虚拟实验室的研究现状及其发展趋势

陈小红

上海欧华职业技术学院 上海 200233

虚拟实验室的研究现状及其发展趋势

陈小红

上海欧华职业技术学院 上海 200233

本文阐述了虚拟实验系统的发展和相关技术背景，及其国内外研究现状。分析了当前研究的不足，提出了虚拟实验系统的发展趋势。随着网络技术的飞速发展和普遍应用，利用虚拟实验室进行实验教学已成为一种趋势，将会成为未来实验教学的重要途径和方式。

虚拟实验室；研究现状；发展趋势

21世纪是信息和知识经济时代,实验教育的任务是培养具有创新精神和能力的高素质人才。随着电子技术高速发展,新器件、新电路不断涌现,普通实验室的更新速度无法跟上技术的发展。此外普通实验室涉及仪器调试、管理、易损坏等问题。在实验时间和一些损耗性大的实验项目上对学生限制过死。同样,远程教育学员一般都要在规定的时间到指定的学校集中完成实验项目,技能培养质量无法保证。教育机构必须考虑如何跟上实验的时代性和先进性,创设实验内容丰富、训练操作扎实、不受时空限制的开放性实验环境。近年来,由于虚拟仪器、仿真技术和网络技术的飞速发展,构建虚拟实验室将会成为一种经济、高效的首选方案。

一、虚拟实验室的历史发展和技术背景

虚拟实验室(Virtual laboratory)的概念，于1989年由美国的William Wolf教授最早提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。Wolf教授形象的把虚拟实验室称为“没有围墙的研究中心”。随着网络技术的发展，虚拟实验室已不再局限于其原有的范畴，已经逐渐将成为一种崭新的教学形式。所谓虚拟实验室，实际上是利用虚拟技术仿真或虚构实验情景，利用鼠标的点击、拖动，将微机上虚拟的各种仪器，按实验要求、过程组装成一个完整的实验系统，并完成整个实验，包括原材料的添加，实验条件的设置、数据采集以及实验结果的处理、分析，同时可利用网络与教师和同学进行交流，真正实现了学生的主体性地位。

到目前为止，按一般意义上的理解，虚拟实验的发展经历了两个阶段：(1)计算机仿真阶段，它主要利用计算机在处理数据方面的优势，选用的实验对象常是高度抽象的数值关系，较注重逻辑性和确定性，基本上将用户视为旁观者，限制了其应用范围；(2)虚拟现实阶段，虚拟现实技术系统营造虚拟实验室，实验者运用某些设备完全进入虚拟实验室环境中，并可根据需要通过多种交互设备（如头盔、数据手套和刚性外骨架衣服等）来驾驭该环境，同时用于操纵该环境中的物体（如仪器设备、实验对象、实验资料等）突出了实验的形象性和直观性。

从技术层面上看,各类虚拟实验系统的基本思想是一致的,即用软件方法来模拟硬件设备的功能。为了实现上述功能和目的，需要使用一些相关的技术：(1)VR技术，虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)是以计算机技术为核心，综合使用交互设备融视、听、触、感为一体的模仿现实的三维空间再现技术；(2)Lab VIEW技术，Lab VIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) 程序称为“虚拟仪器程序”(简称VI)，是一种基于图形编程语言的开发环境；(3)Java作为一种程序设计语言，具有可移植性和安全性，提供了并发机制，具有很高的性能；(4)ActiveX技术，它可将复杂的任务分割成小的模块，作为组件。采用组件思想为构造虚拟仪器带来了很大方便；(5)ASP技术提供一个服务器端的脚本环境，用于产生和执行动态、高效率的网络服务器应用程序；(6)交互式Flash技术。Flash技术用于网络虚拟实验室的开发具有开发速度快、界面美观、视觉冲击效果强、体积小、不需要安装、可直接在浏览器中进行操作等特点，但在交互性方面尚有不足，视觉效果不如3D。

二、虚拟实验室研究现状

虚拟实验室概念的提出至今仅为10余年的时间，但因其诱人的应用前景，各国均在大力开发，已经取得了很大的进展。

1.国外研究现状

目前，虚拟实验室在发达国家已十分普及。作为首先提出虚拟实验室概念，并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国，从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发，在该领域的研究和应用已处于领先地位，在大学的普及程度也相当广泛，其中麻省理工学院的Web Lab远程实验室于1998年开发并投入使用。它提供了用于进行微电子学和电路设计课程的实验教学，它允许学生在自己的电脑上设计并修改电路模型，然后通过一个用Java激活的Web浏览器使用在远程实验室里的昂贵的测试设备来获取测试数据，验证自己的设计，最近还实现了通过手机远程控制实验的功能。

VLAB是美国俄勒冈大学物理系主办的物理实验网站。该网站包含了天体物理、能量与环境、力学、热学等方面的几十种虚拟实验。该系统采用Java语言开发，实验程序需要从服务器端下载，并运行在客户机上。由美国Michigan大学化学工程系创建的VRCEL实验室，主要用来探索和开发虚拟现实技术在化学工程领域的应用。美国霍华德•休斯医学研究会（HHMI）建立的虚拟实验室是完全交互式的生物医学的实验室模拟。

德国Ruhr大学网络虚拟实验室是一个有关控制工程的学习系统,它通过直观的三维实验场景视觉效果,依赖各虚拟实验设备的仿真特性,实现对虚拟实验的交互式操作。西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台。意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室。新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验，在远程控制实验方面取得很大的成果。

