虛擬實驗研究現(xiàn)狀及其前景分析

（徐州師范大學信息傳播學院，江蘇徐州 221009）

一、引言

實驗教學是學生實踐能力培養(yǎng)的重要途徑，是學校教學的重要輔助手段，是學生真正理解理論知識，并將其運用于實踐的重要保證，是激發(fā)學生學習興趣的主要源泉，更是培養(yǎng)和發(fā)展學生思維能力和創(chuàng)新能力的重要方法和手段。由于資金、實驗器材等各種因素的影響，目前實驗教學不能得以很好的開展，這就制約了學生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。改變傳統(tǒng)實驗教學模式已迫在眉睫，采用計算機技術(shù)構(gòu)建的各種虛擬實驗室[1]，為實驗教學提供了一種新的解決方法。

本文主要對虛擬實驗進行介紹，論述了國內(nèi)外虛擬實驗發(fā)展的現(xiàn)狀，并對今后虛擬實驗的前景進行分析。

二、虛擬實驗概述

（一）什么是虛擬實驗

科學實驗一般分為真實實驗和虛擬實驗，按照我們一般意義上的理解，虛擬實驗是相對于真實實驗而存在的，兩者的主要差別在于實驗過程當中所接觸的對象是否真實。但在實際應(yīng)用當中，什么是虛擬實驗，人們往往結(jié)合自身的感受有不同的認識。

1995年5月，美國愛荷華州立大學舉行的虛擬實驗室專家會議上采用的定義是：虛擬實驗室是利用分布式信息通信技術(shù)，為研究和創(chuàng)新活動提供遠程協(xié)作和實驗的一個電子平臺[2]。在這里，虛擬實驗是作為網(wǎng)絡(luò)教學的一部分予以描述的，側(cè)重于遠程實驗這個角度。

也有從技術(shù)層面上進行描述的：所謂虛擬實驗是指在計算機系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的各種虛擬實驗環(huán)境，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實驗項目，所取得的學習或訓練效果等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果[3]。

另外，從虛擬實驗室的功能這一角度表述的定義有：虛擬實驗室是一個創(chuàng)造和引導(dǎo)模擬實驗的交互環(huán)境，即實驗場所。它由實驗所依賴的模擬程序、實驗單元、工具和參考資料組成。用戶可以通過增加新的物體、建立新的實驗并把它們轉(zhuǎn)化成超文本來擴充實驗室[4]。

國內(nèi)的學者單美賢和李藝認為虛擬實驗是以數(shù)學理論、相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及與其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和各種物理設(shè)備為工具，采用“面向?qū)ο蟆彼枷雱?chuàng)建的，能夠?qū)崟r操作的，非實在的實驗空間，在此環(huán)境中，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實驗項目[5]。

（二）虛擬實驗系統(tǒng)的類型

根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的浸入程度不同可以把虛擬實驗系統(tǒng)分為兩類[6]：

1.桌面式的虛擬實驗系統(tǒng)

它是利用個人計算機或圖形工作站綜合立體圖形、自然交互等技術(shù)，以營造與客觀世界類似的環(huán)境。用戶使用鼠標、鍵盤、三維鼠標等輸入設(shè)備與之進行交互，通過計算機屏幕觀察并操縱虛擬環(huán)境的物體。在桌面式的虛擬實驗系統(tǒng)中，參與者會受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾而缺乏沉浸感，是一種初級的虛擬狀態(tài)，其成本相對較低，因而在各領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。

2.投入式虛擬實驗系統(tǒng)

利用數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器、傳感器等復(fù)雜的交互設(shè)備，為用戶提供完全投入的功能，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。投入式的虛擬實驗系統(tǒng)需要有相應(yīng)的軟硬件環(huán)境支持，限制了其在教育領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。

三、虛擬實驗在國內(nèi)外的研究狀況

（一）國外概況

虛擬實驗室概念的提出至今僅二十余年，但由于因其廣闊的應(yīng)用前景，各國均在大力開發(fā)，己經(jīng)取得了一些進展。目前，虛擬實驗室的建設(shè)在發(fā)達國家已經(jīng)相當普及。美國作為當今的科技強國，為繼續(xù)保持其在科學技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，尤其重視信息技術(shù)的研究，并已將虛擬實驗室列入其科研發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃。在1991年底，美國科學基金會、美國國家科學研究顧問委員會所屬的計算機與遠程通信部組成了一個“全國（科學）合作實驗室委員會”，其任務(wù)是調(diào)查科學家對信息技術(shù)開發(fā)的需求，協(xié)調(diào)科研合作關(guān)系，組織并實施具體的信息技術(shù)開發(fā)。此后，美國聯(lián)邦政府投入資金在相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域建造了各自的虛擬實驗室作為示范工程，開展了一系列探索性研究并取得了實質(zhì)性進展。美國一些政府部門（如能源部），正在制訂計劃將其所屬的科研機構(gòu)過渡到虛擬實驗室環(huán)境中。目前，越來越多的院校和科研機構(gòu)正投身于構(gòu)筑一個覆蓋美國的虛擬實驗網(wǎng)絡(luò)的工作中來。

