虛擬實驗室建設

楊百龍，郭文普，徐東輝

(第二炮兵工程大學403室，陜西西安 710025)

隨著多媒體技術、仿真技術及網(wǎng)絡技術發(fā)展應用，一種新的實驗訓練系統(tǒng)虛擬實驗室，在國內外高校和企業(yè)得到廣泛應用，并取得良好的效果。深入分析虛擬實驗室特點優(yōu)勢，廣泛吸納各方成功經(jīng)驗，積極開展虛擬實驗室建設，是高校實驗室建設面臨的一項重要任務。

1 虛擬實驗室及其構成

虛擬實驗室是應用多媒體技術、虛擬現(xiàn)實技術及各種仿真開發(fā)軟件等仿真現(xiàn)實世界中真實實驗平臺的計算機應用系統(tǒng)［1］。這些應用系統(tǒng)利用軟件虛擬實際實驗室環(huán)境，通過模擬各種實驗材料、器件和儀器儀表等提供可操作的虛擬實驗儀器，學員通過系統(tǒng)模擬出真實實驗平臺或儀器面板的人機交互界面調用、連接、配置各模擬器件和工具，建立并完成具體的實驗項目，系統(tǒng)還能夠對學員實驗過程和實驗結果進行管理與分析，因此，學員通過虛擬實驗可取得與真實的實驗室相同的實驗過程體驗，教員通過虛擬實驗室也可對學員實驗過程和結果進行考核和評價。

虛擬實驗室通常由虛擬實驗臺、虛擬器材庫和實驗室管理系統(tǒng)組成。虛擬實驗臺模擬真實實驗環(huán)境，可供學員動手配置、連接、調節(jié)和使用各種虛擬的實驗儀器沒備。虛擬器材庫管理各種虛擬的實驗儀器、儀表及實驗材料，教員或學員均可利用虛擬器材庫中的器材搭建各種實驗項目或實驗案例，完成各種實驗操作及訓練。實驗管理系統(tǒng)提供全方位的虛擬實驗教學功能，如實驗前預習、開課管理、項目庫維護、教學安排、過程指導、結果批改、成績統(tǒng)計查詢等功能。三者配合，形成一體化實驗教學支撐系統(tǒng)。

2 虛擬實驗室建設與應用現(xiàn)狀

“虛擬實驗室”概念最早由美國 University of Virginia的教授 William Wolf于1989 年提出［2］，因其應用效果和應用前景較好，引起各國高度重視。美國在20世紀90年代就將虛擬實驗室列入其科研發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃，在1991年，美國科學基金會、美國國家科學研究顧問委員會所屬的計算機與遠程通信部組成了科學合作實驗室委員會，投入資金在相關專業(yè)領域建造了各自的虛擬實驗室作為示范工程。美國許多政府部門并將所屬的科研機構實驗室過渡到虛擬實驗室環(huán)境中，美國還投資構筑全國的虛擬實驗網(wǎng)絡。虛擬實驗室的建設在其他發(fā)達國家已普及。

許多知名企業(yè)均看好虛擬實驗室的發(fā)展?jié)摿Γ娂娡顿Y開發(fā)各類虛擬實驗系統(tǒng)用于產(chǎn)品培訓及售后服務，取得了良好效果。著名網(wǎng)絡設備供應商思科公司早期就開發(fā)出針對其產(chǎn)品虛擬實驗系統(tǒng)，實驗設備覆蓋了思科所有路由器和交換機產(chǎn)品型號，隨后思科又宣布推出思科學習實驗室，該實驗室是一款虛擬實踐學習包，提供針對思科CCNA、CCNP和CCIP認證的實驗實踐，使備考思科認證的學員通過思科IOS軟件獲得針對路由及核心交換的實驗練習。無獨有偶，2011年9月，全球領先的測試、測量和監(jiān)測儀器提供商―泰克公司也宣布，擴展其在線虛擬實驗室，新增LED測試實驗室、變頻器測試實驗室、逆變器測試實驗室，新增實驗室將與原高速串行實驗室共同構成泰克在線虛擬體驗平臺，該平臺為工程師提供出從方案指導、型號選擇、產(chǎn)品演示到產(chǎn)品報價、預約線下實驗室參觀等一系列功能［3］。

