虛擬實驗研究

尹培培

（南京航空航天大學計算中心，江蘇 南京211106）

0 引言

隨著計算機和軟件技術的發展，虛擬實驗已成為一個熱門的教育教學研究內容，作為一種新興的實驗技術手段，對傳統實驗教學的教學模式、教學方法、教學手段以及教學理念產生了重要的影響。

虛擬實驗[1-2]是用軟件代替硬件，通過編程模擬實驗的過程。整個實驗在虛擬環境中以虛擬的形式完成，不涉及正式的實驗儀器設備，用虛擬實驗代替實驗室的實驗。

1 虛擬實驗研究現狀

1.1 國外虛擬實驗研究現狀

目前，虛擬實驗技術不斷發展，虛擬實驗在教學中的應用也越來越廣泛和普遍。

美國麻省理工學院電子工程和計算機科學系是最早開始虛擬實驗教學應用的院系。該系的教授JesusA.delAlmao早在1988年就已經創立了微電子在線實驗室(Microelectronics WebLab)[3-4]，實驗室于1998年開發并投入使用。該實驗室提供了用于用于電路設計和微電子學課程的實驗教學，學生可以在自己的電腦上進行設計以及修改電路模型，然后通過Web瀏覽器使用在遠程實驗室里的測試設備來獲取測試數據，驗證自己的設計，該瀏覽器是通過Java激活的。在2010年，實驗室還實現了通過手機遠程控制來進行實驗的功能。

美國俄勒岡大學物理系主辦的物理實驗網站VLAB設有多種虛擬實驗，包括能量與環境、天體物理、熱學、力學等方面。本系統通過Java語言進行開發，實驗程序需要從服務器進行下載，并在客戶機上運行。

美國還有其他很多家大學或研究會已開始應用虛擬實驗室。美國密歇根大學的化學工程系創建的VRCEL(Virtual Reality in Chemical Engineering Laboratory)實驗室主要用于研究和探索虛擬現實技術在化學工程領域的應用。美國霍華德·休斯醫學研究會（Howard Hughes Medical Institute，HHMI）建立的虛擬實驗室是一個模擬完全交互式的生物醫學實驗室。

德國波鴻大學開發的VCLab(Visual Communication Laboratory)實驗室是關于控制工程的一個學習系統，它結合了Java Applet以及其他一些插件，通過MABTAB/SIMULINK軟件計算引擎生成的控制工程實驗中的模擬動畫以及交互動畫，該系統可以采用本地及遠程這兩種方式進行實驗內容的發布。

此外，國外還有其他許多國家研究虛擬實驗室。譬如，意大利帕瓦多大學開發了用于遠程虛擬教育的實驗室，西班牙大學電子系研究了一種電子儀器的虛擬工作平臺，新加坡國立大學建立了遠程壓力容器實驗以及示波器實驗。

1.2 國內虛擬實驗研究現狀

與國外相比，國內的虛擬實驗室研究起步稍晚，但其發展較迅速。目前大部分高校和科研機構逐漸建立了自己的網絡虛擬實驗系統。

北京大學計算機科技與技術系開發了一種可用于大計算量的交互式網上虛擬實驗室，該實驗系統基本實現了流水線設計以及高速緩存設計這兩個實驗系統。

清華大學的“電力系統及大型發電設備安全控制和仿真”國家重點實驗室，通過虛擬儀器建立了用于汽車發動機的檢測系統，該系統可用來檢測發動機的功率特性、符合特性等。

北京航空航天大學的虛擬現實技術與系統國家重點實驗室研究開發了若干硬件設備和軟件平臺，這些平臺用于支撐虛擬現實理論與技術研究。例如北京航空航天大學參與構建的分布式虛擬環境網絡(Distributed Virtual Environment Network,DVENET)是我國第一個基于廣域專用計算機網絡的分布式虛擬現實支撐環境，該系統主要包括了一個專用計算機網絡以及支持分布式虛擬環境研究與應用開發的各種標準、開發工具和基礎數據(如三維逼真地形)。

中國科技大學在虛擬實驗室的建設和使用方面擁有我國第一個真正意義上的虛擬實驗教學軟件，包括幾何光學設計實驗平臺、廣播電視大學物理虛擬實驗、物理仿真實驗軟件以及大學物理虛擬實驗遠程教學系統，該校物理虛擬仿真實驗教學中心已經成功升級為國家級虛擬實驗中心，是我國教育部批準的第一個物理類的國家級虛擬仿真實驗教學中心。

國內還有許多組織機構均在開展虛擬實驗的相關開發與建設，與國外的虛擬實驗室相比，我國還存在一定的差距。

2 虛擬實驗發展趨勢

雖然我國虛擬實驗研究還存在不足，但也取得了一些成就，有著廣闊的發展前景。

（1）理論指導研究

目前虛擬實驗的理論研究遠遠少于實踐應用，而理論性的文章主要著重于虛擬實驗特點、作用、必要性等方面，缺乏深入的理論思考。因此，加強有效深入的理論研究是有必要的。

（2）教學應用研究[5]

目前虛擬實驗的應用研究內容主要集中在系統研究與設計、虛擬實驗網絡教學平臺的建設，對虛擬實驗系統應用于教學的模式研究與效果分析以及虛擬實驗系統開發的評估等方面的研究較少，特別是學生對于虛擬實驗系統的學習體驗調查及評價的研究。

（3）系統構建方式研究

目前國內的虛擬實驗系統的構建技術一般集中于Java、VRML、Flash、LabVIEW等技術在虛擬實驗系統建設中的應用，或者以此技術在某個實驗環節中的應用，對于多種技術的混合開發以及各項技術間的交互性設計和網絡虛擬實驗系統的系統結構的研究不多。

3 結束語

虛擬實驗是教育教學的一個重要構成部分，研究虛擬實驗技術不僅可以有效地提高教學質量，而且可以培養學生自主實驗能力，對于教育事業有著重大的推動作用。隨著計算機技術、網絡技術、多媒體技術等多學科綜合發展，虛擬實驗系統的建設將取得更大的進展，遠程教學也將有更廣的應用前景。

［1］魏蕓.虛擬實驗的分析與研究[J].科技信息,2010(35):5-6.

［2］宋象軍.虛擬實驗室在高校實驗教學中的應用前景[J].實驗技術與管理,2005,22(1):35-47.

［3］陳小紅.虛擬實驗室的研究現狀及其發展趨勢[J].中國現代教育裝備,2010(17):107-109.

［4］李凌云,王海軍.網絡虛擬實驗系統研究現狀與發展趨勢[J].現代教育技術,2008,18(4):111-114.

［5］杜俊敏,李建中.虛擬實驗在實驗教學中的應用[J].交通高教研究,2003(3):63-64.