中學(xué)階段引入虛擬實(shí)驗(yàn)室的探討

劉壽智呂少云

（1. 湖南省藍(lán)山縣第二中學(xué)，湖南 藍(lán)山 425800； 2. 湖南省衡陽縣第五中學(xué)，湖南 衡陽 421236）

0 引 言

實(shí)驗(yàn)是中學(xué)課程改革的重要環(huán)節(jié)，是全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑，以其獨(dú)有的特點(diǎn)，在中學(xué)教學(xué)中起著重要的作用。隨著課程改革在全國的各地的開展，加強(qiáng)中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，對中學(xué)教學(xué)及學(xué)生今后的發(fā)展，都具有十分重要的意義。然而，在目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，還存在諸多問題，如學(xué)校儀器設(shè)備缺乏和陳舊等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。一個(gè)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)要使用多種儀器，而且不同實(shí)驗(yàn)所用的儀器也不盡相同，如果開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)所需儀器更多，這么多的儀器不僅價(jià)值昂貴，體積大，占用空間多，而且相互連接也十分麻煩。如何更合理地配置教育資源，解決好資金投入與人才培養(yǎng)之間的矛盾，是學(xué)校開展實(shí)驗(yàn)教育經(jīng)常需要考慮而又是傷腦筋的問題。并且傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室容易造成儀器損壞。因此，通過擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)室規(guī)模、增添大量儀器設(shè)備來滿足傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一般是難以實(shí)現(xiàn)的。因此如何解決這些問題成為一個(gè)制約中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)大問題。我們認(rèn)為，如果在中學(xué)階段引入虛擬實(shí)驗(yàn)室是個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。

1.入虛擬實(shí)驗(yàn)室的必要性

虛擬實(shí)驗(yàn)就是在WEB中創(chuàng)建出一個(gè)可視化的環(huán)境，其中每一個(gè)可視化的物體代表一種實(shí)驗(yàn)對象[1]。通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊以及拖曳操作，用戶可以進(jìn)行虛擬的實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)是一種應(yīng)用廣泛的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑侥壳盀橹梗呀?jīng)歷了思想實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)階段[2]。虛擬實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)階段是形象化階段，從時(shí)間上來說是指在1946年電子計(jì)算機(jī)發(fā)明以前的歷史時(shí)期。在這個(gè)階段虛擬實(shí)驗(yàn)被稱作思想實(shí)驗(yàn)，那是因?yàn)楫?dāng)時(shí)只有在人的頭腦中才能進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)的第二個(gè)階段是數(shù)字化階段。它主要指利用電子計(jì)算機(jī)所進(jìn)行的計(jì)算機(jī)仿真階段，它是指利用電子計(jì)算機(jī)對實(shí)驗(yàn)對象的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，以求得對實(shí)物原型系統(tǒng)規(guī)律性認(rèn)識(shí)的一種實(shí)驗(yàn)方法。虛擬實(shí)驗(yàn)的第三個(gè)發(fā)展階段是虛擬現(xiàn)實(shí)階段。虛擬現(xiàn)實(shí)作為虛擬實(shí)驗(yàn)發(fā)展的一個(gè)新階段，它與狹義的思想實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)相比有著以下幾個(gè)方面的特色[3]:

①真實(shí)性，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身就是要?jiǎng)?chuàng)建一種虛擬的“真實(shí)性”，所以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用使虛擬實(shí)驗(yàn)不再是一個(gè)理想化過程，逼真和真實(shí)被提到了首要的地位。在虛擬現(xiàn)實(shí)中能體驗(yàn)到視覺、聽覺、膚覺、動(dòng)覺、平衡覺等多種感覺甚至還將給人以味覺和嗅覺的感受。

②交互性，使用者能對虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行操作并得到相應(yīng)的反饋。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得虛擬實(shí)驗(yàn)更逼真、更為人性化，利用這種交互性的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行外科手術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)己經(jīng)投入了實(shí)際使用。

③形象性和直觀性，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用逼真的畫面反映實(shí)驗(yàn)對象及過程，用強(qiáng)大的運(yùn)算能力分析實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)量關(guān)系，最后用直觀的形式將實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出來，從而使虛擬實(shí)驗(yàn)保持形象性與直觀性的統(tǒng)一。

