同步虚拟仿真实验室系统解决方案.docx
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同步虚拟仿真实验室系统解决方案
同步虚拟仿真实验室系统
解决方案
一、前言
目前,根据我国教育信息化十年发展规划（2011-2020年）纲要。
以教育信息化带动教育现代化，充分发挥现代信息技术优势，注重信息技术与教育的全面深度融合，是实现我国教育现代化宏伟目标不可或缺的动力与支撑。
纲要第九章明确规定了：
建立优质数字教育资源和共建共享环境遵循相关标准规范，建立国家、地方、教育机构、师生、优质数字教育资源信息服务；建设并不断更新满足各级各类教育需求的优质数字资源，开发深度融入学科教学的课件素材、制作工具，完善各种资源库，建设优质网络课程和实验系统、虚拟实验室等，促进智能化的网络资源与人力资源结合。
同时在行动计划中具体还规定了：
建设各级各类优质数字教育资源。
针对学前教育、义务教育、高中教育、职业教育、高等教育、继续教育、民族教育和特殊教育的不同需求，建设20000门优质网络课程及其资源，遴选和开发500个学科工具、应用平台和1500套虚拟仿真实训实验系统。
整合师生需要的生成性资源，建成与各学科门类相配套、动态更新的数字教育资源体系。
建设规范汉字和普通话及方言识别系统，集成各民族语言文字标准字库和语音库。
2009年4月，河南省、陕西省等全国内地部分省份的中招物理、化学、生物实验操作考试如期举行。
据悉，此次实验操作考试成绩（30分左右）计入中招总成绩，这在国内教育历史上尚属首次。
据调查，我国已经有越来越多的省市正将物理、化学、生物实验操作考试纳入全市统一考试科目，中招升学考试逐渐强调学生平时对生活的观察能力、动手能力与动脑能力三者结合，这预示着课程改革使得升学考试的改革进一步向学生的动脑、动手等综合能力改进。
另外在高考试题中也有相当一部分考查实验的题目！
二、现状
国家教育主管部门和各省教育主管部门都对中学物理、化学、生物3门课程的实验操作能力作了详细的要求，课程标准和教材中也规定了一些学生需要掌握的实验技能。
但是，在实际教学过程中，由于实验教材、设备配置不均衡，不同的学校之间实验操作课的效果也不均衡。
一些学校出现实验操作课程开设不全，或者开设了实验操作课却没有很好地教授学生掌握等情况。
据了解，不少中学理、化、生类实验多是“动口不动手”，倾向于让学生背概念、书面考试等。
还有的老师为了节省时间或降低药品损耗，把学生实验变为教师演示实验，学生根本就没有动手实际的机会。
另外，一些学校为了保护有限的实验仪器设备和药品，很少向学生开放学校实验室，学生也没有机会在课余时间去实验室动手实践。
尽管以往初中毕业生也进行物理、化学、生物实验技能测试，但由于成绩不计入中考总分，学校和学生对实验课不重视也就成了正常现象。
而县区和农村学校的实验操作课就更显得薄弱，不少学校干脆就没有开设过实验操作课。
传统理化生教学与实验教学传递渠道单一，互动性不强。
传统教学模式大多是教师先把理化生教学与实验教学中的定理和实验步骤详细地安排好，甚至连结论也预先告知学生，然后由老师讲解（动手做），学生看，内容枯燥，形式单一，不能形成互动和调动学生主动参与的积极性；
反应抽象的理论及定理，宏观、微观、危险的种种实验，传统理化生教学与实验教学没有有效的辅助工具和仿真环境，难以讲解和表现，例如理化生的各种抽象的定理、公式及规律、化学学科的危险实验、物理学科中无法有效地表现出声波、电场的性质、万有引力作用、牛顿第一定律等一些抽象的规律、原理，老师讲解起来非常困难，学生也难以理解；
