虚拟仿真教学的发展现状

晁政 刘鸿宇 黄武 黎人华 康勇

【摘要】传统教学中存在学生多、资金不足、场地不足等的缺点，结合虚拟仿真技术建立虚拟实验教学平台可以弥补不足并提高学生主动思考和动手能力。介绍了虚拟仿真教学的设计原则、主要技术、国内外现状以及对未来发展的展望。

【关键词】传统教学;虚拟仿真;平台;展望

The Current Situation and Development of Virtual Simulation Teaching

North University of China  Chao Zheng  Liu Hong-yu

Chengdu Taimeng Software Co.LTD  Huang Wu  Li Ren-hua  Kangyong

Abstract：There are disadvantages of traditional teaching，such as lots of students，lack of funds，Insufficient space and so on.The establishment of virtual experiment teaching platform with virtual simulation technology would make up for deficiencies and to improve the active learning that gets students thinking practical ability.This paper introduces the design principle，main technology，present situation at home and abroad，prospect of future development of virtual simulation teaching.

Key Word：traditional teaching;virtual simulation;platform;prospect

一、引言

随着计算机和网络技术的飞速发展，教育也在发生着深刻的变化。以网络为基础的各种知识学习逐渐成为世界教学发展的一种趋势。传统教学存在的局限性与实验室建设规模严重滞后于迅速增大的学生队伍使得教学质量面临严峻的挑战[1]-[4]，2013年8月13日，国家教育部高教司下文在全国构建国家级的虚拟实验教学中心，分年度建设一批具有示范、引领作用的虚拟仿真实验教学中心，持续推进实验教学信息化建设，推动高等学校实验教学改革与创新[5]。

二、虚拟仿真实验教学

1.概述

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。虚拟仿真实验教学中心建设工作 坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，以全面提高高校学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点[5]。

2.虚拟仿真教学中心设计原则

虚拟仿真教学中心是通过传统教学与多媒体结合、虚实结合的方式克服现有困难使学生与实验互动，从而达到提升教学质量的目的，因而学生能否达到预期学习效果取决于实验本身对演示实验采取的教学策略以及对教学过程的设计，虚拟仿真教学中心设计原则意义重大，总原则为虚实结合、相互补充、能实不虚，还包括：

（1）方便性原则

由于课堂上可以利用的时间和空间有限，因此学生课余课后的预习与复习尤其重要。结合目前学生拥有各种通讯设备和多媒体设备的现状，虚拟仿真教学中心应该能在手机、pad、mp4等多媒体设备上运行，从而使学生随时随地都可以查看，同时老师能随时随地上传或修改虚拟仿真教学中的内容[6]。

（2）直观性原则

针对传统教学中存在的枯燥、死板的教学模式以及各种危险实验对学生产生的抵触学习的情绪，虚拟仿真教学中心中的内容应该具有对视觉的冲击力以及对实验中各个重难点的详细展示，从而让学生对实验产生兴趣，间接提高动手能力。

（3）互动性原则

互动性包括学生与实验的互动和老师与学生间的互动。前者体现在学生在观看实验过程中可以思考并参与实验的推进，后者体现在学生实验操作完毕对实验结果的评价与统计。

（4）共享性原则

建设具有扩展性、兼容性、前瞻性的管理和共享平台，高效管理实验教学资源，实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享，满足多地区、多学校和多学科专业的虚拟仿真实验教学的需求，避免资源重复与浪费。

3.主流的三中种虚拟现实技术

目前虚拟现实技术多种多样，包括VRML，Java和Flash等，开发中应该结合各种技术的优缺点选择合适的技术[7]。

（1）VRML

VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虚拟现实建模语言，是一种逼真的模拟人在自然环境中视觉、听觉及运动等行为的人机界面技术。VRML以ASCII码编写脚本程序，将三维虚拟世界中的各个对象描述为节点元素，程序文件小而精炼，在网络宽带不足的情况下也能顺畅传送，客户机通过浏览器程序解释该脚本后，再现出相应的虚拟场景并具有平台无关性，是目前Internet上基于万维网的三维互动网站制作的主流语言[8]。