虛擬實(shí)驗(yàn)從廣義上說是一種模擬實(shí)驗(yàn),但它在實(shí)驗(yàn)的本體逼真性和應(yīng)用普適性,以及在給予實(shí)驗(yàn)者現(xiàn)場實(shí)時(shí)感受和實(shí)驗(yàn)效果等方面,是傳統(tǒng)意義上的模擬實(shí)驗(yàn)根本無法相比的。它與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室具有如下特點(diǎn)：

（1）成本低，只要購買一定的儀器模板以及相應(yīng)的軟件(例如Labview等軟件)，就可以構(gòu)成足夠數(shù)量的虛擬儀器供學(xué)生使用，可以節(jié)約大量儀器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)投入。因?yàn)椤败浖礊閮x器”，這樣就可解決因?qū)嶒?yàn)經(jīng)費(fèi)不足或高檔次、高價(jià)位設(shè)備缺乏所不能開出的實(shí)物實(shí)驗(yàn)尤其是通過聯(lián)網(wǎng)后能實(shí)現(xiàn)大型科學(xué)儀器的資源共享，避免了大型儀器設(shè)備的重復(fù)添置、購買和浪費(fèi)。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以反復(fù)多次使用，不存在實(shí)驗(yàn)器材的消耗，節(jié)省使用維護(hù)成本，特別是在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)緊張的情況下,有較大優(yōu)勢。

（2）品種全，虛擬實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)庫可做到規(guī)格品種齊全，并易于升級(jí)換代和增加新品種，從根本上解決了因?qū)嶒?yàn)元器件和儀器儀表不全而影響實(shí)驗(yàn)的問題。

（3）效率高，虛擬實(shí)驗(yàn)室省去了手工實(shí)驗(yàn)時(shí)的許多簡單勞動(dòng)，如器材準(zhǔn)備等，使用者可以集中精力研究實(shí)驗(yàn)對象本身的特性和規(guī)律，同時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)室通過提供良好的在線幫助和學(xué)習(xí)功能，可幫助使用者迅速掌握實(shí)驗(yàn)研究本身和達(dá)到實(shí)驗(yàn)研究的具體目標(biāo)和要求，大大提高了學(xué)習(xí)和研究效率。

（4）安全性，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，可以避免直接接觸危險(xiǎn)的或?qū)θ梭w健康有危害的實(shí)驗(yàn)，不會(huì)處于潛在危險(xiǎn)的壓力之中，一心專注于實(shí)驗(yàn)。例如，虛擬的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，可避免化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的燃燒、爆炸所帶來的危險(xiǎn)。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可以放心實(shí)驗(yàn)，大膽操作，積極開拓思維，掌握更多的實(shí)驗(yàn)技巧。

（5）準(zhǔn)確性，計(jì)算機(jī)模擬的演示實(shí)驗(yàn)具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所不及的準(zhǔn)確性，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)受器材的限制、環(huán)境因素的影響和實(shí)驗(yàn)誤差的影響，這些都是由于實(shí)物實(shí)驗(yàn)造成的，而用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于是事先將規(guī)律輸入機(jī)器的，不會(huì)受上列因素的影響，因而準(zhǔn)確程度高，并且數(shù)據(jù)可隨時(shí)由計(jì)算機(jī)輸出，更容易找出規(guī)律。

（6）直觀性，計(jì)算機(jī)的顯示屏由于它的明亮程度高，從心理學(xué)的角度來看，還能刺激學(xué)生的視覺，提高學(xué)生的興趣。特別是計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)對兩處動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察，從而使其直觀性更強(qiáng)。如在講授機(jī)械振動(dòng)形成機(jī)械波時(shí)，用傳統(tǒng)的方法觀察到質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，就無法觀察到波的傳播，而觀察到波的傳播，又無法觀察到質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，而用計(jì)算機(jī)模擬這一實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以很清楚地同時(shí)觀察到這兩種運(yùn)動(dòng)，比較容易得出質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)和波的傳播的關(guān)系。計(jì)算機(jī)的直觀性還體現(xiàn)在它能對不同的物理現(xiàn)象進(jìn)行類比。如運(yùn)動(dòng)學(xué)中的自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)和斜拋運(yùn)動(dòng)，用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)可把它們投入同一坐標(biāo)軸上研究，比較容易找到它們的共性和個(gè)性。

