（無錫開放大學(xué)，江蘇無錫市，214011） 杜 俊

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，我國的社會生產(chǎn)生活發(fā)生了巨大的改變，“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念被引出，并促進(jìn)了我國傳統(tǒng)行業(yè)的革命性發(fā)展。[1]信息化時代下，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”模式正在逐漸應(yīng)用到實驗教學(xué)改革實踐中。目前，國家倡導(dǎo)建設(shè)終身學(xué)習(xí)型社會，同時伴隨著IT 技術(shù)方面的發(fā)展，原有的一些遠(yuǎn)程教學(xué)手段和方法勢必隨技術(shù)和最終終端使用用戶的習(xí)慣而發(fā)生變化。[2]本文闡述建設(shè)虛擬實驗室的必要性和可行性，提出構(gòu)建虛擬實驗室的實現(xiàn)途徑和方式，及對加快地方開放大學(xué)系統(tǒng)虛擬實驗室建設(shè)和發(fā)展的一些構(gòu)建設(shè)想。

1 引言

虛擬實驗室（virtual laboratory）的概念，是由美國弗吉尼亞大學(xué)的William Wulf教授于1989年提出的，簡稱VL，它所描述的是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境。VL 致力于構(gòu)筑一個綜合不同工具和技術(shù)的電子化、網(wǎng)絡(luò)化科學(xué)研究集成環(huán)境，以供使用者有效地利用數(shù)據(jù)、信息、設(shè)備、人力等各種資源從事科研活動。

聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）對虛擬實驗室的定義是：為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)作、實驗研究或其他創(chuàng)新活動，通過分布式信息通信技術(shù)產(chǎn)生并發(fā)布結(jié)果的電子工作室。[3]研究虛擬實驗室建設(shè)及其在教學(xué)中的應(yīng)用，是近幾年國內(nèi)外高等教育實驗教學(xué)和遠(yuǎn)程教學(xué)研究的熱點。教育部也提出“要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實驗”。國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010～2020）中也提出建設(shè)“虛擬實驗室”的規(guī)劃。

最近幾年，國內(nèi)許多高校如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、北京航天航空大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等，相繼建立了自己的虛擬校園或虛擬實驗室。虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于教育是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的一個突破。[4]在國內(nèi)教育領(lǐng)域。虛擬實驗技術(shù)的應(yīng)用越來越受到人們的重視。并已經(jīng)在科學(xué)研究、虛擬實驗教學(xué)等方面發(fā)揮出非常重要的作用。由于虛擬實驗技術(shù)的特點，它應(yīng)用在理工科的教學(xué)活動中大有作為，特別是在大學(xué)校園模擬和仿真方向上。虛擬實驗室成為強(qiáng)化實驗室建設(shè)、改革實驗教學(xué)手段的一個重要發(fā)展方向；地方開放大學(xué)應(yīng)該開發(fā)自己的虛擬校園和虛擬實驗室，并在全國開放大學(xué)系統(tǒng)內(nèi)逐步推廣和使用虛擬校園模式和虛擬實驗室系統(tǒng)。隨著遠(yuǎn)程開放教育的深入發(fā)展，基于教學(xué)、教務(wù)、校園生活的三維可視化虛擬校園和各類虛擬實驗系統(tǒng)呼之欲出，應(yīng)利用開放大學(xué)系統(tǒng)的集團(tuán)優(yōu)勢，大力開發(fā)虛擬校園以及各類虛擬實驗室，實現(xiàn)遠(yuǎn)程教育實驗和實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)的飛躍，提升開放大學(xué)的總體辦學(xué)水平。

2 地方開放大學(xué)虛擬實驗室建設(shè)的必要性

目前在地方開放大學(xué)對于通過遠(yuǎn)程教學(xué)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的學(xué)生來說，往往沒有進(jìn)行實驗的條件。由于實驗是多數(shù)工程類課程和應(yīng)用類課程的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生缺少了實驗動手的環(huán)節(jié)，特別是理工科課程的教學(xué)效果將會大打折扣。利用虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)在多媒體計算機(jī)上建立虛擬實驗室，學(xué)習(xí)者便可以走進(jìn)這個虛擬實驗室，身臨其境般地操作虛擬儀器，操作結(jié)果可以通過儀表顯示，反饋給學(xué)生來判斷操作是否正確。這種實驗既不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，可重復(fù)操作，直至得出滿意結(jié)果。

