虚拟实验室建设

杨百龙，郭文普，徐东辉

(第二炮兵工程大学403室，陕西西安 710025)

随着多媒体技术、仿真技术及网络技术发展应用，一种新的实验训练系统虚拟实验室，在国内外高校和企业得到广泛应用，并取得良好的效果。深入分析虚拟实验室特点优势，广泛吸纳各方成功经验，积极开展虚拟实验室建设，是高校实验室建设面临的一项重要任务。

1 虚拟实验室及其构成

虚拟实验室是应用多媒体技术、虚拟现实技术及各种仿真开发软件等仿真现实世界中真实实验平台的计算机应用系统［1］。这些应用系统利用软件虚拟实际实验室环境，通过模拟各种实验材料、器件和仪器仪表等提供可操作的虚拟实验仪器，学员通过系统模拟出真实实验平台或仪器面板的人机交互界面调用、连接、配置各模拟器件和工具，建立并完成具体的实验项目，系统还能够对学员实验过程和实验结果进行管理与分析，因此，学员通过虚拟实验可取得与真实的实验室相同的实验过程体验，教员通过虚拟实验室也可对学员实验过程和结果进行考核和评价。

虚拟实验室通常由虚拟实验台、虚拟器材库和实验室管理系统组成。虚拟实验台模拟真实实验环境，可供学员动手配置、连接、调节和使用各种虚拟的实验仪器没备。虚拟器材库管理各种虚拟的实验仪器、仪表及实验材料，教员或学员均可利用虚拟器材库中的器材搭建各种实验项目或实验案例，完成各种实验操作及训练。实验管理系统提供全方位的虚拟实验教学功能，如实验前预习、开课管理、项目库维护、教学安排、过程指导、结果批改、成绩统计查询等功能。三者配合，形成一体化实验教学支撑系统。

2 虚拟实验室建设与应用现状

“虚拟实验室”概念最早由美国 University of Virginia的教授 William Wolf于1989 年提出［2］，因其应用效果和应用前景较好，引起各国高度重视。美国在20世纪90年代就将虚拟实验室列入其科研发展的战略规划，在1991年，美国科学基金会、美国国家科学研究顾问委员会所属的计算机与远程通信部组成了科学合作实验室委员会，投入资金在相关专业领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工程。美国许多政府部门并将所属的科研机构实验室过渡到虚拟实验室环境中，美国还投资构筑全国的虚拟实验网络。虚拟实验室的建设在其他发达国家已普及。

许多知名企业均看好虚拟实验室的发展潜力，纷纷投资开发各类虚拟实验系统用于产品培训及售后服务，取得了良好效果。著名网络设备供应商思科公司早期就开发出针对其产品虚拟实验系统，实验设备覆盖了思科所有路由器和交换机产品型号，随后思科又宣布推出思科学习实验室，该实验室是一款虚拟实践学习包，提供针对思科CCNA、CCNP和CCIP认证的实验实践，使备考思科认证的学员通过思科IOS软件获得针对路由及核心交换的实验练习。无独有偶，2011年9月，全球领先的测试、测量和监测仪器提供商―泰克公司也宣布，扩展其在线虚拟实验室，新增LED测试实验室、变频器测试实验室、逆变器测试实验室，新增实验室将与原高速串行实验室共同构成泰克在线虚拟体验平台，该平台为工程师提供出从方案指导、型号选择、产品演示到产品报价、预约线下实验室参观等一系列功能［3］。

在国内，己有许多高校初步建立了虚拟实验室。例如:清华大学利用虚拟实验仪器构建了汽车发动机检测系统;华中理工大学机械学院工程测试实验室成功将其虚拟实验室用于远程教育使用;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，组成虚拟仪器系统;复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等一批高校也开发了各自虚拟仪器系统用于教学和科研。北京邮电大学等单位在国家十一五科技支撑计划项目的研究中提出了开放式网上虚拟实验室的解决方案，已研制完成开放式网上计算机网络虚拟实验室、开放式网上Linux操作系统虚拟实验室、开放式网上模拟电路虚拟实验室、开放式网上电路分析虚拟实验室、开放式网上高频电子线路虚拟实验室、开放式网上数字电路虚拟实验室、开放式网上信号与系统虚拟实验室等;上海交大医学院联合复旦大学上海医学院等自主研发的网络虚拟实验室，可虚拟9项医学功能学实验，学生可在任意时间和地点登录网络虚拟实验室，教师也可在线对学生虚拟实验的完成情况进行检查和批改［4］。

当前虚拟实验室建设和应用有以下特点［5］:(1)发达国家已逐渐向高精尖技术领域渗透，应用情况领先于国内。一些国际知名企业开发的主要用于产品培训和售后服务的虚拟实验室也普遍质量较高、应用效果好。(2)国内面向化学、物理、计算机技术等基础课程教学的产品较多，应用相对普及。(3)国内高校虚拟实验室普遍存在平台仿真度较低、虚拟器材不丰富、实验项目较少、管理考核能力偏弱等问题。因此，虚拟实验室建设与应用的深度和广度上均有较大发展空间。

3 虚拟实验室特点

相对于传统的真实实验室，虚拟实验室有其独特优势。

虚拟实验室最大的优点是成本低。虚拟实验室中所有仪器、设备均是由软件虚拟出来的，避免了大型仪器设备的重复添置和购买，在同一计算机中运行不同的实验系统就可构建不同的虚拟实验室，使得在同一软硬件平台上集成多个虚拟实验室成为可能，这些使实验室建设成本降低。虚拟实验室不会出现因使用不当、管理不善等因素造成的仪器损坏、元器件丢失等问题，没有实验材料、器材的损耗，实验室运行保障成本较低。虚拟实验室日常管理主要是软件维护，课前无须准备各种器材或工具，课后无须烦琐的设备状态恢复等工作，维护管理的工作量小、成本低。

