李凱

摘? 要：討論了理工科虛擬實驗技術(shù)在遠程教育應用中的重大意義，緊密圍繞遠程教育的發(fā)展，著重探討了虛擬實驗技術(shù)對實踐教學的促進作用;詳細分析了虛擬實驗技術(shù)的特點，重點研究了虛擬實驗技術(shù)目前在遠程教育中的應用分類及其實現(xiàn)技術(shù)。提出了虛擬實驗技術(shù)軟、硬件環(huán)境建設(shè);結(jié)合實踐分析，指出理工科虛擬實驗技術(shù)實現(xiàn)中存在的現(xiàn)狀問題，提出了相應的解決措施。指出虛擬實驗技術(shù)在一定程度上能夠激發(fā)學生的學習興趣和參與感，增進學生的探索精神。

關(guān)鍵詞：遠程教育;虛擬實驗技術(shù);虛擬實驗應用;虛擬實驗實現(xiàn)

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）06-0056-04

Abstract： This paper discusses the significance of virtual experiment technology of science and engineering in the application of distance education， focuses on the development of distance education， and explores the promoting effect of virtual experiment technology on practical teaching. The characteristics of virtual experiment technology are analyzed in detail， and the application classification and realization technology of virtual experiment technology in distance education are mainly studied. The construction of software and hardware environment for virtual experiment technology is proposed. Based on practical analysis， the paper points out the existing problems in the realization of virtual experiment technology of science and engineering， and puts forward corresponding solutions. It is pointed out that virtual experiment technology can stimulate students' interest in learning and sense of participation to a certain extent， and enhance their spirit of exploration.

Keywords： distance education; virtual experiment technology; virtual experiment application; virtual experiment implementation

一、虛擬實驗技術(shù)在遠程教育中的意義

（一）遠程教育的發(fā)展與現(xiàn)狀

遠程教育是伴隨通訊技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展所產(chǎn)生的一種現(xiàn)代教育方式。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下，遠程教育進一步突破了傳統(tǒng)的課堂教學，在各種PAD、手機或終端設(shè)備支持下，學生隨時可以自主靈活的上課、考試。遠程教育已經(jīng)成為了一種時下流行的學習方式，尤其對成人學生來說無疑更是一種極其便利的學習方式。

上世紀80年代中期以來，部分學者將信息技術(shù)和遠程教育理論結(jié)合推廣，加拿大學者伽里森等人提出的三代信息技術(shù)和三代遠程教育理論。他將遠程教育的發(fā)展劃分為三個重要階段也就是三代[1]：函授教學;廣播、電視、錄像教學;電子通信技術(shù)下的遠程教學。

伴隨改革開放之后經(jīng)濟生活的迅猛發(fā)展，遠程教育事業(yè)逐漸受到國家的重視，特別是在全國各地廣播電視大學的創(chuàng)辦為我國遠程教育事業(yè)的發(fā)展做出了重大貢獻。如今，各類院校幾乎均有專門的網(wǎng)絡(luò)教育部門，一些重點院校還專門建有相應的遠程教育學院，使得遠程教育不僅在數(shù)量上，更在質(zhì)量上有了飛躍式的發(fā)展。

十九大報告中，習近平總書記提出對繼續(xù)教育的要求，更將進一步刺激遠程教育的成長與發(fā)展。通過40年的努力，我國的遠程教育環(huán)境也日趨成熟[2]，形成了以普通高等院校和全國各地廣播電視大學為兩大重要力量的辦學單位。隨著時代的發(fā)展，兩者之間還將廣泛采取互補與合作，進一步促進了我國遠程教育質(zhì)量的提高。

（二）虛擬實驗技術(shù)的起源

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是二十世紀末才興起的一門嶄新的綜合信息技術(shù)[3]。在復雜傳感技術(shù)、三維成像技術(shù)、高分辨顯示技術(shù)和交互技術(shù)的綜合作用下，產(chǎn)生的一種身臨其境的用戶體驗。

