中学阶段引入虚拟实验室的探讨

刘寿智吕少云

（1. 湖南省蓝山县第二中学，湖南 蓝山 425800； 2. 湖南省衡阳县第五中学，湖南 衡阳 421236）

0 引 言

实验是中学课程改革的重要环节，是全面提高学生科学素养的重要途径，以其独有的特点，在中学教学中起着重要的作用。随着课程改革在全国的各地的开展，加强中学实验教学，加强学生实验能力的培养，对中学教学及学生今后的发展，都具有十分重要的意义。然而，在目前的实验教学中，还存在诸多问题，如学校仪器设备缺乏和陈旧等现象，严重影响中学实验教学。一个传统的实验要使用多种仪器，而且不同实验所用的仪器也不尽相同，如果开设综合性实验所需仪器更多，这么多的仪器不仅价值昂贵，体积大，占用空间多，而且相互连接也十分麻烦。如何更合理地配置教育资源，解决好资金投入与人才培养之间的矛盾，是学校开展实验教育经常需要考虑而又是伤脑筋的问题。并且传统的实验室容易造成仪器损坏。因此，通过扩大实验室规模、增添大量仪器设备来满足传统实验教学，一般是难以实现的。因此如何解决这些问题成为一个制约中学实验教学的一个大问题。我们认为，如果在中学阶段引入虚拟实验室是个非常不错的选择。

1.入虚拟实验室的必要性

虚拟实验就是在WEB中创建出一个可视化的环境，其中每一个可视化的物体代表一种实验对象[1]。通过鼠标的点击以及拖曳操作，用户可以进行虚拟的实验。虚拟实验是一种应用广泛的科学实验模式，到目前为止，它已经历了思想实验、计算机仿真和虚拟现实阶段[2]。虚拟实验的第一个阶段是形象化阶段，从时间上来说是指在1946年电子计算机发明以前的历史时期。在这个阶段虚拟实验被称作思想实验，那是因为当时只有在人的头脑中才能进行这样的实验。虚拟实验的第二个阶段是数字化阶段。它主要指利用电子计算机所进行的计算机仿真阶段，它是指利用电子计算机对实验对象的数学模型进行模拟实验，以求得对实物原型系统规律性认识的一种实验方法。虚拟实验的第三个发展阶段是虚拟现实阶段。虚拟现实作为虚拟实验发展的一个新阶段，它与狭义的思想实验以及计算机仿真实验相比有着以下几个方面的特色[3]:

①真实性，虚拟现实技术本身就是要创建一种虚拟的“真实性”，所以虚拟现实技术的应用使虚拟实验不再是一个理想化过程，逼真和真实被提到了首要的地位。在虚拟现实中能体验到视觉、听觉、肤觉、动觉、平衡觉等多种感觉甚至还将给人以味觉和嗅觉的感受。

②交互性，使用者能对虚拟环境中的物体进行操作并得到相应的反馈。虚拟现实技术使得虚拟实验更逼真、更为人性化，利用这种交互性的优点进行外科手术的虚拟现实系统己经投入了实际使用。

③形象性和直观性，虚拟现实技术用逼真的画面反映实验对象及过程，用强大的运算能力分析实验过程中的数量关系，最后用直观的形式将实验结果表现出来，从而使虚拟实验保持形象性与直观性的统一。

虚拟实验从广义上说是一种模拟实验,但它在实验的本体逼真性和应用普适性,以及在给予实验者现场实时感受和实验效果等方面,是传统意义上的模拟实验根本无法相比的。它与传统实验教学相比，网络虚拟实验室具有如下特点：

（1）成本低，只要购买一定的仪器模板以及相应的软件(例如Labview等软件)，就可以构成足够数量的虚拟仪器供学生使用，可以节约大量仪器设备的经费投入。因为“软件即为仪器”，这样就可解决因实验经费不足或高档次、高价位设备缺乏所不能开出的实物实验尤其是通过联网后能实现大型科学仪器的资源共享，避免了大型仪器设备的重复添置、购买和浪费。虚拟实验室可以反复多次使用，不存在实验器材的消耗，节省使用维护成本，特别是在实验室建设经费紧张的情况下,有较大优势。

