网上虚拟实验教学的探索与实践＊

郭富强

（陕西广播电视大学督导与评估中心，陕西 西安 710068）

【远程教育课程与教学研究】

网上虚拟实验教学的探索与实践＊

郭富强

（陕西广播电视大学督导与评估中心，陕西 西安 710068）

讨论了网上虚拟实验的技术、分类、特点、优势和不足，梳理了虚拟实验的发展现状，提出了虚拟实验发展要处理好的几个关系，为网上虚拟实验的开展和虚拟实验系统的开发提供了参考思路。

网上虚拟实验；虚拟仪器；远程实时控制实验；远程模拟仿真实验

引言

基于网络的虚拟实验是远程教育的组成部分，是落实实验教学环节，完成教学要求，实现教学目标，提高教学质量的必然要求，是远程教学的重要支持服务内容，可以有效解决基层仪器设备短缺、实验教师缺乏，执行过程不规范、要求不统一等难题。还能够突破传统实验对“时、空”的限制，无论是学生还是教师，都可以自由地、无顾虑地随时随地上网进入虚拟实验室，操作仪器，进行各种实验，有助于提高实验教学质量。

一、网上虚拟实验的基本分类

网上虚拟实验是指在计算机网络系统中，采用多媒体、仿真和虚拟现实等技术实现的各种虚拟实验环境，它允许人们访问和使用自己没有的设备资源，使得处于不同地理位置的学习者可以同时对一个实验项目进行实验工作，可以接触最新的仪器。实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等值于甚至优于在真实环境中所取得的效果。

目前实现网络虚拟实验的方法主要有两种类型：

1、远程实时控制实验。

也称远程实验，它利用虚拟仪器技术、计算机技术、网络通讯技术以及数据库技术，通过互连网访问连接实验设备的远程计算机，实现对实验设备的调节和控制，它将实验室内真实的实验设备及控制系统，转换成图像、声音、状态等传输到远端的学生计算机中，在异地完成真实的实验室实验。参加实验的学生可以在自己的计算机中遥控操作实验室中实验设备，例如对实验设备进行编程、校对、启／停、监控等操作。而学生执行操作的结果又实时地回传给学生，使参加实验的学生如身临其境，取得和亲自在实验室做实验相同的效果。

远程实时控制实验属于半虚拟实验，它既需要一定非传统意义上的仪器、设备，又需要网络和软件的控制，还要求双向信息传输和特殊的实验装置，因此其实现难度往往较大。

2.远程模拟仿真实验。

采用虚拟仪器和设备的方法，在计算机中用软件模拟仪器、设备、元器件等实验器材。实验的学生登录虚拟实验室后，可以充分利用虚拟器材库中十分丰富的实验器材，根据实验要求进行组合。例如，可以自由地取用各种规格的电阻、电容、晶体管、集成电路等器件组成实验要求的电路，然后接上开关、电源、信号发生器、测量仪表、示波器等虚拟仪器进行实验，观察记录实验数据和结果。这一切实验操作都是在计算机上模拟仿真实现的，可以取得和采用真实实验器材、设备相同的实验结果。

模拟仿真实验属于纯虚拟实验，它并不连接和控制物理仪器，完全通过网络和计算机系统模拟真实实验所需要的条件和环境，学生在计算机上就可以进行实验。

仿真实验网络模式虽然能够较好地满足新的教育需求，但由于受网络技术、虚拟现实技术发展的限制，这种实验模式在目前还难以完全取代真实的实验。这是由于实验教学具有很强的实践性的特点决定的。如果片面强调仿真实验网络模式而忽视了真实实验环节，将不利于学生能力的培养，达不到培养高素质人才的目的。

根据使用的技术，远程虚拟实验系统又可以分为C／S模式的实验系统和B／S模式的实验系统即基于Web的实验系统两种。两者都在服务器端通过软件技术仿真各种实验环境，接收来自客户端的实验操作请求，根据客户端不同的实验请求，调整仪器的状态，模拟产生实验的现象，输出对应的实验数据。学习者在客户端进行实验，其中实验过程中的数据和实验结果数据可以放置于服务器端，对于一些保密数据也可以在客户端独立存放。为了保证多人在合作实验过程保持同步，实验人员可以通过网络等途径进行联系，服务器端的后台数据库提供了可以共享的实验数据和实验方法。不同之处是前者需要专用的客户端软件，后者则使用公共的客户端软件浏览器。基于Web的实验室因其特有的优势，成为发展的主要方向。

二、虚拟实验的优势和不足

1.网上虚拟实验的优势。

无论是麻省理工学院WebLab的MIT在线实验室，还是卡耐基·梅隆大学的CMU虚拟实验室的虚拟实验室，都是基于网络模式的。实验不再局限在实验室中，可以通过网络不受时空、设备限制，为实验教学环节提供了强有力的支持。