部分传统实验过程无法控制，一些反映速度比较快的实验往往是学生没有看仔细就结束了，但由于实验条件的限定又不可能重复地进行演示。
三、学生面临困惑
1：
新课改后教材实验内容增多，实验操作机会却很少怎么办？
2：
实验内容占考试比例逐年增加，但实验操作陌生怎么办？
3：
学校缺少实验场地和器材，无法满足实验学习需求怎么办？
4：
部分实验操作存在一定危险性怎么办？
5：
抽象的定理、公式及规律只能靠死记硬背，实验条件无法展示宏观和微观的实验过程怎么办？
6：
实验课本知识死记硬背无甚效果怎么办？
四、同步虚拟仿真实验室的特点
改变传统仿真实验用鼠标操作的不真实感，全过程用手操作，仿佛在用自己的双手在做实验一样逼真。
实验具有评价系统，自动打分，自动记录错误步骤，反复练习。
不受实验仪器、实验场所的限制。
能实现现实中难以完成的实验，如取用昂贵验材料、购买高价的实验仪器等，预习、复习反复操练实验。
没有实验消耗、系统自动记录错误步骤，反复实验、可以练习十遍百遍千遍，想什么时候练就什么时候练！
互动性强、为使用者提供了一个完全自由的教学平台和实验平台，满足学生参与实验、探究性学习的要求。
激发学习理、化、生的兴趣，降低学习难度，提高学习效率。
实验仿真生动、形象。
实验中所有器材物品均由3D技术生成，配套逼真声音效果，整体内容绘声绘色。
综合应用了最新的课程理念、课程标准、最新教育技术、信息技术,模拟科学研究，培养科学探究能力和创新精神。
安全、避免实验过程中出现意外事故，保证实验顺利进行，没有安全性、危险性的顾虑！
激发学习理化生的兴趣，降低学习难度，提高学习效率。
模拟科学研究，培养科学探究能力、创新精神。
规范的实验操作流程，实验操作步骤按部就班，从容应对各类实验考试。
五、设计理念及内容
为了更好的促进学校信息技术与课程整合，结合国际先进的教育理念，综合应用了最新的课程理念、课程标准、最新教育技术、信息技术，开发了同步虚拟仿真实验室。
该实验系统实现了学科老师以使用信息技术为主的演示型教学和学生自主学习型教学统一模式，是学科老师得力的实验制作工具，优秀的课堂教学平台，也是学生自主性和探索式学习平台。
可以很好的满足老师与学生，教与学两方面的要求。
实现了信息技术与理化生学科教学，信息技术与理化生实验教学很好的“融合”。
它是传统实验的必要补充和延伸，是中学理化生教学与实验教学的新模式。
这套系统共有物理、化学、生物三科，囊括新课标初高中物理、化学、生物教材几乎所有实验内容。
每一个实验都按照模拟的科研活动来设计，同时又让学生掌握实验的基本技能、操作规范、自我测评。
例如有实验目的、实验器材药品、实验步骤、实验模拟、注意事项、实验测试等栏目，这些栏目都详细、生动、形象的帮助学生对实验的理解和操作。
节省资源
没有实验消耗，不必购买和浪费昂贵的实验仪器和药品，反复实验，可以练习十遍百遍千遍。
避免危险
操作安全，避免实验过程中出现意外事故，保证实验顺利进行。
自由学习
不受实验仪器、实验场所的限制。
随时预习、复习、操练实验，想什么时候练就什么时候练。
互动参与
整个实验过程都可完全由自己动手完成，起到化无形为有形、化抽象为形象的作用。
易学习、便记忆
操作步骤简单，运用鼠标就可完成。
3D效果“形象、生动、逼真”。
启迪思维、激发创新
由3D技术生成的生动、形象、逼真的实验效果，可培养学生的观察能力、逻辑思维能力；激发学生学习的兴趣和创新意识。
六、系统界面
技术框架
实验软件使用Flash脚本语言ActionScript3.0开发，舞台大小为980*500.
