（教育技术学专业论文）虚拟实验教学及其设计研究.pdf

虚拟实验教学及其设计研究 白娟 摘要网络教育的蓬勃发展促进了虚拟实验概念的诞生，并推动虚拟实 验逐步从理论研究走向实际应用。虚拟实验指依托相关的计算机平台，借助 于硬件和软件实现的计算机仿真实验。虚拟实验技术的迅速发展，强有力的 支持了网络教育在理工科教学领域的开展。本研究结合虚拟实验教学的现状 以及存在的问题提出虚拟实验教学的设计思路，并进行了设计与开发的实践 尝试。 虚拟实验实现的基础是多媒体计算机技术、网络技术与虚拟仪器技术的 结合。虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予虚拟实验智能化的特征， 无论是学生还是教师，都可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪 器，进行各种实验。虚拟实验技术的迅速发展不但为实验类课程的教学改革 提供了技术支持，还为广大受远程教育的学生提供了更加良好的学习条件。 通过虚拟实验，计算机能够模拟一些实际的实验现象。虚拟实验室也为 学生仓造了一个类似于实际实验室的环境。让学生体验身临其境的感觉，同 时通过对三维物体的交互式操作来完成实验。虚拟实验不仅能够提高远程教 育的教学效果，更重要的是使一些缺乏实验条件的学生，通过网络同样能够 “身临其境”的观察实验现象，甚至和异地的学生合作进行实验。 虚拟实验的本质是数字化学习，数字化学习即是指通过因特网进行的数 字化学习资源的获取活动，虚拟实验具有数字化学习的五个主要特征：以问 题和项目为中心；以学习者为中心：个性化学习；以协作交流作为辅助学习 方式；创造性的学习。 在虚拟实验中，学习者的学习是以实验主题或实验项目为单位进行展开 的；学习者的学习更强调从学习者个人角度出发，开展个性化学习，在关键 时刻及时采取协作交流的学习方式；在以实验项目为中心的学习过程中，学 习者不仅要探讨、研究问题，更重要的是要促进新知识、新问题、新观点、 新视觉的产生，这即是一个创造性思维的训练、强化的过程，即创造性学习 的过程。 e t 前对于网络实验教学的研究刚刚起步，应用于实际网络教育的远程实 验教学系统更是少之又少。研究在远程网络坏境下实验教学的原理、模式和 方法就显得更加具有必要性和紧迫性。 本文在详细的分析了虚拟实验的理论基础、发展脉络、相关技术的基础 上，着重介绍了虚拟实验的开发环境，并开发出一个虚拟实验的教学设计实 例。在虚拟实验的概述部分，首先介绍了虚拟仪器、虚拟实验、虚拟实验室 的基本概念，然后对虚拟仪器和虚拟实验的内涵和特征进行了分析，最后着 重介绍了虚拟实验的理论基础，也就是建构主义理论指导下的实验教学组织 原刚。在虚拟实验的发展脉络部分，从历史、现在和未来级向的介绍了虚拟 实验的发展状况，其次从国内和国外两个方面横向的对虚拟实验的发展作了 介绍。在虚拟实验的相关技术及原则部分，着重介绍了j a v a 技术、a e t i v e x 技术、v r m l 技术、q t v r 技术、g g i 技术以及a s p 技术这六种相关技术。 在以上内容的基础上，分析了虚拟实验的优越性及存在的不足，最后，在虚 拟实验开发工具l a b v j e w 的环境下，完成了一个数字信号处理实验的设计实 例。 关键词虚拟实验虚拟仪器网络教育 教学设计数字信号处理 i i v i r t u a l e x p e r i m e n t i n s t r u c t i o na n d d e s i g n r e s e a r c h b a ij u a n a b s t r a c tw i t ht h e d e v e l o p m e n t o fo r 卜l i n ee d u c a t i o n t h ev i r t u a l e x p e r i m e n te x p e r i e n c e df r o ma c a d e m i cr e s e a r c ht op r a c t i c a la p p l i c a t i o n v i r t u a l e x p e r i m e n ti sc o m p u t e rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n tb yu s eo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h et e c h n o l o g yo fv i r t u a l e x p e r i m e n tg r e a t l ys u p p o r t o n l i n ee d u c a t i o n s p r a c t i c eo nt h ef i e l do f s c i e n c ei n s t r u c t i o n 强er e s e a r c hp u tf o r w a r dt h ed e s i g n m e t h o do nt h eb a s i so ft h ea c t u a l i t yo fv i r t u a le x p e r i m e n ta n dt h ep r o b l e mo f v i r t u a le