【摘要】计算机技术、网络技术和仿真技术的发展为网络虚拟实验系统的构建提供了可能。介绍了网络虚拟实验系统的国内外研究现状，分析了当前研究的不足，提出了网络虚拟实验系统发展趋势。
【关键词】网络虚拟实验；研究现状；存在不足；发展趋势
【中图分类号】G434 【文献标识码】B 【论文编号】1009—8097 (2008) 04—0111—04
引言
实验教学不仅能帮助学生形成正确的概念，加深对规律的理解，而且与课堂理论教学相比，实验课程在培养和提高学生动手实践能力、观察能力、理论联系实际能力等方面有着先天的优势，同时它也为学生的研究能力、开拓能力、创新意识等综合科学素质的培养提供了较好的路径。因此，实验课程在学科教学中具有不可替代的作用。
随着互连网技术的迅速发展，计算机网络已经成为人类社会生活中不可缺少的一部分。作为新兴的“第四媒体”的网络，其具有数字化、多元化、全球化、虚拟化、交互性和即时性的特征，对人们的生活、工作和学习方式产生了很大的影响。目前，多媒体教学逐步得到推广，网上教育的实施已经起步，然而实验作为教育的重要环节，其发展比较滞后。目前网络的传输速度已经达到千兆比特/秒，网络带宽和传输速度不再成为制约网络实验教学的“瓶颈”，这些都为网络虚拟实验的开展创造了条件。网络虚拟实验对课堂实验教学的改革、推动远程教育的发展具有重要意义。
一 网络虚拟实验系统的研究现状
网络虚拟实验室概念的提出至今仅为十余年的时间，但因其诱人的应用前景，各国均在大力开发，已经取得了一些进展[1-10]。
1国外研究现状
目前,网络虚拟实验系统在发达国家已十分普及。下面列举几个有代表性的成果：
VLAB是美国俄勒冈大学物理系主办的物理实验网站[11]。该网站包含了天体物理、能量与环境、力学、热学等方面的几十种虚拟实验。该系统采用Java语言开发，实验程序需要从服务器端下载，并运行在客户机上。
2004年美国巴尔的摩的约翰霍普金斯大学教育资源中心发起的基于Java技术的虚拟物理实验室项目[12]。学生通过调节实验参数来观察各种实验现象和实验结果。该实验室的实验程序基于Java Applet技术实现实验界面与仿真算法，将其嵌入到网页中，客户端只需一个集成Java虚拟机的浏览器即可运行仿真。
德国Ruhr大学开发的vclab实验室[13]，该学习系统是一个较为成功的有关控制工程的实例。它通过直观的三维实验场景视觉效果，依赖各虚拟实验设备的仿真特性，实现对该虚拟实验的交互式操作。Vclab整合了Java Applet和一些插件，这些Applet和插件利用强大的MATLAB/SIMULINK计算引擎来生成控制工程实验中的模拟和交互式动画，可以使用本地和远程两种方式发布实验内容。
美国霍华德•休斯医学研究会（Howard Hughes Medical Institute，简称HHMI）建立的虚拟实验室[14]，是完全交互式的生物医学的实验室模拟，HHMI的虚拟实验室包括辨别细菌实验室、心脏病实验室、神经生理学实验室、虚拟的酶连接的免疫吸收剂化验（ELISA）实验室、基因改造昆虫实验室。每个虚拟实验室都有特定的训练的目标，帮助学生学习不同的课程。如在心脏病实验室中，用户作为一个虚拟实习医生陪同一名医生来检查三类不同的病人，在每一个阶段可以使用多种诊断工具，医生会邀请用户检查病人的情况，并询问其对病情的看法。Virtual Labs使用VRML技术构建三维实验场景，当用户在场景中操作虚拟实验时，系统将给出相关指令帮助他们学习。
