数字化实验系统在实验教学中的应用*

盛 力 沈 洪 刘 涛 徐竟成

同济大学 上海 200092

数字化实验系统在实验教学中的应用*

盛 力 沈 洪 刘 涛 徐竟成

同济大学 上海 200092

实现实验教学的信息化对培养学生的实践动手能力、激发学生的学习兴趣、提高综合素质和培养创新思维起着重要作用。数字仿真实验系统和数字化真实实验系统作为实验教学信息化建设的重要内容，应优势互补，共同在实验教学中发挥作用。

实验教学；数字化；仿真实验；在线监测

实验教学是高校教学工作的重要组成部分，在培养应用型、创新型人才方面发挥着十分重要的作用。实验教学的作用不仅仅是为了配合课堂理论知识的学习，更重要的是培养学生的实验设计能力，创新能力，科学探索能力以及与他人合作的能力。

教育手段的信息化是现代教育技术发展的重要内容，是实现教育现代化的具体途径和主要标志，以教育信息化带动教育现代化是教育改革和发展的大势所趋。实现实验教学的信息化不仅成为信息技术与课程整合、教育手段现代化的一个突破口，而且对培养学生的实践动手能力、激发学生的学习兴趣、提高综合素质和培养创新思维起着重要作用。

一、数字化虚拟实验教学系统的形式、功能及特点

与理论课程教学时数相比，实验教学课时较少，且由于实验条件、场所、仪器的限制，实验课程内容开设有限、复习和巩固教学环节缺失，严重制约了实验课程教学目标的实现。微型计算机的普及和校园网建设的日益成熟为实验教学方法的改进和内容的革新提供了条件。

1.数字化虚拟实验教学系统的形式和功能

要实现数字化实验教学系统的应用首先须进行数字化教学资源建设，开发多媒体实验教学课件，实现实验过程的数字模拟。通过收集实验设备的数字信息，将多媒体资源制作成实验教学数字资源，表现特定的实验教学内容，借助Flash动画软件，整合声音、图像、文字等多种媒体资源。通过多种媒体表现形式，呈现实验大纲、实验原理、实验目的与要求、实验设备、实验演示课件、实验示范录像等信息。学生不仅可以观看实验模拟过程，还可以动手操作课件。通过不同操作参数的变化，在动画及声像软件中产生不同结果的信息反馈，通过学生与教学资源的互动，使学生对实验信息有更深刻地理解和认识。

数字化仿真实验系统为教学内容与学生实现网络互动提供了基础。由网络平台提供浏览、查询、测试、交互等功能，实现实验的网上预习、实验报告的网上提交。学生在实验开始前利用网络学习实验课件，实验结束后将实验报告上传给教师，实验中遇到的问题，在网上与教师和同学进行交流获取帮助。教师在网络平台上发布实验通知和实验要求，上传实验教学资源，对学生进行答疑。

2.数字仿真实验教学系统的优点及局限

(1)仿真实验教学系统的优越性

针对真实实验的缺欠，虚拟仿真实验项目建设是目前实验教学发展的热点之一。与传统真实实验相比，仿真实验具有一些显著的优越性。

①仿真实验突破了现实教学条件对实验内容在时间与空间上的制约。在显示实验教学中，一些实验设备由于价格昂贵、操作复杂、操作条件苛刻或其他一些原因，难以让学生在实验室中完成。还有一些项目实验周期长、测试项目反复，不适宜于安排在实验教学课堂上完成。而数字仿真实验平台是一个开放的实验平台，师生可以不受时间空间的限制，在虚拟的环境条件下，自由地操作选定的实验项目。对于在实际操作中容易出现错误、发生危险的实验项目更是可以放下包袱，反复操作、练习。

②虚拟环境下的仿真实验节省了大量经费和资源。实验室的建设维护、仪器设备的采购保养以及实验教学运行管理都需要很多费用，仿真实验使这些费用都大幅度降低，而且可以创造更好的实验条件和更多的实验机会。另外，学生开展设计性、综合性实验时，可以先进行模拟仿真实验，在得到最优方案后再进行实际实验，可以有效地避免盲目性错误，提高实验的成功率。

③数字仿真实验还能够有效促进学生创新意识和创新能力的培养。学生可以在虚拟环境下开展综合性实验和创新性实验，彻底摆脱现实实验条件的约束，在更深、更广的知识领域内探索。利用网络实验环境，可以发挥实验者的想象力，去实现自己的设计，而不受器材、仪表等的限制，为学生创造力的发挥提供广阔的空间。

④网络化仿真实验能够充分体现学习内容的开放性和资源共享性。仿真实验内容具有高度的可获得性，更广泛专业范围内、不同高校的学生都可以进入实验系统，实验者不再受时间、空间上的制约，而教师可以共享教学信息资源，促进相互交流，节省教学资源和快速反馈教学问题，发挥优质教学资源的辐射作用。

