“互联网+”背景下地方开放大学虚拟实验室建设初探＊

（无锡开放大学，江苏无锡市，214011） 杜 俊

近年来，随着网络信息技术的发展，我国的社会生产生活发生了巨大的改变，“互联网+”的概念被引出，并促进了我国传统行业的革命性发展。[1]信息化时代下，“互联网+教育”模式正在逐渐应用到实验教学改革实践中。目前，国家倡导建设终身学习型社会，同时伴随着IT 技术方面的发展，原有的一些远程教学手段和方法势必随技术和最终终端使用用户的习惯而发生变化。[2]本文阐述建设虚拟实验室的必要性和可行性，提出构建虚拟实验室的实现途径和方式，及对加快地方开放大学系统虚拟实验室建设和发展的一些构建设想。

1 引言

虚拟实验室（virtual laboratory）的概念，是由美国弗吉尼亚大学的William Wulf教授于1989年提出的，简称VL，它所描述的是计算机网络化的虚拟实验室环境。VL 致力于构筑一个综合不同工具和技术的电子化、网络化科学研究集成环境，以供使用者有效地利用数据、信息、设备、人力等各种资源从事科研活动。

联合国教科文组织（UNESCO）对虚拟实验室的定义是：为了实现远程协作、实验研究或其他创新活动，通过分布式信息通信技术产生并发布结果的电子工作室。[3]研究虚拟实验室建设及其在教学中的应用，是近几年国内外高等教育实验教学和远程教学研究的热点。教育部也提出“要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验”。国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010～2020）中也提出建设“虚拟实验室”的规划。

最近几年，国内许多高校如清华大学、浙江大学、北京航天航空大学、哈尔滨工业大学等，相继建立了自己的虚拟校园或虚拟实验室。虚拟现实应用于教育是现代教育技术发展的一个突破。[4]在国内教育领域。虚拟实验技术的应用越来越受到人们的重视。并已经在科学研究、虚拟实验教学等方面发挥出非常重要的作用。由于虚拟实验技术的特点，它应用在理工科的教学活动中大有作为，特别是在大学校园模拟和仿真方向上。虚拟实验室成为强化实验室建设、改革实验教学手段的一个重要发展方向；地方开放大学应该开发自己的虚拟校园和虚拟实验室，并在全国开放大学系统内逐步推广和使用虚拟校园模式和虚拟实验室系统。随着远程开放教育的深入发展，基于教学、教务、校园生活的三维可视化虚拟校园和各类虚拟实验系统呼之欲出，应利用开放大学系统的集团优势，大力开发虚拟校园以及各类虚拟实验室，实现远程教育实验和实训教学质的飞跃，提升开放大学的总体办学水平。

2 地方开放大学虚拟实验室建设的必要性

目前在地方开放大学对于通过远程教学网络进行自主学习的学生来说，往往没有进行实验的条件。由于实验是多数工程类课程和应用类课程的重要环节，学生缺少了实验动手的环节，特别是理工科课程的教学效果将会大打折扣。利用虚拟现实（VR）技术在多媒体计算机上建立虚拟实验室，学习者便可以走进这个虚拟实验室，身临其境般地操作虚拟仪器，操作结果可以通过仪表显示，反馈给学生来判断操作是否正确。这种实验既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至得出满意结果。

虚拟实验室系统的内容非常丰富，它包含了许多实验室常见的仪器设备，图文并茂，起到辅助教师教学的效果。另外，它能模拟仿真多个教学实验，使用虚拟仿真技术可模拟各种实验的整个操作步骤和每个实验的操作仿真，充分应用多媒体丰富直观的表达形式，将仿真动画、实验录像以及操作说明有机地结合起来，便于学生对实验操作的充分理解和掌握。虚拟实验可以对实验结果进行模拟，对于在各种不同实验条件下产生的各种动态波形进行实时仿真，对于一些学生平时难于完成的实验起到示范的作用。虚拟实验室系统可以建立学生实验技能考核系统，通过内置的多层次考核系统，对学生实验、实训及操作技能的掌握情况进行考核。虚拟实验室系统还具有开发性，使用者可以根据具体情况将自己的实验图片、实验录像、实验原理和操作的文字加入到系统中，从而扩充系统的适用性。

虚拟实验室系统主要依赖于软件和较少的配套硬件，使实验室的维护费用和工作量大大降低，可实现资源共享，避免仪器重复添置，满足用户不再受时间、地点限制进行远程的实时合作，提高用户的学习效果。[5]

构建开放大学远程开放教育虚拟实验室是虚拟现实技术在教学领域的一个良好探索，是远程开放教育发展到新阶段所提出的技术需求，而且伴随着远程开放教育的发展，它一定会被普遍地应用到远程开放教育的各个专业和学科，成为远程开放教育教学的重要组成部分。因此，全面认识虚拟实验室，有针对性地设计开放虚拟实验室，就成为当前开放大学系统工作者的一项重要工作任务。

