虚拟实验的现状及发展趋势研究

【摘 要】院校要培养高素质技能型人才，就必须重视专业实验教学。随着信息技术的发展，作为传统实验教学的一种有效的补充，虚拟实验教学已成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段。开展虚拟实验可以有效地解决实验场地设备不足的问题，还可以利用虚拟实验开展科学研究。虚拟实验是利用计算机及仿真软件来模拟实验的环境及过程。开展虚拟实验，首先要了解虚拟实验的概念、特征与作用；其次，要研究目前国内外开展虚拟实验的现状，掌握虚拟实验的发展前景。本文从分析虚拟实验技术的理论基础出发，阐述了虚拟实验技术的分类，论述了它在实验教学中的重要意义，并对虚拟实验技术在实验教学中的应用及发展趋势进行了研究。

【关键词】虚拟实验 虚拟现实 计算机仿真

【中图分类号】TP391.9 【文献标识码】A 【文章编号】1006－9682（2011）01－0105－02

随着电子技术高速发展，新器件、新电路不断涌现，普通实验室的更新速度无法跟上技术的发展。此外普通实验室涉及仪器调试、管理、易损坏等问题。在实验时间和一些损耗性大的实验项目上对学生限制过死。同样，远程教育学员一般都要在规定的时间到指定的学校集中完成实验项目，技能培养质量无法保证。院校必须考虑如何跟上实验的时代性和先进性，创设实验内容丰富、训练操作扎实、不受时空限制的开放性实验环境。近年来，由于虚拟仪器、仿真技术和网络技术的飞速发展，构建虚拟实验室将会成为一种经济、高效的首选方案。

一、虚拟实验的概念及发展状况

1．虚拟实验的概念

虚拟实验是借助多媒体、仿真以及虚拟现实（Virtual Reality，英文缩写VR）技术而产生和发展的一种实验模式，它起源于20 世纪末，是以计算机为控制中心，利用软件技术构建系统的逻辑结构模型，协调相关硬件设备技术形成虚拟实验系统，并通过计算机网络形成虚拟实验系统网络化，这样就可以让学生通过计算机操作，像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。它是计算机技术、虚拟现实技术、人机交互技术结合的产物，也是教育领域应用信息技术的一种创新。虚拟实验一般是通过虚拟实验室而进行的。虚拟实验室是由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等，可以是某一现实实验室的真实实现，也可以是虚拟构想成的实验室。

2．虚拟实验的发展现状

虚拟实验是虚拟现实在教育重要应用领域，并逐步成为科学实验和科学研究中强有力的工具。虚拟实验是科学实验领域中较为年轻的分支，其发展过程大致经历了三个阶段：

（1）思维模型与逻辑分析阶段。该阶段以科学实验为基础，以逻辑推理为根据，在思想中塑造实验模型的实验方式。

（2）计算机仿真阶段。20世纪60年代到80年代，其是以系统数学模型为基础，在一定假设条件下利用计算机对实验对象的数学模型进行的信息处理过程。

（3）虚拟现实阶段。20世纪80年代至今，其是以虚拟现实技术为基础，通过模拟人与周围真实环境交互方式而建立的观察界面进行实验的过程。虚拟实验从形象化思维到数字化分析再到直观的虚拟现实阶段的过程中，计算机的产生与应用为虚拟实验注入了新的活力，改革了传统的实验方法，扩大了认识领域，使虚拟实验变得普遍，应用得更加广泛。

3．虚拟实验的特征

虚拟实验与虚拟技术一样，具有以下三个基本特征：

（1）交互性。交互性是指用户对虚拟实验环境内对象的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。虚拟实验环境更能强调人与虚拟世界间的自然交互，使用者不仅可以利用电脑键盘和鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔和数据手套等传感设备进行交互。

（2）沉浸性。沉浸性是指虚拟现实技术能使用户感到自己处于虚拟实验环境中，成为其中的一员，由观察者变为参与者，沉浸于其中并参与虚拟实验的活动，即身临其境。使用者在虚拟实验环境中，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。沉浸虚拟现实运用计算机、多媒体与仿真技术等现代科学技术，营造与客观世界高度类似的虚拟环境，使人具有一种身临其境的感觉。虚拟现实模式在现实世界数据建模的基础上，采用三维图形来表现虚拟世界，通过头盔式显示器或立体眼镜等专用辅助设备观察建模的三维物体，以获得在平面显示器上无法得到的物体深度、距离信息，并通过观察不同的图像，产生观察视差，达到身临其境的效果。

（3）想象性。想象性是指最大限度发挥人类的创造力和想象力。一方面，虚拟实验的环境是人想象出来的，体现出设计者的思想；另一方面，用户可从设计好的环境中得到感性和理性上的认识，进而深化概念，产生新意和想象，与设计者产生共鸣。

