焊接虚拟仿真培训系统

第一篇：焊接虚拟仿真培训系统

1、焊接培训行业状况

焊接是一项对过程要求很高的工作，在现有的手工焊接生产中，采用MAG/MIG焊接的约占50%，TIG焊接约占30%，MMA焊接约占20%；如：在造船行业中，MAG约占70%，MMA约占30%；那么，这就需要焊工要有扎实的操作手法、规范的动作。而在焊接培训过程中传统方式存在以下多种问题：（1）消耗大量的焊条(丝)、焊件和保护气体等材料；（2）对学员的培训过程难以准确掌握；（3）对学员的焊接水平难以评价；（4）培训效果不尽理想；

（5）培训过程环境污染严重，有害健康；（6）培训过程安全性差。

2、项目实施目的

1）减少甚至避免焊接练习过程中强光、高温、明火及烟尘以及有毒气体的产生，全面保护教师和学员的身体健康；

2）减少或者避免焊接实训过程中对空气污染的有害气体的排放，防止对环境造成污染；

3）能够让无工作经验的学员快速、真实的投入到焊接实训中，提高培训效率，避免由于无经验操作产生的事故。同时能够让有经验的训练者有更高的训练平台，提高焊接技术；

4）节省真实焊材、工件等焊接材料以及工业用电，降低培训成本； 方便教学。

3、焊接仿真模拟器概述

电焊操作训练模拟器系统是由武汉科码软件有限公司独立自主研发的焊接虚拟仿真培训系统。该系统是基于虚拟计算机系统，是以中高度仿真的教学培训系统，能让学员在接近真实的模拟环境下进行焊接技术的训练。该系统能促进焊接技能向实际工况焊接的有效转换。与传统的焊接培训相比减少了焊材的浪费。

该设备结合了：焊工的动作、仿真焊接焙池、焊接声音及焊接手感，使用该系统的受训者能够感受到几乎真实的焊接过程。

电焊模拟实训系统是新一代环保、节能、通用型操作技能实训与评价平台。该系统采用分布式仿真实训技术、虚拟现实技术、微机测控技术、声音仿真技术及计算机图像实时生成技术。在不需要真实焊机的情况下，通过仿真主控系统、位置追踪系统，将焊接演练过程中焊枪的位置、速度和角度等进行采集处理，并实时生成虚拟焊缝。

该系统将仿真操作设备、实时3D技术及渲染引擎相结合，演练过程真实，视觉效果、操作手感与真实一致。在焊接演练的过程中，学员能够看到焊接电弧以及焊液从生成、流动到冷却的过程，同时听到相应的焊接音效。

该系统与传统的焊接技艺教学能有机的融合在一起，是实现灵活、高效、安全、节约、绿色无污染的焊接模拟培训教学与考核的最佳教学方法。

通过电焊模拟实训系统，学员不仅仅可以获得与传统实训相同的操作经验，同时通过系统内置的数据采集、智能专家辅助模块和量化考核评价系统等一系列先进独特的教学功能，配合合理明晰的焊接知识穿插讲解，使学员可以获得在传统教学实践过程中难以量化的精确焊接培训指导，大幅度提升学员在培训过程中的方向性和目的性，有效缩短学员的培训周期，降低教师的教学负担，达到以低成本、低投入实现“精教、精学、精炼”的焊接培训机制。

电焊模拟器主机效果图

电焊模拟器设备图片

4、技术基础

当操作者进行训练时，系统中的多个传感器将获得的多个焊枪实时参数反馈给计算机，计算机对数据进行处理分析，并在显示装置和音响上显示相应的焊接画面和焊接声音。焊接实训设备应具有以下技术：

