虚拟实验开发与运用研究.docx

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虚拟实验开发与运用研究

虚拟实验开发与运用研究

摘要：

近年来，随着现代教育技术的不断完善，虚拟实验在教学中的应用越来越广泛，并已成为用现代教育技术来辅助教学的重要手段。

阐述了虚拟实验的基本概念及其技术要求，并探讨了虚拟现实技术在教学中的运用。

关键词：

虚拟实验；虚拟实验室；JAVA技术；FLASH

　　1虚拟实验概念及特点

　　1.1虚拟实验概念

　　虚拟实验是指在计算机上利用多媒体、仿真和虚拟现实等技术手段营造出辅助、部分替代，甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者运用虚拟实验就像在真实实验环境中一样可以操作实现各种实验项目，所获得的实验效果等同于甚至优于在真实实验环境中所取得的效果。

　　1.2虚拟实验特点

　　虚拟实验的核心应用形式是设计性和综合性实验的开设。

设计性和综合性实验可以有效培养学生的综合素质，虚拟实验不仅可以为学生提供大量设计性和综合性实验课题，而且学生可根据个人的兴趣与能力来选择课题的内容、深度和学习时间。

　　新世纪的教学有别于传统教学，教学由以前的知识权威转变为学生学习的指导和合作伙伴、设计和研究学习者。

让学生由原来知识的被动接受者变成学习的主人，自己主动地寻求知识，老师则更多地充当了引导员角色。

把虚拟实验运用于教学后，教师与学生、学生与学生、教师学生与学习内容之间真正实现了随时平等的“人机互动”学习。

学生不仅不受传统真实实验室关闭和开放时间的限制，可以灵活合理地管理自己的试验时间，而且也不受教科书和实验课程的限制。

学生可以根据自己的进度和学习能力、自主地选择自己需要的实验内容，重点攻克自己的弱项实验。

学生通过操作实验课件，自学实验内容，不仅摆脱了传统教学中“教师做，学生跟着做”的弊端，而且加强了学生的自学能力和自主探究能力。

同时，把虚拟实验应用于教学大大地减少实验室建设的用房面积和资金投入，节省不必要的实验耗材，并且避免了实验中的不安全因素。

　　开设反映新技术成果的应用以及其它新型实验是虚拟实验的又一重要应用形式，这种类型实验应用性强、内容形式新颖，传统实验室往往不能及时开设。

通过虚拟实验，可组合相应资源，开发相应实验内容。

这种实验方式不仅可以开拓学生的视野，激发学生的实验兴趣，还有助于培养学生的创新能力[1]。

　　1.3虚拟实验室

　　虚拟实验室是一个虚拟的实验平台，是基于Web技术、VR虚拟现实技术构建的教学系统，是实现实验室的数字化和虚拟化教学手段。

虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。

为开设各种虚拟实验课程，虚拟实验室提供了全新的教学环境。

真实实验台被虚拟实验台代替，学生可以自己在虚拟实验台动手配置、连接、调适实验仪器。

教师在虚拟器材库中将任意合理的典型实验广泛应用于教学实验，这是虚拟实验室区别传统实验教学课件的显著特征。

虚拟实验室的开发分为模型建立、制作交互文档、网络发布3个阶段。

　　在经济飞速发展的知识经济时代，需要创新型人才，而培养创新型人才需要研究性学习。

在我国大力推广研究性学习的背景下，通过开展研究性实验教学不仅培养了学生的创新思维能力和实践能力，培养学生自主探究能力和动手能力等，还有助于提高学生的综合素质。

　　在教学中运用虚拟实验室，学生能够在虚拟实验台上亲手体验，自主设计，这不仅提高了学生的操作能力、分析诊断能力、设计能力，而且增强了学生的创新意识。

　　随着虚拟实验技术的成熟，虚拟实验室在教育领域的应用价值被人们广泛认可，它除了可以有效地辅助高校科研工作，在实验教学方面也有着突出表现。

近年来，国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了自己的虚拟实验室，如VRP虚拟实验室系统、VBL100虚拟实验室系统、OWVLab等。

