孙苗+兰晓红

摘 要：随着互联网技术和多媒体技术的不断发展，根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020）》，教育部决定于2013年启动开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。目前，虚拟现实技术已在高校实验课堂教学中得到初步应用。重庆师范大学计算机学院结合自身实际，建立了相关实验课堂的虚拟仿真实验室。虚拟现实技术可以利用虚拟仿真软件建模，构建虚拟仪器和场景，使用户在虚拟场景进行仿真实验学习和操作。基于虚拟现实技术的虚拟实验室符合教学改革要求，改变了以往的教学模式，提高了实验教学的水平和质量，具有极强的应用价值。

关键词：虚拟现实；实验教学；虚拟仪器；虚拟实验室

中图分类号：TP393；G434 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）03-0-04

0 引 言

实验教学[1]是高校实践教学活动中不可缺少的重要组成部分，是培养学生实际动手能力和自主解决问题能力的主要途径[2]，同时在实验过程中可以加深和巩固学生对理论知识的理解。但由于受到实验条件和设备的制约，一些高校的实验不能有效开展。因此，基于虚拟现实技术[3]的虚拟实验室应运而生，并且得到了快速发展。所谓虚拟实验室[4]，即利用虚拟现实技术仿真或虚构某些情景和设备，使用户可以在计算机上进行实验的实验室。虚拟实验室应用多种前沿技术，降低了实验设置投入和管理成本，改变了以往的教学模式，使得远程移动实验教学得以真正实现，突破了时间和地域的限制，具有便捷、安全等多方面的优势。

1 虚拟现实概述

虚拟现实（ Virtual Reality，VR）又稱为人工现实[5]，即利用计算机生成虚拟环境，并借助输入设备进入虚拟环境进行自主交互操作，使用户产生仿佛在真实场景中的感觉。它包括两种形式，一种是通过佩戴特殊头盔等外部设备，以自然方式（比如头的转动、脚的移动等）与计算机生成的虚拟世界中的对象进行交互操作，产生如同在真实环境中的感受和体验。另一种则直接通过计算机桌面，利用键盘、鼠标等常规输入设备进入虚拟空间，进行实时交互操作[6]。

虚拟现实技术[7，8]是计算机领域的最新技术，它利用三维图形生成技术、智能接口技术、多传感器技术等，生成三维逼真虚拟环境，使用户可以感知和操作虚拟世界中的各种对象，产生一种身临其境和沉浸其中的感觉。VR技术可以应用于许多领域，如军事、医疗、教学等。目前，这种技术主要通过计算机桌面的形式应用于实验教学当中，学生不再受实验场地和设备等的制约，能够随时随地进行虚拟仿真实验学习，极大地激发了学生的学习兴趣。类似于真实的实验环境，学生的行为将会影响实验的发展和结果。另一方面，教师在虚拟实验室中可以查看学生的学习动态，部署作业等。

虚拟实验室是利用虚拟现实技术，构建虚拟实验仪器、设备和场景，以软件形式实现硬件的功能，仿真实际的物理实验过程的应用系统。虚拟实验室由实验课程、虚拟器材库、网上管理系统等组成。由于其可观的应用前景而受到世界各国及各大高校的重视，在国外一些发达国家已经得到普及，我国一些知名高校也相继建立了各具特色的虚拟仿真实验系统。如清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；大连理工大学研发了一套化学虚拟实验系统。北京邮电大学、上海交通大学、浙江大学、重庆大学等一批高校也致力于虚拟实验系统的研究。

2 构建虚拟实验室的方法

构建基于虚拟现实技术的虚拟实验室的方法有许多种，大多都通过软件建模模拟真实硬件的功能来构建虚拟实验室。下面介绍几种国内构建虚拟实验室的常用方法。

2.1 基于VRML构建三维虚拟实验室

VRML（Virtual Reality Modeling Language，VRML）即虚拟现实建模语言[9]，用类似HTML标记文本语言来描述三维场景，通过Internet和Web超链接在网上营造虚拟环境的技术。VRML的基本工作原理包括文本描述、远程传输、本地计算生成。文本描述就是用标记文本语言描述三维物体和场景，而不利用三维坐标点来描述物体，因为这样会产生很大的数据缓存，不利于传输。远程传输是指访问由虚拟现实建模语言描述的虚拟物体和场景时，需要通过网络将文本数据传送到计算机本地。本地计算生成是指浏览器要对传送到本地的数据进行解释翻译，重现虚拟场景。

设计VRML虚拟实验场景有以下两种方法：

（1）直接使用文本编辑器编写程序代码。该法方便，但不直观，对设计者的空间想象能力和逻辑思维能力要求较高；

（2）将可视化组件搭建成自己需要的实验场景，可以直接看到实验效果。

2.2 基于Quick Time VR建模构建虚拟实验室

Quick Time VR（Quick Time Virtual Reality）是一种基于静态图像处理，即通过连续拍摄的实景照片，形成全景图像，在计算机上建模实现虚拟现实的技术。Quick Time VR[10]技术可以将在不同角度连续拍摄的实景照片按照其相互关系有机衔接起来，在视觉上形成物体的全景图像。其性能优势主要有：

