遠程教育中基于Ｗｅｂ的虛擬實驗室的研究與應用

趙　婭　劉賢梅

【摘要】遠程教育是現代教育理念中舉足輕重的一部分，而實踐操作環節則是制約遠程教育模式更加完善的關鍵因素。文中首先對遠程教育中基于Web的虛擬實驗室的應用可行性進行了分析，然后對虛擬實驗室進行了簡介，接著描述了基于Web的虛擬實驗室的體系結構和功能流程， 并對虛擬實驗室的技術實現進行了闡述，最后對虛擬實驗室在遠程教育的應用功能進行了分析。

【關鍵詞】遠程教育；現代教育；虛擬實驗室；虛擬實驗；Web

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097 (2009) 02—0124—04

引言

隨著時代的發展，遠程教育已成為傳統教育的重要補充。遠程教育的發展經歷了廣播教學、電視教學和網絡教學三個階段，其中以網絡教學最能代表未來遠程教育的發展方向。其不受地域控制、學生自主學習及復習、師生自由交流等優良教學效果使其成為現代教育理念中舉足輕重的一部分。遠程教育雖然在理論教育方面取得了一定成效，但實踐環節的開展卻成為制約遠程教育進一步發展的關鍵因素。眾所周知：實驗是教學活動中必不可少的環節，很多科目都是以實驗課程為基礎的，尤其是一些實踐性較強的學科，例如編程語言、數據庫應用、物理、化學、工程類等。實驗對于培養學生的實際操作能力和解決問題能力是至關重要的，學生的大部分實踐能力都是通過實驗得到的。而遠程教育是基于網絡的，某些只需要軟件環境的實驗可以順利通過本地機器開展，而那些需要硬件設備的實驗的開展就受到限制如：實驗環境不具備、實驗器材位置固定、實驗無法由實驗者獨自開展等，使得學生的實踐機會缺乏，阻礙了學生動手能力的提高，也制約了遠程教育的進一步發展。

由于虛擬儀器技術和網絡技術的飛速發展，通過網絡來構建虛擬實驗室已經成為可能，網上虛擬實驗室的建設已成為高校教學改革的重要方向。基于Web的虛擬實驗室構建成本低，且能夠為學生提供生動、逼真的實驗環境，通過網絡連接，學生可以“進入”虛擬實驗室，能夠成為虛擬環境的一名參與者，在虛擬環境中扮演實驗者角色，能夠“真實”地去操作實驗儀器，進行具體實驗[1]。這對于解決遠程教育的硬件實驗瓶頸、對于調動學生的學習積極性，突破教學的重點、難點，培養學生的技能都將起到積極的作用。由此可知，虛擬實驗室的出現，不僅極大地彌補了遠程教育模式的局限和不足，還使得遠程教育的方式方法更趨完善，成為教育發展史上的又一個里程碑[2]。

眾所周知，在油田技能培訓中，鉆井技術人員需要系統地學習鉆井工程的基礎理論并練習相關實踐知識，而由于油田工作時間、空間及地域的限制，他們的學習主要通過遠程網絡教學來進行，但是在現場開設和進行鉆井工藝實驗存在一定的局限性：真實鉆井設備昂貴，直接操作危險性大，對設備損耗大，實驗一旦失敗損失嚴重，不適合具體實驗的開展，因此可以利用虛擬實驗室為這些人員開設虛擬實驗。本文以此為例，來研究基于Web的虛擬實驗室的構建，并對其在遠程實驗教學中的應用進行分析。

一 虛擬實驗室簡介

虛擬實驗室（Virtual Laboratory）的概念，由美國弗吉尼亞大學（University of Virginia）的威廉?沃爾夫（William Wolf）教授于1989年首先提出，它是指由虛擬現實技術生成的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統，包括相應實驗室環境、有關的實驗儀器設備、實驗對象以及實驗信息資源等，它描述了一個計算機化的虛擬實驗室環境，致力于構筑一個綜合不同工具和技術的信息化集成環境[3]。在這個環境里，用戶可以非常有效地利用其中的數據、信息、儀器設備及人力等資源。虛擬實驗室可以是某一現實實驗室的真實實現，也可以是虛擬構想成的實驗室。

