基于仿真軟件的虛擬實驗設(shè)計與應(yīng)用——以《網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》課程為例

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1、基于仿真軟件的虛擬實驗設(shè)計與應(yīng)用——以《網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》課程為例 上海師范大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于仿真軟件的虛擬實驗設(shè)計與應(yīng)用――以《網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》課程 為例 姓名：陳小紅 申請學(xué)位級別：碩士

2、 專業(yè)：教育技術(shù)學(xué) 指導(dǎo)教師：葉海松 20100401 摘 要 隨著電子技術(shù)高速發(fā)展，新器件、新電路不斷涌現(xiàn)，虛擬實驗教學(xué)已經(jīng)成為 傳統(tǒng)實驗教學(xué)的一種有效的補充。多媒體計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù) 為虛擬實驗提供了基本技術(shù)支持，而種類繁多、功能各異的仿真軟件由于對使用 者技術(shù)要求低

3、，為普通教師和學(xué)習(xí)者簡單、方便的開展虛擬實驗提供了可能。本 文針對現(xiàn)有虛擬實驗的研究現(xiàn)狀，選取了在大學(xué)生的實驗課程中具有一定的代表 性的“網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)”實驗課程作為研究對象。在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的基礎(chǔ)上，將 Moodle網(wǎng)絡(luò)課程作為虛擬實驗教學(xué)的服務(wù)和管理平臺。文章對“網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)”的 課程大綱，教學(xué)目標，教學(xué)環(huán)境，學(xué)習(xí)者和教學(xué)現(xiàn)狀進行了分析和研究，并在有 關(guān)教學(xué)理念的指導(dǎo)下，提出網(wǎng)絡(luò)課程虛擬實驗設(shè)計的基本原則，給出“網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)” 的虛擬實驗教學(xué)的詳細設(shè)計方案。最后，在實踐教學(xué)中具體應(yīng)用虛擬實驗，分析 了虛擬實驗應(yīng)用的效果以及有待改進的地方。為虛擬實

4、驗在課程實驗方面的應(yīng)用 做了一些有益的研究與嘗試。 關(guān)鍵詞：虛擬實驗，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，仿真軟件，虛擬實驗教學(xué)應(yīng)用 ABSTRACT Withthe ofelectronic newinstrument high―speeddevelopment technology，the andcircuithas Virtual hasbecomeaneffective

5、 emergedunceasinglyexperiment to ．Themultimedia traditional complement experimentalteaching computer andthevirtualinstrument have

6、 technology technologies，thenetworking provided forthevirtual areallkindsofsimulators withthe support experiment．There equipped and tothelow??level the variousfu

7、nctioneven are USer．So they simple ordinary teachersandlearnersCanconductvirtual and experimentseasilyconveniently．Based onthe statusofvirtual haschosenthe

8、 course study experiment，thispaper laboratory the of”Network is of Foundation”，whichrepresentativeCollege

9、 Experiment，as has of thefoundationofthe network author simulator,the objectstudy．In existing usedMoodleastheserviceand

10、 forthevirtual managementplatform experimental has thecourse analyzed outline，teachingobjectives，teaching teaching．Then，she andthe situationof”NetworkFoundat

11、ion”． environment，learner presentteaching Underthe ofrelated article forwardthedetailed guidance teachingconcept，thebring virtual authorhas ofthe

12、 last，the designproposal experimentalteaching．At applied thevirtual to the effectof analyzed experimentpracticeteaching,and application virtual

13、 that has forward for basis，the teaching．On paperput suggestions experimental a it some researchand tothe word， bene

14、ficial practice improvement．Inputup ofthevirtual in field． teaching application experimentexperimental words：virtual Foundation，si

15、mulator，the application experiment，Network Key ofthevirtual in experimentteaching IU 圖表目錄

16、 圖2．1仿真實驗的步驟………………………………………………………。14 圖2．2網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗的開發(fā)過程……………………………………………．．15 圖2．3網(wǎng)絡(luò)仿真的一般過程…………………………………………………．．20 表3-1三個時間段樣本論文在四個數(shù)據(jù)庫中的數(shù)量分布…………………．．24 表3．2樣本論文的分類統(tǒng)計…………………………………………………．．25 圖4．1計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)課程的立體化研究型教學(xué)模式……………………36 表4．1《網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》實驗內(nèi)容…………………………………

17、………………38 圖4．2《網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》課程考核組成…………………………………………．．39 圖4．3《網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》虛擬實驗外部學(xué)習(xí)環(huán)境………………………………．．40 圖4．4《網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》虛擬實驗教學(xué)組織形式………………………………．．41 圖5．1無線網(wǎng)絡(luò)的配置拓撲圖…………………………………………………43 圖5．2無線網(wǎng)絡(luò)實驗中DNS域名解析配置圖………………………………46 圖5．3 服務(wù)器中的網(wǎng)站主頁源代碼…………………………………46 圖5．5普通PC機通過無線上網(wǎng)訪問公網(wǎng)

18、服務(wù)器…………………．．48 圖5-6小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)工程實驗配置拓撲圖…………………………………．．50 1 圖5．7外部PC撥號上網(wǎng)界面…………………………………………………5 圖5．8小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)工程實驗中DNS域名解析配置圖……………………52 圖5-9PC3通過域名成功連接到外網(wǎng)………………………………………．56 0 圖5．1PCI自動獲取

