基于Web的虛擬實驗教學系統研究

武佳寧

（陜西學前師范學院實驗室與網絡管理處，陜西西安,710100）

國家中長期教育改革與發展規劃中，明確提出高等教育要“強化實踐教學環節”，實踐教學環節是教育改革的一項重點任務。虛擬實驗室作為實驗教學的輔助工具已被廣泛關注，并且應用于部分高校的實驗教學中。它的應用提高了實驗教學質量、緩解了實驗教學壓力，大大提高了學生實際操作能力，對于培養學生的思維創新能力十分有效。目前開發的虛擬實驗室及虛擬實驗系統大多數是面向某一門學科的，如何解決各類虛擬實驗課程資源整合，如何將它與高校的實驗室管理結合，達到統一平臺和可通用可擴展的目標，成為尚待解決的問題。

1 基于Web的虛擬實驗教學系統

開發基于Web技術和虛擬現實技術相結合的虛擬實驗教學系統，對于現代高等教育開展實驗教學，提高素質教育，保證實驗教學質量起著巨大的作用。通過Web技術把虛擬實驗教學系統構建在網絡之上，開發各學科具有不同特色的虛擬實驗室，借助網絡平臺設計出不受時間、空間、人力、設備等限制的實驗教學資源。這種開放式的虛擬實驗教學與實驗室管理信息系統相結合的解決方案，把豐富的網絡虛擬實驗教學資源統一整合，并且可以做到輔助教學信息化和實驗室管理智能化?；赪eb虛擬實驗教學系統采用B/S結構，以Web的形式提供管理服務，它由Web服務器、虛擬實驗室應用服務器和客戶端組成。Web為虛擬實驗系統的實現提供了基礎平臺，它讓用戶不管在實驗室、教室，還是在辦公室宿舍中都能通過Web平臺進行實驗、教學或管理?？傊赪eb虛擬實驗教學系統是面向教師、學生和實驗管理人員的信息化系統，為其提供各種虛擬實驗教學和管理實驗教學的功能。

2 虛擬實驗室的主要構建類型

基于Web的虛擬實驗教學系統由Web管理平臺和虛擬實驗室組成。Web管理平臺中包含許多不同學科的虛擬實驗，有些學科的實驗以二維空間演示為主，有些學科的實驗需要以交互操作為主，有些學科則需要逼真的三維空間仿真模擬實驗，還有些學科需要遠程控制實物的網絡虛擬實驗。

2.1 采用Flash技術構建的二維虛擬演示型實驗

Flash技術比較適合演示型虛擬實驗，演示型虛擬實驗的實驗參數和實驗過程不能改變，系統只對實驗的原理和過程進行動畫演示，在演示實驗過程中學生是觀眾，只能觀看實驗現象。其實目前的Flash 5.0和F1ashMX版本加入了腳本語言，通過編程可開發出具有一定交互式功能的網絡動畫，但僅限于簡單的交互虛擬實驗。Flash技術開發周期短，成本低，開發速度快，制作出的實驗動畫體積小，適合網絡播放并且可以直接在瀏覽器中進行操作。

2.2 基于VRML技術三維仿真的網絡虛擬實驗

對于交互操作型虛擬實驗，使用VRML技術構建的三維仿真網絡虛擬實驗系統。它是運行在Web上實現的虛擬現實關鍵性技術，它是一種三維造型和渲染的圖形描述性語言。VRML技術創建的三維立體圖像在視覺上不如3DMAX等專業的三維軟件制作的造型逼真，但是由它制作的模型文件小，靈活度高，易于和Web結合，并適合網絡傳輸。將VRML技術與Java或JavaScript語言編寫的腳本程序結合應用，可拓展其交互操作功能，彌補VRML對實驗數據進行處理方面的不足。學生可以親自參與實驗，選擇實驗儀器耗材，設計實驗對象的參數，在這個過程中學生成為實驗主導者。