新加坡国立大学在远程控制实验方面取得很大的成果。其电子工程系开发的用于工程教育的虚拟实验室[15]，目前已经包含了如2D和3D示波镜实验、带耦合的水槽设备控制实验等六个实验。使用者通过网络操作真实的实验设备，可以应用多种控制方法来完成实验。这类实验具有视频与音频反馈，通过视频会话系统，使用者可以一边调整实验界面的实验参数，一边观看远程设备运行后的实验结果。由于是远程控制真实实验仪器，所以一次只能允许一个使用者操作实验，但可以允许多个其他使用者耳闻目睹远程实验的运行过程。这种远程控制实验不但有效地利用了有限地实验室资源，而且实验效果良好[15-18]，是目前网络虚拟实验室研究和开发的一个重要方向。
2国内研究现状
我国的网络虚拟实验系统的研究起步较晚，但是发展速度较快。根据目前从网上可查到的信息和各院校开放的对外服务看，国内部分大学已陆续建立了网络虚拟实验系统。
华中科技大学《液压与气压传动》远程教育小组开发了液压回路性能和液压元件装拆虚拟实验[19]。液压元件装拆实验基于三维环境运行，能使学生在虚拟现实环境中，仔细观摩各零件的结构特征，明确各零件的相互装配关系并可以亲自动手进行元件的装配和拆卸。液压回路性能测试实验运用JAVA技术进行开发，学生可以在实验界面输入不同的实验参数，点击实验控制按钮，观察回路表示的对应的变化和实验结果曲线图。
北京大学计算机科学与技术系基于WWW设计了支持大计算量和交互式的网上虚拟实验室的基本结构(3WNVLAB)，初步实现了CACHE设计与流水线设计的两个实验系统[20]。3WNVLAB是指以WWW及其上的各种协议为基础实现的，是基于浏览器和WEB服务器的虚拟实验室。在该系统中，用户平台采用JAVA编写，用户可通过界面选择实验种类，并将用户的实验设计通过Internet传送给服务器端。服务器端是虚拟实验室的核心，用来完成客户端要求的实验内容，并将可信的实验结果返回客户端。客户收到实验结果后，可评价自己的实验设计，从而对自己的能力进行判断。
北京师范大学现代教育技术研究所研制的Evlab系统是一个基于虚拟空间的三维电子线路实验环境，目前已初步完成了自激振荡等几个电路模型的设计和编码工作[21]。通过EVlab系统，学生可以掌握电子线路实验中常见的仪器操作方法，并对基本实验电路有更加深入的理解。在实现EVlab系统的过程中，采用了QTVR和VRML两种技术相结合的方法。
二 网络虚拟实验系统的主要类型
1从访问途径分类
根据访问途径将虚拟实验系统分为两类[22]：一类是本地虚拟实验系统，又称为单机版虚拟实验系统。此类虚拟实验在本地计算机上进行，不能通过远程计算机进行访问。另一类是远程虚拟实验系统。远程用户可以通过网络访问此实验系统。远程虚拟实验系统的运行对网络的依赖性很强，不同类型的实验对网络传输水平要求也是不同的，通常网络的传输速率是开发此类实验必须考虑的因素。
2 根据实验者交互程度分类
根据学习者在虚拟实验系统中的参与程度可以将虚拟实验系统分为两类：一类是“演示型”虚拟实验系统。“演示型”虚拟实验系统的实验过程和实验参数已经固定，只对实验现象进行演示，此过程中实验者作为“观众”，只能观看实验现象。一类是“操作型”虚拟实验系统。在操作型虚拟实验系统中，实验者可以亲自参与实验，选择实验器材，设计实验对象的参数，此过程中实验者是实验主导者。
3 从实现手段分类
虚拟实验系统从实现手段的角度可分为两类:
（1） 纯软件方式开发的虚拟实验系统。从实验对象的呈现方式分，这类虚拟实验系统又有基于2D模拟的虚拟实验系统和基于3D模拟的虚拟实验系统；根据实现技术分，又有基于Flash交互技术的虚拟实验系统、基于ActiveX技术的虚拟实验系统、基于VRML技术的虚拟实验系统、基于Java技术的虚拟实验系统、基于仿真软件的虚拟实验系统等。
