虛擬實驗室建設(shè)

楊百龍，郭文普，徐東輝

(第二炮兵工程大學(xué)403室，陜西西安 710025)

隨著多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用，一種新的實驗訓(xùn)練系統(tǒng)虛擬實驗室，在國內(nèi)外高校和企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，并取得良好的效果。深入分析虛擬實驗室特點優(yōu)勢，廣泛吸納各方成功經(jīng)驗，積極開展虛擬實驗室建設(shè)，是高校實驗室建設(shè)面臨的一項重要任務(wù)。

1 虛擬實驗室及其構(gòu)成

虛擬實驗室是應(yīng)用多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)及各種仿真開發(fā)軟件等仿真現(xiàn)實世界中真實實驗平臺的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)［1］。這些應(yīng)用系統(tǒng)利用軟件虛擬實際實驗室環(huán)境，通過模擬各種實驗材料、器件和儀器儀表等提供可操作的虛擬實驗儀器，學(xué)員通過系統(tǒng)模擬出真實實驗平臺或儀器面板的人機(jī)交互界面調(diào)用、連接、配置各模擬器件和工具，建立并完成具體的實驗項目，系統(tǒng)還能夠?qū)W(xué)員實驗過程和實驗結(jié)果進(jìn)行管理與分析，因此，學(xué)員通過虛擬實驗可取得與真實的實驗室相同的實驗過程體驗，教員通過虛擬實驗室也可對學(xué)員實驗過程和結(jié)果進(jìn)行考核和評價。

虛擬實驗室通常由虛擬實驗臺、虛擬器材庫和實驗室管理系統(tǒng)組成。虛擬實驗臺模擬真實實驗環(huán)境，可供學(xué)員動手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用各種虛擬的實驗儀器沒備。虛擬器材庫管理各種虛擬的實驗儀器、儀表及實驗材料，教員或?qū)W員均可利用虛擬器材庫中的器材搭建各種實驗項目或?qū)嶒灠咐瓿筛鞣N實驗操作及訓(xùn)練。實驗管理系統(tǒng)提供全方位的虛擬實驗教學(xué)功能，如實驗前預(yù)習(xí)、開課管理、項目庫維護(hù)、教學(xué)安排、過程指導(dǎo)、結(jié)果批改、成績統(tǒng)計查詢等功能。三者配合，形成一體化實驗教學(xué)支撐系統(tǒng)。

2 虛擬實驗室建設(shè)與應(yīng)用現(xiàn)狀

“虛擬實驗室”概念最早由美國 University of Virginia的教授 William Wolf于1989 年提出［2］，因其應(yīng)用效果和應(yīng)用前景較好，引起各國高度重視。美國在20世紀(jì)90年代就將虛擬實驗室列入其科研發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃，在1991年，美國科學(xué)基金會、美國國家科學(xué)研究顧問委員會所屬的計算機(jī)與遠(yuǎn)程通信部組成了科學(xué)合作實驗室委員會，投入資金在相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域建造了各自的虛擬實驗室作為示范工程。美國許多政府部門并將所屬的科研機(jī)構(gòu)實驗室過渡到虛擬實驗室環(huán)境中，美國還投資構(gòu)筑全國的虛擬實驗網(wǎng)絡(luò)。虛擬實驗室的建設(shè)在其他發(fā)達(dá)國家已普及。

許多知名企業(yè)均看好虛擬實驗室的發(fā)展?jié)摿Γ娂娡顿Y開發(fā)各類虛擬實驗系統(tǒng)用于產(chǎn)品培訓(xùn)及售后服務(wù)，取得了良好效果。著名網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商思科公司早期就開發(fā)出針對其產(chǎn)品虛擬實驗系統(tǒng)，實驗設(shè)備覆蓋了思科所有路由器和交換機(jī)產(chǎn)品型號，隨后思科又宣布推出思科學(xué)習(xí)實驗室，該實驗室是一款虛擬實踐學(xué)習(xí)包，提供針對思科CCNA、CCNP和CCIP認(rèn)證的實驗實踐，使備考思科認(rèn)證的學(xué)員通過思科IOS軟件獲得針對路由及核心交換的實驗練習(xí)。無獨有偶，2011年9月，全球領(lǐng)先的測試、測量和監(jiān)測儀器提供商―泰克公司也宣布，擴(kuò)展其在線虛擬實驗室，新增LED測試實驗室、變頻器測試實驗室、逆變器測試實驗室，新增實驗室將與原高速串行實驗室共同構(gòu)成泰克在線虛擬體驗平臺，該平臺為工程師提供出從方案指導(dǎo)、型號選擇、產(chǎn)品演示到產(chǎn)品報價、預(yù)約線下實驗室參觀等一系列功能［3］。

