虛擬實驗技術在教學中的應用淺析

摘要：文章簡述了虛擬實驗技術的概念及基本結構，對虛擬實驗技術的應用進行了研究，分析了虛擬實驗和實物實驗之間的關系，指出了兩者的優缺點，強調必須二者結合才能達到較好的教學效果。

關鍵詞：虛擬實驗技術；實驗教學；應用

虛擬實驗技術是虛擬現實技術VR、虛擬儀器技術、計算機輔助教學CAI、多媒體計算技術MPC等發展的結果。多媒體技術的發展，計算機綜合處理多媒體信息如文字、聲音、圖像、動畫、視頻等，使得計算機可處理三維圖像，有高速信息處理功能，才能使虛擬實驗系統的實現成為可能。

在教學實踐中，利用虛擬實驗技術，不僅可以彌補目前實驗儀器的不足，實驗內容陳舊，實驗技術手段落后的問題，為開放性的實驗教學模式開辟一條新路，而且虛擬實驗技術通過計算機多媒體技術的豐富表現形式，有效地組織教學和實驗，還能大大激起學生的學習興趣，有利于開拓學生創造性思維和創新意識。

虛擬實驗系統的結構

虛擬實驗系統由計算機、實驗設備模塊、實驗軟件三部分組成。計算機要求有高速的CPU處理器，有足夠的內存儲器，以便運行實驗的軟件程序，當單機操作時還要配備外存儲設備如軟驅、光驅、硬盤等。通常配備17英寸、分辨率為1024×768、顏色為24位以上真彩色顯示系統。若把實驗系統作為一個實驗教學網絡，除了對服務器有要求外，作為工作計算機可采用無盤工作站或使用當前流行的瘦客戶機，還必須有網卡等設備。實驗設備模塊的功能主要靠軟件來實現。通過程序編制在顯示屏上可構成各種實驗儀器，顯示如示波器、信號發生器、數字萬用表、邏輯分析儀、頻譜儀、掃頻儀等。傳統儀器的軟面板，也可顯示實驗的環境如設備的連接、電路的連接、儀器的調試等，在顯示屏上信號發生器產生的信號波形、頻率、占空比、幅度或示波器的測量通道、標尺比例、極性、觸發信號等均可用鼠標和鍵盤來設置，像常規儀器一樣方便使用。在虛擬通信實驗中，通信設備如計算機、電話機、交換機、網絡設備等在屏幕上都可以顯示，接口通信線、光纜等均可連接。信號的協議、傳送速度、數據格式等都可用鍵盤鼠標設定，這些虛擬設備具有更大的靈活性，實驗者可以根據需要自己設計、定義、擴充，使得這些虛擬設備應用更符合實驗實際，擴大其適用范圍。在實驗教學中，可根據需要設計出不同的設備模塊，以滿足不同的實驗要求。

實驗軟件是虛擬實驗技術的核心，可以用“軟件即實驗”來概括。軟件包括系統軟件、實驗仿真軟件兩部分。系統軟件為支持虛擬實驗系統工作的基礎，包括虛擬設備、虛擬實驗環境的建立、實驗過程的教學模型等。實驗仿真軟件是針對具體實驗者開發的軟件?！疤摂M實驗室”是利用計算機上的各種模擬仿真軟件來完成傳統實驗室的工作，并且能夠完成傳統實驗室中不可能完成的事情。它不是簡單的軟件，而是一個學習平臺，它把要研究的對象用它的數學模型以多媒體手段表現出來。

虛擬實驗技術在教學上的應用

虛擬實驗技術在課堂教學中的應用傳統教學模式中常常將實驗教學和理論教學分開進行。如在電子技術教學中，教師用粉筆在黑板上板書，傳授抽象的理論知識，在黑板上畫電路圖，給學生講解電路特性，分析電路的性能隨某一元件的變化而變化的情況。整個過程教師講得辛苦，學生聽得吃力，卻收不到理想的教學效果。為了加深對理論知識的理解和記憶，必須結合直觀教學，在課堂上作演示實驗，若有虛擬實驗室，便可方便地在課堂上進行演示，讓抽象的理論及時得到驗證檢驗。虛擬實驗技術在教學中能模擬危險性的實驗，豐富感性認識，加深學生對教學內容的理解，如虛擬化學實驗，可避免化學反應所產生的燃燒爆炸所帶來的危險；虛擬外科手術，可避免由于學生操作失誤造成病人死亡的醫療事故；虛擬飛機駕駛系統，可免除學員操作失誤造成飛機墜毀的嚴重事故。通過虛擬實驗給學生感官上的認識，實現從感性認識到理性認識的過渡。