在各種聲光電設(shè)備刺激下，虛擬現(xiàn)實帶領(lǐng)用戶融入一種與現(xiàn)實生活視覺、聽覺、觸覺相逼真的環(huán)境中，通過用戶的操作不斷擴大感知和感受，進而成為虛擬環(huán)境的一員。

一直以來遠程教育都存在一個薄弱的教學環(huán)節(jié)——實驗操作。由于實驗本身所具有的特殊性和操作性使得教師無法通過傳統(tǒng)的錄像復現(xiàn)方式給學生提供一個具體的操作體驗，因此實驗教學一直就成為了困擾遠程教育發(fā)展的一個重要瓶頸。

虛擬實驗技術(shù)起源于20世紀末，它是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上建立起來的一項實驗模擬技術(shù)。極大程度上解決了長距離與現(xiàn)場的矛盾，特別是理工科實踐教學中一直存在的理論與實踐不相融合的大問題。

（三）虛擬實驗技術(shù)對遠程教育的意義

實驗是科學研究的方法之一，也是人類認識世界改造世界的重要方式。在各種實驗設(shè)備、實驗試劑、實驗操作的綜合作用下操作人員通過具體的實驗過程進而獲得客觀真實的實驗結(jié)果。

大多數(shù)的實驗過程具有不可逆性和破壞性，一旦中途出現(xiàn)失誤往往會導致整個實驗的失敗乃至生命危險。對科研人員而言，只有反復的再現(xiàn)實驗才能確保過程的安全性和可靠性。

虛擬實驗技術(shù)恰恰能夠解決上述問題，在計算機技術(shù)支撐下，可以通過虛擬實驗的方法來模擬實驗過程和實驗結(jié)果。整個實驗過程中，所有的實驗設(shè)備、實驗試劑、實驗操作乃至實驗人員都是虛擬的。

從實際應用的角度來看，虛擬實驗為操作者提供了一個可視化體驗的電子平臺;從組成特征來看，虛擬實驗是一個創(chuàng)建、開展實驗的交互環(huán)境;從技術(shù)實現(xiàn)角度來看，虛擬實驗是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、交互技術(shù)和復雜傳感技術(shù)的綜合體;從教學角度來看，虛擬實驗是一種借助計算機模擬和虛擬仿真完成實驗活動的過程也是對傳統(tǒng)實驗的模擬與替代;從教學目標來看，虛擬實驗以增進學生學習興趣提高動手能力為目的。[4]

二、虛擬實驗技術(shù)的特點

（一）打破時間和空間限制

虛擬實驗技術(shù)打破了傳統(tǒng)實驗教學中，學生必須在實驗場地完成操作的局限，學生可以隨時隨地進行操作，在終端設(shè)備的支持下學生可以更加開放的完成實驗過程，使得實驗設(shè)備和實驗試劑將不再成為限制實驗實施的重要障礙，學生可以自己掌控實驗進度和實驗內(nèi)容。

（二）具有真實的體驗感

虛擬實驗技術(shù)是一項復雜的綜合技術(shù)，它強調(diào)的就是模擬的真實性，也就是在互聯(lián)網(wǎng)條件下，借助VR、AR技術(shù)構(gòu)建出一種新型的實驗環(huán)境，能夠完全真實的模擬出在真實實驗條件下的實驗儀器、實驗試劑的配置、連接、調(diào)節(jié)、控制、使用，最終獲得一種等效于真實實驗或者優(yōu)于真實實驗的體驗效果。

（三）具有中止實驗和復現(xiàn)的能力

虛擬實驗技術(shù)最大的優(yōu)勢之一就是具有中止和復現(xiàn)能力，傳統(tǒng)的實驗操作往往不能夠中止實驗進程，特別是一些反應性的實驗。在試劑配比完成后只能獲得最終的實驗數(shù)據(jù)，盡管可以追蹤實驗過程，但是無法獲取某一特定時刻的過程狀態(tài)。在虛擬實驗技術(shù)的幫助下，實驗者隨時可以中止實驗，同時獲得在該條件下的實驗體會，使得實驗過程具有更大的可控性和觀測性。此外虛擬實驗技術(shù)還具有復現(xiàn)的能力，這就為實驗數(shù)據(jù)的獲取提供了極大的便利。

