虚拟实验开发与运用
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作者: 马文龙 李娜
摘要：近年来，随着现代教育技术的不断完善，虚拟实验在教学中的应用越来越广泛，已成为应用现代教育技术进行辅助教学的重要手段。阐述了虚拟实验的基本概念和技术要求，并对虚拟实验的各种技术在高校的运用情况进行了说明。
关键词关键词：虚拟实验；虚拟实验室；Java技术；Flash
中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2013）007012403
1 虚拟实验概念
1.1 虚拟实验概念
虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上搭建一个可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作平台，实验者可以像在真实的环境中完成各种实验项目，所达到的实验效果与在真实环境中的效果一样或者减少了实验的误差从而使得结果更加准确。
1.2 虚拟实验特点
（1）弥补远程教学条件的不足。在远程教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。
（2）避免真实实验或操作所带来的各种危险。以往对于危险的或对于人体健康有危害的实验，一般采用电视录像的方式来取代实验，学生无法直接参与实验，从而无法获得感性认识。利用虚拟现实技术进行虚拟实验，则可以避免这种顾虑。学生在虚拟实验环境中可以放心去做各种危险的或危害人体的实验。例如，虚拟的化学实验，可以避免化学反应所产生的燃烧爆炸所带来的危险；虚拟的外科手术，可避免由于学生操作失误，而造成“病人”死亡的医疗事故；虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。
（3）彻底打破空间、时间的限制。利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间的限制。大到宇宙天体，小到原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。例如学生可以进入虚拟发电机厂，考察发电机每个部分工作情况和相互联系，从而了解整个发电过程，这是电视录像和实物媒体所无法比拟的。虚拟技术还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察到的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。
（4）可以虚拟人物形象。虚拟现实系统可以虚拟历史人物，伟人、名人、普通人等各种人物形象都可虚拟出来，创建出一个人性化的学习环境，使远程教育的学生能够在自然、亲切的气氛中进行学习。例如，在虚拟的课堂学习气氛中，远教学生可以与虚拟的教师、学生一起进行交流、讨论，共同探讨学习中的各种问题，进行协作化学习。
开设反映新技术成果的应用以及其它新型实验是虚拟实验又一重要应用形式，这种类型实验由于内容新颖、应用性较强，传统的实验室往往无法及时做出。通过虚拟实验，可将相应的资源进行组合，开发相应的实验内容。这种实验可以开拓学生视野，激发学生实验的兴趣，有助于学生创新能力的培养[1]。
1.3 虚拟实验室
虚拟实验室是一种基于Web技术、虚拟仿真技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。虚拟实验室为开设各种虚拟实验课程提供了全新的教学环境。虚拟实验台与真实实验台类似，可供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备。教师利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的典型实验，或实验案例，这一点是虚拟实验室有别于一般实验教学课件的重要特征。
在虚拟实验室中，学生既可以在虚拟实验台上动手操作，又可自主设计实验，有利于培养学生的操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识。在虚拟实验室中，学生更易获得相关的知识、科学的指导和敏捷的反馈。虚拟实验室是未来实验室建设的发展方向。 虚拟现实实验室是虚拟现实技术应用研究的重要载体。
