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1、虚拟实验技术及其在远程教育当中应用 摘要：近几年，远程教育在摸索和探讨申取得了很大的进步，但由于远程教育的特点和实验条件的限制，远程教育中的实验教学成为制约远程教育发展的瓶颈，开展网上虚拟实验成为远程教育的必然，如何在网络环境下建立为远程学习者提供交互的虚拟实验教学环境成为远程教育关注的热点。对虚拟实验的意义进行了阐述，分析了虚拟实验在远程教育中的必要性和可行性，构建了基于网络的远程教育虚拟实验系统和功能模块，对相关虚拟实验的开发具有借鉴意义。 关键词：虚拟现实；虚拟实验；远程教育 中图分类号：G727文献标志码：A文章编号：10094156(2011)0607904 一、引言 计算机应用技术

2、、多媒体技术和网络技术的不断成熟与进步，促进了现代远程教育快速发展，但目前现代远程教育仍处于探索阶段。虽然在教育教学过程中不断实践、探讨，取得了不小的成绩，但问题也不断出现，特别是远程教育中的实验操作问题影响了远程教育的质量。随着远程教育实践活动的不断深入发展，如何在网络环境下建立为远程学习者提供交互、沉浸的虚拟实验教学环境成为远程教育关注的热点。 二、虚拟实验及其意义 (一)虚拟实验简介 科学实验一般分为真实实验和虚拟实验，按照我们一般意义上的理解，虚拟实验是相对于真实实验而存在的，两者的主要差别在于实验过程当中所接触的对象是否真实。对于虚拟实验的认识，也是各有千秋，不同领域的人对它有着不尽

3、相同的认识。总体来讲，虚拟实验是采用通信技术、网络技术以及传感技术等多种技术，提供给使用者逼真的虚拟实验环境和等同于真实实验功能的系统，为研究和创新活动提供协作操作和实验的电子平台。它不仅包含虚拟的物体，而且应当具备各种音视频资料和文字资料以及使用帮助等信息，以便于用户使用虚拟实验系统，提高实验效率。 (二)虚拟实验发展概况 虚拟实验技术起源于20世纪末，是依托“虚拟现实”(Virtual Reality)技术而产生和发展的一种实验模式。当时国内外一些远程教育机构曾采用过各种方法来解决实验的近距离性与教学手段的远距离性的矛盾，在进行的各种方法中，有的仅适合少数或简单实验的情况，有的由于与理论教

4、学不相衔接而导致效果不佳。直到20世纪90年代崛起的虚拟实验才给远程实验教学带来了希望，它可使实验教学完全远程化，从根本上解决目前的实验教学与远程教育模式不相适应的状况。虚拟实验室概念的提出至今仅十余年，但由于因其广阔的应用前景。各国均在大力开发，已经取得了一些进展。目前，虚拟实验室的建设在发达国家已经相当普及，越来越多的院校和科研机构正投身于虚拟实验网络的工作中来。与西方发达国家比较，国内在虚拟实验方面开展的工作虽然还有所欠缺，但近年来得到了重视，一些院校与科研机构也开发了一些比较成熟的虚拟实验室。 (三)虚拟实验在远程教育中的意义 实验教学是远程教育教学过程的一个重要组成部分。对于实践性的

5、学科而言，实验是获取知识、培养观察推理能力、提高实践技能的必要环节。因此，将虚拟实验教学应用到远程教育中，对优化现代远程教育教学过程，完善远程教育教学理论，充分发挥远程教育的优势，都具有重大的意义。 1突破时空限制 只要有网络和计算机，学生可以随时随地进行实验，调动学生学习积极性、提高教学效果。 2提高远程教学效果 虚拟实验教学为远程学生提供自主的、灵活的、可交互的实验环境与丰富的网络学习资源。作为学习主体，远程学习者可随时随地通过互联网进行实验，充分发挥学习者的主动性与积极性，有效实现了理论教学与实践教学的紧密结合，提高远程教学效果。 3完善远程教育理论，拓展远程教育的发展空间，充分发挥远程

6、教育的优势 目前，现代远程教育仍处于“摸着石头过河”的初探阶段。虽然在教学过程中经过不断实践和探讨取得了不小的成绩，但问题也不断出现。由于条件的限制，远程教育从专业设置上大多回避实验教学，只开设文史、外语等实验设备需求少的专业，而对于实践性强的理工科类专业则退而避之，这种现象成了制约现代远程教育发展的一个瓶颈。毫无疑问，开展网上实验教学已成为远程教学的必然，虚拟实验便是一种支持远程实验学习的教学系统，它利用多种新技术创建虚拟实验场景和设备，提供给学生仿真的、交互的、自主的实验学习环境，拓展了远程教育的思路，为远程教育提供良好的愿景。 4学生可以“操作”最先进的实验器材 只要实物建模足够逼真和交

