远程教育中基于Ｗｅｂ的虚拟实验室的研究与应用

赵　娅　刘贤梅

【摘要】远程教育是现代教育理念中举足轻重的一部分，而实践操作环节则是制约远程教育模式更加完善的关键因素。文中首先对远程教育中基于Web的虚拟实验室的应用可行性进行了分析，然后对虚拟实验室进行了简介，接着描述了基于Web的虚拟实验室的体系结构和功能流程， 并对虚拟实验室的技术实现进行了阐述，最后对虚拟实验室在远程教育的应用功能进行了分析。

【关键词】远程教育；现代教育；虚拟实验室；虚拟实验；Web

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009—8097 (2009) 02—0124—04

引言

随着时代的发展，远程教育已成为传统教育的重要补充。远程教育的发展经历了广播教学、电视教学和网络教学三个阶段，其中以网络教学最能代表未来远程教育的发展方向。其不受地域控制、学生自主学习及复习、师生自由交流等优良教学效果使其成为现代教育理念中举足轻重的一部分。远程教育虽然在理论教育方面取得了一定成效，但实践环节的开展却成为制约远程教育进一步发展的关键因素。众所周知：实验是教学活动中必不可少的环节，很多科目都是以实验课程为基础的，尤其是一些实践性较强的学科，例如编程语言、数据库应用、物理、化学、工程类等。实验对于培养学生的实际操作能力和解决问题能力是至关重要的，学生的大部分实践能力都是通过实验得到的。而远程教育是基于网络的，某些只需要软件环境的实验可以顺利通过本地机器开展，而那些需要硬件设备的实验的开展就受到限制如：实验环境不具备、实验器材位置固定、实验无法由实验者独自开展等，使得学生的实践机会缺乏，阻碍了学生动手能力的提高，也制约了远程教育的进一步发展。

由于虚拟仪器技术和网络技术的飞速发展，通过网络来构建虚拟实验室已经成为可能，网上虚拟实验室的建设已成为高校教学改革的重要方向。基于Web的虚拟实验室构建成本低，且能够为学生提供生动、逼真的实验环境，通过网络连接，学生可以“进入”虚拟实验室，能够成为虚拟环境的一名参与者，在虚拟环境中扮演实验者角色，能够“真实”地去操作实验仪器，进行具体实验[1]。这对于解决远程教育的硬件实验瓶颈、对于调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难点，培养学生的技能都将起到积极的作用。由此可知，虚拟实验室的出现，不仅极大地弥补了远程教育模式的局限和不足，还使得远程教育的方式方法更趋完善，成为教育发展史上的又一个里程碑[2]。

众所周知，在油田技能培训中，钻井技术人员需要系统地学习钻井工程的基础理论并练习相关实践知识，而由于油田工作时间、空间及地域的限制，他们的学习主要通过远程网络教学来进行，但是在现场开设和进行钻井工艺实验存在一定的局限性：真实钻井设备昂贵，直接操作危险性大，对设备损耗大，实验一旦失败损失严重，不适合具体实验的开展，因此可以利用虚拟实验室为这些人员开设虚拟实验。本文以此为例，来研究基于Web的虚拟实验室的构建，并对其在远程实验教学中的应用进行分析。

一 虚拟实验室简介

虚拟实验室（Virtual Laboratory）的概念，由美国弗吉尼亚大学（University of Virginia）的威廉•沃尔夫（William Wolf）教授于1989年首先提出，它是指由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等，它描述了一个计算机化的虚拟实验室环境，致力于构筑一个综合不同工具和技术的信息化集成环境[3]。在这个环境里，用户可以非常有效地利用其中的数据、信息、仪器设备及人力等资源。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现，也可以是虚拟构想成的实验室。

而基于Web的虚拟实验室就是通过Internet创建出一个可视化的三维环境，其中每一个可视化的三维物体代表一种实验仪器或对象[4]。通过鼠标的点击以及拖曳等交互性操作，位于网络服务器任何一个终端的学生都可以在虚拟实验室中进行虚拟的实验。它的基础是虚拟现实技术、网络技术与虚拟仪器技术的结合。利用该虚拟实验室学生可以通过网络亲自动手操作实验仪器，观察实验过程，分析实验结果。

二 基于Web的虚拟钻井实验室研究与实现

1 虚拟实验室系统的体系结构

通过网络，基于Web的虚拟实验室允许处于不同位置的学习者可以同时对同一个实验项目进行实验操作。与真实实验室相同的是，实验工具和实验技术是独立于各自领域的，不同之处在于虚拟实验室中操作的并非现实中存在的真实设备，而只是以软件仿真模拟的那些已存在或构想的设备；虚拟实验室需要针对不同的项目分别设计具体的实验环境，它还要求实验的参与者共享实验环境和实验规则。

本文所建立的实验室体系结构如图1所示，它采用浏览器/服务器结构。从该图可以看出，虚拟实验室主要包括Web浏览器、计算机网络（Internet）、Web服务器、实验处理系统和信息数据库几个部分。

