（教育技术学专业论文）基于vrml的远程仿真实验室的设计与实现研究.pdf

四川师范大学硕士学位论文 基于v r m l 的远程仿真实验室的设计与实现研究 教育技术学专业 研究生彭吉练指导教师李泰峰副教授 远程教育作为教与学相分离的一种教学方式，可以在学习者不脱离工作 岗位的同时完成学习任务，因此自从其产生以来，受到教育界的热切关注， 并迅速发展壮大，现已成为整个教育体系的一个重要组成部分。采用远程教 育方式进行知识的传授和辅导，基本能达到全日制学习的教学效果，然而因 其本质特征：教与学的分离，不可避免的与近距离性质的实验教学产生冲突。 这已成为远程教育继续发展不可忽视问题。同时，在广大高校教育和职业教 育中，实验资源紧张也使得实验教学工作达不到预定培养锻炼学生技能等目 标。正是在这种环境下，虚拟实验技术应运而生。 虚拟实验可分为控制类和仿真类两种，本文主要研究仿真类实验的设计 与实现。在认真研究仿真实验的相关理论和技术实现手段的基础上，提出并 实现了基于v r m l 技术的仿真实验室，对如何应用v r m l 技术设计实现仿 真实验室做出一定的研究与探讨。 本文引言部分就仿真实验室的研究目的与意义进行了探讨，分析了什么 是仿真实验室技术，并对国内外研究现状进行了概要的介绍。 第二章首先就实验方法及其在科学研究中的作用进行了论述，然后讨论 了实验教学对于培养学习者的技能及科学品质的重要意义。 第三章分别概要介绍了现阶段教育体系中远程教育和职业教育两种主 要教育形式，指出它们在实验教学方面都需要有所创新以满足教学需要。 在第四章里主要就仿真实验室的技术基础进行研究。论述本文使用的基 础技术( 虚拟现实建模语言) 的产生、发展及技术原理。 一 第五章是本文的核心部分，具体阐述仿真实验室的设计与实现。首先说 明了仿真实验室的体系架构的选择与构建，以及系统设计目标，随后论述了 第1 i i 页 矗- 四川师范大学硕士学位论文 系统中几个关键模块的设计原理和实现方法。最后以迈克耳逊干涉仪为实 例，探讨了仿真实验室中的核心部分仿真实验的设计与实现，并就系统关键 代码进行了分析说明。 最后一章总结了本文所做的工作，指出基于v r m l 技术的仿真实验室能 够较好地仿真模拟实际实验，对解决现阶段实验教学面对的问题具有一定的 参考意义。 关键词：实验教学，虚拟现实，仿真实验；v r m l ，e a i 第1 v 页 忡 、# 7 q 四川师范大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho ft h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fr e m o t e s i m u l a t i o nl a b o r a t o r yb a s e do nv r m l a b s t r a c t t h er e m o t ee d u c a t i o n ，a sat e a c h i n gm o d et h a ts e p a r a t e so ft e a c h i n ga n dl e a r n i n g ， c a nc o m p l e t el e a r n i n gt a s kw h i l et h el e a r n e rd o e sn o tl e a v ew o r kp o s i t i o n ，s oi th a d r e c e i v e dt h ee a r n e s tc o n c e r no ft h e e d u c a t i o nc i r c l e sa f t e ri t se m e r g i n g ，a n d d e v e l o p e dr a p i d l y n o wi t h a sa l r e a d yb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n tm e m b e r si nt h e w h o l ee d u c a t i o ns y s t e m c a r r y i n go i lt e a c h i n ga n dc o a c h i n go fk n o w l e d g eb yr e m o t e e d u c a t i o n ，c a nb a s i c a l l yr e a c ht h et e a c h i n gr e s u l to ff u l l - t i m es t u d y , b u tb e c a u s ei t s e s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i c ：t e a c h i n gi ss e p a r a t e df r o ml e a r n i n g , i t su n a v o i d a b l et ob e c o n f l i c t e dw i t ht h ee x p e r i m e n tt e a c h i n go fc l o s e l yo p e r a t i o n t h i sh a sa l r e a d yb e c o m e t ob eas e r i o u sp r o b l e mo ft h er e m o t ee d u c a t i o na n di t sd e v e l o p m e n t m e a n w h i l e ，i n u n i v e r s i t ye d u c a t i o na n dv o c a t i o n a le d u c a t i o n ，t h eg o a lo ft r a i n i n g s t u d e n t so f t e n 。 