西部高校發(fā)展虛擬實驗的必要性與可行性研究

楊勇 董曉輝

1 無錫職業(yè)技術(shù)學院圖文信息中心 江蘇無錫 214121 2 西北師范大學網(wǎng)絡教育學院 蘭州 730070

西部高校發(fā)展虛擬實驗的必要性與可行性研究

楊勇1董曉輝2

1 無錫職業(yè)技術(shù)學院圖文信息中心 江蘇無錫 214121 2 西北師范大學網(wǎng)絡教育學院 蘭州 730070

旨在對西部高校發(fā)展虛擬實驗的必要性與可行性做出論證，為此對甘肅省高校實驗教學進行抽樣調(diào)查和走訪，統(tǒng)計并分析甘肅省高校發(fā)展虛擬實驗的各種因素，并就西部省份高校發(fā)展虛擬實驗的可行性進行探討。

西部高校；虛擬實驗；必要性；可行性

This article aims at the development of virtual universities in Gansu Province and demonstrates the necessity and feasibility. For this, the author conducts a sample survey of experimental teaching in Gansu Province and visits universities, then the author makes statistics and analysis of some experiments factors of development of virtual experiments universities in The West, and discusses the feasibility of virtual experiment.

近年來，隨著通信、計算機、多媒體和網(wǎng)絡等先進技術(shù)的迅速發(fā)展，使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學領(lǐng)域應用成為可能。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用到實驗室，因而產(chǎn)生虛擬實驗，虛擬實驗的出現(xiàn)為科學研究與實驗教學的發(fā)展帶來新的思路。

1 虛擬實驗概念

關(guān)于虛擬實驗的定義，研究者從不同的角度和程度上有各種描述。

1）從基本組成形式來看，虛擬實驗是由實驗所依賴的模擬程序、實驗單元、工具和參考資料組成的一個創(chuàng)造和引導模擬實驗的交互環(huán)境，即實驗場所，用戶可以通過增加新的物體、建立新的實驗并把它們轉(zhuǎn)化成超文本文件來擴充實驗室[1]。

2）從實現(xiàn)原理和工具來看，虛擬實驗是以數(shù)學理論、相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及與其應用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，采用“面向?qū)ο蟆彼枷雱?chuàng)建的能夠?qū)崟r操作的、非實在的實驗空間，在此環(huán)境中，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預定的實驗項目[2]。

3）從實驗的效果來看，虛擬實驗是指在計算機系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的各種虛擬實驗環(huán)境，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預定的實驗項目，所取得的學習或訓練效果等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果[3]。

上述各種觀點，雖然表述不同，但在關(guān)于虛擬實驗本質(zhì)的看法上，并沒有大的差異。當然，過多地糾纏于虛擬實驗的概念定義的描述，沒有實質(zhì)性的意義，如何支持虛擬實驗的發(fā)展，開發(fā)、設計虛擬實驗以及將其科學合理地應用到實驗教學中，提高實驗教學質(zhì)量，促進實驗教學發(fā)展，才是研究虛擬實驗的重點。

2 研究現(xiàn)狀

虛擬實驗出現(xiàn)以后，因其良好的應用前景，各國均投入大量的資金和人力進行研究。美國作為虛擬實驗研究開展最早的國家，在該領(lǐng)域已經(jīng)取得一些進展，其中代表性研究成果有伊利諾伊大學的Nmrscope系統(tǒng)，俄勒岡大學物理系主辦的VLAB物理實驗網(wǎng)站，麻省理工學院的WebLab在線設備檢測實驗室等。其他發(fā)達國家也在虛擬實驗的研究和應用方面取得一些成果，典型代表如德國Ruhr大學開發(fā)的Vclab實驗室[4]，新加坡國力大學電子工程系開發(fā)的用于工程教育的虛擬實驗室，澳大利亞RMIT大學的John Ball和Kate Patrick設計的虛擬實驗等。

與西方發(fā)達國家相比，我國虛擬實驗的研究起步比較晚，在研究進展及技術(shù)上有一定的差距。但隨著近年來政府相關(guān)投入的增加和研究者的重視，虛擬實驗在我國已經(jīng)得到快速發(fā)展。國內(nèi)自主研發(fā)的典型虛擬實驗系統(tǒng)有華中科技大學的液壓回路性能和液壓元件裝拆虛擬實驗[5]，北京大學的基于WWW支持大計算量和交互式的網(wǎng)上虛擬實驗室的基本結(jié)構(gòu)（3WNVLAB）[6]，北京師范大學研制的Evlab系統(tǒng)，北京東方仿真控制技術(shù)有限公司開發(fā)的化工原理仿真實驗系統(tǒng)，等等。