客户端浏览器是学习人员的实验平台，任何远程教育网络终端实验者通过它都可以方便地进入虚拟实验室，并根据需要进入不同的实验项目，就像根据不同的实验内容进入不同的真实实验室一样。在使用中，实验者可以在线浏览、在线仿真、在线控制、在线交流。

信息数据库包括实验大纲、实验计划、实验原理、实验内容、实验步骤、实验重点提示及其他的一些相关教学资料；虚拟仪器数据库包含了实验者可以使用及操纵的全部虚拟仪器；三维场景数据库由实验环境及相关的纹理、材质、声音等构成。实验集成系统、场景调度系统和仪器调度系统紧密结合，协调工作。

实验集成系统根据客户端用户的操作请求，在实验过程数学模型的控制下进行数学计算，将计算结果分别传递给场景调度系统和仪器调度系统，调度场景数据库和虚拟仪器数据库对实验场景进行刷新显示并通过网络传递给远程学习者。

该系统存放在网络服务器上，只要实验者安装Internet浏览器，就可以根据具体的实验项目对虚拟实验场景和虚拟仪器进行远程浏览及交互操作。

2 虚拟实验室的系统功能流程

基于Web的虚拟钻井实验室建设是一个系统工程，其目的是为了满足网络终端的任一实验者可以随时随地进入实验室进行各种实验、观察实验结果、分析实验数据等。为了更加优化地设计该系统，可以按照实验室功能及实验流程将系统化分为若干子系统，通过实现各个子系统的功能来构建整个实验室的全部功能。

根据功能可以将系统划分为实验操作系统、实验模拟系统、数据分析系统、网络服务系统、实验结果显示系统、实验数据存储系统等子系统，如图2所示。下面以该虚拟实验室中的高压水力喷射破岩实验为例来对各部分功能进行简要描述：

该课程的某一远程用户在某网络终端打开虚拟实验室即实验操作系统主页面，进行用户登录以后（用于区别教师用户和学生用户，此处特指学生用户），首先可以浏览该主页基本功能，主页面对该虚拟实验室可提供的所有实验进行了概述，通过它可以了解整个实验室的构造情况，并可以获取一些实验基础知识。用户在选择了该项实验后，进入该实验项目的专有页面，首先用鼠标点击页面左侧上方的岩芯选项，在一系列岩芯模型中选择用户想要的岩芯，选择后岩芯模型栏会自动收起，并在页面左侧上方显示岩芯模型及其规格参数；然后在页面左侧中间的文本框中输入高压水力破岩的水力速度，以m/h为单位；从而进入实验页面。

用户在进行以上操作的同时，网络服务系统将这一系列信息传输到实验模拟系统及数据分析系统。实验模拟系统根据用户的操作信息调出该实验项目所需的实验场景和仪器。数据分析系统将传输来的数据信息进行分析后传输到实验模拟系统，这些数据信息主要在实验进行中控制实验仪器的运动速度及状态。

实验模拟系统在接到分析好的数据信息后，通过网络服务系统反馈给实验操作系统，实验操作系统提示用户实验准备就绪，用户点击实验场景中的控制箱开始按钮，实验模拟系统接收到网络服务系统传输来的信号后，开始具体的实验操作。此时，该实验操作过程通过网络服务系统传输到结果显示系统，将模拟过程中水力的冲击现象、岩芯变化情况、仪表数据信息一一显示给用户。

实验过程完成后，用户通过鼠标点击结束实验，结果显示系统将岩芯的破损现象显示给用户，其破损程度数值则通过网络服务系统传输给数据分析系统，数据分析系统在分析数据是否属于有效范围的同时传输一份给数据存储系统进行数据存储（方便用户以后调用并查看此次的实验结果），最后，数据分析系统将原始数据及分析结果以数据或图表的形式通过网络服务系统传输给结果显示系统，以便用户分析此次实验的实验结果。

3 虚拟实验室的技术实现

（1） 建立三维实体模型

针对虚拟实验室中的每一个实验项目来分析实验场景及所包含的实验仪器，确定实体模型，然后使用三维建模软件建立场景和仪器的三维实体模型。虚拟实验场景和虚拟仪器的三维实体模型一般包括非动态实体模型和动态实体模型两大类。非动态实体模型是指不参与交互和运动的静态实体模型（如实验桌、凳子等），动态实体模型是指具有运动属性和参与交互的各种实体模型。对于静态实体模型需要从形状和外观上对实体进行模拟，同时注意减低模型的复杂度。而对于动态实体模型，在建立三维实体模型的同时，要赋予其动态属性。

（2） 实验进行中的人机实时交互

对于网络终端的实验者来说，在实验项目中能够真实地操纵实验仪器和控制实验的开展是至关重要的。而该虚拟实验室正是通过人机交互技术实现了实验进行中人和实验环境及实验仪器的实时交互，主要包括：对实验室的漫游以及对实验仪器的操纵。

实验者在开展实验项目之前，需要对实验环境及实验仪器做一个总体的了解，这就需要实验者对实验环境进行漫游，通过对漫游方向和漫游速率的设置，实验者可以尽情浏览实验室的任何一个角落及了解实验仪器的具体构造。

