虛擬實驗技術(shù)及其在遠(yuǎn)程教育當(dāng)中的應(yīng)用

摘要：近幾年，遠(yuǎn)程教育在摸索和探討申取得了很大的進(jìn)步，但由于遠(yuǎn)程教育的特點和實驗條件的限制，遠(yuǎn)程教育中的實驗教學(xué)成為制約遠(yuǎn)程教育發(fā)展的瓶頸，開展網(wǎng)上虛擬實驗成為遠(yuǎn)程教育的必然，如何在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下建立為遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者提供交互的虛擬實驗教學(xué)環(huán)境成為遠(yuǎn)程教育關(guān)注的熱點。對虛擬實驗的意義進(jìn)行了闡述，分析了虛擬實驗在遠(yuǎn)程教育中的必要性和可行性，構(gòu)建了基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教育虛擬實驗系統(tǒng)和功能模塊，對相關(guān)虛擬實驗的開發(fā)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；虛擬實驗；遠(yuǎn)程教育

中圖分類號：G727 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1009—4156(2011)06—079—04

一、引言

計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷成熟與進(jìn)步，促進(jìn)了現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育快速發(fā)展，但目前現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育仍處于探索階段。雖然在教育教學(xué)過程中不斷實踐、探討，取得了不小的成績，但問題也不斷出現(xiàn)，特別是遠(yuǎn)程教育中的實驗操作問題影響了遠(yuǎn)程教育的質(zhì)量。隨著遠(yuǎn)程教育實踐活動的不斷深入發(fā)展，如何在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下建立為遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者提供交互、沉浸的虛擬實驗教學(xué)環(huán)境成為遠(yuǎn)程教育關(guān)注的熱點。

二、虛擬實驗及其意義

(一)虛擬實驗簡介

科學(xué)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(dāng)中所接觸的對象是否真實。對于虛擬實驗的認(rèn)識，也是各有千秋，不同領(lǐng)域的人對它有著不盡相同的認(rèn)識。總體來講，虛擬實驗是采用通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及傳感技術(shù)等多種技術(shù)，提供給使用者逼真的虛擬實驗環(huán)境和等同于真實實驗功能的系統(tǒng)，為研究和創(chuàng)新活動提供協(xié)作操作和實驗的電子平臺。它不僅包含虛擬的物體，而且應(yīng)當(dāng)具備各種音視頻資料和文字資料以及使用幫助等信息，以便于用戶使用虛擬實驗系統(tǒng)，提高實驗效率。

(二)虛擬實驗發(fā)展概況

虛擬實驗技術(shù)起源于20世紀(jì)末，是依托“虛擬現(xiàn)實”(Virtual Reality)技術(shù)而產(chǎn)生和發(fā)展的一種實驗?zāi)Ｊ健．?dāng)時國內(nèi)外一些遠(yuǎn)程教育機(jī)構(gòu)曾采用過各種方法來解決實驗的近距離性與教學(xué)手段的遠(yuǎn)距離性的矛盾，在進(jìn)行的各種方法中，有的僅適合少數(shù)或簡單實驗的情況，有的由于與理論教學(xué)不相銜接而導(dǎo)致效果不佳。直到20世紀(jì)90年代崛起的虛擬實驗才給遠(yuǎn)程實驗教學(xué)帶來了希望，它可使實驗教學(xué)完全遠(yuǎn)程化，從根本上解決目前的實驗教學(xué)與遠(yuǎn)程教育模式不相適應(yīng)的狀況。虛擬實驗室概念的提出至今僅十余年，但由于因其廣闊的應(yīng)用前景。各國均在大力開發(fā)，已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。目前，虛擬實驗室的建設(shè)在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)相當(dāng)普及，越來越多的院校和科研機(jī)構(gòu)正投身于虛擬實驗網(wǎng)絡(luò)的工作中來。與西方發(fā)達(dá)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(jī)構(gòu)也開發(fā)了一些比較成熟的虛擬實驗室。

