彭永進(jìn)，王昌軍，趙曉艷，田秀娜，劉玉玲，郝軍華

[摘 要]隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，高校實(shí)驗(yàn)室的信息化建設(shè)越來(lái)越重要。在這個(gè)過(guò)程中，虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化建設(shè)起著非常重要的作用。作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的有益補(bǔ)充，虛擬實(shí)驗(yàn)室可以有效地拓展相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、增強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理的理解，從而達(dá)到有效配置實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、加速實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)的目的。

[關(guān)鍵詞]虛擬實(shí)驗(yàn)室；高等學(xué)校；信息化建設(shè)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.08.094

[中圖分類(lèi)號(hào)]TP368.5 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1673-0194（2018）08-0-02

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，社會(huì)對(duì)人才也提出了越來(lái)越高的要求。只具有某一技能的單一型人才已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足社會(huì)的需求。具有多方面背景知識(shí)、兼具理論和實(shí)踐技能的復(fù)合型人才越來(lái)越受到用人單位的青睞。這種新時(shí)代背景下市場(chǎng)對(duì)人才的新需求給以培養(yǎng)人才為己任的高等學(xué)校提出了新的要求。除了在課堂上進(jìn)行的理論教學(xué)之外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也變得越來(lái)越重要。高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室是對(duì)學(xué)生進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)、培養(yǎng)其應(yīng)用實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力的重要場(chǎng)所，同時(shí)也是教師和學(xué)生進(jìn)行科研活動(dòng)、技術(shù)革新和成果轉(zhuǎn)化的主要陣地。因此，高等學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室管理和建設(shè)水平對(duì)于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)有著舉足輕重的作用。

科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展使得新技術(shù)新儀器不斷誕生，隨著各個(gè)高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的不斷發(fā)展，儀器的數(shù)目不斷增加，新的儀器不斷更新，其中不乏“身價(jià)”昂貴的大型儀器。這些對(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理和建設(shè)提出了更高的要求。另外，如何協(xié)調(diào)好實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)和科研上的使用分配、儀器的維護(hù)和使用等方面問(wèn)題使得高校的實(shí)驗(yàn)室管理變得越來(lái)越復(fù)雜。各個(gè)高校實(shí)驗(yàn)室的管理者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室管理模式已經(jīng)不再適用，紛紛開(kāi)始了結(jié)合信息技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室信息化管理和建設(shè)，并取得了一定的成效。本文對(duì)建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室在高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室信息化管理和建設(shè)中的作用進(jìn)行初步的探討。

虛擬實(shí)驗(yàn)室是指利用虛擬儀器技術(shù)對(duì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情景和設(shè)備進(jìn)行仿真或虛構(gòu)，使得人們可以在不受具體實(shí)驗(yàn)條件制約的情況下在各種互聯(lián)網(wǎng)終端上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)室。其中虛擬儀器技術(shù)是一種對(duì)計(jì)算機(jī)軟件、模擬數(shù)字信號(hào)處理、專(zhuān)用高速集成電路等技術(shù)的綜合運(yùn)用。實(shí)踐表明，依托于虛擬實(shí)驗(yàn)室的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是對(duì)依托于真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充，兩者的有機(jī)結(jié)合有效地提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，同時(shí)也很好地促進(jìn)了高校實(shí)驗(yàn)室的信息化建設(shè)。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建方法

虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建方法有許多種，大部分都是通過(guò)軟件來(lái)模擬真實(shí)硬件的功能來(lái)構(gòu)建。常見(jiàn)的方法有以下幾種。

Flash軟件，一種集動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作與程序開(kāi)發(fā)于一身的軟件，由Macromedia公司開(kāi)發(fā)，兼具矢量圖和網(wǎng)頁(yè)動(dòng)畫(huà)技術(shù)。模擬過(guò)程中所需要的內(nèi)容既可以在Flash軟件中自行創(chuàng)建也可以由其他軟件導(dǎo)入。Flash軟件的交互界面主要由其腳本語(yǔ)言Action Script來(lái)進(jìn)行控制，其優(yōu)點(diǎn)是具有很大的靈活性，缺點(diǎn)則是步驟比較復(fù)雜。

