西部高校發展虛擬實驗的必要性與可行性研究

楊勇 董曉輝

1 無錫職業技術學院圖文信息中心 江蘇無錫 214121 2 西北師范大學網絡教育學院 蘭州 730070

西部高校發展虛擬實驗的必要性與可行性研究

楊勇1董曉輝2

1 無錫職業技術學院圖文信息中心 江蘇無錫 214121 2 西北師范大學網絡教育學院 蘭州 730070

旨在對西部高校發展虛擬實驗的必要性與可行性做出論證，為此對甘肅省高校實驗教學進行抽樣調查和走訪，統計并分析甘肅省高校發展虛擬實驗的各種因素，并就西部省份高校發展虛擬實驗的可行性進行探討。

西部高校；虛擬實驗；必要性；可行性

This article aims at the development of virtual universities in Gansu Province and demonstrates the necessity and feasibility. For this, the author conducts a sample survey of experimental teaching in Gansu Province and visits universities, then the author makes statistics and analysis of some experiments factors of development of virtual experiments universities in The West, and discusses the feasibility of virtual experiment.

近年來，隨著通信、計算機、多媒體和網絡等先進技術的迅速發展，使得虛擬現實技術在實驗教學領域應用成為可能。將虛擬現實技術應用到實驗室，因而產生虛擬實驗，虛擬實驗的出現為科學研究與實驗教學的發展帶來新的思路。

1 虛擬實驗概念

關于虛擬實驗的定義，研究者從不同的角度和程度上有各種描述。

1）從基本組成形式來看，虛擬實驗是由實驗所依賴的模擬程序、實驗單元、工具和參考資料組成的一個創造和引導模擬實驗的交互環境，即實驗場所，用戶可以通過增加新的物體、建立新的實驗并把它們轉化成超文本文件來擴充實驗室[1]。

2）從實現原理和工具來看，虛擬實驗是以數學理論、相似原理、信息技術、系統技術及與其應用領域有關的專業技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，采用“面向對象”思想創建的能夠實時操作的、非實在的實驗空間，在此環境中，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種預定的實驗項目[2]。

3）從實驗的效果來看，虛擬實驗是指在計算機系統中采用虛擬現實技術實現的各種虛擬實驗環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種預定的實驗項目，所取得的學習或訓練效果等價于甚至優于在真實環境中所取得的效果[3]。

上述各種觀點，雖然表述不同，但在關于虛擬實驗本質的看法上，并沒有大的差異。當然，過多地糾纏于虛擬實驗的概念定義的描述，沒有實質性的意義，如何支持虛擬實驗的發展，開發、設計虛擬實驗以及將其科學合理地應用到實驗教學中，提高實驗教學質量，促進實驗教學發展，才是研究虛擬實驗的重點。

2 研究現狀

虛擬實驗出現以后，因其良好的應用前景，各國均投入大量的資金和人力進行研究。美國作為虛擬實驗研究開展最早的國家，在該領域已經取得一些進展，其中代表性研究成果有伊利諾伊大學的Nmrscope系統，俄勒岡大學物理系主辦的VLAB物理實驗網站，麻省理工學院的WebLab在線設備檢測實驗室等。其他發達國家也在虛擬實驗的研究和應用方面取得一些成果，典型代表如德國Ruhr大學開發的Vclab實驗室[4]，新加坡國力大學電子工程系開發的用于工程教育的虛擬實驗室，澳大利亞RMIT大學的John Ball和Kate Patrick設計的虛擬實驗等。

與西方發達國家相比，我國虛擬實驗的研究起步比較晚，在研究進展及技術上有一定的差距。但隨著近年來政府相關投入的增加和研究者的重視，虛擬實驗在我國已經得到快速發展。國內自主研發的典型虛擬實驗系統有華中科技大學的液壓回路性能和液壓元件裝拆虛擬實驗[5]，北京大學的基于WWW支持大計算量和交互式的網上虛擬實驗室的基本結構（3WNVLAB）[6]，北京師范大學研制的Evlab系統，北京東方仿真控制技術有限公司開發的化工原理仿真實驗系統，等等。