7、互性足够强，学生就能够沉浸其中并对实验进行“操作”，提高他们的实验兴趣，并且这种实验的成本较低。 三、虚拟实验在远程教育中的必要性与可行性分析 (一)虚拟实验在远程教育中的必要性 1虚拟实验教学是远程教育理念的需要 以网络教学为特征的现代远程教育是一种全新的教育理念。它不受时间、空间、对象的制约，强调以学习者为中心，以自主学习、个性化学习为主，进行实时或非实时的交互性教学。在远程教育系统中，远程学习是远程教育的核心，远程教学为远程学习提供资源和服务。作为远程教学的重要环节，虚拟实验教学可以本着“以学生为主体，教师为主导”的远程教育基本思想，为学生提供自主、交互的学习环境，学生可以在任何时候任何

8、地方选择进入实验，让他们运用基本的理论知识亲自实践、自我评价，充分体现学生在远程实验教学中的主体作用。 2虚拟实验教学是现代远程教育深入发展的需要 虚拟实验教学虽不是现代远程教育的产物，但它是远程教学的重要组成部分，而且远程教育要进一步发展，虚拟实验教学的有效实施就越发显得必要，因为虚拟实验为远程学习者提供有力的实验保障，可以促进现代远程教育的协调发展。 3改变远程教育中学生参与实验受到限制的状况 目前，远程教育理论课程的教学已经相当成熟，参加远程学习的学生可以通过下载教学课件、教学录像、教学资料等形式进行远程学习，但由于学习形式和时空的限制，对于那些操作性比较强的知识，学生不能够身临其境地进

9、行试验操作，即使有的远程教育机构会提供集中的一段时间让学生进行实验，但是时间一般都有限，只能是杯水车薪，而且由于远程教育中的学生时间不是很充裕，他们对这些实验的参与度不高。在网络上创建虚拟实验室，使远程教育中的学生能够足不出户地在网上自己动手操作实验，能够大量节省他们的学习时间，并且获得现场操作的临场感和直观的经验感受。 (二)虚拟实验在远程教育中的可行性 1良好开发工具为虚拟实验提供优良的条件 早期的虚拟实验由于条件的限制，往往一个简单虚拟实验开发会花费研究人员大量的心血，而且这些虚拟实验还不能达到预想中的效果。随着虚拟 实验开发工具的日益简单化、智能化、人性化以及多功能化，进行复杂虚拟实验

10、的开发不再是一件可望而不可即的事情，虚拟实验系统也越来越具有交互性和沉浸性，相信随着计算机技术的日益发展，将会出现更多、更好、更实用的虚拟实验开发工具。 2计算机网络技术与硬件的发展是虚拟实验教学有力的保障 虚拟实验最大的特点就是交互性、沉浸性、想象性，但以往的远程教育因为网络带宽窄，数据传送速度慢，难以满足虚拟实验最基本的要求，这制约了虚拟实验在远程教育中的发展。但近些年由于网络设备的改进，网络传输速度得到了很大的提升，为虚拟实验在网上流畅运行创造了有利的条件，随着计算机硬件技术的高速发展，用高性能的处理器来处理复杂的三维图像将更加得心应手，能够带给用户全新的感受和体验，同时虚拟实验配套设备

11、的发展让虚拟实验的沉浸性得到更加极致的发挥，使用者在虚拟实验环境中身临其境的感觉将会更加强烈。 3Web技术、虚拟现实等技术日新月异的发展为远程虚拟实验提供有力的技术支持 Web技术主要借助于Java语言，结合HTML、CSS、JSP、Java Script等来实现虚拟实验。虚拟现实技术借助计算机构建一个虚拟的实验场景，通过刺激多种感官，使人沉浸于其中，同时与这个逼真的环境进行交互。 4数据库技术的不断完善为虚拟实验教学提供强大的数据支撑 一个功能强大的虚拟实验教学系统包括学生信息数据、实验知识数据、实验对象资料库，实验过程参数库等庞大的数据体系，需要健壮的数据库支持。目前，数据库种类繁多，其

12、中，大中型的数据库系统如oracle、SQL Sever、Sybase和DBZ等，它们各具特色，可以满足不同的需求，因此。数据库建设也不再是难题。 5前人的经验给我们启发，为顺利建立虚拟实验创造了条件 虚拟实验概念的提出至今仅二十余年，但由于其发展迅速，前景广阔，各国均在大力开发，已经取得了一些进展。目前，虚拟实验室的建设在发达国家已经相当普及，国外的一些大学和科研机构已组建了自己的远程虚拟实验室。近几年，我国对虚拟实验的建设也非常重视，一些院校与科研机构也开发了一些比较成熟的虚拟实验室。这些都为优质虚拟实验的建立创造了良好的条件。 四、远程教育中虚拟实验系统的建构 虚拟实验开发出来应当具有教

13、育意义，不能花费了大量的时间而实际应用性不强，因此，在开发虚拟实验之前，一定要做好规划，了解学生学习状况，遵循学生的认知规律。只有前期工作做好了，才能按部就班地进行虚拟实验的开发，否则一切都前功尽弃。 (一)设计原则 1界面友好原则 虚拟实验系统除了具备强大的实用功能，还应当尽可能地为学生们提供一个轻松、愉快、感觉良好的操作环境，让学生们乐意在虚拟的世界中漫游、学习知识，达到良好的学习效果。 2良好的导航功能 目前，有许多虚拟实验系统虽然花了很大的工夫，但效果不是很明显，并不是因为实验的功能不齐全，而是因为在虚拟实验的设计上有所欠缺，学习者在进行虚拟实验的过程当中容易迷失方向，导致丧失实验兴趣