VRML（Virtual Reality Modeling Language，虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言）基本工作由文本描述、遠(yuǎn)程傳輸和本地計(jì)算組成。其對(duì)三維場(chǎng)景用文本信息進(jìn)行描述，由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖镜貦C(jī)器上再由VRML的瀏覽器解釋復(fù)原三維場(chǎng)景。這樣利用文本信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸、在本地機(jī)器上完成圖像處理任務(wù)的技術(shù)極大地減輕了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。

Quick Time VR（Quick Time Virtual Reality）是蘋(píng)果公司所開(kāi)發(fā)的一種基于靜態(tài)圖像處理的初級(jí)虛擬實(shí)境技術(shù)，具有視線切換、推拉鏡頭、超媒體鏈接等基本功能，是一種不需要昂貴的設(shè)備就可以產(chǎn)生逼真效果的VR體驗(yàn)技術(shù)。

LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器公司研制開(kāi)發(fā)，類(lèi)似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境。LabVIEW基于圖形化編輯語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。該軟件由面板和程序框圖組成：面板是人機(jī)交互式用戶(hù)界面，可以提供外觀與傳統(tǒng)儀器相似的控件，使用圖標(biāo)和連線就能夠十分便捷地創(chuàng)建虛擬儀器控制界面；而程序框圖是按照流程圖來(lái)編寫(xiě)的控制程序，具有簡(jiǎn)單快捷、直觀形象、穩(wěn)定性及可重復(fù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的主要優(yōu)點(diǎn)

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用體會(huì)，筆者總結(jié)出虛擬實(shí)驗(yàn)室的主要優(yōu)點(diǎn)如下。

2.1 教學(xué)方式靈活，教學(xué)效果良好

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師往往需要結(jié)合真實(shí)儀器來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理和操作步驟的講解，這個(gè)過(guò)程受到兩個(gè)因素的制約而難以達(dá)到理想的效果。一是空間有限，難以保證每個(gè)學(xué)生都能看清楚儀器構(gòu)造和操作步驟；二是有些儀器的內(nèi)部構(gòu)造難以展現(xiàn)，學(xué)生對(duì)其內(nèi)部構(gòu)造沒(méi)有直觀體驗(yàn)，對(duì)儀器原理一知半解，在操作中往往是知其然而不知其所以然，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果大打折扣。而通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立，學(xué)生可以不受時(shí)間空間等條件的限制在網(wǎng)絡(luò)終端上十分便捷地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)和操作，而且可以對(duì)儀器的構(gòu)造有更深入的了解。實(shí)踐表明，盡管儀器的演示和操作是虛擬化的，學(xué)生對(duì)其原理的理解程度還是有了很大的提高。在這個(gè)基礎(chǔ)上再在實(shí)際儀器上進(jìn)行操作，學(xué)生們普遍感覺(jué)有的放矢，達(dá)到了知其然亦知其所以然的良好效果。

另外，虛擬實(shí)驗(yàn)室方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)的同時(shí)還方便開(kāi)展探索式學(xué)習(xí)。隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真軟件的功能日益強(qiáng)大。教師可以結(jié)合新熱點(diǎn)、新發(fā)現(xiàn)等多角度來(lái)給學(xué)生設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，同時(shí)也可以鼓勵(lì)學(xué)生自己利用虛擬技術(shù)進(jìn)行不同角度的實(shí)驗(yàn)探索，這些可以極大地提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力，也符合了新時(shí)代對(duì)復(fù)合型人才的需求特點(diǎn)。

2.2 趣味性強(qiáng)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中的部分儀器在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下早已被淘汰，但高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)儀器的更新受到資金、場(chǎng)地等條件的制約往往不是十分及時(shí)。這種情況導(dǎo)致學(xué)生多年來(lái)面對(duì)這些陳舊過(guò)時(shí)的實(shí)驗(yàn)儀器失去做實(shí)驗(yàn)的興趣，對(duì)實(shí)驗(yàn)課產(chǎn)生消極怠慢情緒，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果產(chǎn)生十分不好的影響。而虛擬實(shí)驗(yàn)室的課題選擇、器材選取更改起來(lái)要相對(duì)容易得多。這種可以緊跟時(shí)代發(fā)展的新鮮內(nèi)容可以極大地引起學(xué)生的興趣，增強(qiáng)了其學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性。在這個(gè)過(guò)程中，有些同學(xué)還自主地對(duì)虛擬仿真技術(shù)產(chǎn)生了興趣，通過(guò)自己對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的擴(kuò)展和改造提高了自身的編程能力。