3 西部高校開展虛擬實驗建設的必要性

西部12個省份，70%的國土面積上生活著全國大約30%的人口。2007年的統計數據顯示，西部在全國的高等教育格局中處于相對弱勢地位，擁有的高校數僅占全國高校總數的24.4%，國家重點實驗室占14.9%，一級學科國家重點學科占11%，中國科學院院士占7%，中國工程院院士占10%，博士學位授權點占17.2%。現任蘭州大學校長周緒紅在一次采訪中表示，西部地區的高等教育有“六少”：重點高校少、直屬高校少、重點學科少、重點實驗室少、研究生（論壇）學位授權點少、招生名額少。

3.1 甘肅省高校概況介紹

甘肅省有專科層次以上普通高校30余所，其中“211工程大學”1所，省部共建大學1所，普通本科院校12所，其他皆為專科院校和高職院校。僅以甘肅省高校為例，教學儀器缺額為4.4億元，圖書缺額為98萬冊，教學實驗用房缺額為175萬平方米。省財政每年可用于高校的基建投入僅有1 000萬元左右，省屬院校建設主要依靠銀行貸款，總負債已高達49億元，每年支付利息需3億多元，且息滾息，對本來就投入不足的省屬高校無疑是雪上加霜。曾有政協委員在政協甘肅省九屆五次會議召開的“教育發展專題聯組座談會”上，做過一份關于“巨額債務困擾甘肅高校正常發展”的調查報告[7]，報告中指出，甘肅省30余所普通高校，負債49億元，年利息近4億元，高校資金短缺，基礎設施建設嚴重滯后，已成為影響高校穩定的重要因素，成為高校擴招后教育教學質量不能完全保證的重要誘因，成為制約高等教育持續健康發展的主要瓶頸。

3.2 甘肅省高校實驗教學現狀調查分析

為了深入了解甘肅省高校目前的實驗教學情況，筆者設計了《甘肅省高校實驗教學現狀調查》問卷，對甘肅省高校的實驗教學進行抽樣調查。調查范圍涉及甘肅省辦學條件較好的7所院校（見表1），它們從不同的層面上代表了甘肅省的高等教育。調查對象分為在校大學生（包括研究生）和任課教師，涉及學科多達54個，其中理工科類占88.89%。調查共發放學生問卷325份，收回有效問卷269份，問卷有效收回率為82.76%；發放任課教師問卷160份，收回有效問卷104份，問卷有效收回率為65%。根據艾爾·巴比的“問卷回收率至少要有50%才是足夠的”[8]這一說法，可見本調查問卷有效回收率滿足要求。

問卷從實驗設備能否滿足授課、學習、科研需求，實驗設備存在哪些方面不足，實驗課的開設情況，假設實驗課開展比較差的原因等幾個維度進行了調查。

1）從實驗設備的滿足度統計分析看，不管是學生還是教師，從學習、授課及科研角度都認為實驗設備的滿足度不夠。其中，59.1%的學生認為無法滿足其學習需求，51.0%的任課教師認為不能滿足授課需求，61.5%的教師認為不能滿足科研工作。

2）從實驗設備現狀調查分析看，教師和學生都認為經常使用的設備比較缺乏，分別占調查組中的46.2%和33.8%，占總調查人數中的37.2%，比重最大；同時有46.1%的學生、51.9%的教師認為比較昂貴的設備不足，占總調查人數的47.7%。可見，由于高校資金不足，在實驗教學的投入上有限，致使經常使用的實驗設備和比較昂貴的設備明顯不足。

表1 調查院校表

3）從實驗課的開展情況來看，只有3.4%的調查者反映實驗課沒有開設，由此推斷，甘肅省高校實驗課開設基本正常，那么在實驗設備不足的情況下，實驗課的開設效果如何呢？從學習者的角度分析來看，60.6%的學生認為實驗課沒有達到預期的學習效果。

