1、虛擬實驗開發與運用摘要：近年來，隨著現代教育技術的不斷完善，虛擬實驗在教學中的應用越來越廣泛，已成為應用現代教育技術進行輔助教學的重要手段。闡述了虛擬實驗的基本概念和技術要求，并對虛擬實驗的各種技術在高校的運用情況進行了說明。關鍵詞：虛擬實驗；虛擬實驗室；Java技術；Flash虛擬實驗概念虛擬實驗概念虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實等技術在計算機上搭建一個可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作平臺，實驗者可以像在真實的環境中完成各種實驗項目，所達到的實驗效果與在真實環境中的效果一樣或者減少了實驗的誤差從而使得結果更加準確。虛擬實驗特點（1）彌補遠程教學條件的不

2、足。在遠程教學中，往往會因為實驗設備、實驗場地、教學經費等方面的原因，而使一些應該開設的教學實驗無法進行。利用虛擬現實系統，可以彌補這些方面的不足，學生足不出戶便可以做各種各樣的實驗，獲得與真實實驗一樣的體會，從而豐富感性認識，加深對教學內容的理解。（2）避免真實實驗或操作所帶來的各種危險。以往對于危險的或對于人體健康有危害的實驗，一般采用電視錄像的方式來取代實驗，學生無法直接參與實驗，從而無法獲得感性認識。利用虛擬現實技術進行虛擬實驗，則可以避免這種顧慮。學生在虛擬實驗環境中可以放心去做各種危險的或危害人體的實驗。例如，虛擬的化學實驗，可以避免化學反應所產生的燃燒爆炸所帶來的危險；虛擬的外科

3、手術，可避免由于學生操作失誤，而造成“病人”死亡的醫療事故；虛擬的飛機駕駛教學系統，可免除學員操作失誤而造成飛機墜毀的嚴重事故。（3）徹底打破空間、時間的限制。利用虛擬現實技術，可以徹底打破空間的限制。大到宇宙天體，小到原子粒子，學生都可以進入這些物體的內部進行觀察。例如學生可以進入虛擬發電機廠，考察發電機每個部分工作情況和相互聯系，從而了解整個發電過程，這是電視錄像和實物媒體所無法比擬的。虛擬技術還可以突破時間的限制，一些需要幾十年甚至上百年才能觀察到的變化過程，通過虛擬現實技術，可以在很短的時間內呈現給學生觀察。（4）可以虛擬人物形象。虛擬現實系統可以虛擬歷史人物，偉人、名人、普通人等各種

4、人物形象都可虛擬出來，創建出一個人性化的學習環境，使遠程教育的學生能夠在自然、親切的氣氛中進行學習。例如，在虛擬的課堂學習氣氛中，遠教學生可以與虛擬的教師、學生一起進行交流、討論，共同探討學習中的各種問題，進行協作化學習。開設反映新技術成果的應用以及其它新型實驗是虛擬實驗又一重要應用形式，這種類型實驗由于內容新穎、應用性較強，傳統的實驗室往往無法及時做出。通過虛擬實驗，可將相應的資源進行組合，開發相應的實驗內容。這種實驗可以開拓學生視野，激發學生實驗的興趣，有助于學生創新能力的培養1。虛擬實驗室虛擬實驗室是一種基于Web技術、虛擬仿真技術構建的開放式網絡化的虛擬實驗教學系統，是現有各種教學實驗

5、室的數字化和虛擬化。虛擬實驗室由虛擬實驗臺、虛擬器材庫和開放式實驗室管理系統組成。虛擬實驗室為開設各種虛擬實驗課程提供了全新的教學環境。虛擬實驗臺與真實實驗臺類似，可供學生自己動手配置、連接、調節和使用實驗儀器設備。教師利用虛擬器材庫中的器材自由搭建任意合理的典型實驗，或實驗案例，這一點是虛擬實驗室有別于一般實驗教學課件的重要特征。在虛擬實驗室中，學生既可以在虛擬實驗臺上動手操作，又可自主設計實驗，有利于培養學生的操作能力、分析診斷能力、設計能力和創新意識。在虛擬實驗室中，學生更易獲得相關的知識、科學的指導和敏捷的反饋。虛擬實驗室是未來實驗室建設的發展方向。虛擬現實實驗室是虛擬現實技術應用研究

