劉壽智呂少云

（1. 湖南省藍山縣第二中學，湖南 藍山 425800； 2. 湖南省衡陽縣第五中學，湖南 衡陽 421236）

0 引 言

實驗是中學課程改革的重要環(huán)節(jié)，是全面提高學生科學素養(yǎng)的重要途徑，以其獨有的特點，在中學教學中起著重要的作用。隨著課程改革在全國的各地的開展，加強中學實驗教學，加強學生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，對中學教學及學生今后的發(fā)展，都具有十分重要的意義。然而，在目前的實驗教學中，還存在諸多問題，如學校儀器設(shè)備缺乏和陳舊等現(xiàn)象，嚴重影響中學實驗教學。一個傳統(tǒng)的實驗要使用多種儀器，而且不同實驗所用的儀器也不盡相同，如果開設(shè)綜合性實驗所需儀器更多，這么多的儀器不僅價值昂貴，體積大，占用空間多，而且相互連接也十分麻煩。如何更合理地配置教育資源，解決好資金投入與人才培養(yǎng)之間的矛盾，是學校開展實驗教育經(jīng)常需要考慮而又是傷腦筋的問題。并且傳統(tǒng)的實驗室容易造成儀器損壞。因此，通過擴大實驗室規(guī)模、增添大量儀器設(shè)備來滿足傳統(tǒng)實驗教學，一般是難以實現(xiàn)的。因此如何解決這些問題成為一個制約中學實驗教學的一個大問題。我們認為，如果在中學階段引入虛擬實驗室是個非常不錯的選擇。

1.入虛擬實驗室的必要性

虛擬實驗就是在WEB中創(chuàng)建出一個可視化的環(huán)境，其中每一個可視化的物體代表一種實驗對象[1]。通過鼠標的點擊以及拖曳操作，用戶可以進行虛擬的實驗。虛擬實驗是一種應(yīng)用廣泛的科學實驗?zāi)Ｊ?，到目前為止，它已?jīng)歷了思想實驗、計算機仿真和虛擬現(xiàn)實階段[2]。虛擬實驗的第一個階段是形象化階段，從時間上來說是指在1946年電子計算機發(fā)明以前的歷史時期。在這個階段虛擬實驗被稱作思想實驗，那是因為當時只有在人的頭腦中才能進行這樣的實驗。虛擬實驗的第二個階段是數(shù)字化階段。它主要指利用電子計算機所進行的計算機仿真階段，它是指利用電子計算機對實驗對象的數(shù)學模型進行模擬實驗，以求得對實物原型系統(tǒng)規(guī)律性認識的一種實驗方法。虛擬實驗的第三個發(fā)展階段是虛擬現(xiàn)實階段。虛擬現(xiàn)實作為虛擬實驗發(fā)展的一個新階段，它與狹義的思想實驗以及計算機仿真實驗相比有著以下幾個方面的特色[3]:

①真實性，虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身就是要創(chuàng)建一種虛擬的“真實性”，所以虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用使虛擬實驗不再是一個理想化過程，逼真和真實被提到了首要的地位。在虛擬現(xiàn)實中能體驗到視覺、聽覺、膚覺、動覺、平衡覺等多種感覺甚至還將給人以味覺和嗅覺的感受。

②交互性，使用者能對虛擬環(huán)境中的物體進行操作并得到相應(yīng)的反饋。虛擬現(xiàn)實技術(shù)使得虛擬實驗更逼真、更為人性化，利用這種交互性的優(yōu)點進行外科手術(shù)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)己經(jīng)投入了實際使用。

③形象性和直觀性，虛擬現(xiàn)實技術(shù)用逼真的畫面反映實驗對象及過程，用強大的運算能力分析實驗過程中的數(shù)量關(guān)系，最后用直觀的形式將實驗結(jié)果表現(xiàn)出來，從而使虛擬實驗保持形象性與直觀性的統(tǒng)一。

