虚拟实验室的研究现状及其发展趋势.docx

2010年第17期(总第105期)虚拟实验室的研究现状及其发展趋势陈小红上海欧华职业技术学院 上海 200233摘 要：本文阐述了虚拟实验系统的发展和相关技术背景，及其国内外研究现状。分析了当前研究的不足，提出了虚拟实 验系统的发展趋势。随着网络技术的飞速发展和普遍应用，利用虚拟实验室进行实验教学已成为一种趋势，将会成为未来 实验教学的重要途径和方式。关键词：虚拟实验室；研究现状；发展趋势21世纪是信息和知识经济时代,实验教育的任务 是培养具有创新精神和能力的高素质人才。随着电子 技术高速发展,新器件、新电路不断涌现,普通实验室 的更新速度无法跟上技术的发展。此外普通实验室涉 及仪器调试、管理、易损坏等问题。在实验时间和一 些损耗性大的实验项目上对学生限制过死。同样,远 程教育学员一般都要在规定的时间到指定的学校集中 完成实验项目,技能培养质量无法保证。教育机构必 须考虑如何跟上实验的时代性和先进性,创设实验内 容丰富、训练操作扎实、不受时空限制的开放性实验 环境。近年来,由于虚拟仪器、仿真技术和网络技术 的飞速发展,构建虚拟实验室将会成为一种经济、高 效的首选方案。一、虚拟实验室的历史发展和技术背景虚拟实验室(virtual laboratory)的概念，于 1989年由美国的william wolf教授最早提出，用来描 述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。w o l f教授形 象的把虚拟实验室称为“没有围墙的研究中心”。随 着网络技术的发展，虚拟实验室已不再局限于其原有 的范畴，已经逐渐将成为一种崭新的教学形式。所谓 虚拟实验室，实际上是利用虚拟技术仿真或虚构实验 情景，利用鼠标的点击、拖动，将微机上虚拟的各种收稿日期：2010-04-06 作者简介：陈小红，硕士。e-mail:仪器，按实验要求、过程组装成一个完整的实验系 统，并完成整个实验，包括原材料的添加，实验条件 的设置、数据采集以及实验结果的处理、分析，同时 可利用网络与教师和同学进行交流，真正实现了学生 的主体性地位。到目前为止，按一般意义上的理解，虚拟实验的 发展经历了两个阶段：(1)计算机仿真阶段，它主要 利用计算机在处理数据方面的优势，选用的实验对象 常是高度抽象的数值关系，较注重逻辑性和确定性， 基本上将用户视为旁观者，限制了其应用范围；(2) 虚拟现实阶段，虚拟现实技术系统营造虚拟实验室， 实验者运用某些设备完全进入虚拟实验室环境中，并 可根据需要通过多种交互设备（如头盔、数据手套和 刚性外骨架衣服等）来驾驭该环境，同时用于操纵该 环境中的物体（如仪器设备、实验对象、实验资料 等）突出了实验的形象性和直观性。从技术层面上看,各类虚拟实验系统的基本思 想是一致的,即用软件方法来模拟硬件设备的功能。 为了实现上述功能和目的，需要使用一些相关的技 术：(1)vr技术，虚拟现实技术(virtual reality， 简称v r)是以计算机技术为核心，综合使用交互设备 融视、听、触、感为一体的模仿现实的三维空间再 现技术；(2)lab view技术，lab view(laboratory virtual instrument engineering workbench) 程序 称为“虚拟仪器程序”(简称v i)，是一种基于图形 编程语言的开发环境；(3)j a v a作为一种程序设计语 言，具有可移植性和安全性，提供了并发机制，具有1072010年第17期(总第105期)很高的性能；(4)activex技术，它可将复杂的任务分 割成小的模块，作为组件。采用组件思想为构造虚拟 仪器带来了很大方便；(5)a s p技术提供一个服务器端 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；(6)交互式flash技术。flash技术用 于网络虚拟实验室的开发具有开发速度快、界面美 观、视觉冲击效果强、体积小、不需要安装、可直接 在浏览器中进行操作等特点，但在交互性方面尚有不 足，视觉效果不如3d。二、虚拟实验室研究现状虚拟实验室概念的提出至今仅为10余年的时间， 但因其诱人的应用前景，各国均在大力开发，已经取 得了很大的进展。1.国外研究现状目前，虚拟实验室在发达国家已十分普及。作 为首先提出虚拟实验室概念，并具有雄厚的科研实力 和强大财力的美国，从一开始就十分重视虚拟实验室 的研究与开发，在该领域的研究和应用已处于领先地 位，在大学的普及程度也相当广泛，其中麻省理工学 院的w e b l a b远程实验室于1998年开发并投入使用。 它提供了用于进行微电子学和电路设计课程的实验教 学，它允许学生在自己的电脑上设计并修改电路模 型，然后通过一个用j a v a激活的w e b浏览器使用在远 程实验室里的昂贵的测试设备来获取测试数据，验证 自己的设计，最近还实现了通过手机远程控制实验的 功能。vla b是美国俄勒冈大学物理系主办的物理实验网 站。该网站包含了天体物理、能量与环境、力学、热 学等方面的几十种虚拟实验。该系统采用jav a语言开 发，实验程序需要从服务器端下载，并运行在客户机 上。由美国michigan大学化学工程系创建的vrcel实 验室，主要用来探索和开发虚拟现实技术在化学工程 领域的应用。美国霍华德休斯医学研究会（hhm i） 建立的虚拟实验室是完全交互式的生物医学的实验室 模拟。德国r u h r大学网络虚拟实验室是一个有关控制工 程的学习系统,它通过直观的三维实验场景视觉效果, 依赖各虚拟实验设备的仿真特性,实现对虚拟实验的 交互式操作。西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟 工作平台。意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室。新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力 容器实验，在远程控制实验方面取得很大的成果。2.国内研究现状在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重 视。