虚拟实验室是一种特殊的解决问题的环境，是提供给用户的一个实验教学、技术交流、共同研究、协同工作的平台，是一种基于计算机虚拟原型系统的全新的科学研究与工程设计方法，是除理论与实物实验之外的第三种研究设计手段和形式。

（1）突破传统实验对时空的限制。传统实验教学模式是近距离性的，随着网上教学的开展和日益普及，网上实验的需求亦愈来愈迫切，远程教育中由于教学机构与学习者在空间上分离，学习者到学校实验室做近距离的现场实验总是相当困难，当然也不可能在每个学习者所在处（如企业、家庭等）建立实验室，这样就产生了在远程教育中实验教学与远程教学模式不适应的状况，并已经成为制约远程教育质量的一个重要因素。开展网上虚拟实验教学能够使这一问题得到有效解决。网上虚拟实验室建成后，无论是学生还是教师，都可以随时上网进入虚拟实验室，操作仪器，进行各种实验。

（2）实现实验组数无限扩展和实验的“零”维护保障。上网的计算机无须添加其它硬件设备和作专门的维护工作，就可以通过网上虚拟实验系统任意选择实验项目进行实验操作，为实验保障和实验开展提供较大的方便。

（3）实现实验教学的一体化。网上虚拟实验室除了能进行“实验”外，在教学上还能够同时满足以下教学环节的需求：实验预习环节、教员讲授环节、实验数据检验与分析环节、实验报告环节、教学考核与教学评价环节、实验中的相互交流与讨论等。整个实验教学的过程均可在网上实现和完成。

（4）易于开设新型实验项目，大幅降低实验成本。开设反映新技术、新成果的发展应用以及其它新型实验是网上虚拟实验室又一重要应用形式，这种类型实验由于内容新颖、应用性较强，实验室往往无法及时开出。通过网上虚拟实验，可将相应的网络资源进行组合，开发相应的实验内容，甚至包括一些障碍性、破坏性、综合性和研究性的实验。

（5）便于资源共享。借助网上虚拟实验室，可以有效地发挥各校实验资源优势，实现实验资源的广泛共享。

采取虚拟化实验教学，无疑将会在人才的培养上走出一条新的路子，并将有力地推动实验教学内容与实验教学方法的深刻变革。网上虚拟实验室是实验教学技术的发展方向，是现代化教学尤其是实验教学改革的必然趋势。

2.网络实验室的局限性。

网络实验室尽管有上述诸多优势，但与真实实验室实验相比还存在着许多局限性。

（1）缺少“实物感”。实验中无法产生真正的触觉、味觉、视觉体验。

（2）虚拟技术很难完全反映实际仪器参数的离散性。如标称值与实际值的误差；同一类型仪器参数的不一致性；工作环境不同造成参数的差异性；仪器老化后造成参数的离散性等，这些在虚拟技术中只能部分地反映出来，学生难以积累这方面的知识与经验。

（3）异常现象和故障被屏蔽。在实际实验时，因误操作等带来的各种各样的问题被系统“忽略”。而真实实验过程中故障的检查和排除可以锻炼学生自己分析问题、解决问题的能力，使其实践动手能力大大提高。

（4）实验环境被提纯。实验系统以及实验系统所处的环境被理想化、标准化，实验的结果也按预设的规律给出。

因此网络虚拟实验并不能完全取代真实的实验，还必须给学生安排一定的真实的实验，才能使学生得到全面完整的实践知识和实践技能的训练。

三、虚拟实验的发展现状

基于网络的虚拟实验的概念的提出至今仅有十余年的时间，目前国内的研究还处于萌芽阶段，国外已经有很多大学进行了这方面的研究。网络虚拟实验在发达国家已十分普及。作为首先提出虚拟实验概念，并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发，在该领域的研究已处于领先地位。美国为继续保持其在科学技术领域的领先地位，尤其重视信息技术的研究，并已将虚拟实验室列入其科研发展的战略规划，并取得显著进展。“虚拟青蛙解剖”实验教学就是一例：当时（1995年），世界各地有数十万人次通过网络参与了该实验，他们在计算机屏幕上亲自动手用虚拟的手术刀一层层“解剖”青蛙，观察它的肌肉和骨骼组织，与真正的解剖实验几乎一样，但没有呛人的药水味；并且，远程的实验者还能相互交流，从而上了一堂生动的解剖课。

在我国，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。清华大学、华中理工大学、四川联合大学、复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等高校走在了前列，上海、江苏等电大也在积极筹建远程实验室，作为突破远程教育实验教学局限的有效尝试。一些虚拟实验系统被开发并投入使用，发挥了良好的作用。例如基于VRML的机械设计虚拟实验系统、基于VRML的工程图学虚拟实验室、基于CAD软件的机械设计虚拟实验室、基于VRML的动物解剖虚拟实验系统、基于VRML的数字逻辑电路虚拟实验室、基于Web的虚拟自动生产线实验系统、基于SolidWorks的机构运动方案设计虚拟实验系统、基于Web的网络组网虚拟实验系统、机械控制工程虚拟实验系统等。