虛擬實驗室系統(tǒng)的內(nèi)容非常豐富，它包含了許多實驗室常見的儀器設(shè)備，圖文并茂，起到輔助教師教學(xué)的效果。另外，它能模擬仿真多個教學(xué)實驗，使用虛擬仿真技術(shù)可模擬各種實驗的整個操作步驟和每個實驗的操作仿真，充分應(yīng)用多媒體豐富直觀的表達(dá)形式，將仿真動畫、實驗錄像以及操作說明有機(jī)地結(jié)合起來，便于學(xué)生對實驗操作的充分理解和掌握。虛擬實驗可以對實驗結(jié)果進(jìn)行模擬，對于在各種不同實驗條件下產(chǎn)生的各種動態(tài)波形進(jìn)行實時仿真，對于一些學(xué)生平時難于完成的實驗起到示范的作用。虛擬實驗室系統(tǒng)可以建立學(xué)生實驗技能考核系統(tǒng)，通過內(nèi)置的多層次考核系統(tǒng)，對學(xué)生實驗、實訓(xùn)及操作技能的掌握情況進(jìn)行考核。虛擬實驗室系統(tǒng)還具有開發(fā)性，使用者可以根據(jù)具體情況將自己的實驗圖片、實驗錄像、實驗原理和操作的文字加入到系統(tǒng)中，從而擴(kuò)充系統(tǒng)的適用性。

虛擬實驗室系統(tǒng)主要依賴于軟件和較少的配套硬件，使實驗室的維護(hù)費(fèi)用和工作量大大降低，可實現(xiàn)資源共享，避免儀器重復(fù)添置，滿足用戶不再受時間、地點限制進(jìn)行遠(yuǎn)程的實時合作，提高用戶的學(xué)習(xí)效果。[5]

構(gòu)建開放大學(xué)遠(yuǎn)程開放教育虛擬實驗室是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的一個良好探索，是遠(yuǎn)程開放教育發(fā)展到新階段所提出的技術(shù)需求，而且伴隨著遠(yuǎn)程開放教育的發(fā)展，它一定會被普遍地應(yīng)用到遠(yuǎn)程開放教育的各個專業(yè)和學(xué)科，成為遠(yuǎn)程開放教育教學(xué)的重要組成部分。因此，全面認(rèn)識虛擬實驗室，有針對性地設(shè)計開放虛擬實驗室，就成為當(dāng)前開放大學(xué)系統(tǒng)工作者的一項重要工作任務(wù)。

對于遠(yuǎn)程開放教育方式來說，學(xué)生主要通過學(xué)校網(wǎng)站上的課程教學(xué)資源來完成課程學(xué)習(xí)，這是遠(yuǎn)程開放教育不同于其他教學(xué)方式的本質(zhì)特點。因為通過遠(yuǎn)程開放教育方式學(xué)習(xí)的學(xué)生，大多是在職的，而且這些人的分布又比較分散，作息時間又不統(tǒng)一，這就很難把他們組織在統(tǒng)一的時間、固定的地點作實驗。因此，網(wǎng)上課程虛擬實驗是解決這一問題的有效途徑，同時它也是遠(yuǎn)程開放教育資源的有機(jī)組成部分。

實踐性教學(xué)在開放大學(xué)遠(yuǎn)程開放教育中占據(jù)著特殊重要的位置，然而在具體的遠(yuǎn)程教學(xué)過程中，實踐性教學(xué)活動卻是一個難點，有許多因素制約著實踐性教學(xué)活動的開展。例如，實驗的近距離和集中性要求與遠(yuǎn)程教學(xué)的遠(yuǎn)距離和分散性教學(xué)模式之間存在矛盾，現(xiàn)在使用的在線教學(xué)平臺不能提供全面具體的實驗環(huán)境，在職學(xué)生不能很好地參加學(xué)校組織的相對集中的實驗教學(xué)等等。因此，怎樣解決這些問題，克服這些矛盾，以便更好地推進(jìn)實踐性教學(xué)活動的開展，自然就成為開放大學(xué)遠(yuǎn)程教育工作者面臨的一個重要課題。