（7）易維護(hù)，如果采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，那么不僅要耗費(fèi)巨額資金來擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)規(guī)模，增添大量的儀器設(shè)備，而且也要擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)管理人員以加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)管理環(huán)節(jié)，盡量避免儀器設(shè)備磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)秩序良好進(jìn)行。然而元器件的消耗是不可避免的，該經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)是讓人難以承擔(dān)的。

（8）開放性，鑒于網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)實(shí)驗(yàn)的開放性和共享性，資源的可重復(fù)利用率提高，系統(tǒng)組建時(shí)間縮短，功能易于擴(kuò)展和管理，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作機(jī)會(huì)得以增加，實(shí)驗(yàn)范圍和科目得以擴(kuò)大，高新技術(shù)在教育領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)勢可以充分發(fā)揮出來。

教育專家預(yù)測，在21世紀(jì)，虛擬實(shí)驗(yàn)將成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最重要和最熱門的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

2.擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建原則

虛擬實(shí)驗(yàn)室概念的提出至今將近二十年的時(shí)間，因其廣闊的應(yīng)用前景，各國均在大力開發(fā)，己經(jīng)取得了一些進(jìn)展。越來越多的科學(xué)家正在投身于虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究工作中來。例如，美國巴爾的摩(Baltimore)約翰霍普金斯大學(xué)的化學(xué)工程系的卡爾威教授 (Michael Karweit)在電腦網(wǎng)絡(luò)上建立了一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，讓工程系的學(xué)生通過電腦網(wǎng)絡(luò)做實(shí)驗(yàn)，嘗試解決工程上遇到的各種問題；德國的漢諾威大學(xué)建立了虛擬自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室；西班牙大學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理系開發(fā)了計(jì)算機(jī)組成原理儀器虛擬工作平臺(tái)；意大利帕瓦多大學(xué)建立了遠(yuǎn)程虛擬教育實(shí)驗(yàn)室；加拿大科學(xué)家建立的有關(guān)人體細(xì)胞的虛擬實(shí)驗(yàn)室；劍橋大學(xué)、斯坦福大學(xué)等眾多國際著名大學(xué)都組建了自己的虛擬實(shí)驗(yàn)室。有些國外大學(xué)甚至把虛擬實(shí)驗(yàn)作為了學(xué)生的必修課。我國的不少高校也己經(jīng)引入了虛擬實(shí)驗(yàn)室。例如:清華大學(xué)利用虛擬儀器構(gòu)建了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測系統(tǒng)；華中理工大學(xué)機(jī)械工程測試實(shí)驗(yàn)室將其虛擬實(shí)驗(yàn)室成果在網(wǎng)上公開展示，供遠(yuǎn)程教育使用；四川聯(lián)合大學(xué)基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思路，研制了“航空電臺(tái)二線綜合測試儀”，將8臺(tái)儀器集成于一體，組成虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；中國科技大學(xué)人工智能與計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究室最新研制出我國第一套虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件“幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)平臺(tái)”，該系統(tǒng)完成了光學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)所提供的一系列光學(xué)儀器，學(xué)生可以基本上完成所有的實(shí)驗(yàn)，并且提供了完整的文檔和習(xí)題系統(tǒng)[4]。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)建立了虛擬土壤一作物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。海軍航空工程學(xué)院青島分院自主完成的“電路與電子網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”，學(xué)生可在網(wǎng)上做電路與電子的有關(guān)實(shí)驗(yàn)；浙江大學(xué)的虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)，是基于web的虛擬實(shí)驗(yàn)，以VRML和Java技術(shù)結(jié)合開發(fā)。中國科學(xué)院、大連理工大學(xué)等也成立了計(jì)算化學(xué)、分析化學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)室。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在中學(xué)階段引入虛擬實(shí)驗(yàn)室的條件越來越成熟。在設(shè)計(jì)面向中學(xué)生的虛擬實(shí)驗(yàn)室時(shí)，我們認(rèn)為應(yīng)該遵循如下幾個(gè)原則：