实验软件主类:
Main类
Main是程序入口：
1.初始化，获取加载地址URL
2.进入加载程序。
3.等待用户选择相应的页面。
4.开始实验，进入实验操作流程。
5.实验结束，系统评分。
实验开发主要类和类库包：
实验主类（Main类）：
程序入口。
资源加载（LoadAsset类）负责加载程序所用的资源。
页面管理（PageContainer类）管理页面之间的切换。
导航管理（NavigationBar类）侦听导航按钮的点击。
声音管理（SoundManager类）用于管理实验声音，包括加载音乐，设置音乐特效等。
事件管理（EventManager类）每一个实验请节作为一个类进行管理。
通信管理（communionManager类）soket通信，链接服务器。
操作管理（ControlManager类）用于设定实验的操作键盘，和鼠标。
实验管理（GameManager类）包括实验设定，音乐，背景默认设定。
应用构架
“同步虚拟仿真实验室”包括化学实验、生物实验、物理实验。
根据新课程标准制作的一个实验系统。
（1）实验活动界面
每个实验活动都划分为六个栏目：
化学实验划分为：
实验目的、实验用品、实验步骤、开始实验、实验现象与分析、实验结论。
生物实验划分为：
提出问题、作出假设、制定计划、实施计划、实验探究、分析与结论（目的要求、实验原理、材料器具、方法步骤、开始实验、实验结果与结论）。
物理实验划分为：
实验目的、实验原理、参考器材、实验过程、开始实验、实验结论。
（2）实验室功能实现
以化学为例：
实验目的：
告诉学生本次实验要达到什么样的目的。
实验用品：
陈列出本次实验要用的实验仪器和药品。
实验步骤：
告诉学生实验的操作步骤是什么。
开始实验：
正式开始实验操作，在这里学生可以按照实验的要求来挪动实验器具，例如：
点燃酒精灯。
往试管里面倾倒实验的情况。
实验结论：
最终得出实验的结论，需要学生完成实验方可查看。
标准设定
（1）每一个实验都与教材配套，内容紧扣新课程标准。
（2）每个实验都有明确的栏目，例如化学实验有：
实验目的、实验用品、实验步骤、开始实验、实验现象与分析、实验结论。
（3）实验的所有操作均可通过鼠标的点击或者拖动实现，也要通过触摸屏实现。
（4）实验的每一步操作都带有错误提示，当学生错误三次以上时自动给出提示。
（5）实验仪器和物品的使用均有手势演示。
（6）实验结束系统会自动评分。
仿真实验软件操作演示
同步虚拟仿真实验室分为化学仿真实验室，物理仿真实验室，生物仿真实验室三部分。
实验操作演示如下：
选择需要操作的试验，如图一，选择活动1：
粗盐的提纯
图一
出现如下操作界面：
图二
由左向右，依次点选下方的工具条，分别显示实验目的、实验用品、实验步骤，开始实验。
注意，必须选择“开始实验“并做完该项下的实验内容后，才可以进入到现象与分析、实验结论选项中。
因为在常规的实验操作中，实现结论是需要通过实验来进行求证的，所以，没有做完实验的情况下的，无法对实验现象进行分析，也无法得到实验结论。
接下来，对具体的实验操作方法进行介绍。
当我们选择开始实验时，出现以下的实验步骤，如图三：
图三
按照实验步聚的方法，用鼠标点击滤纸，就会出现一个用手操作的动作，如图四：
图四
用鼠标拖动手就可以将滤纸移到天平上去。
当这一步操作完成后，系统会自动给出第二步的实验操作步骤。
如图五：
图五
接照第二步操作提示，用鼠标去点选镊子，如上也会出现一个操作手势，如图六：
图六
拖动镊子移向天平，找到天平游码，轻轻滑动，出现如图七结果：
图七
操作完成后，将镊子放回到拖盘中。
注意：
只有将镊子放回后才可以进行下一步操作。
