虛擬實驗室在高等學(xué)校實驗室信息化建設(shè)中的作用

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，高校實驗室的信息化建設(shè)越來越重要。在這個過程中，虛擬實驗室對高校實驗教學(xué)的信息化建設(shè)起著非常重要的作用。作為真實實驗室的有益補充，虛擬實驗室可以有效地拓展相關(guān)實驗內(nèi)容、增強(qiáng)學(xué)生對相關(guān)實驗原理的理解，從而達(dá)到有效配置實驗教學(xué)資源、提高實驗教學(xué)效果、加速實驗室信息化建設(shè)的目的。

[關(guān)鍵詞]虛擬實驗室；高等學(xué)校；信息化建設(shè)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.08.094

[中圖分類號]TP368.5 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1673-0194（2018）08-0-02

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，社會對人才也提出了越來越高的要求。只具有某一技能的單一型人才已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會的需求。具有多方面背景知識、兼具理論和實踐技能的復(fù)合型人才越來越受到用人單位的青睞。這種新時代背景下市場對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，實驗教學(xué)也變得越來越重要。高等學(xué)校實驗室是對學(xué)生進(jìn)行各種實驗教學(xué)、培養(yǎng)其應(yīng)用實踐技能和創(chuàng)新能力的重要場所，同時也是教師和學(xué)生進(jìn)行科研活動、技術(shù)革新和成果轉(zhuǎn)化的主要陣地。因此，高等學(xué)校的實驗室管理和建設(shè)水平對于學(xué)生實踐能力的培養(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，隨著各個高校實驗室建設(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”昂貴的大型儀器。這些對實驗室的管理和建設(shè)提出了更高的要求。另外，如何協(xié)調(diào)好實驗室在教學(xué)和科研上的使用分配、儀器的維護(hù)和使用等方面問題使得高校的實驗室管理變得越來越復(fù)雜。各個高校實驗室的管理者已經(jīng)認(rèn)識到傳統(tǒng)的實驗室管理模式已經(jīng)不再適用，紛紛開始了結(jié)合信息技術(shù)的實驗室信息化管理和建設(shè)，并取得了一定的成效。本文對建設(shè)虛擬實驗室在高等學(xué)校實驗室信息化管理和建設(shè)中的作用進(jìn)行初步的探討。

虛擬實驗室是指利用虛擬儀器技術(shù)對真實的實驗情景和設(shè)備進(jìn)行仿真或虛構(gòu)，使得人們可以在不受具體實驗條件制約的情況下在各種互聯(lián)網(wǎng)終端上進(jìn)行實驗操作和學(xué)習(xí)的實驗室。其中虛擬儀器技術(shù)是一種對計算機(jī)軟件、模擬數(shù)字信號處理、專用高速集成電路等技術(shù)的綜合運用。實踐表明，依托于虛擬實驗室的虛擬實驗教學(xué)是對依托于真實實驗室的傳統(tǒng)實驗教學(xué)的有益補充，兩者的有機(jī)結(jié)合有效地提升了實驗教學(xué)效果，同時也很好地促進(jìn)了高校實驗室的信息化建設(shè)。

1 虛擬實驗室的構(gòu)建方法

虛擬實驗室的構(gòu)建方法有許多種，大部分都是通過軟件來模擬真實硬件的功能來構(gòu)建。常見的方法有以下幾種。

Flash軟件，一種集動畫創(chuàng)作與程序開發(fā)于一身的軟件，由Macromedia公司開發(fā)，兼具矢量圖和網(wǎng)頁動畫技術(shù)。模擬過程中所需要的內(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言Action Script來進(jìn)行控制，其優(yōu)點是具有很大的靈活性，缺點則是步驟比較復(fù)雜。

VRML（Virtual Reality Modeling Language，虛擬現(xiàn)實建模語言）基本工作由文本描述、遠(yuǎn)程傳輸和本地計算組成。其對三維場景用文本信息進(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）是蘋果公司所開發(fā)的一種基于靜態(tài)圖像處理的初級虛擬實境技術(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體驗技術(shù)。

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境。LabVIEW基于圖形化編輯語言來編寫程序，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編寫的控制程序，具有簡單快捷、直觀形象、穩(wěn)定性及可重復(fù)性強(qiáng)等特點。

2 虛擬實驗室的主要優(yōu)點

結(jié)合實際應(yīng)用體會，筆者總結(jié)出虛擬實驗室的主要優(yōu)點如下。

2.1 教學(xué)方式靈活，教學(xué)效果良好

在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，教師往往需要結(jié)合真實儀器來進(jìn)行實驗原理和操作步驟的講解，這個過程受到兩個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)生對其內(nèi)部構(gòu)造沒有直觀體驗，對儀器原理一知半解，在操作中往往是知其然而不知其所以然，使得實驗教學(xué)效果大打折扣。而通過虛擬實驗室的建立，學(xué)生可以不受時間空間等條件的限制在網(wǎng)絡(luò)終端上十分便捷地進(jìn)行實驗的預(yù)習(xí)和操作，而且可以對儀器的構(gòu)造有更深入的了解。實踐表明，盡管儀器的演示和操作是虛擬化的，學(xué)生對其原理的理解程度還是有了很大的提高。在這個基礎(chǔ)上再在實際儀器上進(jìn)行操作，學(xué)生們普遍感覺有的放矢，達(dá)到了知其然亦知其所以然的良好效果。

