虚拟实验的研究现状以及在教学中的意义

杜一宁

（浙江海洋学院计算机中心，浙江舟山 316004）

1 虚拟实验的概念及发展状况

1.1 虚拟实验的概念

虚拟实验是借助多媒体，仿真，以及虚拟现实（Virtual Reality，英文缩写VR）技术而产生和发展的一种实验模式，它起源于20世纪末，是以计算机为控制中心，利用软件技术构建系统的逻辑结构模型，协调相关硬件设备技术形成虚拟实验系统，并通过计算机网络形成虚拟实验系统网络化，这样就可以让学生通过计算机操作，像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。它是计算机技术、虚拟现实技术、人机交互技术结合的产物，也是教育领域应用信息技术的一种创新。虚拟实验一般是通过虚拟实验室而进行的。虚拟实验室是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，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。

1.2 虚拟实验的发展现状

虚拟实验是虚拟现实在教育重要应用领域，并逐步成为科学实验和科学研究中强有力的工具。虚拟实验是科学实验领域中较为年轻的分支，其发展过程大致经历了三个阶段：

（1）思维模型与逻辑分析阶段。

该阶段以科学实验为基础，以逻辑推理为根据，在思想中塑造实验模型的实验方式。

（2）计算机仿真阶段。

20世纪60年代到80年代，其是以系统数学模型为基础，在一定假设条件下利用计算机对实验对象的数学模型进行的信息处理过程。

（3）虚拟现实阶段。

20世纪80年至今，其是以虚拟现实技术为基础，通过模拟人与周围真实环境交互方式而建立的观察界面进行实验的过程。虚拟实验从形象化思维到数字化分析再到直观的虚拟现实阶段的发过程中，计算机的产生与应用为虚拟实验注入了新的活力，改革了传统的实验方法，扩大了认识领域，使虚拟实验变得普遍，应用得更加广泛。

2 虚拟实验的类型与特征

2.1 虚拟实验系统的类型

虚拟实验通过虚拟实验系统来实现的，虚拟实验系统通常分为桌面虚拟实验系统、沉浸型实验现实系统、增强现实型虚拟实验系统以及分布式虚拟实验系统。但沉浸型、增强现实型等虚拟现实系统，需要有头盔显示器、数据传感器手套等高昂的设备，很难在教学中应用，只有桌面虚拟实验系统最为廉价，适用于教育领域。

2.2 虚拟实验的特征

虚拟实验与虚拟技术一样，具有以下三个基本特征：

（1）交互性。

交互性是指用户对虚拟实验环境内对象的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度 (包括实时性)。虚拟实验环境比较强调人与虚拟世界间的自然交互，使用者不仅可以利用电脑键盘和鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔和数据手套等传感设备进行交互。

（2）沉浸性。

沉浸性是指虚拟现实技术能使用户感到自己处于虚拟实验环境中，成为其中的一员，由观察者变为参与者，沉浸于其中并参与虚拟实验的活动，即身临其境。使用者在虚拟实验环境中，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。沉浸虚拟现实运用计算机、多媒体与仿真技术等现代科学技术，营造与客观世界高度类似的虚拟环境，使人具有一种身临其境的感觉。虚拟现实模式在现实世界数据建模的基础上，采用三维图形来表现虚拟世界，通过头盔式显示器或立体眼镜等专用辅助设备观察建模的三维物体，以获得在平面显示器上无法得到的物体深度、距离信息，并通过观察不同的图像，产生观察视差，达到身临其境的效果。

（3）想象性。

想象性指最大限度发挥人类的创造力和想象力。一方面，虚拟实验的环境是人想象出来的，体现出设计者的思想；另一方面，用户可从设计好的环境中得到感性和理性上的认识，进而深化概念，产生新意和想象，与设计者产生共鸣。

2.3 虚拟实验的作用

除了以上基本特征外，虚拟实验特征还有虚拟性、实践性、灵活性、多样性等特征，使得虚拟实验与真实实验相比，具有以下特殊作用：

（1）弥补教学条件的不足。

弥补了因实验设备、实验场地、教学经费投入不够等原因而无法开设实验的不足，使学生做各种各样的实验获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。

（2）避免真实实验或操作所带来的各种危险。

使实验者能够获得在真实实验条件下难以获得甚至根本无法得到的关于客观对象的信息。以往对于危险的或对人体健康有危害的实验，一般采用电视录像的方式来取代实验，学生无法直接参与实验，获得感性认识。利用虚拟现实技术进行虚拟实验.则可以免除这种顾虑学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的或危害人体的实验。例如，虚拟的化学实验，可以避免化学反应所产生的燃烧，爆炸所带来的危险；虚拟的外科手术，可避免由于学生操作失误，而造成病人死亡的医疗事故；虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。

（3）彻底打破空间与时间的限制。

虚拟实验可以彻底打破空间的限制，缩短实验周期，大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。虚拟实验还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。

