虚拟实验系统建设探讨

【摘要】虚拟实验系统是基于Internet、虚拟技术构建的网络化的实验教学系统， 在虚拟实验中，学生既可以在虚拟实验系统里动手操作，又可以自行设计实验，有利于培养学生的动手能力、设计能力和创新能力。在虚拟实验中，学生更易获得相关知识、科学的指导和敏捷的反馈。虚拟实验室是未来实验室建设的发展方向。

【关键词】虚拟实验 虚拟教学

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2012）10-0236-01

实验不仅是自然科学发展的基本动力，也是自然科学教学的主要内容、方法和手段。自然科学的教学离不开实验，学生能够在实验中习得经验，在实验中获得知识，在实验中迸发灵感。培养熟练操作仪器设备的专业人才，是自然科学主要的教育任务之一。

一、传统实验教学存在的主要问题

（1）实验器材费用昂贵 传统的实验教学主要依赖费用昂贵的实验设备，存在前期投入大、后期维护费用高，开展过程受时间、地点、人力、物力、财力等限制问题，致使实验教学无法有效开展，严重影响教学质量。

（2）教师指导难以到位 近年来的高校扩招使得学生数量成倍增加，有限的教师很难在有限的时间内细致地指导大批的学生，很多高校的实验课变成了演示课、观摩课，教学目标难以达到。设计性和探究性试验更是难以开展。

（3）仪器落后，与现实应用脱节 科技的迅猛发展使得仪器更新换代频率加快。由于经费问题，学校实验教学中使用仪器到不到及时更新，从而与生产单位脱节。学生在学校期间学会的仪器操作技能，到了实际工作环境中用不上，仍然需要学习新一代仪器的操作，从而使得学校的实验教学大打折扣。

（4）存在操作安全、环境污染等隐患 高校拥有各种类型的实验室，尤其是化学、化工、生物等学科的实验室，拥有大量的危险化学物品，在存储和使用中，如管理、操作或防护措施稍有不当就会发生安全事故，同时，实验过程中排放的“三废”也会造成环境污染。

二、虚拟实验系统概述

虚拟实验是指借助虚拟仿真技术、多媒体技术及Web技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样进行实验操作、感受实验过程、直至得到实验结果。

与在现实的实验室里进行的传统实验相比，虚拟实验具有无可超越的优势：

（1）经济性 传统实验需要借助于具体的实验设备，在实际操作中一些实验室设备价格昂贵，损耗大，实验成本高，这对于实验经费不足的学校是难以承受的。而虚拟设备只是“概念”上的设备，没有磨损、破坏，可供无限重复反复使用。

（2）交互性 虚拟实验中可以通过虚拟实验系统、实验指导书、BBS讨论区等各种渠道获得学习上的帮助。这种教与学的灵活交互，提高了学生学习的兴趣和效率。

（3）开放性 虚拟实验打破了传统实验的模式，学生不再受到时间、空间上的制约，随时随地可通过网络进入虚拟实验系统，来进行自己的实验。

（4）针对性 在虚拟实验系统进行实验，可以将部分实验现象、实验结果重点突出，而将与此无关的细节忽略掉。可对学生不熟悉的实验步骤反复训练，从而达到强化的效果。

（5）自主性 虚拟实验相当于为每个学生提供了一个自己的实验室，他们可以不受时空的限制，自主地、自由地随时进入虚拟实验室进行各种实验。并且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。

（6）安全性 在一些危险性比较高的实验操作中容易造成伤害，而在虚拟实验中能够避免这个问题。

三、虚拟实验系统的构成

虚拟实验系统由虚拟器材库、虚拟实验台和管理系统组成。

（1）虚拟器材库由各种虚拟器材构成，教师或学生可以利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的典型实验，或实验案例，这一点是虚拟实验室有别于一般实验教学课件的重要特征。

（2）虚拟实验台与真实实验台类似，可供学生自己动手配置、连接、调节和使用虚拟实验仪器设备。教师通过该平台，在实验前搭建典型实验或实验案例，较方便地向学生布置实验任务；实验结束后查看学生的实验结果，给出实验成绩和评价。

虚拟实验平台为自由搭建任意合理的实验模型提供了可能，能满足教师对各层次实验教学的需求。学生既可以通过该平台动手操作，又可以自主设计实验，有利于培养创新意识和能力。

（3）管理系统包括面向学生、教师和实验管理员的三种教学管理。

学生学习管理包括选择实验、开展实验、接受实验指导、在线提交实验报告、保存和提交实验结果、查询实验成绩和批语。

教师教学管理包括新建实验、实验、布置实验、批改实验报告、实验评价、统计并学生的实验成绩和批语。

实验管理员包括账号管理、权限管理、课程管理、系统维护等。

四、虚拟实验系统的开发技术

目前虚拟实验相关开发工具很多，以下是目前国内外比较流行的虚拟实验系统开发方法。

（1）使用Java进行开发。Java是一种重要的网上通用语言，目前它已经成为跨平台应用软件开发的一种规范。另外Java的自动内存管理机制也为其增加了较强的稳定性和安全性，这一点对于构建基于Web的虚拟实验系统来说非常关键。

（2）使用ActiveX控件进行开发。ActiveX技术是微软为适应网络发展的需要而将OLE技术在Internet上的重定义。在虚拟实验系统的开发过程中，代码复用性对于持续开发过程尤为重要。可以利用VB、VC++等任何一种支持COM规范的开发工具来进行ActiveX控件的开发。由于ActiveX控件只能运行在Windows操作系统上，因而移植性和通用性较差。

（3）使用Flash进行开发。Flash是一种基于矢量的图形系统，具有矢量描述、任意缩放、数据量小、兼容性良好、播放流畅、嵌入ActionScript脚本功能等特点。而且可自动更新Flash网站的数据驱动，从而大大节约了开发者的时间。

这些技术都有不同的特点和作用，在实际开发过程中只有合理应用它们才能达到我们所需的效果。

五、结束语

基于网络的虚拟实验系统是一种新的教学理念，它不仅投入少、产出多，而且还能够提升学习者的实践能力，培养他们的创造性思维。虚拟实验将在教育、科研等方面有着广阔的发展前景。

参考文献：

[1]赖小华.虚拟实验在远程实验教学中的前景[J]，中国科技信息，2005，（24A）.

[2]余胜泉，何克抗.基于Internet的教学系统[J]，中国远程教育，1999，06：19-23.