虛擬實驗室在高等學校實驗室信息化建設中的作用

彭永進，王昌軍，趙曉艷，田秀娜，劉玉玲，郝軍華

[摘 要]隨著信息技術的快速發展，高校實驗室的信息化建設越來越重要。在這個過程中，虛擬實驗室對高校實驗教學的信息化建設起著非常重要的作用。作為真實實驗室的有益補充，虛擬實驗室可以有效地拓展相關實驗內容、增強學生對相關實驗原理的理解，從而達到有效配置實驗教學資源、提高實驗教學效果、加速實驗室信息化建設的目的。

[關鍵詞]虛擬實驗室；高等學校；信息化建設

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.08.094

[中圖分類號]TP368.5 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2018）08-0-02

0 引 言

隨著我國經濟的高速發展，社會對人才也提出了越來越高的要求。只具有某一技能的單一型人才已經遠遠不能滿足社會的需求。具有多方面背景知識、兼具理論和實踐技能的復合型人才越來越受到用人單位的青睞。這種新時代背景下市場對人才的新需求給以培養人才為己任的高等學校提出了新的要求。除了在課堂上進行的理論教學之外，實驗教學也變得越來越重要。高等學校實驗室是對學生進行各種實驗教學、培養其應用實踐技能和創新能力的重要場所，同時也是教師和學生進行科研活動、技術革新和成果轉化的主要陣地。因此，高等學校的實驗室管理和建設水平對于學生實踐能力的培養有著舉足輕重的作用。

科學技術的快速發展使得新技術新儀器不斷誕生，隨著各個高校實驗室建設的不斷發展，儀器的數目不斷增加，新的儀器不斷更新，其中不乏“身價”昂貴的大型儀器。這些對實驗室的管理和建設提出了更高的要求。另外，如何協調好實驗室在教學和科研上的使用分配、儀器的維護和使用等方面問題使得高校的實驗室管理變得越來越復雜。各個高校實驗室的管理者已經認識到傳統的實驗室管理模式已經不再適用，紛紛開始了結合信息技術的實驗室信息化管理和建設，并取得了一定的成效。本文對建設虛擬實驗室在高等學校實驗室信息化管理和建設中的作用進行初步的探討。

虛擬實驗室是指利用虛擬儀器技術對真實的實驗情景和設備進行仿真或虛構，使得人們可以在不受具體實驗條件制約的情況下在各種互聯網終端上進行實驗操作和學習的實驗室。其中虛擬儀器技術是一種對計算機軟件、模擬數字信號處理、專用高速集成電路等技術的綜合運用。實踐表明，依托于虛擬實驗室的虛擬實驗教學是對依托于真實實驗室的傳統實驗教學的有益補充，兩者的有機結合有效地提升了實驗教學效果，同時也很好地促進了高校實驗室的信息化建設。

1 虛擬實驗室的構建方法

虛擬實驗室的構建方法有許多種，大部分都是通過軟件來模擬真實硬件的功能來構建。常見的方法有以下幾種。

Flash軟件，一種集動畫創作與程序開發于一身的軟件，由Macromedia公司開發，兼具矢量圖和網頁動畫技術。模擬過程中所需要的內容既可以在Flash軟件中自行創建也可以由其他軟件導入。Flash軟件的交互界面主要由其腳本語言Action Script來進行控制，其優點是具有很大的靈活性，缺點則是步驟比較復雜。

VRML（Virtual Reality Modeling Language，虛擬現實建模語言）基本工作由文本描述、遠程傳輸和本地計算組成。其對三維場景用文本信息進行描述，由網絡傳輸到本地機器上再由VRML的瀏覽器解釋復原三維場景。這樣利用文本信息進行網絡傳輸、在本地機器上完成圖像處理任務的技術極大地減輕了網絡的負擔。

Quick Time VR（Quick Time Virtual Reality）是蘋果公司所開發的一種基于靜態圖像處理的初級虛擬實境技術，具有視線切換、推拉鏡頭、超媒體鏈接等基本功能，是一種不需要昂貴的設備就可以產生逼真效果的VR體驗技術。

LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器公司研制開發，類似于C和BASIC開發環境。LabVIEW基于圖形化編輯語言來編寫程序，產生的程序是框圖的形式。該軟件由面板和程序框圖組成：面板是人機交互式用戶界面，可以提供外觀與傳統儀器相似的控件，使用圖標和連線就能夠十分便捷地創建虛擬儀器控制界面；而程序框圖是按照流程圖來編寫的控制程序，具有簡單快捷、直觀形象、穩定性及可重復性強等特點。

2 虛擬實驗室的主要優點

結合實際應用體會，筆者總結出虛擬實驗室的主要優點如下。

2.1 教學方式靈活，教學效果良好

在傳統的實驗教學中，教師往往需要結合真實儀器來進行實驗原理和操作步驟的講解，這個過程受到兩個因素的制約而難以達到理想的效果。一是空間有限，難以保證每個學生都能看清楚儀器構造和操作步驟；二是有些儀器的內部構造難以展現，學生對其內部構造沒有直觀體驗，對儀器原理一知半解，在操作中往往是知其然而不知其所以然，使得實驗教學效果大打折扣。而通過虛擬實驗室的建立，學生可以不受時間空間等條件的限制在網絡終端上十分便捷地進行實驗的預習和操作，而且可以對儀器的構造有更深入的了解。實踐表明，盡管儀器的演示和操作是虛擬化的，學生對其原理的理解程度還是有了很大的提高。在這個基礎上再在實際儀器上進行操作，學生們普遍感覺有的放矢，達到了知其然亦知其所以然的良好效果。

