趙曉春

黑龍江科技學院 150090

前言

為提高教學質(zhì)量，實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標，必須完善實驗室環(huán)境。但普遍存在的是各高校教育投資經(jīng)費不足也使高校很難建立完善的現(xiàn)代實驗室，一定程度上影響了實驗教學的開展和學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而通過基于網(wǎng)絡的虛擬實驗室的構建，不僅可以充分利用教育投入，有利于改善辦學條件和提高辦學綜合水平。因此，構建網(wǎng)絡虛擬實驗室具有深遠的指導意義。

1. 基于網(wǎng)絡的虛擬實驗室的定義

網(wǎng)絡虛擬實驗室(Virtual Laboratory)，又稱為合作實驗室(Collaborative Laboratory)，即利用計算機技術及網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)對真實實驗過程和實驗結果的計算機模擬，為學生提供虛擬環(huán)境進行電子儀器設備、實踐訓練項目互動操作練習。對于網(wǎng)絡虛擬實驗室來說，用戶操作只需通過聯(lián)網(wǎng)計算機的Internet瀏覽器，就可直接訪問專用虛擬實驗室服務器的頁面，在瀏覽器中實時地操作從而完成各種實驗。

2. 基于網(wǎng)絡的虛擬實驗室的特性

網(wǎng)絡虛擬實驗室將計算機網(wǎng)絡技術和虛擬仿真技術結合，在現(xiàn)有軟硬件的基礎上開發(fā)的系統(tǒng)，將實驗室與服務對象有機結合在一起，用軟件編程替代實際實驗環(huán)境，有效解決高校辦學中由于經(jīng)費投入緊張帶來的實際問題，網(wǎng)絡虛擬實驗室技術將成為未來教育發(fā)展的必然趨勢。一個合格的網(wǎng)絡虛擬實驗室應當滿足以下幾個重要特性。

（1）具有交互性、自主性

在虛擬實驗過程中實驗者可以根據(jù)自身的實驗需要利用網(wǎng)絡虛擬實驗室提供的虛擬器件組建、設計具體實驗內(nèi)容, 同時在實驗中提供控制技術控制實驗的進程并對實驗者的操作提供反饋信息。

（2）具備開放性

開放性指的是要打破使用者操作時間、地域及應用平臺的限制，通過任何一臺連接網(wǎng)絡的計算機終端均可通過網(wǎng)頁進入網(wǎng)絡虛擬實驗室進行虛擬實驗。

（3）一致性和協(xié)作性

所有的參與實驗者對于虛擬實驗環(huán)境有一致的感覺并能進行彼此交流和協(xié)作。

（4）具有實時性

虛擬實驗室與使用虛擬實驗室的用戶之間有良好的實時性交互。

（5）擁有良好的真實感

能夠提供良好的虛擬實驗環(huán)境，采用多媒體技術、虛擬現(xiàn)實技術增進實驗的身臨其境的感覺。

3. 網(wǎng)絡虛擬實驗室構建的關鍵技術

3.1 網(wǎng)絡虛擬實驗室構建的發(fā)展

計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展為構建網(wǎng)絡虛擬實驗室開發(fā)提供了良好的網(wǎng)絡開發(fā)工具和技術。虛擬實驗室構建的關鍵是采用計算機軟件技術和計算機仿真技術來實現(xiàn)。按照構建技術不同可以分為虛擬儀器、虛擬實驗室和網(wǎng)絡虛擬實驗室。

發(fā)展至今的第四代虛擬儀器技術是當前計算機軟件等技術結合的產(chǎn)物，虛擬儀器的理念就是以計算機為核心，用計算機的顯示器模擬各種儀器，實現(xiàn)聲光電等多種形式輸出實驗結論，并將虛擬技術和網(wǎng)絡技術結合，實現(xiàn)遠程實驗?；诰W(wǎng)絡的虛擬實驗室是創(chuàng)建一個虛擬的實驗環(huán)境，實驗對象可以通過鼠標的操作進行虛擬的實驗，突破了傳統(tǒng)的實驗手段和實驗環(huán)境。

3.2 網(wǎng)絡虛擬實驗室基本要求

正確認識虛擬實驗室與傳統(tǒng)實驗室之間的關系。虛擬實驗室是現(xiàn)實實驗室的擴展和補充，它并不能完全替代現(xiàn)實實驗室。虛擬實驗室在功能上應該具備完整模擬實驗環(huán)境，能模擬實驗儀器并進行相應操作，模擬整個實驗過程并能將實驗結果在計算機中采用聲音、顯示技術等反饋出來。