（四）能夠避免實驗危險

真實條件下，許多實驗往往具有一定甚至極大的危險性，這就對實驗者的操作安全構(gòu)成了嚴重威脅。虛擬實驗技術(shù)可以針對實驗的危險性給予補償，實驗者借助虛擬設(shè)備在整個實驗過程中，能夠完全避免因為實驗操作失誤或者實驗反應劇烈所造成的人身傷害。尤其是對火災、安全事故型實驗來說更具有不可替代的作用，實驗者根本不必身處危險條件下也能獲得相應的真實感體驗學習，極大的保障了實驗者的人身安全。

（五）能夠極大的節(jié)約教學成本充分利用學習資源

傳統(tǒng)的實驗因其不可復建性所消耗的實驗資源不具備可再生性。下一個實驗只能另行采購相應的實驗試劑、實驗耗材。對虛擬實驗技術(shù)來說，完全不存在上述問題，操作者只需將實驗條件重新設(shè)定即可進行新一輪實驗。極大的解決了生物實驗中，缺乏實驗對象、不能反復解剖病體的困難與障礙。大大節(jié)約了教學成本，借助于視像體驗技術(shù)也能夠起到充分利用學習資源的效果。

（六）刺激學生的學習興趣提高教學效果

學生在學習過程中，作為學習主體既是知識的獲得者，也是學習知識的探索者。因此怎樣提高學習者的學習興趣一直是每位教育工作者追求的目標。只有刺激學生的學習興趣，學生才能夠自發(fā)的投入到學習當中，才能獲得相應的學習效果。虛擬實驗技術(shù)由于具有強大的操作性和體驗性，因此可以極大的刺激學習者的探索精神，較之于傳統(tǒng)的面授教學、視頻教學，學生具有了更多的參與感，學習者的身份也從被動接受者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W習的探索者。

通過西安廣播電視大學的不斷探索與努力，目前我校已經(jīng)自建出一批虛擬實驗資源并實際應用于課堂教學，通過對學習者的調(diào)查與追蹤，學生明顯表示出對體驗性學習的興趣，相應的教學效果也得到了進一步的提高與落實。

綜上，虛擬實驗技術(shù)作為一種具有極大潛力的教學手段，已經(jīng)越來越多的受到關(guān)注，同時也被應用于實踐教學當中。

三、基于遠程教育的理工科虛擬實驗技術(shù)的應用與實現(xiàn)

（一）虛擬實驗技術(shù)在遠程教育中的應用

當前虛擬實驗技術(shù)已經(jīng)越來越多的應用于日常教學當中，特別是在普通高校和廣播電視大學系統(tǒng)中已經(jīng)成為了一種重要的教學方式。目前，可操作的虛擬實驗主要可以分為以下幾種類型。

1. 模擬實驗

模擬實驗是通過模擬有關(guān)情境，探尋有機體在該模擬情境下的心理和行為反應，并依據(jù)此類觀察結(jié)果進行推論的研究方法[5]。模擬實驗最大的特點是通過虛擬仿真技術(shù)，將文字、圖像、聲音、動畫綜合表現(xiàn)出來，通過模擬具體而真實的實驗環(huán)境、實驗條件達到與真實實驗完全相同的效果。目前廣州福斯特公司已經(jīng)開發(fā)出的全國電大開放教育會計本科多媒體實驗室即為此種類型[6]。

2. 虛擬實驗室

虛擬實驗室將現(xiàn)有各類實驗儀器、實驗環(huán)境進一步虛擬化，通過虛擬試驗臺、虛擬器材庫和虛擬實驗管理系統(tǒng)整合，構(gòu)建出一整套實驗環(huán)境。目前上海開大已經(jīng)建立了國際結(jié)算、機電、模擬銀行等一系列網(wǎng)上實驗室。學生在登錄實驗室后點擊“空調(diào)安裝”課件，即會在電腦顯示器展現(xiàn)出空調(diào)壓縮機的三維模型，通過鼠標的拖動可以進行空調(diào)的安裝與調(diào)試練習，只有逐步按照正確的流程才能最終完成實驗操作[6]。