而基于Web的虛擬實驗室就是通過Internet創建出一個可視化的三維環境，其中每一個可視化的三維物體代表一種實驗儀器或對象[4]。通過鼠標的點擊以及拖曳等交互性操作，位于網絡服務器任何一個終端的學生都可以在虛擬實驗室中進行虛擬的實驗。它的基礎是虛擬現實技術、網絡技術與虛擬儀器技術的結合。利用該虛擬實驗室學生可以通過網絡親自動手操作實驗儀器，觀察實驗過程，分析實驗結果。

二 基于Web的虛擬鉆井實驗室研究與實現

1 虛擬實驗室系統的體系結構

通過網絡，基于Web的虛擬實驗室允許處于不同位置的學習者可以同時對同一個實驗項目進行實驗操作。與真實實驗室相同的是，實驗工具和實驗技術是獨立于各自領域的，不同之處在于虛擬實驗室中操作的并非現實中存在的真實設備，而只是以軟件仿真模擬的那些已存在或構想的設備；虛擬實驗室需要針對不同的項目分別設計具體的實驗環境，它還要求實驗的參與者共享實驗環境和實驗規則。

本文所建立的實驗室體系結構如圖1所示，它采用瀏覽器/服務器結構。從該圖可以看出，虛擬實驗室主要包括Web瀏覽器、計算機網絡（Internet）、Web服務器、實驗處理系統和信息數據庫幾個部分。

客戶端瀏覽器是學習人員的實驗平臺，任何遠程教育網絡終端實驗者通過它都可以方便地進入虛擬實驗室，并根據需要進入不同的實驗項目，就像根據不同的實驗內容進入不同的真實實驗室一樣。在使用中，實驗者可以在線瀏覽、在線仿真、在線控制、在線交流。

信息數據庫包括實驗大綱、實驗計劃、實驗原理、實驗內容、實驗步驟、實驗重點提示及其他的一些相關教學資料；虛擬儀器數據庫包含了實驗者可以使用及操縱的全部虛擬儀器；三維場景數據庫由實驗環境及相關的紋理、材質、聲音等構成。實驗集成系統、場景調度系統和儀器調度系統緊密結合，協調工作。

實驗集成系統根據客戶端用戶的操作請求，在實驗過程數學模型的控制下進行數學計算，將計算結果分別傳遞給場景調度系統和儀器調度系統，調度場景數據庫和虛擬儀器數據庫對實驗場景進行刷新顯示并通過網絡傳遞給遠程學習者。

該系統存放在網絡服務器上，只要實驗者安裝Internet瀏覽器，就可以根據具體的實驗項目對虛擬實驗場景和虛擬儀器進行遠程瀏覽及交互操作。

2 虛擬實驗室的系統功能流程

基于Web的虛擬鉆井實驗室建設是一個系統工程，其目的是為了滿足網絡終端的任一實驗者可以隨時隨地進入實驗室進行各種實驗、觀察實驗結果、分析實驗數據等。為了更加優化地設計該系統，可以按照實驗室功能及實驗流程將系統化分為若干子系統，通過實現各個子系統的功能來構建整個實驗室的全部功能。

根據功能可以將系統劃分為實驗操作系統、實驗模擬系統、數據分析系統、網絡服務系統、實驗結果顯示系統、實驗數據存儲系統等子系統，如圖2所示。下面以該虛擬實驗室中的高壓水力噴射破巖實驗為例來對各部分功能進行簡要描述：

該課程的某一遠程用戶在某網絡終端打開虛擬實驗室即實驗操作系統主頁面，進行用戶登錄以后（用于區別教師用戶和學生用戶，此處特指學生用戶），首先可以瀏覽該主頁基本功能，主頁面對該虛擬實驗室可提供的所有實驗進行了概述，通過它可以了解整個實驗室的構造情況，并可以獲取一些實驗基礎知識。用戶在選擇了該項實驗后，進入該實驗項目的專有頁面，首先用鼠標點擊頁面左側上方的巖芯選項，在一系列巖芯模型中選擇用戶想要的巖芯，選擇后巖芯模型欄會自動收起，并在頁面左側上方顯示巖芯模型及其規格參數；然后在頁面左側中間的文本框中輸入高壓水力破巖的水力速度，以m/h為單位；從而進入實驗頁面。

