首页 -> 2007年第9期
虚拟实验技术在教学中的应用浅析
作者：贺晓华 李 强
关键词：虚拟实验技术；实验教学；应用
虚拟实验技术是虚拟现实技术VR、虚拟仪器技术、计算机辅助教学CAI、多媒体计算技术MPC等发展的结果。多媒体技术的发展，计算机综合处理多媒体信息如文字、声音、图像、动画、视频等，使得计算机可处理三维图像，有高速信息处理功能，才能使虚拟实验系统的实现成为可能。
在教学实践中，利用虚拟实验技术，不仅可以弥补目前实验仪器的不足，实验内容陈旧，实验技术手段落后的问题，为开放性的实验教学模式开辟一条新路，而且虚拟实验技术通过计算机多媒体技术的丰富表现形式，有效地组织教学和实验，还能大大激起学生的学习兴趣，有利于开拓学生创造性思维和创新意识。
虚拟实验系统的结构
虚拟实验系统由计算机、实验设备模块、实验软件三部分组成。计算机要求有高速的CPU处理器，有足够的内存储器，以便运行实验的软件程序，当单机操作时还要配备外存储设备如軟驱、光驱、硬盘等。通常配备17英寸、分辨率为1024×768、颜色为24位以上真彩色显示系统。若把实验系统作为一个实验教学网络，除了对服务器有要求外，作为工作计算机可采用无盘工作站或使用当前流行的瘦客户机，还必须有网卡等设备。实验设备模块的功能主要靠软件来实现。通过程序编制在显示屏上可构成各种实验仪器，显示如示波器、信号发生器、数字万用表、逻辑分析仪、频谱仪、扫频仪等。传统仪器的软面板，也可显示实验的环境如设备的连接、电路的连接、仪器的调试等，在显示屏上信号发生器产生的信号波形、频率、占空比、幅度或示波器的测量通道、标尺比例、极性、触发信号等均可用鼠标和键盘来设置，像常规仪器一样方便使用。在虚拟通信实验中，通信设备如计算机、电话机、交换机、网络设备等在屏幕上都可以显示，接口通信线、光缆等均可连接。信号的协议、传送速度、数据格式等都可用键盘鼠标设定，这些虚拟设备具有更大的灵活性，实验者可以根据需要自己设计、定义、扩充，使得这些虚拟设备应用更符合实验实际，扩大其适用范围。在实验教学中，可根据需要设计出不同的设备模块，以满足不同的实验要求。
实验软件是虚拟实验技术的核心，可以用“软件即实验”来概括。软件包括系统软件、实验仿真软件两部分。系统软件为支持虚拟实验系统工作的基础，包括虚拟设备、虚拟实验环境的建立、实验过程的教学模型等。实验仿真软件是针对具体实验者开发的软件。“虚拟实验室”是利用计算机上的各种模拟仿真软件来完成传统实验室的工作，并且能够完成传统实验室中不可能完成的事情。它不是简单的软件，而是一个学习平台，它把要研究的对象用它的数学模型以多媒体手段表现出来。
虚拟实验技术在教学上的应用
虚拟实验技术在课堂教学中的应用传统教学模式中常常将实验教学和理论教学分开进行。如在电子技术教学中，教师用粉笔在黑板上板书，传授抽象的理论知识，在黑板上画电路图，给学生讲解电路特性，分析电路的性能随某一元件的变化而变化的情况。整个过程教师讲得辛苦，学生听得吃力，却收不到理想的教学效果。为了加深对理论知识的理解和记忆，必须结合直观教学，在课堂上作演示实验，若有虚拟实验室，便可方便地在课堂上进行演示，让抽象的理论及时得到验证检验。虚拟实验技术在教学中能模拟危险性的实验，丰富感性认识，加深学生对教学内容的理解，如虚拟化学实验，可避免化学反应所产生的燃烧爆炸所带来的危险；虚拟外科手术，可避免由于学生操作失误造成病人死亡的医疗事故；虚拟飞机驾驶系统，可免除学员操作失误造成飞机坠毁的严重事故。通过虚拟实验给学生感官上的认识，实现从感性认识到理性认识的过渡。