19、的口地址………………………………………………．56 圖5．1l外部PC0成功訪問第一臺內(nèi)部服務(wù)器………………………………57 圖5．12外部PC0成功訪問第二臺內(nèi)部服務(wù)器………………………………57 圖5．13外部PC0成功訪問第三臺內(nèi)部服務(wù)器………………………………58 圖5．14學(xué)生對本課程虛擬實驗的態(tài)度………………………………………60 表5．1學(xué)生對虛擬實驗內(nèi)容、教學(xué)模式、評價方式的評價情況表………。60 表5．2學(xué)生對虛擬實驗培養(yǎng)能力的評價表……………………………………．61 VI

20、 論文獨創(chuàng)性聲明 本論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。論文中除 了特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或機構(gòu)已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究 成果。其他同志對本研究的啟發(fā)和所做的貢獻均已在論文中做了明確的聲明并表 示了謝意。 日期：加l啤6目2z日 作者簽名：聲門、級

21、 論文使用授權(quán)聲明 本人完全了解上海師范大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán) 保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿? 分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其它手段保存論文。保密的論文在解密后遵守此 規(guī)定。 作者簽名。1禾眥 導(dǎo)師簽名：葉均彪日期．訓(xùn)牟跏2日

22、 75 第一章引論 上海師范人學(xué)碩士學(xué)位論文 引論 第一章 本文的研究內(nèi)容是基于仿真軟件的虛擬實驗設(shè)計及其教學(xué)應(yīng)用，研究案例 是教育技術(shù)學(xué)本科專業(yè)課程《網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》。本章主要論述了本課題的研究背景和 研究思路，以及論文的總體

23、結(jié)構(gòu)。本章所陳述的內(nèi)容是課題研究和論文撰寫的前 提。 1．1研究背景 隨著二十一世紀的到來，人類已經(jīng)步入信息社會，在這個信息化高度發(fā)展的 時代，知識經(jīng)濟將成為全球經(jīng)濟的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。在這個人才競爭的時代，我國教育 進入了前所未有的大發(fā)展時期，時代的進步與發(fā)展對教育質(zhì)量提出了更高、更新 的要求，培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才將成為教育的主要目標。 實驗教學(xué)在教育中占有非常重要的地位，實驗教育的任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精 神和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才。實驗是人類認識世界的重要方法，實驗往往是為了 解決文化、政治、經(jīng)濟

24、及其社會、自然某個問題，而在其對應(yīng)的科學(xué)研究中用來 檢驗?zāi)撤N新的或者驗證某種已經(jīng)存在的假說、假設(shè)、原理、理論而進行的明確、 具體、可操作、有數(shù)據(jù)、有算法、有責(zé)任的技術(shù)操作行為。通常實驗要預(yù)設(shè)實驗 目的、實驗環(huán)境，進行實驗操作，最終以實驗報告的新聞形式發(fā)表實驗結(jié)果1。 實驗研究和理論研究相輔相成，推動著社會的進步和科學(xué)的發(fā)展。在教學(xué)中，實 驗不僅是理論教學(xué)的深化和補充，更是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識的能力、解決問題 的能力的重要手段。 近年來，由于虛擬儀器、仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬實驗已經(jīng)成 為熱門話題，國內(nèi)外很多實

25、驗室和大學(xué)都建立了自己的虛擬實驗室，虛擬實驗不 僅逐漸走進課堂，輔助老師教授理論知識，更是提供了利于學(xué)生創(chuàng)新能力、實踐 能力和綜合素質(zhì)培養(yǎng)的新的實驗教學(xué)模式。虛擬實驗將會成為一種改革傳統(tǒng)實驗 教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法的既高效又經(jīng)濟的首選方案。教育專家預(yù)測，在 下一個世紀，虛擬實驗將成為虛擬現(xiàn)實技術(shù)最重要和最熱門的應(yīng)用領(lǐng)域之一。研 究建立怎樣的虛擬實驗教學(xué)模型，設(shè)計哪些虛擬實驗內(nèi)容，采取怎樣的虛擬實驗 1 http：／／baike．baidu．com／view／57942．htm?fr alaO-l

26、 l 第一章引論 上海師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 教學(xué)模式，并將它合理的應(yīng)用在教學(xué)上，將對促進實驗教學(xué)發(fā)展具有重要的意義。 1．1．1實驗教學(xué)改革的需要 隨著電子技術(shù)高速發(fā)展，新器件、新電路不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)實驗教學(xué)的弊端越 來越顯露無遺。傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在著資金投入大、實驗過程損耗大、實驗室管 理難度大，設(shè)備維護費

27、用高等突出問題，尤其是院校擴招后，基本的實驗場地和 儀器設(shè)備保障都不能滿足，更不用說隨著技術(shù)的發(fā)展及時更新的實驗要求了，在 一些地方性經(jīng)濟條件欠發(fā)達的大學(xué)里這種情況表現(xiàn)更為嚴重。尤其是對于一些發(fā) 展R新月異的學(xué)科，如計算機組成原理、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機械控制、電工電子 等，不僅對于硬件實驗環(huán)境要求非常高，更是要求實驗教師具備與時俱進的實驗 教學(xué)觀念。 對于實驗教師來說，傳統(tǒng)實驗教學(xué)準備和課后工作既繁瑣又費時，教師花在 調(diào)試系統(tǒng)或者準備試劑配制等準備實驗的時間，再加上課后還原善后的工作時 間，有時遠遠多于實驗課本身的時間。