c a n n o tb ea c h i e v e df o rt h es h o r ts u p p l yo fe x p e r i m e n tr e s o u r c e j u s tu n d e rt h i sk i n d o fe n v i r o n m e n t ，t h et e c h n o l o g yo fv i r t u a ll a b o r a t o r ya r i s e sa tt h eh i s t o r i cm o m e n t v i r t u a le x p e r i m e n ti sd i v i d e di n t ot w ok i n d s ：c o n t r o la n ds i m u l a t i o n t h i st h e s i s p a y sm a i na t t e n t i o nt ot h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t o nt h e b a s i so fs t u d y i n gt h er e l e v a n tt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g y , t h es i m u l a t i o nl a b o r a t o r y b a s e do nv r m lt e c h n o l o g yh a sb e e np r o p o s e da n dr e a l i z e d s o m er e s e a r c ha n d d i s c u s s i o no nh o wt oe m p l o yv r m lt e c h n i c a lt od e s i g na n dr e a l i z e s i m u l a t i o n l a b o r a t o r ya r em a d e t h ef o r e w o r dp a r to ft h i si st h e s i sc a r r i e do nt h ed i s c u s s i o no nr e s e a r c hp u r p o s e a n dm e a n i n go ft h es i m u l a t i o nl a b o r a t o r y ，i ti sa n a l y z e dw h a ti s t h et e c h n o l o g yo f s i m u l a t i o nl a b o r a t o r y , a n dh a ss t u d i e dt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n di n t r o d u c e do u t l i n e b o t ha th o m ea n da b r o a d c h a p t e rt w od e s c r i b e do ne x p e r i m e n t a t i o na n di t sr o l e i ns c i e n t i f i cr e s e a r c h a t f i r s t ，t h e ne x p o u n d e dt h ef a c te x p e r i m e n tt e a c h i n gi s f o rt r a i n i n gt h el e a r n e r s s k i l l a n di m p o r t a n tm e a n i n go ft h es c i e n t i f i cq u a l i t y c h a p t e rt h r e e i n t r o d u c et h ep r e s e n ts t a g er e m o t ee d u c a t i o na n dv o c a t i o n a l 第v 页 一| 。” _ 四川师范大学硕士学位论文 e d u c a t i o ni nt h ee d u c a t i o ns y s t e mr e s p e c t i v e l y ，p o i n t e do u tt h e yn e e d i n n o v a t i n gi n o r d e rt