2.3 維護(hù)費(fèi)用低，安全性、可擴(kuò)展性好

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬實(shí)驗(yàn)室利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)情景，其使用和維護(hù)費(fèi)用相對(duì)低廉，只需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和程序?qū)μ摂M儀器進(jìn)行管理和維護(hù)即可，在場(chǎng)地、設(shè)備等方面的耗費(fèi)較少。對(duì)一些危險(xiǎn)性大或者難以觀察的實(shí)驗(yàn)可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也提高了實(shí)驗(yàn)操作的便捷性和安全性。另外，在虛擬實(shí)驗(yàn)室的使用過(guò)程中，對(duì)相關(guān)虛擬仿真軟件進(jìn)行升級(jí)就可以方便地增加新的內(nèi)容和功能，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的擴(kuò)展較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室更加方便和快捷。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室的不足之處

當(dāng)然在虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作中，還有一些不足之處，值得注意。

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果理想化，學(xué)生缺少實(shí)物感

與在實(shí)際儀器上進(jìn)行的真實(shí)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件都是在理想環(huán)境下所設(shè)定的，因此不具備實(shí)驗(yàn)環(huán)境的真實(shí)復(fù)雜性，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果是理想化的。教師和學(xué)生在使用過(guò)程中要十分注意這一點(diǎn)，要認(rèn)識(shí)到虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)兩者的異同和局限之處，使用時(shí)要盡可能地將兩者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。虛擬化實(shí)驗(yàn)作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的理想化模型幫助學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)原理，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)和探索空間；真實(shí)實(shí)驗(yàn)作為虛擬實(shí)驗(yàn)在真實(shí)條件下的具體化驗(yàn)證，在實(shí)踐的過(guò)程中幫助學(xué)生具體感受實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象。從實(shí)驗(yàn)原理學(xué)習(xí)到模擬操作再到實(shí)物操作這樣一整套實(shí)驗(yàn)過(guò)程十分有利于學(xué)生的邏輯思維和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

3.2 學(xué)生學(xué)習(xí)積極性增強(qiáng)的同時(shí)容易偏離目標(biāo)主題

虛擬實(shí)驗(yàn)室不受時(shí)間和空間的限制，學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以獲得豐富多彩的信息。這在開(kāi)闊學(xué)生視野的同時(shí)有時(shí)會(huì)使學(xué)生發(fā)生對(duì)資料取舍錯(cuò)誤、偏離實(shí)驗(yàn)主題目標(biāo)的情況。這就要求教師要發(fā)揮好引導(dǎo)的作用，要旗幟鮮明地指出實(shí)驗(yàn)的主題目標(biāo)，所涉及的主要原理和內(nèi)容，向?qū)W生指出哪些方向值得重點(diǎn)關(guān)注和探索，引導(dǎo)學(xué)生將精力放在最值得關(guān)注的重點(diǎn)方面。

3.3 虛擬實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)時(shí)間使用對(duì)網(wǎng)絡(luò)和硬件的配置要求增高

由于學(xué)生需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有時(shí)還需要提交在線作業(yè)，在長(zhǎng)時(shí)間使用后，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)需要存儲(chǔ)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些就對(duì)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)和配置提出了較高要求。因此在這方面需要相關(guān)管理者從兩個(gè)方面著手考慮：一是要籌措相關(guān)資金，維護(hù)和升級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)室相應(yīng)的硬件和軟件配置；二是培養(yǎng)相關(guān)方面技術(shù)人才，合理地管理相關(guān)設(shè)施，使資源能夠有效配置，在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

在現(xiàn)代社會(huì)復(fù)合型人才培養(yǎng)過(guò)程中，實(shí)踐動(dòng)手和自我創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是重中之重。目前，很多高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中大都存在著實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新、規(guī)模日益增長(zhǎng)的要求與實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備陳舊、場(chǎng)地有限的矛盾，這嚴(yán)重影響了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，不利于學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充，以其特有的操作方式為上述問(wèn)題提供了很好的解決之道。兩者的有機(jī)結(jié)合能夠有效地緩解上述矛盾，同時(shí)使得傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在內(nèi)容和形式上得以極大的拓展。隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室在高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和信息化建設(shè)過(guò)程中必將發(fā)揮更大的作用。

主要參考文獻(xiàn)

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