可視化實驗對培養學生實踐能力的影響

【摘 要】實驗教學是培養學生實踐能力的有效途徑。在傳統實驗教學受到限制的基礎上，可視化實驗教學的提出很有必要。本文論述了其內涵及優勢，并以熱泵系統為例簡單介紹了可視化實驗，可視化實驗雖具有很多優勢，但仍存在一些問題需要解決。

【關鍵詞】可視化實驗 實踐能力 創新能力

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2013）18-0043-02

知識永遠是促進社會前進的力量，然而隨著時代的發展，現代社會需要的不再只是會讀書的知識性人才，而是具有科學性、實踐性、創新性等特征的綜合性人才。實驗教學就是培養綜合性人才的一個主要途徑。實驗教學可以高效地將理論用于實際，幫助學生在理解理論知識的基礎上，培養學生的實驗技能以及獨立思維，是提高學生綜合實踐能力以及創新能力的重要教學組成部分。

目前，大多數工科院校在實驗教學上存在一些問題。由于實驗設備、場所及時間等現實條件的限制，學生在實驗課堂上并不能接受到完全的實踐教育，達不到實驗教學的預期效果。如何更合理地配置教育資源、解決好資金投入與人才培養之間的矛盾，是學校開展實驗教學需要考慮而又令人十分頭疼的問題。隨著計算機技術的發展，我們發現采用可視化實驗代替傳統實驗成為了一種很好的解決方案。為此，我們對過去的實驗教學模式進行改革，將可視化教學引入實驗教學課程，以此作為突破設備、時間、空間限制的有力工具，進一步提高了學生的實踐創新能力，為提高專業課程教學質量提供了保障。

一 可視化實驗的內涵

1987年2月，“可視化”以專業術語的形式出現。當時美國國家自然科學基金會（NSF）召開的一個專題研討會給出了“科學計算可視化”的定義、覆蓋的領域以及發展方向。這標志著科學計算可視化作為一門學科在國際范圍內已經成熟。科學計算可視化是指運用計算機圖形學和圖像處理技術，將科學計算過程中產生的數據及計算結果轉化為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。也就是說，科學計算可視化將圖形生成技術、圖像處理技術和人機交互技術有機結合起來，實現從復雜的多維數據中產生圖形，同時也可以分析和理解存入計算機的圖像數據。

可視化實驗則是針對現實存在的基礎實驗與綜合實驗課程相應開發的虛擬實驗系統，用多媒體手段對真實實驗進行再現和模擬，由學生進行觀看或參與操作。它為學生提供了逼真的實驗環境，借助虛擬實驗的交互性，學生對實驗儀器進行操作，觀察實驗現象、記錄實驗數據，使得學生發揮其主觀能動性，突破了實驗場地與時間的限制，便于學生的自主學習與創新。這種新型實驗教學方式既高效又直觀，并且不具危險性，是一種極具發展優勢的教學方式。

二 可視化實驗的優勢

可視化實驗系統的建成，使實驗教學不再受器材、設備等客觀因素的約束，大大節省了實驗教學的經費，也提高了學生的學習興趣，取得了較好的效果。研究可視化實驗教學具有重大的現實意義，其優勢主要體現在以下幾個方面：

1.極大地豐富了實驗教學的內容

傳統的實驗教學由于各方面條件的限制，只能在固定時間、固定地點進行固定內容的實驗，而相當多的實驗則因為現實條件的不允許而無法進行，極大地限制了學生的學習內容、學習興趣以及自主學習能力。虛擬實驗則大大改善了這些問題。學生只要在計算機前就能進行規模龐大的實驗，而不需要考慮設備、地點等問題；現實中具有危險性的實驗也能在計算機上安全地進行；學生還可以選擇做一些自己感興趣的實驗，而不會因為現實條件不允許就輕易放棄。可以說，虛擬實驗彌補了傳統實驗的不足，大幅度地增加了實驗的種類和內容，增強了學生的自主學習能力。

2.有效地延伸了實驗的時間和空間

在傳統實驗中，實驗設備數量有限，要想每名學生都有做實驗的機會，就必然會花費很長時間，并且搭建試驗臺本身也是一個耗時耗力的過程。除此之外，實驗設備不易移動，學生要進行實驗必須到實驗室，于是地點受到了限制，而且實驗臺也要占據相當一部分空間，這些都是問題所在。可視化實驗則能很好地解決這些問題，它是通過計算機開展的虛擬實驗，突破了傳統實驗受實驗設備和實驗室制約的局限。時間上，每名學生都可以同時進行自己的實驗，改變了多人共用一臺實驗設備的現象，極大地縮短了實驗時間；空間上，能做實驗的地點不再僅僅是實驗室，學生可以隨時隨地進行自己的實驗。所以可視化實驗使實驗的時間和空間都得到了延伸，有利于調動學生學習的主動性，增強學生的實踐能力。

3.促進了學生創新能力的培養

虛擬實驗教學極大地改善了實驗條件，學生可以根據自己的興趣和需要展開各種實驗，這有利于培養學生的創新意識。在實驗中，學生可以通過改變某個參數的數值來觀察其他參數的變化，進而了解整個系統的運轉機理和變量之間的相互關系，不僅能加深對理論知識的理解，更能調動學生的積極性和主動性，激起其對未知領域探索的興趣，使實驗真正成為培養學生創新能力的一種途徑。