2.国内研究现状

在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。由于虚拟实验技术的特点，它的实际应用在理工教学中大有作为，尤其在电工电子、医学、建筑、生化等学科有重要作用。据了解，目前国内的多数高校都根据自身教学需求建立了虚拟实验室，典型的有：(1)中国科技大学在虚拟实验室的建设和使用方面形成的如物理仿真实验软件、广播电视大学物理虚拟实验、几何光学设计实验平台、大学物理虚拟实验远程教学系统；(2)浙江大学的虚拟化学实验,是基于Web的虚拟实验,以VRML为基础构筑虚拟实验环境,并利用Java技术来实现虚拟实验场景的人机交互；(3)同济大学建筑学院建成的可以对建筑景观、结构进行仿真的虚拟现实实验室；(4)西南交通大学开发的TDSJD机车驾驶模拟装置等；(5)清华大学的“电力系统及大型发电设备安全控制和仿真”国家重点实验室和利用虚拟仪器构建的汽车发动机检测系统；(6)中国农大的虚拟土壤—作物系统实验室,通过应用GPS、GIS作物3D数字化技术和其他信息采集技术,实现对农田土壤水分、养分、盐分等与作物生长的相互作用关系的定量化研究,建立虚拟土壤—作物系统,通过计算机上的虚拟实验,部分地替代在现实世界中难以进行的或昂贵的试验。此外，复旦大学、上海交通大学、陕西师范大学等一批高校，也相继开发了一批新的虚拟仪器系统供实验教学和科研使用。

三、虚拟实验室发展建议和趋势

1.加强虚拟实验系统应用研究

目前网络虚拟实验系统的研究内容主要集中在理论探讨、系统的设计与开发、虚拟实验网络教学平台的开发，但对虚拟实验系统应用于教学的模式与效果分析、虚拟实验系统开发评价等方面的研究不多，尤其是关于学生对网络虚拟实验系统学习体验的调查和评价的研究很少。

2.虚拟实验系统通用模型的设计与开发

目前网络虚拟实验系统的设计与开发的研究都是基于某一门课程实现，开发的技术种类繁多且都基本成熟。如何开发出某一类学科的虚拟实验通用模型，实现基于此平台的二次开发，以避免不必要的重复劳动，提高开发效率，使之成为社会化的远程实验教学的产品，对现阶段网络教学的深入开展显得尤为重要。

3.实现技术上必将形成多种技术相融合，优势互补的局面

使用某个单一技术构建网络虚拟实验系统，在某些方面有优势，在另一方面必然存在不足。因此，将多个技术相融合开发优势互补，对构建一个好的虚拟实验系统显得十分重要。当然也要考虑应用实际，即技术使用的成本效益和技术的友好程度，选择合适的开发技术。

4.完善分布式和协作虚拟实验的功能

与同伴合作是实验过程中一个至关重要的环节，因为科学实验常常是种协作性的活动。国内虚拟实验室在支持分布式协作科研方面的功能还需要大力完善。大多数虚拟实验室只是局限于一个学院、一个小型的局域网或一个学校的校园网，可以实现不同科研单位之间协作研究的实验室并不多见。

5.自适应虚拟实验室

自适应实验即指能修正自己的特征以响应规则原理的变化,并根据学习者的学习过程生成一个反馈回路，为学习者提供一个自适应的获取知识和技能的实验学习环境。该系统的基本特征是能从环境中获取信息并能自动改善其性能。

四、结束语

虚拟实验室增强并扩展了实验教学的功能，以前所未有的方式将学生和实验仪器联系起来，为学生提供了一种崭新的实验方式。在使用虚拟实验室的过程中，如果能把模拟的与真实的相比较，加强学习者之间的相互合作，并注重激发学习者的兴趣、促使其进行探究，那必将会产生巨大的教育价值。

[1]Tuttas.J,Wagner.B.Distributed Online Laboratories[EB/OL].

[2]Budhu.M.Virtual Laboratories for Engineering Education.[EB/OL].

[3]Guzmán.J.L,Berenguel.M,Rodríguez.F,et al.Webbased remote control laboratory using a greenhouse scale model[J].Computer Applications in Engineering Education,2005,13(2):111～124

[4]Szczytowski.P.VCLab as an Example of Gridifying VirtualScientific experiments [EB/OL].

[5]ERTUGRUL.N.Towards Virtual Laboratories:Survey of LabView-based Teaching/ Learning Tools and Future Trends[J].International Journal of Engineering Education,2000,16(3):171～180

[6]华中科技大学.液压与气压传动虚拟实验[EB/OL].http://col.njtu.edu.cn /zskj/ 4024/httproot/xunsy/xunsy.htm.

[7]崔光佐,程旭,杨芙清.基于WWW的网上虚拟实验室设计与实现[EB/OL].

[8]车皓阳,余胜泉,何克抗.构建基于WEB的虚拟实验室[EB/OL].

[9]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

[10]刘筱兰,张薇,程惠华,等.虚拟实验室的类型及发展趋势[J].计算机应用研究,2004,11:8

The research actualities and development trend of virtual laboratory

Chen XiaoHong
Shanghai ouhua vocational technical college, Shanghai, 200233, China

This paper expounds the development and related technical background of virtual experiment system, and the research situation on it.It analyzes the deficiency of the current study and brings forward the development trend of virtual experiment system.With the rapid development and widely application of network technology,virtual experimental teaching has become a trend in the future. And it will become the important ways of the experiment teaching.

virtual laboratory;the research actualities; development trend

2010-04-06

陈小红，硕士。