(三)虛擬實驗在遠(yuǎn)程教育中的意義

實驗教學(xué)是遠(yuǎn)程教育教學(xué)過程的一個重要組成部分。對于實踐性的學(xué)科而言，實驗是獲取知識、培養(yǎng)觀察推理能力、提高實踐技能的必要環(huán)節(jié)。因此，將虛擬實驗教學(xué)應(yīng)用到遠(yuǎn)程教育中，對優(yōu)化現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育教學(xué)過程，完善遠(yuǎn)程教育教學(xué)理論，充分發(fā)揮遠(yuǎn)程教育的優(yōu)勢，都具有重大的意義。

1 突破時空限制

只要有網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)，學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)行實驗，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、提高教學(xué)效果。

2 提高遠(yuǎn)程教學(xué)效果

虛擬實驗教學(xué)為遠(yuǎn)程學(xué)生提供自主的、靈活的、可交互的實驗環(huán)境與豐富的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源。作為學(xué)習(xí)主體，遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者可隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實驗，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)者的主動性與積極性，有效實現(xiàn)了理論教學(xué)與實踐教學(xué)的緊密結(jié)合，提高遠(yuǎn)程教學(xué)效果。

3 完善遠(yuǎn)程教育理論，拓展遠(yuǎn)程教育的發(fā)展空間，充分發(fā)揮遠(yuǎn)程教育的優(yōu)勢

目前，現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育仍處于“摸著石頭過河”的初探階段。雖然在教學(xué)過程中經(jīng)過不斷實踐和探討取得了不小的成績，但問題也不斷出現(xiàn)。由于條件的限制，遠(yuǎn)程教育從專業(yè)設(shè)置上大多回避實驗教學(xué)，只開設(shè)文史、外語等實驗設(shè)備需求少的專業(yè)，而對于實踐性強(qiáng)的理工科類專業(yè)則退而避之，這種現(xiàn)象成了制約現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育發(fā)展的一個瓶頸。毫無疑問，開展網(wǎng)上實驗教學(xué)已成為遠(yuǎn)程教學(xué)的必然，虛擬實驗便是一種支持遠(yuǎn)程實驗學(xué)習(xí)的教學(xué)系統(tǒng)，它利用多種新技術(shù)創(chuàng)建虛擬實驗場景和設(shè)備，提供給學(xué)生仿真的、交互的、自主的實驗學(xué)習(xí)環(huán)境，拓展了遠(yuǎn)程教育的思路，為遠(yuǎn)程教育提供良好的愿景。

4 學(xué)生可以“操作”最先進(jìn)的實驗器材

只要實物建模足夠逼真和交互性足夠強(qiáng)，學(xué)生就能夠沉浸其中并對實驗進(jìn)行“操作”，提高他們的實驗興趣，并且這種實驗的成本較低。

三、虛擬實驗在遠(yuǎn)程教育中的必要性與可行性分析

(一)虛擬實驗在遠(yuǎn)程教育中的必要性

1 虛擬實驗教學(xué)是遠(yuǎn)程教育理念的需要

以網(wǎng)絡(luò)教學(xué)為特征的現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育是一種全新的教育理念。它不受時間、空間、對象的制約，強(qiáng)調(diào)以學(xué)習(xí)者為中心，以自主學(xué)習(xí)、個性化學(xué)習(xí)為主，進(jìn)行實時或非實時的交互性教學(xué)。在遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)是遠(yuǎn)程教育的核心，遠(yuǎn)程教學(xué)為遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)提供資源和服務(wù)。作為遠(yuǎn)程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，虛擬實驗教學(xué)可以本著“以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的遠(yuǎn)程教育基本思想，為學(xué)生提供自主、交互的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可以在任何時候任何地方選擇進(jìn)入實驗，讓他們運用基本的理論知識親自實踐、自我評價，充分體現(xiàn)學(xué)生在遠(yuǎn)程實驗教學(xué)中的主體作用。

2 虛擬實驗教學(xué)是現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育深入發(fā)展的需要

虛擬實驗教學(xué)雖不是現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的產(chǎn)物，但它是遠(yuǎn)程教學(xué)的重要組成部分，而且遠(yuǎn)程教育要進(jìn)一步發(fā)展，虛擬實驗教學(xué)的有效實施就越發(fā)顯得必要，因為虛擬實驗為遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者提供有力的實驗保障，可以促進(jìn)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3 改變遠(yuǎn)程教育中學(xué)生參與實驗受到限制的狀況