二、虚拟实验在实验教学中的意义

1．改变了传统的实验教学概念，为教育改革服务。

虚拟实验技术的应用，要求教师必须改变实验教学观念，实现实验教师由演示者向指导者、创新者的转换。要求学生由模仿者向探求和创造者转换，达到由培养经验型人才向培养创造型人才的转变。要求教师善于运用实验教学策略，鼓励学生将自主设计、自主探索与协作实验研究相结合。

2．引进最新的科学技术，满足面向信息社会的需求。

虚拟实验技术是一种先进的学习工具，是多学科技术发展的综合，代表着当前学科技术的发展水平。随着水平的不断提高，虚拟实验技术将不再是纯虚拟环境。很多软件都能和互联网连接，和实际的实验设备连接，实现远程实验，实现软件对实验的控制和对实验数据的处理和分析。要使用计算机来进行实验并对实验数据进行处理，学生只有掌握这种先进的学习技能，才能更好地学习和工作。

3．节省实验经费，丰富实验资源。

利用虚拟现实系统，可以弥补因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的不足，丰富实验资源，使学生可以做一些危险或危害人体的实验。虚拟实验环境可以获得与真实实验一样的体会，丰富了学生感性认识，加深对教学内容的理解。

4．实验教学手段多样化

虚拟实验的出现，为实验教学改革提供了条件，教师可以采取灵活的教学方法，实行个性化教学。通过网络虚拟实验教学，学生可以灵活控制学习时间，不受实验室关闭和开放的影响，不受书本的约束，自主地选择自己所需的实验内容。同时，实验考核也可多样化，通过网络考核与实际考核相结合，更能真实评价学生的能力。利用虚拟实验远程系统，将实验设备、教学内容（包括理论教学）、教师辅导和学习者的思考、实验操作等融为一体，克服了实验教学长期受到课堂、课时限制的因素。教师可以上网组织各种实时或非实时的分布式教学、回答学生问题、批改实验报告。学生可通过上网接受教师指导、完成各项实验内容、提交实验报告。

5．更利于培养学习兴趣与能力

由于虚拟实验利用多媒体技术来模拟真实实验环境，使得整个实验过程具有游戏的特点，将群体式学习、协作式学习、竞赛式学习的模式灵活应用，可以激发学生浓厚的学习兴趣。其次，在虚拟实验中，学生可以很方便地通过改变实验参数分析不同的实验结果。这有利于培养学生的科学意识和创新精神。总之，目前虚拟实验技术还处在发展、起步阶段，但在实验教学过程中已经发挥了巨大的作用。它不仅弥补实验设备缺乏和条件的限制，而且极大提高了学生对知识的需求和探索的积极性，提高了实验教学效果。同时，通过虚拟实验技术把抽象的、难以直接用一般自然手段表现的形象直观地表现出来，有助于加快认识客观世界的规律，提高实验教学的先进性。

三、虚拟实验发展趋势

1．实现技术上必将形成多种技术相融合，优势互补的局面。

使用某个单一技术构建网络虚拟实验系统，在某些方面有优势，在另一方面必然存在不足。因此，将多个技术相融合开发优势互补，对构建一个好的虚拟实验系统显得十分重要。当然也要考虑应用实际，即技术使用的成本效益和技术的友好程度，选择合适的开发技术。

2．完善分布式和协作虚拟实验的功能

与同伴合作是实验过程中一个至关重要的环节，因为科学实验常常是种协作性的活动。国内虚拟实验室在支持分布式协作科研方面的功能还需要大力完善。目前，大多数虚拟实验室只是局限于一个学院、一个小型的局域网或一个学校的校园网，可以实现不同科研单位之间协作研究的实验室并不多见。

3．自适应虚拟实验室

自适应实验即指能修正自己的特征以响应规则原理的变化，并根据学习者的学习过程生成一个反馈回路，为学习者提供一个自适应的获取知识和技能的实验学习环境。该系统的基本特征是能从环境中获取信息并能自动改善其性能。

总之，虚拟实验教学可以节约成本，突破实验教学在时间和空间上的限制，提高学习者的自主性和创新性。虚拟实验室增强并扩展了实验教学的功能，以前所未有的方式将学生和实验仪器联系起来，为学生提供了一种崭新的实验方式。在使用虚拟实验室的过程中，如果能把模拟的与真实的相比较，加强学习者之间的相互合作，并注重激发学习者的兴趣、促使其进行探究，那必将会产生巨大的教育价值。

参考文献

1 单美贤、李 艺.虚拟实验原理与教学应用［M］.北京：教育科学出版社，2005

2 黄荣怀.信息技术与教育［M］.北京：北京师范大学出版社，2002

3 刘筱兰、张 薇、程惠华等.虚拟实验室的类型及发展趋势［J］.计算机应用研究，2004（11）：8～11