（1）所需设备简单，仅通过一台普通电脑，不需要佩戴昂贵的特殊头盔和特殊眼镜等就可以进入虚拟场景，并进行操作；

（2）可跨平台运行，兼容性好；

（3）采用独有压缩技术，数据量小，占用内存少；

（4）运用真实图像，构建虚拟场景，具有高度的现实性；

（5）制作简单，所需周期短。

2.3 采用Cult 3D技术构建虚拟实验室

Cult3D是一种基于Java的3D网络VR技术，可动态显示极高质量的图像。它依靠专门的3D建模软件建立3D模型，具有独特的渲染方式。其特点和优势主要有以下几点：

（1）由于是基于几何模型建模，产生的文件数据量很小；

（2）支持多种建模软件，兼容性好，可跨平台运用；

（3）使用方便灵活，只要用鼠标在3D物件上直接拖动，就可以实现对物体的移动、缩放等功能；

（4）对硬件要求相对较低，低配或者普通电脑即可满足要求。

2.4 采用Flash等技术构建虚拟实验室

Flash是由Macromedia公司开发的矢量图和 Web动画技术，是一种集动画创作与应用程序开发于一身的软件。建模所需要的图像和内容可以在Flash中创建或者从其它应用程序导入。用Flash开发VR数据文件，主要采用其脚本语言Action Script控制交互，通过导入序列图像来形成3D对象或全景虚拟环境。利用Flash进行VR开发，灵活性较大，但开发步骤较为复杂。

上面介绍的四种网络VR技术各有特色，可以满足不同的实验教学要求。为了更好地研究和比较这四种VR技术的性能和特点，表1列出了四种VR技术的对照。

3 虚拟现实技术在高校实验课堂教学中的应用

基于VR技术的虚拟实验室可以为用户提供一个基于网络的实验教学、交流和反馈平台。通过计算机网络构建所需学科的实验项目，教师和学生可以随时随地进入虚拟实验室，开展实验和研究，改变了以往只能借助硬件进行实验操作的教育模式，具有极强的应用价值。虚拟实验室系统的具体功能主要有在线虚拟实验项目、实验演示、作业部署、智能批改和成绩管理等。目前，基于VR技术的虚拟实验室的研究国内还处于萌芽和发展阶段，部分高校和研究所已经构建了自己的虚拟实验室（网络教学平台），进行虚拟仿真教学。

虚拟仿真实验室可以应用于高校很多学科的实验教学，如电子类实验、机械类实验、通信和计算机类实验、物理和化学类实验、医学实验等众多领域。根据不同的课程和实验要求开发相应的虚拟实验室。虚拟实验室可以由教师、学生自己设计开发或者由专门的公司研发制作。针对单一特殊的新开实验课程，可以自行设计开发，既可以学习和掌握用VR技术开发课程技术，又可以满足实验要求，进行虚拟实验操作；针对基础且开设较普遍的课程，由于涵盖实验项目众多，可以到专门公司定制一套教学系统，用于相应课程的实验教学。

3.1 用VR实现对一畸形胎儿标本的全方位观察

用VR实现对一畸形胎儿标本的全方位观察可以由教师、学生自行开发设计。

实验要求：可以全方位360°观察畸形胎儿标本，使学生加深对畸形胎儿结构的理解和认识。

实验方法：采用Quick Time VR技术。

实验步骤分为如下几步：

（1）用摄像机或者手机每隔10°拍摄一张畸形胎儿标本的图像。

（2）用Photoshop软件对36幅图像进行处理。

（3）在VR ToolBox中导入经过处理的36幅图像，根据网络带宽和内存状况等，设定图像的压缩率，最后导出VR影视.mov文件[11]。

（4）将VR数据文件嵌入到网页中，设计课程链接，并上传到服务器；在学生机上安装Quick Time播放插件。

实验效果：每个学生都可以通过网络全方位观察畸形胎儿标本的图像，一张标本多个网络复制本，提高了教学效率；学生可以通过鼠标移动控制标本，实现如同观察真标本的效果；学习不仅局限于学校课堂，学生在课外也可以通过计算机网络对实验内容进行查看，实现了移动学习。

3.2 计算机类基础课程方案设计

计算机类基础课程方案设计由公司研发定制。

方案要求：通过构建一个虚拟实验室——虚拟仿真实验教学平台，实现计算机类相关专业实验课程的管理和操作。

方案内容：虚拟仿真实验教学平台提供了全方位的虚拟实验教学辅助功能，主要包括中心門户网站、实验教学管理、实验前理论知识预习、实验过程智能指导、实验结果自动批改评分、线上互动交流等，如图1所示。

构建的虚拟实验室要涵盖计算机类专业开设的虚拟实验课程，主要有计算机网络、Linux操作系统、计算机网络安全、数据结构、电路分析、模拟电路、数字电路、单片机应用技术等。