28、加上實驗設(shè)備的過度使用大大加重了實驗 室硬件和軟件系統(tǒng)的維護工作量，減少了實驗教師吸收新的教學(xué)理念來改進教學(xué) 教法研究和更新自身專業(yè)知識的時間。另一方面，由于傳統(tǒng)實驗教學(xué)體系的不完 善，也會直接影響到教師開發(fā)新的實驗項目和學(xué)生的參與，從而限制了實驗教學(xué) 質(zhì)量的提高。 而設(shè)備的缺乏和落后直接導(dǎo)致了實驗內(nèi)容的陳舊，很多課程實驗講義十年 都不曾有變更，實驗項目既簡單又單一，驗證原理性項目偏多，而綜合性和自主 探索、創(chuàng)新設(shè)計實驗項目偏少。而且有些實驗項目由于本身在現(xiàn)實中是不可能進 行的，如原子及原子核實驗、核反應(yīng)實驗、理想狀態(tài)

29、下沒有任何阻力的運動等； 有些實驗項目會對實驗系統(tǒng)和設(shè)備造成一定的破壞，如操作系統(tǒng)的備份與恢復(fù)、 計算機硬件組裝等；還有一些實驗有一定的危險性或?qū)θ梭w健康有危害性，是不 能讓學(xué)生做的，如飛機駕駛實驗、外科手術(shù)實驗、有爆炸反應(yīng)的化學(xué)實驗、涉及 到放射性物質(zhì)或有毒物質(zhì)的部分實驗等。因此這些項目沒有對學(xué)生作實踐的要 求，教師一般采取圖片、電視錄像、課堂演示或以講代練的方式來取代實驗進行 教學(xué)。學(xué)生無法直接參與，很難獲得感性認識，使得實驗教學(xué)質(zhì)量無法跟上科學(xué) 技術(shù)高速發(fā)展的腳步。不僅不利于學(xué)生對于理論知識的理解，也影響了學(xué)生獲取 2

30、 第一章引論 上海師范人學(xué)碩士學(xué)位論文 新知識的能力培養(yǎng)，阻礙了知識結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。 此外，傳統(tǒng)實驗在實驗時間和空間上對學(xué)生和教師也限制過死，這直接導(dǎo) 致了實驗教學(xué)模式的單一。學(xué)生在實驗課之前，僅僅只能靠復(fù)習(xí)書本上的理論知 識來抽象的理解，而不能滿足自己動手先做一做的需求。由于實驗課中教師的精 力有限，也不能及時的對于所有學(xué)生進行實驗指導(dǎo)，學(xué)生也只能根據(jù)老師的講解 和演示進行簡單模

31、仿，匆忙的依照實驗講義機械操作。在實驗中出現(xiàn)的問題要么 被忽略，要么由教師代為解決，最后總是趕在下課之前上交應(yīng)有的實驗報告結(jié)果， 從而忽視了學(xué)生的認知主體作用，缺乏互動，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)主 動性。學(xué)生在課后如果想復(fù)習(xí)實驗過程，或者對于課本上的某個原理有疑問，想 自己動手做實驗，卻不能隨時進入實驗室進行實驗。實驗老師與學(xué)生，學(xué)生與學(xué) 生之間也缺乏一個隨時隨地的有效交流平臺。這些都限制了學(xué)生動手能力的訓(xùn)練 和獨立思考以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。我們需要打破這種時空限制，讓實驗課堂無限 延伸。 本課題從教學(xué)應(yīng)

32、用的角度出發(fā)，將虛擬實驗科學(xué)合理的運用于課堂教學(xué)和 傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，有效利用現(xiàn)有的技術(shù)資源來建立實驗教學(xué)內(nèi)容豐富，實驗教學(xué) 模式多樣化的虛擬實驗教學(xué)體系，以期增強學(xué)生的實踐動手能力，提高學(xué)生分析 解決實際問題的能力。 1．1．2現(xiàn)代遠程教育的需要 現(xiàn)代遠程教育無疑是信息技術(shù)改革傳統(tǒng)教育的一個重大突破。現(xiàn)代遠程教育 的教學(xué)方式將克服傳統(tǒng)教育在時間、空間、受教育年齡等方面的限制，滿足社會 性和組織性的學(xué)習(xí)需求，遠程教學(xué)作為傳統(tǒng)課堂教學(xué)的拓展形式取得了飛速發(fā) 展。 對于很多工程類和應(yīng)用類課程教學(xué)來說，實驗是一

33、個重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。但是 如今的很多參與遠程教育的學(xué)員，他們要么不做實驗，要么在一個規(guī)定的時間到 一個指定的地點一次性的做完所有實驗。傳統(tǒng)實驗根本不能適應(yīng)遠程教育中的實 驗教學(xué)需要，無法保證技能培養(yǎng)質(zhì)量，遠程實驗教學(xué)存在著巨大的發(fā)展障礙。虛 擬實驗技術(shù)的發(fā)展不僅為實驗教學(xué)改革提供了技術(shù)支持，還為遠程教育的實驗教 學(xué)提供了良好的方法。因此，將虛擬實驗運用于實驗教學(xué)，并用它來實現(xiàn)遠程實 3 第一

34、章引論 上海師范人學(xué)碩．1j學(xué)位論文 驗，大大緩解了實驗教學(xué)與遠程理論教學(xué)的模式匹配矛盾。 1．1．3研究可行分析 虛擬實驗應(yīng)用于教學(xué)的體系是否可行，不僅要從技術(shù)條件上進行分析，更要 從教學(xué)模式的支撐環(huán)境、師生的知識技能預(yù)備以及客觀條件來考慮。多媒體計算 機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)是實現(xiàn)虛擬實驗的基本技術(shù)條件準備。不僅如 此，種類繁多、功能各異的仿真軟件由于對使用者技術(shù)要求低，為普通教師和學(xué) 習(xí)者簡單方便的開展虛擬實驗提供了可能。