4.節省了實驗的費用

實驗儀器和設備本身都是需要費用的，對一些高精度的儀器，費用還會更加昂貴。對于操作性的實驗，大規模多次數的實驗操作很容易對實驗設備造成損壞。可視化實驗教學系統建成以后，實驗資源實現了數字化，可以反復使用，形成了一種一次投資長期受益的教學模型，在一定程度上降低了反復購置實驗器具、材料的成本。開展可視化實驗教學對于工科院校來說是條節省經費的必經之路。

三 可視化實驗舉例

以北京工業大學環境與能源工程學院的教學為例，其熱科學部得到了國家、北京市以及相關企業的大力支持，通過近十年的努力，先后研究出深層地熱能的梯級利用、水源熱泵采暖空調技術、土壤源熱泵采暖空調技術、水蓄能技術、建筑物通風換熱技術、納米光催化空氣凈化技術以及太陽能光熱技術，在5000平方米能源樓上建立了地源熱泵采暖空調系統、水蓄能采暖空調系統、建筑物通風換熱系統、光催化空氣凈化系統、太陽能光利用系統、太陽能熱利用系統、風力發電系統以及電磁抗垢強化換熱系統八大綠色低碳節能科研試驗臺。

然而，目前建筑環境設備專業、熱能動力專業以及制冷專業的本科生僅能在相關基礎課見到上述新型科研成果的部分概念，大部分學生不懂上述新型低碳節能技術科研成果的工作原理和工作工程。他們即將進入工作崗位，急需對上述知識進行學習、理解，否則就跟不上社會發展潮流。然而，這些試驗臺都比較龐大，并且根本看不到內部工質的運行狀況及方向，有的更是深埋地下，連儀器都看不到，那么就算帶著學生去參觀這些實驗儀器，學生還是不能對整個系統有一個清晰的認識。在這種實驗條件不能滿足教學要求的情況下，采用可視化實驗教學將成為最好的方法。

以其中的地源熱泵采暖空調系統為例，介紹地源熱泵系統的工作原理，通過利用少量的電能，實現熱量從低溫熱源向高溫熱源的轉移，地熱能資源分別在冬季和夏季作為高溫和低溫熱源。冬季時，它把地能中的熱量“取”出來，提高溫度后供室內采暖；夏季時，將室內的熱量“取”出來釋放到地層中去，并且常年保持地下的溫度均衡。其工作原理見右圖。

冬季供熱時，熱泵機組通過利用電能W從地下提取出熱量Q2，經機組內部熱交換后供給用戶提供Q1的能量，即Q1=W+Q2。通常情況下Q2=3W，即有Q1=4W。即在消耗1份能量的同時能為用戶提供4份的能量，這樣在耗費同樣多能量的條件下，地源熱泵能夠獲取更多的能量，大大提高了能源的利用率，從而達到了節省能源的目的。夏季供冷時，熱泵系統工作狀況就反過來了。熱泵機組通過利用電能W從用戶處提取熱量Q1，經機組內部熱交換后向地下傳遞Q2的熱量，即Q2=W+Q1。通常情況下Q2=3W，即有Q1=2W。即在消耗1份能量的同時為用戶提供2份冷量。

如果僅僅通過傳統理論教學，學生很難理解以上這些數據及工質運行狀況，不能很好地將這些科研成果運用于對學生的教學之中。這就需要老師利用更加直觀的教學手段將這些知識輸送給學生。通過可視化實驗教學，學生能夠清楚地看到整個熱泵系統的工作原理圖以及內部工質的流向，還能夠從所連儀表上看到工質流量、用電功率、設備壓力和溫度等參數，對整個系統從外到內、從整體到局部都能了解得清清楚楚、明明白白。

由于可視化技術是在現實基礎上在計算機上形成的模擬軟件，因此它既具備現實工程技術的可信度，又對現實機器運轉沒有影響。因此，學生可以隨意改動某個參量的數值，從而觀察系統其余參量所發生的變化，通過多次變動就會很容易找出這些重要變量之間的關系，這樣更能加深學生對工作原理的認識。通過反復的調整，就可以找到適合整個系統運轉的最佳工況。

四 可視化實驗存在的問題

可視化實驗教學打破了傳統的實驗教學模式，沖破了實驗條件的限制，有效地提高了教學效率和綜合人才的培養質量。但它仍存在著一些問題：

1.有些實驗結果不夠精確

可視化實驗只是傳統實驗的一種補充，雖然它能把實驗做得既逼真又直觀，方便學生理解，但有些實驗必須通過現實的實驗才能得到精確的結果，虛擬實驗的結果仍存在一定的誤差，可信度沒有傳統實驗高。

2.沒有達到提高學生動手能力的目的

可視化實驗能夠激起學生對實驗參與的積極性和自主性，提高他們的實踐能力，但這都只是局限在計算機前，真正的動手能力并沒有得到提高，反而會因為缺乏對現實實驗練習的機會而變得更差。

3.教學組織形式過于分散

可視化實驗不再局限于一間實驗室內，而是讓學生各自分散進行。這樣老師和學生就分散開了，學生在做實驗的過程中遇到問題就不能及時向老師詢問，學生之間相互討論也不再那么方便，大多只能靠自己琢磨，這樣就大大降低了實驗效率，達不到實驗教學預期的效果。

五 結束語

可視化實驗教學突破了實驗設備、時間和空間的限制，讓實驗課程的學習變得生動活潑，是提高學生實踐能力和創新能力的有效途徑，對各大院校尤其是工科院校來說是非常可行的。它是對傳統實驗教學的一種改革和提升，對于提高教學質量、培養高素質人才、提高學生就業競爭力與工作適應性具有重要意義，及早解決仍存在的問題，需要大家共同的努力。

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〔責任編輯：龐遠燕〕