虛擬實驗從廣義上說是一種模擬實驗,但它在實驗的本體逼真性和應(yīng)用普適性,以及在給予實驗者現(xiàn)場實時感受和實驗效果等方面,是傳統(tǒng)意義上的模擬實驗根本無法相比的。它與傳統(tǒng)實驗教學相比，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室具有如下特點：

（1）成本低，只要購買一定的儀器模板以及相應(yīng)的軟件(例如Labview等軟件)，就可以構(gòu)成足夠數(shù)量的虛擬儀器供學生使用，可以節(jié)約大量儀器設(shè)備的經(jīng)費投入。因為“軟件即為儀器”，這樣就可解決因?qū)嶒灲?jīng)費不足或高檔次、高價位設(shè)備缺乏所不能開出的實物實驗尤其是通過聯(lián)網(wǎng)后能實現(xiàn)大型科學儀器的資源共享，避免了大型儀器設(shè)備的重復(fù)添置、購買和浪費。虛擬實驗室可以反復(fù)多次使用，不存在實驗器材的消耗，節(jié)省使用維護成本，特別是在實驗室建設(shè)經(jīng)費緊張的情況下,有較大優(yōu)勢。

（2）品種全，虛擬實驗室的數(shù)據(jù)庫可做到規(guī)格品種齊全，并易于升級換代和增加新品種，從根本上解決了因?qū)嶒炘骷蛢x器儀表不全而影響實驗的問題。

（3）效率高，虛擬實驗室省去了手工實驗時的許多簡單勞動，如器材準備等，使用者可以集中精力研究實驗對象本身的特性和規(guī)律，同時虛擬實驗室通過提供良好的在線幫助和學習功能，可幫助使用者迅速掌握實驗研究本身和達到實驗研究的具體目標和要求，大大提高了學習和研究效率。

（4）安全性，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行虛擬實驗，可以避免直接接觸危險的或?qū)θ梭w健康有危害的實驗，不會處于潛在危險的壓力之中，一心專注于實驗。例如，虛擬的化學實驗，可避免化學反應(yīng)所產(chǎn)生的燃燒、爆炸所帶來的危險。學生在虛擬實驗環(huán)境中，可以放心實驗，大膽操作，積極開拓思維，掌握更多的實驗技巧。

（5）準確性，計算機模擬的演示實驗具有傳統(tǒng)實驗所不及的準確性，這是因為傳統(tǒng)實驗受器材的限制、環(huán)境因素的影響和實驗誤差的影響，這些都是由于實物實驗造成的，而用計算機模擬實驗時，由于是事先將規(guī)律輸入機器的，不會受上列因素的影響，因而準確程度高，并且數(shù)據(jù)可隨時由計算機輸出，更容易找出規(guī)律。

（6）直觀性，計算機的顯示屏由于它的明亮程度高，從心理學的角度來看，還能刺激學生的視覺，提高學生的興趣。特別是計算機能夠同時對兩處動態(tài)的實驗現(xiàn)象進行觀察，從而使其直觀性更強。如在講授機械振動形成機械波時，用傳統(tǒng)的方法觀察到質(zhì)點的振動，就無法觀察到波的傳播，而觀察到波的傳播，又無法觀察到質(zhì)點的振動，而用計算機模擬這一實驗時，可以很清楚地同時觀察到這兩種運動，比較容易得出質(zhì)點振動和波的傳播的關(guān)系。計算機的直觀性還體現(xiàn)在它能對不同的物理現(xiàn)象進行類比。如運動學中的自由落體運動、平拋運動和斜拋運動，用計算機模擬實驗時可把它們投入同一坐標軸上研究，比較容易找到它們的共性和個性。

（7）易維護，如果采用傳統(tǒng)的實驗教學方法，那么不僅要耗費巨額資金來擴大實驗室的建設(shè)規(guī)模，增添大量的儀器設(shè)備，而且也要擴大實驗管理人員以加強實驗管理環(huán)節(jié)，盡量避免儀器設(shè)備磨損造成的經(jīng)濟損失，保證實驗教學秩序良好進行。然而元器件的消耗是不可避免的，該經(jīng)濟負擔是讓人難以承擔的。