3. 虛擬實踐教學平臺

目前廣州電大已經(jīng)建設(shè)了電子商務(wù)網(wǎng)上實踐教學平臺，平臺包括理論教學、自檢自測、法律法規(guī)、學習交流、模擬案例等模塊內(nèi)容，教師可以通過平臺對學生進行在線指導并完成相應的教學管理工作，此平臺還能為學生實時答疑和相關(guān)支持服務(wù)工作[6]。

（二）虛擬實驗技術(shù)的實現(xiàn)

虛擬實驗技術(shù)是具有可交互的綜合化信息系統(tǒng)，用戶通過特定的設(shè)備獲得虛擬實驗的數(shù)據(jù)請求，通過虛擬實驗平臺的處理，實時將數(shù)據(jù)結(jié)果反饋回用戶，并通過一定的方式展現(xiàn)出來。整個虛擬實驗技術(shù)主要由兩個重要環(huán)境構(gòu)成，即硬件環(huán)境和軟件環(huán)境兩個部分[7]。

1. 硬件環(huán)境

虛擬實驗技術(shù)的硬件環(huán)境包括了虛擬實驗服務(wù)器、各種外接設(shè)備、虛擬實驗數(shù)據(jù)庫、相關(guān)支持平臺等內(nèi)容。用戶通過客戶端與虛擬實驗服務(wù)器建立聯(lián)系，在數(shù)據(jù)通道的支持下實現(xiàn)大批量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)置與接收，提交相應請求給不同的應用程序服務(wù)器進行處理，并及時體驗反饋效果。

2. 軟件環(huán)境

軟件環(huán)境分為服務(wù)端技術(shù)和客戶端技術(shù)兩類。

目前有很多種開發(fā)虛擬實驗的軟件，Visual C++、Lab VIEW、Matlab、Java、VB、Protel、DasyLab等等，其中Lab VIEW應用較為廣泛。Lab VIEW是由美國國家儀器公司研制開發(fā)的使用圖形化編輯語言G編寫程序，輸出程序為框圖形式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了虛擬儀器及函數(shù)的執(zhí)行順序[8]。Lab VIEW程序包括前面板、框圖程序、圖標/接線端口三個部分[9]。Lab VIEW的框圖形式能夠?qū)碗s的編程通過框圖形式直觀的展示出來，同時Lab VIEW眾多的源代碼設(shè)備驅(qū)動程序也為開發(fā)者提供了良好的設(shè)計基礎(chǔ);Lab VIEW通過連續(xù)動態(tài)的對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測使得語言開發(fā)環(huán)境更加友好效率也更高。

客戶端能夠及時對虛擬儀器和虛擬實驗平臺的數(shù)據(jù)進行解釋和反饋，同時也是人機交互的平臺[10]。常用的實現(xiàn)客戶端功能的技術(shù)有兩種：一種是ActiveX技術(shù)，另一種是Java Applet技術(shù)。

ActiveX是一系列策略性面向?qū)ο蟪绦蚣夹g(shù)和工具的稱呼，ActiveX控件是可以在應用程序和網(wǎng)絡(luò)中計算機上重復使用的程序?qū)ο蟆ctiveX的一大優(yōu)點就是能夠被大多數(shù)應用程序再使用，也可以由不同的計算機語言開發(fā)。

Java Applet是利用Java語言編寫的小應用程序，可以直接嵌入到網(wǎng)頁中，不需要第三方軟件環(huán)境的支持，Java Applet的執(zhí)行速度不受網(wǎng)絡(luò)帶寬或Modem存取速度的限制，用戶能夠更好地欣賞Applet在網(wǎng)頁上產(chǎn)生的多媒體效果，有些Applet還允許同用戶進行交互式操作。

