虚拟实验研究现状及其前景分析

一、引言

实验教学是学生实践能力培养的重要途径。是学校教学的重要辅助手段，是学生真正理解理论知识，并将其运用于实践的重要保证。是激发学生学习兴趣的主要源泉，更是培养和发展学生思维能力和创新能力的重要方法和手段。由于资金、实验器材等各种因素的影响，目前实验教学不能得以很好的开展，这就制约了学生实践能力和创新能力的培养。改变传统实验教学模式已迫在眉睫，采用计算机技术构建的各种虚拟实验室，为实验教学提供了一种新的解决方法。

本文主要对虚拟实验进行介绍，论述了国内外虚拟实验发展的现状，并对今后虚拟实验的前景进行分析。

二、虚拟实验概述

(一)什么是虚拟实验

科学实验一般分为真实实验和虚拟实验，按照我们一般意义上的理解，虚拟实验是相对于真实实验而存在的，两者的主要差别在于实验过程当中所接触的对象是否真实。但在实际应用当中，什么是虚拟实验，人们往往结合自身的感受有不同的认识。

1995年5月，美国爱荷华州立大学举行的虚拟实验室专家会议上采用的定义是：虚拟实验室是利用分布式信息通信技术，为研究和创新活动提供远程协作和实验的一个电子平台。在这里，虚拟实验是作为网络教学的一部分予以描述的，侧重于远程实验这个角度。

也有从技术层面上进行描述的：所谓虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。

另外，从虚拟实验室的功能这一角度表述的定义有：虚拟实验室是一个创造和引导模拟实验的交互环境，即实验场所。它由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成。用户可以通过增加新的物体、建立新的实验并把它们转化成超文本来扩充实验室。

国内的学者单美贤和李艺认为虚拟实验是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及与其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理设备为工具，采用“面向对象”思想创建的，能够实时操作的，非实在的实验空间，在此环境中，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目。

(二)虚拟实验系统的类型

根据虚拟现实技术的浸入程度不同可以把虚拟实验系统分为两类：

1、桌面式的虚拟实验系统

它是利用个人计算机或图形工作站综合立体图形、自然交互等技术，以营造与客观世界类似的环境。用户使用鼠标、键盘、三维鼠标等输入设备与之进行交互，通过计算机屏幕观察并操纵虚拟环境的物体。在桌面式的虚拟实验系统中，参与者会受到周围现实环境的干扰而缺乏沉浸感，是一种初级的虚拟状态，其成本相对较低，因而在各领域应用较为广泛。

2、投入式虚拟实验系统

利用数据手套、头盔显示器、传感器等复杂的交互设备，为用户提供完全投入的功能，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。投入式的虚拟实验系统需要有相应的软硬件环境支持，限制了其在教育领域中的广泛应用。

三、虚拟实验在国内外的研究状况

(一)国外概况

虚拟实验室概念的提出至今仅二十余年，但由于因其广阔的应用前景，各国均在大力开发，已经取得了一些进展。目前，虚拟实验室的建设在发达国家已经相当普及。美国作为当今的科技强国，为继续保持其在科学技术领域的领先地位，尤其重视信息技术的研究，并已将虚拟实验室列入其科研发展的战略规划。在1991年底，美国科学基金会、美国国家科学研究顾问委员会所属的计算机与远程通信部组成了一个“全国(科学)合作实验室委员会”，其任务是调查科学家对信息技术开发的需求，协调科研合作关系，组织并实施具体的信息技术开发。此后，美国联邦政府投入资金在相关专业领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工程，开展了一系列探索性研究并取得了实质性进展。美国一些政府部门(如能源部)，正在制订计划将其所属的科研机构过渡到虚拟实验室环境中。目前，越来越多的院校和科研机构正投身于构筑一个覆盖美国的虚拟实验网络的工作中来。

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，他们在该领域的研究己处于领先地位。虚拟仪器系统及其图形编程语言己成为美国大学理工科学生的一门必修课，其普及程度是相当广泛的。另外，许多国外的大学己组建了远程虚拟实验室，例如：德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化工作平台；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。

(二)国内概况

在中国期刊全文数据库、中国期刊全文数据库一世纪期刊、中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库中进行搜索，国内最早出现有关虚拟现实的文章是发表在《世界知识》1993年第18期上的《走进奇妙的世界——浅谈虚拟现实技术》一文。对于当时的普通中国人来讲，连计算机都是很稀奇的东西，更何况是借助于计算机技术的虚拟现实技术，人们更是闻所未闻。该文作者柯文向人们介绍了一种新的技术并大胆预测：虚拟现实技术可以用于任何领域、任何行业。在不久的将来，这一技术就会像计算机一样迅速得到推广普及，极大地改变我们的生活。

