基于高校实践教学的虚拟实验相关技术研究

苏培华

（西安外事学院，陕西 西安 710077）

众所周知，科学技术的发展离不开人才的培养，人才的培养离不开教育。在教育过程中，通过实验可以将理论知识应用到实践中去。在实验学习中，通过感知实验的现象和观察各种实验仪器、装置，以及通过亲自动手操作都能够使学生感受到科学的神奇与伟大，激发探索科学奥秘的强烈好奇，并在学习过程中始终保持浓厚的探究兴趣。在教育需求日益增长的当今社会，传统的实验教学模式已经越来越不能满足教学实际的需要。采取有效措施来培养学生对学习的浓厚兴趣是实验教学的一个重要出发点。在这种状况下，寻找一种新的、适应现实情况的实验教学方法就显得尤为重要。网络虚拟实验室的出现，成了解决这一难题的重要手段。

1 虚拟实验的特点

与传统实物实验教学相比，网络虚拟实验教学有着显著的优势：①实验设备的虚拟性；②实验场地的虚拟性；③实验过程的灵活性；④实验内容的创新性；⑤实验教学的安全性。总之，虚拟实验室对促进科学技术的发展和现代教育的发展都有极为重要的意义。

2 虚拟现实技术

目前，虚拟实验是基于虚拟现实技术的，因而虚拟现实技术的发展直接关系到虚拟实验的开发。虚拟现实技术（Virtual Reality），简称VR，又被称为灵境技术，是一种可创建并体验虚拟世界（Virtual world）的计算机系统。由计算机系统生成的虚拟世界，是现实世界一定程度的重现和发展，同时也可以是虚拟构想的情境，用户利用视觉、听觉及触觉等多种感官通道与虚拟世界进行自然的仿真交互。虚拟现实技术具有以下四个显著特征:多感知性（Multi一SenS0ry），沉浸性（immersion），交互性（interaction），构想性（imagination）。

3 虚拟现实技术与其他学科技术

（1）多媒体技术（Multimedia）。多媒体技术是一种把文本（Text）、图形（Graphics）、图像（Images）、动画（Animation）和声音（Sound）等形式的媒体信息结合在一起，并通过计算机进行综合处理和控制，以支持完成一系列交互式操作的信息技术。关于VR技术与多媒体技术的关系笔者认为：两者之间不存在谁是谁的子集，它们应该是相互交叉的学科，两者互相渗透。

（2）仿真技术（simulation）。仿真又称模拟，是指利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统。系统仿真技术是一种实验技术，主要是通过对所研究系统的认识和了解，抽取其中的基本要素的关键参数，建立与现实系统相对应的仿真模型，在仿真实验设计的基础上对模型进行仿真实验，以模拟系统的运行过程，为决策提供依据。VR系统则侧重于表现形式，它可以与客观世界相同，也可以与现实背道而驰；而系统仿真则侧重于真实复杂世界的科学抽象，真正反映出现实世界的运动形式。利用 VR技术可以更好地帮助系统仿真验证模型的有效性，并可以更加直观地、有效地表现仿真结果，两者相辅相成。

（3）计算机图形学（Computer Graphics，CG）。计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科。其研究的基本内容是如何在计算机中表示图形，以及如何利用计算机进行图形的生成、处理和显示的相关原理与算法。VR技术离不开计算机图形学的进步，它的很多基础理论来自于计算机图形学，尤其是在视觉图形的建立、生成与显示方面。当然VR不仅包含图形学的内容，还包含机械、电子、人工智能等多种学科的综合，并借助于这些学科的发展成果快速进步。

4 虚拟实验室及其构建技术

虚拟实验室作为一种实验平台，可以为用户提供进行学习实践、科研合作交流、技术创新等工作的环境，是一种基于计算机虚拟现实技术及网络技术共同实现的全新的科学研究与工程设计方法，是除了理论研究与传统实验之外的第三种手段和形式。所有支持虚拟实验室的技术都旨在增强实验者、实验仪器设备、实验数据和实验结果等资源之间的交互交融，从而达到提高科研效率、降低科研成本的目的，为科学技术的发展提供强有力的技术支持。

目前国际上广泛采用的定义是：为了实现远程协作、实验研究或其他创新活动，通过分布式信息通讯技术产生并发布结果的电子工作室。

（1）面向对象程序设计技术。面向对象是一种程序设计的方法，也可以说它是一种以事物为中心的程序设计范型，它是从现实世界中客观存在的事物（即对象）出发来构造软件系统，并在系统构造中尽可能运用人类的自然思维方式，强调直接以问题域（现实世界）中的事物为中心来思考问题，认识问题，并根据这些事物的本质特点，把它们抽象地表示为系统中的对象，作为系统的基本构成单位。这可以使系统直接地映射问题域，保持问题域中事物及其相互关系的本来面貌。

面向对象程序设计是具有创新意义的程序设计方法，掌握这种方法可以大大降低软件的复杂性，改善软件的可重用性和可维护性，提高软件的生产效率。

（2）虚拟仪器技术。虚拟仪器（Virtual Instruments简称VI）技术是一种通过应用程序将计算机软件与功能化硬件结合起来，远程操纵实物设备来完成实验的新技术，简言之就是硬件功能的软件化，在使用相同的硬件系统的前提下，通过不同的软件，模拟各种功能不同的仪器。从上述描述中可以看出虚拟仪器最终实现的是“软件即仪器”。用户利用虚拟面板操作计算机，完成对被测对象的数据采集、分析、处理、显示和存储等功能。虚拟仪器以透明的方式把计算机硬件资源和仪器硬件的测量、控制能力结合，通过设计软件的方法实现对数据的分析处理、表达以及使用图形用户接口查看运行结果。虚拟仪器大大突破传统仪器在数据采集、处理、传送、显示、存储等方面的限制，方便用户对其进行维护、扩展、升级等。

5 结语

通过对上述技术的讨论可以看出，虚拟实验室的建设需要许多新技术的使用，就目前而言，在大范围内使用虚拟实验系统还是不太现实的，许多学校和单位在短时间内还不能研发出适合本单位的虚拟实验系统。同时，虽然虚拟实验有许多优点，但真正的动手能力与技能必须在现实情境中获得，这也使得虚拟实验并不能完全取代真实环境中的实验。在实际实施过程中可以采取传统实验教学为主，虚拟实验为辅的手段，这样就可以满足教学工作的实际需求。

［1］胡小强.虚拟现实技术［M］.北京：北京邮电大学出版社，2005.