虚拟实验室在高等学校实验室信息化建设中的作用

彭永进，王昌军，赵晓艳，田秀娜，刘玉玲，郝军华

[摘 要]随着信息技术的快速发展，高校实验室的信息化建设越来越重要。在这个过程中，虚拟实验室对高校实验教学的信息化建设起着非常重要的作用。作为真实实验室的有益补充，虚拟实验室可以有效地拓展相关实验内容、增强学生对相关实验原理的理解，从而达到有效配置实验教学资源、提高实验教学效果、加速实验室信息化建设的目的。

[关键词]虚拟实验室；高等学校；信息化建设

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.08.094

[中图分类号]TP368.5 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2018）08-0-02

0 引 言

随着我国经济的高速发展，社会对人才也提出了越来越高的要求。只具有某一技能的单一型人才已经远远不能满足社会的需求。具有多方面背景知识、兼具理论和实践技能的复合型人才越来越受到用人单位的青睐。这种新时代背景下市场对人才的新需求给以培养人才为己任的高等学校提出了新的要求。除了在课堂上进行的理论教学之外，实验教学也变得越来越重要。高等学校实验室是对学生进行各种实验教学、培养其应用实践技能和创新能力的重要场所，同时也是教师和学生进行科研活动、技术革新和成果转化的主要阵地。因此，高等学校的实验室管理和建设水平对于学生实践能力的培养有着举足轻重的作用。

科学技术的快速发展使得新技术新仪器不断诞生，随着各个高校实验室建设的不断发展，仪器的数目不断增加，新的仪器不断更新，其中不乏“身价”昂贵的大型仪器。这些对实验室的管理和建设提出了更高的要求。另外，如何协调好实验室在教学和科研上的使用分配、仪器的维护和使用等方面问题使得高校的实验室管理变得越来越复杂。各个高校实验室的管理者已经认识到传统的实验室管理模式已经不再适用，纷纷开始了结合信息技术的实验室信息化管理和建设，并取得了一定的成效。本文对建设虚拟实验室在高等学校实验室信息化管理和建设中的作用进行初步的探讨。

虚拟实验室是指利用虚拟仪器技术对真实的实验情景和设备进行仿真或虚构，使得人们可以在不受具体实验条件制约的情况下在各种互联网终端上进行实验操作和学习的实验室。其中虚拟仪器技术是一种对计算机软件、模拟数字信号处理、专用高速集成电路等技术的综合运用。实践表明，依托于虚拟实验室的虚拟实验教学是对依托于真实实验室的传统实验教学的有益补充，两者的有机结合有效地提升了实验教学效果，同时也很好地促进了高校实验室的信息化建设。

1 虚拟实验室的构建方法

虚拟实验室的构建方法有许多种，大部分都是通过软件来模拟真实硬件的功能来构建。常见的方法有以下几种。

Flash软件，一种集动画创作与程序开发于一身的软件，由Macromedia公司开发，兼具矢量图和网页动画技术。模拟过程中所需要的内容既可以在Flash软件中自行创建也可以由其他软件导入。Flash软件的交互界面主要由其脚本语言Action Script来进行控制，其优点是具有很大的灵活性，缺点则是步骤比较复杂。

VRML（Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实建模语言）基本工作由文本描述、远程传输和本地计算组成。其对三维场景用文本信息进行描述，由网络传输到本地机器上再由VRML的浏览器解释复原三维场景。这样利用文本信息进行网络传输、在本地机器上完成图像处理任务的技术极大地减轻了网络的负担。

Quick Time VR（Quick Time Virtual Reality）是苹果公司所开发的一种基于静态图像处理的初级虚拟实境技术，具有视线切换、推拉镜头、超媒体链接等基本功能，是一种不需要昂贵的设备就可以产生逼真效果的VR体验技术。

LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境。LabVIEW基于图形化编辑语言来编写程序，产生的程序是框图的形式。该软件由面板和程序框图组成：面板是人机交互式用户界面，可以提供外观与传统仪器相似的控件，使用图标和连线就能够十分便捷地创建虚拟仪器控制界面；而程序框图是按照流程图来编写的控制程序，具有简单快捷、直观形象、稳定性及可重复性强等特点。

2 虚拟实验室的主要优点

结合实际应用体会，笔者总结出虚拟实验室的主要优点如下。

2.1 教学方式灵活，教学效果良好

在传统的实验教学中，教师往往需要结合真实仪器来进行实验原理和操作步骤的讲解，这个过程受到两个因素的制约而难以达到理想的效果。一是空间有限，难以保证每个学生都能看清楚仪器构造和操作步骤；二是有些仪器的内部构造难以展现，学生对其内部构造没有直观体验，对仪器原理一知半解，在操作中往往是知其然而不知其所以然，使得实验教学效果大打折扣。而通过虚拟实验室的建立，学生可以不受时间空间等条件的限制在网络终端上十分便捷地进行实验的预习和操作，而且可以对仪器的构造有更深入的了解。实践表明，尽管仪器的演示和操作是虚拟化的，学生对其原理的理解程度还是有了很大的提高。在這个基础上再在实际仪器上进行操作，学生们普遍感觉有的放矢，达到了知其然亦知其所以然的良好效果。