14、。因此，一个好的虚拟实验系统应该具备精确的导航功能，能够让实验者很快找到想要的东西，随时随地都能够知道自己所处的位置，随时随地能够回到想要的地方，不至于在虚拟世界中迷航。 3最佳反馈效果原则 虚拟实验的反馈直接影响到学生的接受和理解，如果虚拟实验能在积极的人机交互活动中真正达到因人而异的教学，那么它决不能只简单地告诉学生是或不是，而要说明原因，提出建议。良好的反馈可以鼓励学生的学习积极性，增强学生自信心，纠正学生错误和巩固所学的知识和技能，还可以鼓励学生去“发现”某种规律。糟糕的反馈可能增加学生焦虑，使学生感到枯燥无味，甚至引起学生对某些概念的误解。因此，我们要高度重视虚拟实验反馈的设计。 4

15、以实为本，虚实结合 虚拟实验是实验教学的辅助手段，决不能取代实际实验操作。对于那些不适合做成虚拟实验的实验，比如，Flash、Photoshop等基于软件操作的实验课程，不宜用三维虚拟实验的形式，对于此类实验在三维虚拟实验中应该大胆放弃，不能舍本逐末。 (二)设计方案 虚拟实验系统的主要设计方案是搭建一个虚拟实验平台，对于这个实验平台，能够根据实际情况方便地进行增加、删除和管理实验子模块的功能等。 1系统结构图 远程教育中的虚拟实验系统结构如图1所示： 通过Internet用户可以访问Web服务器，分布在不同地域的实验者通过本地电脑访问虚拟世界，实现异地实验或者协作实验并获取实验结果。通过We

16、b浏览器，实验者可以实时观察和浏览实验现象，修改实验参数，借助虚拟仪器和虚拟外设组建各种实验和实验操作。数据库当中存储了用户信息、实验仪器以及与虚拟实验相关的各种实验数据。另外，由于浏览器和插件是本地平台提供的，从而实现了和硬件平台的无关性。 2虚拟实验功能模块图 虚拟实验功能模块由若干子功能模块组成，协作完成虚拟实验系统的管理和功能实现，其功能模块如图2所示： 虚拟实验的功能模块包括四个方面：管理模块、实验模块、结果评价模块和交流讨论模块，虚拟实验教学体系以学生的实验教学为核心，学生能进行实验并获得实验帮助与支持、能与师生相互交流沟通，教师与管理员能对系统、教学、安全等按权限管理。 (1)管

17、理模块 包括系统管理、用户管理、实验项目管理与实验仪器管理，其中，系统管理实现虚拟实验室软、硬件系统的资源管理，如系统硬件的配置、实验室虚拟元件及设备属性的设置、系统使用状况统计等。用户管理则对使用系统数据库的用户进行权限管理，从高至低依次为管理员、教师、学生三级，管理员能对虚拟实验的系统数据进行全局管理，维护系统安全性与数据完整性，教师能添加、删除与管理学生信息，而学生默认的权限是能进入各个子系统，但不能修改系统内容，对实验室数据库只能读不能写。实验项目管理主要包括试验项目的增加、删除与内容更新等。实验仪器的管理则是对虚拟实验中的虚拟仪器进行添加、更新等操作。 (2)实验模块 实验模块是实验

18、教学的重要模块，由实验列表、知识库、实验展示、指导与思考等于模块组成。其中，实验列表子模块包括实验内容、实验目的、实验介绍、实验操作要领以及自主实验等，让学生在了解实验的基础上进行虚拟实验的操作，其中，自主实验是虚拟实验教学系统的核心。知识库为师生提供相关实验科目的扩展知识，如有关实验的简史、名著、名人、优秀站点等，拓宽学生视野，增长学生见识。实验展示为学生提供正确的实验操作步骤，可以是视频或者动画等形式的，让学生知道自己操作是否 正确。指导与思考针对学生常见的问题提供解答，并提出各种思考题，培养学生的创造性思维。 (3)结果评价模块 结果评价模块包括实验提交、实验评阅以及教师答疑子模块。学习

19、者可以将实验的过程和结果保存下来并提交到网上，教师对这些过程和结果进行评阅，对学生的学习效果进行评价，教师根据这些评阅结果指导学生学习，帮助学生安排实验计划，选择实验层次。对于学生在实验过程中的疑问，老师给予解答。 (4)交流讨论模块 交流讨论模块是虚拟实验教学的基本功能模块，包括师生交流和生生交流，为师生提供一个共同探讨实验问题、技术问题的空间，将学生带进一个相互独立又相互影响的通信实体中，学生之间、师生之间可以进行“零距离”的交流，在交流中学习，同时在交流过程中教师也能了解学生的学习状况，把握教学进度。 五、结束语 基于虚拟现实技术的远程教育是现代教育发展的主要方向之一。随着虚拟现实技术的不断发展和完善、网络技术的不断进步以