1、数字图像处理、信息技术。

2、计算机图形学、传感与控制技术。

3、多种焊接操作技术、安全操作规范。

4、融多项高新技术于一体，呈现代职业教育之先进手段。

5、新型的焊接训练实训设备是一种低成本、高效率、现代化的焊接训练解决方案。

焊接模拟器技术原理图

5、视景仿真系统结构

焊接模拟器视景仿真系统结构图

各个模块应具有的功能如下：

1、数据输入模块主要负责将焊接工艺参数和焊枪运动参数状态信息传递给焊接仿真模型模块和仿真引擎模块。

2、仿真模型模块主要负责对工件、焊枪等焊接仿真环境进行静态几何建模, 完成焊缝模拟、烟、光照、火光、阴影、光照等特效3D图形渲染。

3、焊接仿真引擎是系统的核心，它主要探寻焊接工艺、焊枪运动状态参数和焊缝横截面几何参数之间的关系。

4、仿真结果输出模块包括评价系统模块和其它功能子模块。主要负责实时监测仿真状态, 输出动态仿真结果，分析、评价仿真过程数据。

5、具备培训效果可评估功能：具有实时可视的操控信息反馈、虚拟焊缝的实时检测指导、训练者操作技能的实时评估功能。

6、学员端系统功能与特点

1、性能与优势： 1）、多种焊接工艺。

本套实训设备可以模拟训练多种焊接工艺，焊条焊、气体保护焊、氩弧焊、，还可扩展直流焊、铝焊、气焊，并包含焊接共享资源库。

（1）焊条电弧焊模拟训练系统

焊条电弧焊模拟训练系统可模拟焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程的模拟系统。本系统可进行酸性焊条J422（Φ2.5、Φ3.2、Φ4.0）、碱性焊条J507（Φ2.5、Φ3.2、Φ4.0）的多种训练，并可对焊件进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多种不同位置的焊接训练。训练者在手工焊接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到了熔池成形的结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者了改进焊接手法，以达到焊条电弧焊训练效果。

（2）CO2气体保护焊模拟训练系统

CO2气体保护焊模拟训练系统可模拟以二氧化碳气体作为电弧介质，保护金属熔滴、焊接熔池和焊接区高温金属的一种熔焊模拟系统。本系统可选用药芯焊丝YJ502、YJ507、YJ507CuCr、YJ607、YJ707； 自保护焊丝：直径Φ1.0、Φ1.2、Φ1.6。并可对焊件进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多种不同位置的焊接训。训练者在手工焊接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到了熔池成形的结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者了改进焊接手法，以达到CO2气体保护焊训练效果。

（3）氩弧焊模拟训练系统

氩气体保护焊可模拟200A/mm2左右的高强度电流密度效果，焊接过程中系统可体现氩弧焊燃烧稳定、热量集中、熔滴细小、飞溅少的使用特点。并可对焊件进行多种不同位置的焊接训。训练者在手工焊接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到了熔池成形的结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者了改进焊接手法，以达到氩弧焊训练效果。

2)、三种焊枪

本套实训设备包含以下三种焊枪，与真实焊枪比例一致：焊条电弧焊枪、CO2气体保护焊枪及氩弧焊枪，操作过程中有焊条融化的缩短真实体验和焊条

自动更换功能，并能体验到操作手感。见下图：

3）多种接头（焊件）形式

本实训设备可以模拟多种焊接接头形式，对接、角接、T接接头形式以及I形、V形（单面焊双面成形）、Y形坡口类型。

系统还可模拟管对板，管对管接头的形式。还可扩展多种焊接形式。

4）、多种焊接位置

本实训设备有独立的操作台，可以在虚拟场景中灵活地调节多种焊接位置，让训练者无障碍进行平焊、立焊、横焊、仰焊等多角度焊接位置训练。示意图如下：

5）、能够真实的模拟焊接过程中的各种条件设置，引弧、焊接、收弧中的

各种手法，在焊接过程中具有自动换条功能，并能体验操作中的力量反馈感，电弧、明暗场、飞溅、焊缝、声效表现逼真。

6）、系统设置简单，虚实结合，通过真实的焊板、焊枪、示教器进行焊接训练；系统可提供完善的语音提示，焊接过程中可以通过图形及语音提示帮助学员校正操作姿势，辅助指导学员的培训过程与应用。

（1）该系统具有仿真示范教学功能，示范最佳的焊枪姿态（包括焊接速度、焊枪角度、焊枪与工件的距离和位置等）。

（2）系统可体验焊接过程中的的使用感觉，包括焊条的更换等。

（3）系统具有可观察高仿真熔池反应的模拟界面，焊接完成后可看到高仿真的焊缝成形现象。

第二篇：虚拟汽修仿真教学系统

虚拟汽修仿真教学系统

中国已成为全球汽车的第一大市场，快速发展的汽车工具为我国经济注入了一支强心剂，拉动了各个产业的发展，随着我国汽车保有量的不断攀升，另一个问题已经浮出水面——汽车维修维护。

不仅是现有的4S店，社会上的各类大大小小的汽车维修店如雨后春笋般涌现，而汽车维修维护人才却极为缺乏，近年来汽车工业和汽车技术不断发展，新能源汽车也不断普及，对汽车的维修维护提出了更高的要求。作为汽修人才培养的主力：职业院校，如何解决社会汽修人才的问题，成为了最大的教学要求。

