郭富強

（陜西廣播電視大學督導與評估中心，陜西 西安 710068）

【遠程教育課程與教學研究】

網(wǎng)上虛擬實驗教學的探索與實踐＊

郭富強

（陜西廣播電視大學督導與評估中心，陜西 西安 710068）

討論了網(wǎng)上虛擬實驗的技術、分類、特點、優(yōu)勢和不足，梳理了虛擬實驗的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了虛擬實驗發(fā)展要處理好的幾個關系，為網(wǎng)上虛擬實驗的開展和虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)提供了參考思路。

網(wǎng)上虛擬實驗；虛擬儀器；遠程實時控制實驗；遠程模擬仿真實驗

引言

基于網(wǎng)絡的虛擬實驗是遠程教育的組成部分，是落實實驗教學環(huán)節(jié)，完成教學要求，實現(xiàn)教學目標，提高教學質量的必然要求，是遠程教學的重要支持服務內容，可以有效解決基層儀器設備短缺、實驗教師缺乏，執(zhí)行過程不規(guī)范、要求不統(tǒng)一等難題。還能夠突破傳統(tǒng)實驗對“時、空”的限制，無論是學生還是教師，都可以自由地、無顧慮地隨時隨地上網(wǎng)進入虛擬實驗室，操作儀器，進行各種實驗，有助于提高實驗教學質量。

一、網(wǎng)上虛擬實驗的基本分類

網(wǎng)上虛擬實驗是指在計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中，采用多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術實現(xiàn)的各種虛擬實驗環(huán)境，它允許人們訪問和使用自己沒有的設備資源，使得處于不同地理位置的學習者可以同時對一個實驗項目進行實驗工作，可以接觸最新的儀器。實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預定的實驗項目，所取得的學習或訓練效果等值于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果。

目前實現(xiàn)網(wǎng)絡虛擬實驗的方法主要有兩種類型：

1、遠程實時控制實驗。

也稱遠程實驗，它利用虛擬儀器技術、計算機技術、網(wǎng)絡通訊技術以及數(shù)據(jù)庫技術，通過互連網(wǎng)訪問連接實驗設備的遠程計算機，實現(xiàn)對實驗設備的調節(jié)和控制，它將實驗室內真實的實驗設備及控制系統(tǒng)，轉換成圖像、聲音、狀態(tài)等傳輸?shù)竭h端的學生計算機中，在異地完成真實的實驗室實驗。參加實驗的學生可以在自己的計算機中遙控操作實驗室中實驗設備，例如對實驗設備進行編程、校對、啟／停、監(jiān)控等操作。而學生執(zhí)行操作的結果又實時地回傳給學生，使參加實驗的學生如身臨其境，取得和親自在實驗室做實驗相同的效果。

遠程實時控制實驗屬于半虛擬實驗，它既需要一定非傳統(tǒng)意義上的儀器、設備，又需要網(wǎng)絡和軟件的控制，還要求雙向信息傳輸和特殊的實驗裝置，因此其實現(xiàn)難度往往較大。

2.遠程模擬仿真實驗。

采用虛擬儀器和設備的方法，在計算機中用軟件模擬儀器、設備、元器件等實驗器材。實驗的學生登錄虛擬實驗室后，可以充分利用虛擬器材庫中十分豐富的實驗器材，根據(jù)實驗要求進行組合。例如，可以自由地取用各種規(guī)格的電阻、電容、晶體管、集成電路等器件組成實驗要求的電路，然后接上開關、電源、信號發(fā)生器、測量儀表、示波器等虛擬儀器進行實驗，觀察記錄實驗數(shù)據(jù)和結果。這一切實驗操作都是在計算機上模擬仿真實現(xiàn)的，可以取得和采用真實實驗器材、設備相同的實驗結果。

模擬仿真實驗屬于純虛擬實驗，它并不連接和控制物理儀器，完全通過網(wǎng)絡和計算機系統(tǒng)模擬真實實驗所需要的條件和環(huán)境，學生在計算機上就可以進行實驗。

仿真實驗網(wǎng)絡模式雖然能夠較好地滿足新的教育需求，但由于受網(wǎng)絡技術、虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展的限制，這種實驗模式在目前還難以完全取代真實的實驗。這是由于實驗教學具有很強的實踐性的特點決定的。如果片面強調仿真實驗網(wǎng)絡模式而忽視了真實實驗環(huán)節(jié)，將不利于學生能力的培養(yǎng)，達不到培養(yǎng)高素質人才的目的。

