基于高校實踐教學的虛擬實驗相關技術研究

蘇培華

（西安外事學院，陜西 西安 710077）

眾所周知，科學技術的發(fā)展離不開人才的培養(yǎng)，人才的培養(yǎng)離不開教育。在教育過程中，通過實驗可以將理論知識應用到實踐中去。在實驗學習中，通過感知實驗的現(xiàn)象和觀察各種實驗儀器、裝置，以及通過親自動手操作都能夠使學生感受到科學的神奇與偉大，激發(fā)探索科學奧秘的強烈好奇，并在學習過程中始終保持濃厚的探究興趣。在教育需求日益增長的當今社會，傳統(tǒng)的實驗教學模式已經(jīng)越來越不能滿足教學實際的需要。采取有效措施來培養(yǎng)學生對學習的濃厚興趣是實驗教學的一個重要出發(fā)點。在這種狀況下，尋找一種新的、適應現(xiàn)實情況的實驗教學方法就顯得尤為重要。網(wǎng)絡虛擬實驗室的出現(xiàn)，成了解決這一難題的重要手段。

1 虛擬實驗的特點

與傳統(tǒng)實物實驗教學相比，網(wǎng)絡虛擬實驗教學有著顯著的優(yōu)勢：①實驗設備的虛擬性；②實驗場地的虛擬性；③實驗過程的靈活性；④實驗內(nèi)容的創(chuàng)新性；⑤實驗教學的安全性?？傊?，虛擬實驗室對促進科學技術的發(fā)展和現(xiàn)代教育的發(fā)展都有極為重要的意義。

2 虛擬現(xiàn)實技術

目前，虛擬實驗是基于虛擬現(xiàn)實技術的，因而虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展直接關系到虛擬實驗的開發(fā)。虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality），簡稱VR，又被稱為靈境技術，是一種可創(chuàng)建并體驗虛擬世界（Virtual world）的計算機系統(tǒng)。由計算機系統(tǒng)生成的虛擬世界，是現(xiàn)實世界一定程度的重現(xiàn)和發(fā)展，同時也可以是虛擬構(gòu)想的情境，用戶利用視覺、聽覺及觸覺等多種感官通道與虛擬世界進行自然的仿真交互。虛擬現(xiàn)實技術具有以下四個顯著特征:多感知性（Multi一SenS0ry），沉浸性（immersion），交互性（interaction），構(gòu)想性（imagination）。

3 虛擬現(xiàn)實技術與其他學科技術

（1）多媒體技術（Multimedia）。多媒體技術是一種把文本（Text）、圖形（Graphics）、圖像（Images）、動畫（Animation）和聲音（Sound）等形式的媒體信息結(jié)合在一起，并通過計算機進行綜合處理和控制，以支持完成一系列交互式操作的信息技術。關于VR技術與多媒體技術的關系筆者認為：兩者之間不存在誰是誰的子集，它們應該是相互交叉的學科，兩者互相滲透。

（2）仿真技術（simulation）。仿真又稱模擬，是指利用模型復現(xiàn)實際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，并通過對系統(tǒng)模型的實驗來研究存在的或設計中的系統(tǒng)。系統(tǒng)仿真技術是一種實驗技術，主要是通過對所研究系統(tǒng)的認識和了解，抽取其中的基本要素的關鍵參數(shù)，建立與現(xiàn)實系統(tǒng)相對應的仿真模型，在仿真實驗設計的基礎上對模型進行仿真實驗，以模擬系統(tǒng)的運行過程，為決策提供依據(jù)。VR系統(tǒng)則側(cè)重于表現(xiàn)形式，它可以與客觀世界相同，也可以與現(xiàn)實背道而馳；而系統(tǒng)仿真則側(cè)重于真實復雜世界的科學抽象，真正反映出現(xiàn)實世界的運動形式。利用 VR技術可以更好地幫助系統(tǒng)仿真驗證模型的有效性，并可以更加直觀地、有效地表現(xiàn)仿真結(jié)果，兩者相輔相成。