作為首先提出虛擬實驗室概念，并具有雄厚的科研實力和強大財力的美國，從一開始就十分重視虛擬實驗室的研究與開發(fā)，他們在該領(lǐng)域的研究己處于領(lǐng)先地位。虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語言己成為美國大學理工科學生的一門必修課，其普及程度是相當廣泛的。另外，許多國外的大學己組建了遠程虛擬實驗室，例如：德國的漢諾威大學建立了虛擬自動化工作平臺；意大利帕瓦多大學建立了遠程虛擬教育實驗室；新加坡國立大學開發(fā)了遠程示波器實驗和壓力容器實驗。

（二）國內(nèi)概況

在中國期刊全文數(shù)據(jù)庫、中國期刊全文數(shù)據(jù)庫－世紀期刊、中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫、中國優(yōu)秀碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫中進行搜索，國內(nèi)最早出現(xiàn)有關(guān)虛擬現(xiàn)實的文章是發(fā)表在《世界知識》1993年第18期上的《走進奇妙的世界——淺談虛擬現(xiàn)實技術(shù)》一文。對于當時的普通中國人來講，連計算機都是很稀奇的東西，更何況是借助于計算機技術(shù)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，人們更是聞所未聞。該文作者柯文向人們介紹了一種新的技術(shù)并大膽預(yù)測：虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以用于任何領(lǐng)域、任何行業(yè)。在不久的將來，這一技術(shù)就會像計算機一樣迅速得到推廣普及，極大地改變我們的生活。

國內(nèi)出現(xiàn)有關(guān)虛擬實驗的最早一篇文章是發(fā)表在《國外電子測量技術(shù)》1997年第3期上的《虛擬電子實驗平臺》，討論了以計算機為平臺的電子實驗臺的構(gòu)成及原理，并給出了以ElectronicsWorkbenchV4.0為實驗臺的電路實驗例子和在計算機上做電路實驗的實驗方法。

與西方發(fā)達國家比較，國內(nèi)在虛擬實驗方面開展的工作雖然還有所欠缺，但近年來得到了重視，一些院校與科研機構(gòu)也開發(fā)了一些比較成熟的虛擬實驗室。例如：

1.中科院計算機化學開放實驗室[7]

它是由中國科學院、國家科學技術(shù)部、國家自然科學基金委員會、法國促進科技研究中法協(xié)會資助，中國科學院上海有機化學研究所計算機化學和化學信息學研究室計算機化學研究小組開發(fā)的虛擬實驗室，包括化合物致癌毒性預(yù)測系統(tǒng)、化合物C－13 NMR譜圖模擬、紅外波譜模擬、虛擬化合物結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)等多種虛擬實驗系統(tǒng)，它的宗旨是創(chuàng)建虛擬化學實驗室以普及化學計算與模擬，促進化學的嚴密化，提高化學創(chuàng)新能力，服務(wù)化學界，催產(chǎn)數(shù)字化學。

2.武漢大學虛擬現(xiàn)實實驗室[8]

由武漢大學投資1200多萬元建成的虛擬現(xiàn)實實驗室將為國內(nèi)外有關(guān)數(shù)字地球、航空航天、汽車工業(yè)、生物學、醫(yī)學、物理學和化學等諸多領(lǐng)域的教學與科研工作提供開放的展示和實驗平臺。他們開發(fā)的虛擬地理環(huán)境信息系統(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)三維可視化導(dǎo)航與操作、可視化查詢與三維分析、范圍的海量地形數(shù)據(jù)分析、輸入與輸出等功能，支持基于數(shù)據(jù)庫的交互式三維動態(tài)可視化，支持多種類型、多種分辨率的海量數(shù)據(jù)一體化管理，方便的二次開發(fā)平臺，為教學提供巨大的幫助。

3.中南大學虛擬實驗室[9]

