虚拟实验研究现状及其前景分析.doc

虚拟实验研究现状及其前景分析 [摘 要]?实验教学是培养学生创新意识和实践能力的重要途径，但现阶段由于种种条件的限制，一些实验活动不能得以很好的开展或者是效果不明显。以虚拟现实为基础的虚拟实验的出现，拓展了实验的方式，突破了传统实验的局限，为实验教学注入了新的活力。对虚拟实验进行简单的概述，论述了国内外虚拟实验的发展现状，并对今后的虚拟实验研究前景进行展望。 [关键词]虚拟现实；虚拟实验；研究现状；前景 中图分类号：G434???文献标识码：A 一、引言 实验教学是学生实践能力培养的重要途径，是学校教学的重要辅助手段，是学生真正理解理论知识，并将其运用于实践的重要保证，是激发学生学习兴趣的主要源泉，更是培养和发展学生思维能力和创新能力的重要方法和手段。由于资金、实验器材等各种因素的影响，目前实验教学不能得以很好的开展，这就制约了学生实践能力和创新能力的培养。改变传统实验教学模式已迫在眉睫，采用计算机技术构建的各种虚拟实验室[1]，为实验教学提供了一种新的解决方法。 本文主要对虚拟实验进行介绍，论述了国内外虚拟实验发展的现状，并对今后虚拟实验的前景进行分析。 二、虚拟实验概述 （一）什么是虚拟实验 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。但在实际应用当中，什么是虚拟实验，人们往往结合自身的感受有不同的认识。 1995年5月，美国爱荷华州立大学举行的虚拟实验室专家会议上采用的定义是：虚拟实验室是利用分布式信息通信技术，为研究和创新活动提供远程协作和实验的一个电子平台[2]。在这里，虚拟实验是作为网络教学的一部分予以描述的，侧重于远程实验这个角度。 也有从技术层面上进行描述的：所谓虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果[3]。 另外，从虚拟实验室的功能这一角度表述的定义有：虚拟实验室是一个创造和引导模拟实验的交互环境：即实验场所。它由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成。用户可以通过增加新的物体、建立新的实验并把它们转化成超文本来扩充实验室[4]。 国内的学者单美贤和李艺认为虚拟实验是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及与其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理设备为工具，采用“面向对象”思想创建的，能够实时操作的，非实在的实验空间，在此环境中，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目[5]。 （二）虚拟实验系统的类型 根据虚拟现实技术的浸入程度不同可以把虚拟实验系统分为两类[6]： 1.桌面式的虚拟实验系统。它是利用个人计算机或图形工作站综合立体图形、自然交互等技术，以营造与客观世界类似的环境。用户使用鼠标、键盘、三维鼠标等输入设备与之进行交互，通过计算机屏幕观察并操纵虚拟环境的物体。在桌面式的虚拟实验系统中，参与者会受到周围现实环境的干扰而缺乏沉浸感，是一种初级的虚拟状态，其成本相对较低，因而在各领域应用较为广泛。 2.投入式虚拟实验系统。利用数据手套、头盔显示器、传感器等复杂的交互设备，为用户提供完全投入的功能，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。投入式的虚拟实验系统需要有相应的软硬件环境支持，限制了其在教育领域中的广泛应用。 三、虚拟实验在国内外的研究状况 （一）国外概况 虚拟实验室概念的提出至今仅二十余年，但由于因其广阔的应用前景，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经相当普及。美国作为当今的科技强国，为继续保持其在科学技术领域的领先地位，尤其重视信息技术的研究，并已将虚拟实验室列入其科研发展的战略规划。在1991年底，美国科学基金会、美国国家科学研究顾问委员会所属的计算机与远程通信部组成了一个“全国(科学)合作实验室委员会”，其任务是调查科学家对信息技术开发的需求，协调科研合作关系，组织并实施具体的信息技术开发。此后，美国联邦政府投入资金在相关专业领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工程，开展了一系列探索性研究并取得了实质性进展。美国一些政府部门，如能源部，正在制订计划将其所属的科研机构过渡到虚拟实验室环境中。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。 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，他们在该领域的研究己处于领先地位。虚拟仪器系统及其图形编程语言己成为美国大学理工科学生的一门必修课，其普及程度是相当广泛的。另外，许多国外的大学己组建了远程虚拟实验室，例如：德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化