4）通過對實驗教學效果不佳的原因探索的統計分析，表明導致實驗教學效果不佳的直接原因之一是硬件問題，實驗設備數量不足、種類不全以及經常使用的和比較昂貴的實驗設備的缺乏等直接影響了實驗教學效果，所占比重高達49.8%。而另一個原因是教學制度及教學進度的問題，理論課程太緊，忽略了實驗課，實驗課次數太少，課時數太少等也成為影響教學效果的重要原因，其所占比重為46.1%。

因此，不難看出甘肅省各高校雖然基本上都開設了實驗課，但由于硬件建設及教學制度等原因，實驗教學效果遠沒有達到教學的要求。

3.3 實驗教學模式落后

實驗教學最基本的目的是讓學生學習實驗方法、科學思維方法和學科的基本研究方法。然而實驗教學組織形式和教學模式的僵化滯后嚴重阻礙實驗教學目標的實現。在對問卷進行統計分析和對表1中7所高校走訪的結果來看，實驗教學（除研究生實驗課程）的組織形式和教學模式普遍存在下面幾個問題。

1）理論驗證性實驗教學成為主角。在走訪中有85.3%的教務管理教師和71.7%的任課教師認為實驗課的開設存在嚴重問題。首先，在設置實驗課時，學校主要考慮什么理論課程需要實驗，就開設什么實驗課程，而不是在宏觀上為某門學科制定具體明確的實驗教學培養計劃。這樣的排課制度造成各實驗課之間缺乏聯系，綜合性實驗課更是無法開設，不利于學生處理問題能力的培養。其次，理論課沒有講到，實驗課就不能先做，實驗只起到驗證理論的作用，變成理論教學的輔助手段。實驗教學更重要的是培養學生運用所掌握的知識分析、解決問題的能力，而驗證性實驗是最低層次的實驗。

2）教學內容滯后，脫離實踐。由于實驗室不對外開放，內部封閉，再加上實驗設備在沒有資金支持下不能及時更新，學科發展的新思想、新技術、新方法不能被及時吸收到實驗教學中來，使得實驗教學手段、教學內容更新非常緩慢，遠遠落后于時代發展的步伐。實驗課只是對課本知識的重復、理論的驗證，缺少實際問題的解決。學生只關心如何完成學習任務，很少思考如何利用所學的知識解釋生活中的實際現象，解決實際問題。

3）忽視實驗的主體。實驗教學的組織形式機械模仿課堂教學，基本上就是按班級進行教學安排，由于同一類型的設備數量固定，這樣的安排導致班級人數多的設備不夠，人數少的設備閑置。雖然教學班一直是教學管理的有效載體，但它卻往往是教學尤其是實驗教學忽視學生個體差異的前提。在實驗教學過程中，學生沒有任何發言權和選擇權，教師安排實驗內容，準備好實驗儀器，實驗之前教師先對本實驗的目的、原理、實驗步驟進行講解，然后演示實驗[9]。學生只要照著現成的步驟，按部就班地進行實驗，最后交一份實驗報告即可。并且在統一的實驗課結束后，實驗室便關門，學生再沒有接觸實驗的機會。這種僵化的實驗教學模式漠視學生能力差異和個性的發展，并且很大程度上抑制了學生做實驗的積極性和主動性，更不利于學生創新實踐能力和探索精神的培養。

4）實驗室設備隱性浪費。實驗室的建設是高等院校除基建外投資最大的基礎建設，理應在人才培養中發揮與之相稱的作用。然而，筆者在調查中發現，實驗室的利用不容樂觀，存在隱性浪費，這些投資巨大的實驗設備學生只能在固定的實驗課堂上使用，實驗課結束后便關門大吉。更有甚者，有些實驗室因為沒有相應課程的安排而閑置一個學年，學生不允許進入實驗室，更無權使用實驗設備。還有些單位花大資金為某項目購買了儀器，在項目結束后便擱置一旁，直至淘汰報廢。

3.4 發展虛擬實驗是實驗教學走出困境的有效途徑

在目前高校資金短缺，實驗教學形同虛設的情況下，發展虛擬實驗成為實驗教學走出困境的有效途徑。虛擬實驗盡管不能完全取代傳統實驗，但因其與生俱來的優勢將克服傳統實驗教學中存在的多方面困難。