根據(jù)使用的技術，遠程虛擬實驗系統(tǒng)又可以分為C／S模式的實驗系統(tǒng)和B／S模式的實驗系統(tǒng)即基于Web的實驗系統(tǒng)兩種。兩者都在服務器端通過軟件技術仿真各種實驗環(huán)境，接收來自客戶端的實驗操作請求，根據(jù)客戶端不同的實驗請求，調整儀器的狀態(tài)，模擬產生實驗的現(xiàn)象，輸出對應的實驗數(shù)據(jù)。學習者在客戶端進行實驗，其中實驗過程中的數(shù)據(jù)和實驗結果數(shù)據(jù)可以放置于服務器端，對于一些保密數(shù)據(jù)也可以在客戶端獨立存放。為了保證多人在合作實驗過程保持同步，實驗人員可以通過網(wǎng)絡等途徑進行聯(lián)系，服務器端的后臺數(shù)據(jù)庫提供了可以共享的實驗數(shù)據(jù)和實驗方法。不同之處是前者需要專用的客戶端軟件，后者則使用公共的客戶端軟件瀏覽器?；赪eb的實驗室因其特有的優(yōu)勢，成為發(fā)展的主要方向。

二、虛擬實驗的優(yōu)勢和不足

1.網(wǎng)上虛擬實驗的優(yōu)勢。

無論是麻省理工學院WebLab的MIT在線實驗室，還是卡耐基·梅隆大學的CMU虛擬實驗室的虛擬實驗室，都是基于網(wǎng)絡模式的。實驗不再局限在實驗室中，可以通過網(wǎng)絡不受時空、設備限制，為實驗教學環(huán)節(jié)提供了強有力的支持。

虛擬實驗室是一種特殊的解決問題的環(huán)境，是提供給用戶的一個實驗教學、技術交流、共同研究、協(xié)同工作的平臺，是一種基于計算機虛擬原型系統(tǒng)的全新的科學研究與工程設計方法，是除理論與實物實驗之外的第三種研究設計手段和形式。

（1）突破傳統(tǒng)實驗對時空的限制。傳統(tǒng)實驗教學模式是近距離性的，隨著網(wǎng)上教學的開展和日益普及，網(wǎng)上實驗的需求亦愈來愈迫切，遠程教育中由于教學機構與學習者在空間上分離，學習者到學校實驗室做近距離的現(xiàn)場實驗總是相當困難，當然也不可能在每個學習者所在處（如企業(yè)、家庭等）建立實驗室，這樣就產生了在遠程教育中實驗教學與遠程教學模式不適應的狀況，并已經(jīng)成為制約遠程教育質量的一個重要因素。開展網(wǎng)上虛擬實驗教學能夠使這一問題得到有效解決。網(wǎng)上虛擬實驗室建成后，無論是學生還是教師，都可以隨時上網(wǎng)進入虛擬實驗室，操作儀器，進行各種實驗。

（2）實現(xiàn)實驗組數(shù)無限擴展和實驗的“零”維護保障。上網(wǎng)的計算機無須添加其它硬件設備和作專門的維護工作，就可以通過網(wǎng)上虛擬實驗系統(tǒng)任意選擇實驗項目進行實驗操作，為實驗保障和實驗開展提供較大的方便。

（3）實現(xiàn)實驗教學的一體化。網(wǎng)上虛擬實驗室除了能進行“實驗”外，在教學上還能夠同時滿足以下教學環(huán)節(jié)的需求：實驗預習環(huán)節(jié)、教員講授環(huán)節(jié)、實驗數(shù)據(jù)檢驗與分析環(huán)節(jié)、實驗報告環(huán)節(jié)、教學考核與教學評價環(huán)節(jié)、實驗中的相互交流與討論等。整個實驗教學的過程均可在網(wǎng)上實現(xiàn)和完成。

（4）易于開設新型實驗項目，大幅降低實驗成本。開設反映新技術、新成果的發(fā)展應用以及其它新型實驗是網(wǎng)上虛擬實驗室又一重要應用形式，這種類型實驗由于內容新穎、應用性較強，實驗室往往無法及時開出。通過網(wǎng)上虛擬實驗，可將相應的網(wǎng)絡資源進行組合，開發(fā)相應的實驗內容，甚至包括一些障礙性、破壞性、綜合性和研究性的實驗。

（5）便于資源共享。借助網(wǎng)上虛擬實驗室，可以有效地發(fā)揮各校實驗資源優(yōu)勢，實現(xiàn)實驗資源的廣泛共享。

采取虛擬化實驗教學，無疑將會在人才的培養(yǎng)上走出一條新的路子，并將有力地推動實驗教學內容與實驗教學方法的深刻變革。網(wǎng)上虛擬實驗室是實驗教學技術的發(fā)展方向，是現(xiàn)代化教學尤其是實驗教學改革的必然趨勢。