3 西部高校開展虛擬實驗建設的必要性

西部12個省份，70%的國土面積上生活著全國大約30%的人口。2007年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，西部在全國的高等教育格局中處于相對弱勢地位，擁有的高校數(shù)僅占全國高校總數(shù)的24.4%，國家重點實驗室占14.9%，一級學科國家重點學科占11%，中國科學院院士占7%，中國工程院院士占10%，博士學位授權(quán)點占17.2%?，F(xiàn)任蘭州大學校長周緒紅在一次采訪中表示，西部地區(qū)的高等教育有“六少”：重點高校少、直屬高校少、重點學科少、重點實驗室少、研究生（論壇）學位授權(quán)點少、招生名額少。

3.1 甘肅省高校概況介紹

甘肅省有?？茖哟我陨掀胀ǜ咝?0余所，其中“211工程大學”1所，省部共建大學1所，普通本科院校12所，其他皆為專科院校和高職院校。僅以甘肅省高校為例，教學儀器缺額為4.4億元，圖書缺額為98萬冊，教學實驗用房缺額為175萬平方米。省財政每年可用于高校的基建投入僅有1 000萬元左右，省屬院校建設主要依靠銀行貸款，總負債已高達49億元，每年支付利息需3億多元，且息滾息，對本來就投入不足的省屬高校無疑是雪上加霜。曾有政協(xié)委員在政協(xié)甘肅省九屆五次會議召開的“教育發(fā)展專題聯(lián)組座談會”上，做過一份關(guān)于“巨額債務困擾甘肅高校正常發(fā)展”的調(diào)查報告[7]，報告中指出，甘肅省30余所普通高校，負債49億元，年利息近4億元，高校資金短缺，基礎設施建設嚴重滯后，已成為影響高校穩(wěn)定的重要因素，成為高校擴招后教育教學質(zhì)量不能完全保證的重要誘因，成為制約高等教育持續(xù)健康發(fā)展的主要瓶頸。

3.2 甘肅省高校實驗教學現(xiàn)狀調(diào)查分析

為了深入了解甘肅省高校目前的實驗教學情況，筆者設計了《甘肅省高校實驗教學現(xiàn)狀調(diào)查》問卷，對甘肅省高校的實驗教學進行抽樣調(diào)查。調(diào)查范圍涉及甘肅省辦學條件較好的7所院校（見表1），它們從不同的層面上代表了甘肅省的高等教育。調(diào)查對象分為在校大學生（包括研究生）和任課教師，涉及學科多達54個，其中理工科類占88.89%。調(diào)查共發(fā)放學生問卷325份，收回有效問卷269份，問卷有效收回率為82.76%；發(fā)放任課教師問卷160份，收回有效問卷104份，問卷有效收回率為65%。根據(jù)艾爾·巴比的“問卷回收率至少要有50%才是足夠的”[8]這一說法，可見本調(diào)查問卷有效回收率滿足要求。

問卷從實驗設備能否滿足授課、學習、科研需求，實驗設備存在哪些方面不足，實驗課的開設情況，假設實驗課開展比較差的原因等幾個維度進行了調(diào)查。

1）從實驗設備的滿足度統(tǒng)計分析看，不管是學生還是教師，從學習、授課及科研角度都認為實驗設備的滿足度不夠。其中，59.1%的學生認為無法滿足其學習需求，51.0%的任課教師認為不能滿足授課需求，61.5%的教師認為不能滿足科研工作。

2）從實驗設備現(xiàn)狀調(diào)查分析看，教師和學生都認為經(jīng)常使用的設備比較缺乏，分別占調(diào)查組中的46.2%和33.8%，占總調(diào)查人數(shù)中的37.2%，比重最大；同時有46.1%的學生、51.9%的教師認為比較昂貴的設備不足，占總調(diào)查人數(shù)的47.7%。可見，由于高校資金不足，在實驗教學的投入上有限，致使經(jīng)常使用的實驗設備和比較昂貴的設備明顯不足。

表1 調(diào)查院校表

3）從實驗課的開展情況來看，只有3.4%的調(diào)查者反映實驗課沒有開設，由此推斷，甘肅省高校實驗課開設基本正常，那么在實驗設備不足的情況下，實驗課的開設效果如何呢？從學習者的角度分析來看，60.6%的學生認為實驗課沒有達到預期的學習效果。

