陳小紅

上海歐華職業(yè)技術(shù)學(xué)院 上海 200233

虛擬實驗室的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

陳小紅

上海歐華職業(yè)技術(shù)學(xué)院 上海 200233

本文闡述了虛擬實驗系統(tǒng)的發(fā)展和相關(guān)技術(shù)背景，及其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。分析了當(dāng)前研究的不足，提出了虛擬實驗系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和普遍應(yīng)用，利用虛擬實驗室進(jìn)行實驗教學(xué)已成為一種趨勢，將會成為未來實驗教學(xué)的重要途徑和方式。

虛擬實驗室；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

21世紀(jì)是信息和知識經(jīng)濟(jì)時代,實驗教育的任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和能力的高素質(zhì)人才。隨著電子技術(shù)高速發(fā)展,新器件、新電路不斷涌現(xiàn),普通實驗室的更新速度無法跟上技術(shù)的發(fā)展。此外普通實驗室涉及儀器調(diào)試、管理、易損壞等問題。在實驗時間和一些損耗性大的實驗項目上對學(xué)生限制過死。同樣,遠(yuǎn)程教育學(xué)員一般都要在規(guī)定的時間到指定的學(xué)校集中完成實驗項目,技能培養(yǎng)質(zhì)量無法保證。教育機(jī)構(gòu)必須考慮如何跟上實驗的時代性和先進(jìn)性,創(chuàng)設(shè)實驗內(nèi)容豐富、訓(xùn)練操作扎實、不受時空限制的開放性實驗環(huán)境。近年來,由于虛擬儀器、仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,構(gòu)建虛擬實驗室將會成為一種經(jīng)濟(jì)、高效的首選方案。

一、虛擬實驗室的歷史發(fā)展和技術(shù)背景

虛擬實驗室(Virtual laboratory)的概念，于1989年由美國的William Wolf教授最早提出，用來描述一個計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境。Wolf教授形象的把虛擬實驗室稱為“沒有圍墻的研究中心”。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗室已不再局限于其原有的范疇，已經(jīng)逐漸將成為一種嶄新的教學(xué)形式。所謂虛擬實驗室，實際上是利用虛擬技術(shù)仿真或虛構(gòu)實驗情景，利用鼠標(biāo)的點(diǎn)擊、拖動，將微機(jī)上虛擬的各種儀器，按實驗要求、過程組裝成一個完整的實驗系統(tǒng)，并完成整個實驗，包括原材料的添加，實驗條件的設(shè)置、數(shù)據(jù)采集以及實驗結(jié)果的處理、分析，同時可利用網(wǎng)絡(luò)與教師和同學(xué)進(jìn)行交流，真正實現(xiàn)了學(xué)生的主體性地位。

到目前為止，按一般意義上的理解，虛擬實驗的發(fā)展經(jīng)歷了兩個階段：(1)計算機(jī)仿真階段，它主要利用計算機(jī)在處理數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢，選用的實驗對象常是高度抽象的數(shù)值關(guān)系，較注重邏輯性和確定性，基本上將用戶視為旁觀者，限制了其應(yīng)用范圍；(2)虛擬現(xiàn)實階段，虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)營造虛擬實驗室，實驗者運(yùn)用某些設(shè)備完全進(jìn)入虛擬實驗室環(huán)境中，并可根據(jù)需要通過多種交互設(shè)備（如頭盔、數(shù)據(jù)手套和剛性外骨架衣服等）來駕馭該環(huán)境，同時用于操縱該環(huán)境中的物體（如儀器設(shè)備、實驗對象、實驗資料等）突出了實驗的形象性和直觀性。

從技術(shù)層面上看,各類虛擬實驗系統(tǒng)的基本思想是一致的,即用軟件方法來模擬硬件設(shè)備的功能。為了實現(xiàn)上述功能和目的，需要使用一些相關(guān)的技術(shù)：(1)VR技術(shù)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，簡稱VR)是以計算機(jī)技術(shù)為核心，綜合使用交互設(shè)備融視、聽、觸、感為一體的模仿現(xiàn)實的三維空間再現(xiàn)技術(shù)；(2)Lab VIEW技術(shù)，Lab VIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) 程序稱為“虛擬儀器程序”(簡稱VI)，是一種基于圖形編程語言的開發(fā)環(huán)境；(3)Java作為一種程序設(shè)計語言，具有可移植性和安全性，提供了并發(fā)機(jī)制，具有很高的性能；(4)ActiveX技術(shù)，它可將復(fù)雜的任務(wù)分割成小的模塊，作為組件。采用組件思想為構(gòu)造虛擬儀器帶來了很大方便；(5)ASP技術(shù)提供一個服務(wù)器端的腳本環(huán)境，用于產(chǎn)生和執(zhí)行動態(tài)、高效率的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器應(yīng)用程序；(6)交互式Flash技術(shù)。Flash技術(shù)用于網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的開發(fā)具有開發(fā)速度快、界面美觀、視覺沖擊效果強(qiáng)、體積小、不需要安裝、可直接在瀏覽器中進(jìn)行操作等特點(diǎn)，但在交互性方面尚有不足，視覺效果不如3D。