汽车作为一个高度机电一体化的产品，内部结构非常复杂，需要全面了解汽车的结构和运行原理，才可能对维修维护有深刻的认识和技能，利用先进的IT技术，使用虚拟汽车教学培训系统，对培养汽修人才有着巨大的促进作用。

凤凰创壹虚拟汽车教学培训系统以3D互动方式直观展现汽车的基本结构和工作原理，以及虚拟拆卸与安装（每一步互动操作都有相应的语音解说或提示）。并提供3D互动 故障诊断及考核功能。本系统包含汽车机械常识、汽车文化、汽车的美容与装饰、汽车电子电工技术应用、汽车结构与拆装、汽车使用日常维护、汽车的修理、汽车 性能检测、汽车故障诊断九大模块：（1）汽车机械常识包含量缸表的使用、曲轴的测量、汽缸的测量；（2）汽车文化包含汽车驾驶的演示和汽车驾驶的实训；（3）汽车的美容与装饰章节包含的主要课程（汽车清洗、汽车护理、汽车漆膜修补、汽车车身装饰、汽车室内装饰、车身电器的装饰等）；（4）汽车电子电工技 术应用主要包含电源系统绘制与连接、启动系统绘制与连接、点火系统绘制与连接、照明系统绘制与连接；（5）汽车结构与拆装包含整车拆装，发动机拆装，发电 机拆装，发电机拆装（含工具），自动变速器原理，变速器内部展示与拆装，汽车整车展示与拆装，汽车底盘展示与拆装等（所有拆装均包括：自动拆卸，自动安 装，手动拆卸，手动安装。其中自动拆卸，自动安装是为了让学员学习整个拆装过程，手动拆卸，手动安装是为了学员练习对所学拆装步骤的熟悉度）；（6）汽车使用日常维护包含调整点火正时、交流发电机各部件的检修、启动机故障诊断与排除、前照明灯的检查与排除、电动门窗故障诊断与调整等。（7）汽车的修理包 含汽油泵拆装、分电器拆装、曲柄连杆机构拆装、活塞环更换、喷油器拆装、汽油机竣工验收、柴油机竣工验收、气缸压力的测量、变速器的拆装、前桥拆装、转向 器拆装桑塔纳主减速器拆装、东风制动阀拆装、交流发电机拆装、分电器拆装、四缸发动机拆装、以及制冷剂进行泻放、添加及抽真空等常见汽车修理内容；（8）汽车性能检测功能模块可让学员在三维互动的场景中学习动手进行制动性能检测、灯光性能检测、汽车尾气性能检测、侧滑性能检测、蓄电池性能检测、交流发电机 性能检测、启动机性能检测、点火性能检测、点火能量检测等性能检测；（9）汽车故障诊断包含机械故障，电控故障，电器故障。机械故障主要检查器件磨损间 隙，裂纹，变形，老化等故障（包括冷却系统，润滑系统，启动系统，点火系统等故障）；电控故障检查发动机控制和各个系统控制反馈信号的检测，查看各个功能 传感器的故障（防盗系统，燃油系统，排气系统，点火系统，空气供给系统等故障）；电器故障检查各个系统的电器原件故障(如雨刮喷水系统，灯光照明系统，仪 表系统，启动系统，充电系统，玻璃升降系统，电动后视镜系统等故障)。本系统还提供排除故障过程中需要用到相关仪器仪表，例如：汽车故障检测仪，示波表，千分尺，内径千分尺等三维互动模型。

在职业院校汽修专业中推广和普及虚拟汽车维修维护培训系统，是汽修教学改革的一大进步，不仅在教学方法是进行了改革，在教学内容和教学模式上都是巨大的进步和变革，对我国大力发展汽修人才有巨大的推动作用。

第三篇：煤矿安全生产虚拟仿真培训系统

煤矿安全生产虚拟仿真培训系统

产品简介

全面提高煤矿职工队伍的安全素质，增强依法自我安全保护的意识，坚持“安全第一、预防为主”的生产方针，促进全国煤矿安全生产状况的稳定好转和优化煤矿生产，北京金视和科技股份有限公司致力于VR技术在矿业领域的研发，结合煤矿领域的实际情况，并联合煤矿开发和安全生产方面的相关高校专家共同研发制成煤矿安全生产虚拟仿真培训系统。系统以煤矿职工安全生产、优化技术设计、安全技能培训和提高矿产效益作为主要目的。利用国际领先的虚拟现实和三维仿真技术开发而成。煤矿安全生产虚拟仿真培训系统紧紧围绕着煤矿安全生产，搭建了完整的、系统的、可视化的应用平台。该系统由两大部分构成，分别为理论培训和实战操作培训，提供基于虚拟现实的人机交互演练，大幅度提升学员的实际操作能力和安全防范意识。