om e e tt e a c h i n g sn e e d st os o m ee x t e n ti ne x p e r i m e n t t e a c h i n g m a i n l yc a r r i e d o nr e s e a r c ho n t e c h n o l o g i c a lf o u n d a t i o no ft h e s i m u l a t i o n l a b o r a t o r y i nc h a p t e rf o u r d e s c r i b e dt h e e m e r g e n c e s ，d e v e l o pa n dt e c h n o l o g i c a l p r i n c i p l e o ft h eb a s i ct e c h n o l o g yt h a tt h e t h e s i st l s e s ：v i r t u a lr e a l i t y m o d e l i n g l a n g u a g e c h a p t e rf i v ei s ak e yp a r t h e r e i n ；e x p l a i nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h e s i m u l a t i o nl a b o r a t o r ys p e c i f i c a l l y n a r r a t e dt h eb u i l du pc h o i c ea n dc o n s t r u c t i o no f s i m u l a t i o nl a b o r a t o r y , a n ds y s t e m a t i cd e s i g ng o a la tf i r s t t h e nd e s c r i b e dt h ed e s i g n p r i n c i p l e s a n d i m p l e m e n t a t i o nm e t h o do fs e v e r a lk e ym o d u l e si nt h es y s t e m s u b s e q u e n t l y r e g a r dm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e ra se m b o d i m e n tf i n m l y ，p r o b e di n t o t h ek e yp a r t si nt h es i m u l a t i o nl a b o r a t o r y , t h e d e s i g na n dr e a l i z eo fs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t ，a n a l y z e d ，e x p l a i n e ds o m ek e yc o d e so ft h es y s t e m t h el a s tc h a p t e rs u m m a r i z e sw o r kt h i st h e s i s d i d ，p o i n t e d o u ts i m u l a t i o n l a b o r a t o r yb a s e do nv r m lt e c h n o l o g yc a ns i m u l a t ea c t u a le x p e r i m e n tv e r yw e l l ，i t h a sc e r t a i nr e f e r e n c em e a n i n g si ns o l v i n gt h ep r o b l e mt h a t e x p e r i m e n tt e a c h i n gi s f a c e da tt h ep r e s e n ts t a g e k e y w o r d s ：e x p e r i m e n tt e a c h i n g ，v i r t u a lr e a l i t y , s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，v r m l e a j 第v i 页 四川师范大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 研究目的和意义 随着信息社会的到来，知识陈旧和更新的速度大大加快，即使接受过高等教 育的专业人员也存在着知识老化的问题，需要接受继续教育，不断更新和创新。 教育应当贯穿于人的一生，成为每个人不可缺少的精神粮食。这种与生命有共 同外延并扩展到社会各个方面的连续性教育，即联合国教科文组织所定义的终 生教育【l 】。信息社会的客观要求已使终身教育成为社会和个人发展的必需。 国际开放与远距离教育协会研究委员会前主席，著名远程教育专家德斯蒙 德基更教授认为“远程教育是各国政府在2 1 世纪为国民提供终身学习的第一 选择，也是2 1 世纪进行终身教育的首选方式。”