（2）品种全，虚拟实验室的数据库可做到规格品种齐全，并易于升级换代和增加新品种，从根本上解决了因实验元器件和仪器仪表不全而影响实验的问题。

（3）效率高，虚拟实验室省去了手工实验时的许多简单劳动，如器材准备等，使用者可以集中精力研究实验对象本身的特性和规律，同时虚拟实验室通过提供良好的在线帮助和学习功能，可帮助使用者迅速掌握实验研究本身和达到实验研究的具体目标和要求，大大提高了学习和研究效率。

（4）安全性，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。例如，虚拟的化学实验，可避免化学反应所产生的燃烧、爆炸所带来的危险。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。

（5）准确性，计算机模拟的演示实验具有传统实验所不及的准确性，这是因为传统实验受器材的限制、环境因素的影响和实验误差的影响，这些都是由于实物实验造成的，而用计算机模拟实验时，由于是事先将规律输入机器的，不会受上列因素的影响，因而准确程度高，并且数据可随时由计算机输出，更容易找出规律。

（6）直观性，计算机的显示屏由于它的明亮程度高，从心理学的角度来看，还能刺激学生的视觉，提高学生的兴趣。特别是计算机能够同时对两处动态的实验现象进行观察，从而使其直观性更强。如在讲授机械振动形成机械波时，用传统的方法观察到质点的振动，就无法观察到波的传播，而观察到波的传播，又无法观察到质点的振动，而用计算机模拟这一实验时，可以很清楚地同时观察到这两种运动，比较容易得出质点振动和波的传播的关系。计算机的直观性还体现在它能对不同的物理现象进行类比。如运动学中的自由落体运动、平抛运动和斜抛运动，用计算机模拟实验时可把它们投入同一坐标轴上研究，比较容易找到它们的共性和个性。

（7）易维护，如果采用传统的实验教学方法，那么不仅要耗费巨额资金来扩大实验室的建设规模，增添大量的仪器设备，而且也要扩大实验管理人员以加强实验管理环节，尽量避免仪器设备磨损造成的经济损失，保证实验教学秩序良好进行。然而元器件的消耗是不可避免的，该经济负担是让人难以承担的。

（8）开放性，鉴于网络虚拟实实验的开放性和共享性，资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展和管理，使学生的实验操作机会得以增加，实验范围和科目得以扩大，高新技术在教育领域内的优势可以充分发挥出来。

教育专家预测，在21世纪，虚拟实验将成为虚拟现实技术最重要和最热门的应用领域之一。

2.拟实验室的构建原则

虚拟实验室概念的提出至今将近二十年的时间，因其广阔的应用前景，各国均在大力开发，己经取得了一些进展。越来越多的科学家正在投身于虚拟实验室的研究工作中来。例如，美国巴尔的摩(Baltimore)约翰霍普金斯大学的化学工程系的卡尔威教授 (Michael Karweit)在电脑网络上建立了一个虚拟实验室，让工程系的学生通过电脑网络做实验，尝试解决工程上遇到的各种问题；德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室；西班牙大学计算机组成原理系开发了计算机组成原理仪器虚拟工作平台；意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室；加拿大科学家建立的有关人体细胞的虚拟实验室；剑桥大学、斯坦福大学等众多国际著名大学都组建了自己的虚拟实验室。有些国外大学甚至把虚拟实验作为了学生的必修课。我国的不少高校也己经引入了虚拟实验室。例如:清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；华中理工大学机械工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育使用；四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台二线综合测试仪”，将8台仪器集成于一体，组成虚拟实验系统；中国科技大学人工智能与计算机应用研究室最新研制出我国第一套虚拟现实教学软件“几何光学实验设计平台”，该系统完成了光学虚拟实验室的设计，通过实验所提供的一系列光学仪器，学生可以基本上完成所有的实验，并且提供了完整的文档和习题系统[4]。中国农业大学建立了虚拟土壤一作物系统实验室。海军航空工程学院青岛分院自主完成的“电路与电子网上虚拟实验教学系统”，学生可在网上做电路与电子的有关实验；浙江大学的虚拟化学实验，是基于web的虚拟实验，以VRML和Java技术结合开发。中国科学院、大连理工大学等也成立了计算化学、分析化学的虚拟实验室。