随着虚拟实验技术的成熟，人们开始认识到虚拟实验室在教育领域的应用价值，它除了可以辅助高校的科研工作外，在实验教学方面也具有如利用率高、易维护等诸多优点。近年来，国内的许多高校都根据自身科研和教学的需要建立了一些虚拟实验室。
2 虚拟实验研究背景和意义
近几年来，随着计算机技术、多媒体技术和网络技术的快速发展，网络教学已经渗入到教育的各个方面。虚拟实验就是在计算机中创设的一种实验情境，让用户通过鼠标的点击或拖曳操作进行虚拟的实验。[2]
虚拟实验的基础是多媒体技术、网络技术与虚拟仪器技术的结合。特别是虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合使虚拟实验具有了一定的智能化特性。虚拟技术的发展为实验教学改革及远程教育提供了良好的条件和技术支持，用虚拟实验来辅助教学是现代教育技术发展的要求，它有着广阔的开发应用前景。
随着经济和科技的飞速发展，我国高等教育进入了一个快速发展的时期，同时也对高校的教育提出了新的挑战，新理论新技术层出不穷，学科间的交叉和联系不断加强，仅仅依赖书本、文字和简单演示说明的教学方式，已经跟不上科技发展的步伐。在这个大环境下，实验教学应运而生，并成为高校教学活动的重要环节，而随着高校的扩招，学生人数大规模增加，学校的实验设备已经无法满足学生随时、多次重复地做一门实验的需要，只能分批次给学生提供某项实验的时间，教学所需高档仪器设备的配备不足与资金相对短缺的问题也逐渐显露出来。很多学校都把实验教学和实验室建设放在首要位置上。然而，由于受到经费、场地和设备等各方面的限制，实验教学并不能达到预期的效果，实验教学的质量较差。一些耗资较大的实验在许多学校不能开设，学生只能通过教师在课堂上的讲述对实验仪器及实验操作进行想象，缺乏实际操作经验。同时，在传统的实验教学中，如何考核学习者的实验操作技能存在着一定的困难，尤其是对于一些技术基础性的实验，实验结束后，由于实验项目和学习者人数较多，如果教师要进行一对一的考核，是很难真正实施的。传统实验教学模式和手段的局限性，已经成为高校教学发展的重要制约因素。 由于传统实验教学存在着诸多弊端，很大程度上制约了实验环节的教学质量，严重影响着高校教学质量，实验教学必须改革以适应现代教育的发展。近年来，互联网技术的发展以及虚拟实验室（virtual laboratory）在许多领域的成功应用，为以上问题的解决提供了一个很好的途径。
3 虚拟实验开发技术
从技术层面上看，各类虚拟实验系统的基本思想是一致的，即用软件方法来模拟硬件设备的功能。为了实现上述功能和目的，需要使用一些相关的技术，其中最主要的技术有以下几个：
（1）VR技术。虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR），是以计算机技术为核心，综合使用交互设备融视、听、触、感为一体的模仿现实的三维空间再现技术。
（2）Lab VIEW技术。Lab VIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench） 程序称为“虚拟仪器程序”（简称VI），是一种基于图形编程语言的开发环境。
（3）Java。作为一种程序设计语言，具有可移植性和安全性，提供了并发机制，具有很好的性能。
（4）ActiveX技术。它可将复杂的任务分割成小的模块作为组件。采用组件思想为构造虚拟仪器带来了很大方便。
（5）ASP技术。提供一个服务器端的脚本环境，用于产生和执行动态、高效率的网络服务器应用程序。
（6）交互式Flash技术。Flash技术用于网络虚拟实验室的开发具有开发速度快、界面美观、视觉冲击效果强、体积小、不需要安装、可直接在浏览器中进行操作等特点，但在交互性方面尚有不足，视觉效果不如3D。
（7）3DMAX与VRML。建立复杂的三维模型是相当繁杂的，而3D Studio Max 因其强大的三维建模功能恰好可弥补VRML这方面的不足，并且 VRML具有与3D Studio Max模型的无缝接口。因此在虚拟实验系统的场景和仪器设备制作时，一般是先利用3DMAX制作出复杂逼真的场景，然后利用 VRML 语言进行位置、动作、空间背景、视点、传感效果等设置，使虚拟实验教学系统既具有逼真的漫游效果，又具有可交互操作的特点。