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計開發(fā)的虛擬實驗室，在開放大學(xué)遠(yuǎn)程開放教育的實踐性教學(xué)活動中可以解決以下幾方面的問題：

（1）學(xué)生可以不受時間和空間的限制來做各類課程實驗和課程實訓(xùn)；

（2）虛擬實驗室可以提高安全性，避免真實實驗或操作所帶來的各種危險；

（3）虛擬實驗室可以節(jié)約大量的教學(xué)成本，充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源。

3 地方開放大學(xué)虛擬實驗室建設(shè)的可行性

3.1 虛擬實驗系統(tǒng)建設(shè)成本不高，技術(shù)條件成熟

目前常用的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室建設(shè)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而且對系統(tǒng)的硬件要求不高，系統(tǒng)組成簡單，建設(shè)成本低。大量采用的軟件工具介紹如下：

JAVA 語言，它是一個廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)編程語言，旨在為Internet 發(fā)展而使網(wǎng)頁由靜態(tài)轉(zhuǎn)為動態(tài)，是最重要的一種網(wǎng)上通用語言.JAVA 有簡單、面向?qū)ο?、分布式、解釋型、健壯、安全以及可移植等多種特性。

ASP(Active Server Pages，動態(tài)服務(wù)器端網(wǎng)頁)，包含在Internert Information Server3.0 及其以上版本中，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。

VRML 是虛擬實境描述模型語言(Virtual Reality Modeling Language)的簡稱。它是描述虛擬環(huán)境中場景的一種標(biāo)準(zhǔn)，也是在網(wǎng)上實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵性技術(shù)。使用VRML 技術(shù)可進(jìn)行三維虛擬實驗室的開發(fā)。VRML 的第二代WEB 上的關(guān)鍵技術(shù)，是一種三維場景的描述性語言，也是在Internet網(wǎng)上實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵性技術(shù).

ActiveX技術(shù)，它允許不同軟件開發(fā)的組件在網(wǎng)絡(luò)上可以互相進(jìn)行操作。其中，開發(fā)效率最高和最易上手的是Visual Basic，這也是大家比較熟悉的軟件。

FLASH 技術(shù)，它采用矢量圖形技術(shù)，生成的動畫體積小，適合在網(wǎng)絡(luò)上傳播。其動作腳本語言Action Script具有豐富的語言元素，包括常量，變量，運(yùn)算符、表達(dá)式、函數(shù)、屬性、動作、對象和電影剪輯等等。[6]

3.2 實驗內(nèi)容相對完備，對使用者的實驗環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的監(jiān)督和管理

網(wǎng)絡(luò)虛擬具體包括實驗預(yù)習(xí)、實驗要求、實驗步驟、實驗內(nèi)容、實驗幫助$、實驗測試等教學(xué)部分，可以按照模塊化設(shè)計的原則。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)分為注冊與登錄模塊、用戶管理模塊、成績管理模塊、測試模塊、公共信息模塊和進(jìn)入實驗子模塊等，功能劃分清晰，但又互相聯(lián)系和影響，保證使用者正確使用虛擬實驗室，獨立完成課程實驗和實訓(xùn)。

3.3 虛擬實驗系統(tǒng)使用簡便，對使用者的計算機(jī)操作水平要求不高

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室能夠向使用者提供一個在線參與、交互性的實驗環(huán)境。利用3D技術(shù)和VR技術(shù)可實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實對于沉浸性、交互性的要求。在實驗內(nèi)容上，考慮到設(shè)計成本與具體實驗內(nèi)容的選取，最終設(shè)計為簡易型的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，不需要特殊的傳感設(shè)備，用戶只需使用鼠標(biāo)，操作簡便。實驗室整個實驗的過程簡明清晰，實驗結(jié)束后即可獲得相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)，能夠進(jìn)行實驗的比較和分析并填寫實驗報告，完全滿足不同層次學(xué)習(xí)者的實驗和實訓(xùn)要求。

