虚拟现实技术下虚拟实验室的研究与构建

祝秀芬++陈桥芳++曾岱++高瀚翔

摘 要：虚拟实验是在20世纪末期，伴随着计算机技术、多媒体技术、网络通信技术、虚拟仪器技术的发展，孕育而生的一门适应时代需求的新兴技术。它的出现，标志着人类在教学信息化的领域内，又向前迈进了一步。虚拟实验技术可以通过计算机网络、控制技术实现实时或非实时的实验教学。虚拟实验室的建立，对于开展虚拟实验有着重要的意义。它与真实的实验室相比，两者的差别在于实验过程中触及的对象是否真实。我们在现实实验室里使用的实验工具、仪器仪表、实验研究的对象都是真实状态下的实物。而虚拟实验里，我们使用的实验工具和研究对象，不存在实物状态，整个实验过程主要围绕虚拟物体完成操作。总的来讲，虚拟实验室让实验者亲身感知基于原型计算机模拟技术的实验过程，虚拟实验室为其提供了一个虚拟的、逼真的实验环境。

关键词：信息化教育 虚拟现实技术 虚拟实验室

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（c）-0161-02

信息技术环境下，基于虚拟现实技术的虚拟实验室的研究，目前已经成为国内外信息化实验教学研究的重点和热点问题。同时，它也是实验教学改革的一个新方向。作为现代信息化教育的重要组成部分，虚拟实验室已经发挥出了举足轻重的作用，并且正在被社会各界所关注和认可。特别是人类进入信息化时代以来，计算机技术、虚拟现实技术每天都在更新前进，虚拟实验也逐渐实现了可视化、数字化。伴随多种传感技术在虚拟实验中的运用，体验者将在虚拟实验室中，感受和体验到更加逼真的虚拟场景模拟和实时交互界面，同时也能对虚拟对象进行更加感性的实验操作，在身临其境的同时达到虚拟实验的最优效果。

1 虚拟现实技术和虚拟实验的特点

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术作为计算机技术研究的一个新领域，它主要通过人的感知行为，在视觉、听觉、嗅觉、触觉等多方面给体验者提供一个虚拟的逼真场景。并采用先进的计算机技术，为体验者搭建模拟场景，使体验者仿佛置身其中。然后通过多项传感技术，使虚拟环境产生不断的变化，与体验者进行“交流”。当前，虚拟现实技术已经融入和汇集了多项高水平的创新和关键技术，比如图形图像实时生成技术、传感器技术、计算机仿真技术、多媒体技术、计算机图形学、网络技术、人工智能技术等等。该项技术主要通过特定的虚拟现实设备，利用高分辨显示的可视化技术、3D数字技术以及传感器交互技术，实现逼真的虚拟场景环境生成，完成人在虚拟环境中的各项活动。同时进行实时人机互动，最终完成体验者对虚拟对象的接触、操作和控制等目的。

1.2 虚拟实验特点

当前，我们运用各种信息化技术完成了各种虚拟实验操作。虚拟实验不同于真实的实验操作，真实的实验室不但具有有形的场地，而且具有真实的实验工具以及实验对象。虚拟实验的实验室、实验对象都是無形的。实验者主要通过完成对虚拟仪器的操作，来实现实验的过程。它的出现，展现出了更加先进的技术应用空间和发展前景。这主要是因为虚拟实验具有几大特点：第一、透明性。虚拟实验操作具有统一标准和执行命令，可以实现对软件、硬件设备、数据库资源以及人员管理的统一。第二，共享性。在开展虚拟实验的过程中可以实现资源的共享，在虚拟实验中，实验者可以通过数据资源库、检索系统、各类应用软件工具，完成对信息、软件和设备等资源的共享。在降低成本的基础上，也大大提高了使用者的效率。第三，互动性。在进行虚拟实验的操作过程中，实验者不仅可以完成人机界面的实时互动，还可以进行用户之间的信息沟通和交流。如果有远程操作用户加入，他们也可以完成对实验的环境操作和控制。第四，扩展性。虚拟实验除具备以上特点外，还可根据需要，完成用户的自主性选择，实现扩展。以上这些性能体现出了虚拟实验的优势。