产品特点

真实准确，知识库丰富

煤矿安全生产虚拟仿真培训系统以国家统一的煤矿培训教材《煤矿新工人岗前安全培训教材》为基础，整个系统不但客观的复原教材中的关键知识点，而且还将实际生产操作进行了深度扩展结合，从而提高了系统知识的丰富性，提高了学员对相关操作规程的理解和认识。系统内置的数据库管理模块，可以详细准确的记录所有学员的学习、训练以及考核数据，具有安全生产的规范性和准确性。三维交互

煤矿安全生产虚拟仿真培训系统以独特的三维仿真技术将煤矿井下环境完整的呈现，全新的三维仿真交互操作突破了以往传统的教学方式，让学员能够以多种视角对井下环境进行多维度的学习和认识。

立体可视化

煤矿安全生产虚拟仿真培训系统以国际先进的三维仿真技术为基础平台，搭载定制化开发的立体显示设备，让用户佩戴液晶快门立体眼镜即可在任意环境下呈现井下立体画面。立体显示设备坚固稳定，精致便携，且不受场地限制即可沉浸式体验立体画面。自由操作，煤矿安全生产虚拟仿真培训系统包含两种学习模式：顺序模式和自由模式。分别为初级学习和强化训练提供人性化的学习方式。顺序模式可以根据煤矿安全生产的工序流程进行逐步学习，在每项工序开始前会弹出提示框，提示下一步应该执行哪项任务，这样可以帮助学员快速了解相关开采及预防的流程。自由模式可按照学员自身需求，有针对性的对某项任务进行深入学习，而不需要每次都从新开始学习整个工序流程。

在线式多人协同

煤矿安全生产虚拟仿真培训系统支持多人在线式协同作业，学员通过学习了解井下相关任务流程后，可同时在线扮演各个工种的角色，通过班长的指挥或工序流程完成各自任务。在没有下井之前便可以在虚拟的环境中进行开采训练，积累井下开采经验，提前发现问题并及时解决，有效的防止因人为因素引发的矿难事故。

第四篇：水电厂仿真培训系统

FS系列华胜水电厂仿真培训系统

FS系列华胜水电站仿真系统

  产品标准： DL/T 1024-2006 试验标准： DL/T 1040-2007《电网运行准则》 ◆概述

水电站仿真系统是电气值班员职业技能鉴定实操项目的规定软件，也是电气类专业课程和实训项目的重要教学软件。华胜FS系列水电站仿真软件符合 DL/T 1024-2006《水力发电厂仿真机技术规范》，完全可以仿真实现水电站值班员工作职责,即巡视和监视电站所有电气设备，电气设备的倒闸操作，电站各种事故、不正常工作状态的处理。

◆ 华胜FS水电站仿真系统内容

一、水轮机系统

1.最低水头和最高水头之间任一水头均能仿真；

2.引水系统：引水管道、闸门、液压启闭机控系统；

3.水轮机：混流式水轮机或其它类型水轮机；

4.调速系统：调速器机调控制系统、调速器电调控制系统、压油装置系统、分段关闭、漏油泵控制系统、过速限制器及接力器；

5.水导轴承冷却系统：轴承瓦温、、水压、油温、油位、冷却油盆中油混水监控部分；

6.顶盖排水系统: 顶盖排水控制系统；

二、发电机系统

1.制动系统：2号发电机制动混合制动、机械制动控制系统;4号发电机制动方式为混合制动、电制动、机械制动控制系统；

2.推力、上导轴承冷却系统：轴承瓦温、、水压、油温、油位、冷却油盆中油混水监控部分；

3.顶转子操作系统：手动操作顶转子操作系统；

三、励磁系统

发电机励磁系统励采用自并激励磁方式，包含励磁变、可控硅整流装置、自动励磁调节装置、发电机转子灭磁装置、起励设备等部分组成，四、主变压器

主变系统包括主变压器本体、主变压器冷却系统、主变冷却系统控制系统、主变中性点等设备。

五、开关站

开关站系统设备包括110KV开关站、220KV开关一次系统接线图，各线路开关、刀闸、母线及配电装置实际布局图，各线路开关和隔离刀闸、PT隔离开关控制箱。

六、量测系统

用于表计和保护的电流、电压量测回路，包括电压互感器、电流互感器；

七、同期系统

同期系统包括手动同期和自动准同期回路;

