nobook虚拟实验室app_虚拟实验室的特性及应用

　　随着国家的教育体系改革，对在校大学生的实践技能的要求越来越高。这就要求高校在传授学生理论知识的同时，更加注重学生的实验环节。实验教学作为教学环节中的重要组成部分，在培养学生实践技能和创新精神方面具有十分重要的作用，可是对于目前高校的情况，不断的扩招导致了实验场地、实验仪器分配、师资力量均严重不足。实验课程的教学质量面临的考验，如何解决这项难题，最有效的方法就是建立虚拟实验室。
　　1 虚拟实验室的概念
　　虚拟实验室是一种基于Web技术、虚拟仿真技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统，虚拟技术最早出现在二十世纪六十年代，它最初的研究领域主要集中在高端行业，如模拟核爆炸、汽车碰撞等实验[1]，后来由美国University of Virg inia的WilliamWolf教授于1989年首次提出虚拟实验室这个概念[2]。它是由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统三部分组成，借助图形/图像、仿真和虚拟现实等技术， 在计算机上创建一个可视化的网络虚拟实验环境。
　　2 虚拟实验室的应用现状
　　目前，随着虚拟实验技术的不断发展，虚拟技术在许多领域如航空航天、汽车制造、生物医学等高端行业得到了扩展，它的开发性、交互性、低成本易维护等特点也逐渐被各高校所认识，在教育研究领域发挥着作用，尤其是在教学实验方面，它不但解决了高校所面临的实验设备不足，师资缺乏等问题，还激发了学生的学习兴趣，增强了学生对知识的理解，它的教学效果是显著的，同时虚拟实验室的发展为高校的科技研究工作也做出了重要贡献。虚拟实验室拥有着如此诱人的应用前景，成为改革实验教学方式的研究热点。
　　目前，国内外许多高校都建立了自己的虚拟实验室，如国外的麻省理工学院，它于1998年投入使用的WebLad虚拟实验室，用于设备的在线检测；密歇根大学的vicher系统把虚拟技术应用到了化工教育领域，实现了催化剂钝化和非恒温反应等虚拟化学实验；意大利帕瓦多大学用于学生远程教育的虚拟实验室，实现了异地教学促进了教学方式的改革和创新；在国内，对虚拟技术的研究起步要晚一些，但是随着信息技术的快速发展，也取得了不少成果，最具有代表性的是中国科学技术大学研制的“几何光学实验设计平台”，该系统作为我国第一套虚拟教学软件完成了光学虚拟实验室的设计，通过虚拟实验室提供的一系统光学仪器，学生可以完成单透镜和组合透镜的所有实验，它操作简单，效果真实，具有广泛的实用价值；清华大学的数字防灾和虚拟工程实验室、主要研究灾害对于物质作用的数据模拟和仿真，用于城市防灾减灾决策与规划；中国农业大学建立的虚拟土壤-作物系统实验室，通过计算机模拟植物在三维空间中的生长和发育状况，以方便探讨虚拟植物模型在农业领域应用的关键问题。还有浙江大学构建的计算机组成原理虚拟实验室、国防科技大学的现代测控技术与应用虚拟实验室等，他们在虚拟技术上也取得很好的成果。
　　3 虚拟实验室的特性
　　3.1 开放性
　　在传统的实验模式下，学生必须在专用的实验场地才可以进行实验，而有限的实验场地往往难以满足老师学生的需求。虚拟实验室资源的开放性，解决了这个问题，虚拟实验室与真实实验室类似，每一个可视化器件代表一种实验器材，无论是学生还是教师随时随地都可以进入由互联网技术和服务器技术打造的虚拟实验台操作仪器，通过鼠标的点击与拖拽就可以自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备。虚拟实验室具有各种虚拟实验环境，丰富的实验仪器和各种仿真软件，学生可利用虚拟器材库中的器材完成课本中的实验要求，或是自由搭建任意合理的实验，虚拟实验室开放的特性极大调动了学生的积极性和创造性，为学生的发展提供了更广阔的空间。
　　3.2 交互性