由于虚拟实验技术的特点，它的实际应用在理工 教学中大有作为，尤其在电工电子、医学、建筑、生 化等学科有重要作用。据了解，目前国内的多数高校 都根据自身教学需求建立了虚拟实验室，典型的有： (1)中国科技大学在虚拟实验室的建设和使用方面形 成的如物理仿真实验软件、广播电视大学物理虚拟实 验、几何光学设计实验平台、大学物理虚拟实验远程 教学系统；(2)浙江大学的虚拟化学实验,是基于w e b 的虚拟实验,以v r m l为基础构筑虚拟实验环境,并利 用j a v a技术来实现虚拟实验场景的人机交互；(3)同 济大学建筑学院建成的可以对建筑景观、结构进行仿 真的虚拟现实实验室；(4)西南交通大学开发的t d s- j d机车驾驶模拟装置等；(5)清华大学的“电力系统 及大型发电设备安全控制和仿真”国家重点实验室和 利用虚拟仪器构建的汽车发动机检测系统；(6)中国 农大的虚拟土壤作物系统实验室,通过应用g p s、 g i s作物3d数字化技术和其他信息采集技术,实现对农 田土壤水分、养分、盐分等与作物生长的相互作用关 系的定量化研究,建立虚拟土壤作物系统,通过计 算机上的虚拟实验,部分地替代在现实世界中难以进 行的或昂贵的试验。此外，复旦大学、上海交通大 学、陕西师范大学等一批高校，也相继开发了一批新 的虚拟仪器系统供实验教学和科研使用。三、虚拟实验室发展建议和趋势 1.加强虚拟实验系统应用研究 目前网络虚拟实验系统的研究内容主要集中在理论探讨、系统的设计与开发、虚拟实验网络教学平台 的开发，但对虚拟实验系统应用于教学的模式与效果 分析、虚拟实验系统开发评价等方面的研究不多，尤 其是关于学生对网络虚拟实验系统学习体验的调查和 评价的研究很少。2.虚拟实验系统通用模型的设计与开发 目前网络虚拟实验系统的设计与开发的研究都是基于某一门课程实现，开发的技术种类繁多且都基本 成熟。如何开发出某一类学科的虚拟实验通用模型， 实现基于此平台的二次开发，以避免不必要的重复劳108e-mail: 2010年第17期(总第105期)动，提高开发效率，使之成为社会化的远程实验教学 的产品，对现阶段网络教学的深入开展显得尤为重 要。3.实现技术上必将形成多种技术相融合，优势互 补的局面使用某个单一技术构建网络虚拟实验系统，在某 些方面有优势，在另一方面必然存在不足。因此，将 多个技术相融合开发优势互补，对构建一个好的虚拟 实验系统显得十分重要。当然也要考虑应用实际，即 技术使用的成本效益和技术的友好程度，选择合适的 开发技术。4.完善分布式和协作虚拟实验的功能 与同伴合作是实验过程中一个至关重要的环节，因为科学实验常常是种协作性的活动。国内虚拟实验 室在支持分布式协作科研方面的功能还需要大力完 善。大多数虚拟实验室只是局限于一个学院、一个小 型的局域网或一个学校的校园网，可以实现不同科研 单位之间协作研究的实验室并不多见。5.自适应虚拟实验室 自适应实验即指能修正自己的特征以响应规则原理的变化,并根据学习者的学习过程生成一个反馈回 路，为学习者提供一个自适应的获取知识和技能的实 验学习环境。该系统的基本特征是能从环境中获取信 息并能自动改善其性能。四、结束语虚拟实验室增强并扩展了实验教学的功能，以前 所未有的方式将学生和实验仪器联系起来，为学生提 供了一种崭新的实验方式。在使用虚拟实验室的过程中，如果能把模拟的与真实的相比较，加强学习者之 间的相互合作，并注重激发学习者的兴趣、促使其进 行探究，那必将会产生巨大的教育价值。参考文献 1 tutta s.j, wagne r.b. distributed online laboratorieseb/ol.2budhu.m.virtual laboratories for engineering education.eb/ol. 3guzmn.j.l,berenguel.m,rodrguez.f,et al.web- based remote control laboratory using a greenhouse scale modelj.computer applications in engineering education,2005,13(2):1111244szczytowski.p.vclab as an example of gridifying virtualscientific experiments eb/ol.5ertugrul.n.towards virtual laboratories:survey of labview-based teaching/ learning tools and future trend sj.international journal o f engineering education,2000,16(3):1711806华中科技大学.液压与气压传动虚拟实验e b/o l.h t t p:/ /zskj/ 4024/httproot/xunsy/xunsy.htm.7崔光佐,程旭,杨芙清.基于w w w的网上虚拟实验 室设计与实现e b/o l.8车皓阳,余胜泉,何克抗.构建基于w e b的虚拟实验室e b/ ol.9单美贤,李艺.虚拟实验原理与教学应用m.北京:教育科 学出版社,200510刘筱兰,张薇,程惠华,等.虚拟实验室的类型及发展趋势 j.计算机应用研究,2004,11:8the research actualities and development trend of virtual laboratorychen xiaohongshanghai ouhua vocational technical college, shanghai, 200233, chinaabstract：this paper expounds the development and related technical background of virtual experiment system, and the research situation on it.it analyzes the deficiency of the current study and brings forward the development trend of virtual experiment system.with the rapid developme