用戶在進行以上操作的同時，網絡服務系統將這一系列信息傳輸到實驗模擬系統及數據分析系統。實驗模擬系統根據用戶的操作信息調出該實驗項目所需的實驗場景和儀器。數據分析系統將傳輸來的數據信息進行分析后傳輸到實驗模擬系統，這些數據信息主要在實驗進行中控制實驗儀器的運動速度及狀態。

實驗模擬系統在接到分析好的數據信息后，通過網絡服務系統反饋給實驗操作系統，實驗操作系統提示用戶實驗準備就緒，用戶點擊實驗場景中的控制箱開始按鈕，實驗模擬系統接收到網絡服務系統傳輸來的信號后，開始具體的實驗操作。此時，該實驗操作過程通過網絡服務系統傳輸到結果顯示系統，將模擬過程中水力的沖擊現象、巖芯變化情況、儀表數據信息一一顯示給用戶。

實驗過程完成后，用戶通過鼠標點擊結束實驗，結果顯示系統將巖芯的破損現象顯示給用戶，其破損程度數值則通過網絡服務系統傳輸給數據分析系統，數據分析系統在分析數據是否屬于有效范圍的同時傳輸一份給數據存儲系統進行數據存儲（方便用戶以后調用并查看此次的實驗結果），最后，數據分析系統將原始數據及分析結果以數據或圖表的形式通過網絡服務系統傳輸給結果顯示系統，以便用戶分析此次實驗的實驗結果。

3 虛擬實驗室的技術實現

（1） 建立三維實體模型

針對虛擬實驗室中的每一個實驗項目來分析實驗場景及所包含的實驗儀器，確定實體模型，然后使用三維建模軟件建立場景和儀器的三維實體模型。虛擬實驗場景和虛擬儀器的三維實體模型一般包括非動態實體模型和動態實體模型兩大類。非動態實體模型是指不參與交互和運動的靜態實體模型（如實驗桌、凳子等），動態實體模型是指具有運動屬性和參與交互的各種實體模型。對于靜態實體模型需要從形狀和外觀上對實體進行模擬，同時注意減低模型的復雜度。而對于動態實體模型，在建立三維實體模型的同時，要賦予其動態屬性。

（2） 實驗進行中的人機實時交互

對于網絡終端的實驗者來說，在實驗項目中能夠真實地操縱實驗儀器和控制實驗的開展是至關重要的。而該虛擬實驗室正是通過人機交互技術實現了實驗進行中人和實驗環境及實驗儀器的實時交互，主要包括：對實驗室的漫游以及對實驗儀器的操縱。

實驗者在開展實驗項目之前，需要對實驗環境及實驗儀器做一個總體的了解，這就需要實驗者對實驗環境進行漫游，通過對漫游方向和漫游速率的設置，實驗者可以盡情瀏覽實驗室的任何一個角落及了解實驗儀器的具體構造。

在實驗項目進行中，實驗者需要借助相應的輸入設備在虛擬場景中選擇被操縱的儀器，對該儀器實施選擇、平移、旋轉、縮放等基本，并可以操縱整個實驗項目的實驗流程，可以任意暫停重新開始，也可以一直進展到實驗結束從而觀察最終實驗結果。

（3） 虛擬實驗室的集成及網絡發布

由于實驗場景和實驗儀器是單獨構建的，并且一個實驗儀器有可能在多個實驗項目中出現，這就需要對虛擬實驗室進行集成。集成主要是根據實驗項目將設計好的虛擬實驗場景和該項目所需要的實驗儀器集成到一個固定的虛擬場所中（比如實驗臺、實驗教室等），同時輔以各種其它的媒體素材進行編輯合成（如聲音），以完善和美化實驗室環境，使實驗室界面更加友好，更受到實驗者的歡迎。

為了將集成好的實驗室公開給遠程學習者使用，則需要對實驗室進行網絡發布。發布后虛擬實驗室才能實現遠程使用、共享合作、虛擬實驗等功能。

以本文所實現的系統為例，其中兩個實驗項目集成及發布后的場景如圖3、圖4所示。

三 基于Web的虛擬實驗室在遠程教育中的應用分析

基于Web的虛擬實驗室為遠程網絡終端的學生提供了一個完整的虛擬實驗環境。它在實驗的本體逼真性和應用普遍性，以及在給予實驗者現場實時感受和實驗效果等方面有著良好的效果，它可以讓實驗者有更加逼真的感覺，讓實驗者感覺到自己似乎是在真正的現實實驗室里近距離進行現場實驗操作。它的幾項主要功能決定了將其應用于遠程教育具有絕對的優勢。