2 虚拟实验室的研究与构建

2.1 虚拟实验室

虚拟实验室，就是利用虚拟现实技术，构建出一个能够完成虚拟实验的系统。它可以复制出现实中的某个真实的实验室，也可以根据使用者的需求，建立起虚拟实验室。在虚拟的实验室中，可以实现对现实实验室设备的模拟仿真操作。置身于虚拟实验室中，实验者会有在现实实验室中一样的操作感。虚拟实验室的构建，主要采用了计算机多媒体技术、虚拟仪器技术以及传感技术。其中，虚拟现实技术是完成虚拟实验室构建的关键技术。其虚拟对象的模型主要包括物理、运动、几何、声音等模型因素，为体验者创建出身临其境的感觉。

2.2 基于虚拟现实技术的虚拟实验室构建

虚拟实验室通常在物理设备分布式的基础进行搭建，我们以计算机网络为核心，通过网络技术实现与物理设备的连接，从而实现数据的采集、交换、远程操作和分析工作。作为一个庞大的系统工程，虚拟实验室的建设主要包括了虚拟仪器、数据的采集和分析、计算机网络以及虚拟实验管理等系统。采用虚拟现实技术构建的虚拟实验室，不仅可以具有高水准的交互性，而且可以为实验者提供各种高级、仿真的实验条件和场景，其真实感效果不逊于实物实验室。通常，我们会把此类采用虚拟现实技术的虚拟实验室分为若干子模块，让它们在互相独立的同时，也能很好地形成一个统一系统。模块一我们通常设置为用户管理的子系统。此模块下分为三级，分别是：管理员、教师、学生。我们在该子系统下，可以实现对各级各类用户的信息管理，用户添加、修改和删除工作；模块二为教务管理子系统。此系统只供管理员使用，在此模块下，教学管理部门可以实现对班级的管理和课程的调配等工作；模块三为虚拟实验子系统。作为整个系统的核心，它主要包含了实验库、实验材料管理、实验功能添加与删除三部分；模块四为实验报告管理子系统。教师和学生可以通过自己的账号使用此模块，并且结合实际情况，完成自己对应的工作任务。模块五为成绩管理子系统。主要帮助学生完成对自己的实验成绩查询工作。以上就是虚拟实验室构建的几大模块，合理利用以上模块的功能，不仅可以达到与真实实验室一样的效果，还可以在很多实验的环节上省去冗余的过程，提高工作效率。

2.3 虚拟实验室建设的意义

在教育的信息化时期，建立优秀的网络化虚拟实验室，具有重要的教育发展战略意义：首先，降低了科研的成本，节约了研究的经费，弥补了教学条件和设备的不足。而且，发挥了虚拟实验室中虚拟仪器的使用效率。特别是在互联网时代下，实现了虚拟实验室的资源共享，避免了设备的重复购买等浪费现象的出现。其次，虚拟环境下进行的虚拟操作，在一定程度上避免了真实实验操作所产生的各类危险。既保证了学生的安全，又可以让他们获得对实验的感性认识。最后，打破了一些实验项目在时间和空间的限制。虚拟实验室的建设，在未来必定对教育的信息化发展产生重要的意义。

3 结语

综上所述，合理利用虚拟实验室的透明性、破各种实验室的条件限制，更好地满足实验教学需求。同时也可以辅助高校开展科研和创新工作，改善传统实验教学的模式、方法，丰富教学手段和资源，激发学生的学习兴趣。

参考文献

[1] 夏俊博.基于虚拟现实技术构建虚拟实验室的难点和解决办法[J].经营管理者，2015（12）：129-131.

[2] 赵一鸣，郝建江，王海燕，等.虚拟现实技术教育应用研究演进的可视化分析[J].电化教育研究，2016（12）：26-33.

[3] 孙苗，兰晓红.虚拟现实技术在高校实验课堂教学中的应用研究——以重庆师范大学为例[J].物联网技术，2017（3）：117-120.endprint