35、 現(xiàn)如今，信息技術(shù)教育在基礎(chǔ)教育中的普及以及網(wǎng)絡(luò)在生活中的普及又使學(xué) 習(xí)者幾乎都具備了隨時隨地進行虛擬實驗學(xué)習(xí)所需的基本技能。而信息化教學(xué)的 普及、網(wǎng)絡(luò)課程的大力發(fā)展不僅使人們從意識上對計算機作為輔助教學(xué)工具和交 流平臺有了深刻的認識，還可以將現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)平臺與虛擬實驗很好的相 結(jié)合，使實驗教學(xué)模式更加多樣化。 1．2研究思路 1．2．1研究內(nèi)容 1 虛擬實驗概述 從多個角度給出了虛擬實驗的定義，分析了虛擬實驗的特點以及分類，回顧 了虛擬實驗發(fā)展的歷史階段。 2 虛擬實驗的相關(guān)技術(shù)

36、背景。 比較分析幾種主流的虛擬實驗的技術(shù)，如VRML，Java等，介紹仿真軟件的 由來。 3 虛擬實驗研究現(xiàn)狀與存在的問題。 介紹國內(nèi)外一些典型的虛擬實驗系統(tǒng)，以近十年的文獻為研究樣本，分析了 虛擬實驗在我國的研究現(xiàn)狀和目前存在的問題。 4 《網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》課程分析 從教學(xué)大綱，教材，教學(xué)目標，學(xué)習(xí)者，教學(xué)環(huán)境方面來分析《網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》， 分析教學(xué)的現(xiàn)狀問題，提出解決的策略。 4

37、 第一章引論 上海師范人學(xué)碩士學(xué)位論文 5 虛擬實驗設(shè)計理念和原則。 在深入調(diào)研和情景訪談的基礎(chǔ)上，針對課程的教學(xué)現(xiàn)狀，提出虛擬實驗設(shè)計 遵循的理念和原則。 6 《網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》虛擬實驗設(shè)計 《網(wǎng)絡(luò)課程》虛擬實驗的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式以及效果評價的設(shè)計。 7 虛擬實驗教學(xué)應(yīng)用實踐。 選取典型的實驗案例在仿真軟件中進行設(shè)計和實現(xiàn)，并對虛擬實驗在實踐教 學(xué)中的應(yīng)用進行結(jié)果分析。 1．2．2研究對象 本文將虛擬實驗的設(shè)計與教學(xué)應(yīng)用對

38、象定為教育技術(shù)學(xué)專業(yè)本科《網(wǎng)絡(luò)基 礎(chǔ)》必修課。隨著網(wǎng)絡(luò)信息化普及，人們的工作、學(xué)習(xí)及生活等方方面面都與網(wǎng) 絡(luò)密不可分，與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的基礎(chǔ)知識幾乎是每個人都應(yīng)該掌握的。計算機網(wǎng)絡(luò)基 礎(chǔ)課程不僅僅是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)主干課程之一，也成為很多非計算 機專業(yè)尤其是偏理工類專業(yè)學(xué)生必須掌握的知識和技能。 本課程的教學(xué)目的是使學(xué)生掌握計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、 局域網(wǎng)以及廣域網(wǎng)等的基本原理和各種實用技術(shù)，熟悉網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 以及網(wǎng)絡(luò)基本操作，能對網(wǎng)絡(luò)資源進行合理的配置和利用，初步具備網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和

39、建設(shè)能力。教學(xué)應(yīng)突出計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論和實用技術(shù)，并介紹網(wǎng)絡(luò)的最新技術(shù) 和發(fā)展的趨勢2。 《網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》課程中概念、專有名詞、原理等理論性知識較多，而且大多依 靠老師的講述很難理解。學(xué)生必須通過一定數(shù)量網(wǎng)絡(luò)實踐訓(xùn)練，才能有效地鞏固 和加深對課程基本內(nèi)容的理解，是一門實踐性較強的課程。但是，眾所周之網(wǎng)絡(luò) 實驗設(shè)備的配置是非常昂貴的，加之網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的發(fā)展也較快，淘汰周期短，所 以現(xiàn)在很多高校為了教學(xué)需要會為計算機專業(yè)的學(xué)生配備專用的網(wǎng)絡(luò)實訓(xùn)室，即 便如此，這些實驗室也不能充分滿足需求。作為非計算機專業(yè)的學(xué)生，大多沒有 或者很

40、少有進行網(wǎng)絡(luò)配置的實踐機會。 由以上關(guān)于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)實驗地位和作用的分析可以看出，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)實驗課程在 2 http：／／dmc．shnu．edu．cn／mathscsite／doc／jyjs b ．doc 5 上海師范人學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章引論 大學(xué)生的實驗課程中具有一定的代表

41、性，在專業(yè)知識學(xué)習(xí)中占有基礎(chǔ)性的重要地 位，所以此門課程的實驗教學(xué)質(zhì)量的好壞具有相當(dāng)大的影響力?；谝陨峡紤]， 本課題以《網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》實驗課程為例，來探析虛擬實驗的設(shè)計以及其在教學(xué)中的 應(yīng)用。 1．2．3研究方法 在本課題中依據(jù)不同的研究需要，適時地運用了以下研究方法： 1 文獻分析法：從“中國知識資源總庫”中檢索與虛擬實驗有關(guān)的近十年文 獻，從文獻的發(fā)表時間和數(shù)據(jù)庫分布、研究內(nèi)容、所涉及的學(xué)科來進行虛擬實驗 研究現(xiàn)狀分析。 2 訪談法：請學(xué)習(xí)《網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》這門課程的學(xué)生敘述自己對此門課程的理解， 學(xué)習(xí)