（2）Java

JavaEE是由SUN公司推出的面向企业级应用的分布式体系规范。它提供了一个基于构件来设计、开发、装配及部署企业级应用的体系。J2EE系统一般由客户层、Web层、业务层和数据库层构成的多层系统。具有很强的可移植性、扩展性以及数据处理能力[9]。

（3）Flash

Flash作为一种矢量多媒体技术是为创作网络交瓦式动画所开发的，由于其采用了矢量图形技术，所生成的动画体积很小，可直接在网络上运行。交互式F1ash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。交互性不如VRML，数据处理能力不如JAVA，但比较适合演示性虚拟实验[10]。

三、国内外现状

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.国外现状

美国麻省理工学院的Web Lab远程实验室于1998年开发并投入使用，允许学生在自己的电脑上设计并修改电路模型，然后通过用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;美国俄勒冈大学物理系主办的物理实验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;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[11]。

2.国内现状

在国内，从网上可以查到清华大学、北京大学、上海交通大学、华南理工大学等高校已陆续在网上设立了自己的电子教室[];成都泰盟软件科技有限公司开发了VMC-100医学虚拟仿真实验教学中心平台;上海梦之路数字科技有限公司开发设计了虚拟医学实验技术平台;南京医科大学也建设了自己的医学仿真实验室等等[12]。

四、结束语

传统教育模式有着不可避免的局限性，结合虚拟仿真教学中心可以达到比较好的效果。但是各个学校及公司建立的虚拟仿真实验室往往是封闭的、不可共享的、甚至是重复的，本着节省资源、避免浪费、资源共享的原则，应该建立一个虚拟仿真教学平台，这个平台的内容是共享的、互动的，每个学校和公司都可以将自己特有的教学资源、技术资源上传，达到资源的有效利用，而学生之间以及学生老师之间都可以有良性的互动，及时弥补各自的不足。

参考文献

[1]雷建军，金海燕，谭健苗，等.计算机仿真实验在机能学实验教学中的应用[J].西北医学教育，2008，16（1）：95-96.

[2]谢忠好，陈醒言，范小芳，等.医学机能学教学虚拟实验的设计[J].温州医学院学报，2011，41（2）：168-169.

[3]王宏宝，刘慧萍，喻嵘，等.医学机能学实验教学中虚拟实验应用[J].中国中医药现代远程教育，2014，12（7）：84-85.

[4]刘惠萍，张国民，喻嵘，等.虚拟实验平台在医学机能学实验教学中的作用[J].中医教育，2014，33（3）：12-13.

[5]中华人民共和国教育部高等教育司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].教高司函[2013]94号，2013-08-13.

[6]顾凤梅.基于Flash的生物虚拟实验室的开发[J].漯河职业技术学院学报，2012，11（2）：28-29.

[7]刘志广，岳锌，吴超，等.三种网络虚拟实验室的实现方法与比较[J].计算机与应用化学，2003，20（1）：91-93.

[8]唐明翔，杨公明，李开雄.基于VRML的食品科学虚拟实验室的设计与实现[J].食品研究与开发，2005，26（3）：102-105.

[9]朱韶平，阎纲.基于J2EE技术的虚拟实验室系统的研究与设计[J].电脑知识与技术，2010，06（30）：8586-8586.

[10]张刚，罗小华，贺利芳.基于Flash技术的网络虚拟实验平台开发[J].高等教育研究，2007，24（4）：50-52.

[11]陈小红.虚拟实验室的研究现状及其发展趋势[J].中国现代教有装备备，2010，17（04）：107-109.

[12]吕守林.以虚拟实验室建设为契机，推进实验教学改革[J].实验技术与管理，2009，26（11）：157-159.