虚拟实验室的构建及意义

赵靖霞 李育 杨根金 娄子洋

[摘要] 虚拟现实技术是近年来新兴的一门计算机技术，本研究主要介绍这门技术在实验教学中的应用，阐述虚拟实验室的设计理念、系统组成及其意义，探讨虚拟实验室对实验教学模式改革产生的影响。

[关键词] 虚拟实验室；实验教学

[中图分类号] TP391???[文献标识码] C???[文章编号] 2095-0616（2012）21-143-02

The construction and significance of virtual laboratory

ZHAO?Jingxia??LI?Yu??YANG?Genjin??LOU?Ziyang

Analysis Test Center，the Second Military Medical University College of Pharmacy，Shanghai 200433，China

[Abstract] The virtual reality technology is emerging in recent years of a computer technology.This paper mainly introduces the door technology in the application of experimental teaching， expounds the virtual laboratory design concept， system composition and significance， discusses the influence of virtual laboratory experiment teaching mode reform.

[Key words] Virtual laboratory； Experimental teaching

随着国家科教兴国的战略及重点实验室建设经费项目的实施，国家大力资助国内各大高校购置用于科研及教学的各种先进仪器设备。但随之引发的问题是这些贵重的大型设备大部分由专人操作，针对仪器的实验课或培训也由于仪器数量有限往往都是示教课，导致大多数的学生都缺乏上机操作的机会。学生对于仪器的了解局限于理论知识，教学效果也较差。近年以来，随着教育现代化的不断推进，特别是网络技术和多媒体技术的不断发展，越来越多的多媒体教学方法应用到教学中。虚拟实验室的出现解决了传统的仪器实验教学中的动手少等不足之处。为学生动态演示仪器的操作，模拟实验流程，使实验教学更加生动有趣，激发了学生的学习兴趣，使学生由传统实验教学的被动学习者变为主动学习，优化了教学过程，提高了教学质量。

1?虚拟实验室的概念

虚拟实验室由虚拟实验环境、虚拟实验仪器、虚拟实验过程、虚拟数据处理和虚拟实验室管理系统组成，虚拟实验室系统为各种虚拟实验课程提供了模拟的教学环境。虚拟实验室（模拟实验室），最早是由美国弗吉尼亚大学的威廉·沃尔夫教授于1989年提出的，是指基于计算机网络的虚拟实验环境，构建一个综合不同工具和技术的信息化、网络化的集成环境[1-2]。

2?虚拟实验室的优点

2.1?虚拟实验室和现实实验室

虚拟实验室相对于真实实验室而言，它是基于计算机创造的仿真实验环境来模拟现实实验中的设备和仪器，最大化的模拟和再现真实的实验场景，使得使用者有身临其境的感觉。通过虚拟实验室的模拟操作，使用者能较全面的认识各种实验设备，熟练实验操作流程，并能对实验结果进行数据分析，加深理论知识的理解与消化[3]。

虚拟实验与真实实验类似，可供学生自己动手调节和使用实验仪器设备。教师可利用虚拟器材库中的器材和典型实验案例进行教学。在计算机中真实重现整个实验流程。相比传统实验室的建设需要专门的地方和人员，具有成本低、扩展方便、信息资源丰富等优点，是现代教育技术的一个重要应用领域。

但在实际运用中可能会出现模拟实验过程较单一，与学生今后的真实操作相比差距较大，所以要求在软件设计上要模拟多种实验场景及不同实验结果。还可能出现无法监管学生的学习效果，可能会有一部分学生不去学习，对此还需要设计监督在线学习时间等考核部分。

2.2?虚拟实验教学和传统实验教学

传统的实验课教学模式都是以示教为主，学生照葫芦画瓢的模仿。往往由于实验场地或实验仪器数量的限制，部分学生甚至连动手的机会都没有。由于学生实验经验参差不齐，部分学生进入实验室后不能正确使用众多的实验仪器，而教师在实验过程中重复多次讲解也未必能达到理想效果。而在虚拟实验室中学生可以根据自己的实际情况进行预习，通过文字，图片、声音、视频等多方面辅助提示进行模拟实验，明确实验装置、实验原理、实验目的、实验步骤等，从而对整个实验流程能更快的有整体认识，也在一定程度上提高教师教学效率和降低学生学习的难度，激发学生的实验兴趣[4]。

3?虚拟实验室的组成

3.1?实验室管理系统

科学的管理方式和运行机制是高校进行科研工作和教学的保障。规范、合理的管理制度可以确保虚拟实验室仪器高效、高质地为教学、科研服务。随着学校规模的扩大，加强虚拟实验室的开放共享，合理安排使用，可以大大提高仪器使用效率。优质资源共享能更好地发挥仪器设备在教学科研工作中的作用，减少资源的浪费。虚拟实验室系统要确保其稳定性、开放性，每位操作者要登录后使用，还应具备数据库供学生检索实验相关知识。

3.2?虚拟实验场地

根据不同的实验要求模拟实验场地，让学生根据自身需求寻找到合适的实验室进行实验。

3.3?虚拟实验仪器

通过编程和3D技术模拟真实实验仪器，在电脑中再现真实仪器的外观及内部组成，模拟仪器的操作软件及主要功能。虚拟的仪器具有成本低、安全、扩展方便等优势[5]。

3.4?虚拟实验流程

根据仪器的真实实验操作规范，模拟出一整套的实验操作流程，不仅要求真实可靠，还要根据不同的检测样品和操作流程得出不同的实验结果[6]。另外还应该多模拟几种常见的实验场景，让学生知道仪器的正确或不规范操作对实验结果带来的影响。

3.5?实验室论坛

为了方便教师能够实时在线对学生实验进行观察、辅导、交流，同时学生也可在此提交实验报告。也可对虚拟实验室的使用提出意见以便教师及时修改系统，方便学生的使用。

综上所述，虚拟实验是传统实验教学的补充和发展，虚拟实验室实现了跨时间、跨空间的教学和学习，极大地提高了教学效率，是今后实验教学的一个新方向。

[参考文献]

[1] 王有宾，何仲.高校虚拟实验室建设的研究[J].数字技术与应用，2011（11）：119-121.

[2] 姜恩华，汪徐德，李素文，等.计算机网络课程虚拟实验室建设[J].实验室科学，2012（1）：132-135.

[3] 荣雅君，王伟，袁计委，等.虚拟实验室的构建[J].电力系统及其自动化学报，2012（3）：86-90.

[4] 戴晴.微波测量虚拟实验室的构建[J].高校实验室工作研究，2011（4）：70-71，74.

[5] 余鹏程，李晶.基于网络的虚拟实验室的研究[J].数字技术与应用，2011（12）：217-218.

[6] 陈源红，唐华英，韦红玉，等.谈谈建设医学免疫学虚拟实验室的必要性[J].右江民族学院学报，2011，33（5）：699-701.

（收稿日期：2012-09-11）