虚拟实验研究

尹培培

（南京航空航天大学计算中心，江苏 南京211106）

0 引言

随着计算机和软件技术的发展，虚拟实验已成为一个热门的教育教学研究内容，作为一种新兴的实验技术手段，对传统实验教学的教学模式、教学方法、教学手段以及教学理念产生了重要的影响。

虚拟实验[1-2]是用软件代替硬件，通过编程模拟实验的过程。整个实验在虚拟环境中以虚拟的形式完成，不涉及正式的实验仪器设备，用虚拟实验代替实验室的实验。

1 虚拟实验研究现状

1.1 国外虚拟实验研究现状

目前，虚拟实验技术不断发展，虚拟实验在教学中的应用也越来越广泛和普遍。

美国麻省理工学院电子工程和计算机科学系是最早开始虚拟实验教学应用的院系。该系的教授JesusA.delAlmao早在1988年就已经创立了微电子在线实验室(Microelectronics WebLab)[3-4]，实验室于1998年开发并投入使用。该实验室提供了用于用于电路设计和微电子学课程的实验教学，学生可以在自己的电脑上进行设计以及修改电路模型，然后通过Web浏览器使用在远程实验室里的测试设备来获取测试数据，验证自己的设计，该浏览器是通过Java激活的。在2010年，实验室还实现了通过手机远程控制来进行实验的功能。

美国俄勒冈大学物理系主办的物理实验网站VLAB设有多种虚拟实验，包括能量与环境、天体物理、热学、力学等方面。本系统通过Java语言进行开发，实验程序需要从服务器进行下载，并在客户机上运行。

美国还有其他很多家大学或研究会已开始应用虚拟实验室。美国密歇根大学的化学工程系创建的VRCEL(Virtual Reality in Chemical Engineering Laboratory)实验室主要用于研究和探索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（Howard Hughes Medical Institute，HHMI）建立的虚拟实验室是一个模拟完全交互式的生物医学实验室。

德国波鸿大学开发的VCLab(Visual Communication Laboratory)实验室是关于控制工程的一个学习系统，它结合了Java Applet以及其他一些插件，通过MABTAB/SIMULINK软件计算引擎生成的控制工程实验中的模拟动画以及交互动画，该系统可以采用本地及远程这两种方式进行实验内容的发布。

此外，国外还有其他许多国家研究虚拟实验室。譬如，意大利帕瓦多大学开发了用于远程虚拟教育的实验室，西班牙大学电子系研究了一种电子仪器的虚拟工作平台，新加坡国立大学建立了远程压力容器实验以及示波器实验。

1.2 国内虚拟实验研究现状

与国外相比，国内的虚拟实验室研究起步稍晚，但其发展较迅速。目前大部分高校和科研机构逐渐建立了自己的网络虚拟实验系统。

北京大学计算机科技与技术系开发了一种可用于大计算量的交互式网上虚拟实验室，该实验系统基本实现了流水线设计以及高速缓存设计这两个实验系统。

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，通过虚拟仪器建立了用于汽车发动机的检测系统，该系统可用来检测发动机的功率特性、符合特性等。

北京航空航天大学的虚拟现实技术与系统国家重点实验室研究开发了若干硬件设备和软件平台，这些平台用于支撑虚拟现实理论与技术研究。例如北京航空航天大学参与构建的分布式虚拟环境网络(Distributed Virtual Environment Network,DVENET)是我国第一个基于广域专用计算机网络的分布式虚拟现实支撑环境，该系统主要包括了一个专用计算机网络以及支持分布式虚拟环境研究与应用开发的各种标准、开发工具和基础数据(如三维逼真地形)。

中国科技大学在虚拟实验室的建设和使用方面拥有我国第一个真正意义上的虚拟实验教学软件，包括几何光学设计实验平台、广播电视大学物理虚拟实验、物理仿真实验软件以及大学物理虚拟实验远程教学系统，该校物理虚拟仿真实验教学中心已经成功升级为国家级虚拟实验中心，是我国教育部批准的第一个物理类的国家级虚拟仿真实验教学中心。

国内还有许多组织机构均在开展虚拟实验的相关开发与建设，与国外的虚拟实验室相比，我国还存在一定的差距。

2 虚拟实验发展趋势

虽然我国虚拟实验研究还存在不足，但也取得了一些成就，有着广阔的发展前景。

（1）理论指导研究

目前虚拟实验的理论研究远远少于实践应用，而理论性的文章主要着重于虚拟实验特点、作用、必要性等方面，缺乏深入的理论思考。因此，加强有效深入的理论研究是有必要的。

（2）教学应用研究[5]

目前虚拟实验的应用研究内容主要集中在系统研究与设计、虚拟实验网络教学平台的建设，对虚拟实验系统应用于教学的模式研究与效果分析以及虚拟实验系统开发的评估等方面的研究较少，特别是学生对于虚拟实验系统的学习体验调查及评价的研究。

（3）系统构建方式研究

目前国内的虚拟实验系统的构建技术一般集中于Java、VRML、Flash、LabVIEW等技术在虚拟实验系统建设中的应用，或者以此技术在某个实验环节中的应用，对于多种技术的混合开发以及各项技术间的交互性设计和网络虚拟实验系统的系统结构的研究不多。

3 结束语

虚拟实验是教育教学的一个重要构成部分，研究虚拟实验技术不仅可以有效地提高教学质量，而且可以培养学生自主实验能力，对于教育事业有着重大的推动作用。随着计算机技术、网络技术、多媒体技术等多学科综合发展，虚拟实验系统的建设将取得更大的进展，远程教学也将有更广的应用前景。

［1］魏芸.虚拟实验的分析与研究[J].科技信息,2010(35):5-6.

［2］宋象军.虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景[J].实验技术与管理,2005,22(1):35-47.

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

［4］李凌云,王海军.网络虚拟实验系统研究现状与发展趋势[J].现代教育技术,2008,18(4):111-114.

［5］杜俊敏,李建中.虚拟实验在实验教学中的应用[J].交通高教研究,2003(3):63-64.