（8）開放性，鑒于網(wǎng)絡(luò)虛擬實實驗的開放性和共享性，資源的可重復(fù)利用率提高，系統(tǒng)組建時間縮短，功能易于擴展和管理，使學生的實驗操作機會得以增加，實驗范圍和科目得以擴大，高新技術(shù)在教育領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)勢可以充分發(fā)揮出來。

教育專家預(yù)測，在21世紀，虛擬實驗將成為虛擬現(xiàn)實技術(shù)最重要和最熱門的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

2.擬實驗室的構(gòu)建原則

虛擬實驗室概念的提出至今將近二十年的時間，因其廣闊的應(yīng)用前景，各國均在大力開發(fā)，己經(jīng)取得了一些進展。越來越多的科學家正在投身于虛擬實驗室的研究工作中來。例如，美國巴爾的摩(Baltimore)約翰霍普金斯大學的化學工程系的卡爾威教授 (Michael Karweit)在電腦網(wǎng)絡(luò)上建立了一個虛擬實驗室，讓工程系的學生通過電腦網(wǎng)絡(luò)做實驗，嘗試解決工程上遇到的各種問題；德國的漢諾威大學建立了虛擬自動化實驗室；西班牙大學計算機組成原理系開發(fā)了計算機組成原理儀器虛擬工作平臺；意大利帕瓦多大學建立了遠程虛擬教育實驗室；加拿大科學家建立的有關(guān)人體細胞的虛擬實驗室；劍橋大學、斯坦福大學等眾多國際著名大學都組建了自己的虛擬實驗室。有些國外大學甚至把虛擬實驗作為了學生的必修課。我國的不少高校也己經(jīng)引入了虛擬實驗室。例如:清華大學利用虛擬儀器構(gòu)建了汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)；華中理工大學機械工程測試實驗室將其虛擬實驗室成果在網(wǎng)上公開展示，供遠程教育使用；四川聯(lián)合大學基于虛擬儀器的設(shè)計思路，研制了“航空電臺二線綜合測試儀”，將8臺儀器集成于一體，組成虛擬實驗系統(tǒng)；中國科技大學人工智能與計算機應(yīng)用研究室最新研制出我國第一套虛擬現(xiàn)實教學軟件“幾何光學實驗設(shè)計平臺”，該系統(tǒng)完成了光學虛擬實驗室的設(shè)計，通過實驗所提供的一系列光學儀器，學生可以基本上完成所有的實驗，并且提供了完整的文檔和習題系統(tǒng)[4]。中國農(nóng)業(yè)大學建立了虛擬土壤一作物系統(tǒng)實驗室。海軍航空工程學院青島分院自主完成的“電路與電子網(wǎng)上虛擬實驗教學系統(tǒng)”，學生可在網(wǎng)上做電路與電子的有關(guān)實驗；浙江大學的虛擬化學實驗，是基于web的虛擬實驗，以VRML和Java技術(shù)結(jié)合開發(fā)。中國科學院、大連理工大學等也成立了計算化學、分析化學的虛擬實驗室。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在中學階段引入虛擬實驗室的條件越來越成熟。在設(shè)計面向中學生的虛擬實驗室時，我們認為應(yīng)該遵循如下幾個原則：

（1）科學性原則，這是虛擬實驗環(huán)境要遵循的最根本的原則。沒有科學性，虛擬實驗的效果也就無從談起。首先，虛擬實驗中的虛擬儀器的屬性要和真實世界中的實驗器件的屬性相一致，并且要符合學習者認知的發(fā)展規(guī)律。其次，實驗過程的模擬，以及實驗結(jié)果的顯示必須嚴格遵從物理科學的規(guī)律，不能出現(xiàn)違背科學規(guī)律的錯誤。