目前，遠(yuǎn)程教育理論課程的教學(xué)已經(jīng)相當(dāng)成熟，參加遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的學(xué)生可以通過下載教學(xué)課件、教學(xué)錄像、教學(xué)資料等形式進(jìn)行遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，但由于學(xué)習(xí)形式和時空的限制，對于那些操作性比較強(qiáng)的知識，學(xué)生不能夠身臨其境地進(jìn)行試驗操作，即使有的遠(yuǎn)程教育機(jī)構(gòu)會提供集中的一段時間讓學(xué)生進(jìn)行實驗，但是時間一般都有限，只能是杯水車薪，而且由于遠(yuǎn)程教育中的學(xué)生時間不是很充裕，他們對這些實驗的參與度不高。在網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建虛擬實驗室，使遠(yuǎn)程教育中的學(xué)生能夠足不出戶地在網(wǎng)上自己動手操作實驗，能夠大量節(jié)省他們的學(xué)習(xí)時間，并且獲得現(xiàn)場操作的臨場感和直觀的經(jīng)驗感受。

(二)虛擬實驗在遠(yuǎn)程教育中的可行性

1 良好開發(fā)工具為虛擬實驗提供優(yōu)良的條件

早期的虛擬實驗由于條件的限制，往往一個簡單虛擬實驗開發(fā)會花費研究人員大量的心血，而且這些虛擬實驗還不能達(dá)到預(yù)想中的效果。隨著虛擬實驗開發(fā)工具的日益簡單化、智能化、人性化以及多功能化，進(jìn)行復(fù)雜虛擬實驗的開發(fā)不再是一件可望而不可即的事情，虛擬實驗系統(tǒng)也越來越具有交互性和沉浸性，相信隨著計算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展，將會出現(xiàn)更多、更好、更實用的虛擬實驗開發(fā)工具。

2 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與硬件的發(fā)展是虛擬實驗教學(xué)有力的保障

虛擬實驗最大的特點就是交互性、沉浸性、想象性，但以往的遠(yuǎn)程教育因為網(wǎng)絡(luò)帶寬窄，數(shù)據(jù)傳送速度慢，難以滿足虛擬實驗最基本的要求，這制約了虛擬實驗在遠(yuǎn)程教育中的發(fā)展。但近些年由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的改進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度得到了很大的提升，為虛擬實驗在網(wǎng)上流暢運行創(chuàng)造了有利的條件，隨著計算機(jī)硬件技術(shù)的高速發(fā)展，用高性能的處理器來處理復(fù)雜的三維圖像將更加得心應(yīng)手，能夠帶給用戶全新的感受和體驗，同時虛擬實驗配套設(shè)備的發(fā)展讓虛擬實驗的沉浸性得到更加極致的發(fā)揮，使用者在虛擬實驗環(huán)境中身臨其境的感覺將會更加強(qiáng)烈。

3 Web技術(shù)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)日新月異的發(fā)展為遠(yuǎn)程虛擬實驗提供有力的技術(shù)支持

Web技術(shù)主要借助于Java語言，結(jié)合HTML、CSS、JSP、Java Script等來實現(xiàn)虛擬實驗。虛擬現(xiàn)實技術(shù)借助計算機(jī)構(gòu)建一個虛擬的實驗場景，通過刺激多種感官，使人沉浸于其中，同時與這個逼真的環(huán)境進(jìn)行交互。

4 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的不斷完善為虛擬實驗教學(xué)提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐

一個功能強(qiáng)大的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)包括學(xué)生信息數(shù)據(jù)、實驗知識數(shù)據(jù)、實驗對象資料庫，實驗過程參數(shù)庫等龐大的數(shù)據(jù)體系，需要健壯的數(shù)據(jù)庫支持。目前，數(shù)據(jù)庫種類繁多，其中，大中型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)如oracle、SQL Sever、Sybase和DBZ等，它們各具特色，可以滿足不同的需求，因此。數(shù)據(jù)庫建設(shè)也不再是難題。