仿真实验高度模拟了真实实验的场景，所有的实验操作均需按标准实验方法及仪器使用规范进行，否则操作无法继续。
通过这种方法，培养同学们科学的实验观。
镊子放回原处后，接着会出现下一个操作步聚，如图八：
图八
想想我们在做真实实验的时候，如果到这一步，要将天平里加入粗盐时，第一步要干什么？
当然是要找到粗盐，打开盖子，向天平中加入粗盐。
因为不可能用手去加，这时我们需要的操作工具当然就是小药匙了。
仿真实验也是高度模拟了与真实实验一样的操作效果，点击瓶盖，打开瓶盖，这时在桌面的下方就会出现一个光标闪烁，提示正确的瓶盖的摆位置。
这样的方法非法有利于同学们养成一种好的实验习惯，纠正实验仪器乱摆乱放的毛病。
如图九，红色箭头所示。
图九
放下瓶盖后，可以清晰的看到瓶盖已经内面向上摆放在桌上。
这也是同学们容易犯的一些错误，打开瓶盖后顺手将瓶盖内面向下放下，很容易造成污染和伤害，特别是一些腐蚀性化学试剂，如果瓶盖有残留，桌上的残留液有可能还会伤害到同学们，所以，仿真实验对同学们规范使用仪器进行严格要求，非常有助于同学们掌握科学的实验方法。
接下来，就是要用到我们上面提到的工具“小药匙”来取粗盐了。
从图十上可以清晰看到标准的操作动作。
图十
操作完这一过程，接下来就会提示下一步的操作，同学们按顺序继续操作就可以了。
完成所有实验步骤后，会得出本次实验的综合得分及错误步骤及扣分情况，如图十一：
图十一
点击复习步骤，可以复习刚才出现错误的步骤，直至完全掌握该实验正确步骤。
如图十二：
图十二
点击开始复习，重新开始完成实验，本次实验的综合得分100分，如图十三：
图十三
由此，才可以对实验现象进行分析，得出实验结论。
现在，就同学们操作中常遇到的问题进行解答：
1.很多同学问到，如果不知怎么操作怎么办呢？
只需用鼠标在操作界面任意位置点击三次，系统就会捕捉到同学们需要提示，这时，需进行操作的部位就会出现光标闪动，如图十四所示，同学们根据提示就可以进行下一步操作了。
同样，如果同学们在操作中出现三次错误，系统也会自动给出提示，告诉同学们下一步该如何操作。
但是切记，如果系统给予提示后，系统就会自动扣除同学们的实验分数的。
图十四
图十五
2.我明明就按提示的实验步骤操作了，可是系统怎么也不给予提示？
出现这种情况，不是系统不给予提示，真正的原因是同学们没有完成上一步的操作所造成的。
出现的最多的情况，就是在打开瓶盖后操作完成后，没有盖上瓶盖所造成的。
如图所示，这个操作一定是要做的，也是想通过这种方法，让同学们养成一种好的实验习惯。
图十六
3.操作步骤中提到仪器不认识，不知道是哪一个怎么办？
出现这种情况有两种方法，第一种方法是，直接点击工具下方的实验用品，里面列举了本次实验中需要使用的全部实验仪器和用品。
第二种方法是将鼠标放在实验用品或仪器上，会自动显示实验仪器的名称。
图十七
总之，仿真实验室提供的交互式Flash动画仿真实验操作，将实验内容细分化，简单化，数字化，向教师提供了全套的实验教学方案，为学生实验技能学习和理论知识的提高全过程护航，让学生对实验更有准备，操作更加熟练，过程更加安全，感觉更有乐趣，实践操作和创新能力得到提升。
七、各学科实验列表
序号
实验名称
实验类别
八年级物理上册
实验1
停止沸腾的水，浇上冷水
演示
实验2
随音乐起舞的小人
演示
实验3
漏斗里的乒乓球
演示
实验4
用刻度尺测量长度
学生实验
实验5
用停表测量时间
学生实验
实验6
测量物体运动的平均速度
学生实验
实验7
真空罩内的闹钟
演示
实验8
音调与震动频率
演示
实验9
声音的波形
演示
实验10
响度与振幅
演示
实验11
音色与波形
演示
实验12
声波传播能量
演示
实验13
噪声的波形
演示
实验14
用温度计测量水的温度