4）通過對實驗教學效果不佳的原因探索的統(tǒng)計分析，表明導致實驗教學效果不佳的直接原因之一是硬件問題，實驗設備數(shù)量不足、種類不全以及經(jīng)常使用的和比較昂貴的實驗設備的缺乏等直接影響了實驗教學效果，所占比重高達49.8%。而另一個原因是教學制度及教學進度的問題，理論課程太緊，忽略了實驗課，實驗課次數(shù)太少，課時數(shù)太少等也成為影響教學效果的重要原因，其所占比重為46.1%。

因此，不難看出甘肅省各高校雖然基本上都開設了實驗課，但由于硬件建設及教學制度等原因，實驗教學效果遠沒有達到教學的要求。

3.3 實驗教學模式落后

實驗教學最基本的目的是讓學生學習實驗方法、科學思維方法和學科的基本研究方法。然而實驗教學組織形式和教學模式的僵化滯后嚴重阻礙實驗教學目標的實現(xiàn)。在對問卷進行統(tǒng)計分析和對表1中7所高校走訪的結(jié)果來看，實驗教學（除研究生實驗課程）的組織形式和教學模式普遍存在下面幾個問題。

1）理論驗證性實驗教學成為主角。在走訪中有85.3%的教務管理教師和71.7%的任課教師認為實驗課的開設存在嚴重問題。首先，在設置實驗課時，學校主要考慮什么理論課程需要實驗，就開設什么實驗課程，而不是在宏觀上為某門學科制定具體明確的實驗教學培養(yǎng)計劃。這樣的排課制度造成各實驗課之間缺乏聯(lián)系，綜合性實驗課更是無法開設，不利于學生處理問題能力的培養(yǎng)。其次，理論課沒有講到，實驗課就不能先做，實驗只起到驗證理論的作用，變成理論教學的輔助手段。實驗教學更重要的是培養(yǎng)學生運用所掌握的知識分析、解決問題的能力，而驗證性實驗是最低層次的實驗。

2）教學內(nèi)容滯后，脫離實踐。由于實驗室不對外開放，內(nèi)部封閉，再加上實驗設備在沒有資金支持下不能及時更新，學科發(fā)展的新思想、新技術(shù)、新方法不能被及時吸收到實驗教學中來，使得實驗教學手段、教學內(nèi)容更新非常緩慢，遠遠落后于時代發(fā)展的步伐。實驗課只是對課本知識的重復、理論的驗證，缺少實際問題的解決。學生只關(guān)心如何完成學習任務，很少思考如何利用所學的知識解釋生活中的實際現(xiàn)象，解決實際問題。

3）忽視實驗的主體。實驗教學的組織形式機械模仿課堂教學，基本上就是按班級進行教學安排，由于同一類型的設備數(shù)量固定，這樣的安排導致班級人數(shù)多的設備不夠，人數(shù)少的設備閑置。雖然教學班一直是教學管理的有效載體，但它卻往往是教學尤其是實驗教學忽視學生個體差異的前提。在實驗教學過程中，學生沒有任何發(fā)言權(quán)和選擇權(quán)，教師安排實驗內(nèi)容，準備好實驗儀器，實驗之前教師先對本實驗的目的、原理、實驗步驟進行講解，然后演示實驗[9]。學生只要照著現(xiàn)成的步驟，按部就班地進行實驗，最后交一份實驗報告即可。并且在統(tǒng)一的實驗課結(jié)束后，實驗室便關(guān)門，學生再沒有接觸實驗的機會。這種僵化的實驗教學模式漠視學生能力差異和個性的發(fā)展，并且很大程度上抑制了學生做實驗的積極性和主動性，更不利于學生創(chuàng)新實踐能力和探索精神的培養(yǎng)。

4）實驗室設備隱性浪費。實驗室的建設是高等院校除基建外投資最大的基礎建設，理應在人才培養(yǎng)中發(fā)揮與之相稱的作用。然而，筆者在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，實驗室的利用不容樂觀，存在隱性浪費，這些投資巨大的實驗設備學生只能在固定的實驗課堂上使用，實驗課結(jié)束后便關(guān)門大吉。更有甚者，有些實驗室因為沒有相應課程的安排而閑置一個學年，學生不允許進入實驗室，更無權(quán)使用實驗設備。還有些單位花大資金為某項目購買了儀器，在項目結(jié)束后便擱置一旁，直至淘汰報廢。

3.4 發(fā)展虛擬實驗是實驗教學走出困境的有效途徑

在目前高校資金短缺，實驗教學形同虛設的情況下，發(fā)展虛擬實驗成為實驗教學走出困境的有效途徑。虛擬實驗盡管不能完全取代傳統(tǒng)實驗，但因其與生俱來的優(yōu)勢將克服傳統(tǒng)實驗教學中存在的多方面困難。