在國內(nèi)，己有許多高校初步建立了虛擬實驗室。例如:清華大學(xué)利用虛擬實驗儀器構(gòu)建了汽車發(fā)動機(jī)檢測系統(tǒng);華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測試實驗室成功將其虛擬實驗室用于遠(yuǎn)程教育使用;四川聯(lián)合大學(xué)基于虛擬儀器的設(shè)計思路，研制了航空電臺二線綜合測試儀，將8臺儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng);復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州暨南大學(xué)等一批高校也開發(fā)了各自虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。北京郵電大學(xué)等單位在國家十一五科技支撐計劃項目的研究中提出了開放式網(wǎng)上虛擬實驗室的解決方案，已研制完成開放式網(wǎng)上計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室、開放式網(wǎng)上Linux操作系統(tǒng)虛擬實驗室、開放式網(wǎng)上模擬電路虛擬實驗室、開放式網(wǎng)上電路分析虛擬實驗室、開放式網(wǎng)上高頻電子線路虛擬實驗室、開放式網(wǎng)上數(shù)字電路虛擬實驗室、開放式網(wǎng)上信號與系統(tǒng)虛擬實驗室等;上海交大醫(yī)學(xué)院聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院等自主研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，可虛擬9項醫(yī)學(xué)功能學(xué)實驗，學(xué)生可在任意時間和地點登錄網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，教師也可在線對學(xué)生虛擬實驗的完成情況進(jìn)行檢查和批改［4］。

當(dāng)前虛擬實驗室建設(shè)和應(yīng)用有以下特點［5］:(1)發(fā)達(dá)國家已逐漸向高精尖技術(shù)領(lǐng)域滲透，應(yīng)用情況領(lǐng)先于國內(nèi)。一些國際知名企業(yè)開發(fā)的主要用于產(chǎn)品培訓(xùn)和售后服務(wù)的虛擬實驗室也普遍質(zhì)量較高、應(yīng)用效果好。(2)國內(nèi)面向化學(xué)、物理、計算機(jī)技術(shù)等基礎(chǔ)課程教學(xué)的產(chǎn)品較多，應(yīng)用相對普及。(3)國內(nèi)高校虛擬實驗室普遍存在平臺仿真度較低、虛擬器材不豐富、實驗項目較少、管理考核能力偏弱等問題。因此，虛擬實驗室建設(shè)與應(yīng)用的深度和廣度上均有較大發(fā)展空間。

3 虛擬實驗室特點

相對于傳統(tǒng)的真實實驗室，虛擬實驗室有其獨特優(yōu)勢。

虛擬實驗室最大的優(yōu)點是成本低。虛擬實驗室中所有儀器、設(shè)備均是由軟件虛擬出來的，避免了大型儀器設(shè)備的重復(fù)添置和購買，在同一計算機(jī)中運行不同的實驗系統(tǒng)就可構(gòu)建不同的虛擬實驗室，使得在同一軟硬件平臺上集成多個虛擬實驗室成為可能，這些使實驗室建設(shè)成本降低。虛擬實驗室不會出現(xiàn)因使用不當(dāng)、管理不善等因素造成的儀器損壞、元器件丟失等問題，沒有實驗材料、器材的損耗，實驗室運行保障成本較低。虛擬實驗室日常管理主要是軟件維護(hù)，課前無須準(zhǔn)備各種器材或工具，課后無須煩瑣的設(shè)備狀態(tài)恢復(fù)等工作，維護(hù)管理的工作量小、成本低。

虛擬實驗室可突破時空和各種現(xiàn)實因素限制。大到宇宙天體，小到原子粒子，學(xué)員都可在虛擬環(huán)境中進(jìn)入這些物體的內(nèi)部進(jìn)行觀察。需要幾十年甚至上百年才能觀察到的變化過程，利用虛擬實驗室則可在很短時間內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)員觀察分析。在現(xiàn)實中難以接觸的材料、器件，學(xué)員可在虛擬實驗臺上親手操作，現(xiàn)實條件下難以開展的實驗，學(xué)員卻可在虛擬環(huán)境中親手完成。

虛擬實驗可避免真實實驗或操作所帶來的各種危險。例如，虛擬的化學(xué)、物理實驗，可以避免化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的燃燒爆炸或?qū)W生觸電帶來的危險;虛擬的飛機(jī)或汽車駕駛教學(xué)，可免除學(xué)員操作失誤而造成效能或事故等。

虛擬實驗室便于開展自主創(chuàng)新性實驗。虛擬實驗室通常允許學(xué)員在器材庫中自主選擇設(shè)備、器材、工具。自主搭建各種實驗項目，可支持不同學(xué)員完成不同難度的實驗內(nèi)容，有利于培養(yǎng)設(shè)計能力和創(chuàng)新意識，有利于開展設(shè)計性、自主性和綜合性實驗。

虛擬實驗室便于組織實施開放性實驗。許多基于WEB環(huán)境的虛擬實驗室，均支持在線實驗，學(xué)員只需上網(wǎng)，便可完成實驗項目，方便了學(xué)員學(xué)習(xí)，有力推動了開放實驗和遠(yuǎn)程實驗教學(xué)的應(yīng)用和發(fā)展。

虛擬實驗室能夠提高實驗教學(xué)管理信息化水平。許多虛擬實驗室都配套開發(fā)出實驗室管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了實驗項目、內(nèi)容、成績等管理自動化，提高了實驗教學(xué)管理水平。