6、的重要載體。隨著虛擬實驗技術的成熟，人們開始認識到虛擬實驗室在教育領域的應用價值，它除了可以輔助高校的科研工作外，在實驗教學方面也具有如利用率高、易維護等諸多優點。近年來，國內的許多高校都根據自身科研和教學的需要建立了一些虛擬實驗室。虛擬實驗研究背景和意義近幾年來，隨著計算機技術、多媒體技術和網絡技術的快速發展，網絡教學已經滲入到教育的各個方面。虛擬實驗就是在計算機中創設的一種實驗情境，讓用戶通過鼠標的點擊或拖曳操作進行虛擬的實驗。2虛擬實驗的基礎是多媒體技術、網絡技術與虛擬儀器技術的結合。特別是虛擬儀器技術與認知模擬方法的結合使虛擬實驗具有了一定的智能化特性。虛擬技術的發展為實驗教學改革及遠

7、程教育提供了良好的條件和技術支持，用虛擬實驗來輔助教學是現代教育技術發展的要求，它有著廣闊的開發應用前景。隨著經濟和科技的飛速發展，我國高等教育進入了一個快速發展的時期，同時也對高校的教育提出了新的挑戰，新理論新技術層出不窮，學科間的交叉和聯系不斷加強，僅僅依賴書本、文字和簡單演示說明的教學方式，已經跟不上科技發展的步伐。在這個大環境下，實驗教學應運而生，并成為高校教學活動的重要環節，而隨著高校的擴招，學生人數大規模增加，學校的實驗設備已經無法滿足學生隨時、多次重復地做一門實驗的需要，只能分批次給學生提供某項實驗的時間，教學所需高檔儀器設備的配備不足與資金相對短缺的問題也逐漸顯露出來。很多學校

8、都把實驗教學和實驗室建設放在首要位置上。然而，由于受到經費、場地和設備等各方面的限制，實驗教學并不能達到預期的效果，實驗教學的質量較差。一些耗資較大的實驗在許多學校不能開設，學生只能通過教師在課堂上的講述對實驗儀器及實驗操作進行想象，缺乏實際操作經驗。同時，在傳統的實驗教學中，如何考核學習者的實驗操作技能存在著一定的困難，尤其是對于一些技術基礎性的實驗，實驗結束后，由于實驗項目和學習者人數較多，如果教師要進行一對一的考核，是很難真正實施的。傳統實驗教學模式和手段的局限性，已經成為高校教學發展的重要制約因素。由于傳統實驗教學存在著諸多弊端，很大程度上制約了實驗環節的教學質量，嚴重影響著高校教學質

9、量，實驗教學必須改革以適應現代教育的發展。近年來，互聯網技術的發展以及虛擬實驗室(virtuallaboratory)在許多領域的成功應用，為以上問題的解決提供了一個很好的途徑。虛擬實驗開發技術從技術層面上看，各類虛擬實驗系統的基本思想是一致的，即用軟件方法來模擬硬件設備的功能。為了實現上述功能和目的，需要使用一些相關的技術，其中最主要的技術有以下幾個：VR技術。虛擬現實技術(VirtualReality，簡稱VR),是以計算機技術為核心，綜合使用交互設備融視、聽、觸、感為一體的模仿現實的三維空間再現技術。(2)LabVIEW技術。LabVIEW(LaboratoryVirtualInstru

10、mentEngineeringWorkbench)程序稱為“虛擬儀器程序”(簡稱VI),是一種基于圖形編程語言的開發環境。(3)Java作為一種程序設計語言，具有可移植性和安全性，提供了并發機制，具有很好的性能。(4)ActiveX技術。它可將復雜的任務分割成小的模塊作為組件。采用組件思想為構造虛擬儀器帶來了很大方便。5)ASP技術。提供一個服務器端的腳本環境，用于產生和執行動態、高效率的網絡服務器應用程序。(6)交互式Flash技術。Flash技術用于網絡虛擬實驗室的開發具有開發速度快、界面美觀、視覺沖擊效果強、體積小、不需要安裝、可直接在瀏覽器中進行操作等特點，但在交互性方面尚有不足，視覺