4 地方開放大學(xué)虛擬實驗室建設(shè)的一般方法

地方開放大學(xué)遠(yuǎn)程開放教育虛擬實驗室是以網(wǎng)絡(luò)為載體所建設(shè)的虛擬實驗室，由于目前開放大學(xué)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已相當(dāng)成熟。虛擬實驗室建設(shè)的關(guān)鍵是采用計算機(jī)仿真技術(shù)來構(gòu)建實驗?zāi)Ｐ?，設(shè)計出用于實驗的虛擬儀器設(shè)備、實驗流程、實驗元器件或構(gòu)件庫、實驗效果仿真等。目前，網(wǎng)上虛擬實驗室的建設(shè)主要有三種形式，即遠(yuǎn)程演示實驗、仿真實驗、控制實驗。

4.1 演示實驗

演示實驗指將真實環(huán)境中的實驗或操作流程拍攝成錄像，讓學(xué)生通過觀看錄像的方法了解實驗的操作流程。實驗錄像投入成本最低，制作周期最短，雖然無法達(dá)到和真實實驗相同的效果，但學(xué)生還是能夠通過錄像對課程實驗有一個感性的認(rèn)識，因此，可以作為仿真實驗手段的一個補(bǔ)充。模擬型實驗是在計算機(jī)中用軟件模擬儀器、設(shè)備、元器件等實驗器材和實驗條件，并以文字、圖形或動畫方式顯示出來。實驗的學(xué)生登錄虛擬實驗室后，與實驗軟件進(jìn)行交互，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(jìn)行實驗流程設(shè)計、實驗裝置搭建、實驗內(nèi)容操作、實驗結(jié)果統(tǒng)計分析等，最后寫出實驗報告，全部實驗過程在計算機(jī)上完成。學(xué)生觀察記錄實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，可以取得與實物實驗相同的實驗結(jié)果。

4.2 仿真實驗

仿真實驗是利用設(shè)備的數(shù)學(xué)模型或者數(shù)據(jù)庫模型構(gòu)建實驗需要的虛擬設(shè)備，學(xué)生可以按實驗要求在計算機(jī)軟件仿真的實驗環(huán)境中組裝實驗系統(tǒng)，通過改變實驗?zāi)Ｐ偷膮?shù)進(jìn)行各種模擬實驗，并得出相應(yīng)的實驗結(jié)果。仿真實驗環(huán)境形象生動"可以為學(xué)生提供自主探索和個性化學(xué)習(xí)的環(huán)境，并且可以通過軟件資源共享改善教學(xué)資源缺乏的教學(xué)現(xiàn)狀。由于仿真實驗除了計算機(jī)外不需要任何實驗設(shè)備的投入，教育投資經(jīng)濟(jì)合算。在高級的仿真型實驗中，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的實驗環(huán)境，學(xué)生不僅可以做實驗，體驗實驗的運(yùn)作，甚至還可達(dá)到比現(xiàn)實實驗環(huán)境中更好的實驗效果。在現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中，學(xué)生親自來高校實驗室參加真實實驗的可行性幾乎為零，所以，構(gòu)建虛擬實驗系統(tǒng)，開設(shè)網(wǎng)上虛擬實驗課程，將成為地方開放大學(xué)在現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中開展實驗環(huán)節(jié)教學(xué)的一個必然趨勢。

4.3 遠(yuǎn)程控制實驗

遠(yuǎn)程控制實驗中的實驗者可以通過網(wǎng)絡(luò)直接對實驗儀器設(shè)備進(jìn)行真實的遠(yuǎn)程控制，可以同時觀察實際儀器設(shè)備的實時視頻反饋和虛擬儀器的實驗結(jié)果顯示，可以充分地體驗真實的實驗感受。遠(yuǎn)程控制實驗系統(tǒng)在任何有Internet 的地方均可隨時進(jìn)行實驗，從而提高實驗設(shè)備的利用率。但是，由于遠(yuǎn)程實驗對傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有著比較高的技術(shù)要求，因此遠(yuǎn)程控制實驗主要運(yùn)用在控制學(xué)科領(lǐng)域，目前在遠(yuǎn)程教育領(lǐng)域內(nèi)暫時還沒有辦法大面積推廣。遙控型實驗是利用計算機(jī)多媒體技術(shù)和遙控遙感等通信技術(shù)，將實驗室內(nèi)真實的實驗設(shè)備及控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成三維圖像、聲音、狀態(tài)等傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的學(xué)生計算機(jī)中，可以在自己的計算機(jī)中進(jìn)行操作，通過通信線路遙控真實實驗室現(xiàn)場中的實驗設(shè)備，使遠(yuǎn)程實驗過程在實驗學(xué)生的實時遙控下運(yùn)作。而執(zhí)行操作的結(jié)果如文字、圖像、數(shù)據(jù)等又會實時地回傳給學(xué)生，從而使實驗學(xué)生可對實驗數(shù)據(jù)實時采集并進(jìn)行處理。