1）走出資金困境。虛擬實驗的實驗儀器和設備都是通過軟件虛擬化的，除了開發實驗軟件和架設虛擬實驗環境的網絡設備的費用外，相比大規模地購置真實實驗設備、增加實驗場所以及大面積地更新換代所需要的費用，虛擬實驗耗資較小，并且減少了設備的損壞，也更易于更新換代。尤其對大型精密儀器的虛擬，不但節省了資金，而且學生也將有機會接觸應用到。

2）突破時空的限制。虛擬實驗可以突破時空的限制，這有三方面的涵義。①傳統實驗中由于受到實驗時間和實驗場所的限制，學生基本上除了在實驗課堂上規定的時間內進行實驗學習外，就再沒有機會進入實驗室了。虛擬實驗則不受時間和空間限制，只需在任一有網絡的地方便可進入實驗室，選擇性地做實驗，并可反復多次實驗。②虛擬實驗可以模擬大到天體運行、小到原子結構等真實實驗無法實現或很難實現的情況。比如，學生可以置身于虛擬的宇宙中，觀察天體的運動軌跡和相互關系；學生也可以進入原子世界，觀察原子的組成結構。③有些需要長時間才能觀察到變化過程的實驗，通過虛擬現實技術模擬，可以在短暫的時間內展示給學生觀察，如種子的發芽過程、蜜蜂的工作規律等。

3）實驗內容的新穎和實驗方法的先進。虛擬實驗本身不僅基于各種先進技術，更重要的是它是在先進教學理念的指導下建設的。虛擬實驗系統建設在網絡基礎之上，成為實驗內容快速更新的前提，加之更新升級成本較低，使得先進的教學理念可以很容易地設計到實驗系統中，并且虛擬實驗能夠仿真世界第一流的儀器設備，為實驗的先進性提供設備基礎。

4）學生成為實驗教學的主體。在虛擬的實驗環境中，學生能夠根據自己的情況，自主地選擇實驗內容，自我控制實驗過程。在學習之前，可以對實驗內容、實驗儀器、實驗原理等進行熟悉和理解，也可以在實驗后對沒有觀察清楚和不理解的地方反復實驗。同時，學生還可以在教學內容之外，對感興趣的實驗進行深入研究，嘗試實驗。學生在實驗的過程中自始至終處于主體地位，充分激發學習熱情、提高學習效率的同時，更有利于發散思維、創造性思維的培養，以及解決實際問題的能力的鍛煉。

因此，虛擬實驗不僅可以有效解決目前實驗教學中存在的各種問題，還從深度和廣度上使實驗教學得到提升。虛擬實驗教學必將有力地推動教學內容、方法和教學模式的變革，是實驗教學的發展方向，是現代化教學尤其是實驗教學改革的必然趨勢。

4 西部高校發展虛擬實驗的可行性

4.1 可行性基礎之先進技術的發展

1）計算機與網絡的發展為虛擬實驗提供了可靠的硬件基礎。隨著我國教育信息化的大力推行，校園網絡的建設和計算機的普及給虛擬實驗教學打下堅實的基礎，并對其產生巨大的推動作用。2002年，隨著“西部大學校園計算機網絡建設工程”項目的啟動，在國家的大力支持下，西部各高校相繼建立了校園網，校園主干帶寬幾乎都達到1 000 Mbps，桌面帶寬也達到100 Mbps。近年來，部分高校計劃或正在實施校園網絡升級，千兆校園網絡為虛擬實驗教學的實施打下堅實基礎。

2）先進的開發技術為虛擬實驗提供技術支持。近年來，比較流行的虛擬實驗開發技術主要有VRML、JAVAJava Applet、Quick Time VR以及3DMAX等各種Web技術，以及圖形圖像處理、視音頻技術的發展與廣泛應用，為虛擬實驗的開發提供了技術保障。