二、虛擬實驗室研究現(xiàn)狀

虛擬實驗室概念的提出至今僅為10余年的時間，但因其誘人的應(yīng)用前景，各國均在大力開發(fā)，已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。

1.國外研究現(xiàn)狀

目前，虛擬實驗室在發(fā)達(dá)國家已十分普及。作為首先提出虛擬實驗室概念，并具有雄厚的科研實力和強(qiáng)大財力的美國，從一開始就十分重視虛擬實驗室的研究與開發(fā)，在該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已處于領(lǐng)先地位，在大學(xué)的普及程度也相當(dāng)廣泛，其中麻省理工學(xué)院的Web Lab遠(yuǎn)程實驗室于1998年開發(fā)并投入使用。它提供了用于進(jìn)行微電子學(xué)和電路設(shè)計課程的實驗教學(xué)，它允許學(xué)生在自己的電腦上設(shè)計并修改電路模型，然后通過一個用Java激活的Web瀏覽器使用在遠(yuǎn)程實驗室里的昂貴的測試設(shè)備來獲取測試數(shù)據(jù)，驗證自己的設(shè)計，最近還實現(xiàn)了通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制實驗的功能。

VLAB是美國俄勒岡大學(xué)物理系主辦的物理實驗網(wǎng)站。該網(wǎng)站包含了天體物理、能量與環(huán)境、力學(xué)、熱學(xué)等方面的幾十種虛擬實驗。該系統(tǒng)采用Java語言開發(fā)，實驗程序需要從服務(wù)器端下載，并運(yùn)行在客戶機(jī)上。由美國Michigan大學(xué)化學(xué)工程系創(chuàng)建的VRCEL實驗室，主要用來探索和開發(fā)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在化學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用。美國霍華德?休斯醫(yī)學(xué)研究會（HHMI）建立的虛擬實驗室是完全交互式的生物醫(yī)學(xué)的實驗室模擬。

德國Ruhr大學(xué)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室是一個有關(guān)控制工程的學(xué)習(xí)系統(tǒng),它通過直觀的三維實驗場景視覺效果,依賴各虛擬實驗設(shè)備的仿真特性,實現(xiàn)對虛擬實驗的交互式操作。西班牙大學(xué)電子系開發(fā)了電子儀器虛擬工作平臺。意大利帕瓦多大學(xué)建立了遠(yuǎn)程虛擬教育實驗室。新加坡國立大學(xué)開發(fā)了遠(yuǎn)程示波器實驗和壓力容器實驗，在遠(yuǎn)程控制實驗方面取得很大的成果。

2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在國內(nèi)，虛擬實驗室的建設(shè)也得到了應(yīng)有的重視。由于虛擬實驗技術(shù)的特點(diǎn)，它的實際應(yīng)用在理工教學(xué)中大有作為，尤其在電工電子、醫(yī)學(xué)、建筑、生化等學(xué)科有重要作用。據(jù)了解，目前國內(nèi)的多數(shù)高校都根據(jù)自身教學(xué)需求建立了虛擬實驗室，典型的有：(1)中國科技大學(xué)在虛擬實驗室的建設(shè)和使用方面形成的如物理仿真實驗軟件、廣播電視大學(xué)物理虛擬實驗、幾何光學(xué)設(shè)計實驗平臺、大學(xué)物理虛擬實驗遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)；(2)浙江大學(xué)的虛擬化學(xué)實驗,是基于Web的虛擬實驗,以VRML為基礎(chǔ)構(gòu)筑虛擬實驗環(huán)境,并利用Java技術(shù)來實現(xiàn)虛擬實驗場景的人機(jī)交互；(3)同濟(jì)大學(xué)建筑學(xué)院建成的可以對建筑景觀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真的虛擬現(xiàn)實實驗室；(4)西南交通大學(xué)開發(fā)的TDSJD機(jī)車駕駛模擬裝置等；(5)清華大學(xué)的“電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真”國家重點(diǎn)實驗室和利用虛擬儀器構(gòu)建的汽車發(fā)動機(jī)檢測系統(tǒng)；(6)中國農(nóng)大的虛擬土壤—作物系統(tǒng)實驗室,通過應(yīng)用GPS、GIS作物3D數(shù)字化技術(shù)和其他信息采集技術(shù),實現(xiàn)對農(nóng)田土壤水分、養(yǎng)分、鹽分等與作物生長的相互作用關(guān)系的定量化研究,建立虛擬土壤—作物系統(tǒng),通過計算機(jī)上的虛擬實驗,部分地替代在現(xiàn)實世界中難以進(jìn)行的或昂貴的試驗。此外，復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、陜西師范大學(xué)等一批高校，也相繼開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)供實驗教學(xué)和科研使用。

