虛擬實驗室在遠程實驗教學中應用探討

王永喜

西北師范大學教育技術與傳播學院 蘭州 730070

虛擬實驗室在遠程實驗教學中應用探討

王永喜

西北師范大學教育技術與傳播學院 蘭州 730070

在網絡技術日臻成熟的時代，遠程教學中的實驗教學的不足顯得與時代格格不入，如何解決這個矛盾？以虛擬現實技術為基礎的虛擬實驗室的建立，成了解決這一矛盾的方法之一。就虛擬實驗室在遠程實驗教學中的應用，從虛擬技術、學習理論、設計實現、面臨問題等4個方面進行探討。

虛擬實驗室；遠程教育；實驗教學

Author’s address College of Educational Technology and Communication, Northwest Normal University, Lanzhou, China 730070

1 前言

隨著計算機及通信技術的發展，新興的教育形式——遠程教育得到飛速發展。不論是在教學方式和手段上，還是在校生規模上，遠程教育已經成為一種重要的教學方式，教學效果越來越接近傳統的面對面授課的效果。但是，相對于傳統實驗教學，遠程實驗教學卻成了教學中的一個瓶頸。

隨著計算機技術、虛擬現實技術、網絡技術的發展，通過網絡來構建虛擬實驗室已經成為可能，網絡虛擬仿真實驗已成為解決遠程實驗教學的一個重要嘗試。虛擬實驗的應用，可以降低科學實驗中的風險性，不至于浪費大量的人力和物力，同時也為了提高實驗效率。虛擬實驗室的應用，提高了教學效率和教師的教學科研能力，促進教師業務知識的更新，使實驗教學手段和教學內容豐富多彩，有利于學生更好地掌握實驗方法，提高知識的應用能力和培訓創造性能力。

2 虛擬現實技術

虛擬現實（Virtual Reality）是通過多媒體技術與仿真技術相結合，生成逼真的視、聽、觸覺一體化的虛擬環境，用戶以自然的方式對虛擬環境中的對象進行體驗和交互。虛擬現實技術綜合了計算機圖形學、圖像處理與模式識別、智能技術、傳感技術、語音處理與音響技術、網絡技術等多門科學，將計算機處理的數字化信息變為人所能感受的具有各種表現形式的多維信息，通過視、聽、觸覺等作用于使用者，對使用者的控制行為做出動態的交互反應。現階段常用的虛擬現實技術主要有VRML、QuickTime VR、Cult3D、Viewpoint、Flash等。虛擬現實技術在教學中有以下特點：臨場感、交互性、真實性、高效率。

3 虛擬實驗室

所謂虛擬實驗室（Virtual Laboratory）是指由計算機技術、網絡技術、計算機仿真技術、虛擬現實技術等生成的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統。虛擬儀器通過編程模擬真實儀器，在計算機中再現真實儀器的外觀及主要性能，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種預定的實驗項目，所取得的學習或訓練效果甚至優于在真實環境中所取得效果[1]。

與傳統實驗室相比，虛擬實驗室具有獨特的優點：1）能充分利用現有計算機資源，實驗不消耗器材，實驗所需器材種類和數量不限制，實驗設備經費僅是傳統儀器的5%～10%，可復用性、重新配置性強；2）功能由用戶自己定義，易于擴展實驗規模，實驗功能完善，實驗用的元器件及測試儀器儀表齊全，便于組建復雜多樣的測試實驗系統；3）實驗速度快、效率高，容易開展各種設計性實驗；4）容易實現技術更新，創新實驗形式；5）使用靈活、方便，便于網絡化、虛擬化教學。

虛擬實驗室具有的透明性、資源共享性、互動操作性、用戶自主性、擴展性以及安全性等特點，是傳統實驗室無法比擬的。其作用通常分為3類：1）為進行真正的實驗（或操作）做準備練習；2）替代實物實驗室；3）在實物實驗后進行分析。虛擬實驗室一般有3種類型：軟件共享網絡虛擬實驗室；儀器共享網絡虛擬實驗室；遠程控制網絡虛擬實驗室[2]。

4 理論基礎

虛擬現實技術應用于教育總是以一定的學習理論和教學理論為基礎的。影響最大的是認知主義學習理論和建構主義學習理論。

建構主義學習對學習的基本解釋是：學習是一種內部發展的過程，是一種由同化和順化交替發生作用，從而導致生理、心理從平衡狀態到不平衡狀態的循環過程。與此相對應，認知主義的教學觀念是：為學生提供一種對自身進行認知加工的特定情境和特殊過程，從而在促進學生認知結構的形成過程中推動學生的認知發展。虛擬實驗教學必須從學生的認知心理出發，注重學生的具體經驗和對情境的理解，使得學習者的新舊知識之間的同化順利完成，建構起自身的認知結構，促進認知發展。