我国政府也认识到终身学习是 当今社会发展的必然趋势，指出为了实现终生教育体系，学校要进一步向社会 开放，为学习者提供多种多次受教育的机会。要以远程教育网络为依托，形成 覆盖全国城乡的开放教育系统，为各类社会成员提供多层次j 多样化的教育服 务。教育部在面向2 1 世纪教育振兴行动计划文件中，提出了实施现代远程 教育工程，在继续推动广播电视教育的同时，启动和大力发展基于计算机网络 的现代远程教育，有效发挥现有教育资源的优势，适应终身学习和知识更新的 需要，这是在教育资源短缺的条件下办好我国教育的战略措施【2 】。在现代远程教 育中，通过i n t e m e t 开设高质量的网络课程，组织全国一流水平的师资进行讲授， 实现跨时空的教育资源共享，不断扩大社会成员的受教育机会。在随后的关 于发展我国现代远程教育的意见中，教育部对实施现代远程教育的必要性与 紧迫性，指导方针，目标任务和主要措施等等作了明确规定，为现代远程教育 工程的实施划出了航线，指明了方向。在关于启动现代远程教育第一批普通 高校试点工作的意见文件中，批准清华大学、浙江大学等四所高校作为启动+ 我国现代远程教育第一批试点高校，正式启动了现代远程教育。 教育部关于支持若干所高等学校建设网络教育学院开展现代远程教育试 点工作的几点意见是中国远程教育发展史上一份的重要文件：赋予远程教育 历史上从未有过的、充分开放的办学自主权，极大地调动了我国普通高校开办 现代远程教育的积极性。普通高校纷纷申请参加试点。现在，试点高校己增至 第1 页 四川师范大学硕士学位论文 6 7 所，加上中央广播电视大学，共6 8 所学校开展了现代远程教育。截止2 0 0 4 年底，试点高校网络教育累计注册学生数己达到3 0 0 多万人，占全国在校大学 生总数的1 5 。另外，网络教育自开展以来累计毕业生已达1 9 0 多万。 2 0 0 5 年1 0 月，在党的第十六届中央委员会第五次全体会议上通过的中共 中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议中，明确指出“发 展现代远程教育，促进各级各类教育协调发展，建设学习型社会。 这表明发展 现代远程教育已成为国家战略、社会共识。全国高校现代远程教育协助组秘书 长严继昌认为，把发展现代远程教育列入“十一五规划”，说明现代远程教育在 我国未来五年的发展中将承担起更为重要的历史使命，远程教育在国家政策上 具有很好的发展空间，将成为我国建设学习型社会的重要手段，通过发展远程 教育，也有助于促进我国各级各类教育的协调发展，同时使我国的教育资源得 到地域上和教育对象上的最大延伸。我国远程教育专家丁兴富则认为，党的十 六大提出全面建设小康社会的目标包括初步建成学习型社会，而现代远程教育 是建设终身教育体系和学习型社会不可或缺的战略选择。 可见，大力发展现代远程教育，不仅是信息时代建设者终生学习的需要，也 是我国教育事业中的基本发展战略。然而，各试点高校在发展过程中为社会做 出巨大贡献的同时，也面临这样或那样的问题，如何在远程教育中实现实验教 学，就是必须面对的问题之一。 一 实验教学是教学活动中一个重要的环节，对于学生学习和掌握科学的思想 方法，培养创新精神和尊重科学，实事求是的思想品德具有重要的意义。学生 的大部分实践能力都是通过实验得到的。对于实践性较强的学科，例如基础学 科的物理、化学、生物，工程学科的控制学、电子线路等中的实验教学，实验 教学是教学活动中必不可少的环节，如果缺少实验动手的机会，课程教学效果 将受到严重的影响。然而在远程教育中，由于教学机构与学生在空间上的分离， 使得学生无法到实验室做具体的实验，这已经成为制约远程教育发展的一个重 要问题。 为了解决远程教育中教学活动的远距离性和实验教学的近距离性的矛盾， 人们研究探索了各种方法，试图解决这一问题，而虚拟实验室技术就是其中最 具潜力和发展前途的，值得关注的解决方案。 第2 页 四川师范大学硕士学位论文 虚拟实验室( v n t u a ll a b o r a t o r y ) ，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 ) 威廉沃尔夫( w i l l i a mw o l f ) 教授于1 9 8 9 年首先提出的，它是一个综 合了不同工具和技术的信息化、网络化的集成虚拟实验室环境。在这个环境里， 用户可以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【3 j 。 按照系统中是否存在实际的硬件设备，可将虚拟实验分为两类：控制类实验 和仿真类实验【4 1 。在控制类实验中，虚拟实验软件通过扩展的计算机数据采集接 口卡( 例如常见的g p i b 接口卡) 与虚拟仪器的硬件连接，虚拟仪器将采集到的 数据传送到软件部分，然后由后者完成数据的处理、显示，再返回指令实现对 硬件的控制。而仿真类虚拟实验中没有任何硬件，不管是实验装置，还是数据 的产生、处理与显示，全部通过软件模拟的方式实现。这类实验通过建立某些 设备的数学模型或者数据库模型，把整个模型连同程序系统置于服务器平台上， 用户的操作会引起仿真模型的运行及计算，从而得出相应的结果。 