国内出现有关虚拟实验的最早一篇文章是发表在《国外电子测量技术》1997年第3期上的《虚拟电子实验平台》，讨论了以计算机为平台的电子实验台的构成及原理，并给出了以ElectronicsWorkbenchV4.0为实验台的电路实验例子和在计算机上做电路实验的实验方法。

与西方发达国家比较，国内在虚拟实验方面开展的工作虽然还有所欠缺。但近年来得到了重视，一些院校与科研机构也开发了一些比较成熟的虚拟实验室。例如：

1、中科院计算机化学开放实验室

它是由中国科学院、国家科学技术部、国家自然科学基金委员会、法国促进科技研究中法协会资助，中国科学院上海有机化学研究所计算机化学和化学信息学研究室计算机化学研究小组开发的虚拟实验室，包括化合物致癌毒性预测系统、化合物C-13 NMR谱图模拟、红外波谱模拟、虚拟化合物结构生成系统等多种虚拟实验系统，它的宗旨是创建虚拟化学实验室以普及化学计算与模拟，促进化学的严密化，提高化学创新能力，服务化学界，催产数字化学。

2、武汉大学虚拟现实实验室

由武汉大学投资1200多万元建成的虚拟现实实验室将为国内外有关数字地球、航空航天、汽车工业、生物学、医学、物理学和化学等诸多领域的教学与科研工作提供开放的展示和实验平台。他们开发的虚拟地理环境信息系统软件能够实现三维可视化导航与操作、可视化查询与三维分析、范围的海量地形数据分析、输入与输出等

功能，支持基于数据库的交互式三维动态可视化，支持多种类型、多种分辨率的海量数据一体化管理，方便的二次开发平台，为教学提供巨大的帮助。

3、中南大学虚拟实验室

主要针对基于构件和Web服务的虚拟实验平台中关键技术进行研究并设计实现计算机、通信和信息安全专业主要专业课程的虚拟实验室系统。目前已经成功开发了《数字图像处理》、《计算机组成原理》、《数字通信原理》、《数字信号处理》、《密码学》、《c语言程序设计》等多个虚拟实验室系统。这些系统为教师和学生提供了一个可以通过Internet在任何地点任何时间进行开放性、设计性、创新性的实验的环境。

4、北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家量点实验室

它依靠北京航空航天大学机械工程、计算机科学与技术和控制科学与工程三个学科的交叉与合作，开展虚拟现实基础、应用基础、关键技术等方面的创新。拥有从事虚拟现实领域高水平研究的实验设备和软件系统，包括高性能计算机、各种虚拟现实人机交互设备、数据采集与建模设施、有线和无线自组织网络、大屏幕多元化演播环境等。该实验室还开发研制了若干支撑虚拟现实理论与技术研究的硬件设备和软件平台。例如：建立了我国第一个基于广域专用计算机网络的分布式虚拟现实支撑环境DVENET。研究开发了具有自主知识产权的分布交互仿真应用程序开发与运行平台BH HLA／RTI、实时三维图形平台BH_GRAPH和一批虚拟现实应用系统开发工具。

此外，我们通过网上的搜索引擎还可以发现其它很多的虚拟实验系统，如：清华大学利用虚拟实验仪器构建了汽车发动机检测系统；华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育使用；四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了航空电台二线综合测试仪，将8台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统；复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等一批高校也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。总体来讲，我国的虚拟实验建设同发达国家相比还存在一定的差距，国外的虚拟实验建设对我国有一定的借鉴意义。

四、虚拟实验的研究前景

虚拟实验是在虚拟现实技术的基础上发展起来的，目前虚拟实验的发展虽然取得不小的成绩，但历史的车轮是不断向前滚动的，虚拟实验的发展肯定也不能停滞不前，必须有自己的发展方向和发展前景。从目前趋势看，虚拟实验今后的主要研究方向如下：

(一)虚拟实验技术在远程教育中的运用

近几年远程教育在摸索和探讨中取得了很大的进步，但由于远程教育的特点和实验条件的限制，远程教育中的实验教学成为制约远程教育发展的瓶颈，开展网上虚拟实验成为远程教育的必然，如何在网络环境下建立为远程学习者提供交互的虚拟实验教学环境成为远程教育关注的热点。基于虚拟现实技术的远程教育是现代教育发展的主要方向之一，随着虚拟现实技术的不断发展和完善、网络技术的不断进步以及硬件设备价格的不断降低，我们相信，虚拟实验作为一个新型的远程教育媒体，以其自身强大的教学优势和潜力，将会逐渐受到远程教育工作者的重视和青睐，最终在远程教育领域广泛应用并发挥其重要作用。