42、中遇見過的主要困難，對實驗內(nèi)容和教學(xué)模式的改進建議等，確定能夠有效 提高學(xué)生動手能力的虛擬實驗的設(shè)計原則。數(shù)據(jù)收集的方式包括網(wǎng)絡(luò)回帖和面對 面訪談兩種。 3 課堂觀察法：在具體實施虛擬實驗教學(xué)時，本文作者作為課堂授課者和觀 察者，主要關(guān)注學(xué)生對虛擬實驗的態(tài)度，在實驗過程中遇到的問題以及如何解決 這些問題等，與問卷調(diào)查的結(jié)果作為分析的共同依據(jù)。 4 問卷調(diào)查法：依據(jù)有關(guān)文獻的研究結(jié)果，以及與樣本中隨機抽取的學(xué)生進 行交流，編制“虛擬實驗教學(xué)應(yīng)用效果問卷”。選擇上海師范大學(xué)08級教育技術(shù) 學(xué)本科78位學(xué)生作為研究樣本，探析虛擬

43、實驗在教學(xué)中的實際應(yīng)用效果。 1．2．4理論出發(fā)點 1 混合式學(xué)習(xí)理論 本文的理論出發(fā)點之一是混合式學(xué)習(xí)理論。近年來，“混合式學(xué)習(xí)"在學(xué)校 教育和企業(yè)培訓(xùn)領(lǐng)域一直是熱點話題，其實混合式學(xué)習(xí)理論在多年前就被提出 了，它討論的是將新興的媒體、工具與傳統(tǒng)的教學(xué)方式進行有效的結(jié)合，以達到 教學(xué)效果的最優(yōu)化。近年隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，各種先進的技術(shù)手段被應(yīng)用 到教學(xué)中來，對傳統(tǒng)的教學(xué)方式產(chǎn)生了很大的沖擊，多媒體、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的熱潮愈 6

44、 第一章引論 上海師范人學(xué)碩十學(xué)位論文 演愈烈，由此引發(fā)的教學(xué)改革不容忽視。十年來的信息技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中的經(jīng)驗 和教訓(xùn)，讓人們開始重新審視先進技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用，開始認識到傳統(tǒng)的教學(xué)方式 其實并不是一無是處，我們并不能完全摒棄。在教學(xué)中應(yīng)用任何先進的技術(shù)手段， 要科學(xué)客觀的分析其技術(shù)特點，將它與傳統(tǒng)教學(xué)方式有效“混合”，發(fā)揮其各自 的優(yōu)勢來取得最佳教學(xué)效果。至此，混合式學(xué)習(xí)理論再次被提出來，并有了重新 的認識。 除了關(guān)于混合式學(xué)習(xí)的教學(xué)模式的探討，混合式學(xué)習(xí)的概念

45、本身也是眾說紛 紜。有的研究者認為混合學(xué)習(xí)是面授學(xué)習(xí)與在線學(xué)習(xí)的結(jié)合：有的研究者認為混 合學(xué)習(xí)是多種教學(xué)媒體的混合；有的研究者認為混合學(xué)習(xí)是認知主義、建構(gòu)主義 等多種學(xué)習(xí)理論的混合。美國印第安納大學(xué)的柯蒂斯??邦克教授在他編著的《混 合學(xué)習(xí)手冊》中對于混合式學(xué)習(xí)給出了一個簡潔、恰當(dāng)?shù)慕缍ǎJ為混合式學(xué) 習(xí)就是面對面教學(xué)和計算機輔助在線學(xué)習(xí)的結(jié)合3。不過“混合學(xué)習(xí)’’的內(nèi)涵相 對寬泛，人們在可以靈活使用的同時，勢必也會產(chǎn)生對概念的困惑。本文探討的 混合式學(xué)習(xí)是非常多樣化的，在討論虛擬實驗在教學(xué)中的應(yīng)用時，本課題充分挖 掘虛

46、擬實驗的特點，根據(jù)學(xué)習(xí)對象、學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)情境來進行多樣混合。其中 不僅包含面對面的講授教學(xué)和在線自主學(xué)習(xí)的混合，也有“以教為主"和“以學(xué) 為主”的教學(xué)模式的混合，還有理論學(xué)習(xí)和實踐操作的混合等，期望以此不僅能 夠促進學(xué)生對基礎(chǔ)知識和技能的掌握，更重要的是對于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和合作 精神的改善。 2 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論是行為主義發(fā)展到認知主義以后的進一步發(fā)展，它主張： 世界是客觀存在的，但是對于世界的認識和理解不是靠教師來傳授的，是每個人 在一定的情景下借助他人或利用一些輔助工具和資源，以自己原有的經(jīng)

47、驗為基礎(chǔ) 來建構(gòu)的。學(xué)生的知識建構(gòu)來自個人經(jīng)驗，是一個積極主動動態(tài)適應(yīng)的過程，試 圖將新知識與自己原有的更廣泛的知識經(jīng)驗聯(lián)系起來，并進行分析批判形成屬于 自己的知識。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境包括四大要素：情景、協(xié)作、會話和意義建構(gòu)。 它強調(diào)學(xué)習(xí)的情景性、社會性和主動性4。 虛擬實驗教學(xué)應(yīng)用最重要的理論支持之一就是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論。虛擬環(huán)境 3詹澤慧，李曉華．混合學(xué)習(xí)：定義、策略、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]．現(xiàn)代教育技術(shù)．2009， 12 ． ‘李欣．虛擬現(xiàn)實及其教育應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2008．