按照系统的功能结构和实现方式，又可将虚拟实验分为单机类实验和网络 类实验。单机类虚拟实验所有软、硬件设备都处于用户直接操作的计算机上或 与之直接相连，实验运行效率高，实验过程可直接观测，但必须物理接触实验 资源，因此利用效率较低。网络类的虚拟实验通过各种技术手段，将实验资源 发布到网络上，凡是能够访问网络的计算机都能够进行虚拟实验，大大提高了 实验资源的利用率，因此这类实验也是今后虚拟实验发展的方向。 相对于传统实验方式，虚拟实验室具有如下一些优点： 首先，虚拟实验室有利于实现实验资源共享。通过计算机网络，先进实验教 学方法和卓越的实验条件可以为校内外广泛使用，从而可以节省许多基础设施 的低水平重复建设和仪器设备重复引进的资金投入，有利于从整体上改善办学 条件和提高教学水平。 其次，实验系统易于扩展。在当今的信息时代里，知识更新速度十分迅速， 新型的、性能更优的仪器设备更新周期越来越短。虚拟实验室的硬件可以根据 需要随时更新，设计良好的系统软件能够比较容易地升级，提供的服务也能随 时增加。虚拟实验室具备较好的系统升级、服务功能扩展的特性。 最后，实验教学方式灵活、方便。特别是基于i n t e r n e t 的虚拟实验室，使教 学模式不同于传统的面对面的单一、死板的教学模式，它能够灵活地提供给学 第3 页 四川师范大学硕士学位论文 生不同的实验教学内容，学生可以根据实际情况确定学习内容和学习时间，安 排学习进度，可最大限度地满足学生个性化学习的需要。 虚拟实验室是网络技术、多媒体技术、虚拟现实技术共同发展的产物，在远 程教育中具有广阔的应用前景，同时对全日制教育中的实验教学也是有益的补 充，是实验教学的一个新的发展方向。对虚拟实验室的研究，必将促进实验类 课程的教学，为学生提供一种真实或接近真实的、形象直观的、可随时随地进 行实验的虚拟环境，对于培养和提高远程学生的实验技能具有极为重要的作用。 1 2 国内外研究现状 在虚拟实验主中，广大实验教育工作者和相关专家学者对控制类实验系统 进行了比较深入的研究，此类实验应用较为广泛。 电子科技大学叫i 联合虚拟仪器实验室在国家精品课程龟子测量原理 的实验建设中，设计并实现了基于虚拟仪器平台的远程互动实验。其中基于e p p 和u s b 的虚拟仪器综合测试平台由基本平台和系列化实验电路板组成，具有很 好的可扩展性和开放性。基本平台内含d d s 信号源和数字序列波形发生器，以及 基于高速数据采集的数字存储示波器，信号源用于产生模拟或数字激励信号，高 速数据采集用于采集测试响应信号；系列化实验电路板包括模拟和数字两大部 分，它们作为被测对象，插入基本平台，更换不同的实验电路板，即可完成不同的 实验。虚拟仪器测试平台连接在实验室的服务器上，服务器通过校园网连接 i n t e r n e t ，这样远地学生可随时通过网络申请实验、交互的完成实验( 发送参数， 启动实验，、返回测试结果，整个过程是交互进行的) 、提交报告、网上提问等等， 提高了实验效率，缓解了实验室资源紧张的状况，受到了学生的欢迎瞄3 。 中国科技大学物理系研制了一套基于i n t e r n e t 的扫描探针显微镜( s p m ) 远 程控制系统。该系统分为四部分：客户端、服务器、s p m 仪器端、视频监视系统。 由于设备复杂、贵重，其中客户端分为两种类型，一类是实验主控操作人员程 序端，用于对设备进行远程操作，采用基于t c p i p 协议的c s 结构对s p m 进行 操作运行；另一类是观众客户端，这部分程序是基于h t t p 协议和c g i 的浏览器， 提供给普通用户观看实验过程。服务器和s p m 仪器端通过自行设计的d s p 控制 器组成一套完整的s p m 反馈系统，该实验系统在京沪两地使用，获得了良好的 第4 页 四川师范大学硕士学位论文 实验效果哺1 。 浙江大学电气学院实时控制实验室研制了一套基于c s 模式的远程控制实 验系统。该系统使用一台控制服务器通过主板上的数据采集控制卡与控制对象 进行数据通信，服务器端程序通过嵌入汇编程序实现同硬件端口的数据通信。 客户端登录服务器后通过主菜单选择不同控制方式对远程设备进行数据采样和 控制，并可以通过视频服务器进行监控口3 。该系统已经得到成功运行。 新加坡国立大学的虚拟实验室允许用户通过i n t e r n e t 进行远程实验，使用 b s 方式实验，可以实现昂贵的实验设备的共享陋1 。远程实验室的服务器端使用 l a b v i e w 虚拟仪器软件实现对实验设备的控制，服务器与实验设备之间通过 r s 2 3 2 接口或i e e e4 8 8 2g p i b 总线进行连接。为了能让用户直观地观察到实验 现象，远程实验室采用视频会议技术向用户反馈视频和音频信息。用户可以控 制摄像头的缩放和视角来获取满意的观察效果。在客户端使用支持j a v a 的w e b 浏览器作为统一的用户界面，其中嵌入的j a v aa p p l e t s 可以显示各个虚拟仪器 的面板和数据，并通过i n t e r n e t 与服务器进行通信以传递用户的控制数据和实 验结果。到目前为止，这个实验室已经实现了电路、通信和控制领域的五个虚 拟实验。， 美国德克萨斯州立大学建立了一个远程倒立摆实验系统，主要提供给校内 学生进行远程实验。倒立摆由一台专门的服务器使用m a t l a bs i m u l i n k 作为其 控制器口3 。