八、厂用电系统

厂用电变压器、厂用母线及其附属设备，厂用电开关控制盘及仪表、厂用变低压侧负荷开关，厂用电的备自投系统；

九、直流系统

直流系统包含：蓄电池、直流母线、直流联络屏、可控硅充电设备、直流负荷屏、直流屏上仪表、负荷开关；

十、继电保护、自动装置和中央信号系统

1.发电机、变压器、线路、开关、母线、切机、厂用电交流系统中的继电保护和自动装置，保护和自动装置的种类、型号、数量按原始资料中的保护配置，自动装置包括备用电源自动投入、自动重合闸、自动同期、自动启动／停机装置。

2.中央信号系统：包括所属光字、简报信息、报警等。

十一、机组辅助系统

1.风系统

风系统由高压风系统、低压风系统。风系统设备主要由高低压空气压缩机、高低压机控制柜，高压储气罐、工业用气储气罐，制动用气储气罐、制动风闸、调相补齐、空气围带布局图及控制系统。

2.技术供水系统

技术供水系统由取水口、各电动阀门，水过滤器，减压阀、各部冷却器，示流器、压力表计、电动阀控制柜，过滤器控制柜设备布局及控制系统。各部水压在监控棒图中按比例表示出来，水压过高、过低时棒图的颜色相应的发生变化，具备实时监视功能。

3.排水系统

排水系统概况：排水系统由渗漏水泵，检修水泵，渗漏集水井，检修集水井，排水阀门，厂区排水和机组顶盖排水泵设备布局及控制系统。

◆ 华胜FS变电站仿真系统的优势

☆ 历史悠久：20年电力系统仿真技术研究、开发。

☆ 经验丰富：已成功仿真300MW、600MW火电机组，500kV变电站综合自动化系统。正在开发1000MW超超临界火电机组和1000kV特高压变电站仿真软件。

☆ 技术先进：具有自主知识产权的电力系统仿真开发平台，维护方便、系统稳定、持续开发。

☆ 专业专职：专业的计算机仿真专家和电气工程专家，专职的仿真培训教师。

☆ 培训经验：已培训国内、国外（巴基斯坦、印尼等）发电厂、变电站技术人员和大专院校师生上万人。

☆ 权威鉴定：参与国家职业资格技能鉴定变电站值班员中级工、高级工、技师和高级技师试题库的编制和国家标准《变电站仿真机技术规范 DL/T 1024-2006》的起草工作。☆ 系列产品：500kV及以下电压综自站和普通站，包括：500kV变电站仿真系统（软件），220kV变电站仿真系统（软件），110kV变电站仿真系统（软件），35kV变电站仿真系统（软件），各类型水电站仿真系统。

◆ 华胜FS变电站仿真系统的特点和意义

☆ 对电脑配置要求低，软件容量小（约300MB），运行速度快；

☆ 设置几百种故障和不正常工作状态，涵盖电站值班员职业技能鉴定的考试范围； ☆ 全中文界面提示，易学易用；

☆ 基于典型的电站，可根据用户的要求适当修改仿真系统； ☆ 局域网连接，可集中或分散培训，一机在手，随时学习； ☆ 降低培训费用，一次性投入，反复培训，无需维护、管理人员； ☆ 实用性强，适合不同层次电运行人员的培训；

☆ 提高电气运行人员的技术水平和电站值班员职业技能鉴定考试能力，培养电站运行人员快速准确的判断和处理异常事故的能力，避免电站各种事故特别是人为原因误操作事故的发生。

◆ 产品别称

水电站仿真软件，水电站仿真培训软件，电力系统仿真软件，水电站仿真机，水电厂仿真软件，水电厂仿真培训软件

第五篇：基于虚拟仿真实验系统的自主学习研究

基于虚拟仿真实验系统的自主学习研究

摘 要：虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物[1]。为了研究基于虚拟仿真实验教学系统进行自主学习的过程和效果，文章基于北京邮电大学电子信息虚拟仿真实验教学中心的虚拟仿真实验教学平台，以《集成运算放大器的基本应用―低通滤波器》实验为例，归纳没有模拟电路基础的学习者通过自主学习完成虚拟仿真电路实验的过程，并采用调查问卷的方式收集学习者的学习效果。实验结果表明，虚拟实验可以让学习者获得相关的电路知识，虚拟仿真实验平台可以作为学习者自主学习的工具，并且在自主学习的过程中提高了学习者的学习兴趣和发现问题解决问题的能力，培养了学习者的探索精神。