虛擬實驗室有其局限性:(1)教學(xué)效果受虛擬實驗室建設(shè)質(zhì)量和水平影響較大。尤其是虛擬實驗室對現(xiàn)實中的真實實驗室虛擬得效果，對實驗設(shè)備與器材的功能與性能、結(jié)構(gòu)與操作，以及對實驗項目的過程與結(jié)果等模擬效果與真實的設(shè)備、器材及真實的實驗內(nèi)容的相似性強(qiáng)度、可信成度，均直接影響虛擬實驗室教學(xué)效果的發(fā)揮。(2)虛擬實驗依托計算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行，開展實驗的學(xué)員計算機(jī)應(yīng)用能力水平在一定程度上影響實驗效率和效果。(3)傳統(tǒng)真實的實驗室建設(shè)主要是方案設(shè)計和設(shè)備購置，建設(shè)周期較短，但虛擬實驗室重點是軟件開發(fā)，開發(fā)周期受實驗內(nèi)容和實驗設(shè)備復(fù)雜程度影響較大，通常比硬件建設(shè)周期略長。盡管如此，虛擬實驗室優(yōu)勢和特色明顯，有時甚至難以替代，是未來實驗室建設(shè)的重要發(fā)展方向。

4 虛擬實驗室建設(shè)的重點

(1)要科學(xué)規(guī)劃建設(shè)項目［6］。并非所有實驗項目都適合建設(shè)虛擬實驗室，虛擬實驗室特別適合驗證性和認(rèn)知性實驗，因此特別適用于幫助學(xué)員理解、掌握基本概念和基本原理的實驗項目或幫助學(xué)員熟悉系統(tǒng)、設(shè)備連接、配置等基本過程的實驗，也適用于軟件或系統(tǒng)操作培訓(xùn)等方面實驗，而對重在培養(yǎng)學(xué)員實踐操作技能類實驗則只可作為前期培訓(xùn)練習(xí)，難以完全取代真實實驗室;并不是所有虛擬實驗室都需要建設(shè)，對通用類基礎(chǔ)課程或典型設(shè)備、系統(tǒng)的應(yīng)用實驗，許多地方高校或企事業(yè)單位都已開發(fā)出虛擬實驗系統(tǒng)可供免費下載或在線共享，因此，在規(guī)劃建設(shè)項目時，要充分調(diào)研、嚴(yán)密論證，避免浪費。

(2)要嚴(yán)格把握質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。實現(xiàn)虛擬實驗室有多種途徑，但無論如何，虛擬實驗室應(yīng)具備一些基本特征:1)與現(xiàn)實的一致性，虛擬實驗臺、虛擬器材要與真實實驗對象在功能、性能、外觀及操作過程等方面均具有較好的一致性。2)高度交互性，可以方便地實現(xiàn)各種實驗操作控制。3)實時的信息交流反饋，對實驗過程和結(jié)果具有良好的反應(yīng)和評價。4)方便的學(xué)習(xí)機(jī)制和豐富的學(xué)習(xí)資源，便于開展自主學(xué)習(xí)或在線咨詢、討論等。因此，在建設(shè)過程中，要充分論證實驗室功能、性能指標(biāo)，確保建設(shè)質(zhì)量。

(3)合理選取技術(shù)手段。虛擬實驗室建設(shè)技術(shù)手段主要有Java技術(shù)、ActiveX控件、VRML技術(shù)、ASP技術(shù)、LabView等，必須根據(jù)具體實驗內(nèi)容、性質(zhì)、特點和要求，結(jié)合各個開發(fā)技術(shù)優(yōu)勢，合理選取相應(yīng)的技術(shù)手段。

(4)健全管理運行機(jī)制。虛擬實驗室的操作對象是虛的，但實驗內(nèi)容和實驗過程必須要實，對教員在實驗過程中的指導(dǎo)、把關(guān)及考核要求更高、更細(xì)，對學(xué)員在實驗中的自主學(xué)習(xí)和自主創(chuàng)新能力要求更高，對學(xué)員求真務(wù)實的態(tài)度要求更嚴(yán)，因此，在日常管理和具體教學(xué)實施中要注重規(guī)范化，要有規(guī)范的課程標(biāo)準(zhǔn)和實驗指導(dǎo)書、制定實驗室管理規(guī)定及設(shè)備和系統(tǒng)維護(hù)管理制度、明確實驗教學(xué)基本要求和考核標(biāo)準(zhǔn)等，充分發(fā)揮虛擬實驗室建設(shè)效益。

5 結(jié)束語

虛擬實驗室建設(shè)，為廣大實驗室建設(shè)及管理人員提出了新的研究課題，在具體工作中是建設(shè)虛擬實驗室或傳統(tǒng)的實物實驗室，要根據(jù)實驗室任務(wù)、實驗對象和內(nèi)容特點及實驗設(shè)備、器材情況等綜合因素，嚴(yán)密論證，科學(xué)決策，虛實結(jié)合才會相得益彰。

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