5 前人的經(jīng)驗給我們啟發(fā)，為順利建立虛擬實驗創(chuàng)造了條件

虛擬實驗概念的提出至今僅二十余年，但由于其發(fā)展迅速，前景廣闊，各國均在大力開發(fā)，已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。目前，虛擬實驗室的建設(shè)在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)相當(dāng)普及，國外的一些大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)已組建了自己的遠(yuǎn)程虛擬實驗室。近幾年，我國對虛擬實驗的建設(shè)也非常重視，一些院校與科研機(jī)構(gòu)也開發(fā)了一些比較成熟的虛擬實驗室。這些都為優(yōu)質(zhì)虛擬實驗的建立創(chuàng)造了良好的條件。

四、遠(yuǎn)程教育中虛擬實驗系統(tǒng)的建構(gòu)

虛擬實驗開發(fā)出來應(yīng)當(dāng)具有教育意義，不能花費了大量的時間而實際應(yīng)用性不強(qiáng)，因此，在開發(fā)虛擬實驗之前，一定要做好規(guī)劃，了解學(xué)生學(xué)習(xí)狀況，遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。只有前期工作做好了，才能按部就班地進(jìn)行虛擬實驗的開發(fā)，否則一切都前功盡棄。

(一)設(shè)計原則

1 界面友好原則

虛擬實驗系統(tǒng)除了具備強(qiáng)大的實用功能，還應(yīng)當(dāng)盡可能地為學(xué)生們提供一個輕松、愉快、感覺良好的操作環(huán)境，讓學(xué)生們樂意在虛擬的世界中漫游、學(xué)習(xí)知識，達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果。

2 良好的導(dǎo)航功能

目前，有許多虛擬實驗系統(tǒng)雖然花了很大的工夫，但效果不是很明顯，并不是因為實驗的功能不齊全，而是因為在虛擬實驗的設(shè)計上有所欠缺，學(xué)習(xí)者在進(jìn)行虛擬實驗的過程當(dāng)中容易迷失方向，導(dǎo)致喪失實驗興趣。因此，一個好的虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)該具備精確的導(dǎo)航功能，能夠讓實驗者很快找到想要的東西，隨時隨地都能夠知道自己所處的位置，隨時隨地能夠回到想要的地方，不至于在虛擬世界中迷航。

3 最佳反饋效果原則

虛擬實驗的反饋直接影響到學(xué)生的接受和理解，如果虛擬實驗?zāi)茉诜e極的人機(jī)交互活動中真正達(dá)到因人而異的教學(xué)，那么它決不能只簡單地告訴學(xué)生是或不是，而要說明原因，提出建議。良好的反饋可以鼓勵學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)學(xué)生自信心，糾正學(xué)生錯誤和鞏固所學(xué)的知識和技能，還可以鼓勵學(xué)生去“發(fā)現(xiàn)”某種規(guī)律。糟糕的反饋可能增加學(xué)生焦慮，使學(xué)生感到枯燥無味，甚至引起學(xué)生對某些概念的誤解。因此，我們要高度重視虛擬實驗反饋的設(shè)計。

4 以實為本，虛實結(jié)合

虛擬實驗是實驗教學(xué)的輔助手段，決不能取代實際實驗操作。對于那些不適合做成虛擬實驗的實驗，比如，F(xiàn)lash、Photoshop等基于軟件操作的實驗課程，不宜用三維虛擬實驗的形式，對于此類實驗在三維虛擬實驗中應(yīng)該大膽放棄，不能舍本逐末。

(二)設(shè)計方案

虛擬實驗系統(tǒng)的主要設(shè)計方案是搭建一個虛擬實驗平臺，對于這個實驗平臺，能夠根據(jù)實際情況方便地進(jìn)行增加、刪除和管理實驗子模塊的功能等。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

遠(yuǎn)程教育中的虛擬實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

通過Internet用戶可以訪問Web服務(wù)器，分布在不同地域的實驗者通過本地電腦訪問虛擬世界，實現(xiàn)異地實驗或者協(xié)作實驗并獲取實驗結(jié)果。通過Web瀏覽器，實驗者可以實時觀察和瀏覽實驗現(xiàn)象，修改實驗參數(shù)，借助虛擬儀器和虛擬外設(shè)組建各種實驗和實驗操作。數(shù)據(jù)庫當(dāng)中存儲了用戶信息、實驗儀器以及與虛擬實驗相關(guān)的各種實驗數(shù)據(jù)。另外，由于瀏覽器和插件是本地平臺提供的，從而實現(xiàn)了和硬件平臺的無關(guān)性。