关键词：自主学习；虚拟仿真实验系统；模拟电路；学习效果

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2018）06-0093-04

在现代教育中，实验教学占有越来越重要的地位，为了培养学生的实际动手能力和观察能力，很多课程往往需要学生进行大量的实验，而且许多实验需要多协同操作才能完成。但现实中许多问题在真实环境下实验具有不可见性、危险性或需要昂贵的实验设备，成为制约教学质量提高的重要因素。虚拟仿真实验是解决此问题的有效方案[2]。

虚拟实验教学平台不仅可以解决上述问题，而且对于提高学习者的学习兴趣，激发学习者的学习动机有很大的帮助。在利用虚拟仿真实验平台进行自主学习的过程中，完全是以学习者为中心，学生可以自主调节学习的时间、地点、顺序以及学习的进度，鼓励学生的自主学习、协作学习，有利于学习者的主动建构，符合建构主义的教育观和?W习观，具有较高的理论意义和实践价值[3]。自主学习虚拟实验还有利于培养学习者的探索精神和实践能力。学习者在自主学习虚拟仿真实验的过程中，也提高了遇到问题解决问题的能力，并且确实获得了实验的相关知识。将虚拟仿真实验引入教学有利于推进高等学校实验教学信息化建设和实验教学的改革与发展。

一、研究现状及不足

1.虚拟实验室建设现状

虚拟仿真实验室受到了各国高校的普遍关注，我国教育部从2013年起开展了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，截止2015年共评审出300个国家级虚拟仿真实验教学中心。科技部2010年将《虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范》作为“十一五”国家支撑计划重点项目开展研究，清华大学、北京大学、上海交通大学、北京邮电大学、华南理工大学等高校已陆续在网上提供了虚拟实验服务。在国际上有芝加哥伊利诺伊大学的数字化有机化学实验室，卡罗莱纳州立大学利用Java技术建设基于Web的探索式虚拟物理实验室，密歇根大学为操作系统和高级语言课程建设了虚拟网上系统实验室等。

2.国内研究现状及启示

虚拟仿真实验与实验教学的结合方式主要有两种，一种是先实验教学后虚拟实验，这里虚拟实验主要是用于巩固知识，完善知识结构，提高学生的动手实践能力。这也属于先理论后实验的教学方式，李旭锋在《“先实验后理论”化学教学方法探析》[4]中提出“先理论后实验”的教学方法会抑制学生在实验中发现问题的积极性和探索创新的主动性。另一种是先虚拟实验后实验教学，这里虚拟实验主要是来达到预习实验的目的，有利于教学更加顺利地进行，如蔺智挺在《基于虚拟仿真实验的模拟集成电路实验教学》[5]一文中，以模拟集成电路实验教学为例，介绍了安徽大学基于虚拟仿真实验进行实验教学改革的做法和效果，利用虚拟仿真实验中心，缓解了课时的矛盾，较好地达到了预习实验的目的，拓展了实验的内容，对实验教学改革的深化产生了积极而深远的影响。

虚拟仿真实验可以作为学生自主学习的资源，培养学生的自主性、探究性学习能力。如潘雪涛、邬华芝等在《创新虚拟实验教学模式 培养自主学习能力》[6]一文中提出“三三三”教学理论新模式，其中虚拟实验室在课前应用，激发学习者兴趣，进行自主预习；在课中应用，主要用于教学互动，提高效率；在课后应用，用于自主复习，自主训练。多年的实践证明，教学改革成果显著，教学效果明显，学生的自主学习能力和实践创新能力不断提高。赵琪、孙红等在《基础医学虚拟仿真实验教学平台构建研究》[7]中，提出开放式网络化基础医学虚拟仿真实验平台丰富了实验教学内容和手段，逐渐成为学生自主学习、自助学习的重要场所和学习方式，能够突出探究、实践和创新，提高学生自主学习和探究性学习能力。

