杜一寧

（浙江海洋學院計算機中心，浙江舟山 316004）

1 虛擬實驗的概念及發(fā)展狀況

1.1 虛擬實驗的概念

虛擬實驗是借助多媒體，仿真，以及虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，英文縮寫VR）技術而產(chǎn)生和發(fā)展的一種實驗模式，它起源于20世紀末，是以計算機為控制中心，利用軟件技術構建系統(tǒng)的邏輯結構模型，協(xié)調相關硬件設備技術形成虛擬實驗系統(tǒng)，并通過計算機網(wǎng)絡形成虛擬實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡化，這樣就可以讓學生通過計算機操作，像在真實的環(huán)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等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果。它是計算機技術、虛擬現(xiàn)實技術、人機交互技術結合的產(chǎn)物，也是教育領域應用信息技術的一種創(chuàng)新。虛擬實驗一般是通過虛擬實驗室而進行的。虛擬實驗室是由虛擬現(xiàn)實技術生成的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統(tǒng)，包括相應實驗室環(huán)境，有關的實驗儀器設備，實驗對象以及實驗信息資源等，可以是某一現(xiàn)實實驗室的真實實現(xiàn)，也可以是虛擬構想成的實驗室。

1.2 虛擬實驗的發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬實驗是虛擬現(xiàn)實在教育重要應用領域，并逐步成為科學實驗和科學研究中強有力的工具。虛擬實驗是科學實驗領域中較為年輕的分支，其發(fā)展過程大致經(jīng)歷了三個階段：

（1）思維模型與邏輯分析階段。

該階段以科學實驗為基礎，以邏輯推理為根據(jù)，在思想中塑造實驗模型的實驗方式。

（2）計算機仿真階段。

20世紀60年代到80年代，其是以系統(tǒng)數(shù)學模型為基礎，在一定假設條件下利用計算機對實驗對象的數(shù)學模型進行的信息處理過程。

（3）虛擬現(xiàn)實階段。

20世紀80年至今，其是以虛擬現(xiàn)實技術為基礎，通過模擬人與周圍真實環(huán)境交互方式而建立的觀察界面進行實驗的過程。虛擬實驗從形象化思維到數(shù)字化分析再到直觀的虛擬現(xiàn)實階段的發(fā)過程中，計算機的產(chǎn)生與應用為虛擬實驗注入了新的活力，改革了傳統(tǒng)的實驗方法，擴大了認識領域，使虛擬實驗變得普遍，應用得更加廣泛。

2 虛擬實驗的類型與特征

2.1 虛擬實驗系統(tǒng)的類型

虛擬實驗通過虛擬實驗系統(tǒng)來實現(xiàn)的，虛擬實驗系統(tǒng)通常分為桌面虛擬實驗系統(tǒng)、沉浸型實驗現(xiàn)實系統(tǒng)、增強現(xiàn)實型虛擬實驗系統(tǒng)以及分布式虛擬實驗系統(tǒng)。但沉浸型、增強現(xiàn)實型等虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，需要有頭盔顯示器、數(shù)據(jù)傳感器手套等高昂的設備，很難在教學中應用，只有桌面虛擬實驗系統(tǒng)最為廉價，適用于教育領域。

2.2 虛擬實驗的特征

虛擬實驗與虛擬技術一樣，具有以下三個基本特征：

（1）交互性。

交互性是指用戶對虛擬實驗環(huán)境內對象的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度 (包括實時性)。虛擬實驗環(huán)境比較強調人與虛擬世界間的自然交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤和鼠標進行交互，而且能夠通過特殊頭盔和數(shù)據(jù)手套等傳感設備進行交互。

