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| 虚拟实验系统的构建策略与原则 |
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The Development Principle of The Virtual Experimental
System
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■ 河北大学数学与计算机学院 马胜甫 罗文劼 刘振鹏
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摘要:虚拟实验系统是应用虚拟现实技术来仿真实际物理实验的计算机应用系统，本文介绍了虚拟仪器和虚拟实验的概念以及虚拟实验在远程教学中的重要意义，提出了建立虚拟实验系统的构建策略与原则。
关键词:虚拟仪器；虚拟实验；虚拟实验室；远程教学
引言
远程教育成为一种新的教育发展趋势，它解决了教与学的时间和空间的矛盾，但这仅限于理论教学。传统的实验教学是近距离的，远程教育的学习者，由于空间的分离，到学校实验室做近距离的实验相当困难。这样就产生了远程教学中实验教学与远程教育模式不适应的状况，并成为制约远程教学质量的一个重要因素。
为满足培养具有高素质、创新能力人才的要求，实验教学要不断地进行改革，向综合型、设计型转变，但这种新型教学模式的充分实现必须有高技术化的手段和条件支持，因而网络虚拟实验教学成为现代教育技术应用的大趋势。
虚拟仪器和虚拟实验
1.虚拟仪器
虚拟仪器就是利用现有的计算机配上相应的硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。这种技术实质上是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。其特点在于：(1)将信号的分析、显示、保存、打印和其他管理集中交由计算机处理；(2)强调"软件就是仪器"的新概念；(3)仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改，可方便地同外设、网络及其他应用连接；(4)用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准；(5)在同一台微机上可以虚拟出数十种仪器来，节省办学资金，提高设备使用率。
⒉ 虚拟实验
虚拟实验就是利用鼠标的点击、拖动，将微机上虚拟的各种仪器，按实验要求、过程组装成一个完整的实验系统，同时在这个系统上完成整个实验，包括原材料的添加、实验条件的改变、数据采集以及实验结果的模拟、分析。
如果利用先进的通信技术、网络技术，将虚拟实验放在网络上，在WEB中创建一个可视化的三维环境。学生可以进行虚拟的实验，这样就解决了远程教学中的实验教学问题。同时，在网上同一个实验可以由不同地点不同机器上的多个人来共同完成。
虚拟实验在现代远程教学中的意义
网络虚拟实验室实现的基础是多媒体计算机技术、网络技术与仪器技术的结合。虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予虚拟实验室的智能化特征，无论是学生还是教师，都可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪器，不但为实验类课程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支持，还可以随时为学生提供更多、更新、更好的仪器。
远程教学虚拟实验与传统实验教学相比，具有如下几个特点：
(1)可降低科研成本和节省研究经费，提高使用效率。
(2)突破了传统教学模式受时间、地点的限制，提高教学效率。
(3)实验内容确定后，通过调用不同的软件，即可完成不同的实验，因而用户可以自行选择实验系统及测试仪器。
(4)虚拟实验的控制者-计算机具有开放性，因而容易实现网络及其它部件间的连接。
(5)组建系统的效率高，由于硬件和软件的标准化、规范化，用户往往只需经历一次组建工作。
虚拟实验系统的设计原则
进行虚拟实验教学系统建设应采用以下原则:
1.开放性
由于基于互联网，任何学生只要在接入互联网的任一终端上便能使用虚拟实验系统。学生可方便地在网上进行任一专业、任一课程的实验学习，并及时获取与实验教学及管理有关的各种信息。
2.交互性
学生可以通过做虚拟实验来提高实际操作技能，并且虚拟实验可以给出交互信息，对学生的操作实时做出反馈。网上交流和答疑也是一种交互手段。
3.易于维护
虚拟实验教学系统为每个实验室提供一个维护自己的实验内容、实验管理、发布信息的界面。教学软件中通过WWW发布的信息可以由实验室进行远程维护。在软件设计上要采用跨平台的组件原则，以便于维护和管理。图像、声音、动画等采用标准格式，网络应用程序必须采用跨平台设计方案，这样才能保证虚拟实验教学系统的不断发展和完善。
4.安全性与可靠性
系统运行一定要安全可靠。要求全天候工作，学生在任何候均可登录上网。学生、实验室教师、教务处、实验室管理部门等各有自己的权利。网络管理员定期对网络进行维护，对重要数据进行备份。
5.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。对于校内学生的实验，学生可以在网上进行学习，实际操作中教师负责现场巡视答疑，学生遇到问题也可以即时到网上询问或由教师指导。对于远程学习的学生，除了在固定的时间对他们提供网上答疑，还要定期到实验室进行实践操作。
结束语
网络教学日益成为普及教育的有效手段。现在很多高校建立了校园网并通过中国教育科研网与互联网相联，虚拟实验教学系统的建立可以充分利用校园网的资源，通过网络虚拟实验室，能够通过计算机在网络中模拟一些实验现象。大力构建虚拟实验室是远程教育发展的必然趋势，具有很高的实用价值和重要的现实意义。
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