四、理工科虛擬實驗技術(shù)實現(xiàn)中的問題及對策

盡管當前理工科虛擬實驗技術(shù)已廣泛應用于遠程教學，但仍存在很多亟待解決的問題。

（一）對理工科虛擬實驗技術(shù)認識不足，需要進一步加深理解

虛擬實驗技術(shù)在VR和AR以及人工智能的支持下，近幾年雖然有了很大的進步與提高，但部分學者仍然秉持著虛擬實驗技術(shù)不可能替代傳統(tǒng)實驗的觀點，從而造成了對理工科虛擬實驗技術(shù)的認識不足。虛擬實驗技術(shù)不是萬能的，也確實不可能完全替代真實的實驗操作和實驗過程，但作為一種領(lǐng)先的技術(shù)手段，虛擬實驗技術(shù)卻能夠在一定程度上解決真實實驗中的破壞性實驗復建問題。一些教師認為，作為遠程學習的工作者來說，他們已經(jīng)具備了一定的實踐操作能力，他們需要遠程教育的真實目的僅僅是為了提高自身的理論水平加深理論與實際的關(guān)聯(lián)性，因此虛擬實驗技術(shù)對他們的幫助并不大[11]。針對上述意見，我校也一直在對成人學生的學習進行追蹤。實踐表明學生對于虛擬實驗技術(shù)的渴望十分強烈，盡管有一定的動手能力，但也只是針對日常工作中的加工操作，并沒有全部掌握機床設(shè)備的深層加工能力，因此對虛擬實驗技術(shù)抱有很高的期待。

（二）實驗環(huán)境要求較高，需要提高硬件支持

虛擬實驗技術(shù)作為傳統(tǒng)實驗技術(shù)的代替與補充，相對于傳統(tǒng)實驗設(shè)備而言其實驗環(huán)境要求比較高，特別是針對虛擬實驗服務(wù)器和虛擬實驗數(shù)據(jù)庫而言，需要極大的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理能力。虛擬實驗設(shè)備不僅要滿足基本的操作需要，同時還要具有良好的人體交互功能，從而便于操作人員獲得相應的真實感知和實驗過程的真實體驗。

（三）優(yōu)質(zhì)虛擬實驗資源有限，需要不斷開發(fā)

雖然越來越多的高校和科研院所積極參與到虛擬實驗的開發(fā)建設(shè)當中，但優(yōu)質(zhì)的理工科虛擬實驗資源仍然十分有限。以機械學科為例，雖然已經(jīng)構(gòu)建出虛擬加工車間，特別是虛擬數(shù)控機床已經(jīng)能夠達到在數(shù)控機床形態(tài)、進給、換刀、轉(zhuǎn)動慣量方面與實際的數(shù)控機床相差無幾。但虛擬數(shù)控機床類別有限，虛擬刀具在虛擬坯料上的加工軌跡還比較單一，由虛擬的幾何面構(gòu)成的虛擬加工零件的質(zhì)感還不能達到與真實實驗相一致的程度，應用于數(shù)控加工零件預測方面的數(shù)據(jù)庫仍顯不足。這就需要在建立經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫的同時，應用人工智能技術(shù)，更加精準的預測虛擬零件的加工精度和表面性能，借以提高學習效果。

（四）虛擬實驗技術(shù)軟件支持不足，需要不斷提高

虛擬實驗中的軟件問題是限制虛擬實驗開發(fā)和設(shè)計的重要瓶頸，它不僅需要強大的數(shù)據(jù)開發(fā)與支持，更需要新的理論和算法支撐，目前針對理工科的虛擬實驗教學相關(guān)軟件還顯得不太成熟。以我校自建安全技術(shù)與管理專業(yè)為例，雖然自建了一批虛擬體驗資源，但其體驗的真實度和畫面的細致度仍有待提高。虛擬實驗技術(shù)的軟件支持需要仿真建模、數(shù)據(jù)計算、交互技術(shù)的強大支撐，有很多問題暫時還無法解決，即使軟件的模擬度很高，仍不能完全代替具體的實驗操作。只有將二者互相結(jié)合，借助虛擬實驗技術(shù)為支撐，在教師和操作人員的引導下，幫助學生更好的體會實驗操作和實驗結(jié)果，從而更加適應現(xiàn)代遠程教育的學習需要[15]。