2.3 遠程控制型網絡虛擬實驗

例如生物化學或者工程控制領域的學科需要用到一些大型貴重精密儀器，計算機不能做到完全的仿真模擬，就用到了遠程控制型網絡虛擬實驗。這種遠程控制下的實驗是與真實的實驗設備相互連接，把能夠仿真的部分用虛擬實驗技術仿真，無法做到的部分與真實儀器對接，既解決了貴重資源的共享利用問題，又有很強的真實感。但是由于實際儀器設備的稀缺，這種虛擬實驗無法做到多人同時在線，每時段只允許一個學生操作真實實驗設備。

3 基于Web的虛擬實驗教學系統的功能模塊設計

根據需求分析以及網絡虛擬實驗教學系統的特點，我們把系統分為實驗教學和實驗管理兩大模塊。主要結構如圖1。實驗教學模塊包含虛擬實驗平臺和實驗教材實驗報告等內容，實驗管理模塊具有一系列輔助功能并且為實驗管理人員提供了維護平臺。實驗管理模塊為虛擬實驗系統與參與實驗的人員提供了溝通的渠道，這些輔助功能更好地幫助教師完成實驗教學，幫助學生完成了實驗學習，也實現了管理虛擬實驗信息化的目標。

圖1 系統功能模塊結構圖

3.1 實驗預習模塊

實驗預習模塊一部分是包括實驗原理、實驗目的、實驗要求、實驗指導等實驗指導材料中的內容電子化，統一歸納在實驗教學文檔模塊中，以供學生隨時查閱課本知識，采用的是文本呈現模式。充分預習理論知識后，進入實驗儀器介紹模塊中，熟悉實驗儀器，要求掌握儀器的主要性能、操作方法和使用功能。該模塊通過對實驗虛擬場地、器材的Flash二維動畫演示，讓學生直觀的對實驗中儀器場景熟悉掌握。利用Flash技術或者VRML技術對實驗原理過程進行多媒體技術呈現，同時鞏固實驗目的、內容、器材等實驗知識。

3.2 實驗操作模塊

實驗操作子模塊是整個實驗教學模塊的核心內容，在線虛擬實驗模塊更是核心中的核心。該模塊具備虛擬性、交互性、開放性、實踐性、共享性、可復用性等特點，可以與多種虛擬實驗開法技術“對接”，并支持多用戶實時在線。可以不斷增加的新的虛擬實驗課程，具有良好的可擴展功能。網絡虛擬實驗可以讓教學和實驗不分離，可以在實驗中邊學習邊實踐，不僅提高了實驗效率輕松做到一人一組，還能激發學生自主學習的精神。教學演示子模塊有兩種演示方案，一種是系統內部的調用演示，一種是教師實時的在線演示。教師可以把虛擬實驗先示范一遍并通過該模塊進行視頻存儲，發送給實驗學生，學生就可以隨時隨地就像在課堂上一樣看示范和聽講。儀器展示與實驗預習中的儀器介紹模塊功能類似。實驗幫助是在學生做實驗過程中可以提示講解的功能模塊。

3.3 實驗報告模塊

實驗報告子模塊是承擔的是實驗中的數據收集的工作，它收集學生撰寫的實驗報告文本數據，也自動記錄實驗過程中的初始狀態的數據、實驗過程記錄、實驗結果統計等。其存儲的數據包括文本、實驗測試數據、觀測實驗現象、實驗圖形等等。實驗報告子模塊同時承擔對實驗結果進行判斷和分析的功能，也就是在線批改。教師也可以通過網絡自行調閱有選擇的批改學生的實驗報告和各類實驗數據并提出意見。