1 綜合管理功能

虛擬實驗室將所有虛擬場景、虛擬儀器，甚至網絡終端的多個實驗者集成于一個系統中，使用標準的統一命令來實現功能服務；虛擬實驗室可以對虛擬儀器和虛擬實驗進行管理，即能添加、修改和刪除虛擬儀器和虛擬實驗，以使虛擬實驗室系統適應遠程教學的實驗變更要求。

2 資源共享及互動操作功能

建立虛擬實驗室的宗旨之一就是為了做到資源共享。實驗者可以共享實驗數據、實驗設備、實驗環境等相關資源，該特性能夠減少重復投資，可以大大節約投資成本。而虛擬實驗室一旦開放，即具有互動性，遠程用戶可以操作本地實驗室，同時用戶之間可以交流信息，如在Java Applet界面中包含有接收對話框和發送對話框。

3 實驗功能

這是虛擬實驗室的核心功能。每一個典型的虛擬實驗在結構上主要包括：實驗環境、實驗儀器設備、實驗目的、實驗原理和實驗內容步驟幾部分。遠程學習者可以很方便地了解實驗過程中所用到的各類虛擬儀器的功能及使用方法，也可以很方便地查看實驗的主要目的、實驗的內容、實驗進行時的要求、注意事項等，如果沒有透徹地理解實驗流程，實驗者還可以方便地獲取實驗實施的具體步驟。

4 擴展功能

跟隨教學內容的改動，實驗內容也必將產生變化，則虛擬實驗室的實驗項目需要及時擴充、縮減或修改，服務功能也要隨時增刪或修改。而實驗室本身所具備的綜合管理、資源共享等特點，給改變實驗項目、實驗內容等提供了低消耗的快速的可擴展特性。

5 安全機制

安全性是開放的、透明的、資源共享的遠程合作環境所必需的保障條件，虛擬實驗室必須采取必要的措施和技術手段維護系統軟件和用戶知識產權的安全。具有安全措施的虛擬實驗室，系統能夠做到拒絕非法訪問者進入虛擬實驗室，也可以將合法訪問者的不當操作及時中止。例如采用登錄機制，用戶若要進入虛擬實驗室，首先必須登錄，以核對用戶是否有使用權限。這樣一方面可以阻止非法用戶的入侵；另一方面可針對不同的用戶，賦予不同的使用權限。例如：教師用戶可以將自己創建的虛擬實驗上傳到服務器端，以充實虛擬實驗室的內容。而學生用戶則無此權限。

由以上五個方面可知可知，虛擬實驗室給遠程實驗教學帶來了無法言喻的優勢，決定了它在遠程教育中有著良好的應用前景。

四 結論

將虛擬實驗室應用于遠程教育對探索和發展現代教育理念、提高教育技術水平、改善實驗環境、優化教學過程、培養遠程學習者的動手能力等產生深遠的影響，同時有助于解決遠程教學無基于具體儀器的實踐、遠程教學培養的學生動手能力差等問題。虛擬實驗室系統的開發及投入使用，為遠程實驗教學注入了活力，突破了實驗室時間、空間、地域的限制，實現了以學生為主體、多方向、全方位的遠程教育，取得了顯著的教學成果。

參考文獻

[1] K. Curran, “An online collaboration environment,” [J]. Education and information technologies, vol. 7. no. 2, pp. 41-53, November 2004.

[2] 李亞綠,郝應光,唐禎安.”遠程教育與虛擬實驗室” [J].自然雜志,2001,3:157.

[3] 吳玲達等.多媒體人機交互技術[M].國防科技大學出版社,1999:54-56.

[4] Bhargava, P. Antonakakis, J. Cunningham, C. Zehnder, A. T, “Web-based virtual torsion laboratory,” [J].Computer application in engineering education, vol. 14. no. 1, pp. 1-8, January 2006.