5 開放大學(xué)虛擬實驗系統(tǒng)建設(shè)的構(gòu)想

開放大學(xué)“虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)”可由以下幾個子系統(tǒng)構(gòu)成：

（1）虛擬校園系統(tǒng)由虛擬辦公樓系統(tǒng)、虛擬教學(xué)樓系統(tǒng)、虛擬圖書館系統(tǒng)、虛擬體育館系統(tǒng)和虛擬實驗樓系統(tǒng)組成。如圖1所示。

（2）進(jìn)入虛擬實驗樓子系統(tǒng)，可以看到各類實驗室。

（3）以汽車虛擬實驗室為例，實驗室子系統(tǒng)。如圖2所示。

圖1 虛擬校園系統(tǒng)

圖2 虛擬汽車實驗子系統(tǒng)

通過以上的分析介紹，可見虛擬實驗室在提高教學(xué)質(zhì)量，滿足不同類型學(xué)習(xí)者的個性化學(xué)習(xí)要求，解決硬件投資不足，節(jié)約教學(xué)成本等方面，具有廣闊的前景，特別是在培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的實踐動手能力，提高分析問題和解決問題的能力方面，具有重要的意義，能為培養(yǎng)技能型、應(yīng)用型復(fù)合人才發(fā)揮不可估量的作用。但是，建設(shè)真正意義上的沉浸式、交互式的虛擬實驗室還有很大困難。我們相信，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，在開放大學(xué)系統(tǒng)不懈的努力下，真正的虛擬實驗室一定會與我們見面。

如何加強(qiáng)開放大學(xué)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺上虛擬實驗室，網(wǎng)絡(luò)平臺的建設(shè)，如何充分應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及管理科學(xué)與工程技術(shù)來構(gòu)建網(wǎng)上虛擬實驗室已經(jīng)成為地方開放大學(xué)所面臨的重要課題。

6 結(jié)束語

“互聯(lián)網(wǎng)+”促進(jìn)了我國各行業(yè)的革命性發(fā)展，作為開放大學(xué)系統(tǒng)遠(yuǎn)程教育實驗教學(xué)中的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗，是現(xiàn)代遠(yuǎn)程教學(xué)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，是提高遠(yuǎn)程教學(xué)質(zhì)量的重要保證，也是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在實驗教學(xué)中的最好運(yùn)用。網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)能夠較好地解決以往遠(yuǎn)程開放教育模式中理論教學(xué)的遠(yuǎn)距離性和實驗教學(xué)的近距離性的矛盾，從而真正實現(xiàn)開放大學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的完全遠(yuǎn)程化。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗不僅在遠(yuǎn)程教育中發(fā)揮很好的作用，而且也是其他常規(guī)實驗教學(xué)改革的新思路。各種網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗資源建設(shè)的關(guān)鍵，不完全在于硬件環(huán)境，而主要在于對此重視的程度和組織實施的措施。開放大學(xué)系統(tǒng)發(fā)展、創(chuàng)新、突破的機(jī)遇就在我們面前，隨著虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的進(jìn)一步形成，必將促進(jìn)開放大學(xué)遠(yuǎn)程教育學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和動手能力的提高，并為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)發(fā)揮重要作用，從而提高開放大學(xué)系統(tǒng)總體辦學(xué)的質(zhì)量和社會知名度，使其走在我國虛擬實驗技術(shù)應(yīng)用的前沿并引領(lǐng)其向前發(fā)展。