x p e r i m e n t , a tt h es a n l et i m e ，d os o m e w o r ko nt h e d e s i g na n d r e s e a r c h n e t w o r k e dv i r t u a le x p e r i m e n ti sb a s e do n c o m p u t e rt e c h n o l o g y 、m u l t i m e d i a t e c h n o l o g y 、n e t w o r kt e c h n o l o g y a n di n s t r u m e n t a l t e c h n o l o g y a l s o ，t h e c o m b i n a t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n t a lt e c h n o l o g ya n d c o g n i z em e t h o d o l o g ye n d o w s v i r t u a le x p e r i m e n tw i t l lt h ec h a r a c t e r so f i n t e l l i g e n c e a l lt e a c h e r sa n ds t u d e n t s c a ne m e rv i r t u a ll a b o r a t o r i e st od oa l lk i n d so fe x p e r i m e n t s f r e e l y v i r t u a l l a b o r a t o r i e sn o t o n l yc a np r o v i d et e c h n i q u es u p p o r t sf o re x p e r i m e n t a lc o r p s e si n d i s t a n c ee d u c a t i o n b u ta l s oc a np r o v i d em o r ei n s t r u m e n t st os t u d e n t sa ta l l n e e d e dt i m e b yu s i n gv i r t u a le x p e r i m e n t ，w e c a r ls i m u l a t es o m e e x p e r i m e n t a lp h e n o m e n a v i an e t w o r k v i r t u a ll a b o r a t o r i e sc a ne n h a n c et h ei n s t r u c t i o n a le f f e c t so fd i s t a n c e e d u c a t i o n t h em o r ei m p o r t a n tp o i n ti st h e yc a np r o v i d es t u d e n t sw h ol a c kt h e c h a n c et od o e x p e r i m e n t s o m e p r e c i o u s c h a n c e s ， m o r e o v e r ,s t u d e u t s c a n c o o p e r a t ew i t h e a c ho t h e rv i an e t w o r k t h ee s s e n c eo fv i r t u a le x p e r i m e n ti se l e a r n i n g e l e a r n i n gi s l e a r n i n g a c t i v i t yb yi n t e r n e tt og e te - l e a r n i n gr e s o u r c e v i r t u a le x p e r i m e n th a sf i v em a i n c h a r a c t e r i s t i c st h a te - l e a r n i n gh a s ：c e n t e ro nt h ep r o b l e ma n di t e m ；c e n t e ro nt h e l e a r n e r ；l e a r n i n gw i 血p e r s o n a l i t y ：r e g a r dc o o p e r a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n a st l l ea s s i s t a n ts t u d ym e t h o d ：l e a m i n gw i t hc r e a t i o n i nv i r t u a l l a b o r a t o r y ，t h el e a r n i n ga c t i v i t yp r o c e e d s w i t h e x p e r i m e m o ri t e m ； t h e l e a r n