虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景| 干货分享

21世纪是人类全面进入信息化社会的新世纪，信息技术的发展必将对高等教育带来革命性的变革。网络是信息时代的重要物质基础，不久的将来人类活动的方方面面将在更大程度上依赖于网络，高等教育也不例外，作为高等教育的重要组成部分——实验教学，也必然由于网络的出现而产生巨变。基于网络的虚拟化实验教学模式必将冲击传统的实验教学模式，成为未来实验教学的重要途径和方式，并在快速变化的信息时代逐步完善、成熟，担当起实验教学的重任。

2  虚拟实验室的组成

虚拟实验室包括虚拟仪器系统、数据分析系统、计算机网络系统、虚拟实验室管理系统等。图1是虚拟实验室的组成原理图。

远程用户通过PC机登陆进入 Internet，利用Web 浏览器访问虚拟实验室。用户选择相应的实验项目后进入虚拟仪器控制台，通过虚拟仪器控制面板发出实验操作指令，输入实验参数，虚拟仪器向物理仪器传输操作指令及实验参数。物理仪器接受指令和参数后执行操作，完成相应的实验内容，最后将实验所获得的实验数据通过虚拟仪器、计算机网络返回到远程实验用户，用户既可以自行分析处理这些数据，也可将这些数据百接交给虚拟实验室的数据处理系统进行分析处理。

虚拟仪器是虚拟实验室的内核，是由基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，它的基本思想是硬件功能的软件化，即利用计算机软件实现传统测试仪器中需要用硬件完成的功能。虚拟仪器在许多方面都有传统测试仪器无法比拟的优点。由于这些优点，使得虚拟仪器成为测试仪器的发展新方向。美国 National Instru-ment）公司提出了"软件就是仪器"的口号，将自动测试系统中所有的独立的软件模块都视作为虚拟仪器（包括采集、分析、计算及显示等各个过程）或者把子虚拟仪器通过虚拟仪器层次化的结合，构建复杂的虚拟仪器系统。

3  虚拟实验室的特点

基于互联网的虚拟实验室以现代教育思想为依据，以现代教育技术手段为支撑，以计算机实时仿真为核心，在教学实践中表现出以下几个特点：

（1）交互性和自主性  在虚拟实验室上进行实验与传统实验有一个明显的区别，那就是实验的模式是非固定的、动态的，具有良好的交互性和自主性。虚拟实验是计算机仿真技术、多媒体技术等高新技术的有机组合应用，特别是多媒体计算机具有图文并茂、丰富多彩的人机交互方式，因而，交互性是网上虚拟实验的显著特点。虚拟实验项目的实验框架是不固定的，实验者可以依据实验大纲，根据自己的需要和兴趣，利用虚拟实验室的实验模型库，自由搭接、组合、拆装实验框架，自行设计实验步骤和实验方法、表现出实验者对实验的高度自主性。同时，实验者可以利用虚拟实验室所具有的丰富的辅助功能，对实验仪器仪表、常规实验方法与步骤等进行自主学习，同样也表现出实验者对实验的高度自主性。

（2）开放性 网上虚拟实验室通过网络系统向用户开放，实验者可自由地进入或退出实验系统，具有良好的开放性。虚拟实验的开放性表现为两个方面：一是资源开放。网上虚拟实验室储存了大量的实验模式、各种虚拟实验仪器仪表、各种实验器件或构件、各种虚拟实验环境、各种实时仿真软件包等，实验者可根据自己的实验需要自由地选择使用。二是网上虚拟实验室是一个开放的实验平台，实验者也可根据自己的实验需要，自行构建实验环境、实验模块、实验仪器等，随意地增加网上虚拟实验室的各种“库”，使得网上虚拟实验室是动态的，具有可持续发展性，从而使网上虚拟实验室具有良好的灵活性。

（3）高效率和资源共享 网上虚拟实验拓宽了教学实验的时空观，因为网上虚拟实验室是建立在网络上的，本身不受场地和时间的限制，同时，网上虚拟实验室的虚拟仪器仪表和其它实验设备在网络上是共享的，因此在不同地域、不同终端上可同时进行相同科目的虚拟实验，拓宽了实验室的空间，提高了实验效率。由于互联网上的用户可以共享数据、软件、硬件等相关资源，可以避免设备的重复购置，减少重复投资，提高了办学效益。

4  应用前景

基于网络的虚拟实验室是对传统实验教学模式的革新，由于其显明的技术特点，十分适合新世纪人才培养模式，在高校实验教学中具有广阔的应用前景。

（1）计算机网络的迅速普及为虚拟实验室的应用提供了有利的条件  目前国内高校互联网技术的应用十分普遍，网络已经遍及到校园的每一个角落。学生既可以通过学校的公用计算机也可以用自己的计算机在宿舍里很方便登陆互联网。便利的上网条件无疑为高校虚拟实验室的应用和发展提供了极为有利的条件。

（2）比传统实验模式更有利于挖掘实验教学的潜能  虚拟实验室可以改善高等教育实验教学的教学环境，采用基于网络的虚拟技术，可较容易地增加具有高新技术的实验，引导学生接触新知识、新技术，开发学生的智能，增强跨学科研究的意识。

（3）建立新型实验场所 利用多媒体技术、仿真技术与虚拟技术相结合的方法，建立有别于传统实验室的现代化实验基地。其仪器设备并不是传统的其功能是仪器厂商预先定义好的仪器设备，可根据发展需要重新"生成"新的仪器设备，以使之能跟上教学内容的不断更新，使实践操作训练能及时跟上测试技术的发展。这样，减少了仪器设备经费的投入，解决了高校实验室经费不足的问题。

（4）可实现其最高效率，且能在不同的大学间实现资源共享  在有限的资金下，基于网络虚拟实验室为我们创造了一个先进而又灵活的实验教学环境。实现简单有效的可支持远程使用的虚拟技术，将增加学生实验动手的机会,而不论学生的人数和所处的位置及仪器的多样性等。课堂教学不再局限于在有形的实验室中,教学和动手操作实践的空间和时间可得到无形的扩展，通过互联网，进行交互式的远程教学，可提供可移动的电子教学场所，特别是对于许多高校扩大招生后所设置的分校和远程教育教学点,使资源由一校“独有”变成多校“共享”。由局域网作为校园网站的链接，提供开发性、远距离的环境，实现其最高效率，促进全国高校教学水平和教学质量的提高。结语随着高等教育的大众化，保证高校的实验教学质量并充实改进其内容，提升其水平已迫在眉睫，创建没有围墙的大学和基于网络的虚拟实验室，是少投入多产出、资源共享的一种全新的办学理念，是高校未来发展的必然。

*《虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景》

作者：宋象军（华中科技大学实验室与设备处）