（五）教師角色轉(zhuǎn)化困難，需要思想轉(zhuǎn)變

作為遠程教育的工作者，許多教師仍存在教學認識上的角色定位不足，他們認為遠程教育的重要內(nèi)容就是為學生提供優(yōu)質(zhì)的教學資源，遠程教育的重要手段就是借助多媒體和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改變傳統(tǒng)的面授教學。因此在思想上忽略了虛擬實驗技術(shù)也是優(yōu)質(zhì)教學資源的一種。

現(xiàn)代遠程教育面對的學習對象不再是單一的課堂學習者，更多的是面對坐在各種電子終端前的學習者，他們的學習經(jīng)驗和學習能力千差萬別，這就需要遠程教育者能夠為他們提供更多的優(yōu)質(zhì)資源。教師不僅僅要具備良好的專業(yè)理論知識，更需要具備相應的實際操作能力。

（六）虛擬實驗技術(shù)的管理仍不到位，需要繼續(xù)提高應用水平

現(xiàn)階段遠程教育對理工科的實踐教學仍停留在傳統(tǒng)教學范圍內(nèi)，大多數(shù)遠程教育均不涉及實驗操作，只是提供相應的實驗教學視頻講解和視頻錄制資源，因此不能充分發(fā)揮學生自身的主動性，實驗操作只能流于形式。加大實驗過程的監(jiān)控力度，實施有效的實驗教學指導并形成規(guī)范制度，逐步拓展理工科的實驗教學，從制度上建立相應保障，將有條件開設(shè)虛擬實驗技術(shù)的課程，從考核上加入對操作過程的作業(yè)要求和考核分數(shù)，切實有效的建立起對實驗教學能力的考核才能起到提高教學質(zhì)量的目的。

五、結(jié)束語

綜上，盡管虛擬實驗技術(shù)仍不能完全取代真實實驗教學和實驗過程，但虛擬實驗技術(shù)作為一種教學方式和教學手段在現(xiàn)代遠程教育中將會扮演更多的重要角色。遠程教育工作者一定要提高認識，依托互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的發(fā)展構(gòu)建智慧學習模式，擺脫現(xiàn)有教學中學生觀看視頻教學和視頻講解的固化模式，讓學生參與其中，真正幫助學生鍛煉創(chuàng)造性思維，切實提高動手能力。

通過構(gòu)建不同的虛擬實驗平臺和虛擬實驗資源，讓學生真正參與到教學過程中，改變傳統(tǒng)教學中學生被動接受的學習模式。轉(zhuǎn)換學習者身份，通過互動參與依靠智慧教育模式真正實現(xiàn)遠程教育隨時可學可操作，隨處可學可操作的學習氛圍，從根本上激發(fā)學生的學習積極性和探索性，全面推進成人教育的改革與實施。

參考文獻：

[1]楊立力.論虛擬現(xiàn)實技術(shù)與遠程教育的結(jié)合[J].教育技術(shù)，2005（3）：61-63.

[2]朱青.現(xiàn)代遠程教育：我國高等教育發(fā)展的趨勢與方向[J].電子技術(shù)，2013（9）：84-85.

[3]李奕寧.VR技術(shù)在計算機組裝與維護中的應用研究[J].電腦迷，2016（5）：59.

[4]曾靚.淺析虛擬實驗在現(xiàn)代遠程教育中的應用意義[J].科技信息，2009（3）：178.

[5]楊治良，郝興昌.心理學辭典[M].上海：上海辭書出版社，2016：581.

[6]王者麗，范婧華.談遠程開放教育虛擬實驗室的構(gòu)建[J].齊齊哈爾師范高等專科學校學報，2011（2）：27-28.

[7]仲志燕.網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的設(shè)計與實現(xiàn)[J].輕工科技，2014（3）：58-59.

[8]百度百科.LabVIEW[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/LabVIE

W/4165214.

[9]馬晟.虛擬電子測量儀器技術(shù)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（1）：86.

[10]董樹宇.基于網(wǎng)絡(luò)的仿真實驗室平臺建構(gòu)的探索[J].黑龍江科技信息，2013（2）：107.

[11]魏洪，惠瑋.遠程教育工科實踐教學組織模式的建構(gòu)與實踐[J].繼續(xù)教育，2010（6）：31-33.