（1）科學(xué)性原則，這是虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境要遵循的最根本的原則。沒有科學(xué)性，虛擬實(shí)驗(yàn)的效果也就無從談起。首先，虛擬實(shí)驗(yàn)中的虛擬儀器的屬性要和真實(shí)世界中的實(shí)驗(yàn)器件的屬性相一致，并且要符合學(xué)習(xí)者認(rèn)知的發(fā)展規(guī)律。其次，實(shí)驗(yàn)過程的模擬，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯示必須嚴(yán)格遵從物理科學(xué)的規(guī)律，不能出現(xiàn)違背科學(xué)規(guī)律的錯(cuò)誤。

（2）與現(xiàn)實(shí)的一致性，如果實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)置都保持與現(xiàn)實(shí)的一致性，且還要模擬它們實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的各種聲音，如汽笛聲、按鈕按動(dòng)聲、內(nèi)部機(jī)械動(dòng)作聲等，這樣才能使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室有身臨其境的感覺，全身心地投入學(xué)習(xí)。

（3）實(shí)時(shí)的信息反饋，故障發(fā)生器，在實(shí)際工作中除了設(shè)備正常情況下的操作，還有各種意外情況，如某些設(shè)備故障的情況。此時(shí)，要求在虛擬系統(tǒng)中也能模擬手柄失靈、儀表信號(hào)不顯示及自然災(zāi)害發(fā)生的情況等，即給實(shí)驗(yàn)增加一些難度，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)際操作能力。

（4）功能全面，在設(shè)計(jì)中學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)室時(shí)，除了有實(shí)驗(yàn)環(huán)境以實(shí)驗(yàn)器材外，還應(yīng)具有實(shí)驗(yàn)說明書，實(shí)驗(yàn)報(bào)告單，還應(yīng)該具有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集及加工能力。

（5）畫面美好，一個(gè)優(yōu)秀的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境不僅要傳授科學(xué)知識(shí)，還要有一定的藝術(shù)欣賞價(jià)值，使學(xué)生在接受知識(shí)的同時(shí)也有美的享受。軟件應(yīng)該是好的內(nèi)容與美的形式的統(tǒng)一，美的形式能更好地表現(xiàn)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的興趣。讓學(xué)生在藝術(shù)的氛圍中學(xué)習(xí)物理知識(shí)。這里的畫面美好一是指畫面美觀，即友好的界面設(shè)計(jì)；二是指圖片、圖像、動(dòng)畫要盡量反應(yīng)真實(shí)的現(xiàn)象；三是指運(yùn)動(dòng)流暢，即畫面之間的切換無跳躍感，自然和諧圈。

3.育觀的改變

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用、發(fā)展前景，隨著虛擬實(shí)驗(yàn)的普及，其優(yōu)越性會(huì)被越來越多的人認(rèn)識(shí)。但要使虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)真正得到推廣應(yīng)用，關(guān)鍵還是觀念的改變。

首先，要培養(yǎng)一支高素質(zhì)的實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍，不斷地進(jìn)行知識(shí)更新，加強(qiáng)學(xué)習(xí)，重視信息的收集、加工、應(yīng)用，了解掌握最新技術(shù)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展。虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用和發(fā)展，加快了實(shí)驗(yàn)室發(fā)展和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，促進(jìn)了教育觀念的改變。

其次，是教師觀念的改變，不能把虛擬實(shí)驗(yàn)室僅僅和仿真實(shí)驗(yàn)等同起來，因而認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)沒有任何探索新知識(shí)上沒有任何價(jià)值.實(shí)際上，現(xiàn)在正在快速發(fā)展的虛擬實(shí)驗(yàn)室，跟現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)室是完全一樣的，它不但可以驗(yàn)證已有的知識(shí)，還可探索新的知識(shí)。

再次，中學(xué)教師除了具有創(chuàng)新精神和能力外，還應(yīng)有一個(gè)科學(xué)的投資理念，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和發(fā)展中，充分考慮投資效益，建設(shè)現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)室。

4.束語

虛擬實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比，具有無可比擬的優(yōu)勢，具有巨大的應(yīng)用前景。中學(xué)教師應(yīng)該做好應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的準(zhǔn)備，轉(zhuǎn)變教育觀念，使我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)更具有科學(xué)性和現(xiàn)代化。

[1]林川,劉勝永,潘盛輝.基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].軟件導(dǎo)刊, 2007(1):39-40.

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[4]張茂軍.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社, 2002.