互联网的虚拟实验室构建分析

一、关于虚拟实验室 1.虚拟实验室的概念 虚拟实验就是通过计算机虚拟实验仪器让实验者进行操作、感受实验过程、直至得到实验结果。 一般实验者可以通过计算机和网络、即可进行实验，如同在现实实验室里近距离进行现场操作一样。 在实验教学中，要进行虚拟实验一般需通过虚拟实验室。所谓“虚拟实验室”(Virtuallaboratory)，是指由网络技术、计算机技术、虚拟现实技术等生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验环境、有关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予虚拟实验室以智能化特征。实验者（无论是学生还是教师）可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪器，进行各种实验。虚拟实验室不但为实验类课程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支持，还可以随时为学生提供更多、更新、更好的仪器。 2.虚拟实验室的特点 虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实再现，也可以是虚拟构想成的实验室。与在现实的实验室里进行的现场实验相比，虚拟实验具有它的许多优势和特点。 （1）经济性。从经济角度来看，虚拟实验室的仪器设备、原器件或材料只是“概念”上的损耗，可自动修复或产生，因而它们能无限重复使用，在经济上几乎不再需要支出，即可实现“零”消耗。 （2）自主性。对于教育来说，虚拟实验室对非全日制学生和远程教育的学生都有非常大的帮助，他们可以不受时间及空间的限制，使自己得以随时随地在学习需要时做实验，而无需到真的实验室去，也使远程实验教学可能真正实现。在内容上实验者也不受限制，他们可以自主的选择自己所要进行的实验内容。并且实验者还可以自主的选择实验操作步骤，通过不同的方式达到最终相同的结果。 （3）学习性。虚拟实验室对实践性教学环节有着非常好的辅助作用。虚拟实验可以进一步提高实验对知识的巩固与深入，及时提供实验原理与设备的内部结构和工作过程、甚至是微观变化过程（如分子运动等）的呈现。强化理论与实践的结合，加深对知识的深化和巩固。 （4）交互性。实验者和虚拟仪器之间可以通过鼠标的点击或者拖曳操作进行交互。例如在计算机组装与维护的实验中可以将计算机中的各个部件三维化的表示出来，用户通过鼠标将他们组装成整机。 当然虚拟实验室也有其不足之处。虚拟实验教学基于计算机进行，学生可以接触到的仅仅是大小有限的计算机屏幕，对于实验设备的操作也是通过鼠标和键盘来完成。因此，虚拟实验室并不能完成所有科目的实验教学任务，对于那些培养学生动手操作熟练能力的实验，虚拟实验室现在是不能完全胜任的，它还不能完全取代真实实验。 3、虚拟实验室的体系结构及功能 （1）虚拟实验室的体系结构。虚拟实验室里的实验工具（计算机等）和实验方法是各自独立的，实验中操纵的并不是真实存在的仪器和设备，而只是以软件仿真来模拟使用设备。因而在计算机满足一般需求的情况下，软件的设计制作就成为虚拟实验能达到的效果好坏的关键所在。要制作一个好的适用的虚拟实验室首先要构建一个完整合理的体系结构，虚拟实验室的结构大致可以分为下几种： 1)单机虚拟实验室的结构设计。实验教学根据实验目的的不同，可以分为基本的实验操作训练，验证性实验，综合性实验，探索性实验等。基本的实验训练是为了训练学生掌握基本的测量方法，检验方法，培养基本的实验仪器操作技能以及实验数据的处理能力。 验证性实验是用实验验证已知的定理、定律，使学生从感性上把握并且理解这些定理、定律的意义，以及了解它们的形成过程。练习性实验是让学生运用所学的知识来解决问题、完成实验，巩固对所学知识的理解，培养对知识的实际应用能力。 探索性实验则是利用各种设备和已知条件，设计实验来探索一些虽然早已明确或是尚无人做过的，但对学生来说却都是未知的现象、规律，目的在于培养学生的探索精神和科研能力，它是课堂理论教学的一个极为重要的补充。以上的四类实验其目的不同，因而其单机虚拟实验室的结构也有区别。 2)网络虚拟实验室的结构设计。网络虚拟实验室就是实验者通过本地多媒体计算机或利用远程通讯工具和相应的虚拟实验仪器，进行操作、观测实验过程、直至得到实验结果的一种实验模式。 Internet为网络虚拟实验的实现提供了一种基础平台，基于Internet的浏览器／服务器（B/S）计算模式也是实现网上虚拟实验的基本模式。构建基于Internet的网上虚拟实验室基本结构(3WNVLAB)是指以WWW及其上的各种协议为基础实现的网上虚拟实验室。 （2）虚拟实验室的基本功能。基于Internet的虚拟实验室就是在WEB中创建出一个可视化的三维环境，其中每一个可视化的三维物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖曳操作，用户可以进行虚拟的实验。虚拟实验环境可以针对物理实验、化学实验、教育技术实验等各种不同的科目分别设计具体的实验环境。 虚拟实验室的基本功能是：1）完全基于Internet；2）三维的立体环境；3）具备可视化的实验对象；4）可用鼠标和实验对象进行交互。 二、虚拟实验室的开发技术 1.虚拟实验室的开发工具 目前网络课件开发工具很多，在此介绍运用于虚拟实验的主要开发工具，以下是现在比较流行的开发软件。 （1）框架设计软件。