该实验系统另外还采用了微软的m s n 和n e t m e e t i n g 技术。学生通过 n e t m e e t i n g 连接到控制服务器，可以对相应的控制器进行修改，以获得需要的 控制器结构，控制信号经由串口控制倒立摆的运动，实验结果由音视频装置传 递回客户端。 上述远程控制实验的典型实例，都具有以下的共同特点：整个系统主要分为 三个部分：客户端、服务器( 或专用控制器) 和控制对象。有的系统再加上一个视 频音频监控部分n0 | 。服务器和控制对象之间通过串口、数据采集卡或者专用总 线进行通信。客户机和服务器之间通过基于t c p 协议或者h t t p 协议的应用程序 进行通信，往往构成分布式系统，分别承担远程控制的部分任务。 另一方面，国内外一些大学也根据实际情况，对仿真类虚拟实验室进行了 研究和设计，取得了较好的教学效果。 第5 页 四川师范大学硕士学位论文 中科大基础物理实验中。t l , 人工智能与计算机应用研究室的大学物理仿真 实验，通过计算机把实验设备，教学内容，教师指导和学生的操作融合为一体， 利用软件设计虚拟仪器，建立虚拟实验环境。实验者可在这个环境中操作仪器 模拟真实的实验过程。通过仿真物理实验学习，学生加深了对实验的物理思想 和方法、仪器的结构及原理的理解，实现了培养动手能力，学习实验技能，深 化物理知识的目的，同时增强了学生对物理实验的兴趣，提高了物理实验教学 水平。 北京大学计算机系设计的基于w w w 的网上虚拟实验室3 w n v l a b 是一种支持 大计算量的交互式网上虚拟实验室的通用基础框架n 。它是二个基于浏览器和 w e b 服务器的虚拟实验室，在该系统中，用户平台采用j a v a 编写，用户可通过 界面选择实验种类，并将用户的实验设计通过i n t e r n e t 传送到服务器端。服务 器端是虚拟实验室的核心，用来完成客户端要求的实验内容，并将可信的实验 结果返回客户端。客户收到实验结果后，可评价自己的实验设计，从而对自己 的能力进行判断。 同济大学应用物理系的普通物理网上仿真实验室采用的也是基于w w w 的方 式，客户端主要采用f l a s h 来实现。对每一个实验，系统都列出了实验原理、 实验仪器、实验内容、数据处理、思考题和相关知识等等内容。系统充分利用 了f l a s h 表现力强，动作脚本功能强大的特点，对仪器的常见操作实现了仿真。， 学生通过点击仿真设备的各控制旋钮，调节控制实验设备，完成实验操作。实 验数据的处理利用f l a s h 动作脚本实现。但服务器端采用普通的h t m l 页面技术， 没有对学生的实验操作过程、实验数据进行记录，因此不能评价学生的实际实 验知识和技能的掌握水平。 南华大学物理实验室的大学物理仿真实验系统基于b s 模式，采用f l a s h 、 a s p 技术结合数据库技术实现，可综合适用于单机、局域网和i n t e r n e t 等环境中。 软件程序不是面向具体实验，而是直接面向仿真仪器的，程序的扩展性较好。 学生可以登陆进入系统，这样所作的操作和实验数据郡将被记录在数据库中， 可作实验考试使用。也可不登陆做实验，系统不保留任何数据，适合学生练习 和设计性实验的使用。通过定义良好的仿真仪器接口标准，系统具有较好的封 装性，独立性和扩展性。并在动作脚本中科学的实现了很多随机参数，尽可能 第6 页 四川师范大学硕士学位论文 真实的模仿了实际设备n 2 | 。 澳大利亚墨尔本皇家理工大学( r m i t ) 的j o h nb a l l 和k a t ep a t r i c k 设计 的虚拟实验用于进行热传递过程的教学，可以帮助学生快速地掌握这个抽象的 概念n 引。这个虚拟实验采用传统的预测、观察、解释的教学方法，一方面可以 让学生以实验的方式来描述和测试他们自己对热传递的期望，另一方面也可以 让老师更清楚地了解到学生面临的困难。这个虚拟实验使用了多种人机交互手 段，为学生提供了一个易于使用的实验学习环境。 1 3 系统研究对象 物理学是研究物质的基本结构、相互作用和物质最基本最普遍的运动形式及 其相互转化规律的学科。它的基本理论渗透到自然科学的许多领域，是现代自 然科学和工程技术科学的基础。作为一门实验科学，物理学无论是在物理概念 的产生，还是物理规律的发现上，都是建立在严格的科学实验基础上的；同时， 建立起来的理论是否正确，也必须通过实验来验证。可见，物理实验在物理学 的发展过程中具有极其重要的地位和作用。因此，各高校理工科学生在学习大 学物理课程的同时，都必须系统地学习大学物理实验这门课程。此课程 已成为对高校理工科学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，是学生进入 大学后受到系统实验方法和实验技能训练的开端，对于加深学生对物理学原理 的理解，培养和提高学生的科学实验能力和科学实验素养都具有重要的意义。 电子科技大学大学物理实验课程担负着电子科大各工科专业、网络学院、 成人教育学院等学院的物理实验教学工作，同时还负责部分其它高校的实验教 学任务，总共接受实验教学的学生达l 万3 千余人。实验中心既面对网络教育 学院中远程学生不能亲临实验室参加实验的矛盾，同时也面临学生人数众多， 实验资源相对不足的问题。