网络虚拟实验平台在高等教育网络化、信息化中的应用研究

苏福根　金红莉　朱新宇

摘 要：根据现阶段高校信息化与数字化校园建设需求，本文论述了高校网络虚拟实验平台建设的必要性、国内外应用发展情况、系统特点及在未来实验教学中的优势。

关键词：网络虚拟实验 教学平台 教育网络化

中图分类号：TP391.6 文献标识码：A 文章编号：1673-8454（2009）09-0069-02

一、引言

实验教学是高校教学工作的重要组成部分，在培养应用型、创新型人才方面发挥着十分重要的重要。为适应教育现代化、网络化、信息化的发展趋势，有必要利用校园网建立网络虚拟实验平台，确立实际操作与计算机模拟仿真相结合的新型实验教学方式以不断提高实验教学水平。

二、网络虚拟实验平台建设的必要性

虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目。[1]

网络虚拟实验教学平台是基于互联网的实验教学管理与沟通平台，包括网上实验开发、网上实验、网上交流等多种服务的综合教学支撑平台。网络虚拟实验实现的基础是多媒体计算机技术、仿真技术与网络技术的结合。

网上虚拟实验教学可以作为实验室教学的完善和补充，两者互有优势，互为补充，相辅相成。网上虚拟实验教学作为一种新的教学模式，一方面可以有效解决目前教学经费紧张、实验设备不足、实验设备陈旧、课程学时少和讲授内容多的矛盾。另一方面可以提高教学效果,提高学生的学习兴趣和积极性,理解和掌握实验内容，在一定程度上可以代替部分实验内容。随着网上远程教育的不断发展，网上虚拟实验教学作为网上远程教育的一部分，也将得到广泛的推广。

开展网上虚拟实验教学，有利于各高校之间的教学资源共享。可以通过建立高校网上虚拟实验教学中心，以知名高校和中心研究院做为龙头，带动整个网上虚拟实验教学发展，形成辐射状的教学网络，从而提高整个教学资源的利用率。

三、国内外网络虚拟实验平台建设情况

虚拟实验室技术的研究和应用得到了许多科研机构和软件供应商的重视，许多国内外的大学都建立了虚拟实验室，开展了网络虚拟实验教学。美国印地安那州立大学的ＭＢＬ化学实验室，在给新生开化学实验课时用计算机采集与分析实验数据，用计算机展示实验，在网上发布相关的实验指导材料；芝加哥伊利诺伊大学数字化有机化学实验室，充分利用网络资源，在网上提供了一系列的实验教学指导：在线实验教材，实验教学时间表，实验测评方法、形式、时间，虚拟实验，相关教学资源的链接等，他们还用计算机进行实验教学的教务管理；卡罗莱纳州立大学的ＬＡＡＰ（Ｌｅａｒｎ Ａｎｙｔｉｍｅ Ａｎｙｗｈｅｒｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ），利用Ｊａｖａ技术建立了基于Ｗｅｂ的探索式虚拟物理实验室，主要有以下几个模块：基于Ｊａｖａ Ａｐｐｌｅｔ的虚拟实验设备和实验设施、相关的实验课程模块、实验学习结果评价模块、协作学习模块；北卡罗琳那（ＮｏｒｔｈＣａｒｏｌｉｎａ）大学创建了虚拟现实技术与教育实验室（ＶＲＥＬ）。该实验室的目的是评价虚拟现实的硬件与软件，考察虚拟现实技术对教育的影响及其在真实世界中的应用，并把虚拟现实与其他教育媒体的效果进行比较；还有由美国科学探索网络开发的学习化学酸碱度知识的“ＰＨ酸碱度”网上虚拟实验室，学习者可在良好的网络学习环境里通过各种实验活动学习酸碱度知识，丰富化学的认知结构。

在国内：北京师范大学现代教育技术研究所与北京３０１医院合作利用ＱｕｉｃｋＴｉｍｅＶＲ技术开发的内消化道的病变诊断教学系统。上海科技网和华东师范大学多媒体技术研究室合作开发了网上“科技创新博物馆”。清华大学和北京邮电大学、北京工业大学等共同建设的网络虚拟实验平台，中国农业大学的网上虚拟土壤作物系统实验室等。这些成功的案例为虚拟实验技术的发展起到了积极的推动作用。[２]

目前，国内开展网络虚拟实验研究和教学比较好的是北京邮电大学网络教育学院网络教育技术研究所。为解决高校日趋紧张的实验设备及实验场地等实验教学问题，针对工科院校本科教育中Linux操作系统、计算机网络、电路分析基础、数字电路与逻辑设计课程的实验薄弱环节，在国家十五科技攻关项目的支持下，经过多年研究，他们开发了一套配合教学并可在网上开展的基于B/S结构的虚拟实验系统。系统平台模拟真实实验中用到的实验器材和设备，提供与真实实验相似的实验环境，提供网上实验管理功能，还能实现远程实验教学与管理，可支持多用户同时在线操作。该系统已在大连理工大学、北京邮电大学、北京邮电大学世纪学院、华北电力大学、山东科技大学、大连广播电视大学等高校的实验教学中得到了应用，目前已经取得三项软件著作权，获得第九届全国多媒体教育软件大奖赛高等教育网络课程组优秀奖，2006年获得高校实验室工作研究会优秀论文奖，2007年在全国实验室管理和虚拟实验工作会议上向与会人员介绍经验。