另外，虚拟实验室方便学生自主学习的同时还方便开展探索式学习。随着虚拟仿真技术的不断发展，虚拟仿真软件的功能日益强大。教师可以结合新热点、新发现等多角度来给学生设计新的实验目标，同时也可以鼓励学生自己利用虚拟技术进行不同角度的实验探索，这些可以极大地提高学生的自主学习和创新能力，也符合了新时代对复合型人才的需求特点。

2.2 趣味性强，提高了学生的学习积极性

传统实验室中的部分仪器在科学技术快速发展的背景下早已被淘汰，但高等学校实验仪器的更新受到资金、场地等条件的制约往往不是十分及时。这种情况导致学生多年来面对这些陈旧过时的实验仪器失去做实验的兴趣，对实验课产生消极怠慢情绪，对实验教学的效果产生十分不好的影响。而虚拟实验室的课题选择、器材选取更改起来要相对容易得多。这种可以紧跟时代发展的新鲜内容可以极大地引起学生的兴趣，增强了其学习的积极主动性。在这个过程中，有些同学还自主地对虚拟仿真技术产生了兴趣，通过自己对虚拟实验室的扩展和改造提高了自身的编程能力。

2.3 维护费用低，安全性、可扩展性好

与传统实验室相比，虚拟实验室利用计算机来模拟真实实验情景，其使用和维护费用相对低廉，只需要通过网络和程序对虚拟仪器进行管理和维护即可，在场地、设备等方面的耗费较少。对一些危险性大或者难以观察的实验可以利用虚拟实验来实现，也提高了实验操作的便捷性和安全性。另外，在虚拟实验室的使用过程中，对相关虚拟仿真软件进行升级就可以方便地增加新的内容和功能，实验内容的扩展较传统实验室更加方便和快捷。

3 虚拟实验室的不足之处

当然在虚拟实验室实际操作中，还有一些不足之處，值得注意。

3.1 实验结果理想化，学生缺少实物感

与在实际仪器上进行的真实实验相比，虚拟实验的实验条件都是在理想环境下所设定的，因此不具备实验环境的真实复杂性，其实验结果是理想化的。教师和学生在使用过程中要十分注意这一点，要认识到虚拟实验和真实实验两者的异同和局限之处，使用时要尽可能地将两者有机地结合起来。虚拟化实验作为真实实验的理想化模型帮助学生更好地理解实验原理，拓展学生的学习和探索空间；真实实验作为虚拟实验在真实条件下的具体化验证，在实践的过程中帮助学生具体感受实验过程和现象。从实验原理学习到模拟操作再到实物操作这样一整套实验过程十分有利于学生的逻辑思维和实践能力的培养。

3.2 学生学习积极性增强的同时容易偏离目标主题

虚拟实验室不受时间和空间的限制，学生通过网络可以获得丰富多彩的信息。这在开阔学生视野的同时有时会使学生发生对资料取舍错误、偏离实验主题目标的情况。这就要求教师要发挥好引导的作用，要旗帜鲜明地指出实验的主题目标，所涉及的主要原理和内容，向学生指出哪些方向值得重点关注和探索，引导学生将精力放在最值得关注的重点方面。

3.3 虚拟实验室长时间使用对网络和硬件的配置要求增高

由于学生需要通过网络来连接虚拟实验平台，有时还需要提交在线作业，在长时间使用后，相应的网络平台需要存储大量的实验数据，这些就对实验室的网络和配置提出了较高要求。因此在这方面需要相关管理者从两个方面着手考虑：一是要筹措相关资金，维护和升级虚拟实验室相应的硬件和软件配置；二是培养相关方面技术人才，合理地管理相关设施，使资源能够有效配置，在虚拟实验教学中发挥其应有的作用。

4 结 语

在现代社会复合型人才培养过程中，实践动手和自我创新能力的培养是重中之重。目前，很多高校的实验教学过程中大都存在着实验内容更新、规模日益增长的要求与实验仪器设备陈旧、场地有限的矛盾，这严重影响了高校实验教学的效果，不利于学生实践动手和创新能力的培养。虚拟实验教学作为传统实验教学的有益补充，以其特有的操作方式为上述问题提供了很好的解决之道。两者的有机结合能够有效地缓解上述矛盾，同时使得传统实验教学在内容和形式上得以极大的拓展。随着虚拟仿真技术的不断发展，虚拟实验室在高校的实验教学和信息化建设过程中必将发挥更大的作用。

主要参考文献

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