i n gb e g i n sf r o m t h ea n g l eo f l e a r n e ri t s e l f ；w h e nl e a r n i n g ，t h el e a r n e rn o t o n l yd i s c u s sa n dr e s e a r c hp r o b l e m ，b u ta l s op r o d u c en e wk n o w l e d g e 、n e w p r o b l e m 、n e wv i e w p o i n t 、n e wv i s i o n t h i si sj u s tt h ep r o c e s st h a tt r a i na n d i n t e n s i f yt h et h i n k i n g ，n a m e l yl e a r n i n gw i t hc r e a t i o n i i i c u r r e n t l y , t h er e s e a r c ha b o u tn e t w o r k e d v i r t u a ll a b o r a t o r yi sj u s ta tb e g i n n i n g i t st h em o s ti m p o r t a n tt h a tw es h o u l dr e s e a r c ht h ep r i n c i p l e ，t h em o d ea n dt h e m e t h o d o l o g y o f v i r t u a l e x p e r i m e n t i n s t m c t i o ni nt h ed i s t a n c ee d u c a t i o n a f t e r a n a l y z i n g t h et h e o r e t i cb a s i s 、d e v e l o p m e n tc l e w 、c o r r e l a t i v et e c h n o l o g y i nd e t a i l ，t h er e s e a r c hi n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，a n dg i v ead e s i g n e x a m p l eo fv i r t u a le x p e r i m e n ti n s t r u c t i o n i nt h ep a r t o fs u m m a r i z a t i o n ，t h e c o n c e p t o fv i r t u a li n s t n m a e n t 、v i r t u a l e x p e r i m e n ta n dv i r t u a ll a b o r a t o r y a r e p r e s e n t e d ，t h e nt h em e a n i n ga n dc h a r a c t e r i s t i 0 so f v i r t u a li n s t r u m e n ta n dv i r t u a l e x p e r i m e n ta r es h o w e d ，a tl a s tt h et h e o r e t i cb a s i si si n t r o d u c e d i np a r t i c u l a r i n t h ep a r to fe v o l u t i o na b o u tv i r t u a le x p e r i m e n t ，t h ed e v e l o p m e n tc l e wi ss h o w e d f r o mt h ea n g l eo ft h ep a s t 、t h ep r e s e n ta n dt h ef u t l u - e i nt h ep a r to fc o r r e l a t i v e t e c h n o l o g ya b o u t v i r t u a le x p e r i m e n t ，t h ej a v a t e c h n o l o g y 、a c t i v c x t e c h n o l o g y 、 v i 洲l t e c h n o l o g y 、q t v rt e c h n o l o g y 、g g it e c h n o l o g ya n da s pt e c h n o l o g ya r e i n t r o d u c e d e s p e c i a l l y b a s e d o nt h e a b o v e - - - m e n t i o n e d ，t h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g eo f v i r t u a le x p e r i m e n ta r ea n a l y z e d i nt h el a s t a ne x p e r i m e