(二)协同式虚拟实验系统

计算机支持的协同工作(Computer SupposedCooperative Work，简称CSCW)这一概念最早是在1984年由美国MIT的Irene Greif和DEC的Paul Cashrnan等提出的，用于描述如何用计算机支持来自不同领域与学科的人们共同工作。科学的实验离不开协作，与同伴的合作是科学实验过程中至关重要的关键环节，世界上许多的发明创造都离不开相互合作。随着虚拟现实技术特别是分布式虚拟现实技术的发展，人们自然地联想到能否用虚拟现实技术来构造一个CSCW虚拟实验系统，使得参与协作的人能够在一起协同实验，如同是在本地的同一个实验室内一样。这样的虚拟实验室系统就是协同式虚拟实验室。在CSCW虚拟实验系统中，人们可以相互交谈、分享资料甚至是协同完成一项实验。目前，国内某些高校和研究机构在网络远程虚拟实验室系统的研究方面取得了一定的成果，但研究主要偏重于在本机仿真、虚拟仪器实现、虚拟现实、实验演示等方面，很少有虚拟实验系统能够提供不同实验者之间的协同工作，易于扩充的、基于分布式协作的虚拟实验系统的研究还较少。因此，基于协作的虚拟实验系统将必然成为虚拟实验的一个发展方向，协作式虚拟实验室可以减少地域障碍，使世界各地的学生能一起进行科学实验和讨论。

(三)虚拟实验中教学理论、学习理论的研究

在虚拟现实环境中，我们究竟该怎样学习?它的依据是什么?如何与教育相联系?这都是教育理论与学习理论要研究的内容。虚拟实验中教学理论、学习理论的研究主要包括虚拟实验与学科整合的研究；虚拟实验的正面作用、负面作用；虚拟实验的教学模式及实验模式；虚拟实验中教师、学生的行动变化；虚拟实验在远程教育中的应用等。由于虚拟实验在教育中的应用通常是在一定的教育理论指导下进行的，而在教育理论体系中，学习理论处于核心地位，对虚拟实验环境下的教育影响最大、最直接的学习理论是行为主义、认知主义、建构主义和人本主义学习理论。因此，虚拟实验中学习理论的研究就显得尤为重要。如何利用教育理论和学习理论促进虚拟实验的教学和学习，是虚拟实验取得良好效果的关键。所以，在进行虚拟实验开发技术研究的同时，应当也要重视虚拟实验中教学理论与学习理论的研究，利用这些理论指导虚拟实验的开发和虚拟实验的学习，促进虚拟实验的教学效果，将虚拟实验的功能最大化。

(四)虚拟实验与真实实验整合研究

实验不仅是自然科学发展的基本动力。也是自然科学教学的主要内容、方法和手段。正所谓“纸上得来终觉浅。要知此事须躬行”，自然科学的教学离不开实验，学生能够在实验中习得经验，在实验中获得知识，在实验中进发灵感。随着计算机技术、网络技术、通信技术以及虚拟现实技术的发展，虚拟实验已成为一种新的实验方式，虚拟实验的出现，拓展了实验教学的范围，众多的高校和科研机构已经将虚拟实验纳入研究范围内。虚拟实验有着诸如成本低、安全性高、不损耗器材、突破时空局限等一系列的优点，这一点大家都不否认，但看物应当一分为二，与传统实验相比，虚拟实验还是存在一些缺陷的，比如：缺少“实物感”、一些实验现象不明显、实验精度难以控制等等。因此在实际的实验教学中，应当做到“虚实相结”、相互补充。针对一些现象不明显的实验可以以虚拟实验为主，例如：分子的碰撞实验在实际生活中较难进行，用虚拟实验就可较清晰地感受这一过程；针对简单的基础性实验，利用真实实验的效果就更好些。总之，在实际的应用过程中。应当将虚拟实验和真实实验进行整合，充分发挥各自的优势，促进实验教学的发展，培养创造性的人才。

五、结束语

虚拟现实技术的迅猛发展，带动了虚拟实验技术的进步，随着教育的大众化发展，教学质量问题成为关键，创建没有围墙的学校和基于网络的虚拟实验室是一种新的办学理念，它不仅投入少、产出多，而且还能够提升学习者的实践能力，培养他们的创造性思维。在虚拟实验环境中，实验不再局限在物理空间内，实验者可以通过网络不受时空限制地利用虚拟设备进行实验，和其他实验者共享资源，为实验教学环节提供了强有力的支持。虚拟实验将在教育、科研等方面有着广阔的发展前景。

[编辑：王　喆]