基于Web的虚拟实验教学系统研究

武佳宁

（陕西学前师范学院实验室与网络管理处，陕西西安,710100）

国家中长期教育改革与发展规划中，明确提出高等教育要“强化实践教学环节”，实践教学环节是教育改革的一项重点任务。虚拟实验室作为实验教学的辅助工具已被广泛关注，并且应用于部分高校的实验教学中。它的应用提高了实验教学质量、缓解了实验教学压力，大大提高了学生实际操作能力，对于培养学生的思维创新能力十分有效。目前开发的虚拟实验室及虚拟实验系统大多数是面向某一门学科的，如何解决各类虚拟实验课程资源整合，如何将它与高校的实验室管理结合，达到统一平台和可通用可扩展的目标，成为尚待解决的问题。

1 基于Web的虚拟实验教学系统

开发基于Web技术和虚拟现实技术相结合的虚拟实验教学系统，对于现代高等教育开展实验教学，提高素质教育，保证实验教学质量起着巨大的作用。通过Web技术把虚拟实验教学系统构建在网络之上，开发各学科具有不同特色的虚拟实验室，借助网络平台设计出不受时间、空间、人力、设备等限制的实验教学资源。这种开放式的虚拟实验教学与实验室管理信息系统相结合的解决方案，把丰富的网络虚拟实验教学资源统一整合，并且可以做到辅助教学信息化和实验室管理智能化。基于Web虚拟实验教学系统采用B/S结构，以Web的形式提供管理服务，它由Web服务器、虚拟实验室应用服务器和客户端组成。Web为虚拟实验系统的实现提供了基础平台，它让用户不管在实验室、教室，还是在办公室宿舍中都能通过Web平台进行实验、教学或管理。总之基于Web虚拟实验教学系统是面向教师、学生和实验管理人员的信息化系统，为其提供各种虚拟实验教学和管理实验教学的功能。

2 虚拟实验室的主要构建类型

基于Web的虚拟实验教学系统由Web管理平台和虚拟实验室组成。Web管理平台中包含许多不同学科的虚拟实验，有些学科的实验以二维空间演示为主，有些学科的实验需要以交互操作为主，有些学科则需要逼真的三维空间仿真模拟实验，还有些学科需要远程控制实物的网络虚拟实验。

2.1 采用Flash技术构建的二维虚拟演示型实验

Flash技术比较适合演示型虚拟实验，演示型虚拟实验的实验参数和实验过程不能改变，系统只对实验的原理和过程进行动画演示，在演示实验过程中学生是观众，只能观看实验现象。其实目前的Flash 5.0和F1ashMX版本加入了脚本语言，通过编程可开发出具有一定交互式功能的网络动画，但仅限于简单的交互虚拟实验。Flash技术开发周期短，成本低，开发速度快，制作出的实验动画体积小，适合网络播放并且可以直接在浏览器中进行操作。

2.2 基于VRML技术三维仿真的网络虚拟实验

对于交互操作型虚拟实验，使用VRML技术构建的三维仿真网络虚拟实验系统。它是运行在Web上实现的虚拟现实关键性技术，它是一种三维造型和渲染的图形描述性语言。VRML技术创建的三维立体图像在视觉上不如3DMAX等专业的三维软件制作的造型逼真，但是由它制作的模型文件小，灵活度高，易于和Web结合，并适合网络传输。将VRML技术与Java或JavaScript语言编写的脚本程序结合应用，可拓展其交互操作功能，弥补VRML对实验数据进行处理方面的不足。学生可以亲自参与实验，选择实验仪器耗材，设计实验对象的参数，在这个过程中学生成为实验主导者。

2.3 远程控制型网络虚拟实验

例如生物化学或者工程控制领域的学科需要用到一些大型贵重精密仪器，计算机不能做到完全的仿真模拟，就用到了远程控制型网络虚拟实验。这种远程控制下的实验是与真实的实验设备相互连接，把能够仿真的部分用虚拟实验技术仿真，无法做到的部分与真实仪器对接，既解决了贵重资源的共享利用问题，又有很强的真实感。但是由于实际仪器设备的稀缺，这种虚拟实验无法做到多人同时在线，每时段只允许一个学生操作真实实验设备。

3 基于Web的虚拟实验教学系统的功能模块设计

根据需求分析以及网络虚拟实验教学系统的特点，我们把系统分为实验教学和实验管理两大模块。主要结构如图1。实验教学模块包含虚拟实验平台和实验教材实验报告等内容，实验管理模块具有一系列辅助功能并且为实验管理人员提供了维护平台。实验管理模块为虚拟实验系统与参与实验的人员提供了沟通的渠道，这些辅助功能更好地帮助教师完成实验教学，帮助学生完成了实验学习，也实现了管理虚拟实验信息化的目标。

图1 系统功能模块结构图

3.1 实验预习模块

实验预习模块一部分是包括实验原理、实验目的、实验要求、实验指导等实验指导材料中的内容电子化，统一归纳在实验教学文档模块中，以供学生随时查阅课本知识，采用的是文本呈现模式。充分预习理论知识后，进入实验仪器介绍模块中，熟悉实验仪器，要求掌握仪器的主要性能、操作方法和使用功能。该模块通过对实验虚拟场地、器材的Flash二维动画演示，让学生直观的对实验中仪器场景熟悉掌握。利用Flash技术或者VRML技术对实验原理过程进行多媒体技术呈现，同时巩固实验目的、内容、器材等实验知识。