n ta b o u t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi sd e s i g n e d k e y w o r d sv i r t u a l e x p e r i m e n t ，v i r t u a li n s t r u m e n t ， o n - l i n ee d u c a f i o f ti n s t r u c t i o nd e s i g n ， d i # t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得陕西师范大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 作了明确说明并表示谢意。 作者签名：囱趱日期：型堕垒塑 学位论文使用授权声明 本人同意研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属陕西师范大 学。本人保证毕业离校后，发表本论文或使用本论文成果时署名单位仍为陕西师 范大学。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其它指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校 图书馆、院系资料室被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索； 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 作者签名：鸯蕴日期：龟! 鞋冱 引言 一、网络教学对虚拟实验的呼唤 从九十年代初发展到现在，计算机网络已经深入到人类生活的各个方 面，网络这种被称之为第四代媒体的先进技术，带来了新一轮的信息革命， 它正以其强大的实用性冲击着人们的生活、学习、工作，甚至休闲方式。互 联网目前已发展成为全球覆盖面最大、信息资源最丰富的计算机信息网络， 作为远程教育的关键环节教育内容的传递，互联网无疑具有明显的优势。 通过网络进行的理论教学目前在技术和方法上都已经成熟，其发展态势 更是迅猛，但通过网络进行远程的实验教学尚未得至u 实际解决。在远程教育 中，实验教学的组织存在很大的困难。首先它不可能象普通院校那样建设门 类齐全的实验室，也难以配备较多的实验人员；其次，在远程教育中，教师 和学习者之间长期处于时空分离的状态，很难频繁有效的将学生组织起来开 展实验教学。那么，如何解决远程教育中实验教学所面临的困难呢? 近些年，在远程教育中，教学人员通过网络构建远程实验环境，这样使 一些实验现象能够通过计算机在网络中模拟。实验教学能够在网络远程教学 的环境中进行，这样实现了远程教育的实验教学远程化，远程教育的学习者 不必担心缺乏实验条件，也不必为做实验到处奔波，这对现代化教育、特别 是现代远程教育具有十分重要的意义。在此背景下，“虚拟实验”概念应运 而生，虚拟实验为人们展示出信息社会学习环境和科研方式的发展趋势。 二、虚拟实验教学的可行性分析 1 校园网的飞速发展为虚拟实验教学提供了可靠的硬件保障圆 网络的速度已达到千兆比特，秒的数量级，网络带宽和传送速度不再成为 制约网络实验教学的因素，为大型虚拟实验程序在网上的运行创造了条件。目 前，高校已将自己的校园网与互联网相连，高校之间可通过互联网来互相访问， 为教学资源的共享创造了条件。随着大型集成技术的发展，计算机硬件以惊人 的速度发展，例如显卡处理苍片，它能高速处理多边形，这就使得使虚拟实验有 很高的仿真度，使学生在做虚拟实验时有身临其境的感觉。 2 网络技术已逐步进入虚拟实验教学并不断扩大完善 网络技术和应用软件技术在网上虚拟实验中的应用主要有；( 1 ) g g i 袭伟廷，基于w e b 的虚拟实验室构建，远程教育杂志2 0 0 2 6 ，p 3 9 瞿癯，网上虚拟实验教学的必要性及可行性。高教论坛。2 0 0 4 ，2 ，p 8 0 ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e 一公共网关接1 2 1 ) 技术；( 2 ) s a p i ( s e r v e r a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 技术；( 3 ) j a v a 应用程序技术；( 4 ) 交互式多媒体创作工 具a u t h o r w a r e 技术；( 5 ) f l a s h 网页动画技术。随着各种w e b 技术和应用程序 技术在网上虚拟实验教学中的使用，通过各种视频、音频教学文件来把形象、 生动的实验教学带到自己的p c 机上，使学生获得更丰富的信息和更遥真的教 学环境。 3 虚拟仪器技术已渗入虚拟实验教学中 虚拟仪器技术是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定 义，具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。它的实 质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板。