虛擬實驗系統建設探討

【摘要】虛擬實驗系統是基于Internet、虛擬技術構建的網絡化的實驗教學系統， 在虛擬實驗中，學生既可以在虛擬實驗系統里動手操作，又可以自行設計實驗，有利于培養學生的動手能力、設計能力和創新能力。在虛擬實驗中，學生更易獲得相關知識、科學的指導和敏捷的反饋。虛擬實驗室是未來實驗室建設的發展方向。

【關鍵詞】虛擬實驗 虛擬教學

【中圖分類號】G64【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）10-0236-01

實驗不僅是自然科學發展的基本動力，也是自然科學教學的主要內容、方法和手段。自然科學的教學離不開實驗，學生能夠在實驗中習得經驗，在實驗中獲得知識，在實驗中迸發靈感。培養熟練操作儀器設備的專業人才，是自然科學主要的教育任務之一。

一、傳統實驗教學存在的主要問題

（1）實驗器材費用昂貴 傳統的實驗教學主要依賴費用昂貴的實驗設備，存在前期投入大、后期維護費用高，開展過程受時間、地點、人力、物力、財力等限制問題，致使實驗教學無法有效開展，嚴重影響教學質量。

（2）教師指導難以到位 近年來的高校擴招使得學生數量成倍增加，有限的教師很難在有限的時間內細致地指導大批的學生，很多高校的實驗課變成了演示課、觀摩課，教學目標難以達到。設計性和探究性試驗更是難以開展。

（3）儀器落后，與現實應用脫節 科技的迅猛發展使得儀器更新換代頻率加快。由于經費問題，學校實驗教學中使用儀器到不到及時更新，從而與生產單位脫節。學生在學校期間學會的儀器操作技能，到了實際工作環境中用不上，仍然需要學習新一代儀器的操作，從而使得學校的實驗教學大打折扣。

（4）存在操作安全、環境污染等隱患 高校擁有各種類型的實驗室，尤其是化學、化工、生物等學科的實驗室，擁有大量的危險化學物品，在存儲和使用中，如管理、操作或防護措施稍有不當就會發生安全事故，同時，實驗過程中排放的“三廢”也會造成環境污染。

二、虛擬實驗系統概述

虛擬實驗是指借助虛擬仿真技術、多媒體技術及Web技術在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣進行實驗操作、感受實驗過程、直至得到實驗結果。

與在現實的實驗室里進行的傳統實驗相比，虛擬實驗具有無可超越的優勢：

（1）經濟性 傳統實驗需要借助于具體的實驗設備，在實際操作中一些實驗室設備價格昂貴，損耗大，實驗成本高，這對于實驗經費不足的學校是難以承受的。而虛擬設備只是“概念”上的設備，沒有磨損、破壞，可供無限重復反復使用。

（2）交互性 虛擬實驗中可以通過虛擬實驗系統、實驗指導書、BBS討論區等各種渠道獲得學習上的幫助。這種教與學的靈活交互，提高了學生學習的興趣和效率。

（3）開放性 虛擬實驗打破了傳統實驗的模式，學生不再受到時間、空間上的制約，隨時隨地可通過網絡進入虛擬實驗系統，來進行自己的實驗。

（4）針對性 在虛擬實驗系統進行實驗，可以將部分實驗現象、實驗結果重點突出，而將與此無關的細節忽略掉。可對學生不熟悉的實驗步驟反復訓練，從而達到強化的效果。

（5）自主性 虛擬實驗相當于為每個學生提供了一個自己的實驗室，他們可以不受時空的限制，自主地、自由地隨時進入虛擬實驗室進行各種實驗。并且可以自主的選擇實驗操作步驟，通過不同的方式達到最終相同的結果。

（6）安全性 在一些危險性比較高的實驗操作中容易造成傷害，而在虛擬實驗中能夠避免這個問題。

三、虛擬實驗系統的構成

虛擬實驗系統由虛擬器材庫、虛擬實驗臺和管理系統組成。

（1）虛擬器材庫由各種虛擬器材構成，教師或學生可以利用虛擬器材庫中的器材自由搭建任意合理的典型實驗，或實驗案例，這一點是虛擬實驗室有別于一般實驗教學課件的重要特征。

（2）虛擬實驗臺與真實實驗臺類似，可供學生自己動手配置、連接、調節和使用虛擬實驗儀器設備。教師通過該平臺，在實驗前搭建典型實驗或實驗案例，較方便地向學生布置實驗任務；實驗結束后查看學生的實驗結果，給出實驗成績和評價。

虛擬實驗平臺為自由搭建任意合理的實驗模型提供了可能，能滿足教師對各層次實驗教學的需求。學生既可以通過該平臺動手操作，又可以自主設計實驗，有利于培養創新意識和能力。

（3）管理系統包括面向學生、教師和實驗管理員的三種教學管理。

學生學習管理包括選擇實驗、開展實驗、接受實驗指導、在線提交實驗報告、保存和提交實驗結果、查詢實驗成績和批語。

教師教學管理包括新建實驗、發布實驗、布置實驗、批改實驗報告、實驗評價、統計并發布學生的實驗成績和批語。

實驗管理員包括賬號管理、權限管理、課程管理、系統維護等。

四、虛擬實驗系統的開發技術

目前虛擬實驗相關開發工具很多，以下是目前國內外比較流行的虛擬實驗系統開發方法。

（1）使用Java進行開發。Java是一種重要的網上通用語言，目前它已經成為跨平臺應用軟件開發的一種規范。另外Java的自動內存管理機制也為其增加了較強的穩定性和安全性，這一點對于構建基于Web的虛擬實驗系統來說非常關鍵。

（2）使用ActiveX控件進行開發。ActiveX技術是微軟為適應網絡發展的需要而將OLE技術在Internet上的重定義。在虛擬實驗系統的開發過程中，代碼復用性對于持續開發過程尤為重要。可以利用VB、VC++等任何一種支持COM規范的開發工具來進行ActiveX控件的開發。由于ActiveX控件只能運行在Windows操作系統上，因而移植性和通用性較差。

（3）使用Flash進行開發。Flash是一種基于矢量的圖形系統，具有矢量描述、任意縮放、數據量小、兼容性良好、播放流暢、嵌入ActionScript腳本功能等特點。而且可自動更新Flash網站的數據驅動，從而大大節約了開發者的時間。

這些技術都有不同的特點和作用，在實際開發過程中只有合理應用它們才能達到我們所需的效果。

五、結束語

基于網絡的虛擬實驗系統是一種新的教學理念，它不僅投入少、產出多，而且還能夠提升學習者的實踐能力，培養他們的創造性思維。虛擬實驗將在教育、科研等方面有著廣闊的發展前景。

參考文獻：

[1]賴小華.虛擬實驗在遠程實驗教學中的前景[J]，中國科技信息，2005，（24A）.

[2]余勝泉，何克抗.基于Internet的教學系統[J]，中國遠程教育，1999，06：19-23.