因此针对这一现状，提出设计实现一套基于v r m l 技 术的远程仿真实验室，发布到电子科技大学大学物理实验省级精品课程网 站上，使远程学生在仿真实验提供的三维实验场景和实验设备中自己动手操作 实验，体验真实实验的感受：在校学生也能够在仿真实验中熟悉实验过程，或 反复进行各种实验，不再受限于宝贵的实验资源。同时，也探讨研究基于v r m l 技术的远程仿真实验室的设计与实现，希望能在这方面做出一些有益的探索。 第7 页 四川师范大学硕士学位论文 1 4 论文主要内容 通过总结研究国内外各种远程仿真实验系统的优缺点，基于虚拟现实建模语 言和j a v aa p p l e t 设计并实现了大学物理远程仿真实验室系统。本文在此项目的 基础上，论述了系统设计与实现方面的基本内容。 论文首先探讨了实验方法对于科学研究中的意义，指出实验是科学研究的重 要的基本的方法，是推动科技进步的主要实践手段。实验教育不仅能够帮助学 生掌握知识，提高技能，更重要的是培养学生的实践能力和探索、创新精神以 及实事求是的科学态度。然而由于远程教育中实验教学的近距离性，高等教育 和职业教育由于扩招等原因而引起的实验资源严重不足等原因，现在的实验教 学急需技术创新，以满足广大学生的迫切需求。随后论文在研究虚拟现实技术 和虚拟现实建模语言的基础上，结合具体的一个仿真实验实例，仿真迈克耳逊 干涉仪，对远程仿真实验室设计与实现的原理和关键技术做了概要的论述j 最 后在总结实验窒设计开发经验的基础上，指出基于v r m l 设计实现远程仿真实 验是具有较强真实性和临场感的，现阶段可行的，能较好的满足实验教学需要 的解决办法。 第8 页 四川师范大学硕士学位论文 第二章实验教学的重要意义 2 1 实验方法 所谓实验方法，就是人们根据研究目的，利用科学仪器、设备，人为地控制 或模拟自然现象，排除干扰，突出主要因素，在有利的条件下去研究自然规律 的科学研究方法n 引。从认识论的角度来看，它同归纳、演绎、类比、分析、综 合等逻辑方法不同，后者属于理性活动，不具有直接现实性的性质，而实验却 是一种理性指导下的感性活动，能够直接改变客观事物，属于社会实践的一种 基本形式。所以，实验方法是自然科学知识发展的重要源泉和动力，是检验自 然科学知识真理性的重要标准。马克思曾经把十五世纪以后建立起来的自然科 学称之为“现代实验科学”n5 | 。事实上，实验从生产实践中分化出来，系统实 验方法的产生，是近代自然科学的起点。物理、化学等等科学都是在实验的基 础上产生和发展起来的。现代自然科学与实验研究方法不可分离，相互促进， 相互提高。没有实验，就没有近代自然科学，也没有现代自然科学的发展。 2 1 1 实验方法的起源和发展 、 实验方法是科学思维与生产技术有机结合的产物，自1 6 世纪起逐渐发展成 为科学研究的基本手段，在人们认识世界和改造世界的过程中发挥着巨大的推 动作用。 实验方法在古希腊科学里没有得到应有的重视，古希腊学者通常通过直观基 础上的思辨和演绎方式得出关于客观世界的认识。近代科学虽然从古希腊科学 发展而来，但注重实验和归纳，同时也不排斥数学和演绎的作用，因而近代科 学又被称为实验科学。实验科学的倡导者是中世纪后期英国著名科学家罗吉 尔培根( r o n g e rb a c o n ，约1 2 1 4 1 2 9 4 ) 。他充分认识到了只有实验方法才能给 科学以确定性，被认为是近代实验科学的先驱。他认为观察和实验才是获得真 知的唯一方法，积极主张并且从事科学实验活动。在他所从事的光学方面的理 论研究中，都是基于实验的方式而完成的n5 i 。罗吉尔培根的实验科学观点对 自然科学的发展影响极大，从他开始，实验科学开始逐渐发展起来，并很快成 为科学研究的重要方面。 第9 页 四j i l 师范大学硕士学位论文 文艺复兴时期的意大利科学家和艺术家达j 芬奇( l e o n a r d od av i t i c i ， 1 4 5 2 - 1 5 1 9 ) 也领会到观察和实验是科学认识的重要方法，他认为，“科学如果不 是从实验中产生并以一种清晰实验结束，便是毫无用处，充满谬误的，因为实 验乃是确实性之母。 n 刚 被马克思誉为“英国唯物主义和整个现代实验科学的真正始祖 的著名英国 哲学家和科学家弗兰西斯培根( f r a n c i sb a c o n ，1 5 6 1 1 6 2 6 ) 认为人们只要 “肯严肃地直接从感觉出发，通过循序渐进和很好地建立起来的实验进程”去 进行认识，就一定可以把握认识现象。“自然的奥秘在技术的干扰之下比在 其自然活动时容易表露出来。”n 6 1 意大利著名科学家伽利略( g a l i l e o ，1 5 6 4 - - 1 6 4 2 ) 创立的实验和数学相结 合的科学研究方法是近代自然科学研究问题的一般程序和经典方法，它使近代 科学方法真正形成起来。这种方法是在观察和实验的基础上，经过逻辑推理和 数学计算，对未知的自然现象提出假定性的说明和定量的描写，然后再用实验 加以检验。同时，伽利略还强调数学和演绎方法的重要性，主张把自然过程加 以纯化和简化，并且把寻找自然界的数学关系作为研究的重要目标。伽利略非 常重视对观察、实验的结果进行定量的计算和分析，这比起古希腊和中世纪的 学者只注重定性研究是一大进步。