(2)仿真实验教学的局限性

仿真实验在实验、实习、实训等方面具有明显的优越性，值得大力推广，但同时其在某些方面的应用也存在不足之处。

例如在水处理工艺实验教学中，工艺实验处理效果受各项水质参数和运行操作参数的影响，每个参数对处理后水质参数的影响程度和趋势各有不同，处理后水质各项参数变化由于受不同机理的控制也存在很大的差异。各工艺参数协同作用对处理后水质参数影响的数学模型极其复杂，学术界至今没有形成成熟的、被广泛接受的模型理论。因此，在仿真实验中，大部分的实验参数被确定，每个实验只能限定1～2个工艺参数作为可调整的实验参数、演示处理过程中及处理后水质的1～2项水质参数的变化。学生在实验过程中只能观察到单一参数对实验结果中单一数据的影响，不能综合分析讨论工艺过程中的多项重要机理，难以对工艺过程产生全面、立体、多维度的认识，使实验教学效果大打折扣。仿真实验的这种局限性难以在短期内有所突破，需要新的实验教学形式作为有效补充。

二、在线监测实验系统的作用

一些水处理工艺实验运行周期较长，水在处理构筑物中停留时间最短也要几个小时，生物处理工艺甚至达到几十个小时以上，也就是说运行参数或水质参数发生变化需几个小时甚至几十个小时才能显现出后续效果的改变。实验周期过长，不适宜于在实验课上进行。另外实验取样次数频繁、水样检测分析工作量庞大，分析过程中产生操作误差的几率高，难以有效保障实验教学质量。而一些典型工艺的实验教学对学生深入理解和掌握学习到的理论知识具有重要意义，须寻求适当方式开展典型工艺的实验教学。在线仪表与计算机相结合应用在实验教学中是克服实验周期及检测分析问题的有效途径，同时对于一些仿真技术无法模拟的实验项目也能够提供适宜的操作条件。

以一个污水生物处理工艺实验为例，将在线监测有机物、氮、磷含量等水质参数以及流量、液位等操作参数的传感器安装在处理工艺构筑物模型的适当位置，水质及操作条件模拟信号传入探头控制器，将模拟信号转换成数字信号，与计算机进行通讯，工业控制组态软件将分析数据经过处理存储起来备查。组态软件可以适当发挥控制功能，调节阀门、水泵、计量泵、鼓风机等执行机构的控制参数。让学生通过对存储的数据做数学处理进行动力学计算和反应机理分析，根据水质参数和运行参数数据结果优化工艺运行条件。系统具有一些有利于提高教学效果的独特属性。

1.数据记录和存储功能

在线记录、保存实验信息是在线监测实验教学系统的基本性能。记录数据量大，不仅可减小学生自行检测和记录可能造成的取样和分析误差，而且由于数据丰富，便于师生从多方面对实验数据进行分析，充分认识和理解实验的教学内容。

2.对实验过程的指导和规范

在实验指导、教学内容信息传递方面具有与数字仿真实验系统相同的功能，同时在操作上实时提示学生应如何操作，随着操作阶段的不同，指出操作要点和注意事项。限制操作参数在合理范围内，当学生操作失误时能够即时发出警示，并拒绝执行操作，保障仪器设备不会由于误操作而造成损坏。

3.优良的综合性、设计性实验和创新实验平台

在线监测的模型实验系统具有完备的数据采集功能和最接近实际工艺运行状况的实验操作过程，能够进行复杂、多样的实验，为综合性、设计性实验提供完备的物质基础。最接近真实状况的实验条件和实验内容的丰富性使学生在发现问题、解决问题、开发想象力、发挥创造性方面拥有极大的空间，为创新实验提供广阔的舞台。

4.教学资源利用最大化

实验操作条件、实验结果的数字化为在线监测实验系统网络化打下基础。学生可以利用校园网对实验模型设备现场进行远端操作控制、实时下载实验数据并与指导教师进行交流，使学生不致在漫长的实验周期中全部时间被实验操作和取样分析所占用，同时大量的实验数据可以由所有学生共同分享，各取所需，让实验数据发挥最大的作用。

一些在线仪表比较昂贵，整个在线监测实验系统造价较高，一套系统不能只供少数学生使用。将在线监测实验系统与网络连接，让更多的学生和教师分享实验数据，使其体现最大价值。

三、结束语

信息化是实验教学发展的重要方向，数字仿真实验系统和数字化真实实验系统作为实验教学信息化建设的重要内容，应优势互补，共同在实验教学中发挥作用。

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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。

*本文系同济大学教改项目(项目编号：0400104071)。