（3）計算機圖形學（Computer Graphics，CG）。計算機圖形學是利用計算機研究圖形的表示、生成、處理、顯示的學科。其研究的基本內(nèi)容是如何在計算機中表示圖形，以及如何利用計算機進行圖形的生成、處理和顯示的相關原理與算法。VR技術離不開計算機圖形學的進步，它的很多基礎理論來自于計算機圖形學，尤其是在視覺圖形的建立、生成與顯示方面。當然VR不僅包含圖形學的內(nèi)容，還包含機械、電子、人工智能等多種學科的綜合，并借助于這些學科的發(fā)展成果快速進步。

4 虛擬實驗室及其構(gòu)建技術

虛擬實驗室作為一種實驗平臺，可以為用戶提供進行學習實踐、科研合作交流、技術創(chuàng)新等工作的環(huán)境，是一種基于計算機虛擬現(xiàn)實技術及網(wǎng)絡技術共同實現(xiàn)的全新的科學研究與工程設計方法，是除了理論研究與傳統(tǒng)實驗之外的第三種手段和形式。所有支持虛擬實驗室的技術都旨在增強實驗者、實驗儀器設備、實驗數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果等資源之間的交互交融，從而達到提高科研效率、降低科研成本的目的，為科學技術的發(fā)展提供強有力的技術支持。

目前國際上廣泛采用的定義是：為了實現(xiàn)遠程協(xié)作、實驗研究或其他創(chuàng)新活動，通過分布式信息通訊技術產(chǎn)生并發(fā)布結(jié)果的電子工作室。

（1）面向?qū)ο蟪绦蛟O計技術。面向?qū)ο笫且环N程序設計的方法，也可以說它是一種以事物為中心的程序設計范型，它是從現(xiàn)實世界中客觀存在的事物（即對象）出發(fā)來構(gòu)造軟件系統(tǒng)，并在系統(tǒng)構(gòu)造中盡可能運用人類的自然思維方式，強調(diào)直接以問題域（現(xiàn)實世界）中的事物為中心來思考問題，認識問題，并根據(jù)這些事物的本質(zhì)特點，把它們抽象地表示為系統(tǒng)中的對象，作為系統(tǒng)的基本構(gòu)成單位。這可以使系統(tǒng)直接地映射問題域，保持問題域中事物及其相互關系的本來面貌。

面向?qū)ο蟪绦蛟O計是具有創(chuàng)新意義的程序設計方法，掌握這種方法可以大大降低軟件的復雜性，改善軟件的可重用性和可維護性，提高軟件的生產(chǎn)效率。

（2）虛擬儀器技術。虛擬儀器（Virtual Instruments簡稱VI）技術是一種通過應用程序?qū)⒂嬎銠C軟件與功能化硬件結(jié)合起來，遠程操縱實物設備來完成實驗的新技術，簡言之就是硬件功能的軟件化，在使用相同的硬件系統(tǒng)的前提下，通過不同的軟件，模擬各種功能不同的儀器。從上述描述中可以看出虛擬儀器最終實現(xiàn)的是“軟件即儀器”。用戶利用虛擬面板操作計算機，完成對被測對象的數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示和存儲等功能。虛擬儀器以透明的方式把計算機硬件資源和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合，通過設計軟件的方法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理、表達以及使用圖形用戶接口查看運行結(jié)果。虛擬儀器大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)采集、處理、傳送、顯示、存儲等方面的限制，方便用戶對其進行維護、擴展、升級等。

5 結(jié)語

通過對上述技術的討論可以看出，虛擬實驗室的建設需要許多新技術的使用，就目前而言，在大范圍內(nèi)使用虛擬實驗系統(tǒng)還是不太現(xiàn)實的，許多學校和單位在短時間內(nèi)還不能研發(fā)出適合本單位的虛擬實驗系統(tǒng)。同時，雖然虛擬實驗有許多優(yōu)點，但真正的動手能力與技能必須在現(xiàn)實情境中獲得，這也使得虛擬實驗并不能完全取代真實環(huán)境中的實驗。在實際實施過程中可以采取傳統(tǒng)實驗教學為主，虛擬實驗為輔的手段，這樣就可以滿足教學工作的實際需求。

［1］胡小強.虛擬現(xiàn)實技術［M］.北京：北京郵電大學出版社，2005.