随着技术的不断发展，在中学阶段引入虚拟实验室的条件越来越成熟。在设计面向中学生的虚拟实验室时，我们认为应该遵循如下几个原则：

（1）科学性原则，这是虚拟实验环境要遵循的最根本的原则。没有科学性，虚拟实验的效果也就无从谈起。首先，虚拟实验中的虚拟仪器的属性要和真实世界中的实验器件的属性相一致，并且要符合学习者认知的发展规律。其次，实验过程的模拟，以及实验结果的显示必须严格遵从物理科学的规律，不能出现违背科学规律的错误。

（2）与现实的一致性，如果实验环境，实验仪器的设置都保持与现实的一致性，且还要模拟它们实验环境中的各种声音，如汽笛声、按钮按动声、内部机械动作声等，这样才能使学生在实验室有身临其境的感觉，全身心地投入学习。

（3）实时的信息反馈，故障发生器，在实际工作中除了设备正常情况下的操作，还有各种意外情况，如某些设备故障的情况。此时，要求在虚拟系统中也能模拟手柄失灵、仪表信号不显示及自然灾害发生的情况等，即给实验增加一些难度，强化学生实际操作能力。

（4）功能全面，在设计中学生虚拟实验室时，除了有实验环境以实验器材外，还应具有实验说明书，实验报告单，还应该具有实验数据的采集及加工能力。

（5）画面美好，一个优秀的虚拟实验教学环境不仅要传授科学知识，还要有一定的艺术欣赏价值，使学生在接受知识的同时也有美的享受。软件应该是好的内容与美的形式的统一，美的形式能更好地表现内容，激发学生的兴趣。让学生在艺术的氛围中学习物理知识。这里的画面美好一是指画面美观，即友好的界面设计；二是指图片、图像、动画要尽量反应真实的现象；三是指运动流畅，即画面之间的切换无跳跃感，自然和谐圈。

3.育观的改变

虚拟实验技术在实验教学中具有广阔的应用、发展前景，随着虚拟实验的普及，其优越性会被越来越多的人认识。但要使虚拟实验技术真正得到推广应用，关键还是观念的改变。

首先，要培养一支高素质的实验队伍，不断地进行知识更新，加强学习，重视信息的收集、加工、应用，了解掌握最新技术，促进实验教学发展。虚拟实验的应用和发展，加快了实验室发展和实验教学改革，促进了教育观念的改变。

其次，是教师观念的改变，不能把虚拟实验室仅仅和仿真实验等同起来，因而认为虚拟实验没有任何探索新知识上没有任何价值.实际上，现在正在快速发展的虚拟实验室，跟现实中的实验室是完全一样的，它不但可以验证已有的知识，还可探索新的知识。

再次，中学教师除了具有创新精神和能力外，还应有一个科学的投资理念，在实验室建设和发展中，充分考虑投资效益，建设现代化的实验室。

4.束语

虚拟实验室与传统实验室相比，具有无可比拟的优势，具有巨大的应用前景。中学教师应该做好应用这项技术的准备，转变教育观念，使我们的实验教学更具有科学性和现代化。

[1]林川,刘胜永,潘盛辉.基于Web的虚拟实验系统的设计[J].软件导刊, 2007(1):39-40.

[2]张晶.基于交互式FLASH技术的网络虚拟大学物理实验的探索与实践[D].苏州:苏州大学. 2004, 12.

[3]黄悦微.虚拟电路实验场景的研究与实现[D].杭州:浙江大学. 2005.

[4]张茂军.虚拟现实系统[M].北京:科学出版社, 2002.