2.網(wǎng)絡實驗室的局限性。

網(wǎng)絡實驗室盡管有上述諸多優(yōu)勢，但與真實實驗室實驗相比還存在著許多局限性。

（1）缺少“實物感”。實驗中無法產生真正的觸覺、味覺、視覺體驗。

（2）虛擬技術很難完全反映實際儀器參數(shù)的離散性。如標稱值與實際值的誤差；同一類型儀器參數(shù)的不一致性；工作環(huán)境不同造成參數(shù)的差異性；儀器老化后造成參數(shù)的離散性等，這些在虛擬技術中只能部分地反映出來，學生難以積累這方面的知識與經(jīng)驗。

（3）異?，F(xiàn)象和故障被屏蔽。在實際實驗時，因誤操作等帶來的各種各樣的問題被系統(tǒng)“忽略”。而真實實驗過程中故障的檢查和排除可以鍛煉學生自己分析問題、解決問題的能力，使其實踐動手能力大大提高。

（4）實驗環(huán)境被提純。實驗系統(tǒng)以及實驗系統(tǒng)所處的環(huán)境被理想化、標準化，實驗的結果也按預設的規(guī)律給出。

因此網(wǎng)絡虛擬實驗并不能完全取代真實的實驗，還必須給學生安排一定的真實的實驗，才能使學生得到全面完整的實踐知識和實踐技能的訓練。

三、虛擬實驗的發(fā)展現(xiàn)狀

基于網(wǎng)絡的虛擬實驗的概念的提出至今僅有十余年的時間，目前國內的研究還處于萌芽階段，國外已經(jīng)有很多大學進行了這方面的研究。網(wǎng)絡虛擬實驗在發(fā)達國家已十分普及。作為首先提出虛擬實驗概念，并具有雄厚的科研實力和強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)，在該領域的研究已處于領先地位。美國為繼續(xù)保持其在科學技術領域的領先地位，尤其重視信息技術的研究，并已將虛擬實驗室列入其科研發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃，并取得顯著進展。“虛擬青蛙解剖”實驗教學就是一例：當時（1995年），世界各地有數(shù)十萬人次通過網(wǎng)絡參與了該實驗，他們在計算機屏幕上親自動手用虛擬的手術刀一層層“解剖”青蛙，觀察它的肌肉和骨骼組織，與真正的解剖實驗幾乎一樣，但沒有嗆人的藥水味；并且，遠程的實驗者還能相互交流，從而上了一堂生動的解剖課。

在我國，虛擬實驗室的建設也得到了應有的重視。清華大學、華中理工大學、四川聯(lián)合大學、復旦大學、上海交通大學、廣州暨南大學等高校走在了前列，上海、江蘇等電大也在積極籌建遠程實驗室，作為突破遠程教育實驗教學局限的有效嘗試。一些虛擬實驗系統(tǒng)被開發(fā)并投入使用，發(fā)揮了良好的作用。例如基于VRML的機械設計虛擬實驗系統(tǒng)、基于VRML的工程圖學虛擬實驗室、基于CAD軟件的機械設計虛擬實驗室、基于VRML的動物解剖虛擬實驗系統(tǒng)、基于VRML的數(shù)字邏輯電路虛擬實驗室、基于Web的虛擬自動生產線實驗系統(tǒng)、基于SolidWorks的機構運動方案設計虛擬實驗系統(tǒng)、基于Web的網(wǎng)絡組網(wǎng)虛擬實驗系統(tǒng)、機械控制工程虛擬實驗系統(tǒng)等。

但總體上講，我國虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)和應用尚處于初級階段。這一方面是因為虛擬技術是當代社會中的新事物，有一個不斷完善、不斷深化的問題，另一方面也有虛擬技術與遠程教育的結合問題。而且，虛擬實驗還面臨著來自社會的、政治的、經(jīng)濟的、技術的以及思想觀念等方面的各種挑戰(zhàn)。在系統(tǒng)的開發(fā)層面，產品少，規(guī)模小，水平低，智能性弱；已建立的系統(tǒng)也多是單機版的，功能單一，滿足于對實體實驗的模擬，缺乏創(chuàng)新；開發(fā)模式單一，單打多，合作少；重視實體實驗室的建設，而忽視虛擬實驗室的投入等。究其原因，缺乏行業(yè)規(guī)范和自覺合作的視野，技術復雜、開發(fā)難度大、周期長、投資風險高等都是重要因素。在應用層面，存在應用程度淺，資源共享程度低，尚未建立實體實驗、虛擬實驗相結合的實驗機制和意識，沒有形成遠程實驗的有關規(guī)程等問題。

四、虛擬實驗發(fā)展要處理好幾個關系

對于虛擬實驗發(fā)展面臨的諸多問題和挑戰(zhàn)，或許會成為虛擬實驗系統(tǒng)自身建設和發(fā)展的消極因素，但更可能是促進虛擬實驗在遠程教育中廣泛應用并最終產生遠程虛擬實驗教學模式的催化劑。就目前看，為了能夠有效地開展網(wǎng)上虛擬實驗，需要處理好以下三個關系：