以多种形式 表达输出检测结果，利用i 0 接口设备完成信号的采集、测量与调理，利用计 算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，从而完成各种测试功 能的一种计算机仪器系统。用户只需改变软件程序或软件模块的组合，就可以 不断扩展和增强它的测量功能和分析功能。因此，在硬件平台确定后，有“软 件就是仪器”的说法。 基于虚拟仪器系统的虚拟实验是网上实验教学中易于建构，可以推广的 模式，另外，通过虚拟仪器提供的手段还可以进一步使得一些实验现象能通过 计算机在网络中模拟，从而在网络中建立一个虚拟的实验环境，实现远程教育 的实验教学远程化和网络化。 4 数据库技术为虚拟实验教学提供了强大的技术支撑 网上虚拟实验教学网站，需要有一个功能强大的数据库来支持。它不仅要 包括学生档案数据、常规资料信息数据，更应该有庞大的实验信息数据体系， 包括实验仪器数据、实验内容数据、实验虚拟环境数据等。随着些大型数 据库系统如o r a c l e 、s y b a s e 、i n f o r m i x 、i n g r e s 、d b 2 、s o l s e r v e r 等的出现， 使网站数据库建设不再成为难题。 三、本研究选题的意义 1 网络教学发展的需要 近年来，我国的远程教育发展迅速，教育部已经批准一批重点高校开办 网络远程教育，网上学校也如雨后春笋般涌现，原有的成人教育也在逐渐网 互联网上迁移回。除了教育部确定的6 7 所高校为现代远程教育试点院校以外， n a t i o n a l i n s t r u m e n t c o r p o r a t i o n ，v i r t u a l i n s t r u m e n t b a s e d o n p c 川，e l e c t r o n i c e n g i n e e r i n g & p r o d u c t w o r l d ，一2 0 0 3 ，( 1 ) ，p 8 6 8 8 谌志群，曾文华，基于w e b 的虚拟实验系统研究与实现，杭州电子工业学院学报2 0 0 2 1 2 ，p 5 3 2 基础教育领域和些企业单位也开办了面向不同层次学生的网上学习与培 训，网络学生达到1 0 0 多万的规桴驴。 网络教育发展的关键是提高学习资源质量，包括教学内容和教学课件的 制作与开发、虚拟实验室的建立等。目前网络教育资源仍然相对匮乏，而且 内容大多以静态教材为主，动态的内容较少，两学习者如何通过网络进行实 验则是个比较困难的问题圆。因此，开展网络环境下虚拟实验室的建构，丰 富网络实验资源，探究网络环境下实验模式的变化，对于推动网络教育的发 展，构筑全民教育和终身教育的体系具有重要的教育价值。 2 实验教学改革的需要 知识经济时代的到来，使教育改革的步伐也越来越紧迫。教育改革的重 点在于优化课程结构，提高教学质量，实验教学改革也是教育改革的一部分。 从教育的角度看，培养学生实践动手能力和设计刨新能力，是实验教学的核 心目标。 传统的实验教学存在的问题有：学生过份依赖教师、缺乏独立分析问题、 解决问题能力的培养；每周只2 小时实验时间，使实验中出现的问题没有时 闯冷静、认真地思考；实验室管理模式单一、缺少开放性实验室；没有给优 秀学生提供自由发挥、提高、刨新的环境。这些因素都制约了实验教学的开 展。 为了提高学生学习的主动性和上实验课的兴趣，增强动手能力，使学生 适应现代科技发展的需要和激烈竞争的社会需要，就有必要将新的计算机技 术、多媒体技术、网络技术合理的运用到实验教学中，改革传统的实验思维、 实验方法、仪器用具、操作步骤、数据处理与误差分析等方面，从而使实验 教学适应现代化教育的需要，培养出具有探索精神的学生。这也是虚拟实验 概念应运而生的另一个背景，本研究的另一起点也是基于此出发的。 3 探索虚拟实验新模式 目前全国范围内对虚拟实验的研究已初步展开，根据笔者的检索，从 2 0 0 0 年至2 0 0 5 年，在中国期刊网全文数据库中，以“虚拟实验”为检索词 的论文有4 5 0 多篇，其中从虚拟实验室的设计、虚拟实验在教学中的应用、 实验系统的开发、虚拟实验中多媒体技术的应用等方面均有涉及，涉及的学 科有自动控制、电子电路、物理、计算机等多个学科，已开发的虚拟实验室 多用到的软件和语言有m a t l a b 、e w b 、l a b v i e w 、p r o t c l 、v r m l 、j a v a 等等， 中国教育技术学h t t p 1 w w w , e h i n a d 【o r g 宁建平，丁照宇基于w e b 的程序设计课程的虚拟实验的实现，成都理工学院学报，2 0 0 2 6 ，p 3 2 0 因此本研究所作的工作就是在已有研究的基础上完善虚拟实验系统，探索虚 拟实验的新模式，寻求虚拟实验教学中新出现的问题并提出改进措施，推动 虚拟实验教学的良性发展。 四、本研究的内容、方法与创新之处 虚拟实验的概念是伴随着虚拟校园、虚拟图书馆、虚拟教室等概念应运 而生的，虚拟实验是一个比较大的范畴：它既包括用各种仿真软件实现虚拟 化的实验教学，也包括用虚拟现实语言如v r m l 等构建的虚拟实验室。 1 研究的内容 网络教育是当前教育发展的一个重要方向，实验教学作为理工科、生物、 医学等专业教学的不可缺少且菲常重要的教学环节，如何在网络教学环境下 实现实验教学，达到学科教学目标，是网络教育研究的一个热点问题，而且 虚拟实验教学还有许多教育、教学、技术上的问题丞待深入研究和解决。 