（2）沉浸性。

沉浸性是指虛擬現(xiàn)實技術能使用戶感到自己處于虛擬實驗環(huán)境中，成為其中的一員，由觀察者變?yōu)閰⑴c者，沉浸于其中并參與虛擬實驗的活動，即身臨其境。使用者在虛擬實驗環(huán)境中，一切感覺都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺。沉浸虛擬現(xiàn)實運用計算機、多媒體與仿真技術等現(xiàn)代科學技術，營造與客觀世界高度類似的虛擬環(huán)境，使人具有一種身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實模式在現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)建模的基礎上，采用三維圖形來表現(xiàn)虛擬世界，通過頭盔式顯示器或立體眼鏡等專用輔助設備觀察建模的三維物體，以獲得在平面顯示器上無法得到的物體深度、距離信息，并通過觀察不同的圖像，產(chǎn)生觀察視差，達到身臨其境的效果。

（3）想象性。

想象性指最大限度發(fā)揮人類的創(chuàng)造力和想象力。一方面，虛擬實驗的環(huán)境是人想象出來的，體現(xiàn)出設計者的思想；另一方面，用戶可從設計好的環(huán)境中得到感性和理性上的認識，進而深化概念，產(chǎn)生新意和想象，與設計者產(chǎn)生共鳴。

2.3 虛擬實驗的作用

除了以上基本特征外，虛擬實驗特征還有虛擬性、實踐性、靈活性、多樣性等特征，使得虛擬實驗與真實實驗相比，具有以下特殊作用：

（1）彌補教學條件的不足。

彌補了因實驗設備、實驗場地、教學經(jīng)費投入不夠等原因而無法開設實驗的不足，使學生做各種各樣的實驗獲得與真實實驗一樣的體會，從而豐富感性認識，加深對教學內容的理解。

（2）避免真實實驗或操作所帶來的各種危險。

使實驗者能夠獲得在真實實驗條件下難以獲得甚至根本無法得到的關于客觀對象的信息。以往對于危險的或對人體健康有危害的實驗，一般采用電視錄像的方式來取代實驗，學生無法直接參與實驗，獲得感性認識。利用虛擬現(xiàn)實技術進行虛擬實驗.則可以免除這種顧慮學生在虛擬實驗環(huán)境中，可以放心地去做各種危險的或危害人體的實驗。例如，虛擬的化學實驗，可以避免化學反應所產(chǎn)生的燃燒，爆炸所帶來的危險；虛擬的外科手術，可避免由于學生操作失誤，而造成病人死亡的醫(yī)療事故；虛擬的飛機駕駛教學系統(tǒng)，可免除學員操作失誤而造成飛機墜毀的嚴重事故。

（3）徹底打破空間與時間的限制。

虛擬實驗可以徹底打破空間的限制，縮短實驗周期，大到宇宙天體，小至原子粒子，學生都可以進入這些物體的內部進行觀察。虛擬實驗還可以突破時間的限制，一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，通過虛擬現(xiàn)實技術，可以在很短的時間內呈現(xiàn)給學生觀察。

3 虛擬實驗在實驗教學中的意義

（1）改變了傳統(tǒng)的實驗教學概念，為教育改革服務

虛擬實驗技術的應用，要求教師必須改變實驗教學觀念，實現(xiàn)實驗教師由演示者向指導者、創(chuàng)新者的轉換。要求學生由模仿者向探求和創(chuàng)造者轉換，達到由培養(yǎng)經(jīng)驗型人才向培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的轉變。要求教師善于運用實驗教學策略，鼓勵學生將自主設計、自主探索與協(xié)作實驗研究相結合。

（2）引進最新的科學技術，滿足面向信息社會的需求

虛擬實驗技術是一種先進的學習工具，是多學科技術發(fā)展的綜合，代表著當前學科技術的發(fā)展水平。隨著水平的不斷提高，虛擬實驗技術將不再是純虛擬環(huán)境。很多軟件都能和互聯(lián)網(wǎng)連接，和實際的實驗設備連接，實現(xiàn)遠程實驗，實現(xiàn)軟件對實驗的控制和對實驗數(shù)據(jù)的處理和分析。要使用計算機來進行實驗并對實驗數(shù)據(jù)進行處理，學生只有掌握這種先進的學習技能，才能更好地學習和工作。