4 详细设计
我们以Flash技术为例来进行虚拟实验的设计。
在虚拟实验中，flash动画用二维动画技术实现三维视听效果的实验过程，动画创作过程分为总体设计和详细设计两个阶段，总体可归纳为：动画创意、动画设计、动画制作、文件管理四个阶段，每个阶段都发挥着重要的作用。
（1）动画创意阶段。这一阶段的主要任务是确定虚拟实验动画的色调、风格和交互形式，明确设计思路。（为了达到视觉上的清爽感受，最终确定以蓝色调为主来表现明亮而宁静的实验环境，配以淡雅的仪器设备，这样的搭配有助于消除视觉疲劳）。
（2）动画设计阶段。这个阶段包括动画的结构设计、场景设计、元件设计、交互性功能设计、多媒体影音设计。这一阶段的主要任务是对动画的整体结构层次的把握，为详细设计准备好框架结构，并且可以标注下一步需要制作的内容，为下一段提供文案设计，这样可以使整个设计思路保持清晰连贯，还提高了设计的效率。
（3）动画制作阶段。这个阶段包括制作图形元件（鼠绘三维矢量图形）、制作按钮元件（三维动感）、制作视频剪辑（元件嵌套层次）、制作片头动画（特效动画）、制作主体动画（场景、图层、时间轴帧）、实践交互功能（动作脚本）、烘托多媒体效果（声音和提示）。这一阶段的重点内容是绘制虚拟实验设备，调整好色彩和光线，让实验设备更加逼真，然后再插入一些比较合适的声音，使设备在视听觉效果上完美结合起来。此部分的关键技术是制作矢量图形元件和带有层次嵌套的视频剪辑元件。
（4）文件管理阶段。这个阶段的内容包括图层的管理和文件库的整理，把文件库文件以文件夹的形式来管理是这一阶段的主要任务，这样便于文件资源的共享，避免重复劳动，不仅提高了工作效率还有利于虚拟实验设备的维护和更新。
设计流程如下：
（1）熟悉实验过程。通过多种渠道熟悉每一个实验所包含的各个环节，对实验过程进行把握，分析实验步骤之间的相互关系，了解实验所需的物品及其用量等，注意实验中的一些细节问题，有些实验对药品的用量有着严格的要求，不同的材料配比会导致其实验结果发生变化。提炼出实验过程中的关键步骤，为动画设计做必要的准备。
（2）分析实验原理。在这个阶段里，应熟悉实验仪器的工作原理，观察实验仪器的结构特点，观察实验设备的运行情况，了解各部件的名称及其作用以及各部件之间的工作关系，最好能够准确地把握每个零部件，上述过程为绘制逼真的实验设备打下基础。
（3）绘制实验仪器 。鼠绘三维矢量图形仪器设备，使效果更逼真。在绘制实验仪器时，应尽量注意每一个细节的刻画，包括每台仪器的整体比例、颜色形状等应高度仿真。一些比较精密的仪器，应注意其刻度、单位等。部件与部件之间应相对独立且又统一，以便于设备的维护和更新。
（4）制作实验步骤。将实验步骤归纳分解，明确实验的思路，利用flash的技术特点，把实验步骤有条理且简洁地设计出来。在设计实验步骤时应突出重点，这样便于学生的理解和掌握。
（5）实验交互功能。点击按钮，实现场景等切换，实验的界面中包含实验过程介绍、实验仪器设备和实验材料、实验结果填写等几个板块。
（6）动画效果测试。经过测试可以发现设计中的一些问题，是对虚拟实验设计的最后把关。
5 结语
虚拟实验可以很大程度上解决目前实验设备不足、课程学时短但讲授内容多的矛盾。它不仅能提高教学效果、提升学生的学习兴趣和积极性、深层次掌握实验内容，还可以解决实验经费不足的问题，在不同程度上可以替代传统实验。
总而言之，虚拟实验对改进教学方式具有很大的参考价值，它既节约了经费，又使学生更加容易进行上机操作。虚拟实验构建比较容易，维护较为简单，因此对虚拟实验的研究具有十分重要的实际意义。
参考文献：
[1] 瞿曌，邓居祁，殷科生. 虚拟实验的特点与实现[J]. 现代远距离教育，2007（4）.
[2] 邵平.设计和制作虚拟物理实验的初探[J].曲阜师范大学学报：自然科学版，2003（2）.
[3] 耿彧.浅析虚拟现实技术在教学中的运用[J].硅谷，2009（9）：123.
责任编辑（责任编辑：杜能钢）
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