48、 7 第一章引論 I：海師范大學(xué)碩七學(xué)位論文 下的教學(xué)充分體現(xiàn)了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境的四大屬性。學(xué)習(xí)情景的創(chuàng)設(shè)是意義建構(gòu) 的重要前提，虛擬實驗環(huán)境為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)了做實驗的“真實情景”，把學(xué)習(xí)置于 社會和物理的情境中，學(xué)習(xí)者可以在情景中體驗和了解世界，并能夠具體應(yīng)用所 學(xué)到的知識。虛擬實驗環(huán)境還為學(xué)習(xí)者提供了豐富的學(xué)習(xí)材料和知識背景，幫助

49、 學(xué)習(xí)者在意義建構(gòu)的過程中形成自己的觀點，完成對知識的理解和應(yīng)用?；诰W(wǎng) 絡(luò)環(huán)境的虛擬實驗室為協(xié)作學(xué)習(xí)和會話商討提供了很好的平臺，學(xué)習(xí)者可以借助 此平臺積極主動的進行探索和學(xué)習(xí)，建構(gòu)自己的知識。因此，虛擬實驗環(huán)境是一 個有效的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境。 1-2．5實驗設(shè)計路線 1 以教學(xué)應(yīng)用為目標 本課題關(guān)于虛擬實驗的設(shè)計以相關(guān)教學(xué)理論為指導(dǎo)，從教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，保證 了教師能方便地進行實驗的開發(fā)和維護。運用于教學(xué)的實驗操作簡單，學(xué)生不必 將時間浪費在熟悉儀器的過程中。而且這種方式構(gòu)建的虛擬實驗不僅價格低廉， 還大大節(jié)省資源

50、。 2 以仿真軟件為核心技術(shù) 各種網(wǎng)絡(luò)仿真軟件經(jīng)過實踐日漸成熟，適用程度非常高，而且有些是開放式 的，用戶可以根據(jù)自己的需要進行二次實驗開發(fā)。而且不少仿真軟件簡便易學(xué)， 提供的功能不僅都能滿足基礎(chǔ)教學(xué)的需求，還成為學(xué)生深入學(xué)習(xí)操作技能和參加 一些技能認證考試的工具。 3 以計算機為運行平臺 人們的工作、學(xué)習(xí)和生活幾乎都離不開計算機，并且隨著技術(shù)水平的不斷發(fā) 展，計算機的價格也越來越低廉，以計算機作為虛擬實驗運行平臺，使隨時隨地 進行實驗成為可能。 4 以Moodle平臺作為課程資源站點

51、 以Moodle網(wǎng)絡(luò)課程作為虛擬實驗的管理輔助平臺，是為了彌補仿真軟件不 利于實驗中的交流以及反饋評價的缺陷。網(wǎng)絡(luò)課程提供了各種如課程資源、實驗 安排、作業(yè)發(fā)布、報告上傳、交流論壇、在線測試等虛擬實驗教學(xué)服務(wù)的支持， 也是學(xué)生進行在線自主學(xué)習(xí)的平臺。 第一章引論 上海師范人學(xué)碩士學(xué)俯論文 5 虛擬實驗與真實實驗相結(jié)合 虛擬實驗解決了很多教學(xué)的問題，但始終是存在各種缺陷的，

52、比如在真實的 實驗操作中可能出現(xiàn)的各種問題就不會在仿真中出現(xiàn)了，進行虛擬實驗的學(xué)生在 接觸到真正的設(shè)備時，需要一個認知遷移的過程。所以在條件允許的情況下，可 以將兩者結(jié)合，互相補充，真正為培養(yǎng)學(xué)生的動手能力服務(wù)。 1．3本文結(jié)構(gòu) 本論文共分為六章，各章主要內(nèi)容如下： 第一章主要論述本課題的研究背景和研究思路，以及論文的總體結(jié)構(gòu)。這一 章所陳述的內(nèi)容是課題研究和論文撰寫的前提。 第二章概述虛擬實驗，探討虛擬實驗的定義、特點以及分類，回顧了虛擬實 驗發(fā)展的歷史階段以及虛擬實驗的實現(xiàn)方式。

53、 第三章介紹國內(nèi)外一些典型的虛擬實驗系統(tǒng)，以近十年的文獻為研究樣本， 分析了虛擬實驗在我國的研究現(xiàn)狀和目前存在的問題。 第四章從教學(xué)大綱，教材，教學(xué)目標，學(xué)習(xí)者，教學(xué)環(huán)境方面來分析《網(wǎng)絡(luò) 基礎(chǔ)》課程，以及教學(xué)的現(xiàn)狀問題，提出解決的策略。給出了虛擬實驗設(shè)計遵循 的理念和原則。并提出《網(wǎng)絡(luò)課程》虛擬實驗的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式以及效果評 價的設(shè)計。 第五章選取典型的實驗案例在實踐教學(xué)中的設(shè)計、實現(xiàn)和應(yīng)用進行分析。并 在實踐課堂中應(yīng)用虛擬實驗設(shè)計，進行課堂觀察和虛擬實驗教學(xué)應(yīng)用效果問卷調(diào) 查，分析調(diào)查結(jié)果。