四、网络虚拟实验平台系统特点及在未来实验教学中的优势

网络虚拟实验平台是一个集虚拟实验教学管理系统、实验课教学指导系统、网络实验仿真等为一体的功能强大的网上运行系统，系统具有成本低、效率高，不受时空限制、操作安全、高度交互性、实时的信息反馈等优势。具体体现在如下几个方面：

1.克服了实验时间与空间上的限制：网络虚拟实验平台是一个开放的实验平台,通过计算机网络系统,师生将不受时空的限制,可以自由地、无顾虑地随时随地进入网络虚拟实验平台操作选定的仪器,学生可方便地进行任一专业、任一课程的实验学习,并及时获取与实验教学及管理有关的各种信息。或与他人协作,共享仪器设备,共享数据和计算资源,同一个实验可以由不同地点、不同微机上的多个人来共同完成。学生可得到教师的远程指导以及与同学相互研讨,跨越时空师生间的交互仍可顺畅地实现。从根本上突破了传统实验教学受时间、地点的限制,凸显开放性和交互性,提高了教学效率。为极大限度地扩大实验教学的地域范围和在时间选择上的自由度提供了条件和技术支持,实现了实验教学在时空上的扩展。[3]

2.促进了学生创新意识和创新能力的培养：实验教学手段的现代化为学生开展创新活动营造了良好的条件。学生可以在网络环境下开展综合性的实验和创新型的实验，彻底摆脱了原有实验条件的约束，在更深、更广的知识领域内探索。利用网络实验环境，可以发挥实验者的想像力，去实现自己的设计，而不受器材、仪表等的限制，同时也不用担心实验的失败会对相关设备造成损坏。这无形中为学生的创造力发挥提供了十分广阔的实验空间，这是传统实验模式所无法比拟的。[4]

３．减少了设备消耗、节省了实验经费：与传统实验室相比，虚拟实验室给高校节省了很大一部分的经费，传统实验室的建造费用、设备采购费用，仪器保养维修费用等都是一笔相当大的开支；一方面，学生开展设计性、综合性实验时，可以先在网络上进行模拟仿真实验，在得到最佳方案后再进行实物实验，这有效地避免了学习的盲目性，极大地提高了实验的成功率；另一方面，对一些复杂的实验项目或有一定危险性的实验项目，可由仿真来完成，既减少了元器件的损耗，又降低了电子仪器的损坏率。

4.完善了网络教育技术：实验教学一直都是网络教育中的一个薄弱环节，虚拟实验系统对深入开展网络教育是一个很大的促进。通过实验教学辅助系统、实验报告提交系统、网上答疑系统的实现，极大地方便了学生的自学和自我检查，提高了实验管理的现代化水平。同时，在一定程度上减轻了教师的工作量。

5.与网站的结合：网络虚拟实验系统的使用是以网页的形式进行发布，可轻松实现与学校网站资源的无缝有效链接。

６．实验操作安全：利用虚拟现实技术进行虚拟实验， 可以避免直接接触危险的或对人体健康有危害的实验， 不会处于潜在危险的压力之中，一心专注于实验。学生在虚拟实验环境中，可以放心实验，大胆操作，积极开拓思维，掌握更多的实验技巧。

７．高度开放性和资源共享性：基于网络的虚拟实验打破了传统实验的模式，实验者不再受时间、空间上的制约，随时随地进入虚拟实验室开始自己的实验。而教师可以共享教学信息资源，促进相互交流，节省教学资源和快速反馈教学问题，使整个办学规模和质量实现快速、优质、低耗。

五、结束语

网络虚拟实验平台对实验教学转型意义深远，网上虚拟实验教学可作为传统实验室教学的完善和补充, 两者优势互补，相辅相成。网络虚拟实验教学平台是现代化的教学手段，其在高校教学中的应用，必将引发教学思想和教学模式的改变，从而提高实验教学质量。

参考文献:

[1]李军政,孙松林,蒋频.构建基于网络虚拟实验室的教学平台[J].大学时代,2006(7):125-126.

[2]徐红,刘羽,王林.网络虚拟实验室建设的研究[J].实验科学与技术,2007(8):132-134.

[3]陈滨.网络虚拟实验室与实验教学转型教学[J].仪器与实验,2005(10):10-12.

[4]金凤莲,兰振平.网络实验教学模式的探索与实践[J].中国教育信息化,2007(3) 高教职教:79-81.