　　2虚拟实验研究的背景和意义

　　近几年来，计算机技术、多媒体技术和网络技术发展迅速，教师已经把网络教学运用到教学的各个领域。

虚拟实验就是在计算机中创设一种真实的实验情境，用户可以通过点击或拖曳鼠标来进行虚拟实验的操作[2]。

　　多媒体技术、网络技术与虚拟仪器技术的结合是虚拟实验的基础，尤其是把虚拟仪器技术与认知模拟方法结合在一起体现了虚拟实验具有智能化特性。

实验教学改革及远程教育需要改革，虚拟实验就必须要发展。

虚拟实验辅助教学是现代教育技术发展的要求，因此虚拟实验有着广阔的开发前景。

　　随着经济和科技的飞速发展，我国高等教育提出了新的挑战。

新理论、新技术层出不穷，学科间的紧密联系仅仅依赖书本、文字和简单演示说明的教学方式，已经落后于科技发展的步伐。

在这个大环境下，实验教学应运而生，并成为高校教学活动的重要环节，而随着高校逐年扩招，学生人数大规模增加，学校无法满足学生随时且重复地做某实验，只能分批次给学生提供某项实验设备，这暴露出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。

很多学校都把实验教学和实验室建设放在首要位置上，然而，经费、场地和设备等各方面的因素制约了实验教学的效果，导致实验教学质量较差。

在许多学校通常不可能开设一些耗资较大的实验，学生只能观摩教师在课堂上如何操作实验，无法进行实际操作。

同时，在传统的实验教学中，尤其是对于一些基础、技术基础性的实验，如何考核学生的实验操作技能存在着一定困难，实验结束后，因为实验项目和学生人数较多，教师很难对学习者进行一对一的考核。

传统实验教学模式和手段的局限性已经成为制约高校教学发展的重要因素。

　　由于传统实验教学存在着诸多弊端，在很大程度上制约了实验环节的教学质量，严重影响高校的教学质量。

实验教学的改革必须与现代教育的发展相适宜。

近年来，互联网技术的发展以及虚拟实验室（VirtualLaboratory）在许多领域的成功应用是解决以上问题的一个很好的途径。

3虚拟实验开发和环境

（1）Java技术实现虚拟实验。

　　Java语言是强类型语言，Java的JSP和Applet可以解决Flash和ASP无法解决的问题。

Java语言的网络功能非常强，尤其是Applet专用于嵌入Web网页使其产生震撼的页面视觉效果。

（2）Flash技术实现虚拟实验。

　　逼真的动画效果和强大的内置脚本程序ActionScriptFlash是Flash的两大特点。

Flash可制作网页交互动画，它不仅有矢量的绘图功能，灵活控制和管理对象，而且还提供ActionScript脚本语言，具有支持交互效果好、数据量小、不需要媒体播放器软件等优势。

　　（3）VRML。

　　VRML（VirtualRealityModelingLanguage，虚拟现实建模语言）是一种用于建设虚拟三维世界的场景建模语言，VRML制作虚拟设备具有3D动画、音效、事件输入输出、传感器触发、支持多种脚本、行为控制与多重使用者的功能特点。

VRML语言还可以进行位置、动作、视点、空间背景、传感效果等设置，在Web上交互功能强，可实现动态页面。

　　（4）3DMAX。

　　三维模型的建立很繁杂，3DStudioMax可以弥补VRML的不足，3DMAX可以制作出实用逼真的虚拟场景和仪器设备，让虚拟实验教学系统漫游效果逼真，可交互操作性强。

