虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建及意義

趙靖霞 李育 楊根金 婁子洋

[摘要] 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來新興的一門計(jì)算機(jī)技術(shù)，本研究主要介紹這門技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，闡述虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)理念、系統(tǒng)組成及其意義，探討虛擬實(shí)驗(yàn)室對實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革產(chǎn)生的影響。

[關(guān)鍵詞] 虛擬實(shí)驗(yàn)室；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

[中圖分類號] TP391???[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] C???[文章編號] 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

隨著國家科教興國的戰(zhàn)略及重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目的實(shí)施，國家大力資助國內(nèi)各大高校購置用于科研及教學(xué)的各種先進(jìn)儀器設(shè)備。但隨之引發(fā)的問題是這些貴重的大型設(shè)備大部分由專人操作，針對儀器的實(shí)驗(yàn)課或培訓(xùn)也由于儀器數(shù)量有限往往都是示教課，導(dǎo)致大多數(shù)的學(xué)生都缺乏上機(jī)操作的機(jī)會。學(xué)生對于儀器的了解局限于理論知識，教學(xué)效果也較差。近年以來，隨著教育現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的多媒體教學(xué)方法應(yīng)用到教學(xué)中。虛擬實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)的儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的動手少等不足之處。為學(xué)生動態(tài)演示儀器的操作，模擬實(shí)驗(yàn)流程，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加生動有趣，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生由傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的被動學(xué)習(xí)者變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，優(yōu)化了教學(xué)過程，提高了教學(xué)質(zhì)量。

1?虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念

虛擬實(shí)驗(yàn)室由虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境、虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、虛擬實(shí)驗(yàn)過程、虛擬數(shù)據(jù)處理和虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)組成，虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)為各種虛擬實(shí)驗(yàn)課程提供了模擬的教學(xué)環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)室（模擬實(shí)驗(yàn)室），最早是由美國弗吉尼亞大學(xué)的威廉·沃爾夫教授于1989年提出的，是指基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，構(gòu)建一個(gè)綜合不同工具和技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化的集成環(huán)境[1-2]。

2?虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn)

2.1?虛擬實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室

虛擬實(shí)驗(yàn)室相對于真實(shí)實(shí)驗(yàn)室而言，它是基于計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境來模擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中的設(shè)備和儀器，最大化的模擬和再現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場景，使得使用者有身臨其境的感覺。通過虛擬實(shí)驗(yàn)室的模擬操作，使用者能較全面的認(rèn)識各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備，熟練實(shí)驗(yàn)操作流程，并能對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，加深理論知識的理解與消化[3]。

虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)類似，可供學(xué)生自己動手調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。教師可利用虛擬器材庫中的器材和典型實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行教學(xué)。在計(jì)算機(jī)中真實(shí)重現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程。相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)需要專門的地方和人員，具有成本低、擴(kuò)展方便、信息資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代教育技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。

但在實(shí)際運(yùn)用中可能會出現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)過程較單一，與學(xué)生今后的真實(shí)操作相比差距較大，所以要求在軟件設(shè)計(jì)上要模擬多種實(shí)驗(yàn)場景及不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果。還可能出現(xiàn)無法監(jiān)管學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，可能會有一部分學(xué)生不去學(xué)習(xí)，對此還需要設(shè)計(jì)監(jiān)督在線學(xué)習(xí)時(shí)間等考核部分。

2.2?虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式都是以示教為主，學(xué)生照葫蘆畫瓢的模仿。往往由于實(shí)驗(yàn)場地或?qū)嶒?yàn)儀器數(shù)量的限制，部分學(xué)生甚至連動手的機(jī)會都沒有。由于學(xué)生實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)參差不齊，部分學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后不能正確使用眾多的實(shí)驗(yàn)儀器，而教師在實(shí)驗(yàn)過程中重復(fù)多次講解也未必能達(dá)到理想效果。而在虛擬實(shí)驗(yàn)室中學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行預(yù)習(xí)，通過文字，圖片、聲音、視頻等多方面輔助提示進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，明確實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)步驟等，從而對整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程能更快的有整體認(rèn)識，也在一定程度上提高教師教學(xué)效率和降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣[4]。

3?虛擬實(shí)驗(yàn)室的組成

3.1?實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)

科學(xué)的管理方式和運(yùn)行機(jī)制是高校進(jìn)行科研工作和教學(xué)的保障。規(guī)范、合理的管理制度可以確保虛擬實(shí)驗(yàn)室儀器高效、高質(zhì)地為教學(xué)、科研服務(wù)。隨著學(xué)校規(guī)模的擴(kuò)大，加強(qiáng)虛擬實(shí)驗(yàn)室的開放共享，合理安排使用，可以大大提高儀器使用效率。優(yōu)質(zhì)資源共享能更好地發(fā)揮儀器設(shè)備在教學(xué)科研工作中的作用，減少資源的浪費(fèi)。虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)要確保其穩(wěn)定性、開放性，每位操作者要登錄后使用，還應(yīng)具備數(shù)據(jù)庫供學(xué)生檢索實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識。

3.2?虛擬實(shí)驗(yàn)場地

根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求模擬實(shí)驗(yàn)場地，讓學(xué)生根據(jù)自身需求尋找到合適的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.3?虛擬實(shí)驗(yàn)儀器

通過編程和3D技術(shù)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器，在電腦中再現(xiàn)真實(shí)儀器的外觀及內(nèi)部組成，模擬儀器的操作軟件及主要功能。虛擬的儀器具有成本低、安全、擴(kuò)展方便等優(yōu)勢[5]。

3.4?虛擬實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)儀器的真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范，模擬出一整套的實(shí)驗(yàn)操作流程，不僅要求真實(shí)可靠，還要根據(jù)不同的檢測樣品和操作流程得出不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[6]。另外還應(yīng)該多模擬幾種常見的實(shí)驗(yàn)場景，讓學(xué)生知道儀器的正確或不規(guī)范操作對實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來的影響。

3.5?實(shí)驗(yàn)室論壇

為了方便教師能夠?qū)崟r(shí)在線對學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察、輔導(dǎo)、交流，同時(shí)學(xué)生也可在此提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。也可對虛擬實(shí)驗(yàn)室的使用提出意見以便教師及時(shí)修改系統(tǒng)，方便學(xué)生的使用。

綜上所述，虛擬實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充和發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了跨時(shí)間、跨空間的教學(xué)和學(xué)習(xí)，極大地提高了教學(xué)效率，是今后實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)新方向。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王有賓，何仲.高校虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（11）：119-121.

[2] 姜恩華，汪徐德，李素文，等.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2012（1）：132-135.

[3] 榮雅君，王偉，袁計(jì)委，等.虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)，2012（3）：86-90.

[4] 戴晴.微波測量虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2011（4）：70-71，74.

[5] 余鵬程，李晶.基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（12）：217-218.

[6] 陳源紅，唐華英，韋紅玉，等.談?wù)劷ㄔO(shè)醫(yī)學(xué)免疫學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的必要性[J].右江民族學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，33（5）：699-701.

（收稿日期：2012-09-11）