　　虚拟实验室的人机交互方式有很多，早期有语音识别系统和手写识别系统，现在我们采用最多的是桌面式交互系统，它操作起来简单方便，只要通过鼠标和键盘的操作就能完成交互工作[3]，在实验中，学生的每一个设计和选择都可以得到相应的实验结果并给予一定的提示。在操作中如果遇到不懂或是不会操作的地方停滞不前，之前我们只能请教于老师，可是由于要辅导的学生太多有时老师无法及时给予指导，而在虚拟实验中提供了在线指导功能，我们可以通过虚拟平台在网络上寻求老师或是其他同学的帮助，老师也可以利用这个平台给所有学生讲解实验流程、注意事项及实验经典案例。
　　3.3 自主性
　　在以往传统的实验中，学生做实验常常受到很多的限制，如场地，设备，时间等限制，而有的实验操作比较复杂或是大型实验时，学生在有限的时间内很难完成，如CPU设计实验，由于其电路复杂，元器件多，一个学生搭建一个这样的实验最少需要2天时间。而学校很少能为学生提供这么长时间的实验环境，这就导致了大型实验无法正常开展，老师们在选择实验内容时也会考虑这个因素，尽量避免或者干脆取消这样的实验安排。而对于学生来说，学生的求知欲得不到满足，势必对他们的创新能力也是一种压制。虚拟实验室具有不受时间和地方的限制，学生自主选择实验内容的特点，遇到大型实验也可以中止后从其它地点继续进行操作的特性，体现了实验的高度自主性和联系性。
　　3.4 共享性
　　虚拟实验室最初的特性就具有共享性，开始时仅用于高端实验中不同地点的工作人员之间的交流和远程科研配合，一起分享实验中的数据和仪器，这个特性一直延用至今。其共享性主要分为二方面：虚拟实验对象共享和实验资源共享，虚拟实
　　验对象主要是指基本的虚拟仪器设备、虚拟元器件等，实验资源则主要包括实验中所用到的数据、计算资源以及由视频、图片、文本等组成的多媒体素材[4]。虚拟实验室不仅可供本校师生使用，其它学校的师生也可以通过网络进行操作，使处于不同地方的学者可以同时完成一个实验项目，一起研究探讨，经验得到了交流，资源得到共享，优势互补，虚拟实验室在科技研究中的作用显而易见。
　　3.5 安全性
　　现实实验中有很多实验是具有危险性的，虚拟实验室建立的初衷也是为了保护实验者免受到伤害，如我们之前提到的模拟核爆炸、汽车碰撞等实验都具有很大的危险性，另外，在实验操作中我们也有可能因误操作给自己带来伤害，而借助于虚拟实验室，完全可以消除这方面的顾虑，保障了实验者的人身安全。
　　3.6 低成本易维护
　　实验建设往往是学校教学投资的重点，随着实验课程内容的更新及学生人数的增加，实验室投资也日渐增多。而且某些实验是损耗性的实验，如电路实验，学生在操作的过程中可能会由于误操作而导致芯片的烧毁，从而造成实验室运行成本的极大提高。虚拟实验室通过软件模拟各种不同的实验环境和场景，在同一台微机上可以虚拟各种各样的实验仪器设备、丰富的元器件，大大降低了实验室运行成本，提高设备使用率。即使学生出现误操作时也只会给予相应的提示，不会造成设备的损坏，更不需要设备维护，使学生敢于尝试，满足了教学的需要。在另一方面，虚拟实验室可扩充性也得到了高校的认可。由于课程的不断更新，实验设备也需要定期的更换才能跟上教学需要，这种需求占用了高校很大一笔教学经费，而对于虚拟实验室来说，只要充分利用构件和Web服务技术的优势，用户自身就可以根据需求快速的增加新的虚拟设备。
　　虚拟实验室作为一个全新的实验教学环境，它不但解决实验设备匾乏问题，降低了实验成本，还培养了学生的实践能力和创新意识。作为现实实验室的一种延伸，虚拟实验室扩展了实验教学的功能，增强了学生理论知识的理解。但是虚拟实验还是不能等同于真实的实验操作，并不能完全替代物质设备，它作为一个教学辅助工具还有好多不足之处，但是我们不可否定是，虚拟实验室将是未来实验室建设和发展的方向。
　　参考文献：
　　[l]王晓楠，虚拟现实技术及其应用[J].航空计算技术，2002，32：50-53.
　　[2] H . Goldberg.What is virtual inst rument[J].IEEE Inst rum entati on & M easuremen t Magazine, 2000,3(4):10-13.
　　[3]张峰，一种基于图像的室内大场景自动三维重建系统闭，自动化学报，2010，5：625-632.
　　[4]瞿曌，虚拟实验室的功能与特点[J].长沙大学学报，2007，5：105-106.
　　作者简介：
　　赵羚云（1981-），女，助理实验师，工作于河北农业大学海洋学院。