主要針對基于構(gòu)件和Web服務(wù)的虛擬實驗平臺中關(guān)鍵技術(shù)進行研究并設(shè)計實現(xiàn)計算機、通信和信息安全專業(yè)主要專業(yè)課程的虛擬實驗室系統(tǒng)。目前已經(jīng)成功開發(fā)了《數(shù)字圖像處理》、《計算機組成原理》、《數(shù)字通信原理》、《數(shù)字信號處理》、《密碼學》、《C語言程序設(shè)計》等多個虛擬實驗室系統(tǒng)。這些系統(tǒng)為教師和學生提供了一個可以通過Internet在任何地點任何時間進行開放性、設(shè)計性、創(chuàng)新性的實驗的環(huán)境。

4.北京航空航天大學虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室[10]

它依靠北京航空航天大學機械工程、計算機科學與技術(shù)和控制科學與工程三個學科的交叉與合作，開展虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)、應(yīng)用基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)等方面的創(chuàng)新。擁有從事虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域高水平研究的實驗設(shè)備和軟件系統(tǒng)，包括高性能計算機、各種虛擬現(xiàn)實人機交互設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與建模設(shè)施、有線和無線自組織網(wǎng)絡(luò)、大屏幕多元化演播環(huán)境等。該實驗室還開發(fā)研制了若干支撐虛擬現(xiàn)實理論與技術(shù)研究的硬件設(shè)備和軟件平臺。例如：建立了我國第一個基于廣域?qū)Ｓ糜嬎銠C網(wǎng)絡(luò)的分布式虛擬現(xiàn)實支撐環(huán)境DVENET。研究開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的分布交互仿真應(yīng)用程序開發(fā)與運行平臺BH HLA／RTI、實時三維圖形平臺BH＿GRAPH和一批虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具。

此外，我們通過網(wǎng)上的搜索引擎還可以發(fā)現(xiàn)其它很多的虛擬實驗系統(tǒng)，如：清華大學利用虛擬實驗儀器構(gòu)建了汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)；華中理工大學機械學院工程測試實驗室將其虛擬實驗室成果在網(wǎng)上公開展示，供遠程教育使用；四川聯(lián)合大學基于虛擬儀器的設(shè)計思路，研制了航空電臺二線綜合測試儀，將8臺儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng)；復(fù)旦大學、上海交通大學、廣州暨南大學等一批高校也開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學和科研。總體來講，我國的虛擬實驗建設(shè)同發(fā)達國家相比還存在一定的差距，國外的虛擬實驗建設(shè)對我國有一定的借鑒意義。

四、虛擬實驗的研究前景

虛擬實驗是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，目前虛擬實驗的發(fā)展雖然取得不小的成績，但歷史的車輪是不斷向前滾動的，虛擬實驗的發(fā)展肯定也不能停滯不前，必須有自己的發(fā)展方向和發(fā)展前景。從目前趨勢看，虛擬實驗今后的主要研究方向如下:

（一）虛擬實驗技術(shù)在遠程教育中的運用

近幾年遠程教育在摸索和探討中取得了很大的進步，但由于遠程教育的特點和實驗條件的限制，遠程教育中的實驗教學成為制約遠程教育發(fā)展的瓶頸，開展網(wǎng)上虛擬實驗成為遠程教育的必然，如何在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下建立為遠程學習者提供交互的虛擬實驗教學環(huán)境成為遠程教育關(guān)注的熱點。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠程教育是現(xiàn)代教育發(fā)展的主要方向之一，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展和完善、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進步以及硬件設(shè)備價格的不斷降低，我們相信，虛擬實驗作為一個新型的遠程教育媒體，以其自身強大的教學優(yōu)勢和潛力，將會逐漸受到遠程教育工作者的重視和青睞，最終在遠程教育領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要作用。

（二）協(xié)同式虛擬實驗系統(tǒng)

計算機支持的協(xié)同工作（Computer Supported Cooperative Work，簡稱CSCW）這一概念最早是在1984年由美國MIT的Irene Greif和DEC的Paul Cashman等提出的，用于描述如何用計算機支持來自不同領(lǐng)域與學科的人們共同工作[11]。科學的實驗離不開協(xié)作，與同伴的合作是科學實驗過程中至關(guān)重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，世界上許多的發(fā)明創(chuàng)造都離不開相互合作。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)特別是分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，人們自然地聯(lián)想到能否用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來構(gòu)造一個CSCW虛擬實驗系統(tǒng)，使得參與協(xié)作的人能夠在一起協(xié)同實驗，如同是在本地的同一個實驗室內(nèi)一樣。這樣的虛擬實驗室系統(tǒng)就是協(xié)同式虛擬實驗室。在CSCW虛擬實驗系統(tǒng)中，人們可以相互交談、分享資料甚至是協(xié)同完成一項實驗。目前，國內(nèi)某些高校和研究機構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)遠程虛擬實驗室系統(tǒng)的研究方面取得了一定的成果，但研究主要偏重于在本機仿真、虛擬儀器實現(xiàn)、虛擬現(xiàn)實、實驗演示等方面，很少有虛擬實驗系統(tǒng)能夠提供不同實驗者之間的協(xié)同工作，易于擴充的、基于分布式協(xié)作的虛擬實驗系統(tǒng)的研究還較少。因此，基于協(xié)作的虛擬實驗系統(tǒng)將必然成為虛擬實驗的一個發(fā)展方向，協(xié)作式虛擬實驗室可以減少地域障礙，使世界各地的學生能一起進行科學實驗和討論。