（2）與現(xiàn)實的一致性，如果實驗環(huán)境，實驗儀器的設(shè)置都保持與現(xiàn)實的一致性，且還要模擬它們實驗環(huán)境中的各種聲音，如汽笛聲、按鈕按動聲、內(nèi)部機械動作聲等，這樣才能使學生在實驗室有身臨其境的感覺，全身心地投入學習。

（3）實時的信息反饋，故障發(fā)生器，在實際工作中除了設(shè)備正常情況下的操作，還有各種意外情況，如某些設(shè)備故障的情況。此時，要求在虛擬系統(tǒng)中也能模擬手柄失靈、儀表信號不顯示及自然災(zāi)害發(fā)生的情況等，即給實驗增加一些難度，強化學生實際操作能力。

（4）功能全面，在設(shè)計中學生虛擬實驗室時，除了有實驗環(huán)境以實驗器材外，還應(yīng)具有實驗說明書，實驗報告單，還應(yīng)該具有實驗數(shù)據(jù)的采集及加工能力。

（5）畫面美好，一個優(yōu)秀的虛擬實驗教學環(huán)境不僅要傳授科學知識，還要有一定的藝術(shù)欣賞價值，使學生在接受知識的同時也有美的享受。軟件應(yīng)該是好的內(nèi)容與美的形式的統(tǒng)一，美的形式能更好地表現(xiàn)內(nèi)容，激發(fā)學生的興趣。讓學生在藝術(shù)的氛圍中學習物理知識。這里的畫面美好一是指畫面美觀，即友好的界面設(shè)計；二是指圖片、圖像、動畫要盡量反應(yīng)真實的現(xiàn)象；三是指運動流暢，即畫面之間的切換無跳躍感，自然和諧圈。

3.育觀的改變

虛擬實驗技術(shù)在實驗教學中具有廣闊的應(yīng)用、發(fā)展前景，隨著虛擬實驗的普及，其優(yōu)越性會被越來越多的人認識。但要使虛擬實驗技術(shù)真正得到推廣應(yīng)用，關(guān)鍵還是觀念的改變。

首先，要培養(yǎng)一支高素質(zhì)的實驗隊伍，不斷地進行知識更新，加強學習，重視信息的收集、加工、應(yīng)用，了解掌握最新技術(shù)，促進實驗教學發(fā)展。虛擬實驗的應(yīng)用和發(fā)展，加快了實驗室發(fā)展和實驗教學改革，促進了教育觀念的改變。

其次，是教師觀念的改變，不能把虛擬實驗室僅僅和仿真實驗等同起來，因而認為虛擬實驗沒有任何探索新知識上沒有任何價值.實際上，現(xiàn)在正在快速發(fā)展的虛擬實驗室，跟現(xiàn)實中的實驗室是完全一樣的，它不但可以驗證已有的知識，還可探索新的知識。

再次，中學教師除了具有創(chuàng)新精神和能力外，還應(yīng)有一個科學的投資理念，在實驗室建設(shè)和發(fā)展中，充分考慮投資效益，建設(shè)現(xiàn)代化的實驗室。

4.束語

虛擬實驗室與傳統(tǒng)實驗室相比，具有無可比擬的優(yōu)勢，具有巨大的應(yīng)用前景。中學教師應(yīng)該做好應(yīng)用這項技術(shù)的準備，轉(zhuǎn)變教育觀念，使我們的實驗教學更具有科學性和現(xiàn)代化。

[1]林川,劉勝永,潘盛輝.基于Web的虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計[J].軟件導刊, 2007(1):39-40.

[2]張晶.基于交互式FLASH技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)虛擬大學物理實驗的探索與實踐[D].蘇州:蘇州大學. 2004, 12.

[3]黃悅微.虛擬電路實驗場景的研究與實現(xiàn)[D].杭州:浙江大學. 2005.

[4]張茂軍.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)[M].北京:科學出版社, 2002.