对于远程开放教育方式来说，学生主要通过学校网站上的课程教学资源来完成课程学习，这是远程开放教育不同于其他教学方式的本质特点。因为通过远程开放教育方式学习的学生，大多是在职的，而且这些人的分布又比较分散，作息时间又不统一，这就很难把他们组织在统一的时间、固定的地点作实验。因此，网上课程虚拟实验是解决这一问题的有效途径，同时它也是远程开放教育资源的有机组成部分。

实践性教学在开放大学远程开放教育中占据着特殊重要的位置，然而在具体的远程教学过程中，实践性教学活动却是一个难点，有许多因素制约着实践性教学活动的开展。例如，实验的近距离和集中性要求与远程教学的远距离和分散性教学模式之间存在矛盾，现在使用的在线教学平台不能提供全面具体的实验环境，在职学生不能很好地参加学校组织的相对集中的实验教学等等。因此，怎样解决这些问题，克服这些矛盾，以便更好地推进实践性教学活动的开展，自然就成为开放大学远程教育工作者面临的一个重要课题。

利用虚拟现实技术设计开发的虚拟实验室，在开放大学远程开放教育的实践性教学活动中可以解决以下几方面的问题：

（1）学生可以不受时间和空间的限制来做各类课程实验和课程实训；

（2）虚拟实验室可以提高安全性，避免真实实验或操作所带来的各种危险；

（3）虚拟实验室可以节约大量的教学成本，充分利用网络教学资源。

3 地方开放大学虚拟实验室建设的可行性

3.1 虚拟实验系统建设成本不高，技术条件成熟

目前常用的网络虚拟实验室建设技术已经非常成熟，而且对系统的硬件要求不高，系统组成简单，建设成本低。大量采用的软件工具介绍如下：

JAVA 语言，它是一个广泛使用的网络编程语言，旨在为Internet 发展而使网页由静态转为动态，是最重要的一种网上通用语言.JAVA 有简单、面向对象、分布式、解释型、健壮、安全以及可移植等多种特性。

ASP(Active Server Pages，动态服务器端网页)，包含在Internert Information Server3.0 及其以上版本中，提供一个服务器端的脚本环境，用于产生和执行动态、高效率的网络服务器应用程序。

VRML 是虚拟实境描述模型语言(Virtual Reality Modeling Language)的简称。它是描述虚拟环境中场景的一种标准，也是在网上实现虚拟现实的关键性技术。使用VRML 技术可进行三维虚拟实验室的开发。VRML 的第二代WEB 上的关键技术，是一种三维场景的描述性语言，也是在Internet网上实现虚拟现实的关键性技术.

ActiveX技术，它允许不同软件开发的组件在网络上可以互相进行操作。其中，开发效率最高和最易上手的是Visual Basic，这也是大家比较熟悉的软件。

FLASH 技术，它采用矢量图形技术，生成的动画体积小，适合在网络上传播。其动作脚本语言Action Script具有丰富的语言元素，包括常量，变量，运算符、表达式、函数、属性、动作、对象和电影剪辑等等。[6]

3.2 实验内容相对完备，对使用者的实验环节进行有效的监督和管理

网络虚拟具体包括实验预习、实验要求、实验步骤、实验内容、实验帮助$、实验测试等教学部分，可以按照模块化设计的原则。网络虚拟实验室系统分为注册与登录模块、用户管理模块、成绩管理模块、测试模块、公共信息模块和进入实验子模块等，功能划分清晰，但又互相联系和影响，保证使用者正确使用虚拟实验室，独立完成课程实验和实训。

3.3 虚拟实验系统使用简便，对使用者的计算机操作水平要求不高

网络虚拟实验室能够向使用者提供一个在线参与、交互性的实验环境。利用3D技术和VR技术可实现虚拟现实对于沉浸性、交互性的要求。在实验内容上，考虑到设计成本与具体实验内容的选取，最终设计为简易型的虚拟现实技术，不需要特殊的传感设备，用户只需使用鼠标，操作简便。实验室整个实验的过程简明清晰，实验结束后即可获得相应的实验数据，能够进行实验的比较和分析并填写实验报告，完全满足不同层次学习者的实验和实训要求。

4 地方开放大学虚拟实验室建设的一般方法

地方开放大学远程开放教育虚拟实验室是以网络为载体所建设的虚拟实验室，由于目前开放大学系统的网络技术已相当成熟。虚拟实验室建设的关键是采用计算机仿真技术来构建实验模型，设计出用于实验的虚拟仪器设备、实验流程、实验元器件或构件库、实验效果仿真等。目前，网上虚拟实验室的建设主要有三种形式，即远程演示实验、仿真实验、控制实验。