建構主義理論認為，學習是一個動態的適應過程，學習者是通過與某一領域的知識相關的經驗儲存和提取所有知識的。學生的知識建構是一個主動的活動：試圖將新知識與更廣泛的知識經驗聯系起來，成為整合的知識體系，而不只是與一兩個觀念建立聯結。學生不只是理解和記憶現成的結論，而且要理解這些知識所指向的問題，基于自己的知識經驗來批判地分析它的合理性，形成屬于自己的知識。所以，學習者的自主學習是建構主義學習理論的核心。自主學習也稱為自我導向學習，一般指學習者自己確定學習目標、選擇學習方法、監控學習過程、評價學習結果的過程。虛擬實驗室和虛擬實驗課件的應用正是為學生提供了這樣一個自主學習的環境，從而達到一定的教學效果和學習目的。

5 虛擬實驗室設計

虛擬實驗室的設計方法很多，究竟是基于什么技術來設計虛擬實驗，主要是根據實際教學情況和技術條件來確定。一般來說，有以下幾種技術來實現虛擬實驗室：1）基于LabVIEW；2）基于VRML；3）基于Web。其中在遠程教學中用得最多的是基于Web的虛擬實驗室，這類虛擬實驗室系統最終以網站的形式實現，各個模塊內容采用DHTML、CSS、Javascript、ASP與數據庫等技術制作成網頁，包含了豐富的文字、圖片、視頻、動畫等多媒體內容。基于Web的虛擬實驗模塊的開發，有多種開發技術及專業軟件，如Java、VRML、Flash、Authorware等。

圖1

基于Web的虛擬實驗室的實現模式一般如圖1所示。

虛擬實驗室實現的有關技術要求主要有：1）數據資源的共享；2）建立共享軟件庫；3）支持用戶與教師之間的交互；4）可靠的安全機制；5）協同虛擬環境實現技術；6）面向對象編程方法的實現。即將虛擬對象抽象成如下類：用戶類、用戶數據類、虛擬儀器類、控制參數類、測試數據類、結果數據類。

在設計虛擬實驗室時，應注重考慮以下事項：1）虛擬實驗室的軟件系統應易于維護并具備擴展性；2）虛擬實驗室系統的運行應保證安全性和可靠性；3）虛擬實驗室的設計應注重交互性；4）虛擬實驗室的設計應注重科學性。

6 虛擬實驗室在網絡教學中面臨的問題

在利用虛擬實驗室進行遠程實驗教學時，仍有許多問題：1）如何把以教師為中心的實驗模式轉變為以學生為中心的實驗模式，以充分體現建構主義學習理論；2）如何評價學生的實驗結果，評估一個虛擬實驗室的實驗效果；3）虛擬實驗室與傳統實驗室之間的關系，它是否可以完全替代傳統的實驗室，還是僅僅作為傳統實驗室的一種補充；4）如何準確定位教師在實驗中的地位，使之由組織者轉變為指導者；5）成本問題，如何保證基于網絡的虛擬實驗室成本低于傳統實驗室。

7 結束語

虛擬實驗室是虛擬現實技術在教育教學中的一個重要的應用形式，它的開發周期短，使用效率高，可擴展性強，成本低廉，是解決遠程實驗教學資源緊張、提高教學質量、擺脫實驗教學所面臨的困境的行之有效的途徑。但是，虛擬實驗室的發展也是一個長期漸進的、不斷完善的過程，必須抓住機遇，不斷發展，挖掘虛擬實驗室的潛力，形成一個靈活多樣，適應不同層次、不同專業要求的新型的實驗教學體系，以適應遠程實驗教學的需要。

[1]何利,等.基于虛擬技術的實驗教學[J].實用測試技術,2001(4)

[2]陳濱.網絡虛擬實驗室與實驗教學轉型[J].教學儀器與試驗,2005(10)

[3]張曉川,等.虛擬實驗室的建設與研究[J].實驗室科學,2005(3)

Application and Discussion about Virtual Laboratory in Distance Experimental Instruction

//Wang Yongxi

As network technologies growing maturity, the experimental teaching in distance education cannot meet the needs of our times. How to resolve this contradiction? One of the ways out is to build virtual laboratory based on virtual reality technology building. This article explores the application of virtual laboratory to distance education from four aspects: virtual technology, learning theory, design implementation and problems faced in the process.

virtual laboratory; distance education; experimental instruction

G642.423

B

1671-489X(2010)12-0089-02

10.3969 /j.issn.1671-489X.2010.12.089