本研究的主要内容有： ( 1 ) 对虚拟实验的功能、理论基础、体系结构、构建原则和国内外目前 的发展现状等进行了分析； ( 2 ) 简要阐述了实现虚拟实验教学的技术手段； ( 3 ) 采用仿真软件l a b v i e w 进行了“数字信号处理”实验教学的试验性 设计： ( 4 ) 简要分析了虚拟实验的不足及解决问题的措施。 2 研究的方法 本研究采用文献检索法、调查谈话法、系统研究法、比较研究法相结合 的研究方法，以探索虚拟实验教学的模式和方法为目标，根据虚拟实验的特 点，以多媒体网络为支撑，阐述了虚拟实验教学的可行性，并由此设计了“数 字信号处理”的虚拟实验教学。 ( 1 ) 文献检索法的使用 在第二部分，虚拟实验的发展脉络部分，在分析国内及国外的虚拟实验 开展状况时，采用了文献检索法。文献检索的对象主要是互联网及中国期刊 网全文数据库，在采用文献检索法时，先对虚拟实验的进展状况进行相关文 献资料的查阅，然后积累获得的文献资料，最后对文献资料进行整理分析， 积累有价值的信息，淘汰冗余信息。 ( 2 ) 系统研究法的使用 在虚拟实验教学设计部分，采用了系统研究法，将虚拟实验系统作为整 体的考察对象，逐步分析系统的各个组成部分功能，最后将各个部分有机组 合，归纳出系统的特点及主要功能。 ( 3 ) 比较研究法的使用 在分析虚拟实验的特点及优越性的部分，采取了比较研究法，将虚拟实 验与传统实验进行对比分析，归纳分析出虚拟实验的优越性及存在的不足， 从而有的放矢的给出克服虚拟实验不足的措施。 3 创新之处 本研究的创新之处如下： ( 1 ) 将学习理论与虚拟实验教学结合起来 本研究立足于学习理论与教育技术的结合点上，通过对建构主义理论指 导下的实验教学组织原则的阐述，力求在把握学生认知心理的基础上积极有 效的实施虚拟实验教学。 ( 2 ) 给出解决虚拟实验不足的应对措施 重点分析了虚拟实验的优越性及存在的不足，并对如何解决这些不足提 出了相应的措施。 ( 3 ) 实战设计研究 选择“数字信号处理”实验进行设计实战研究，具体实施文中提出的设 计原则、策略与模式。 第一部分虚拟实验概述 在该部分的内容中，主要从四个方面进行阐述：一、虚拟仪器；二、虚 拟实验；三、虚拟实验室；四、实验教学中运用虚拟实验的理论依据。下面 分别从这四个方面对每个小节进行阐述。 一、虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i l 虚拟仪器是虚拟实验得以实现的基础。它是计算机科学和仪器技术相结 台的产物，虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的、富有 生命力的仪器种类，在虚拟仪器中计算机处于核心地位，计算机软件技术和 数据库系统系统紧密地组织在一起，使仪器的结构概念和设计观点等都发生 了突破性的变化。从构成上看，虚拟仪器就是利用现有的计算机，配上相应的 硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊 功能的高档低价的新型仪器。从使用上看，虚拟仪器利用p c 计算机强大的 图形环境，建立界面友好的虚拟仪器面板( a p 软面板) ，操作人员通过友好的图 形界面及图形化编程语言控制仪器运行，完成对被测试量的采集、分析、判断、 显示、存储及数据生成。 虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪 器的功能。在通用功能的硬件板卡上，用软件算法实现特殊的仪器功能，如 信号发生、示波器及频谱测量等功能。这样在一台p c 机上插接不同的板卡 就可以实现不同的仪器功能，而且测量功能可以利用软件算法进行扩展，在 一台p c 机上可以实现( 集成) 多种测量功能。与传统仪器相比，多种仪器 功能集成、测量功能主要由软件算法实现，具有很强的灵活性，便于仪器管理， 降低成本等。 虚拟仪器主要由硬件和软件两大部分组成。 ( 1 ) 虚拟仪器的硬件 硬件是虚拟仪器的基础，它的主要功能是完成对被测信号的采集、传输和 显示测量的结果。一般由计算机和信号采集调理部件组成。信号采集调理部 件可以是仪器模块或高速数据采集卡。仪器模块结合了紧凑的高性能硬件、 灵活的开发软件以及集成式的定时和同步功能。 以n i 公司的模块化仪器硬件为例，其中包括： 高速数字化仪 张晓英，祖大鹏基于虚拟仪器的虚拟实验高师理科学刊2 0 0 2 ，1 1 ，p 3 0 6 函数任意波形发生器 数字波形发生器分析仪 数字万用表( d 姗) r f 测量仪音频视频采集和发生设备 开关 此外，模块化仪器还可与其它产品集成使用，包括机器视觉和运动控制、 数据采集等设备。 ( 2 ) 虚拟仪器的软件 软件是虚拟仪器的又一重要组成部分。它主要完成对数据进行分析处理 功能，如数字滤波、小波分析或频谱变换等。在很大程度上，软件决定了虚拟 仪器的性能，虚拟仪器的软件可分为几个层次：仪器驱动程序、应用程序和软 面板程序。 仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，设定特定的参数和工作方式； 应用程序主要用来对采集的数据进行处理，用户就是通过编写应用程序 来设定虚拟仪器的功能： 软面板程序用来提供虚拟仪器与用户的接口，通过鼠标或键盘模拟传统 仪器的各种操作。 