3.当前研究的不足之处

通过以上文献分析可以看出，广大研究者对开发出的虚拟实验系统在教学中的应用情况不太关注，对虚拟实验系统应用于教学的过程设计与效果分析、虚拟实验系统开发评价等方面的研究不多，尤其是关于学生对虚拟实验系统学习体验的调查和从学生视角对使用虚拟实验系统进行学习的评价很少。实际上，这方面的研究，对于检查所开发平台的有效性、实用性有很重要的意义[8]。

已有研究大多关注利用虚拟实验进行教学改革或者虚拟实验平台建设，目前尚未有研究者进行虚拟实验的自主学习过程以及学习效果验证的研究，而基于没有模拟电路知识基础的学习者的自主学习更能反映出虚拟实验平台对于知识掌握和实践能力提高的效果。因此笔者基于北京邮电大学自主研发的电子信息虚拟仿真实验教学中心，以未学习过《模拟电路》相关课程的学习者为研究对象，对学习者的学习过程、学习积极性、学习效果进行研究。

二、研究方法及过程

1.研究目的

本研究旨在通过对没有模拟电路知识基础的学生进行虚拟仿真实验的自主学习过程和效果的调查研究，来分析通过自主学习虚拟仿真实验，学生是否可以获得相关的电路知识；学生在学习过程中积极性和注意力的集中程度如何，发现问题解决问题的能力是否有所提高，以及实验平台的易用性等问题，通过此次调查，了解虚拟仿真实验是否可以作为学生自主学习的工具。

2.研究对象

本次调查问卷以40名研究生为例。在样本的选取上，本次调查对象为没有学过《模拟电路》相关课程、没有做过任何一个模拟电路实验的学习者，这样更能体现出自主学习虚拟仿真实验的效果；本研究所用的实验平台是由北京润尼尔网络科技有限公司研发、北京邮电大学电子信息虚拟仿真实验教学中心运营的。实验课程类属《模拟电路》，实验名称：《集成运算放大器的基本应用―低通滤波器》，学习方式：自主学习。

3.研究工具

本次研究采用的工具为一份问卷调查表，在填写完问卷之后采用访谈的方法来获取被试者的主观感受。

（1）问卷调查

本问卷的题目包括三个部分：第一个部分是第1题，是关于研究对象的个人信息，是否做过任何一个模拟电路的实验。若做过，则被视为无效问卷；第二个部分是2～6题，从做实验的积极性和注意力的集中性（问题2～3），遇到问题的解决办法（问题4～6）三个方面来了解学生做实验的过程。第三部分是7～9题，分别从实验的原理（问题7）、器材的种类（问题8）、器材的作用（问题9）、学习虚拟实验的基本步骤（问题10）、虚拟实验对学习的帮助程度（问题11）四个方面来调查学习效果以及虚拟实验对自主学习的有用性。

实验在2017年6月份进行，每个学生自主学习虚拟仿真实验的时间不限制，可以使用互联网进行信息的查询，学习过程没有硬性要求，学习顺序自主安排。调查问卷安排在做完实验之后，其中问卷的第10题是关于学习者对学习虚拟仿真实验的步骤排序。将学习虚拟仿真实验的过程进行精简和编码：①进入虚拟实验界面，浏览实验内容；②打开各个仪器的开关；③根据网络实物图连接完整的电路图；④寻求场外人员帮助；⑤调节各个仪器的量程；⑥根据实验原理图连接实物图的基本部分。分析学习者的排序，得出学习过程的活动图如图1所示。

进入虚拟实验界面，浏览实验目的、实验器材、实验原理、实验报告以及实验操作平台。通过实验原理可得知：滤波电路的基本功能是滤除（抑制）某一频率段的输入信号。低通滤波器抑制的是高频段的信号，通过低频段的信号，当信号和噪声在不同的频带时，可以实现信号分离，滤除噪声。

通过参照实验原理图和百度的完整实物图在虚拟实验台上进行电路连接。在实验过程中遇到不认识的器材，通过双击实验器材来获得器材的属性以及帮助信息，遇到不太懂的地方则通过网络搜索或者寻求他人的帮助，原理图中的三角形器件为运算放大器，有八个引脚，有放大信号的功能；信号发生器发出信号，通过泰克示波器来展示波形。

当完成电路的物理连接后，打开和调节各个仪器设备。但是波形并没有显示出来，然后通过检查自己的电路图是否连接正确来进行排错处理，查完之后还没有出现波形，请其他人员帮助，通过调节泰克示波器的量程来显示出波形，实验成功。实验台如图2所示。

