尹培培

（南京航空航天大學計算中心，江蘇 南京211106）

0 引言

隨著計算機和軟件技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗已成為一個熱門的教育教學研究內(nèi)容，作為一種新興的實驗技術(shù)手段，對傳統(tǒng)實驗教學的教學模式、教學方法、教學手段以及教學理念產(chǎn)生了重要的影響。

虛擬實驗[1-2]是用軟件代替硬件，通過編程模擬實驗的過程。整個實驗在虛擬環(huán)境中以虛擬的形式完成，不涉及正式的實驗儀器設備，用虛擬實驗代替實驗室的實驗。

1 虛擬實驗研究現(xiàn)狀

1.1 國外虛擬實驗研究現(xiàn)狀

目前，虛擬實驗技術(shù)不斷發(fā)展，虛擬實驗在教學中的應用也越來越廣泛和普遍。

美國麻省理工學院電子工程和計算機科學系是最早開始虛擬實驗教學應用的院系。該系的教授JesusA.delAlmao早在1988年就已經(jīng)創(chuàng)立了微電子在線實驗室(Microelectronics WebLab)[3-4]，實驗室于1998年開發(fā)并投入使用。該實驗室提供了用于用于電路設計和微電子學課程的實驗教學，學生可以在自己的電腦上進行設計以及修改電路模型，然后通過Web瀏覽器使用在遠程實驗室里的測試設備來獲取測試數(shù)據(jù)，驗證自己的設計，該瀏覽器是通過Java激活的。在2010年，實驗室還實現(xiàn)了通過手機遠程控制來進行實驗的功能。

美國俄勒岡大學物理系主辦的物理實驗網(wǎng)站VLAB設有多種虛擬實驗，包括能量與環(huán)境、天體物理、熱學、力學等方面。本系統(tǒng)通過Java語言進行開發(fā)，實驗程序需要從服務器進行下載，并在客戶機上運行。

美國還有其他很多家大學或研究會已開始應用虛擬實驗室。美國密歇根大學的化學工程系創(chuàng)建的VRCEL(Virtual Reality in Chemical Engineering Laboratory)實驗室主要用于研究和探索虛擬現(xiàn)實技術(shù)在化學工程領(lǐng)域的應用。美國霍華德·休斯醫(yī)學研究會（Howard Hughes Medical Institute，HHMI）建立的虛擬實驗室是一個模擬完全交互式的生物醫(yī)學實驗室。

德國波鴻大學開發(fā)的VCLab(Visual Communication Laboratory)實驗室是關(guān)于控制工程的一個學習系統(tǒng)，它結(jié)合了Java Applet以及其他一些插件，通過MABTAB/SIMULINK軟件計算引擎生成的控制工程實驗中的模擬動畫以及交互動畫，該系統(tǒng)可以采用本地及遠程這兩種方式進行實驗內(nèi)容的發(fā)布。

此外，國外還有其他許多國家研究虛擬實驗室。譬如，意大利帕瓦多大學開發(fā)了用于遠程虛擬教育的實驗室，西班牙大學電子系研究了一種電子儀器的虛擬工作平臺，新加坡國立大學建立了遠程壓力容器實驗以及示波器實驗。

1.2 國內(nèi)虛擬實驗研究現(xiàn)狀

與國外相比，國內(nèi)的虛擬實驗室研究起步稍晚，但其發(fā)展較迅速。目前大部分高校和科研機構(gòu)逐漸建立了自己的網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)。

北京大學計算機科技與技術(shù)系開發(fā)了一種可用于大計算量的交互式網(wǎng)上虛擬實驗室，該實驗系統(tǒng)基本實現(xiàn)了流水線設計以及高速緩存設計這兩個實驗系統(tǒng)。

清華大學的“電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設備安全控制和仿真”國家重點實驗室，通過虛擬儀器建立了用于汽車發(fā)動機的檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用來檢測發(fā)動機的功率特性、符合特性等。

北京航空航天大學的虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室研究開發(fā)了若干硬件設備和軟件平臺，這些平臺用于支撐虛擬現(xiàn)實理論與技術(shù)研究。例如北京航空航天大學參與構(gòu)建的分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(Distributed Virtual Environment Network,DVENET)是我國第一個基于廣域?qū)Ｓ糜嬎銠C網(wǎng)絡的分布式虛擬現(xiàn)實支撐環(huán)境，該系統(tǒng)主要包括了一個專用計算機網(wǎng)絡以及支持分布式虛擬環(huán)境研究與應用開發(fā)的各種標準、開發(fā)工具和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(如三維逼真地形)。

中國科技大學在虛擬實驗室的建設和使用方面擁有我國第一個真正意義上的虛擬實驗教學軟件，包括幾何光學設計實驗平臺、廣播電視大學物理虛擬實驗、物理仿真實驗軟件以及大學物理虛擬實驗遠程教學系統(tǒng)，該校物理虛擬仿真實驗教學中心已經(jīng)成功升級為國家級虛擬實驗中心，是我國教育部批準的第一個物理類的國家級虛擬仿真實驗教學中心。

國內(nèi)還有許多組織機構(gòu)均在開展虛擬實驗的相關(guān)開發(fā)與建設，與國外的虛擬實驗室相比，我國還存在一定的差距。

2 虛擬實驗發(fā)展趨勢

雖然我國虛擬實驗研究還存在不足，但也取得了一些成就，有著廣闊的發(fā)展前景。

（1）理論指導研究

目前虛擬實驗的理論研究遠遠少于實踐應用，而理論性的文章主要著重于虛擬實驗特點、作用、必要性等方面，缺乏深入的理論思考。因此，加強有效深入的理論研究是有必要的。

（2）教學應用研究[5]

目前虛擬實驗的應用研究內(nèi)容主要集中在系統(tǒng)研究與設計、虛擬實驗網(wǎng)絡教學平臺的建設，對虛擬實驗系統(tǒng)應用于教學的模式研究與效果分析以及虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)的評估等方面的研究較少，特別是學生對于虛擬實驗系統(tǒng)的學習體驗調(diào)查及評價的研究。

（3）系統(tǒng)構(gòu)建方式研究

目前國內(nèi)的虛擬實驗系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)一般集中于Java、VRML、Flash、LabVIEW等技術(shù)在虛擬實驗系統(tǒng)建設中的應用，或者以此技術(shù)在某個實驗環(huán)節(jié)中的應用，對于多種技術(shù)的混合開發(fā)以及各項技術(shù)間的交互性設計和網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究不多。

3 結(jié)束語

虛擬實驗是教育教學的一個重要構(gòu)成部分，研究虛擬實驗技術(shù)不僅可以有效地提高教學質(zhì)量，而且可以培養(yǎng)學生自主實驗能力，對于教育事業(yè)有著重大的推動作用。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、多媒體技術(shù)等多學科綜合發(fā)展，虛擬實驗系統(tǒng)的建設將取得更大的進展，遠程教學也將有更廣的應用前景。

［1］魏蕓.虛擬實驗的分析與研究[J].科技信息,2010(35):5-6.

［2］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(shù)與管理,2005,22(1):35-47.

［3］陳小紅.虛擬實驗室的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2010(17):107-109.

［4］李凌云,王海軍.網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2008,18(4):111-114.

［5］杜俊敏,李建中.虛擬實驗在實驗教學中的應用[J].交通高教研究,2003(3):63-64.