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1、虚拟实验技术研究背景意义及国内外现状1背景及研究意义12 国内外现状21背景及研究意义近年来, 随着经济和科技的飞速发展,我国高等教育进入了一个快速发展的时期,同时也对高校的教学提出了新的挑战，新理论新技术层出不穷,学科间的交叉和联系不断加强,仅仅依赖书本、文字和简单演示说明的教学方式,已经跟不上科技发展的步伐。在这个大环境下，实验教学已成为是高校教学活动的重要环节,而随着高校扩招,学生人数的不断增加，学校的实验设备已经无法满足学生随时、多次重复地做一门实验的需求，只能分批次地给学生提供某项实验的时间，教学所需高档仪器设备的配备不足与资金相对短缺的问题也逐渐显露出来。很多学校都把实验教学和实验
2、室建设放在首要位置上，然而，由于受到经费、场地和设备等限制，实验教学并不能达到预期的效果，实验教学的质量较差。一些耗资大的实验许多学校不能开设，学生只能通过课堂上老师的讲述对实验仪器及实验操作进行想象，缺乏实际操作经验。另外随着现在学生数量的增多，许多实验受到教室和课时的限制，在规定的时间内学生无法真正完成实验，造成实验课走过场的现象。同时，在传统的实验教学中，如何考核学习者的实验操作技能，存在一定的困难，尤其是对于一些基础、技术基础性的实验，实验结束后，由于实验项目和学习者人数较多，如果教师要进行一对一的考核，是很难实施的。传统实验教学模式和手段的局限性,已经成为高校教学发展的制约因素。由于
3、传统实验教学存在着诸多的弊端，这大大制约了实验环节的教学质量，严重影响着高校教学质量的提高，实验教学必须改革以适应现代教育的发展。近年来, 互联网技术的发展以及虚拟实验室(Virtual Laboratory) 在许多领域的成功应用,为以上问题的解决提供了一个很好的途径。VRML(Virtual Reality Modeling Language虚拟现实建模语言)是近年来发展起来的一项新技术,其目的是在计算机上创建一个三维视觉、听觉和触觉环境,人机交互手段使得参与者能够对虚拟环境进行实时的操纵,并能从虚拟环境中得到反馈信息,也能使系统了解参与者关键部位的位置、状态、变形等各种系统需要知道的数据
4、 。虚拟技术的发展为实验教学改革及远程教育提供了很好的条件和技术支持，用虚拟实验来辅助教学是现代教育技术发展的要求，它有着广阔的前景。计算机仿真物理实验的运用改变了传统的实验教学模式，推进实验教学向科学化、现代化方向发展。仿真实验将实验室搬上了计算机，学生通过操作鼠标和键盘能够了解实验仪器、实验原理、实验内容，进行实验操作，观察实验现象，收集数据，分析数据，得出结论等，其实验效果等同于甚至优于在真实环境中所取得的效果5。图文并茂的仿真实验界面和较好的人机交互能力又能极大地调动学生的学习兴趣，提高学习效率。当学校的网络虚拟实验室建好后，学生可随时通过校园网进入虚拟实验室进行实验操作，这样就使得学
5、生上实验课非常方便，不再受时间和空间的限制。同时物理仿真实验教学系统实现了良好的可视化实时交互功能，将虚拟场景与各虚拟仪器有机的结合起来。总之，通过计算机仿真实验教学，运用虚拟仿真技术，把计算机技术引入实验教学中，改革了传统的教学手段，具有非常重要的现实意义。2 国内外现状虚拟实验室(Virtual Laboratory ,VL)的概念,最早是由美国弗吉尼亚大学(University of Virginia)的威廉沃尔夫(William Wolf)教授于1989 年首先提出的,其初衷是为了方便不同实验室中的科研人员共享彼此的数据、仪器,并能交流思想和进行远程科研合作。虚拟实验室概念的提出至今仅
6、十余年，但因其诱人的应用前景，各国均在大力开发，己经取得了一些进展。目前，虚拟实验室的建设在发达国家已十分普及。作为首先提出虚拟实验室概念，并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国，从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发，在该领域的研究已处于领先地位。对信息技术的研究非常重视，并已将虚拟实验室列入其科研发展的战略规划。目前，越来越多的院校和科研机构正投身于构筑一个覆盖美国的虚拟实验网络的工作中来。除美国以外，国外的一些大学己组建了远程虚拟实验室，如德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化工作平台;意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室;新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验等等。在国内,尤其
7、在许多高校,虚拟实验技术的应用越来越受到人们的重视。目前，己有部分高校初步建立了虚拟实验室。例如:清华大学利用虚拟实验仪器构建了汽车发动机检测系统；华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育使用；四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了航空电台二线综合测试仪，将8台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统；复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等一批高校也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。同时虚拟实验技术在科学研究、虚拟实验教学、教育娱乐等方面发挥着重要作用。首先，虚拟实验技术运用于实验教学，由于虚拟实验技术的特点,它应用在理工科的教学中大有作为,目前国内的多数高校都根据自身教学需求建立了虚拟实验室,虚拟实验室成为强化实验室建设、改革实验教学手段的一个重要发展方向；其次，虚拟实验技术在校园模拟和仿真的重要应用，1996年天津大学开发了虚拟校园，国内一些高校开始逐步推广和使用虚拟校园模式,但是以实现浏览功能为主。随着网络教育的深入,基于教学、教务、校园生活的三维可视化虚拟校园呼之欲出，中央广播电视大学远程教育学院将网络学院的诸多具体功能整合在图形引擎中,在虚拟校园的应用方面进行了有益的尝试。目前许多高校根据需求建立了虚拟实验室,努力应用这种先进的实验工具辅助科学研究。