学生实验
实验15
探究固体熔化时温度的变化规律
学生实验
实验16
探究水沸腾时温度变化的特点
学生实验
实验17
光在水中的传播
演示
实验18
探究光反射时的规律
学生实验
实验19
探究平面镜成像的特点
学生实验
实验20
光的色散
演示
实验21
凸透镜对光有会聚作用
演示
实验22
凹透镜对光有发散作用
演示
实验23
投影仪成像原理
演示
实验24
探究凸透镜成像的规律
演示
实验25
用天平测量固体和液体的质量
学生实验
实验26
探究同种物质的质量与体积的关系
学生实验
实验27
测量盐水和小石块的密度
学生实验
八年级物理下册
实验1
小铁球受到磁体的作用
演示
实验2
练习使用弹簧测力计
学生实验
实验3
探究重力的大小跟质量的关系
学生实验
实验4
阻力对物体运动的影响
演示
实验5
探究二力平衡的条件
学生实验
实验6
测量滑动摩擦力
学生实验
实验7
研究影响滑动摩擦力大小的因素
学生实验
实验8
探究影响压力作用效果的因素
学生实验
实验9
研究液体内部的压强
演示
实验10
大气压的测量
演示
实验11
流体压强与流速的关系
学生实验
实验12
测量铝块所受的浮力
演示
实验13
探究浮力的大小跟哪些因素有关
学生实验
实验14
探究浮力的大小跟排开液体所受的重力的关系
学生实验
实验15
探究物体的动能跟哪些因素有关
学生实验
实验16
探究杠杆的平衡条件
学生实验
实验17
研究定滑轮和动滑轮的特点
学生实验
实验18
使用动滑轮是否省功
演示
实验19
测量滑轮组的机械效率
学生实验
九年级全一册
实验1
分子热运动
演示
实验2
温度对分子运动的影响
演示
实验3
分子间的作用力
演示
实验4
做功与内能的关系
演示
实验5
比较不同物质吸热的情况
学生实验
实验6
热机（不同能量之间的转化）
演示
实验7
电荷间的相互作用
演示
实验8
电荷在金属棒中的定向移动
演示
实验9
通路断路短路
演示
实验10
连接串联电路和并联电路
学生实验
实验11
练习使用电流表
学生实验
实验12
探究串联电路中各处电流的关系
学生实验
实验13
探究并联电路中干路电流与各支路电流的关系
学生实验
实验14
练习使用电压表
学生实验
实验15
探究串联电路中用电器两端的电压与电源两端电压的关系
学生实验
实验16
探究并联电路各支路用电器两端的电压与电源两端的电压的关系
学生实验
实验17
比较小灯泡的亮度
演示
实验18
探究影响导体电阻大小的因素
学生实验
实验19
练习使用滑动变阻器
学生实验
实验20
探究电流与电压的关系
学生实验
实验21
探究电流与电阻的关系
学生实验
实验22
伏安法测电阻
学生实验
实验23
比较不同电功率对电能消耗情况
演示
实验24
额定电压额定功率
演示
实验25
测量小灯泡的电功率
学生实验
实验26
电阻与电流的热效应
演示
实验27
电流与电流的热效应
演示
实验28
观察保险丝的作用
演示
实验29
研究磁场的方向
学生实验
实验30
通电螺线管的磁场
演示
实验31
探究通电螺线管外部的磁场分布
学生实验
实验32
电磁铁的磁性
演示
实验33
通电导线在磁场中受力
演示
实验34
通电线圈在磁场中扭转
演示
实验35
电动机的基本构造
演示
实验36
探究什么情况下磁可以生电
学生实验
实验37
发电机
演示
实验38
电磁波的产生
演示
实验39
电磁波的传播
演示
实验40
电磁波的发射与接收
扩展性实验
实验41
光导纤维
演示
序号
实验名称
实验类别
九年级化学上册
实验1
1-1水的沸腾
演示
实验2
1-1研碎胆矾
演示
实验3
1-1硫酸铜晶体与氢氧化钠反应
演示
实验4
1-1石灰石与稀盐酸反应