在实验项目进行中，实验者需要借助相应的输入设备在虚拟场景中选择被操纵的仪器，对该仪器实施选择、平移、旋转、缩放等基本，并可以操纵整个实验项目的实验流程，可以任意暂停重新开始，也可以一直进展到实验结束从而观察最终实验结果。

（3） 虚拟实验室的集成及网络发布

由于实验场景和实验仪器是单独构建的，并且一个实验仪器有可能在多个实验项目中出现，这就需要对虚拟实验室进行集成。集成主要是根据实验项目将设计好的虚拟实验场景和该项目所需要的实验仪器集成到一个固定的虚拟场所中（比如实验台、实验教室等），同时辅以各种其它的媒体素材进行编辑合成（如声音），以完善和美化实验室环境，使实验室界面更加友好，更受到实验者的欢迎。

为了将集成好的实验室公开给远程学习者使用，则需要对实验室进行网络发布。发布后虚拟实验室才能实现远程使用、共享合作、虚拟实验等功能。

以本文所实现的系统为例，其中两个实验项目集成及发布后的场景如图3、图4所示。

三 基于Web的虚拟实验室在远程教育中的应用分析

基于Web的虚拟实验室为远程网络终端的学生提供了一个完整的虚拟实验环境。它在实验的本体逼真性和应用普遍性，以及在给予实验者现场实时感受和实验效果等方面有着良好的效果，它可以让实验者有更加逼真的感觉，让实验者感觉到自己似乎是在真正的现实实验室里近距离进行现场实验操作。它的几项主要功能决定了将其应用于远程教育具有绝对的优势。

1 综合管理功能

虚拟实验室将所有虚拟场景、虚拟仪器，甚至网络终端的多个实验者集成于一个系统中，使用标准的统一命令来实现功能服务；虚拟实验室可以对虚拟仪器和虚拟实验进行管理，即能添加、修改和删除虚拟仪器和虚拟实验，以使虚拟实验室系统适应远程教学的实验变更要求。

2 资源共享及互动操作功能

建立虚拟实验室的宗旨之一就是为了做到资源共享。实验者可以共享实验数据、实验设备、实验环境等相关资源，该特性能够减少重复投资，可以大大节约投资成本。而虚拟实验室一旦开放，即具有互动性，远程用户可以操作本地实验室，同时用户之间可以交流信息，如在Java Applet界面中包含有接收对话框和发送对话框。

3 实验功能

这是虚拟实验室的核心功能。每一个典型的虚拟实验在结构上主要包括：实验环境、实验仪器设备、实验目的、实验原理和实验内容步骤几部分。远程学习者可以很方便地了解实验过程中所用到的各类虚拟仪器的功能及使用方法，也可以很方便地查看实验的主要目的、实验的内容、实验进行时的要求、注意事项等，如果没有透彻地理解实验流程，实验者还可以方便地获取实验实施的具体步骤。

4 扩展功能

跟随教学内容的改动，实验内容也必将产生变化，则虚拟实验室的实验项目需要及时扩充、缩减或修改，服务功能也要随时增删或修改。而实验室本身所具备的综合管理、资源共享等特点，给改变实验项目、实验内容等提供了低消耗的快速的可扩展特性。

5 安全机制

安全性是开放的、透明的、资源共享的远程合作环境所必需的保障条件，虚拟实验室必须采取必要的措施和技术手段维护系统软件和用户知识产权的安全。具有安全措施的虚拟实验室，系统能够做到拒绝非法访问者进入虚拟实验室，也可以将合法访问者的不当操作及时中止。例如采用登录机制，用户若要进入虚拟实验室，首先必须登录，以核对用户是否有使用权限。这样一方面可以阻止非法用户的入侵；另一方面可针对不同的用户，赋予不同的使用权限。例如：教师用户可以将自己创建的虚拟实验上传到服务器端，以充实虚拟实验室的内容。而学生用户则无此权限。

由以上五个方面可知可知，虚拟实验室给远程实验教学带来了无法言喻的优势，决定了它在远程教育中有着良好的应用前景。

四 结论

将虚拟实验室应用于远程教育对探索和发展现代教育理念、提高教育技术水平、改善实验环境、优化教学过程、培养远程学习者的动手能力等产生深远的影响，同时有助于解决远程教学无基于具体仪器的实践、远程教学培养的学生动手能力差等问题。虚拟实验室系统的开发及投入使用，为远程实验教学注入了活力，突破了实验室时间、空间、地域的限制，实现了以学生为主体、多方向、全方位的远程教育，取得了显著的教学成果。

参考文献

[1] K. Curran, “An online collaboration environment,” [J]. Education and information technologies, vol. 7. no. 2, pp. 41-53, November 2004.

[2] 李亚绿,郝应光,唐祯安.”远程教育与虚拟实验室” [J].自然杂志,2001,3:157.

[3] 吴玲达等.多媒体人机交互技术[M].国防科技大学出版社,1999:54-56.

[4] Bhargava, P. Antonakakis, J. Cunningham, C. Zehnder, A. T, “Web-based virtual torsion laboratory,” [J].Computer application in engineering education, vol. 14. no. 1, pp. 1-8, January 2006.