54、 第六章對論文進行總結(jié)和展望。本文為虛擬實驗的設(shè)計以及其在課程實驗方 面的應(yīng)用做了一些有益的研究與嘗試。關(guān)于虛擬實驗教學(xué)應(yīng)用研究要從理論和技 術(shù)兩個方面進行。 9 第二章虛擬實驗概述 j：海師范大學(xué)碩土．學(xué)位論文 第二章虛擬實驗概述 本章概述虛擬實驗，給出了虛擬

55、實驗以及與其相關(guān)的概念，闡述了虛擬實驗 的主要特點及其歷史發(fā)展，分析了虛擬實驗的有關(guān)技術(shù)背景。 2．1虛擬實驗的概念和特點 2．1．1虛擬現(xiàn)實與虛擬實驗 虛擬現(xiàn)實 VirtualReality，簡稱VR 是近年來十分活躍的技術(shù)研究領(lǐng)域。 它是二十世紀末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)，它融合了計算機圖形學(xué)、 多媒體技術(shù)、人工智能、人機接口技術(shù)、傳感器技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)。虛擬現(xiàn)實 作為熱門話題，不斷被穿插在社會的各個領(lǐng)域中，甚至延伸至哲學(xué)領(lǐng)域，認為虛 擬現(xiàn)實是人類的第三種認識方式5。 關(guān)于虛擬現(xiàn)實的定義有多

56、種，在綜合廣義和狹義定義的基礎(chǔ)上，這里給出一 個比較貼切的定義：虛擬現(xiàn)實是利用計算機生成一種三維模擬環(huán)境，通過多種傳 感設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行自然交互的技 術(shù)6。用戶通過接受和響應(yīng)環(huán)境的各種感官刺激，與其中虛擬的人和對象進行思 想交流和行為交互，產(chǎn)生身臨其境的感覺。它的本質(zhì)是對人所處的自然真實環(huán)境 的空間特性和時間特性的一種擴展。從概念上講，虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有三個突出特 使參與者能沉浸于虛擬世界，并與之交互，它強調(diào)人在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的主導(dǎo)作 用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和交叉領(lǐng)域非常廣泛，目前在軍事與航空、建筑

57、、 娛樂、醫(yī)學(xué)、機器人等方面應(yīng)用占據(jù)主流，其次是教育培訓(xùn)和藝術(shù)商業(yè)方面。其 中在教育培訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用主要有虛擬校園、虛擬演示教學(xué)和實驗、遠程教育系統(tǒng)、 特殊教育、技能培訓(xùn)等。 虛擬實驗 室 Virtual Wolf教授最早提出，Wolf Laboratory，CL ，這個概念于1989年由美國William 5彭列漢．虛擬現(xiàn)實：認識的第三種形式[J]．理論月刊．2003， 2 ． ‘曾建超，俞志和．虛擬現(xiàn)實的技術(shù)及其應(yīng)用[M]．北

58、京：清華大學(xué)出版社，2004． 10 第二章虛擬實驗概述 上海師范大學(xué)碩十學(xué)位論文 教授形象的把虛擬實驗室稱為“沒有圍墻的研究中心"。虛擬實驗是指借助于圖 形圖像、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)在計算機上所營造的，可輔助、部分替代甚至全 部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境7。虛擬實驗是相對真實實驗 而言的，它沒有以實物形態(tài)存在的實驗設(shè)備與實驗對象，實驗過程主要是利用鼠 標的點擊、拖動，來添加原材料，設(shè)置實驗條

59、件，采集實驗數(shù)據(jù)，分析處理實驗 結(jié)果，從而完成整個實驗。 與傳統(tǒng)實驗方法相比，虛擬實驗可以不斷的重復(fù)，這一點是真實實驗所不能 比擬的。這種全新的實驗方法不僅可以緩解教學(xué)資源的緊張問題，還可以供學(xué)生 們在做實驗前，先預(yù)覽實驗過程，熟悉實驗原理，鞏固理論知識的掌握，提高實 驗效率，減少實驗失敗帶來的損失。更重要的是，學(xué)生們還可以隨時驗證和探索 學(xué)習(xí)過程中遇到的疑難問題，有助于自主學(xué)習(xí)的開展。 2．1．2虛擬實驗與網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗是在虛擬實驗的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的概念，它用來描述一個計算

60、機網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境，它是指在WEB中創(chuàng)建一個可視化的三維環(huán)境，其中 每一個可視化的三維物體代表一種實驗對象，用戶通過Internet訪問特定的網(wǎng) 站，然后通過鼠標的點擊、拖曳以及鍵盤的操作進行虛擬的實驗8。 在此虛擬環(huán) 境中，用戶可以按一定步驟完成實驗及相關(guān)參數(shù)選擇和設(shè)定，最終獲得實驗結(jié)果， 同時可利用網(wǎng)絡(luò)與教師和同學(xué)進行交流，真正實現(xiàn)了學(xué)生的主體性地位。虛擬實 驗環(huán)境可以針對計算機組成原理實驗、物理實驗、化學(xué)實驗、生物醫(yī)學(xué)等各個不 同的科目分別設(shè)計具體的實驗環(huán)境。計算機多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬儀器技 術(shù)的結(jié)合是網(wǎng)絡(luò)虛擬實