另外，虛擬實驗室方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)的同時還方便開展探索式學(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、新發(fā)現(xiàn)等多角度來給學(xué)生設(shè)計新的實驗?zāi)繕?biāo)，同時也可以鼓勵學(xué)生自己利用虛擬技術(shù)進(jìn)行不同角度的實驗探索，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，也符合了新時代對復(fù)合型人才的需求特點。

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

傳統(tǒng)實驗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)校實驗儀器的更新受到資金、場地等條件的制約往往不是十分及時。這種情況導(dǎo)致學(xué)生多年來面對這些陳舊過時的實驗儀器失去做實驗的興趣，對實驗課產(chǎn)生消極怠慢情緒，對實驗教學(xué)的效果產(chǎn)生十分不好的影響。而虛擬實驗室的課題選擇、器材選取更改起來要相對容易得多。這種可以緊跟時代發(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)的積極主動性。在這個過程中，有些同學(xué)還自主地對虛擬仿真技術(shù)產(chǎn)生了興趣，通過自己對虛擬實驗室的擴(kuò)展和改造提高了自身的編程能力。

2.3 維護(hù)費用低，安全性、可擴(kuò)展性好

與傳統(tǒng)實驗室相比，虛擬實驗室利用計算機(jī)來模擬真實實驗情景，其使用和維護(hù)費用相對低廉，只需要通過網(wǎng)絡(luò)和程序?qū)μ摂M儀器進(jìn)行管理和維護(hù)即可，在場地、設(shè)備等方面的耗費較少。對一些危險性大或者難以觀察的實驗可以利用虛擬實驗來實現(xiàn)，也提高了實驗操作的便捷性和安全性。另外，在虛擬實驗室的使用過程中，對相關(guān)虛擬仿真軟件進(jìn)行升級就可以方便地增加新的內(nèi)容和功能，實驗內(nèi)容的擴(kuò)展較傳統(tǒng)實驗室更加方便和快捷。

3 虛擬實驗室的不足之處

當(dāng)然在虛擬實驗室實際操作中，還有一些不足之處，值得注意。

3.1 實驗結(jié)果理想化，學(xué)生缺少實物感

與在實際儀器上進(jìn)行的真實實驗相比，虛擬實驗的實驗條件都是在理想環(huán)境下所設(shè)定的，因此不具備實驗環(huán)境的真實復(fù)雜性，其實驗結(jié)果是理想化的。教師和學(xué)生在使用過程中要十分注意這一點，要認(rèn)識到虛擬實驗和真實實驗兩者的異同和局限之處，使用時要盡可能地將兩者有機(jī)地結(jié)合起來。虛擬化實驗作為真實實驗的理想化模型幫助學(xué)生更好地理解實驗原理，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)和探索空間；真實實驗作為虛擬實驗在真實條件下的具體化驗證，在實踐的過程中幫助學(xué)生具體感受實驗過程和現(xiàn)象。從實驗原理學(xué)習(xí)到模擬操作再到實物操作這樣一整套實驗過程十分有利于學(xué)生的邏輯思維和實踐能力的培養(yǎng)。

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

虛擬實驗室不受時間和空間的限制，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)可以獲得豐富多彩的信息。這在開闊學(xué)生視野的同時有時會使學(xué)生發(fā)生對資料取舍錯誤、偏離實驗主題目標(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驗的主題目標(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)注的重點方面。

3.3 虛擬實驗室長時間使用對網(wǎng)絡(luò)和硬件的配置要求增高

由于學(xué)生需要通過網(wǎng)絡(luò)來連接虛擬實驗平臺，有時還需要提交在線作業(yè)，在長時間使用后，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)平臺需要存儲大量的實驗數(shù)據(jù)，這些就對實驗室的網(wǎng)絡(luò)和配置提出了較高要求。因此在這方面需要相關(guān)管理者從兩個方面著手考慮：一是要籌措相關(guān)資金，維護(hù)和升級虛擬實驗室相應(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，在虛擬實驗教學(xué)中發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

4 結(jié) 語

在現(xiàn)代社會復(fù)合型人才培養(yǎng)過程中，實踐動手和自我創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是重中之重。目前，很多高校的實驗教學(xué)過程中大都存在著實驗內(nèi)容更新、規(guī)模日益增長的要求與實驗儀器設(shè)備陳舊、場地有限的矛盾，這嚴(yán)重影響了高校實驗教學(xué)的效果，不利于學(xué)生實踐動手和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。虛擬實驗教學(xué)作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的有益補充，以其特有的操作方式為上述問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，同時使得傳統(tǒng)實驗教學(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，虛擬實驗室在高校的實驗教學(xué)和信息化建設(shè)過程中必將發(fā)揮更大的作用。

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