基于网络的土工虚拟仿真试验室开发

摘要：土工虚拟仿真试验室应用于继续教育网络教学，突破了时空限制，节约了现实教学资源，弥补了实践教学条件的不足，大大提高了实践教学的效果。文章以选择土工试验作为研究对象，通过利用目前比较成熟的WEB技术、多媒体技术、虚拟仿真技术构建了一个基于网络的土工虚拟仿真试验室，实现了试验相关知识的辅助学习、试验过程的模拟仿真操作、试验记录表的提交、试验后的教师批改评语、学生查看成绩等网络化的虚拟试验教学和管理功能。

关键词：土工虚拟仿真实验室;继续教育;实践教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）20-0224-03

虚拟现实技术发展迅速，在大众化教育及军事、医学、航空等的教育方面都得到了广泛应用。自从1989年，美国费吉尼亚大学（University of Virginia）的William wolf教授提出虚拟实验室（Virtual laboratory）概念以来，虚拟实验室的研究在发达国家十分普遍[1]。美国北卡罗来那大学的LAAP物理试验室和Howard Hughes医学院开发的Biointeractive系列软件[2]。国内对网络虚拟仿真试验室的研究虽然起步比较晚，但是也出现了一些非常优秀的虚拟仿真试验室。如：中科院上海有机化学研究所虚拟化学试验室Chemlab套装软件、大连理工大学analab的化学虚拟试验室系列、中国科技大学的大学物理仿真试验、中学电路虚拟实验室、生物虚拟实验室、南京大学物理实验室[3]。文章选择土工试验作为研究对象，通过利用目前比较成熟的WEB技术、多媒体技术、虚拟仿真技术构建一个基于网络的土工虚拟仿真试验室，实现了试验相关知识的辅助学习、试验过程的模拟仿真操作、试验记录表的提交、试验后的教师批改评语、学生查看成绩等网络化的虚拟试验教学和管理功能。

一、土工虚拟仿真试验室的系统设计

土工虚拟仿真试验室的系统设计包括试验室平台搭建和虚拟仿真试验开发。

1.土工虚拟仿真试验室平台搭建。平台采用的是基于Web的B/S架构，客户机上只要用一个浏览器（Internet Explore、Firefox、Chrome）就可以了。该模式最大的优点在于，用户可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件，只要有一台能上网的电脑就能使用。服务器端采用PHP+MYSQL技术，在浏览器端采用Ext 2.0javascript库进行开发，使用ajax技术使浏览器端与服务器端通信。

搭建由学生、教师、管理员三界面组成的网络试验平台，包含试验演示系统、试验仿真操作系统、试验结果记录系统、试验结果评阅系统、成绩反馈系统、后台管理系统等，如图1所示。

2.虚拟仿真试验开发。开发11个高交互、高仿真的土工虚拟仿真试验：土的含水率试验（烘干法）、土的密度试验（环刀法）、土的比重试验（比重瓶法）、击实试验、颗粒分析试验（筛析法）、颗粒分析试验（密度计法）、直接剪切试验（快剪法）、土的压缩试验、变水头渗透试验、浅层平板载荷试验、十字板剪切试验。

试验系统采用Flash作为开发工具。开发出和实体仪器形似并具备其对应实体的所有特性或功能的虚拟仪器;具备真实土样一切物理性质的虚拟土样。试验的仿真模拟操作：学习者可以自主选择仪器和土样，在虚拟界面上进行试验，如图2、图3和图4。

二、土工虚拟仿真试验室的过程设计

在传统课程以及真实试验教学中，教师都会按照一定的教学过程来实施教学活动，在虚拟仿真试验系统中，为学习者的学习活动设计了以下几个部分。

1.用户登录。在虚拟试验室中，学习者必须是通过用户界面与虚拟试验进行交互。构建了和谐友好、方便操作、逼近物理原型的试验环境。如图5～图9。

2.试验过程模拟。虚拟试验过程模拟与仿真阶段，学习者通过鼠标选择工具栏的工具和土样，拖曳到试验操作界面中，按照自己的步骤进行虚拟仿真试验，虚拟仪器会显示出试验数据。将试验数据记录在试验记录表中，并处理试验数据，得出试验结果。提交试验记录表。试验过程中不设置错误提醒，即使过程错误虚拟试验也能进行下去，如操作者发现操作试验过程错误，可重新操作。这种过程模拟更接近真实操作过程，学生不是被牵着鼻子。进行探究式学习，有助于提高学生的自主学习能力，发现问题、解决问题的能力。

3.试验评价。教师登录到虚拟试验室中，可以查看学生提交的试验报表，给出分数和评语。学生在我的成绩中可以看见成绩和评语。通过虚拟试验，学习者可以分析虚拟试验的进程、描述自己的感觉和反应，以判断自己对概念的掌握程度以及分析问题、解决问题能力的提高程度。同时，把虚拟情境与真实世界相比较，把虚拟试验和实际应用相联系，使得学习者在虚拟试验中掌握的概念和解决问题的方法迁移到真实试验环境之中。

三、结论

1.突破了空间和时间的限制，实现了继续教育实践教学的开放性。对于在职在岗的绝大部分继续教育学生而言，相对集中安排进行的试验实训直接与他们的工作时间发生了冲突而使工学矛盾更为尖锐。利用基于网络的土工虚拟仿真试验室，学生只需一台可以上网的电脑，就可随时随地进行虚拟仿真试验。

2.节约现实教学资源，共享教学资源。土工虚拟仿真试验室投入少、收益大，实现了实践教学内容的重复实践。在虚拟仿真试验室学生能完成在线试验记录、试验结果提交、成绩查询;教师能完成试验报告的批阅。实践教学手段与组织管理方式的现代化，缓解了实践教学中学生人数多与指导教师人数少的矛盾。

3.解决了继续教育网络学习无法动手操作、达不到实践教学效果的问题。继续教育网络试验多数拘泥于文字和图片的表现，或者偶尔配以简单动画、视音频的辅助。真正基于网络的实时操作性的试验寥若晨星，多数网络试验都是演示性质的，学生多是通过浏览网页或者观看多媒体教学来了解试验过程，不能达到预定的试验目的，对学生理解所学知识的帮助也不够理想。学生利用土工虚拟仿真试验室，通过操作虚拟仪器进行试验，并得到了试验原始数据，学生可以输入试验界面上的试验记录表中，通过公式计算即可得到试验结果，也可输入试验记录表内。试验结束后，学生对试验结果进行存盘提交。教师可以进行评阅，对试验做出评判。通过动手试验，培养了学生选择试验仪器、独立操作、观察现象、正确测量、试验数据处理与误差分析等方面的能力，以及分析和解决问题的能力，增强了实践教学效果。

参考文献：

[1]郭桂苹，南岳松.虚拟实验教学研究现状及问题分析[J].实验室科学，2010，（05）.

[2]朱文强.虚拟实验技术的研究与探讨[J].科技广场，2010，（03）.

[3]吕正.虚拟仿真实验在实验中的应用[J].大学物理实验，2010，（04）.