方案实施：方案实施流程如图2所示。

案例展示：以北京润尼尔公司为我校——重庆师范大学计算机实验中心设计的开放式虚拟实验室为例，介绍虚拟仿真实验平台的各部分模块及功能。

（1）网上搜索“http：//219.221.10.27”，进入网站首页，输入账号和密码登录平台。如图3所示。

（2）登录账户分为教师、学生、管理员，分别对应不同的虚拟化平台。图4展示了教师登录进入的实验平台界面，在此平台上教师可以进行各项教学安排，包括实验课程安排、实验批改、成绩导出等操作。登录进入学生端虚拟实验室，学生可以查看实验课程项目，进行实验预习和操作等。在管理员端虚拟实验平台，管理员可以进行教学系统设置、管理和维护虚拟教学平台等操作。

（3）用户只要连接网络，不管在校内还是校外，都可以通过账号自主进入虚拟实验室，进行不同的实验操作。图5，图6所示分别为计算机网络实验台和模拟电路实验台界面。在不同的实验台界面可以实现与真实环境一样的实验效果，学生通过下载插件，自主选择所需厂家的实验设备和器材，按照实验步骤连接好电路进行实验，并且实验结果提交后系统可以自动批改。如果学生对虚拟实验台的操作不熟悉，可以选择演示实验，先观看学习再进行实验操作。

（4）教师可以通过登录实验管理平台查看学生的实验完成情况，并进行评分、交流和管理等操作。

实验效果：通过在网上开展虚拟仿真实验课程，让学生不再受外在条件的制约，可以自主进行实验、学习，调动了学生学习的积极性；通过虚拟管理平台及时反馈学生的实验信息，使教师更快、更准地掌握学生的学习情况，提高教学效率；通过观看虚拟演示实验，使在课堂没有掌握老师所讲实验方法的同学，可以自行复习和巩固，提高了学生的学习效率。

4 虚拟仿真实验室的优势与不足

4.1 基于VR技术的虚拟仿真实验室在教学中的应用优势

（1）实验灵活性大，有助于培养学生的主动性和创造性。虚拟实验室的实验课题目设定、器材选取等可以随时更改，以适应时代的快速发展需求；学生可以通过登录网上虚拟实验室进行自主学习和探究，也可以寻求老师的帮助或者和线上同学交流，提高学生的学习热情和创造思维能力。

（2）突破时间、空间的限制，实现移动网络学习。以往的硬件实验室只能在学校专门的实验教室学习和操作，基于VR技术的虚拟仿真实验室不再受传统硬件条件的制约，学生可以随时通过计算机网络进入虚拟环境进行实验学习。

（3）用虚拟实验取代实物实验，节约了成本和开销，提高了安全性。在虚拟实验室中，用一台计算机就可以取代一套硬件实验设备，模拟真实实验环境，节省了设备开支，且更加安全、环保；而且以往一些具有危险或者不易观察的实验都可以通过虚拟实验实现。

（4）化繁为简，提高教学效率。以往在真实的硬件实验室中进行一次实验课堂教学，教师不仅要讲解原理，还要为学生演示操作，但却无法保证每一个学生都可以看到、学会，虽然浪费了大量时间但教学效果不理想；采用虚拟实验室后，每个学生都可以根据自己的情况进行实验和学习，提高了教学效率。

（5）可以作为硬件实验的补充，辅助实验教学。由于虚拟实验结果是在比较理想的条件下得到的，而实际的硬件实验结果可能存在偏差，因此可以通过两种实验结果的对照来改善硬件实验条件，以逼近虚拟理想实验结果。

（6）网络管理和维护简单方便。传统实验室的硬件设备容易坏损，管理和维修极不方便，耗时耗财；利用VR技术构建的虚拟实验室不需要昂贵的硬件维修费，只要通过网络和程序就可以方便地进行管理和维护。

4.2 基于VR技术的虚拟仿真实验室应用于实验教学中存在的不足

（1）与实际实验相比，虚拟实验的实验条件都是在较理想环境下进行，很难完全反映现实实验教学真实环境的复杂性，因此实验结果是理性化的；

（2）虚拟实验室中的实验仪器和设备等只能用肉眼看到，并非实际存在，因此很难清楚感知实验设备的具体大小和重量等，缺少实物感；

（3）學生可以随时随地通过网络计算机进入虚拟实验室，导致学习自主性大，容易偏离学习目标；

（4）由于虚拟实验平台要通过网络登录，缓存和下载大量实验数据和插件，这就对计算机配置和网络要求较高，容易产生网络使用瓶颈。

5 结 语

简而言之，基于虚拟现实技术的虚拟实验室应用到高校实验课堂教学中，是深化教学改革，提高教学效率的有效手段。它可以使学生随时随地通过网络和计算机进入虚拟实验室学习，激发了学生的学习兴趣，提高了学生的学习效率，同时还降低了实验室建设成本，使一些危险或者不便操作的硬件实验能通过桌面直观呈现出来，加深学生的理解，培养学生的创新思维。但是虚拟现实技术不能完全取代传统的硬件实验教学，因为它也存在一些不足，因此我们应该将两者有机结合，实现现代化教学。这种依托于现实实验为现实服务的虚拟实验技术，具有巨大的应用空间，同时它也是未来现代化实验教学领域的一个发展方向。

参考文献

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