在國內，己有許多高校初步建立了虛擬實驗室。例如:清華大學利用虛擬實驗儀器構建了汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng);華中理工大學機械學院工程測試實驗室成功將其虛擬實驗室用于遠程教育使用;四川聯(lián)合大學基于虛擬儀器的設計思路，研制了航空電臺二線綜合測試儀，將8臺儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng);復旦大學、上海交通大學、廣州暨南大學等一批高校也開發(fā)了各自虛擬儀器系統(tǒng)用于教學和科研。北京郵電大學等單位在國家十一五科技支撐計劃項目的研究中提出了開放式網(wǎng)上虛擬實驗室的解決方案，已研制完成開放式網(wǎng)上計算機網(wǎng)絡虛擬實驗室、開放式網(wǎng)上Linux操作系統(tǒng)虛擬實驗室、開放式網(wǎng)上模擬電路虛擬實驗室、開放式網(wǎng)上電路分析虛擬實驗室、開放式網(wǎng)上高頻電子線路虛擬實驗室、開放式網(wǎng)上數(shù)字電路虛擬實驗室、開放式網(wǎng)上信號與系統(tǒng)虛擬實驗室等;上海交大醫(yī)學院聯(lián)合復旦大學上海醫(yī)學院等自主研發(fā)的網(wǎng)絡虛擬實驗室，可虛擬9項醫(yī)學功能學實驗，學生可在任意時間和地點登錄網(wǎng)絡虛擬實驗室，教師也可在線對學生虛擬實驗的完成情況進行檢查和批改［4］。

當前虛擬實驗室建設和應用有以下特點［5］:(1)發(fā)達國家已逐漸向高精尖技術領域滲透，應用情況領先于國內。一些國際知名企業(yè)開發(fā)的主要用于產(chǎn)品培訓和售后服務的虛擬實驗室也普遍質量較高、應用效果好。(2)國內面向化學、物理、計算機技術等基礎課程教學的產(chǎn)品較多，應用相對普及。(3)國內高校虛擬實驗室普遍存在平臺仿真度較低、虛擬器材不豐富、實驗項目較少、管理考核能力偏弱等問題。因此，虛擬實驗室建設與應用的深度和廣度上均有較大發(fā)展空間。

3 虛擬實驗室特點

相對于傳統(tǒng)的真實實驗室，虛擬實驗室有其獨特優(yōu)勢。

虛擬實驗室最大的優(yōu)點是成本低。虛擬實驗室中所有儀器、設備均是由軟件虛擬出來的，避免了大型儀器設備的重復添置和購買，在同一計算機中運行不同的實驗系統(tǒng)就可構建不同的虛擬實驗室，使得在同一軟硬件平臺上集成多個虛擬實驗室成為可能，這些使實驗室建設成本降低。虛擬實驗室不會出現(xiàn)因使用不當、管理不善等因素造成的儀器損壞、元器件丟失等問題，沒有實驗材料、器材的損耗，實驗室運行保障成本較低。虛擬實驗室日常管理主要是軟件維護，課前無須準備各種器材或工具，課后無須煩瑣的設備狀態(tài)恢復等工作，維護管理的工作量小、成本低。

虛擬實驗室可突破時空和各種現(xiàn)實因素限制。大到宇宙天體，小到原子粒子，學員都可在虛擬環(huán)境中進入這些物體的內部進行觀察。需要幾十年甚至上百年才能觀察到的變化過程，利用虛擬實驗室則可在很短時間內呈現(xiàn)給學員觀察分析。在現(xiàn)實中難以接觸的材料、器件，學員可在虛擬實驗臺上親手操作，現(xiàn)實條件下難以開展的實驗，學員卻可在虛擬環(huán)境中親手完成。

虛擬實驗可避免真實實驗或操作所帶來的各種危險。例如，虛擬的化學、物理實驗，可以避免化學反應產(chǎn)生的燃燒爆炸或學生觸電帶來的危險;虛擬的飛機或汽車駕駛教學，可免除學員操作失誤而造成效能或事故等。

虛擬實驗室便于開展自主創(chuàng)新性實驗。虛擬實驗室通常允許學員在器材庫中自主選擇設備、器材、工具。自主搭建各種實驗項目，可支持不同學員完成不同難度的實驗內容，有利于培養(yǎng)設計能力和創(chuàng)新意識，有利于開展設計性、自主性和綜合性實驗。

虛擬實驗室便于組織實施開放性實驗。許多基于WEB環(huán)境的虛擬實驗室，均支持在線實驗，學員只需上網(wǎng)，便可完成實驗項目，方便了學員學習，有力推動了開放實驗和遠程實驗教學的應用和發(fā)展。

虛擬實驗室能夠提高實驗教學管理信息化水平。許多虛擬實驗室都配套開發(fā)出實驗室管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了實驗項目、內容、成績等管理自動化，提高了實驗教學管理水平。