3）數據庫技術的發展為虛擬實驗提供了強大的數據支撐。世界一流的數據庫公司開發的大中型數據庫，比如Oracle、SQL Server、DB2、Sybase、Informix等可以滿足不同的數據存儲訪問需求，成為虛擬實驗教學龐大的實驗數據安全存儲和高速訪問的支撐[10]。

4.2 可行性基礎之學科、人才保障

高校本身就是人才云集的地方，僅以甘肅為例，雖處落后的大西北，但不乏歷史久遠的百年學府（蘭州大學、西北師范大學、蘭州理工大學），在百年辦學期間，已經形成比較穩固且門類、層次齊全（博士、碩士、本科、專科高職等）的學科，并且在各個學科都有雄厚的師資力量，其中不乏兩院院士、國內學科帶頭人、長江學者等在學術上有領導地位的人才。完善的學科背景和雄厚的師資力量為虛擬實驗的建設提供了強大的學術保障。

4.3 可行性基礎之成功的經驗和大量理論研究的開展

本文前面已經介紹了國內外很多典型的虛擬實驗研究和應用的成功案例。在此，筆者從文獻檢索的角度，通過CNKI檢索對國內虛擬實驗研究的現狀進行統計分析。以“虛擬實驗”為關鍵詞，2005～2009年為時間段進行文獻檢索，在題名包含“虛擬實驗”的期刊論文和碩、博士學位論文研究中，檢索到665篇，并按年度檢索了這5年間的研究情況。結果表明，文章的篇數穩步上升，人們對“虛擬實驗”的關注度逐年提升。這些研究成果也是發展虛擬實驗的奠基石，為虛擬實驗的建設指引了方向。

5 總結

虛擬實驗的建設不僅為西部省份高校解決實驗教學的問題指明了道路，還是培養高素質人才的迫切要求，也是院校現代化建設的必然趨勢和提高教學效益的有效途徑。虛擬實驗的建設不僅可以節約在實驗教學方面的投入，更重要的是可以完善高校現有的教學體系，提高高校的教學水平和教學質量，促進學生學習的自主性，培養學生的探索精神和創新精神。

[1]虛擬實驗[EB/OL].http://aglorihtmbciotnay.org/rviurtal_laboroaty/2008.

[2]單美賢,李藝.虛擬實驗原理與教學應用[M].北京:教育科學出版社,2005.

[3]汪詩林,吳泉源.開展虛擬實驗系統的研究和應用[J].計算機工程與科學,2000,22(2):33-35,39.

[4]德國Ruhr大學.Virtual Control Lab[EB/OL].http://www.esr.ruhr-uni-bochum.de/VCLab.

[5]華中科技大學.液壓與氣壓傳動虛擬實驗[EB/OL].http://col.njtu.edu.cn/zskj/4024/httproot/xunsy/xunsy.htm.

[6]崔光佐,程旭,楊芙清.基于WWW的網上虛擬實驗室設計與實現[EB/OL].http://221.208.174.58:888/sourced/10/03/01/03/08/30567.html.

[7]賈治堂.不堪重負，甘肅一高校“關門”[EB/OL].http://www.gszx.gov.cn/www/ContentsDisp.asp?id=3049&ClassId=45.

[8]艾爾·巴比.社會研究方法[M].邱澤奇,譯.北京:華夏出版社,2000.

[9]梁上燕,孫建安.對高校傳統實驗教學模式的反思[J].西北成人教育學報,2007(4):11-12.

[10]白娟.虛擬實驗教學及其設計研究[D].西安:陜西師范大學,2005.

TP391.9

A

1671-489X(2012)15-0006-04

10.3969 /j.issn.1671-489X.2012.15.006

Study of Necessity and Feasibility on Developmental Strategies of Virtual Experiments in Colleges and Universities of West//Yang Yong1, Dong Xiaohui2

Author’s address 1 Information Center of Wuxi Institute of Technology, Wuxi, Jiangsu, China 214121

2 Network Education Institute of Northwest Normal University, Lanzhou, China 730070

作者：楊勇，西北師范大學計算機專業本科畢業，江南大學碩士在讀，主要從事虛擬實驗、信息資源的研究。