3.3 網(wǎng)絡虛擬實驗室建模

建模是實驗環(huán)境虛擬化的基礎，仿真模擬是建模的目的。建模反映了實驗實體儀器及過程在計算機中的虛擬模型之間的關系，完成實體到抽象模型的數(shù)學模型建立并進行算法的處理。虛擬實驗的數(shù)學模型主要是對實驗真實環(huán)境中所有實驗設備進行模擬控制，完成與用戶的交互。一個完整的虛擬實驗過程要由實驗數(shù)學模型和實驗圖像模型結合并協(xié)調(diào)工作的，虛擬實驗過程中首先接受實驗操作指令，然后有數(shù)學模型進行處理并由模擬模型在顯示器上反映實驗過程，待處理結果出來后再由圖像模型將結果反映出來。在整個虛擬實驗過程中體現(xiàn)出真實的交互性能，即具有良好的真實感。

3.4 網(wǎng)絡虛擬實驗室構建技術

構建網(wǎng)絡虛擬實驗室的技術很多，但是設計思路都是一樣的，即使用軟件技術實現(xiàn)真實實驗環(huán)境和過程的模擬。常用技術大致有以下幾種。

1）Java技術開發(fā)

美國的Sun公司開發(fā)的Java技術隨著網(wǎng)絡的迅速普及和發(fā)展應用越來越廣泛，Java語言具有簡單、易用的特點，用Java語言開發(fā)的軟件具有可視化、良好互動性的交互動畫表現(xiàn)形式。這些特性應用于網(wǎng)絡虛擬實驗室的構建非常適用。但是Java技術也有其缺點，即無法滿足實驗環(huán)境的三維模擬效果實

2）Flash技術開發(fā)

Flash技術在圖形圖像處理上具有很強的優(yōu)越性，針對較為復雜的圖形對象使用較少的數(shù)據(jù)就可以描述，非常適合于網(wǎng)際間交換數(shù)據(jù)，多媒體支持上也非常靈活，支持流行的Mp3格式音頻流播放，生成的動畫體積小、音畫同步、調(diào)用速度快的特性。

3）VRML技術開發(fā)

VRML建模語言可以在網(wǎng)頁上實現(xiàn)虛擬三維場景，這在一定程度上彌補了Java技術的不足。該技術可以開發(fā)集音、像及其他多媒體技術的3D模式的虛擬實驗環(huán)境，但該技術在數(shù)據(jù)處理方面還存在缺陷，需要結合其他算法語言才能較好完成數(shù)據(jù)處理。實際設計中計算能力對虛擬實驗過程控制上要求很高。

4）NET技術

微軟公司推出的.NET技術提供了一個安全、穩(wěn)定的跨平臺語言環(huán)境，用戶可以選擇熟悉的語言開發(fā)設計頁面交互程序。并可以開發(fā)多層次系統(tǒng)，包括C/S、B/S架構的應用系統(tǒng)。該技術是創(chuàng)建網(wǎng)頁應用的首選平臺，它可以開發(fā)將任何瀏覽器或外設作為目標的網(wǎng)頁應用程序，這些特點是網(wǎng)絡虛擬實驗室構建有利因素。

4. 虛擬實驗室技術的發(fā)展趨勢

1）加強協(xié)作方式構建虛擬實驗室。實驗本身就是一種相互合作的活動，是實驗環(huán)節(jié)中比較重要的過程，未來基于網(wǎng)絡的虛擬實驗室可以實現(xiàn)不同地域、不同平臺之間的相互合作。

2）自適應特征。虛擬實驗室將具有能從實驗過程中獲取實驗信息，并根據(jù)信息的變化修正實驗環(huán)境和性能，以提供給實驗者一個具備自適應特征的實驗學習環(huán)境。

3）實驗環(huán)境向視覺仿真模式發(fā)展。仿真技術的發(fā)展將促使虛擬實驗環(huán)境更加真實，更先進的三維技術和三維視覺技術（如谷歌的3D眼鏡技術）將更加有機結合，提供給實驗對象更加真實的感官接觸，使實驗者有身臨其境的感覺。

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