虛擬實驗室有其局限性:(1)教學效果受虛擬實驗室建設質量和水平影響較大。尤其是虛擬實驗室對現(xiàn)實中的真實實驗室虛擬得效果，對實驗設備與器材的功能與性能、結構與操作，以及對實驗項目的過程與結果等模擬效果與真實的設備、器材及真實的實驗內容的相似性強度、可信成度，均直接影響虛擬實驗室教學效果的發(fā)揮。(2)虛擬實驗依托計算機軟件系統(tǒng)進行，開展實驗的學員計算機應用能力水平在一定程度上影響實驗效率和效果。(3)傳統(tǒng)真實的實驗室建設主要是方案設計和設備購置，建設周期較短，但虛擬實驗室重點是軟件開發(fā)，開發(fā)周期受實驗內容和實驗設備復雜程度影響較大，通常比硬件建設周期略長。盡管如此，虛擬實驗室優(yōu)勢和特色明顯，有時甚至難以替代，是未來實驗室建設的重要發(fā)展方向。

4 虛擬實驗室建設的重點

(1)要科學規(guī)劃建設項目［6］。并非所有實驗項目都適合建設虛擬實驗室，虛擬實驗室特別適合驗證性和認知性實驗，因此特別適用于幫助學員理解、掌握基本概念和基本原理的實驗項目或幫助學員熟悉系統(tǒng)、設備連接、配置等基本過程的實驗，也適用于軟件或系統(tǒng)操作培訓等方面實驗，而對重在培養(yǎng)學員實踐操作技能類實驗則只可作為前期培訓練習，難以完全取代真實實驗室;并不是所有虛擬實驗室都需要建設，對通用類基礎課程或典型設備、系統(tǒng)的應用實驗，許多地方高校或企事業(yè)單位都已開發(fā)出虛擬實驗系統(tǒng)可供免費下載或在線共享，因此，在規(guī)劃建設項目時，要充分調研、嚴密論證，避免浪費。

(2)要嚴格把握質量標準。實現(xiàn)虛擬實驗室有多種途徑，但無論如何，虛擬實驗室應具備一些基本特征:1)與現(xiàn)實的一致性，虛擬實驗臺、虛擬器材要與真實實驗對象在功能、性能、外觀及操作過程等方面均具有較好的一致性。2)高度交互性，可以方便地實現(xiàn)各種實驗操作控制。3)實時的信息交流反饋，對實驗過程和結果具有良好的反應和評價。4)方便的學習機制和豐富的學習資源，便于開展自主學習或在線咨詢、討論等。因此，在建設過程中，要充分論證實驗室功能、性能指標，確保建設質量。

(3)合理選取技術手段。虛擬實驗室建設技術手段主要有Java技術、ActiveX控件、VRML技術、ASP技術、LabView等，必須根據(jù)具體實驗內容、性質、特點和要求，結合各個開發(fā)技術優(yōu)勢，合理選取相應的技術手段。

(4)健全管理運行機制。虛擬實驗室的操作對象是虛的，但實驗內容和實驗過程必須要實，對教員在實驗過程中的指導、把關及考核要求更高、更細，對學員在實驗中的自主學習和自主創(chuàng)新能力要求更高，對學員求真務實的態(tài)度要求更嚴，因此，在日常管理和具體教學實施中要注重規(guī)范化，要有規(guī)范的課程標準和實驗指導書、制定實驗室管理規(guī)定及設備和系統(tǒng)維護管理制度、明確實驗教學基本要求和考核標準等，充分發(fā)揮虛擬實驗室建設效益。

5 結束語

虛擬實驗室建設，為廣大實驗室建設及管理人員提出了新的研究課題，在具體工作中是建設虛擬實驗室或傳統(tǒng)的實物實驗室，要根據(jù)實驗室任務、實驗對象和內容特點及實驗設備、器材情況等綜合因素，嚴密論證，科學決策，虛實結合才會相得益彰。

［1］ 趙時亮.虛擬實驗:從思想實驗到虛擬現(xiàn)實［J］.科學技術與辯證法.1999，15(6)22 －23.

［2］ 徐雅琴，付穎.開放式化學實驗的研究與探索［J］.實驗技術與管理，2007，24(2):14 －15.

［3］ 呂紅，趙媛，張杰，等.網(wǎng)絡互動型機械工程虛擬實驗室的構建［J］.電子設計工程，2011(12):7－9.

［4］ 宋玉杰;楊燕翔.基于NI ELVIS的遠程虛擬實驗室的研究［J］.電子設計工程，2009(1):39 －40，43.

［5］ 趙陽，趙繼廣.開發(fā)網(wǎng)絡虛擬實驗室的關鍵技術［J］.現(xiàn)代電子技術，2004(1):92－95.

［6］ 范新偉，申瑞民，申麗萍.虛擬實驗標準化的研究和解決方案［J］.計算機仿真，2005(1):181－185.