软件的编写方法有两种：( 1 ) 传统的方法是采用高级语言，如c 、v c + + 、v b 、 d e p h i 等编写应用程序；( 2 ) 采用现代流行的图形化编程方法，如n i 公司的 l a b v i e w 或h p 公司的v e e 编程等，后者编程的优势是编程容易、开发周期 短。 二、虚拟实验 1 虚拟实验的概念 虚拟实验是指利用开放的互联网及广泛的局域网开展各种网上实验，以 调动学生学习兴趣、提高学习效率、培养创新能力为目标的学习活动。 在虚拟实验中，学生可利用鼠标的点击、拖动，将计算机上各种虚拟仪器 按实验要求和过程组装成一个完整的实验系统，同时在这个系统上完成整个 实验，包括原材料的添加、实验条件的改变、数据的采集以及实验结果的模拟、 分析等。o 如果利用先进的通信技术、网络技术，将虚拟实验放在网络上，在w e b 中 创建一个可视化的三维环境，其中每一个可视化的三维物体代表一种实验对 高洪波王凤先，基于w e b 的虚拟实验系统体系结构研究，河北省科学院学报，2 0 0 3 ，5 ，p 1 1 1 象。通过鼠标的点击、拖动等操作，学生就可以进行虚拟的实验，这样既解 决了远程教学中的实验教学问题，又节省了人力、财力、物力。同时，网上 同一个实验还可以由不同地点不同机器上的多个学习者来共同完成。 本研究所述的“虚拟实验”是指利用计算机技术与互联网技术，以w e b 为实验平台，把系列软件和硬件有机结合起来，从而实现对真实实验操作 和实验结果的计算机模拟技术。这种虚拟实验是建立在真实实验的基础之上， 对实验所使用的元器件、仪器设备进行计算机模拟，通过鼠标和键盘的操作， 完成整个虚拟实验过程的。 2 虚拟实验的特点 虚拟实验以现代教育思想为依据，以现代教育技术手段为支撑，以计算机 实时仿真为核心，在教学实践中表现出以下几个特点： ( 1 ) 自主性 虚拟实验与传统基础实验有共同的要求，即都是按照实验教学计划的实 验大纲进行的。但虚拟实验与传统基础实验相比，有一个明显的区别，那就是实 验的模式是非固定的、动态的、具有良好的自主性。o 虚拟实验项目的实验框架是不固定的，实验者可以依据实验大纲，根据自 己的需要和兴趣，利用虚拟实验室的实验模型库，自由搭接、组合、拆装实验框 架，自行设计实验步骤和实验方法，表现出实验者对实验的高度自主性，同时，实 验者可以利用虚拟实验室所具有的丰富的辅助功能，对实验仪器仪表、常规实 验方法与步骤等进行自主学习、自主练习，同样也表现出实验者对实验的高度 自主性。 ( 2 ) 开放性 网上虚拟实验的开放性表现为三个方面： 教学组织的开放：体现为实现实验内容和实验时间的可选择性。学习 更有针对性，更充分调动了学生学习的积极性和主动性，给他们了一个选择 自我发展方向的余地和体现自身特点的空间。 资源开放：网上虚拟实验室储存了大量的实验模式、各种虚拟实验仪 器仪表、各种实验器件或构件、各种虚拟实验环境、各种实时仿真软件包等， 实验者可根据自己的实验需要自由地选择使用。 受教育对象开放：只要获得实验系统管理员的许可，实验者均有资格 进入虚拟实验室进行实验，在这里实验者没有年龄、性别、认知程度等其他 相关因素的制约，充分体现了网络教育的开放性。 赵经成，李富荣，网上虚拟实验室建设，教育技术2 0 0 5 ，5 ，p 7 0 ( 3 ) 高效率 网上虚拟实验拓宽了教学实验的时空观，传统的教学实验一般因实验室 的空间、实验仪器的组数、实验指导教师数量等的限制，实验只能分组进行， 因而学生实际用于实验的时间是有限的，接触实验设备和仪器的机会是很少 的，从而使得实验仪器的使用效率较高，但学生受训效果较差，教学效果也不理 想。 三、虚拟实验室 1 虚拟实验室的概念 虚拟实验室( v i r t u a ll a b o r a t o r y ) 概念，是由美国弗吉尼亚大学( u n i v e r s i t yo f v i r g i n i a ) 的威廉沃尔夫( w h i a mw o l f ) 教授于1 9 8 9 年首先提出的，它描述了 一个计算机网络化的虚拟实验室环境，致力于构筑一个综合不同工具和技术 的信息化、网络化的集成环境。在这个环境里，用户可以非常有效地利用世 界上分布的各种数据、信息、仪器设备及人力等资源。 虚拟实验室提出的初衷是为了方便科学研究工作，科研人员在远程即可 从事研究工作：使用仪器设备、共享数据资源、交流信息等雪。虚拟实验室实 质上是一个分布式计算机系统，在该系统中，配置有遥控、遥测能力的网络 化研究设备和数据采集平台，有支持协作活动的各种工具，建有可以支持数 据共享的数字式图书馆。 2 虚拟实验室的基本结构及功能 虚拟实验室是一个开放的空间，在此空间内学生可异构的解决问题。虚 拟实验室的概念包含两层含义，鲡图1 - 1 所示： 图1 1虚拟实验室的基本结构 虚拟实验室的基本功能主要有： ( 1 ) 教学服务器端提供各种基本的实验功能； ( 2 ) 用户端学生可通过网络在本地终端机上完成各种实验。 李亚渌，郝应光。远程教育与虚拟实验室，自然杂志p 15 7 周注释 崔光佐，程旭，杨荚清，基于w 啊的网上虚拟实验室设计与实现，北京师范大学现代教育技术研究 所罔页 9 例如，对于c 语言实验来说，学生可在用户端提供的平台上编写c 语言 程序，并可利用该平台对编写的程序进行编译、执行( 某些程序) ，服务器端 接收程序，并按要求对程序进行操作，并将操作结果送回用户平台并显示。 