　　4详细设计

　　在虚拟实验中，Flash动画用二维动画技术实现三维视听效果的实验过程中动画创作过程分为总体设计和详细设计两个阶段，总体可归纳为：

动画创意、动画制作、文件管理3个阶段，每个阶段都发挥着重要的作用。

（1）动画创意。

　　这一阶段首先要明确设计实验的主题与思路，好的构思是作品的灵魂。

其次确定虚拟实验动画的风格设计、色彩搭配和交互功能等形式。

（2）动画设计。

　　设计阶段要考虑动画的结构设计、元件设计、场景设计、交互性功能设计、多媒体影音设计、整体风格色调等。

整个设计思路应该清晰连贯，有宏观和微观的规划。

　　（3）动画制作。

　　这个阶段需要制作图形及按钮元件、制作视频剪辑、制作片头动画、制作主体动画、实现交互功能、多媒体影音效果。

制作矢量图形元件和带有层次嵌套的视频剪辑元件，使虚拟实验的界面美观大方、操作易于实现、整体效果和谐是这一阶段的关键技术。

　　（4）文件管理阶段。

　　图层的管理和文件库的整理是这一阶段的任务，需要把文件库文件以文件夹的形式来管理。

文件管理可以避免重复劳动，有利于文件资源共享，在提高工作效率的同时利于虚拟实验设备的维护和更新。

　　（5）熟悉实验过程。

通过多种渠道熟悉每一个实验所包含的各个环节，对实验过程进行把握，分析实验步骤之间的相互关系，了解实验所需的物品及其用量等。

注意实验中存在的细节问题，比如，有些实验对药品的用量有着严格的要求，不同的材料配比会导致实验结果发生变化。

提炼实验过程的关键步骤，为动画设计做必要的准备。

　　（6）分析实验原理。

在这个阶段中，我们首先要观察实验仪器的结构特点及实验设备的运行情况，了解各部件的名称及其作用，以及各部件之间的协调关系，其次，应熟悉实验仪器的工作原理。

　　（7）绘制实验仪器。

在绘制实验仪器时，为了试验效果更逼真，应尽量注意对每一个细节的刻画，包括每台仪器的整体比例、颜色形状等。

部件与部件之间既独立又统一，才能进行更好的维护和更新设备。

　　（8）制作实验步骤。

　　将实验步骤归纳分解，明确实验思路，利用Flash的技术特点，设计有条理、简洁的实验步骤。

在设计实验步骤时应突出重点。

　　（9）实验交互功能。

　　点击按钮，实现场景等切换，实验界面中包含实验过程介绍、实验仪器设备和实验材料、实验结果填写等板块。

　　（10）动画效果测试。

　　经过测试发现设计中的一些问题，对虚拟实验设计进行最后把关。

　　5虚拟现实技术在教学中的应用

　　新技术给人们带来新教育思维，可以解决以前无法解决的问题，并且给教育带来一系列前所未有的变革。

虚拟现实技术在虚拟实验、虚拟教学、科技研究、虚拟仿真校园、教育娱乐等方面有着广泛应用[3]。

　　5.1科研方面应用

　　通过收集数据，我们得知各高校在许多领域都开展了相关课题研究，如，浙江大学把虚拟设计、虚拟规划应用于建筑方面；北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用；清华大学在临场感研究开发方面独具特色。

此外，有很多大学如西安交通大学、上海交通大学、北方工业大学、西北工业大学、安徽大学等都有诸多科研应用[4]。

　　5.2虚拟教学（实验）

　　理工科大学把虚拟现实技术在教学中应用的有声有色，尤其在物理、化学、建筑、机械等学科。

　　5.3虚拟仿真校园

　　众所周知，学习气氛和校园文化影响人们的教育。

虚拟校园让人们眼前一亮，我们能够利用网络教育和先进的虚拟实验技术轻松仿真校园的真实环境。

这一技术能更好地帮助人们了解校园文化和校园环境。

（1）同济大学建筑学院虚拟现实的应用。

　　同济大学建筑学院把较先进的设备引进虚拟现实实验室。

在建筑教学中运用先进的技术，学生能够以一种全新的方式接受相关专业知识。

（2）西南交通大学虚拟现实的应用。

　　西南交通大学致力于在工程漫游等方面的虚拟现实应用研究。

学校拥有强大的仿真环境制作队伍和仿真软件开发队伍和各种仿真开发系统环境。

一系列高层次高水平的虚拟现实应用产品和计算机仿真被开发出来，特别是在城市规划仿真等方面研究成果突出，并有如下有代表性的仿真系统：

　　①城市规划。

　　设计者、投资开发者、政府决策者和普通市民可以通过系统了解城市现状和未来的规划，使用者可以从各种不同角度遍历城市的每个角落，随时将城市的过去、现在和未来展现的淋漓尽致；

　　②大型工程漫游。

　　大型工程漫游把计划建设的工程项目展示在我们面前，不仅可以展示出工程设计投标建立细节、多层次虚拟模型和工程竣工后的情况，而且可以把周边环境、内部装修、固定设施的配套情况提供给已建设或正在建设的各种工程项目。

　　（3）中国科技大学虚拟现实的应用。

　　中国科技大学着力研究虚拟现实技术在物理实验方面的应用。

开发基于虚拟实验的物理实验要充分利用几何光学设计实验平台、物理虚拟实验软件和物理虚拟实验等设备才能更好地开发出较成熟的产品。

　　参考文献参考文献：

　　[1]瞿曌，邓居祁，殷科生.虚拟实验的特点与实现[J].现代远距离教育，2007（4）.

　　[2]邵平.设计和制作虚拟物理实验的初探[J].曲阜师范大学学报：

自然科学版，2003

（2）.

　　[3]石敏.浅议虚拟校园文化的构建[J].科技情报开发与经济，2010，20

（2）.

　　[4]刘凤田，刘玉兰.虚拟现实技术及其在教育领域中的应用研究[J].河北农业大学学报：

农林教育版，2005，7

（1）.

　　[5]张锋美，戴军.分布式多用户三维虚拟校园系[J].广东技术师范学院学报，2007（12）.