1）走出資金困境。虛擬實驗的實驗儀器和設備都是通過軟件虛擬化的，除了開發(fā)實驗軟件和架設虛擬實驗環(huán)境的網(wǎng)絡設備的費用外，相比大規(guī)模地購置真實實驗設備、增加實驗場所以及大面積地更新?lián)Q代所需要的費用，虛擬實驗耗資較小，并且減少了設備的損壞，也更易于更新?lián)Q代。尤其對大型精密儀器的虛擬，不但節(jié)省了資金，而且學生也將有機會接觸應用到。

2）突破時空的限制。虛擬實驗可以突破時空的限制，這有三方面的涵義。①傳統(tǒng)實驗中由于受到實驗時間和實驗場所的限制，學生基本上除了在實驗課堂上規(guī)定的時間內(nèi)進行實驗學習外，就再沒有機會進入實驗室了。虛擬實驗則不受時間和空間限制，只需在任一有網(wǎng)絡的地方便可進入實驗室，選擇性地做實驗，并可反復多次實驗。②虛擬實驗可以模擬大到天體運行、小到原子結(jié)構(gòu)等真實實驗無法實現(xiàn)或很難實現(xiàn)的情況。比如，學生可以置身于虛擬的宇宙中，觀察天體的運動軌跡和相互關(guān)系；學生也可以進入原子世界，觀察原子的組成結(jié)構(gòu)。③有些需要長時間才能觀察到變化過程的實驗，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬，可以在短暫的時間內(nèi)展示給學生觀察，如種子的發(fā)芽過程、蜜蜂的工作規(guī)律等。

3）實驗內(nèi)容的新穎和實驗方法的先進。虛擬實驗本身不僅基于各種先進技術(shù)，更重要的是它是在先進教學理念的指導下建設的。虛擬實驗系統(tǒng)建設在網(wǎng)絡基礎之上，成為實驗內(nèi)容快速更新的前提，加之更新升級成本較低，使得先進的教學理念可以很容易地設計到實驗系統(tǒng)中，并且虛擬實驗能夠仿真世界第一流的儀器設備，為實驗的先進性提供設備基礎。

4）學生成為實驗教學的主體。在虛擬的實驗環(huán)境中，學生能夠根據(jù)自己的情況，自主地選擇實驗內(nèi)容，自我控制實驗過程。在學習之前，可以對實驗內(nèi)容、實驗儀器、實驗原理等進行熟悉和理解，也可以在實驗后對沒有觀察清楚和不理解的地方反復實驗。同時，學生還可以在教學內(nèi)容之外，對感興趣的實驗進行深入研究，嘗試實驗。學生在實驗的過程中自始至終處于主體地位，充分激發(fā)學習熱情、提高學習效率的同時，更有利于發(fā)散思維、創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，以及解決實際問題的能力的鍛煉。

因此，虛擬實驗不僅可以有效解決目前實驗教學中存在的各種問題，還從深度和廣度上使實驗教學得到提升。虛擬實驗教學必將有力地推動教學內(nèi)容、方法和教學模式的變革，是實驗教學的發(fā)展方向，是現(xiàn)代化教學尤其是實驗教學改革的必然趨勢。

4 西部高校發(fā)展虛擬實驗的可行性

4.1 可行性基礎之先進技術(shù)的發(fā)展

1）計算機與網(wǎng)絡的發(fā)展為虛擬實驗提供了可靠的硬件基礎。隨著我國教育信息化的大力推行，校園網(wǎng)絡的建設和計算機的普及給虛擬實驗教學打下堅實的基礎，并對其產(chǎn)生巨大的推動作用。2002年，隨著“西部大學校園計算機網(wǎng)絡建設工程”項目的啟動，在國家的大力支持下，西部各高校相繼建立了校園網(wǎng)，校園主干帶寬幾乎都達到1 000 Mbps，桌面帶寬也達到100 Mbps。近年來，部分高校計劃或正在實施校園網(wǎng)絡升級，千兆校園網(wǎng)絡為虛擬實驗教學的實施打下堅實基礎。

2）先進的開發(fā)技術(shù)為虛擬實驗提供技術(shù)支持。近年來，比較流行的虛擬實驗開發(fā)技術(shù)主要有VRML、JAVAJava Applet、Quick Time VR以及3DMAX等各種Web技術(shù)，以及圖形圖像處理、視音頻技術(shù)的發(fā)展與廣泛應用，為虛擬實驗的開發(fā)提供了技術(shù)保障。