（3）節(jié)省實驗經(jīng)費，豐富實驗資源，保證試驗安全

利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，可以彌補因為實驗設備、實驗場地、教學經(jīng)費等方面的不足，豐富實驗資源，使學生可以做一些危險或危害人體的實驗。例如，虛擬的化學實驗，可以避免化學反應所產(chǎn)生的燃燒、爆炸所帶來的危險；虛擬的外科手術，可避免由于操作失誤，而造成病人死亡的醫(yī)療事故；虛擬的飛機駕駛教學系統(tǒng)，可免除學員操作失誤而造成飛機墜毀的嚴重事故。虛擬實驗環(huán)境可以獲得與真實實驗一樣的體會，豐富了學生感性認識，加深對教學內容的理解。

（4）實驗教學手段多樣化

虛擬實驗的出現(xiàn)，為實驗教學改革提供了條件教師可以采取靈活的教學方法，實行個性化教學。通過網(wǎng)絡虛擬實驗教學，學生可以靈活控制學習時間，不受實驗室關閉和開放的影響，不受書本的約束，自主地選擇自己所需的實驗內容。同時，實驗考核也可多樣化，通過網(wǎng)絡考核與實際考核相結合，更能真實評價學生的能力。利用虛擬實驗遠程系統(tǒng)，將實驗設備、教學內容（包括理論教學）、教師輔導和學習者的思考、實驗操作等融為一體，克服了實驗教學長期受到課堂、課時限制的因素。教師可以上網(wǎng)組織各種實時或非實時的分布式教學，回答學生問題，批改實驗報告。學生可通過上網(wǎng)接受教師指導，完成各項實驗內容，提交實驗報告。

（5）實驗內容可緊跟科學發(fā)展步伐

傳統(tǒng)實驗教學實驗項目多為驗證性實驗，總是滯后于學科發(fā)展。虛擬實驗技術的發(fā)展，給實驗教學改革注入了新的活力。它不但可以有效營造一個跟技術發(fā)展同步的實驗環(huán)境，還可以具有適當?shù)某靶?。實驗環(huán)境虛擬化，實驗過程可以突破物理上時間和空間的限制。以前因時空限制而無法實現(xiàn)的實驗項目，現(xiàn)在就可以通過虛擬技術進行模擬實驗。

（6）更利于培養(yǎng)學習興趣與能力

由于虛擬實驗利用多媒體技術來模擬真實實驗環(huán)境，使得整個實驗過程具有游戲的特點，將群體式學習、協(xié)作式學習、競賽式學習的模式靈活應用，可以激發(fā)學生濃厚的學習興趣。其次，在虛擬實驗中，學生可以很方便地通過改變實驗參數(shù)分析不同的實驗結果。這有利于培養(yǎng)學生的科學意識和創(chuàng)新精神?？傊壳疤摂M實驗技術還處在發(fā)展、起步階段，但在實驗教學過程中已經(jīng)發(fā)揮了巨大的作用。它不僅彌補實驗設備缺乏和條件的限制，而且極大提高了學生對知識的需求和探索的積極性，提高了實驗教學效果。同時，通過虛擬實驗技術把抽象的、難以直接用一般自然手段表現(xiàn)的形象直觀地表現(xiàn)出來，有助于加快認識客觀世界的規(guī)律，提高實驗教學的先進性。

總之，虛擬實驗教學可以節(jié)約成本，突破實驗教學在時間和空間上的限制，提高學習者的自主性和創(chuàng)新性，充分發(fā)揮計算機技術網(wǎng)絡的優(yōu)勢，成為對傳統(tǒng)教學方式的有力補充。利用計算機圖形技術、虛擬現(xiàn)實技術、網(wǎng)絡技術等可以仿真出可視化的實驗環(huán)境，引入多種多樣先進、昂貴的實驗儀器設備，同時降低誤操作的危害與損失，為學生和勞動者提供實用的知識與技能。

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