虛擬實(shí)驗(yàn)研究

尹培培

（南京航空航天大學(xué)計(jì)算中心，江蘇 南京211106）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)已成為一個(gè)熱門的教育教學(xué)研究?jī)?nèi)容，作為一種新興的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)模式、教學(xué)方法、教學(xué)手段以及教學(xué)理念產(chǎn)生了重要的影響。

虛擬實(shí)驗(yàn)[1-2]是用軟件代替硬件，通過編程模擬實(shí)驗(yàn)的過程。整個(gè)實(shí)驗(yàn)在虛擬環(huán)境中以虛擬的形式完成，不涉及正式的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，用虛擬實(shí)驗(yàn)代替實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外虛擬實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀

目前，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)不斷發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用也越來越廣泛和普遍。

美國(guó)麻省理工學(xué)院電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系是最早開始虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的院系。該系的教授JesusA.delAlmao早在1988年就已經(jīng)創(chuàng)立了微電子在線實(shí)驗(yàn)室(Microelectronics WebLab)[3-4]，實(shí)驗(yàn)室于1998年開發(fā)并投入使用。該實(shí)驗(yàn)室提供了用于用于電路設(shè)計(jì)和微電子學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可以在自己的電腦上進(jìn)行設(shè)計(jì)以及修改電路模型，然后通過Web瀏覽器使用在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室里的測(cè)試設(shè)備來獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)，該瀏覽器是通過Java激活的。在2010年，實(shí)驗(yàn)室還實(shí)現(xiàn)了通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的功能。

美國(guó)俄勒岡大學(xué)物理系主辦的物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站VLAB設(shè)有多種虛擬實(shí)驗(yàn)，包括能量與環(huán)境、天體物理、熱學(xué)、力學(xué)等方面。本系統(tǒng)通過Java語言進(jìn)行開發(fā)，實(shí)驗(yàn)程序需要從服務(wù)器進(jìn)行下載，并在客戶機(jī)上運(yùn)行。

美國(guó)還有其他很多家大學(xué)或研究會(huì)已開始應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室。美國(guó)密歇根大學(xué)的化學(xué)工程系創(chuàng)建的VRCEL(Virtual Reality in Chemical Engineering Laboratory)實(shí)驗(yàn)室主要用于研究和探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在化學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用。美國(guó)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究會(huì)（Howard Hughes Medical Institute，HHMI）建立的虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)模擬完全交互式的生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

德國(guó)波鴻大學(xué)開發(fā)的VCLab(Visual Communication Laboratory)實(shí)驗(yàn)室是關(guān)于控制工程的一個(gè)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，它結(jié)合了Java Applet以及其他一些插件，通過MABTAB/SIMULINK軟件計(jì)算引擎生成的控制工程實(shí)驗(yàn)中的模擬動(dòng)畫以及交互動(dòng)畫，該系統(tǒng)可以采用本地及遠(yuǎn)程這兩種方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的發(fā)布。

此外，國(guó)外還有其他許多國(guó)家研究虛擬實(shí)驗(yàn)室。譬如，意大利帕瓦多大學(xué)開發(fā)了用于遠(yuǎn)程虛擬教育的實(shí)驗(yàn)室，西班牙大學(xué)電子系研究了一種電子儀器的虛擬工作平臺(tái)，新加坡國(guó)立大學(xué)建立了遠(yuǎn)程壓力容器實(shí)驗(yàn)以及示波器實(shí)驗(yàn)。

1.2 國(guó)內(nèi)虛擬實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的虛擬實(shí)驗(yàn)室研究起步稍晚，但其發(fā)展較迅速。目前大部分高校和科研機(jī)構(gòu)逐漸建立了自己的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科技與技術(shù)系開發(fā)了一種可用于大計(jì)算量的交互式網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了流水線設(shè)計(jì)以及高速緩存設(shè)計(jì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

清華大學(xué)的“電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，通過虛擬儀器建立了用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用來檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率特性、符合特性等。

北京航空航天大學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)了若干硬件設(shè)備和軟件平臺(tái)，這些平臺(tái)用于支撐虛擬現(xiàn)實(shí)理論與技術(shù)研究。例如北京航空航天大學(xué)參與構(gòu)建的分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò)(Distributed Virtual Environment Network,DVENET)是我國(guó)第一個(gè)基于廣域?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)支撐環(huán)境，該系統(tǒng)主要包括了一個(gè)專用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及支持分布式虛擬環(huán)境研究與應(yīng)用開發(fā)的各種標(biāo)準(zhǔn)、開發(fā)工具和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(如三維逼真地形)。

中國(guó)科技大學(xué)在虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和使用方面擁有我國(guó)第一個(gè)真正意義上的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，包括幾何光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、廣播電視大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)、物理仿真實(shí)驗(yàn)軟件以及大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，該校物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心已經(jīng)成功升級(jí)為國(guó)家級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)中心，是我國(guó)教育部批準(zhǔn)的第一個(gè)物理類的國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

國(guó)內(nèi)還有許多組織機(jī)構(gòu)均在開展虛擬實(shí)驗(yàn)的相關(guān)開發(fā)與建設(shè)，與國(guó)外的虛擬實(shí)驗(yàn)室相比，我國(guó)還存在一定的差距。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)發(fā)展趨勢(shì)

雖然我國(guó)虛擬實(shí)驗(yàn)研究還存在不足，但也取得了一些成就，有著廣闊的發(fā)展前景。

（1）理論指導(dǎo)研究

目前虛擬實(shí)驗(yàn)的理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于實(shí)踐應(yīng)用，而理論性的文章主要著重于虛擬實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)、作用、必要性等方面，缺乏深入的理論思考。因此，加強(qiáng)有效深入的理論研究是有必要的。

（2）教學(xué)應(yīng)用研究[5]

目前虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用研究?jī)?nèi)容主要集中在系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)、虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)的模式研究與效果分析以及虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)的評(píng)估等方面的研究較少，特別是學(xué)生對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)調(diào)查及評(píng)價(jià)的研究。

（3）系統(tǒng)構(gòu)建方式研究

目前國(guó)內(nèi)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)一般集中于Java、VRML、Flash、LabVIEW等技術(shù)在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用，或者以此技術(shù)在某個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，對(duì)于多種技術(shù)的混合開發(fā)以及各項(xiàng)技術(shù)間的交互性設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究不多。

3 結(jié)束語

虛擬實(shí)驗(yàn)是教育教學(xué)的一個(gè)重要構(gòu)成部分，研究虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)不僅可以有效地提高教學(xué)質(zhì)量，而且可以培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，?duì)于教育事業(yè)有著重大的推動(dòng)作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等多學(xué)科綜合發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)將取得更大的進(jìn)展，遠(yuǎn)程教學(xué)也將有更廣的應(yīng)用前景。

［1］魏蕓.虛擬實(shí)驗(yàn)的分析與研究[J].科技信息,2010(35):5-6.

［2］宋象軍.虛擬實(shí)驗(yàn)室在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用前景[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2005,22(1):35-47.

［3］陳小紅.虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2010(17):107-109.

［4］李凌云,王海軍.網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2008,18(4):111-114.

［5］杜俊敏,李建中.虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].交通高教研究,2003(3):63-64.