在實驗教學中應用在實驗教學中學生可利用計算機快速準確計算，畫出精確的仿真圖線，理解分析復雜電路，利用虛擬實驗儀器、元器件自主設計實驗，還可修改實驗參數，不斷地得到實驗結果，在不必擔心損壞儀器的情況下仿真，檢驗自己對所學知識的掌握情況，這對提高學生的操作積極性，提高實驗水平很有益處。例如電子技術實驗教學時，做單級放大電路的測試實驗，就可利用虛擬實驗技術。課前利用虛擬儀器在網上作虛擬預習實驗，一些易出現的問題在預習中基本就得到矯正，熟練后再用真實的實驗儀器，學生就能很快地完成實驗，可以加快提高實驗效果。

應用于遠程教學虛擬實驗技術可把實驗室搬到網絡，對于那些操作性很強的課程如電子技術等，能使分布在各地的學生都可在網絡虛擬實驗室進行實驗，更加完善了遠程教育的教學環節。

利用虛擬技術模擬生產環境，縮短理論與實踐的距離很多專業或工藝流程如鋼鐵冶金、化工工藝等受生產特點限制，無論理論教學，還是實訓教學，由于無法直觀進行，而成為教學的難點，有些專業的實訓根本無法在校內完成，必須到企業生產一線操作。學生到企業實習，企業的生產秩序可能被擾亂，企業生產指標會下降。為了盡量減少對企業的影響，可借助虛擬技術、仿真技術為學生營造一個虛擬生產環境，在校內加強模擬訓練，增強直觀感受，有效縮短在企業實訓的時間，并為直接就業打基礎。

應用評析

虛擬實驗技術在教學上已經得到了廣泛的應用，是一種先進的實驗技術，它有很多的優點：第一，虛擬實驗技術是多學科發展的結合，代表著當前學科技術的發展水平，掌握了它，就掌握了先進的學習技能。第二，虛擬實驗技術可以打破時空的限制，學生能根據自己的學習進度安排實驗時間，像做家庭作業一樣在課余時間進行練習，有效地解決了有限的教學時數與學習技能提高之間的矛盾。第三，虛擬的實驗技術可節約實驗經費，它不消耗器材、實驗所需材料，不受限制，可降低實驗成本，方便實驗室的開放性管理，且能充分利用計算機的現有資源，技術更新更快，開發更靈活，易于實現智能化，自動化。虛擬儀器間的組合匹配也比傳統儀器更好。

但是，虛擬實驗技術在實踐應用中也存在著很大的局限性，虛擬仿真實驗技術中，仿真儀器設備、元器件、系統功能都是“虛擬的”，與實物存在差異，很難仿真實際元器件參數的離散性，標稱值與實際值的誤差，同一類型元件參數不一致性，元器件在系統中工作條件不同參數的差異性，元器件老化后參數的離散性，這些在虛擬技術中是反映不出來的，要靠實際的工程實物實習中積累。另外，實驗時因系統中多種干擾信號的影響，虛擬技術中難以仿真，且實驗中各性能指標的精度在虛擬技術中很難控制，工程測量中的誤差及引起誤差的原因在虛擬技術中很難反映出來，實際元器件和系統的各種故障現象在虛擬技術中很難體現，虛擬技術在實時控制，在線控制方面存在局限性。而傳統的物理硬件式實驗給學生以真實感，可消除學生在理論學習與虛擬實驗中的不實感覺，大量的實驗結果也只有通過硬件實驗才能得到。

那么在教學實踐中如何正確處理虛擬實驗和實物實驗之間的關系呢？對于那些技能操作性很強的課程，必須用硬件進行實驗教學的學科。如電子技術等本身是一門實驗性很強的學科，從培養人才的角度出發，加強傳統的硬件實驗必不可少，只有這樣，才能培養學生以確鑿的事實為依據，認真仔細，一絲不茍、嚴于觀察、勤于思考、尋求規律和勇于探索的工作作風。如在電子技術實驗教學中，基本電量的測量、儀器儀表及各種設備的使用、常見元器件，基本測量技術和操作工藝等必須采用實際實物進行實驗教學，也可以先在網上虛擬實驗作為預備實驗預習實驗內容，再做實物實驗，或先用實物做實驗，課后用虛擬實驗進行練習熟練操作，以提高實際動手能力。對原理的驗證性實驗可多采用虛擬實驗進行教學，對于現代的一些先進技術，或需采用元器件費用較高的、尚無購買力的實踐性教學內容，一般采用虛擬技術來實施實驗教學，以提高教學效果。在教學中可根據專業和課程特點，依實際情況按不同的比例來使用兩種實驗技術方法，可以更好地為教學服務。

參考文獻：

[1]戶永清.在實驗教學中引入虛擬實驗技術的研究[J].達縣師范高等?？茖W校學報，2005，（3）.

[2]杜保強，葉會英.模擬電子線路虛擬實驗教學系統的設計與實現[J].國外電子測量技術，2005，（7）.