在实验教学中应用在实验教学中学生可利用计算机快速准确计算，画出精确的仿真图线，理解分析复杂电路，利用虚拟实验仪器、元器件自主设计实验，还可修改实验参数，不断地得到实验结果，在不必担心损坏仪器的情况下仿真，检验自己对所学知识的掌握情况，这对提高学生的操作积极性，提高实验水平很有益处。例如电子技术实验教学时，做单级放大电路的测试实验，就可利用虚拟实验技术。课前利用虚拟仪器在网上作虚拟预习实验，一些易出现的问题在预习中基本就得到矫正，熟练后再用真实的实验仪器，学生就能很快地完成实验，可以加快提高实验效果。
应用于远程教学虚拟实验技术可把实验室搬到网络，对于那些操作性很强的课程如电子技术等，能使分布在各地的学生都可在网络虚拟实验室进行实验，更加完善了远程教育的教学环节。
利用虚拟技术模拟生产环境，缩短理论与实践的距离很多专业或工艺流程如钢铁冶金、化工工艺等受生产特点限制，无论理论教学，还是实训教学，由于无法直观进行，而成为教学的难点，有些专业的实训根本无法在校内完成，必须到企业生产一线操作。学生到企业实习，企业的生产秩序可能被扰乱，企业生产指标会下降。为了尽量减少对企业的影响，可借助虚拟技术、仿真技术为学生营造一个虚拟生产环境，在校内加强模拟训练，增强直观感受，有效缩短在企业实训的时间，并为直接就业打基础。
应用评析
虚拟实验技术在教学上已经得到了广泛的应用，是一种先进的实验技术，它有很多的优点：第一，虚拟实验技术是多学科发展的结合，代表着当前学科技术的发展水平，掌握了它，就掌握了先进的学习技能。第二，虚拟实验技术可以打破时空的限制，学生能根据自己的学习进度安排实验时间，像做家庭作业一样在课余时间进行练习，有效地解决了有限的教学时数与学习技能提高之间的矛盾。第三，虚拟的实验技术可节约实验经费，它不消耗器材、实验所需材料，不受限制，可降低实验成本，方便实验室的开放性管理，且能充分利用计算机的现有资源，技术更新更快，开发更灵活，易于实现智能化，自动化。虚拟仪器间的组合匹配也比传统仪器更好。
但是，虚拟实验技术在实践应用中也存在着很大的局限性，虚拟仿真实验技术中，仿真仪器设备、元器件、系统功能都是“虚拟的”，与实物存在差异，很难仿真实际元器件参数的离散性，标称值与实际值的误差，同一类型元件参数不一致性，元器件在系统中工作条件不同参数的差异性，元器件老化后参数的离散性，这些在虚拟技术中是反映不出来的，要靠实际的工程实物实习中积累。另外，实验时因系统中多种干扰信号的影响，虚拟技术中难以仿真，且实验中各性能指标的精度在虚拟技术中很难控制，工程测量中的误差及引起误差的原因在虚拟技术中很难反映出来，实际元器件和系统的各种故障现象在虚拟技术中很难体现，虚拟技术在实时控制，在线控制方面存在局限性。而传统的物理硬件式实验给学生以真实感，可消除学生在理论学习与虚拟实验中的不实感觉，大量的实验结果也只有通过硬件实验才能得到。
那么在教学实践中如何正确处理虚拟实验和实物实验之间的关系呢？对于那些技能操作性很强的课程，必须用硬件进行实验教学的学科。如电子技术等本身是一门实验性很强的学科，从培养人才的角度出发，加强传统的硬件实验必不可少，只有这样，才能培养学生以确凿的事实为依据，认真仔细，一丝不苟、严于观察、勤于思考、寻求规律和勇于探索的工作作风。如在电子技术实验教学中，基本电量的测量、仪器仪表及各种设备的使用、常见元器件，基本测量技术和操作工艺等必须采用实际实物进行实验教学，也可以先在网上虚拟实验作为预备实验预习实验内容，再做实物实验，或先用实物做实验，课后用虚拟实验进行练习熟练操作，以提高实际动手能力。对原理的验证性实验可多采用虚拟实验进行教学，对于现代的一些先进技术，或需采用元器件费用较高的、尚无购买力的实践性教学内容，一般采用虚拟技术来实施实验教学，以提高教学效果。在教学中可根据专业和课程特点，依实际情况按不同的比例来使用两种实验技术方法，可以更好地为教学服务。
参考文献：
[1]户永清.在实验教学中引入虚拟实验技术的研究[J].达县师范高等专科学校学报，2005，（3）.
[2]杜保强，叶会英.模拟电子线路虚拟实验教学系统的设计与实现[J].国外电子测量技术，2005，（7）.