虚拟实验系统建设研究

摘 要：近年来，国内的许多院校都根据自身科研和教学的需求建立一些虚拟实验室。随着虚拟实验技术的不断成熟和进步，受资金和条件的限制，各专业、特别是理工类专业，传统实验已经不能满足教学发展的需要，因而虚拟实验环境的建设将是实验教学改革的新趋势。虚拟实验在实验教学方面具有利用率高，容易维护等诸多优点.弥补学生实验环节的不足。阐述建设虚拟实验室的必要性和可行性，提出构建虚拟实验室的实现途径和方式。对加快虚拟实验室建设和发展的一些构建设想。

关键词：虚拟实验；必要性；可行性；模块设计

虚拟实验室（Virtual　Laboratory）的概念，最早由美国弗吉尼亚大学的William　Wulf教授于1989年提出的，简称VL，它所描述的是计算机网络化的虚拟实验室环境。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中也提出建设“虚拟实验室”的规划。

在国内教育领域，虚拟实验技术的应用已经在科学研究、虚拟实验教学等方面发挥着非常重要的作用。在理工科的教学活动中应用虚拟实验技术大有作为，特别是在校园仿真和模拟方向上。虚拟实验室已经成为成为改革实验教学手段、强化实验室建设的一个重要发展方向；开发自己的虚拟实验室和虚拟校园，并逐步推广和使用虚拟校园模式和虚拟实验室系统，开发基于校园生活、教务、教学的三维可视化虚拟校园和各类虚拟实验系统，实现实验和实训教学质的飞跃，提升总体办学水平。

1　虚拟实验系统建设的必要性和可行性

1.1　构建虚拟实验系统的必要性

利用虚拟现实（VR）技术在多媒体计算机上建立虚拟实验室，学习者便可以走进这个虚拟实验室，身临其境般地操作虚拟仪器，操作结果可以通过仪表显示，反馈给学生来判断操作是否正确。这种实验既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至得出满意结果。

虚拟实验室系统包含了常见的实验室仪器设备，图文并茂，起到辅助教师教学的效果。能模拟仿真多个教学实验实训场景，通过虚拟仿真技术模拟各种实验实训的操作步骤，充分应用多媒体丰富直观的表达形式，将仿真动画，实验录像以及操作说明有机地结合起来，便于学生对实验操作的充分理解和掌握。虚拟实验可以模拟实验结果，在不同实验条件下产生的各种动态波形进行实时系统仿真，对于学生平时难于完成的实验起到示范的作用。还可以建立学生实验技能考核系统，通过内置的多层次实验考核系统，对学生进行实验、实训及操作技能情况进行考核。虚拟实验室系统还具有开发性，使用者可以根据具体情况将自己的实验图片，实验原理和操作、实验录像用文字加入到系统中，从而扩充系统的适用性。

1.2　构建虚拟实验系统的可行性

虚拟实验室系统主要依赖于较少的配套硬件和软件，使实验室的工作量和维护费用大大降低。实现了资源共享，避免了仪器重复添置，满足了用户不再受时间、地点限制进行网络的实时操作，提高了用户的学习效率。

设计开发利用虚拟现实技术的虚拟实验室在实践性教学活动中可以解决以下几方面的问题：

1）可以不受时间和空间的限制完成课程实验和课程实训。

2）避免真实实验或操作所带来的各种危险，虚拟实验室可以提高安全性。

3）充分利用网络教学资源，虚拟实验室可以节约大量的教学成本。

虚拟实验系统建设成本不高，技术条件成熟。目前常用的虚拟实验室建设技术已经非常成熟，而且对硬件要求也不高，系统组成简单，建设成本较低。因此，构建虚拟实验系统切实可行。

1.3　虚拟实验系统使用简便，对用户的计算机水平要求不高

虚拟实验室能够向用户提供一个在线参与、交互性的实验环境。利用3D技术和VR技术可实现虚拟现实对于交互性、沉浸性的要求。在实验内容上，考虑到设计成本与具体实验内容的选取，最终设计为简易型的虚拟现实技术，不需要特殊的传感设备，用户只需用鼠标操作，操作简便。实验室整个实验的过程简明清晰，能够进行实验的比较和分析并填写实验报告，实验结束后即可获得相应的实验数据，完全满足不同层次学习者的实验和实训要求。

2　虚拟实验系统模块设计

2.1　虚拟实验系统模块组成

虚拟实验系统由虚拟实验模块、服务模块和数据库系统模块等三大模块组成，并充分考虑系统的可维护性、可用性、安全性和可扩展性。如图1所示。

2.2　各系统模块功能介绍

虚拟实验模块：是整个虚拟实验的核心模块，是展现在用户端的主要部分，对于整个系统起着相互连接用户和管理者的作用。并负责构建虚拟实验环境，提供具体的虚拟实验场景和实验仪器，同时接收由服务器端传过来的通讯数据，通过网页反馈给使用者。在客户端，通过一个Applet生成三维实验场景，用户可以通过键盘或鼠标操作完成具体实验，最后将实验结果保存在服务器端。