但总体上讲，我国虚拟实验系统的开发和应用尚处于初级阶段。这一方面是因为虚拟技术是当代社会中的新事物，有一个不断完善、不断深化的问题，另一方面也有虚拟技术与远程教育的结合问题。而且，虚拟实验还面临着来自社会的、政治的、经济的、技术的以及思想观念等方面的各种挑战。在系统的开发层面，产品少，规模小，水平低，智能性弱；已建立的系统也多是单机版的，功能单一，满足于对实体实验的模拟，缺乏创新；开发模式单一，单打多，合作少；重视实体实验室的建设，而忽视虚拟实验室的投入等。究其原因，缺乏行业规范和自觉合作的视野，技术复杂、开发难度大、周期长、投资风险高等都是重要因素。在应用层面，存在应用程度浅，资源共享程度低，尚未建立实体实验、虚拟实验相结合的实验机制和意识，没有形成远程实验的有关规程等问题。

四、虚拟实验发展要处理好几个关系

对于虚拟实验发展面临的诸多问题和挑战，或许会成为虚拟实验系统自身建设和发展的消极因素，但更可能是促进虚拟实验在远程教育中广泛应用并最终产生远程虚拟实验教学模式的催化剂。就目前看，为了能够有效地开展网上虚拟实验，需要处理好以下三个关系：

1.“虚拟实验”和“实物实验”的关系。

网上虚拟实验应该是“实物实验”的一种补充、完善和扩展，两者互有优势，互为促进，相辅相成。虚拟实验不能完全代替实物实验，既使虚拟环境再逼真，操作过程再一致，实验的体验也是有差别，毕竟“虚”、“实”有别。但是，不能因此否认虚拟实验的价值和对培养创新型人才的作用和影响。虚拟实验因其实现手段和保障方式上的不同，它可以实现实物实验难以做到或难以保障的实验项目和功能，比如提供大量的各种器件和仪器设备进行毁坏性试验和综合性实验，以及有效解决远程教学对实验保障的要求等。

2.“网上实验”和“网上教学”的关系。

开展网上实验需有网上教学作为基础。我们一般认为网上教学主要侧重理论教学，网上实验则侧重实践教学，它们是网上教育体系中两个重要的组成部分。

网上虚拟实验室的主要任务是实现虚拟实验功能，同时还应具有一定的辅助实验教学的功能。因而“网上实验”和“网上教学”即相互统一、相互补充，又各有侧重，要避免把“网上实验”的重点放到“网上教学”的功能上，或把“网上教学”当作“网上实验”。

3.“建设”和“应用”的关系。

虚拟实验开展的基本前提是具有丰富的虚拟实验系统产品。要强化政府引导，政策导向、资金扶持和规范管理相结合，借鉴世界上的先进做法，建立长远发展需要的行业标准，坚持高起点、高层次、高水平，提高效率。要坚持多模式开发，虚拟实验系统开发周期长，投资大，风险大，成本高，开发难度大。可委托企业开发，也可校企联合、校校联合开发；可以整体开发，也可循序渐进，由局部向整体推进。同时，网上虚拟实验室的建设，必须按照实验教学规律，结合当前实际情况，遵循“边建设、边使用、边发展”的思路，建立功能完善的网上虚拟实验室系统。在网上虚拟实验室建设的初期，应该加大必要的投入，科学合理地规划和组织实施虚拟实验软件的开发研制，同时应将完成的部分虚拟实验项目或成果尽快投入实际教学的使用，既达到测试和检验的目的，也能使之尽快产生效益。要加大推广力度。推广应用虚拟实验系统是推动虚拟实验不断发展的重要途径，通过推广应用打开市场，推动开发，从而形成促进虚拟实验技术发展的良性循环。

五、结束语

基于网络的虚拟实验作为一种新型的实验类型，尽管不能完全取代传统实验，但是它具有比传统实验更为灵活多样的表现形式，在提高学生素质，促进实验教学技术手段创新发展等方面将发挥重要的作用，因而也具有诱人的应用前景。

［1］罗明.网络的计算机辅助分折实验教学［J］.实验室研究与探索，2000，19，（3）.

［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］习晓远.校园网络下的实验室网络化管理系统［J］.实验室研究与探索，2000，19，（4）.

［4］宋象军.虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景［J］.实验技术与管理，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.

［责任编辑 张宇龙］

G434

A

1008－4649（2010）04－0029－04

2010－07－12

郭富强（1962—），陕西省韩城市人，陕西广播电视大学督导与评估中心主任，教授，硕士。

＊本文为陕西广播电视大学2009年重点科研课题“网上教学互动存在的问题与对策研究”阶段性研究成果之一，项目

编号：04091002，课题负责人：王建功。