1.“虛擬實驗”和“實物實驗”的關系。

網(wǎng)上虛擬實驗應該是“實物實驗”的一種補充、完善和擴展，兩者互有優(yōu)勢，互為促進，相輔相成。虛擬實驗不能完全代替實物實驗，既使虛擬環(huán)境再逼真，操作過程再一致，實驗的體驗也是有差別，畢竟“虛”、“實”有別。但是，不能因此否認虛擬實驗的價值和對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的作用和影響。虛擬實驗因其實現(xiàn)手段和保障方式上的不同，它可以實現(xiàn)實物實驗難以做到或難以保障的實驗項目和功能，比如提供大量的各種器件和儀器設備進行毀壞性試驗和綜合性實驗，以及有效解決遠程教學對實驗保障的要求等。

2.“網(wǎng)上實驗”和“網(wǎng)上教學”的關系。

開展網(wǎng)上實驗需有網(wǎng)上教學作為基礎。我們一般認為網(wǎng)上教學主要側重理論教學，網(wǎng)上實驗則側重實踐教學，它們是網(wǎng)上教育體系中兩個重要的組成部分。

網(wǎng)上虛擬實驗室的主要任務是實現(xiàn)虛擬實驗功能，同時還應具有一定的輔助實驗教學的功能。因而“網(wǎng)上實驗”和“網(wǎng)上教學”即相互統(tǒng)一、相互補充，又各有側重，要避免把“網(wǎng)上實驗”的重點放到“網(wǎng)上教學”的功能上，或把“網(wǎng)上教學”當作“網(wǎng)上實驗”。

3.“建設”和“應用”的關系。

虛擬實驗開展的基本前提是具有豐富的虛擬實驗系統(tǒng)產品。要強化政府引導，政策導向、資金扶持和規(guī)范管理相結合，借鑒世界上的先進做法，建立長遠發(fā)展需要的行業(yè)標準，堅持高起點、高層次、高水平，提高效率。要堅持多模式開發(fā)，虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)周期長，投資大，風險大，成本高，開發(fā)難度大。可委托企業(yè)開發(fā)，也可校企聯(lián)合、校校聯(lián)合開發(fā)；可以整體開發(fā)，也可循序漸進，由局部向整體推進。同時，網(wǎng)上虛擬實驗室的建設，必須按照實驗教學規(guī)律，結合當前實際情況，遵循“邊建設、邊使用、邊發(fā)展”的思路，建立功能完善的網(wǎng)上虛擬實驗室系統(tǒng)。在網(wǎng)上虛擬實驗室建設的初期，應該加大必要的投入，科學合理地規(guī)劃和組織實施虛擬實驗軟件的開發(fā)研制，同時應將完成的部分虛擬實驗項目或成果盡快投入實際教學的使用，既達到測試和檢驗的目的，也能使之盡快產生效益。要加大推廣力度。推廣應用虛擬實驗系統(tǒng)是推動虛擬實驗不斷發(fā)展的重要途徑，通過推廣應用打開市場，推動開發(fā)，從而形成促進虛擬實驗技術發(fā)展的良性循環(huán)。

五、結束語

基于網(wǎng)絡的虛擬實驗作為一種新型的實驗類型，盡管不能完全取代傳統(tǒng)實驗，但是它具有比傳統(tǒng)實驗更為靈活多樣的表現(xiàn)形式，在提高學生素質，促進實驗教學技術手段創(chuàng)新發(fā)展等方面將發(fā)揮重要的作用，因而也具有誘人的應用前景。

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［2］Mark，G.，Grudin，J，and Poltrock，S.Meeting at the Desktop：An Empirical Study of Virtually Collocated Teams.In Proceedings of The Sixth European Conference on Computer Supported Collaborative Work，pages 99－118.Dordrecht，The Netherlands，1999.

［3］習曉遠.校園網(wǎng)絡下的實驗室網(wǎng)絡化管理系統(tǒng)［J］.實驗室研究與探索，2000，19，（4）.

［4］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）.

［5］Victor Chang：Remote Collaboration in WebLab－an Online Laboratory.Submitted to the Department of Electrical Engineering and Computer Science.Pages 49－57，2001.

［責任編輯 張宇龍］

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1008－4649（2010）04－0029－04

2010－07－12

郭富強（1962—），陜西省韓城市人，陜西廣播電視大學督導與評估中心主任，教授，碩士。

＊本文為陜西廣播電視大學2009年重點科研課題“網(wǎng)上教學互動存在的問題與對策研究”階段性研究成果之一，項目

編號：04091002，課題負責人：王建功。