伽利略的实验数学方法开创了近代自然 科学研究中经验和理性相结合、定性和定量相结合的传统，这对物理学乃至整 个近代自然科学都产生了深远的影响，在科学方法的发展史上更具有重要的意 义1 引。 2 1 2 实验方法的基本类型 按照不同的标准和要求，可将实验方法划分为不同的类型。 2 1 2 1 根据实验结果性质的不同，可将实验方法划分为定性实验、定量实验和 结构分析实验。 定性实验是指为了确定事物的性质，测定其组成部分的实验，即判定事物“是 不是”或“有没有”的实验。例如，著名物理学家吴健雄为了验证杨政宁和李 政道1 9 5 6 年提出的弱相互作用下字称不守恒的假说，设计了一个实验，把6 0 c o ( 钴) 冷却到0 0 l 开之后，消除了由于钴核的热运动带来的干扰，验证了假说 第1 0 页 四川师范大学硕士学位论文 的正确性。杨政宁和李政道也因此荣获了1 9 5 7 年诺贝尔物理学奖4 1 。 定量实验是指在测定研究对象的组成元素的基础上，进一步寻找各个元素 之间数量关系的实验，即在定性实验的基础上判断事物量的规定性的实验。如 确定人类染色体数目的实验就是定量实验。定性实验是定量实验的基础，因为 只有在确认了事物的性质之后j 才能够确定各成分之间的数量关系。而从定性 实验发展到定量实验，是对事物认识的深入和提高。 结构分析实验是指测定和分析研究对象的空间结构的实验。由于事物的性质 和功能的变化往往与组成要素的结构相联系，测定物质结构的实验引起了人们 的广泛重视。如1 9 5 3 年沃森和克里克根据查迦夫对d n a 化学成分的测定结果和 维尔金斯等对d n a 结晶的x 射线衍射分析结果，通过实验发现d n a 分子结构是 双螺旋形的，从而提出d n a 分子的双螺旋结构模型，推动了分子遗传学的诞生u 引。 2 1 2 2 根据实验功能的不同，可将实验方法划分为析因实验、对比实验和判决 实验。 析因实验是指由已知的结果去寻找产生这一结果的原因的实验。1 8 6 4 年法 国微生物学家巴斯德用实验找到了食物腐败的原因主要是微生物的发酵，奠定 了微生物学的基础，这个实验就属于析因实验。由于事物因果联系的复杂性， 有时一种结果可能由多种原因引起，所以在做析因实验时，应尽可能地把握影 响已知结果的各种因素，避免漏掉某些原因，甚至是重要的、主要的原因。 对比实验又称比较实验，是指把设立的两个或两个以上的相似组进行比较， 其中一个是对照组，作为比较的标准；另一个是实验组，即研究对象组。在实 验中，对两组施加相同的作用，产生不同的效果，然后将收集到的数据进行统 计学处理，最后进行分析、判断，得到最终结果。 判决实验是指人们为了在关于同一问题的两个或多个假说之间做出选择而 设计的实验。1 7 9 9 年英国科学家亨弗利戴维为了确定热是由“热素”还是本 身机械运动引起的，进行了一次著名的实验。在真空中用一只钟表机件使两块 冰互相摩擦，并把整个实验仪器都保持在水的冰点，这样就排除了实验物和周 围环境的热交换，使实验在纯粹的条件下进行。结果冰融化了，证明融化冰所 需要的热只能来源于摩擦，从而给“热素说”以致命的打击，为热的分子运动 第1 1 页 四川师范大学硕士学位论文 论的发展扫除了障碍。爱因斯坦称这实验为“判决实验的一个典型例子”n 制。 2 1 2 3 根据研究手段与研究对象的关系，可将实验划分为直接实验和间接实 验。 直接实验是指直接对研究对象进行的实验，间接实验又称模拟实验，是通过 模型来研究原型的结构或功能的实验。模拟实验又可分为物理模拟和数学模拟 两种。物理模拟是以人工模型与研究原型之间的物理过程相似为基础而进行的 一种实验：数学模拟是指以人工模型与研究原型之间的数学表达式相似为基础 进行的一种模拟实验u 8 j 。 2 2 实验方法的作用 实验方法能使人们按照研究目的，主动有效的收集科学事实，检验假说，证 实和发展理论，其作用总的来看有以下几方面： 2 2 1 纯化和简化自然现象 自然界的事物及其过程都处于纷繁复杂的普遍联系中，其内部又往往是由诸 多部分相联接而组成，这种多样性和复杂性的统一，给科学研究带来了许多认 识上的困难。在科学实验中，人们可以根据研究课题的需要和主客观条件，通 过一定的技术手段严格控制研究对象，排除影响实验观察的无关的、偶然的、 次要的、外来的因素，将复杂的现象简单化，确保实验程序在相对纯粹的状态 中进行，从而发现在自然状态下不可能观察到的现象，揭示客观事实及其本质 联系。 2 2 2 强化和再现自然过程 在自然条件下观察事物，有时可以重复进行，但有些犹如昙花一现的过程， 在短时间内难以重复观察，有些现象很少重复发生，比如生命起源现象的研究。 但通过实验方法，可以创造出在自然条件下难以实现的特殊条件，如高温、高 压、强磁场、强电场、真空等等，使研究对象处在强化的状态下，从而可以观 察到在常规条件下不能或难以观察到的新现象。另外，实验还可以把时过境迁 的现象，在实验室里重现。 第1 2 页 四川师范大学硕士学位论文 2 2 3 加速或延缓自然过程 在自然界的演变历程中，事物的产生和发展的速度各不相同，有些稍纵即逝， 难以观测，有些则变化缓慢，过程漫长。这些情况都不利于科学研究的顺利展 开。而在实验室中，人们可以对自然发生过程进行人为的干预、控制和变革， 使过快的降低速度，太慢的加快进程，以满足人们研究的需要。 2 2 4 是建立新假说，形成新理论的基础 本文后面将介绍的迈克耳逊干涉实验即是一个这样