服务模块：该部分主要提供数据及虚拟实验仪器的管理和相关信息的查阅和检索功能。对于系统中的实验指导和实验说明，用户在不同的虚拟实验中的进展详情、用户提交的实验结果，以及系统辅助功能模块中的数据，都需要提供管理功能。

数据库系统模块：主要用来实施对用户的管理、实验扩展功能管理以及系统中不同角色权限的分配和管理。另外，对于各类数据提供必要的安全保护措施。本系统主要采用SQL　Server　2005　作为后台数据库管理系统，在Web中通过Hibernate封装JDBC　API实现数据库的各种操作。

2.3　各系统的具体功能分析

作为一个功能比较完善的虚拟实验系统，它的主要功能不仅是要为实验者提供一个虚拟的实验平台，而且要对实验者的实验行为、实验结果进行记录和评判。此外，实验教师还需要进行各实验项目详细信息的管理，并对实验者提交实验结果以及实验报告进行评阅。实验系统的管理人员可以对系统的用户（实验教师、实验者）进行管理，还可以对实验课程等信息进行管理。系统应具备扩展功能，以满足发展的需求。

在本系统中，实验者在登录到虚拟实验系统之后，可以在一个仿真的虚拟环境中进行各项试验，掌握课程知识，提高实训能力。可以查阅实验的指导说明和与实验相关的理论知识，以及实验操作的要领和注意事项。此外，在实验结束后，根据学生提交的实验结果和填写的实验报告，教师可以把握整体的实验情况，便于调整课程进度。此外，还提供了实验者之间、实验者和实验教师、实验教师之间相互沟通的虚拟讨论区，大家就可以学习、授课过程中发现的问题一起讨论，商量对策，以达到教与学双方的提高。

总体来说，系统应该具备以下功能：

1）用户管理层：对使用者的实验环节进行有效的监督和管理。可以对系统的用户进行各项管理，包括创建管理员、创建教师、批量添加学生账号、删除账号、用户权限分配等。

2）课程实验项目管理功能：实验课程以及每门课程里面的实验项目都需要进行管理，可以进行增加、删除、修改以及查询操作。该模块具有扩展功能。

3）虚拟实验功能：包括实验预习、实验要求、实验步骤、实验内容、实验帮助、实验测试等教学部分。实验者登录系统之后，选择实验项目，预习相关的实验原理以及实验指导说明，选择所需的实验仪器，进行实验操作，试验完成后提交实验结果，并填写实验报告。

4）实验结果管理功能：所有实验者提交的实验结果，需要有一个统一的管理功能。对于实验者提交的虚拟实验结果，实验教师通过该功能对其进行考核评价。

5）实验报告管理功能：提供实验报告动态的添加、修改和删除等功能，并允许教师对其授课班级的实验报告进行评阅。

6）虚拟交流区功能：系统提供一个给实验者、实验教师以及系统管理员之间交流沟通的区域，大家可以畅所欲言，相互学习，以提高教学水平和实验能力。

7）系统统计功能：此部分主要提供给系统管理部门使用，通过它可以查看系统的访问情况、资源的使用情况（每日的实验完成数量以及实验项目的建设情况）、学生行为以及实验教师的实验教学能力等。

通过以上的分析介绍，虚拟实验室在提高教学质量，满足不同类型学习者的个性化学习要求，解决硬件投资不足，节约教学成本方面具有广阔的前景，特别是培养学习者的实践动手能力，提高分析问题和解决问题的能力方面具有重要的意义，为培养技能型、应用型复合人才发挥不可估量的作用。

加强虚拟实验室平台的建设，形成完整的虚拟实验系统，充分应用计算机技术、网络通信技术以及管理科学与工程技术来构建虚拟实验室已经成为今后面临的重要课题。

3　结束语

总之，作为实验教学中的虚拟实验，是现代教学中不可缺少的重要环节，是提高教学质量的重要保证，也是网络技术在实验教学中的最好运用，网络虚拟技术能够较好地解决以往网络教育模式中理论教学的远距离性和实验教学的近距离性的矛盾。虚拟实验不仅在网络教育中发挥很好的作用，而且也是其它常规实验教学改革的新思路。虚拟校园和虚拟实验室的产生及应用使现代网络教育真正实现其完整性的要求。各种虚拟实验资源建设的关键不完全在于硬件环境，而主要在于对此重视的程度和组织实施的措施。随着虚拟实验教学系统的进一步形成，必将促进学生学习的自主性和动手能力的提高，并为学生创新能力的培养发挥重要的作用，从而提高总体办学的质量。

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