11、效果不如3D。(7)3DMAX與VRML。建立復雜的三維模型是相當繁雜的，而3DStudioMax因其強大的三維建模功能恰好可彌補VRML這方面的不足，并且VRML具有與3DStudioMax模型的無縫接口。因此在虛擬實驗系統的場景和儀器設備制作時，一般是先利用3DMAX制作出復雜逼真的場景，然后利用VRML語言進行位置、動作、空間背景、視點、傳感效果等設置，使虛擬實驗教學系統既具有逼真的漫游效果，又具有可交互操作的特點。詳細設計我們以Flash技術為例來進行虛擬實驗的設計。在虛擬實驗中，flash動畫用二維動畫技術實現三維視聽效果的實驗過程，動畫創作過程分為總體設計和詳細設計兩個階段，總體可

12、歸納為：動畫創意、動畫設計、動畫制作、文件管理四個階段，每個階段都發揮著重要的作用。(1)動畫創意階段。這一階段的主要任務是確定虛擬實驗動畫的色調、風格和交互形式，明確設計思路。(為了達到視覺上的清爽感受，最終確定以藍色調為主來表現明亮而寧靜的實驗環境，配以淡雅的儀器設備，這樣的搭配有助于消除視覺疲勞)。（2）動畫設計階段。這個階段包括動畫的結構設計、場景設計、元件設計、交互性功能設計、多媒體影音設計。這一階段的主要任務是對動畫的整體結構層次的把握，為詳細設計準備好框架結構，并且可以標注下一步需要制作的內容，為下一段提供文案設計，這樣可以使整個設計思路保持清晰連貫，還提高了設計的效率。（3）動

13、畫制作階段。這個階段包括制作圖形元件（鼠繪三維矢量圖形）、制作按鈕元件（三維動感）、制作視頻剪輯（元件嵌套層次）、制作片頭動畫（特效動畫）、制作主體動畫（場景、圖層、時間軸幀）、實踐交互功能（動作腳本）、烘托多媒體效果（聲音和提示）。這一階段的重點內容是繪制虛擬實驗設備，調整好色彩和光線，讓實驗設備更加逼真，然后再插入一些比較合適的聲音，使設備在視聽覺效果上完美結合起來。此部分的關鍵技術是制作矢量圖形元件和帶有層次嵌套的視頻剪輯元件。（4）文件管理階段。這個階段的內容包括圖層的管理和文件庫的整理，把文件庫文件以文件夾的形式來管理是這一階段的主要任務，這樣便于文件資源的共享，避免重復勞動，不僅提

14、高了工作效率還有利于虛擬實驗設備的維護和更新。設計流程如下：（1）熟悉實驗過程。通過多種渠道熟悉每一個實驗所包含的各個環節，對實驗過程進行把握，分析實驗步驟之間的相互關系，了解實驗所需的物品及其用量等，注意實驗中的一些細節問題，有些實驗對藥品的用量有著嚴格的要求，不同的材料配比會導致其實驗結果發生變化。提煉出實驗過程中的關鍵步驟，為動畫設計做必要的準備。（2）分析實驗原理。在這個階段里，應熟悉實驗儀器的工作原理，觀察實驗儀器的結構特點，觀察實驗設備的運行情況，了解各部件的名稱及其作用以及各部件之間的工作關系，最好能夠準確地把握每個零部件，上述過程為繪制逼真的實驗設備打下基礎。（3）繪制實驗儀器

15、。鼠繪三維矢量圖形儀器設備，使效果更逼真。在繪制實驗儀器時，應盡量注意每一個細節的刻畫，包括每臺儀器的整體比例、顏色形狀等應高度仿真。一些比較精密的儀器，應注意其刻度、單位等。部件與部件之間應相對獨立且又統一，以便于設備的維護和更新。（4）制作實驗步驟。將實驗步驟歸納分解，明確實驗的思路，利用flash的技術特點，把實驗步驟有條理且簡潔地設計出來。在設計實驗步驟時應突出重點，這樣便于學生的理解和掌握。（5）實驗交互功能。點擊按鈕，實現場景等切換，實驗的界面中包含實驗過程介紹、實驗儀器設備和實驗材料、實驗結果填寫等幾個板塊。（6）動畫效果測試。經過測試可以發現設計中的一些問題，是對虛擬實驗設計的最后把關。結語虛擬實驗可以很大程度上解決目前實驗設備不足、課程學時短但講授內容多的矛盾。它不僅能提高教學效果、提升學生的學習興趣和積極性、深層次掌握實驗內容，