三、虛擬實驗室發(fā)展建議和趨勢

1.加強(qiáng)虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)用研究

目前網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)的研究內(nèi)容主要集中在理論探討、系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)、虛擬實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的開發(fā)，但對虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)的模式與效果分析、虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)評價等方面的研究不多，尤其是關(guān)于學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)學(xué)習(xí)體驗的調(diào)查和評價的研究很少。

2.虛擬實驗系統(tǒng)通用模型的設(shè)計與開發(fā)

目前網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)的研究都是基于某一門課程實現(xiàn)，開發(fā)的技術(shù)種類繁多且都基本成熟。如何開發(fā)出某一類學(xué)科的虛擬實驗通用模型，實現(xiàn)基于此平臺的二次開發(fā)，以避免不必要的重復(fù)勞動，提高開發(fā)效率，使之成為社會化的遠(yuǎn)程實驗教學(xué)的產(chǎn)品，對現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的深入開展顯得尤為重要。

3.實現(xiàn)技術(shù)上必將形成多種技術(shù)相融合，優(yōu)勢互補(bǔ)的局面

使用某個單一技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)，在某些方面有優(yōu)勢，在另一方面必然存在不足。因此，將多個技術(shù)相融合開發(fā)優(yōu)勢互補(bǔ)，對構(gòu)建一個好的虛擬實驗系統(tǒng)顯得十分重要。當(dāng)然也要考慮應(yīng)用實際，即技術(shù)使用的成本效益和技術(shù)的友好程度，選擇合適的開發(fā)技術(shù)。

4.完善分布式和協(xié)作虛擬實驗的功能

與同伴合作是實驗過程中一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，因為科學(xué)實驗常常是種協(xié)作性的活動。國內(nèi)虛擬實驗室在支持分布式協(xié)作科研方面的功能還需要大力完善。大多數(shù)虛擬實驗室只是局限于一個學(xué)院、一個小型的局域網(wǎng)或一個學(xué)校的校園網(wǎng)，可以實現(xiàn)不同科研單位之間協(xié)作研究的實驗室并不多見。

5.自適應(yīng)虛擬實驗室

自適應(yīng)實驗即指能修正自己的特征以響應(yīng)規(guī)則原理的變化,并根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程生成一個反饋回路，為學(xué)習(xí)者提供一個自適應(yīng)的獲取知識和技能的實驗學(xué)習(xí)環(huán)境。該系統(tǒng)的基本特征是能從環(huán)境中獲取信息并能自動改善其性能。

四、結(jié)束語

虛擬實驗室增強(qiáng)并擴(kuò)展了實驗教學(xué)的功能，以前所未有的方式將學(xué)生和實驗儀器聯(lián)系起來，為學(xué)生提供了一種嶄新的實驗方式。在使用虛擬實驗室的過程中，如果能把模擬的與真實的相比較，加強(qiáng)學(xué)習(xí)者之間的相互合作，并注重激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣、促使其進(jìn)行探究，那必將會產(chǎn)生巨大的教育價值。

[1]Tuttas.J,Wagner.B.Distributed Online Laboratories[EB/OL].

[2]Budhu.M.Virtual Laboratories for Engineering Education.[EB/OL].

[3]Guzmán.J.L,Berenguel.M,Rodríguez.F,et al.Webbased remote control laboratory using a greenhouse scale model[J].Computer Applications in Engineering Education,2005,13(2):111～124

[4]Szczytowski.P.VCLab as an Example of Gridifying VirtualScientific experiments [EB/OL].

[5]ERTUGRUL.N.Towards Virtual Laboratories:Survey of LabView-based Teaching/ Learning Tools and Future Trends[J].International Journal of Engineering Education,2000,16(3):171～180

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

[7]崔光佐,程旭,楊芙清.基于WWW的網(wǎng)上虛擬實驗室設(shè)計與實現(xiàn)[EB/OL].

[8]車皓陽,余勝泉,何克抗.構(gòu)建基于WEB的虛擬實驗室[EB/OL].

[9]單美賢,李藝.虛擬實驗原理與教學(xué)應(yīng)用[M].北京:教育科學(xué)出版社,2005

[10]劉筱蘭,張薇,程惠華,等.虛擬實驗室的類型及發(fā)展趨勢[J].計算機(jī)應(yīng)用研究,2004,11:8

The research actualities and development trend of virtual laboratory

Chen XiaoHong
Shanghai ouhua vocational technical college, Shanghai, 200233, China

This paper expounds the development and related technical background of virtual experiment system, and the research situation on it.It analyzes the deficiency of the current study and brings forward the development trend of virtual experiment system.With the rapid development and widely application of network technology,virtual experimental teaching has become a trend in the future. And it will become the important ways of the experiment teaching.

virtual laboratory;the research actualities; development trend

2010-04-06

陳小紅，碩士。