在整个实验进行的过程中发现，认知虚拟实验平台只需要三分钟左右，实验平台简单易用，查询信息方式很多，有获取实验帮助、获取智能指导、获取器材信息等等，实验过程中，学生一直都保持很高的积极性，注意力很集中，遇到问题时，能够积极主动的寻找问题的来源，主动寻求帮助，提高了发现问题和解决问题的能力。

（2）访谈

填写完问卷，笔者对于调查对象关于做虚拟实验的主观感受以及填写问卷的认真程度进行访谈。经访谈发现，学习者表示不用去实验室就能把实验做出来，很方便快捷，学习者在学习过程中充满了好奇心，尤其是当波形调出来之后，觉得很神奇，自主学习的结果能够实时的被观察到，能够激励学习者进一步学习，并且所有的被试者都认真完成实验和问卷，没有无效问卷。

4.资料处理与分析

本研究共回收实验问卷40份，其中第一题的选项均为B，即在本次实验之前没有做过虚拟实验，因此问卷全部为有效问卷。

问卷首先调查了学习者在进行实验时的注意力保持情况，和学习者在使用虚拟实验平台时的态度，笔者将注意力的五级进行编码，在SPSS（“统计产品与服务解决方案”软件，用于统计分析）中将选项依次赋值，A为4分，B为3分，C为2分，D为1分，E为0分，统计结果显示，被试学习者的注意力平均水平为2.9分，说明虚拟实验教学系统可以使学习者的注意力保持在中等偏上水平。

相关研究表明，根据认知负荷理论，当使用虚拟实验室进行虚拟实验时，学习者往往需要先掌握相关的知识与技能，比如了解虚拟实验系统的操作规范和技术流程等，虽然这些知识和技能可能跟当前学习任务没有必然联系，但其实无形中增加了学习者的认知负荷[9]。本组下的另一个研究主题是关于学习者的学习积极性，通过图3可以看出，被试对象的积极性保持在较高水平，所有的学习者都选择了“积极”或“非常积极”。本主题的研究结果表明，与传统实验教学方式相比，学习者的认知负荷反而降低了。

虚拟实验过程中，学生可以随时登录网站进行各种实验，操作实验设备，不受时间和空间的限制；学生在实验中自主发现并解决问题，有利于培养在实际操作中分析和解决问题的能力，可以有效提高学生的动手能力[10]。本部分问卷题目设置的目的是探索学习者在自主学习、实验过程中解决问题的途径选择。

由图

4、图5可以看出，当学习者在自主学习过程中遇到问题时，最常用的办法是查看实验平台中的实验帮助。此结果说明，在未来的虚拟实验平台或者其他在线学习的平台建设过程中，需要提供尽可能详细、准确的平台帮助或说明。询问他人，说明自主学习的过程常常与学习者的社会网络相关。

本??卷的7至9题分别从实验的原理（问题7）、器材的种类（问题8）、器材的作用（问题9）检验了虚拟实验平台的教学效果，其中问题7、8的正答率为100%，问题9正答率为97.5%，只有一位同学答错，说明没有模拟电路基础的学习者经过虚拟实验平台的操作和学习，可以对模拟电路的基础知识达到很好的掌握程度，验证了虚拟实验教学平台的实际教学效果。

图6显示了被调查者在试验后对于虚拟实验平台的主观评价，如图6可知90%的学习者认为虚拟实验平台对于掌握低通滤波器的知识和技能有帮助，验证了笔者在上文中提出的假设，实验证明，虚拟仿真实验确实可以作为学生自主学习的工具。

三、研究结论

虚拟仿真实验能够提高学习者的兴趣，可以作为自主学习的工具。在完成虚拟仿真实验的过程中，学习者被深深吸引，能够保持极高的注意力，学习效率极高。学习者在自主学习虚拟实验的过程中能够主动的发现问题并解决问题，提高了学习者的动手实践能力。没有模拟电路基础的学习者通过虚拟实验可以获得相关的电路知识，学习效果良好。虚拟实验室降低了实验教学的成本，解决了传统实验室受时间、地点限制的问题，虚拟实验简单方便，虚拟仪器具有灵敏性与高效性。开展虚拟仿真实验教学可以延伸实验教学时间和空间，提升实验教学质量和水平。在今后的教学实践中，我们要发挥虚拟实验的优势，使之能够与传统的实验教学密切融合。课堂教学、虚拟实验和实验室教学深度融合是现代实验教学的发展模式，能够培养学生的自主学习能力、动手实践能力以及发现问题和解决问题的能力。

参考文献：

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