另外，虛擬實驗室方便學生自主學習的同時還方便開展探索式學習。隨著虛擬仿真技術的不斷發展，虛擬仿真軟件的功能日益強大。教師可以結合新熱點、新發現等多角度來給學生設計新的實驗目標，同時也可以鼓勵學生自己利用虛擬技術進行不同角度的實驗探索，這些可以極大地提高學生的自主學習和創新能力，也符合了新時代對復合型人才的需求特點。

2.2 趣味性強，提高了學生的學習積極性

傳統實驗室中的部分儀器在科學技術快速發展的背景下早已被淘汰，但高等學校實驗儀器的更新受到資金、場地等條件的制約往往不是十分及時。這種情況導致學生多年來面對這些陳舊過時的實驗儀器失去做實驗的興趣，對實驗課產生消極怠慢情緒，對實驗教學的效果產生十分不好的影響。而虛擬實驗室的課題選擇、器材選取更改起來要相對容易得多。這種可以緊跟時代發展的新鮮內容可以極大地引起學生的興趣，增強了其學習的積極主動性。在這個過程中，有些同學還自主地對虛擬仿真技術產生了興趣，通過自己對虛擬實驗室的擴展和改造提高了自身的編程能力。

2.3 維護費用低，安全性、可擴展性好

與傳統實驗室相比，虛擬實驗室利用計算機來模擬真實實驗情景，其使用和維護費用相對低廉，只需要通過網絡和程序對虛擬儀器進行管理和維護即可，在場地、設備等方面的耗費較少。對一些危險性大或者難以觀察的實驗可以利用虛擬實驗來實現，也提高了實驗操作的便捷性和安全性。另外，在虛擬實驗室的使用過程中，對相關虛擬仿真軟件進行升級就可以方便地增加新的內容和功能，實驗內容的擴展較傳統實驗室更加方便和快捷。

3 虛擬實驗室的不足之處

當然在虛擬實驗室實際操作中，還有一些不足之處，值得注意。

3.1 實驗結果理想化，學生缺少實物感

與在實際儀器上進行的真實實驗相比，虛擬實驗的實驗條件都是在理想環境下所設定的，因此不具備實驗環境的真實復雜性，其實驗結果是理想化的。教師和學生在使用過程中要十分注意這一點，要認識到虛擬實驗和真實實驗兩者的異同和局限之處，使用時要盡可能地將兩者有機地結合起來。虛擬化實驗作為真實實驗的理想化模型幫助學生更好地理解實驗原理，拓展學生的學習和探索空間；真實實驗作為虛擬實驗在真實條件下的具體化驗證，在實踐的過程中幫助學生具體感受實驗過程和現象。從實驗原理學習到模擬操作再到實物操作這樣一整套實驗過程十分有利于學生的邏輯思維和實踐能力的培養。

3.2 學生學習積極性增強的同時容易偏離目標主題

虛擬實驗室不受時間和空間的限制，學生通過網絡可以獲得豐富多彩的信息。這在開闊學生視野的同時有時會使學生發生對資料取舍錯誤、偏離實驗主題目標的情況。這就要求教師要發揮好引導的作用，要旗幟鮮明地指出實驗的主題目標，所涉及的主要原理和內容，向學生指出哪些方向值得重點關注和探索，引導學生將精力放在最值得關注的重點方面。

3.3 虛擬實驗室長時間使用對網絡和硬件的配置要求增高

由于學生需要通過網絡來連接虛擬實驗平臺，有時還需要提交在線作業，在長時間使用后，相應的網絡平臺需要存儲大量的實驗數據，這些就對實驗室的網絡和配置提出了較高要求。因此在這方面需要相關管理者從兩個方面著手考慮：一是要籌措相關資金，維護和升級虛擬實驗室相應的硬件和軟件配置；二是培養相關方面技術人才，合理地管理相關設施，使資源能夠有效配置，在虛擬實驗教學中發揮其應有的作用。

4 結 語

在現代社會復合型人才培養過程中，實踐動手和自我創新能力的培養是重中之重。目前，很多高校的實驗教學過程中大都存在著實驗內容更新、規模日益增長的要求與實驗儀器設備陳舊、場地有限的矛盾，這嚴重影響了高校實驗教學的效果，不利于學生實踐動手和創新能力的培養。虛擬實驗教學作為傳統實驗教學的有益補充，以其特有的操作方式為上述問題提供了很好的解決之道。兩者的有機結合能夠有效地緩解上述矛盾，同時使得傳統實驗教學在內容和形式上得以極大的拓展。隨著虛擬仿真技術的不斷發展，虛擬實驗室在高校的實驗教學和信息化建設過程中必將發揮更大的作用。

主要參考文獻

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