（三）虛擬實驗中教學理論、學習理論的研究

在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，我們究竟該怎樣學習？它的依據(jù)是什么？如何與教育相聯(lián)系？這都是教育理論與學習理論要研究的內(nèi)容。虛擬實驗中教學理論、學習理論的研究主要包括虛擬實驗與學科整合的研究；虛擬實驗的正面作用、負面作用；虛擬實驗的教學模式及實驗?zāi)Ｊ剑惶摂M實驗中教師、學生的行動變化；虛擬實驗在遠程教育中的應(yīng)用等[12]。由于虛擬實驗在教育中的應(yīng)用通常是在一定的教育理論指導(dǎo)下進行的，而在教育理論體系中，學習理論處于核心地位，對虛擬實驗環(huán)境下的教育影響最大、最直接的學習理論是行為主義、認知主義、建構(gòu)主義和人本主義學習理論[13]。因此，虛擬實驗中學習理論的研究就顯得尤為重要。如何利用教育理論和學習理論促進虛擬實驗的教學和學習，是虛擬實驗取得良好效果的關(guān)鍵。所以，在進行虛擬實驗開發(fā)技術(shù)研究的同時，應(yīng)當也要重視虛擬實驗中教學理論與學習理論的研究，利用這些理論指導(dǎo)虛擬實驗的開發(fā)和虛擬實驗的學習，促進虛擬實驗的教學效果，將虛擬實驗的功能最大化。

（四）虛擬實驗與真實實驗整合研究

實驗不僅是自然科學發(fā)展的基本動力，也是自然科學教學的主要內(nèi)容、方法和手段。正所謂“紙上得來終覺淺，要知此事須躬行”，自然科學的教學離不開實驗，學生能夠在實驗中習得經(jīng)驗，在實驗中獲得知識，在實驗中迸發(fā)靈感。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗已成為一種新的實驗方式，虛擬實驗的出現(xiàn)，拓展了實驗教學的范圍，眾多的高校和科研機構(gòu)已經(jīng)將虛擬實驗納入研究范圍內(nèi)。虛擬實驗有著諸如成本低、安全性高、不損耗器材、突破時空局限等一系列的優(yōu)點，這一點大家都不否認，但看物應(yīng)當一分為二，與傳統(tǒng)實驗相比，虛擬實驗還是存在一些缺陷的，比如：缺少“實物感”、一些實驗現(xiàn)象不明顯、實驗精度難以控制等等。因此在實際的實驗教學中，應(yīng)當做到“虛實相結(jié)”、相互補充。針對一些現(xiàn)象不明顯的實驗可以以虛擬實驗為主，例如：分子的碰撞實驗在實際生活中較難進行，用虛擬實驗就可較清晰地感受這一過程；針對簡單的基礎(chǔ)性實驗，利用真實實驗的效果就更好些。總之，在實際的應(yīng)用過程中，應(yīng)當將虛擬實驗和真實實驗進行整合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，促進實驗教學的發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)造性的人才。

五、結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶動了虛擬實驗技術(shù)的進步，隨著教育的大眾化發(fā)展，教學質(zhì)量問題成為關(guān)鍵，創(chuàng)建沒有圍墻的學校和基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室是一種新的辦學理念，它不僅投入少、產(chǎn)出多，而且還能夠提升學習者的實踐能力，培養(yǎng)他們的創(chuàng)造性思維。在虛擬實驗環(huán)境中，實驗不再局限在物理空間內(nèi)，實驗者可以通過網(wǎng)絡(luò)不受時空限制地利用虛擬設(shè)備進行實驗，和其他實驗者共享資源，為實驗教學環(huán)節(jié)提供了強有力的支持。虛擬實驗將在教育、科研等方面有著廣闊的發(fā)展前景。

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