2 虛擬實驗功能模塊圖

虛擬實驗功能模塊由若干子功能模塊組成，協(xié)作完成虛擬實驗系統(tǒng)的管理和功能實現(xiàn)，其功能模塊如圖2所示：

虛擬實驗的功能模塊包括四個方面：管理模塊、實驗?zāi)K、結(jié)果評價模塊和交流討論模塊，虛擬實驗教學(xué)體系以學(xué)生的實驗教學(xué)為核心，學(xué)生能進(jìn)行實驗并獲得實驗幫助與支持、能與師生相互交流溝通，教師與管理員能對系統(tǒng)、教學(xué)、安全等按權(quán)限管理。

(1)管理模塊

包括系統(tǒng)管理、用戶管理、實驗項目管理與實驗儀器管理，其中，系統(tǒng)管理實現(xiàn)虛擬實驗室軟、硬件系統(tǒng)的資源管理，如系統(tǒng)硬件的配置、實驗室虛擬元件及設(shè)備屬性的設(shè)置、系統(tǒng)使用狀況統(tǒng)計等。用戶管理則對使用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的用戶進(jìn)行權(quán)限管理，從高至低依次為管理員、教師、學(xué)生三級，管理員能對虛擬實驗的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行全局管理，維護(hù)系統(tǒng)安全性與數(shù)據(jù)完整性，教師能添加、刪除與管理學(xué)生信息，而學(xué)生默認(rèn)的權(quán)限是能進(jìn)入各個子系統(tǒng)，但不能修改系統(tǒng)內(nèi)容，對實驗室數(shù)據(jù)庫只能讀不能寫。實驗項目管理主要包括試驗項目的增加、刪除與內(nèi)容更新等。實驗儀器的管理則是對虛擬實驗中的虛擬儀器進(jìn)行添加、更新等操作。

(2)實驗?zāi)K

實驗?zāi)K是實驗教學(xué)的重要模塊，由實驗列表、知識庫、實驗展示、指導(dǎo)與思考等于模塊組成。其中，實驗列表子模塊包括實驗內(nèi)容、實驗?zāi)康摹嶒灲榻B、實驗操作要領(lǐng)以及自主實驗等，讓學(xué)生在了解實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬實驗的操作，其中，自主實驗是虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的核心。知識庫為師生提供相關(guān)實驗科目的擴(kuò)展知識，如有關(guān)實驗的簡史、名著、名人、優(yōu)秀站點等，拓寬學(xué)生視野，增長學(xué)生見識。實驗展示為學(xué)生提供正確的實驗操作步驟，可以是視頻或者動畫等形式的，讓學(xué)生知道自己操作是否正確。指導(dǎo)與思考針對學(xué)生常見的問題提供解答，并提出各種思考題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

(3)結(jié)果評價模塊

結(jié)果評價模塊包括實驗提交、實驗評閱以及教師答疑子模塊。學(xué)習(xí)者可以將實驗的過程和結(jié)果保存下來并提交到網(wǎng)上，教師對這些過程和結(jié)果進(jìn)行評閱，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評價，教師根據(jù)這些評閱結(jié)果指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生安排實驗計劃，選擇實驗層次。對于學(xué)生在實驗過程中的疑問，老師給予解答。

(4)交流討論模塊

交流討論模塊是虛擬實驗教學(xué)的基本功能模塊，包括師生交流和生生交流，為師生提供一個共同探討實驗問題、技術(shù)問題的空間，將學(xué)生帶進(jìn)一個相互獨立又相互影響的通信實體中，學(xué)生之間、師生之間可以進(jìn)行“零距離”的交流，在交流中學(xué)習(xí)，同時在交流過程中教師也能了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，把握教學(xué)進(jìn)度。

五、結(jié)束語

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)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(jìn)步以及硬件設(shè)備價格的不斷降低，我們相信，虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一個新型的遠(yuǎn)程教育媒體，以其自身強(qiáng)大的教學(xué)優(yōu)勢和潛力，將會逐漸受到遠(yuǎn)程教育工作者的重視和青睞，最終在遠(yuǎn)程教育領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要作用。

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