不限制绘制的图形,每个小组自行讨论和设计,编写和调试程序,并完成机器人的运动轨迹。

(3)课后的分析总结,学生根据实验过程和结果,撰写实验报告,对实验过程中存在的问题进行反思和总结,并提出改进建议。对学有余力和感兴趣的学生,可以在虚拟仿真实验系统上进一步深入的学习,完成更高阶的实验项目。 

2.4 课程评价体系

建立以实验操作能力、实验数据处理能力、实验报告撰写能力等多维度评价为主的课程评价体系,全面评估学生的实验学习效果。

2.5 课程持续优化

根据学生的学习反馈和课程评价结果,对虚拟实验课程进行持续优化和更新,提高教学质量。

 

虚拟实验室和虚拟仿真实验室的课程资源开发

3. 虚拟实验室虚拟仿真实验室功能

3.1 实验认知

通过高度真实的三维图像、声音和物理特性,为学生提供一个与现实实验室类似的虚拟实验环境。学生可以在虚拟环境中进行实验环境和设备的认知,为后续实验操作奠定坚实的基础。

3.2 实验流程演示

提供完整的实验操作流程,包括实验准备、操作、数据收集、分析和报告撰写等环节,帮助学生掌握实验的全过程。

3.3 实验操作培训

模拟真实实验室中的各种设备和仪器,允许学生在虚拟环境中进行实验操作,学习如何使用和操作实验设备,熟练实验工艺流程。

3.4 实验数据处理与分析

在虚拟实验过程中,生成实时实验数据,并提供数据处理和分析工具,使学生能够更好地理解实验结果和实验原理。

3.5 交互式教学

提供丰富的交互功能,支持学生与教师之间的实时沟通和互动,解答学生在实验过程中遇到的问题。

3.6 成果展示与评价

收集和展示学生的实验成果,包括实验报告、实验数据分析等,并提供评价与反馈,以促进学生的学习成长。

3.7 课程管理与组织

支持教师进行课程安排、实验项目选择、教学资源分配等教学管理工作,提高教学效率。

 

虚拟实验室虚拟仿真实验室功能

虚拟实验室虚拟仿真实验室开放的虚拟仿真教学资源,随机的实验操作过程,都可以很好的锻炼学生的创新能力,培养学生主动思考和解决问题的能力。在实验教学过程中,引导学生进行分组,分工协作,共同完成一项任务,促进相互之间的交流,培养团队协作能力。

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