61、驗得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)。 2．1．3虛擬實驗的特點 虛擬實驗是信息化時代的產(chǎn)物，它提供了一個虛擬的實驗環(huán)境。對于一些缺 乏實驗條件的學(xué)生，通過網(wǎng)絡(luò)同樣能夠觀察實驗現(xiàn)象，甚至和異地的學(xué)生合作進 行實驗，大大提高實驗教學(xué)效果。與傳統(tǒng)真實實驗相比虛擬試驗具有以下特點： 91n 7謦矍．網(wǎng)上虛擬實驗的研究與教學(xué)[J]．開放教育研究．2004， 4 ． 8張暉．網(wǎng)一卜虛擬實驗若十關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．浙江大學(xué)，2002． 9宋蔚．基于虛擬現(xiàn)實的虛擬實驗研究[D]．重慶大學(xué)，2005． ”楊磊．虛擬實驗及其教學(xué)管理平臺的設(shè)計與研究[D

62、]．陜西師范大學(xué)，2006． 第二章虛擬實驗概述 ：海師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 成本低廉。虛擬實驗基于虛擬原型技術(shù)，利用虛擬現(xiàn)實在可視化方面的強 大優(yōu)勢以及可交互性，探索虛擬物體的功能。不僅大大降低了實驗的材料成本費 用，模擬一些需要高額投資的實驗，還可以節(jié)省場地和人力成本，減小了實驗損 耗，能夠反復(fù)使用。不僅如此，虛擬實驗可以做到資源共享，用戶可以共享信息、 軟件、儀器及設(shè)備等相關(guān)資源，避免重復(fù)投資。 2 省時高效。虛擬實驗使教師從大

63、量繁瑣的基于傳統(tǒng)實驗的準備、維護工作 中解放出來。它將實驗現(xiàn)象、實驗結(jié)果重點突出，使用者可以避免受傳統(tǒng)實驗不 可預(yù)知情況以及無關(guān)細節(jié)的影響，集中精力研究實驗對象本身的特性和規(guī)律。虛 擬實驗還能實現(xiàn)將緩慢過程快速化或者快速過程慢速回放，大大提高了學(xué)習(xí)和研 究效率。 3 功能齊全。虛擬實驗可以模擬那些原本無法在傳統(tǒng)真實實驗中直接觀察的 實驗，還可以實現(xiàn)一些難度大、實驗周期長的實驗。而且，虛擬實驗的數(shù)據(jù)庫里 儀器設(shè)備規(guī)格品種齊全，可以仿真世界一流的先進設(shè)備。 4 交互靈活。虛擬實驗通過人機交互，對用戶的實驗過程做出及時反饋。在

64、 用戶遇見困難時，系統(tǒng)會提供幫助，并對實驗結(jié)果進行評價，指出錯誤所在，提 示如何更正等。實現(xiàn)了教與學(xué)的雙向交流，提高使用者學(xué)習(xí)的興趣和效率。 5 用戶自主。虛擬實驗打破了傳統(tǒng)實驗的模式，用戶不僅可以隨時隨地進行 虛擬實驗，解決一些較難預(yù)習(xí)的實驗問題，還可以定制自己使用虛擬儀器的方式， 自我探索和設(shè)計新的實驗，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。 6 互助協(xié)作。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室具有良好的在線幫助和學(xué)習(xí)功能，用戶之間不 僅可以交流相關(guān)信息，在協(xié)同虛擬技術(shù)環(huán)境下，還可實現(xiàn)協(xié)同研究、合作實驗、 遠程實驗等。 7 可擴

65、展性。當(dāng)今知識更新、技術(shù)進步日新月異，虛擬實驗可以做到隨時升 級，增加新品種和更新?lián)Q代輕而易舉，讓每個用戶都能使用性能優(yōu)秀的～流儀器 設(shè)備。 12 上海師范人學(xué)碩十學(xué)位論文 第二二章虛擬實驗概述 2．2虛擬實驗的歷史發(fā)展和分類 2．2．1虛擬實驗的歷史發(fā)展階段 1 模擬實驗 模擬實驗 SimulationExperiment 是選取一個物理的或抽象的系統(tǒng)的某些 行為特征，用另一個系統(tǒng)來表示它們的過程。這個系統(tǒng)稱作模擬系統(tǒng)，

66、模擬實驗 是根據(jù)物理模型與實際系統(tǒng)間的相似性，來研究實際系統(tǒng)某些行為特征的實驗方 法¨。模擬實驗階段的特征是模擬化，即根據(jù)原有系統(tǒng)的某些特征來模擬重構(gòu)新 的系統(tǒng)進行研究。如萊特兄弟的風(fēng)洞實驗設(shè)計：飛機的空氣動力很大程度上決定 一架飛機的飛行性能，而空氣動力主要決定于飛機的外形， 在設(shè)計和研制飛機 時，首先是設(shè)計其外形。確定飛機空氣動力的實驗設(shè)計主要是風(fēng)洞，風(fēng)洞簡單來 說就是用來測試一個物體的風(fēng)阻，空氣力學(xué)等系數(shù)。風(fēng)洞實驗的基本原理是相對 性和相似性原理，根據(jù)相似性原理，可以將飛機做成幾何相似的小尺度模型，其 實驗結(jié)果可以推算出實際飛行時作用于飛機的空氣動力。 2 仿真實驗 仿真實驗 EmulationExperiment 是用另一數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，主要是用硬件 來全部或部分地模仿某一數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以至于模仿的系統(tǒng)能像被模仿的系統(tǒng)一 樣接收同樣的數(shù)據(jù)，執(zhí)行同樣的程序，獲得同樣的結(jié)果12。仿真實驗階段的特征 是數(shù)字化。隨著計算機技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，人們借助計算機分析