3.2 实验操作模块

实验操作子模块是整个实验教学模块的核心内容，在线虚拟实验模块更是核心中的核心。该模块具备虚拟性、交互性、开放性、实践性、共享性、可复用性等特点，可以与多种虚拟实验开法技术“对接”，并支持多用户实时在线。可以不断增加的新的虚拟实验课程，具有良好的可扩展功能。网络虚拟实验可以让教学和实验不分离，可以在实验中边学习边实践，不仅提高了实验效率轻松做到一人一组，还能激发学生自主学习的精神。教学演示子模块有两种演示方案，一种是系统内部的调用演示，一种是教师实时的在线演示。教师可以把虚拟实验先示范一遍并通过该模块进行视频存储，发送给实验学生，学生就可以随时随地就像在课堂上一样看示范和听讲。仪器展示与实验预习中的仪器介绍模块功能类似。实验帮助是在学生做实验过程中可以提示讲解的功能模块。

3.3 实验报告模块

实验报告子模块是承担的是实验中的数据收集的工作，它收集学生撰写的实验报告文本数据，也自动记录实验过程中的初始状态的数据、实验过程记录、实验结果统计等。其存储的数据包括文本、实验测试数据、观测实验现象、实验图形等等。实验报告子模块同时承担对实验结果进行判断和分析的功能，也就是在线批改。教师也可以通过网络自行调阅有选择的批改学生的实验报告和各类实验数据并提出意见。

3.4 教师、学生、实验管理员操作管理界面

实验管理模块是基于Web虚拟实验教学系统的另一个重要组成部分。它包含了教师、学生、实验管理员三大操作管理界面模块。该系统可以向学生提供的实验预习、在线指导和实验结果评价等功能；教师则可以通过教学系统搭建典型实验或调取实验案例，还能向学生统一发布实验任务，指定实验时间并在实验结束后查看机器给出的实验结果或者自己批改实验；对于实验室管理人员则可大大减轻工作量，减少实验设备准备及维护工作强度，减少因实验场地及设备不足造成的矛盾。

与目前多数实验管理系统相比，虚拟实验教学系统中的管理功能具备教师自主开发实验，学生实验不受时间空间限制的特点。在教师界面模块中，教师可以通过管理系统自主搭建典型实验或调取实验资源，形成符合教学目标的实验然后发布，在学生完成实验后对自动批改的成绩发布或者自行批改实验。学生则更加灵活的安排自己的学习，不受时间地点的限制，不受实验器材的限制。只要有网络就可以登录做实验并完成实验报告，想完成几次就完成几次直到做熟做会为止，在实践中拓宽眼界和动手能力。在做实验的同时还可以通过实验指导模块接受帮助和指导，这样的实验室才是真正意义上的开放式实验室。目前的实验室管理系统多数停留在教学安排、器材管理、开放预约等方面，多数针对实验管理人员帮助较多，而基于Web虚拟实验教学系统在满足了以前这些功能的前提下更多是解决了如计算机、电子、通信、物理化学等学科中的实验教学问题。基于Web的虚拟实验管理可以有效地提高虚拟实验技术在教学上的应用效果，还完善现有实验教学体系。

4 基于Web的虚拟实验教学系统的优势及问题

4.1 基于Web的虚拟实验教学系统的优势

将虚拟实验室与校园网相结合，让学生们不受时间、地点以及教学资源限制；实验安排灵活方便，只要是校园网络覆盖的地方就可以动手自主实验，教师同样可以不受限制的批改指导学生实验，大大方便了师生学习授课。虚拟实验教学系统使得实验设备不足的压力得到缓解。对于个别专业人数大幅增加时，虚拟实验就可以解决实验仪器短缺的压力，在虚拟实验和真实实验结合的情况下，保证教学质量，完成教学任务。基于Web的虚拟实验几乎不需要耗材，大大降低了实验成本，不再需要分组实验，每个人都有动手的机会，一些高危实验和高成本实验也可以重复多次实验，全面提高了学生兴趣和素质。虚拟实验可减少实验设备的维护强度，减低实验室管理人员的工作强度，提高工作效率。

4.2 虚拟实验教学系统需要注意的问题

实际实验和虚拟实验相结合，这就是虚拟实验教学系统需要注意的问题。书非借不能读也，能够反复多次实验，可能会让学生产生放松心态。只有本着多做虚拟实验是为了在实际实验中少出错，减少疏漏，才能锻炼出学生的技术，之后在实际实验中，才能更专注认真分析观察，在实践中得到真知。学生利用虚拟实验进行课前预习，也有利于在实际实验中保护仪器设备，减少因误操作引起的设备损坏和耗材浪费。在实际实验中教师可以更直接的指导学生，师生面对面互动讲授是不可动摇的教育根本，网络授课只是起到辅助功能。所以虚拟实验并不可能完全代替实际实验，只有实现这种开放的网络化的虚拟实验教学和实际实验教学的有机融合，才能解决各类学科中的实验教学问题，从而完善现有实验教学体系，提高实验教育学质量。

[1]宋春红，赵丽.建筑材料参与型演示实验网络教学课件的开发[J].现代教育技术,2012.（9）

[2]文福安.虚拟实验教学系统的研究与应用[J].中国教育信息化，2008.（21）

[3]武佳宁.计算机实验室集中运行与信息化管理模式探讨[J].现代交际,2013.(4)