3.4 教師、學生、實驗管理員操作管理界面

實驗管理模塊是基于Web虛擬實驗教學系統的另一個重要組成部分。它包含了教師、學生、實驗管理員三大操作管理界面模塊。該系統可以向學生提供的實驗預習、在線指導和實驗結果評價等功能；教師則可以通過教學系統搭建典型實驗或調取實驗案例，還能向學生統一發布實驗任務，指定實驗時間并在實驗結束后查看機器給出的實驗結果或者自己批改實驗；對于實驗室管理人員則可大大減輕工作量，減少實驗設備準備及維護工作強度，減少因實驗場地及設備不足造成的矛盾。

與目前多數實驗管理系統相比，虛擬實驗教學系統中的管理功能具備教師自主開發實驗，學生實驗不受時間空間限制的特點。在教師界面模塊中，教師可以通過管理系統自主搭建典型實驗或調取實驗資源，形成符合教學目標的實驗然后發布，在學生完成實驗后對自動批改的成績發布或者自行批改實驗。學生則更加靈活的安排自己的學習，不受時間地點的限制，不受實驗器材的限制。只要有網絡就可以登錄做實驗并完成實驗報告，想完成幾次就完成幾次直到做熟做會為止，在實踐中拓寬眼界和動手能力。在做實驗的同時還可以通過實驗指導模塊接受幫助和指導，這樣的實驗室才是真正意義上的開放式實驗室。目前的實驗室管理系統多數停留在教學安排、器材管理、開放預約等方面，多數針對實驗管理人員幫助較多，而基于Web虛擬實驗教學系統在滿足了以前這些功能的前提下更多是解決了如計算機、電子、通信、物理化學等學科中的實驗教學問題?；赪eb的虛擬實驗管理可以有效地提高虛擬實驗技術在教學上的應用效果，還完善現有實驗教學體系。

4 基于Web的虛擬實驗教學系統的優勢及問題

4.1 基于Web的虛擬實驗教學系統的優勢

將虛擬實驗室與校園網相結合，讓學生們不受時間、地點以及教學資源限制；實驗安排靈活方便，只要是校園網絡覆蓋的地方就可以動手自主實驗，教師同樣可以不受限制的批改指導學生實驗，大大方便了師生學習授課。虛擬實驗教學系統使得實驗設備不足的壓力得到緩解。對于個別專業人數大幅增加時，虛擬實驗就可以解決實驗儀器短缺的壓力，在虛擬實驗和真實實驗結合的情況下，保證教學質量，完成教學任務?；赪eb的虛擬實驗幾乎不需要耗材，大大降低了實驗成本，不再需要分組實驗，每個人都有動手的機會，一些高危實驗和高成本實驗也可以重復多次實驗，全面提高了學生興趣和素質。虛擬實驗可減少實驗設備的維護強度，減低實驗室管理人員的工作強度，提高工作效率。

4.2 虛擬實驗教學系統需要注意的問題

實際實驗和虛擬實驗相結合，這就是虛擬實驗教學系統需要注意的問題。書非借不能讀也，能夠反復多次實驗，可能會讓學生產生放松心態。只有本著多做虛擬實驗是為了在實際實驗中少出錯，減少疏漏，才能鍛煉出學生的技術，之后在實際實驗中，才能更專注認真分析觀察，在實踐中得到真知。學生利用虛擬實驗進行課前預習，也有利于在實際實驗中保護儀器設備，減少因誤操作引起的設備損壞和耗材浪費。在實際實驗中教師可以更直接的指導學生，師生面對面互動講授是不可動搖的教育根本，網絡授課只是起到輔助功能。所以虛擬實驗并不可能完全代替實際實驗，只有實現這種開放的網絡化的虛擬實驗教學和實際實驗教學的有機融合，才能解決各類學科中的實驗教學問題，從而完善現有實驗教學體系，提高實驗教育學質量。

[1]宋春紅，趙麗.建筑材料參與型演示實驗網絡教學課件的開發[J].現代教育技術,2012.（9）

[2]文福安.虛擬實驗教學系統的研究與應用[J].中國教育信息化，2008.（21）

[3]武佳寧.計算機實驗室集中運行與信息化管理模式探討[J].現代交際,2013.(4)