虚拟实验室可突破时空和各种现实因素限制。大到宇宙天体，小到原子粒子，学员都可在虚拟环境中进入这些物体的内部进行观察。需要几十年甚至上百年才能观察到的变化过程，利用虚拟实验室则可在很短时间内呈现给学员观察分析。在现实中难以接触的材料、器件，学员可在虚拟实验台上亲手操作，现实条件下难以开展的实验，学员却可在虚拟环境中亲手完成。

虚拟实验可避免真实实验或操作所带来的各种危险。例如，虚拟的化学、物理实验，可以避免化学反应产生的燃烧爆炸或学生触电带来的危险;虚拟的飞机或汽车驾驶教学，可免除学员操作失误而造成效能或事故等。

虚拟实验室便于开展自主创新性实验。虚拟实验室通常允许学员在器材库中自主选择设备、器材、工具。自主搭建各种实验项目，可支持不同学员完成不同难度的实验内容，有利于培养设计能力和创新意识，有利于开展设计性、自主性和综合性实验。

虚拟实验室便于组织实施开放性实验。许多基于WEB环境的虚拟实验室，均支持在线实验，学员只需上网，便可完成实验项目，方便了学员学习，有力推动了开放实验和远程实验教学的应用和发展。

虚拟实验室能够提高实验教学管理信息化水平。许多虚拟实验室都配套开发出实验室管理系统，实现了实验项目、内容、成绩等管理自动化，提高了实验教学管理水平。

虚拟实验室有其局限性:(1)教学效果受虚拟实验室建设质量和水平影响较大。尤其是虚拟实验室对现实中的真实实验室虚拟得效果，对实验设备与器材的功能与性能、结构与操作，以及对实验项目的过程与结果等模拟效果与真实的设备、器材及真实的实验内容的相似性强度、可信成度，均直接影响虚拟实验室教学效果的发挥。(2)虚拟实验依托计算机软件系统进行，开展实验的学员计算机应用能力水平在一定程度上影响实验效率和效果。(3)传统真实的实验室建设主要是方案设计和设备购置，建设周期较短，但虚拟实验室重点是软件开发，开发周期受实验内容和实验设备复杂程度影响较大，通常比硬件建设周期略长。尽管如此，虚拟实验室优势和特色明显，有时甚至难以替代，是未来实验室建设的重要发展方向。

4 虚拟实验室建设的重点

(1)要科学规划建设项目［6］。并非所有实验项目都适合建设虚拟实验室，虚拟实验室特别适合验证性和认知性实验，因此特别适用于帮助学员理解、掌握基本概念和基本原理的实验项目或帮助学员熟悉系统、设备连接、配置等基本过程的实验，也适用于软件或系统操作培训等方面实验，而对重在培养学员实践操作技能类实验则只可作为前期培训练习，难以完全取代真实实验室;并不是所有虚拟实验室都需要建设，对通用类基础课程或典型设备、系统的应用实验，许多地方高校或企事业单位都已开发出虚拟实验系统可供免费下载或在线共享，因此，在规划建设项目时，要充分调研、严密论证，避免浪费。

(2)要严格把握质量标准。实现虚拟实验室有多种途径，但无论如何，虚拟实验室应具备一些基本特征:1)与现实的一致性，虚拟实验台、虚拟器材要与真实实验对象在功能、性能、外观及操作过程等方面均具有较好的一致性。2)高度交互性，可以方便地实现各种实验操作控制。3)实时的信息交流反馈，对实验过程和结果具有良好的反应和评价。4)方便的学习机制和丰富的学习资源，便于开展自主学习或在线咨询、讨论等。因此，在建设过程中，要充分论证实验室功能、性能指标，确保建设质量。

(3)合理选取技术手段。虚拟实验室建设技术手段主要有Java技术、ActiveX控件、VRML技术、ASP技术、LabView等，必须根据具体实验内容、性质、特点和要求，结合各个开发技术优势，合理选取相应的技术手段。

(4)健全管理运行机制。虚拟实验室的操作对象是虚的，但实验内容和实验过程必须要实，对教员在实验过程中的指导、把关及考核要求更高、更细，对学员在实验中的自主学习和自主创新能力要求更高，对学员求真务实的态度要求更严，因此，在日常管理和具体教学实施中要注重规范化，要有规范的课程标准和实验指导书、制定实验室管理规定及设备和系统维护管理制度、明确实验教学基本要求和考核标准等，充分发挥虚拟实验室建设效益。

5 结束语

虚拟实验室建设，为广大实验室建设及管理人员提出了新的研究课题，在具体工作中是建设虚拟实验室或传统的实物实验室，要根据实验室任务、实验对象和内容特点及实验设备、器材情况等综合因素，严密论证，科学决策，虚实结合才会相得益彰。

［1］ 赵时亮.虚拟实验:从思想实验到虚拟现实［J］.科学技术与辩证法.1999，15(6)22 －23.

［2］ 徐雅琴，付颖.开放式化学实验的研究与探索［J］.实验技术与管理，2007，24(2):14 －15.

［3］ 吕红，赵媛，张杰，等.网络互动型机械工程虚拟实验室的构建［J］.电子设计工程，2011(12):7－9.

［4］ 宋玉杰;杨燕翔.基于NI ELVIS的远程虚拟实验室的研究［J］.电子设计工程，2009(1):39 －40，43.

［5］ 赵阳，赵继广.开发网络虚拟实验室的关键技术［J］.现代电子技术，2004(1):92－95.

［6］ 范新伟，申瑞民，申丽萍.虚拟实验标准化的研究和解决方案［J］.计算机仿真，2005(1):181－185.