这样，用户就可象在本地一样进行实验。 3 虚拟实验室的特点 虚拟实验室是建立在网络上的，本身不受场地的限制，同时，网上虚拟实验 室的虚拟仪器仪表和其它实验设备在网络上是共享的，因此在不同地域、不同 终端上可同时进行相同科目的虚拟实验，拓宽了实验室的空间，增加了受训人 员的实验有效时数，提高了实验效率。 在电子实验领域，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压表、 电流表是科研机关、企业研发实验室、大专院校的必备实验设备，使用一套 虚拟仪器系统，就可实现示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压 表、电流表等多种普通仪器的全部功能，而且还可实现自动测量、自动记录、 自动数据处理。把虚拟仪器技术应用于电子技术演示实验中，既可体现现代 技术的作用。使学生学到并掌握先进的仪器仪表技术和实验技术，缩短了学 生所学知识与现代实验技术的距离，又节约了实验经费的投入，提高实验的 可见度和演示的效果，提高实验教学的现代化水平，并且方便实用。 4 虚拟实验室的分类 网络虚拟实验室大多使用的是b s ( 浏览器服务器) 结构，按其实现 功能基本可分为三类o ： ( 1 ) 软件共享网络虚拟实验室 其特点为，服务端共享本地的虚拟实验室模拟软件平台，接受客户端发 送的实验请求，分析和处理实验参数，经过计算模拟最终将结果返回客户端。 整个系统不涉及具体的实验仪器硬件设备，只是利用软件模拟实验的过程。 ( 2 ) 仪器共享网络虚拟实验室 服务端同样接受客户端的实验请求和实验参数，使用实验参数配置与之 连接的实验仪器硬件设备，由实验仪器硬件设备进行实验，并将实验结果返 回服务端，最后返回到用户端，实现实验仪器的共享、实验数据的共享。 ( 3 ) 远程控制网络虚拟实验室 与仪器共享网络虚拟实验室最大的区别在于除了实验仪器、实验数据的 共享之外，其还要实现客户端对实验仪器设备的远程控制。 周毅，基于虚拟仪器的网络虚拟实验室构建，今日电子。2 0 0 3 ，1 0 四、实验教学中应用虚拟实验的理论依据 1 建构主义理论对实验教学的指导 自2 0 世纪9 0 年代以来，随着多媒体技术和计算机网络应用的日益普及， 作为现代教育技术最新理论基础的建构主义正在国际上迅速流行。建构主义 认为，学习者要完成对所学知识的意义建构，即达到对该知识所反映事物的性 质、规律以及该事物与其他事物之间联系的深刻理解，最好的办法是让学习者 到现实世界的真实环境中去感受、去体验，即通过直接经验来学习，而不是仅仅 聆听别人( 教师) 关于这种经验的介绍和讲解。 建构主义理论强调了与新知识相关的“真实环境”的重要作用，一旦这样 的有感染力的真实事件或真实问题确定下来，相应的教学内容和教学进程也 就随之确定。然而，完全意义上的“真实环境”很难在教学中提供。由于教学 实验是现实情境的模拟和再现，很显然，在整个教学过程中，实验教学应当承担 起构建学习者学习过程“真实环境”的重任。因此，实验教学不仅仅是理论课 教学的补充和附属，而应是引导学生进入理论学习、帮助学生完成对新知识意 义建构的基础。 2 建构主义理论指导下的实验教学组织原刚 在建构主义理论的指导下，我们应着重考虑如何利用实验教学为学生创 设“真实的”学习情境。实验教学的组织原则如下： ( 1 ) 完整性原则 实验课教学与理论课教学既联系又相对独立，应该建立内容体系完整的 实验教学体系，改变传统的实验课程完全依附于理论课程的现状。根据课程教 学大纲的要求，在课程结构所涉及的理论框架范围内，建立系列化的实验课程； 独立设置实验课程，充分发挥实验教学在培养学生观察理解、分析综合、应用 创新能力等方面的作用；构建层次化的实验教学体系，适应不同认知特征学生 的需求。 ( 2 ) 开放性原则 改革传统实验的封闭性，建立开放式的实验教学环境。建构主义理论强调 阻学生为中心，认为学生是认知的主体，是知识意义的主动建构者。开放实验条 件，可以构造自主学习环境，为学生的意义建构提供帮助。现在广泛应用的交互 式多媒体综合教学系统，能提供交互式的、反馈及时的教学资源，在学习进度和 教学信息的呈现形式上能给学生更多的自主控制权。随着i n t e r n e t 的普及， 学习者还可以方便地从大学的图书馆获取教学资源。当然也可以把一些实验 制成可以拿到学习者家中使用的实验包，通过交通运输途径送到学习者家里， 供他们自由地支配，实现实验内容的开放。同时学生可以自主地选择实验课 题，并设计实验的内容，取消规定实验时间的限制，实现实验时间的开放。 ( 3 ) 随机性原则 建构主义的“随机进入教学( r a n d o ma c c e s si n s t r u c t i o n ) ”原则认为，由于 事物的复杂性和问题的多面性，要做到对事物内在性质和事物之间相互联系 的全面了解和掌握，即真正达到对所学知识的全面而深刻意义上的建构是很 困难的。因而，应当为学生创造随意通过不同途径、不同方式进入同样内容学 习的环境从而使学生获得对同事物或同一问题的多方面的认识与理解。依 据这一原理，可以建立随机实验环境：围绕同一实验原理，设计多种不同起点、 不同路径的实验模式：提供多次实验机会，让学生随机选择不同的实验模式， 引导他们获得多方面的理解和认识。 ( 4 ) 探索性原则 布鲁纳的