网络课件的框架一般使用FrontPage、DreamWeaver等网页设计软件编制。#p#分页标题#e# Authorware7.x是美国Macromedia公司推出的多媒体创作工具，简便易用，功能完善。Director也是是美国Macromedia公司开发的软件，主要用于多媒体项目的集成开发。 （2）图像处理软件。FireWorks或PhotoShop等图像处理软件可进行界面及艺术字的美观设计。 （3）动画制作软件。Flash是Macromedia公司的一个网页交互动画制作工具，与其它工具相比，它具有矢量描述、播放流畅、数据量小、色彩鲜明等特点。 3dsmax是Autodesk公司的著名的三维造型及动画制作软件，可制作AVI及FLC动画，可用Flix软件将AVI文件转换成小巧的SWF文件，便于低带宽网传送这样就给在低带宽情况下能实现视频点播带来了可行性。 （4）其它工具。Goldwave及Soundforge是常用的音效处理软件，能对声音的格式转换和效果进行编辑。 这些工具软件都有不同的特点和作用，我们在实际制作过程中只有合理的应用它们才能达到我们所需要的效果。 2.计算机网络中实现虚拟实验的相关技术 随着互联网的急速发展，与虚拟现实相关的各种研究都取得了令人瞩目的成就，虚拟现实，英文即VirtualReality，就是使用电脑这一工具，在人为制造的空间里感受到的现实氛围。而网络形成的虚拟现实，也就是在网络的基础上，把各种信息变为虚拟现实的所有技术。目前国内的虚拟实验室研究还处于萌芽阶段，国外已经有很多大学进行了这方面的研究。他们所使用的技术大至有用web3d开发、使用JAVA进行开发、使用VRML技术进行三维虚拟实验室的开发等等。 web3d就是应用于网络的三维图形互动展示的技术,它可以在互联网上实现实时三维模型的浏览,并可以在其中加入交互和动态效果。 目前符合其技术规范的web3d格式有30多种，其中比较优秀及应用最多的是Cult3d,Viewpoint，Shockwave3d等几种。 JAVA语言是最重要的一种网上通用语言，使用它开发的程序具有两种层次上的可移植性能，源代码级可移植性和二进制级可移植性，JVM（JAVA虚拟机）的存在使得这种可移植性成为了可能。另外JAVA语言的下标检查机制和自动内存管理机制也为其增加了较强的稳定性和安全性，这一点对于构建网上虚拟实验室系统来说也是非常关键的。 VRML(VirtualRealityModelingLanguage—虚拟现实建模语言)是一种在WWW中描述虚拟技术 （VR）的工具，是一项和多媒体通讯、因特网、虚拟现实等领域密切相关的新技术。其基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体，号称为第二代Web建模语言。它的主要特征有三维性、交互性、动态性、实时性等，并且能够在Internet或局域网上快速传递。 3.虚拟实验室所面临的网络带宽问题及对策 基于网络的虚拟实验室要求在Internet环境下实时、连续地传送大量的音频、视频流，以实现教师授课过程的实时播放、网上课程的视频点播（VOD）、网上虚拟实验的实时交互式数据传输等等教学活动。然而，目前的网络机制，网络时延大，且缺少有效控制；网络的可靠性和安全性非常脆弱；低速的接入手段，缺少无线接入方式。因此采用什么样的通信技术保证网络的带宽是提高远程教育质量的前提，也是目前远程教育应用和发展过程中亟待解决的关键问题。 加强网络基础设施建设是提高网络虚拟实验效果的前提，网络虚拟实验对网络带宽资源要求巨大。 目前普遍使用的网络带宽，还很难做到实时性的交互。网络基础设施必须具备以下特性：大容量、高带宽、零时延；高速、灵活的接入；高可靠、绝对安全；无间断运营。 三、虚拟实验室的开发步骤 网络虚拟实验室可以说是学生利用网络进行远程实验的多媒体教室。我们根据网上实验教学的特点和人才培养的需要，并且结合自己在开发虚拟实验过程中所涉及的必要步骤，归纳了基于Internet的虚拟实验室的设计制作过程。 在开发虚拟实验室前我们首先要进行需求分析，也就是论证开发的虚拟实验室的内容、目标有什么现实意义。开发一个虚拟实验室是需要投入很大的人力和物力，因此我们一定要预期计算它的开发价值。接下来就是确定所要制作的是什么类型的实验，这样有助于我们选择正确的开发工具。对于操作性比较强的实验，我们追求的只是逼真的交互反映效果，可以通过director或flash加以实现。而对于视觉性比较强的实验，我们则应运用3dsmax等三维造型制作工具，以获取逼真的模拟场景。在确定了制作工具之后我们就可以设计虚拟实验室的结构，经过合理的任务分配，把具体制作落实到制作小组的每位成员。各个部分制作完成后我们再通过整合、完善、测试、评价等几个步骤完成整个虚拟实验室的制作。 当然，这仅仅是我们在实践过程中所总结出的有关虚拟实验制作的一些体会。对于不同的实际情况我们可以设计不同的制作方案和实验过程。但总体来说我们都要追求虚拟实验的真实模拟性、在网络上运行的流畅、以及完善的交互能力。我们要使虚拟实验室在实验教学中起到很好的作用。 四、结束语 虚拟实验室和虚拟实验的产生及应用使远程实验教学得以真正实现，它彻底解决了以往所有远程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，从而使整个教育完全远程化。 目前我国高等教育教学课件的制作量还很少，水平也参差不齐，许多专业的虚拟实验所用课件，还有大量空白。这些都有待我们充分利用新的教育思想，现代网络技术和现代媒体技术积极开采新的领地。