演示
实验5
1-2氧气与二氧化碳性质对比
演示
实验6
对蜡烛及其燃烧的探究
探究实验
实验7
对人体吸入的空气和呼出的气体的探究
探究实验
实验8
1-3药品的取用
演示
实验9
1-4碳酸钠与稀盐酸反应
演示
实验10
1-5酒精灯的使用
演示
实验11
1-6给物质加热
演示
实验12
1-7连接实验装置
演示
实验13
1-8玻璃仪器清洗
演示
实验14
2-1测定空气里氧气含量（红磷的燃烧）
演示
实验15
2-2带火星的木条复燃
演示
实验16
2-3硫分别在氧气和空气中燃烧
演示
实验17
2-4铁丝的燃烧
演示
实验18
2-5高锰酸钾制氧气
演示
实验19
分解过氧化氢制氧气中二氧化锰的作用
探究实验
实验20
氧气的实验室制取与性质（高锰酸钾）
学生实验
实验21
3-1品红的扩散现象
演示
实验22
分子运动现象
探究实验
实验23
天然水的过滤
演示
实验24
4-3用肥皂水区分软水和硬水
演示
实验25
4-4实验室制取蒸馏水
演示
实验26
自制简易净水器
课外实验
实验27
氢气的检验
演示
实验28
4-5氢气在空气中燃烧
演示
实验29
水的组成（电解水）
探究实验
实验30
红磷燃烧前后质量的测定
探究实验
实验31
铁钉与硫酸铜溶液反应前后质量的测定
探究实验
实验32
5-1碳酸钠与盐酸反应
演示
实验33
5-2镁条的燃烧
演示
实验34
6-1碳的吸附性
演示
实验35
6-2木炭还原氧化铜
演示
实验36
石墨导电
课外实验
实验37
蜡烛燃烧生成炭黑
课外实验
实验38
实验室里制取二氧化碳的装置
探究实验
实验39
二氧化碳的性质
演示
实验40
二氧化碳的实验室制取与性质
学生实验
实验41
白磷的燃烧
演示
实验42
灭火的原理
探究实验
实验43
7-2粉尘爆炸实验
演示
实验44
7-3氧化钙与水反应
演示
实验45
7-4甲烷的燃烧
演示
实验46
燃烧的条件
学生实验
九年级化学下册
实验1
8-1金属与其合金的比较
演示
实验2
金属与盐酸、稀硫酸的反应
探究实验
实验3
金属活动顺序
探究实验
实验4
一氧化碳还原氧化铁
演示
实验5
铁制品锈蚀的条件
探究实验
实验6
金属的物理性质和某些化学性质
学生实验
实验7
9-1蔗糖的溶解
演示
实验8
9-2碘与高锰酸钾的溶解性
演示
实验9
9-3乙醇在水中的溶解性
演示
实验10
溶解时的吸热或放热现象
探究实验
实验11
9-4乳化现象
演示
实验12
9-5氯化钠在水中溶解
饱和溶液与不饱和溶液
实验13
9-6硝酸钾在水中溶解
饱和溶液与结晶
实验14
溶解度曲线
探究实验
实验15
自制白糖晶体
课外实验
实验16
9-7不同浓度的硫酸铜溶液
演示
实验17
9-8不同质量分数的氯化钠溶液
演示
实验18
自制汽水
课外实验
实验19
一定溶质质量分数的氯化钠溶液的配制
学生实验
实验20
10-1向溶液中加入酸碱指示剂
演示
实验21
自制酸碱指示剂
探究实验
实验22
10-2盐酸、硫酸的物理性质
演示
实验23
10-3浓硫酸的腐蚀性
演示
实验24
10-4浓硫酸的稀释
演示
实验25
酸的化学性质
探究实验
实验26
10-5氢氧化钠的性质
演示
实验27
10-6氢氧化钙的性质
演示
实验28
碱的化学性质
探究实验
实验29
10-7不同液体的导电性
演示
实验30
鲜花变色、制作“叶脉书签”
课外实验
实验31
10-8中和反应
演示
实验32
10-9用pH试纸测溶液pH
演示
实验33
10-10测定生活中一些物质的pH
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