3 虚拟实验在实验教学中的意义

（1）改变了传统的实验教学概念，为教育改革服务

虚拟实验技术的应用，要求教师必须改变实验教学观念，实现实验教师由演示者向指导者、创新者的转换。要求学生由模仿者向探求和创造者转换，达到由培养经验型人才向培养创造型人才的转变。要求教师善于运用实验教学策略，鼓励学生将自主设计、自主探索与协作实验研究相结合。

（2）引进最新的科学技术，满足面向信息社会的需求

虚拟实验技术是一种先进的学习工具，是多学科技术发展的综合，代表着当前学科技术的发展水平。随着水平的不断提高，虚拟实验技术将不再是纯虚拟环境。很多软件都能和互联网连接，和实际的实验设备连接，实现远程实验，实现软件对实验的控制和对实验数据的处理和分析。要使用计算机来进行实验并对实验数据进行处理，学生只有掌握这种先进的学习技能，才能更好地学习和工作。

（3）节省实验经费，丰富实验资源，保证试验安全

利用虚拟现实系统，可以弥补因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的不足，丰富实验资源，使学生可以做一些危险或危害人体的实验。例如，虚拟的化学实验，可以避免化学反应所产生的燃烧、爆炸所带来的危险；虚拟的外科手术，可避免由于操作失误，而造成病人死亡的医疗事故；虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。虚拟实验环境可以获得与真实实验一样的体会，丰富了学生感性认识，加深对教学内容的理解。

（4）实验教学手段多样化

虚拟实验的出现，为实验教学改革提供了条件教师可以采取灵活的教学方法，实行个性化教学。通过网络虚拟实验教学，学生可以灵活控制学习时间，不受实验室关闭和开放的影响，不受书本的约束，自主地选择自己所需的实验内容。同时，实验考核也可多样化，通过网络考核与实际考核相结合，更能真实评价学生的能力。利用虚拟实验远程系统，将实验设备、教学内容（包括理论教学）、教师辅导和学习者的思考、实验操作等融为一体，克服了实验教学长期受到课堂、课时限制的因素。教师可以上网组织各种实时或非实时的分布式教学，回答学生问题，批改实验报告。学生可通过上网接受教师指导，完成各项实验内容，提交实验报告。

（5）实验内容可紧跟科学发展步伐

传统实验教学实验项目多为验证性实验，总是滞后于学科发展。虚拟实验技术的发展，给实验教学改革注入了新的活力。它不但可以有效营造一个跟技术发展同步的实验环境，还可以具有适当的超前性。实验环境虚拟化，实验过程可以突破物理上时间和空间的限制。以前因时空限制而无法实现的实验项目，现在就可以通过虚拟技术进行模拟实验。

（6）更利于培养学习兴趣与能力

由于虚拟实验利用多媒体技术来模拟真实实验环境，使得整个实验过程具有游戏的特点，将群体式学习、协作式学习、竞赛式学习的模式灵活应用，可以激发学生浓厚的学习兴趣。其次，在虚拟实验中，学生可以很方便地通过改变实验参数分析不同的实验结果。这有利于培养学生的科学意识和创新精神。总之，目前虚拟实验技术还处在发展、起步阶段，但在实验教学过程中已经发挥了巨大的作用。它不仅弥补实验设备缺乏和条件的限制，而且极大提高了学生对知识的需求和探索的积极性，提高了实验教学效果。同时，通过虚拟实验技术把抽象的、难以直接用一般自然手段表现的形象直观地表现出来，有助于加快认识客观世界的规律，提高实验教学的先进性。

总之，虚拟实验教学可以节约成本，突破实验教学在时间和空间上的限制，提高学习者的自主性和创新性，充分发挥计算机技术网络的优势，成为对传统教学方式的有力补充。利用计算机图形技术、虚拟现实技术、网络技术等可以仿真出可视化的实验环境，引入多种多样先进、昂贵的实验仪器设备，同时降低误操作的危害与损失，为学生和劳动者提供实用的知识与技能。

[1]单美贤,李 艺.虚拟实验原理与教学应用[M].北京：教育科学出版社,2005.

[2]黄荣怀.信息技术与教育[M].北京：北京师范大学出版社,2002.

[3]杨英慧,周振军,张君维.基于网络的虚拟实验技术的应用分析[J].实验技术与管理,2005,22（9）:68-70.

[4]韩 峰.虚拟仪器及其在实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2000,17（3）:75-78.

[5]王晓蒲,霍剑青.大学物理虚拟实验远程教学系统[M].北京：高等教育出版社,2001.

[6]孙燕莲,韩 巍,文福安.构建仿真实验系统关键技术的研究[J].实验技术与管理,2005,22（7）:68-71.

[7]王鸿灏,上官右黎.计算机网络虚拟实验系统的设计与实现[J].计算机科学,2007,34（7）.