浅谈虚拟实验室的建设

浅谈虚拟实验室的建设

对于高校和科研院所来说，实验室是非常重要的，在人才培养、创新和发明、科学研究成果的产生方面发挥着重要作用。虚拟实验室作为传统实验室的补充,通过虚拟现实技术构建,自提出后受到各国的重视,在工业仿真、军事模拟、城市规划、三维游戏、教育教学等领域得到广泛应用,并取得良好的效果。虚拟实验室将是未来实验室建设的重要发展方向。《国家中长期教育改革和发展规划纲要(20l0-2020年)》中也提出建设“虚拟实验室”的规划。本文对虚拟实验室进行探讨。1自然交互原则虚拟实验室(VirtualLaboratory)的产生与虚拟现实(VirtualReality,简称VR)技术密不可分。虚拟现实技术出现于20世纪60年代,是人们通过计算机模拟虚拟空间,在用户的视觉、听觉、触觉等感官上进行模拟,并与现实结合,生成一个逼真三维虚拟环境,使用者如同身临其境,实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟实验室(VirtualLaboratory)的概念,最早由美国UniversityofVirginia的Wi11iamWulf教授于1989年提出,最初目的是为不同地域的科研工作者提供一个统一的工作平台,方便不同实验室的科研人员远程协作或共享数据。1995年5月,联合国教科文组织(UNESCO)则将虚拟实验室定义为:为了实现远程协作、实验研究和其他创新活动,通过分散的信息和通讯技术产生并发布结果的电子工作室。综合来看,虚拟实验室是由计算机生成的一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统,创建出一个与传统实验室功能相似的、可视化的实验环境,具有对真实实验过程和实验结果进行模拟,并能对实验结果进行分析、处理以及共享等功能的网络实验室。2虚拟实验室的特性2.1实验资源共享平台为虚拟实验室的基本特性。当初,虚拟实验室只用在不同地点的科研人员之间进行高端实验时的交流和远程科研协作,共同分享实验中的数据和仪器。其共享性主要分为虚拟实验对象共享和实验资源共享等二个方面,虚拟实验对象主要是指基本的虚拟仪器设备、虚拟元器件等,实验资源则主要包括实验中所用到的数据、计算资源以及由视频、图片、文本等组成的多媒体素材。虚拟实验室的共享性在科学研究中的作用明显,能使不同地方的科研人员,一起研究探讨,交流经验,共享资源,优势互补,同时完成一个实验项目,攻克难题。2.2公车私用实验的风险保护实验者使其免受伤害是建立虚拟实验室的目的之一。有许多实验的危险性很大,如模拟核爆炸、汽车碰撞、触电和毒气释放等实验,另外,在实验操作中我们也有可能因误操作给自己带来伤害,而借助于虚拟实验室,完全可以避免这类安全事故的发生,保障了实验者的人身安全。2.3大型仪器设备的稳定性为虚拟实验室的最大优点。虚拟实验室中所有仪器、设备均是由软件虚拟出来的,避免了大型仪器设备的重复添置和购买,不会出现因使用不当、管理不善等因素造成的仪器损坏、元器件丢失等问题,也没有实验材料、器材的损耗,更不需维修费用。如需增加实验项目,仅对软件更新即可实现,后期升级费用也明显降低。2.4网、服务器的虚拟实验台使用虚拟实验室具有良好的开放性。实验者可以自由地进入或退出虚拟实验室,随时进入由互联网技术和服务器技术打造的虚拟实验台操作仪器,通过鼠标的点击与拖拽就可以自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备,进行实验。打破了因为时间、地域及应用平台等的限制,通过任何一台连接网络的计算机终端均可通过网页进入网络虚拟实验室进行虚拟实验。2.5控制策略的反馈虚拟实验室与使用虚拟实验室的用户之间有良好的实时性交互,在实验过程中实验者能够控制实验的进程并提供反馈信息。虚拟实验室的人机交互方式有多种,早期有语音识别系统和手写识别系统,现在采用最多的是桌面式交互系统,它操作起来简单方便,只需通过鼠标和键盘的操作就能完成交互工作。2.6根据实验需要进行自主设计实验项目,体现了自身的自主性虚拟实验室具有不受时间和地点的限制,可以自主选择实验内容的特点。实验者可以根据自身的实验需要利用网络虚拟实验室提供的虚拟器件自主选择设备、器材、工具,自主设计实验项目,而且,遇到大型实验也可以中止,之后从其它地点继续进行实验,体现了实验的高度自主性[5,6]。3虚拟实验室的组成和类型3.1虚拟器材库实验虚拟实验室主要由虚拟实验台、虚拟器材库和实验室管理系统组成。虚拟实验台模拟真实实验环境,使用者可在该台上做实验。虚拟器材库管理各种虚拟的实验仪器及实验材料等,使用者可利用库中的器材搭建不同实验项目或实验案例,完成相应的实验操作及训练。实验管理系统包含对用户和仪器相关信息的管理,使用者可通过系统提供的在线聊天功能或论坛进行讨论、交流[6,15]。3.2虚拟实验室的类型有不同分类方法,主要有以下分法。3.2.1适用范围和开放程度较小单机版虚拟实验室:操作简单,运行速度快,在计算机上安装相应的软件(插件)就能够浏览使用,但适用范围和开放程度较小,无法实现资源共享和资源最优化利用。