4.1 演示实验

演示实验指将真实环境中的实验或操作流程拍摄成录像，让学生通过观看录像的方法了解实验的操作流程。实验录像投入成本最低，制作周期最短，虽然无法达到和真实实验相同的效果，但学生还是能够通过录像对课程实验有一个感性的认识，因此，可以作为仿真实验手段的一个补充。模拟型实验是在计算机中用软件模拟仪器、设备、元器件等实验器材和实验条件，并以文字、图形或动画方式显示出来。实验的学生登录虚拟实验室后，与实验软件进行交互，充分利用虚拟器材库中十分丰富的实验器材，根据实验要求进行实验流程设计、实验装置搭建、实验内容操作、实验结果统计分析等，最后写出实验报告，全部实验过程在计算机上完成。学生观察记录实验数据和结果，可以取得与实物实验相同的实验结果。

4.2 仿真实验

仿真实验是利用设备的数学模型或者数据库模型构建实验需要的虚拟设备，学生可以按实验要求在计算机软件仿真的实验环境中组装实验系统，通过改变实验模型的参数进行各种模拟实验，并得出相应的实验结果。仿真实验环境形象生动"可以为学生提供自主探索和个性化学习的环境，并且可以通过软件资源共享改善教学资源缺乏的教学现状。由于仿真实验除了计算机外不需要任何实验设备的投入，教育投资经济合算。在高级的仿真型实验中，采用虚拟现实技术构建的实验环境，学生不仅可以做实验，体验实验的运作，甚至还可达到比现实实验环境中更好的实验效果。在现代远程教育中，学生亲自来高校实验室参加真实实验的可行性几乎为零，所以，构建虚拟实验系统，开设网上虚拟实验课程，将成为地方开放大学在现代远程教育中开展实验环节教学的一个必然趋势。

4.3 远程控制实验

远程控制实验中的实验者可以通过网络直接对实验仪器设备进行真实的远程控制，可以同时观察实际仪器设备的实时视频反馈和虚拟仪器的实验结果显示，可以充分地体验真实的实验感受。远程控制实验系统在任何有Internet 的地方均可随时进行实验，从而提高实验设备的利用率。但是，由于远程实验对传感器、执行机构和网络环境有着比较高的技术要求，因此远程控制实验主要运用在控制学科领域，目前在远程教育领域内暂时还没有办法大面积推广。遥控型实验是利用计算机多媒体技术和遥控遥感等通信技术，将实验室内真实的实验设备及控制系统，转换成三维图像、声音、状态等传输到远端的学生计算机中，可以在自己的计算机中进行操作，通过通信线路遥控真实实验室现场中的实验设备，使远程实验过程在实验学生的实时遥控下运作。而执行操作的结果如文字、图像、数据等又会实时地回传给学生，从而使实验学生可对实验数据实时采集并进行处理。

5 开放大学虚拟实验系统建设的构想

开放大学“虚拟现实系统”可由以下几个子系统构成：

（1）虚拟校园系统由虚拟办公楼系统、虚拟教学楼系统、虚拟图书馆系统、虚拟体育馆系统和虚拟实验楼系统组成。如图1所示。

（2）进入虚拟实验楼子系统，可以看到各类实验室。

（3）以汽车虚拟实验室为例，实验室子系统。如图2所示。

图1 虚拟校园系统

图2 虚拟汽车实验子系统

通过以上的分析介绍，可见虚拟实验室在提高教学质量，满足不同类型学习者的个性化学习要求，解决硬件投资不足，节约教学成本等方面，具有广阔的前景，特别是在培养学习者的实践动手能力，提高分析问题和解决问题的能力方面，具有重要的意义，能为培养技能型、应用型复合人才发挥不可估量的作用。但是，建设真正意义上的沉浸式、交互式的虚拟实验室还有很大困难。我们相信，随着虚拟现实技术的发展，在开放大学系统不懈的努力下，真正的虚拟实验室一定会与我们见面。

如何加强开放大学系统网络平台上虚拟实验室，网络平台的建设，如何充分应用计算机技术、网络通信技术以及管理科学与工程技术来构建网上虚拟实验室已经成为地方开放大学所面临的重要课题。

6 结束语

“互联网+”促进了我国各行业的革命性发展，作为开放大学系统远程教育实验教学中的网络虚拟实验，是现代远程教学中不可缺少的重要环节，是提高远程教学质量的重要保证，也是网络技术在实验教学中的最好运用。网络虚拟技术能够较好地解决以往远程开放教育模式中理论教学的远距离性和实验教学的近距离性的矛盾，从而真正实现开放大学系统现代远程教育的完全远程化。网络虚拟实验不仅在远程教育中发挥很好的作用，而且也是其他常规实验教学改革的新思路。各种网络虚拟实验资源建设的关键，不完全在于硬件环境，而主要在于对此重视的程度和组织实施的措施。开放大学系统发展、创新、突破的机遇就在我们面前，随着虚拟实验教学系统的进一步形成，必将促进开放大学远程教育学生学习的自主性和动手能力的提高，并为学生创新能力的培养发挥重要作用，从而提高开放大学系统总体办学的质量和社会知名度，使其走在我国虚拟实验技术应用的前沿并引领其向前发展。