3）數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展為虛擬實驗提供了強大的數(shù)據(jù)支撐。世界一流的數(shù)據(jù)庫公司開發(fā)的大中型數(shù)據(jù)庫，比如Oracle、SQL Server、DB2、Sybase、Informix等可以滿足不同的數(shù)據(jù)存儲訪問需求，成為虛擬實驗教學龐大的實驗數(shù)據(jù)安全存儲和高速訪問的支撐[10]。

4.2 可行性基礎之學科、人才保障

高校本身就是人才云集的地方，僅以甘肅為例，雖處落后的大西北，但不乏歷史久遠的百年學府（蘭州大學、西北師范大學、蘭州理工大學），在百年辦學期間，已經(jīng)形成比較穩(wěn)固且門類、層次齊全（博士、碩士、本科、專科高職等）的學科，并且在各個學科都有雄厚的師資力量，其中不乏兩院院士、國內(nèi)學科帶頭人、長江學者等在學術(shù)上有領(lǐng)導地位的人才。完善的學科背景和雄厚的師資力量為虛擬實驗的建設提供了強大的學術(shù)保障。

4.3 可行性基礎之成功的經(jīng)驗和大量理論研究的開展

本文前面已經(jīng)介紹了國內(nèi)外很多典型的虛擬實驗研究和應用的成功案例。在此，筆者從文獻檢索的角度，通過CNKI檢索對國內(nèi)虛擬實驗研究的現(xiàn)狀進行統(tǒng)計分析。以“虛擬實驗”為關(guān)鍵詞，2005～2009年為時間段進行文獻檢索，在題名包含“虛擬實驗”的期刊論文和碩、博士學位論文研究中，檢索到665篇，并按年度檢索了這5年間的研究情況。結(jié)果表明，文章的篇數(shù)穩(wěn)步上升，人們對“虛擬實驗”的關(guān)注度逐年提升。這些研究成果也是發(fā)展虛擬實驗的奠基石，為虛擬實驗的建設指引了方向。

5 總結(jié)

虛擬實驗的建設不僅為西部省份高校解決實驗教學的問題指明了道路，還是培養(yǎng)高素質(zhì)人才的迫切要求，也是院?，F(xiàn)代化建設的必然趨勢和提高教學效益的有效途徑。虛擬實驗的建設不僅可以節(jié)約在實驗教學方面的投入，更重要的是可以完善高校現(xiàn)有的教學體系，提高高校的教學水平和教學質(zhì)量，促進學生學習的自主性，培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新精神。

[1]虛擬實驗[EB/OL].http://aglorihtmbciotnay.org/rviurtal_laboroaty/2008.

[2]單美賢,李藝.虛擬實驗原理與教學應用[M].北京:教育科學出版社,2005.

[3]汪詩林,吳泉源.開展虛擬實驗系統(tǒng)的研究和應用[J].計算機工程與科學,2000,22(2):33-35,39.

[4]德國Ruhr大學.Virtual Control Lab[EB/OL].http://www.esr.ruhr-uni-bochum.de/VCLab.

[5]華中科技大學.液壓與氣壓傳動虛擬實驗[EB/OL].http://col.njtu.edu.cn/zskj/4024/httproot/xunsy/xunsy.htm.

[6]崔光佐,程旭,楊芙清.基于WWW的網(wǎng)上虛擬實驗室設計與實現(xiàn)[EB/OL].http://221.208.174.58:888/sourced/10/03/01/03/08/30567.html.

[7]賈治堂.不堪重負，甘肅一高?！瓣P(guān)門”[EB/OL].http://www.gszx.gov.cn/www/ContentsDisp.asp?id=3049&ClassId=45.

[8]艾爾·巴比.社會研究方法[M].邱澤奇,譯.北京:華夏出版社,2000.

[9]梁上燕,孫建安.對高校傳統(tǒng)實驗教學模式的反思[J].西北成人教育學報,2007(4):11-12.

[10]白娟.虛擬實驗教學及其設計研究[D].西安:陜西師范大學,2005.

TP391.9

A

1671-489X(2012)15-0006-04

10.3969 /j.issn.1671-489X.2012.15.006

Study of Necessity and Feasibility on Developmental Strategies of Virtual Experiments in Colleges and Universities of West//Yang Yong1, Dong Xiaohui2

Author’s address 1 Information Center of Wuxi Institute of Technology, Wuxi, Jiangsu, China 214121

2 Network Education Institute of Northwest Normal University, Lanzhou, China 730070

作者：楊勇，西北師范大學計算機專業(yè)本科畢業(yè)，江南大學碩士在讀，主要從事虛擬實驗、信息資源的研究。