网络版虚拟实验室:将文件存储在服务器的数据库中,根据实验项目提供的信息,构建不同工作平台并协同开发各种虚拟实验,同时,依据客户端要求进行相应的改进,实现资源共享和资源的最优化利用。3.2.2虚拟实验室的概念桌面式虚拟实验室:结构简单,屏幕是唯一观察和感受虚拟境界的窗口,用键盘和鼠标等与虚拟环境进行交互,易于普及推广,是目前应用最广泛的虚拟实验系统。增强型虚拟实验室:把虚拟的实验环境与真实的实验环境结合起来,虚拟实验作为真实实验的补充和提高,增强实验的效果。投入式虚拟实验室:该系统造价昂贵且技术要求极高,是最复杂的系统,如配有数据手套和头盔显示器等交互设备。使用该实验室时,操作者具有完全置身于现实环境的感觉。4设置软件平台构建虚拟实验室的关键是采用计算机软件技术和计算机仿真技术。其中有两个关键步骤,即选择三维制作软件和虚拟现实制作软件。构建虚拟实验室的技术手段主要有Java技术、ActiveX控件、VRML技术、X3D技术、ASP技术、QuiekTimeVR技术、Flash技术、NET技术等。常用的软件有:LabView、MatLab、EDA、PSPICE、Quartus、Protel等,用这些软件搭建平台以实现对相关实验过程的仿真。搭建软件平台时应根据实验内容、性质、特点及要求,合理选择相应技术手段。尽可能减少开发工作量,并考虑软件的运行效率。选择软件时,一般选择技术成熟的若干软件进行组合,取长补短,用来更好地模拟真实实验过程,进行仿真实验。比如,采用LabView和MatLab的组合来进行混合编程。根据Labview软件具有强大的设备连接控制功能,能够为多种设备提供接口,既支持虚拟器件,同时也支持网络扩展实现远程操控;MatLab主要用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算。利用LabView强大的控制与显示控件库,构建实验平台,利用MatLab强大的计算功能和丰富的工具箱,实现计算机仿真。再如,采用VB、VC++和PSPICE混合编程,就是利用VB控件的方便实现功能、VC++的便利的绘图功能以及数据库技术,以及PSPICE在电力电子电路仿真方面的权威性和精确性,实现电路的计算机仿真。5虚拟实验室建设虚拟技术的出现,特别是虚拟实验室提出后,各国都很重视,纷纷对虚拟实验室进行研究,取得很多成果。5.1实验实验设计美国在20世纪90年代就将虚拟实验室的研究列入其科研发展的战略规划。麻省理工学院用于在线检测设备的WebLad虚拟实验室,在1998年就投入了使用;密歇根大学的虚拟化学实验室,实现了催化剂钝化和非恒温反应的虚拟实验;德国Ruhr大学的网络控制工程虚拟实验室,依靠虚拟设备的仿真特性,能够对控制工程类实验项目进行虚拟操作;意大利帕瓦多大学的远程教育虚拟实验室,实现了异地教学,促进了教学方式的改革和创新:其他较著名的还有英国牛津大学化学系的虚拟化学实验室、新加坡国立大学的虚拟电子实验室等。许多知名企业也投资开发虚拟实验系统,如思科公司的虚拟实验系统,包括了思科所有路由器和交换机产品型号的实验设备,如果想考取思科认证,可通过思科学习实验室进行相关内容的学习;泰克公司开发了LED测试实验室、变频器测试实验室、逆变器测试实验室等虚拟实验室,具备从产品研发到产品演示、产品报价、预约参观等一系列功能。5.2国家实验设计与实验室在国内,对虚拟技术的研究虽然起步晚,但也取得了较多成果。中国科学技术大学研制的光学虚拟实验室具有代表性,是我国第一套虚拟教学软件,它操作简单,效果真实,学生通过该虚拟实验室能够完成单透镜和组合透镜的所有实验;清华大学建立了检测汽车发动机系统的虚拟实验室,用于城市防灾减灾决策与规划的数字防灾虚拟工程实验室;中国农业大学的虚拟土壤一作物系统实验室,通过模拟植物在三维空间中的生长发育情况,用来探讨虚拟植物模型在农业领域应用的关键问题;四川联合大学的虚拟仪器系统包括由8台仪器组成的航空电台二线综合测试仪;北京邮电大学等单位在国家十一五科技支撑计划项目的支持下,已研制出开放式网上计算机网络虚拟实验室、开放式网上Linux操作系统虚拟实验室、开放式网上模拟电路虚拟实验室、开放式网上电路分析虚拟实验室、开放式网上高频电子线路虚拟实验室、开放式网上数字电路虚拟实验室、开放式网上信号与系统虚拟实验室等;上海交大医学院和复旦大学上海医学院等研发的虚拟实验室,能够虚拟9项医学功能学实验,学生和老师可不受时间和地点的限制,通过登录网络虚拟实验室进行实验和交流等。此外,还有中科院上海有机化学研究所的虚拟化学实验室;北方交通大学的RECEL(RemoteElectronicsandCircuitsExperienceLab)网络电工电子实验教学系统;大连理工大学的基础仪器分析和化学分析虚拟实验室;中国科技大学的物理仿真实验室;同济大学的建筑景观结构仿真实验室;浙江大学构建的计算机组成原理虚拟实验室;国防科技大学的现代测控技术与应用虚拟实验室等。6虚拟实验室的发展趋势6.1虚拟实验室中心由于虚拟实验室的优越性,人们将加强其建设,如成立虚拟实验室中心等。虚拟实验室也将像传统实验室那样,不同实验室之间将加强合作,实现优势互补。6.2使用更加便捷虚拟实验室的应用范围会越来越广,功能会更强大,使用也会越来越便捷。比如,使用者不但能从实验过程中获取实验信息,而