（2） 远程控制网络虚拟实验系统。服务器端接受客户端的实验请求和实验参数，配置与之连接的实验仪器硬件设备。用户在客户端实现对真实实验仪器设备的远程控制，并可在实验结束后，观看服务器端返回的实验结果。
三 目前研究的不足
随着网络课程的推出和广泛应用，网络虚拟实验得到人们的关注，逐渐成为计算机与教育技术界研究的方向。但是，就国内目前的研究来看，存在以下几方面的不足：
1关注程度不够
网络虚拟实验系统以其强大的教育优势成为国内外研究的热点，但是国内在这方面的研究与国外相比还比较落后，尤其是在教育技术领域未给予一定的关注。我们从中国期刊网用虚拟实验作为主题进行搜索，在《电化教育研究》上找到4篇文章，《中国远程教育》18篇，《中国电化教育》7篇。
2系统构建方式单一
目前国内网络虚拟实验系统构建技术方面研究文献的内容主要集中在Java、VRML、Flash、LabVIEW等技术在虚拟实验系统构建中的应用，或者此技术在某个实验环节中的应用，或者侧重于网络虚拟实验系统的教学支持系统的设计开发，对多种技术混合开发、各技术之间的交互设计、网络虚拟实验系统的体系结构的研究不多。
3系统应用研究不多
目前网络虚拟实验系统的研究内容主要集中在理论探讨、系统的设计与开发、虚拟实验网络教学平台的开发，对网络虚拟实验系统应用于教学的模式与效果分析、网络虚拟实验系统开发评价等方面的研究不多，尤其是关于学生对网络虚拟实验系统学习体验的调查和从学生视角对使用网络虚拟实验系统进行网上实验学习进行评价的研究很少。
4网络虚拟实验系统通用模型的设计与开发不多
目前网络虚拟实验系统的设计与开发的研究都是基于某一门课程实现，开发的技术种类繁多且都基本成熟。如何开发出某一类学科的网络虚拟实验通用模型，实现基于此平台的二次开发，以避免不必要的重复劳动，提高开发效率，使之成为社会化的远程实验教学的产品，对现阶段网络教学的深入开展显得尤为重要。
四 网络虚拟实验系统发展趋势
虽然网络虚拟实验系统发展时间很短，目前的研究还存在很多不足，但是其作为网络教育中的重要组成部分，有着广阔的发展前景。
1基于3D的纯软件方式开发的网络虚拟实验系统将成为主流
从国内外已有的网络虚拟实验系统的现状和应用来看，纯软件方式开发的网络虚拟实验系统是实际物理设备及实验过程的软件仿真，其具有构建费用低、使用方便等特点，在教学和科研中有广泛的应用。基于3D的网络虚拟实验系统能够解决学习媒体的情景化及自然交互性的要求，丰富了媒体表现形式，其以现实感强等优势成为国内外研究的热点，在教育领域内有着极其巨大的应用前景。
2 实现技术上必将形成多种技术相融合，优势互补的局面。
网络虚拟实验系统的构建上应该研究如何用技术实现教育的功能，使网络虚拟实验系统达到与真实实验相近和等同的效果。在设计与开发方面，体现在如何对实验元件、实验环境和实验现象进行模拟，如何处理好虚拟环境与用户之间的交互，如何实现多用户的并发协同操作等方面。使用某个单一技术构建网络虚拟实验系统，在某些方面有优势，在另一方面必然存在不足。因此，一个优秀的网络虚拟实验系统不可能只通过单一的技术来实现。将多个技术相融合开发，优势互补，对构建一个好的网络虚拟实验系统显得十分重要。
3 增加协作性。
科学实验常常是一种协作性的活动，与同伴合作是实验过程中一个至关重要的环节，因此，多用户协同虚拟实验将成为网络虚拟实验发展的一个重要方向。
4 提高网络虚拟实验系统“自适应性”。
自适应实验即指能修正自己的特征以响应规则原理的变化，并根据学习者的学习过程生成一个反馈回路，为学习者提供一个自适应的获取知识和技能的实验学习环境。该系统的基本特征是能从环境中获取信息，并能自动改善其性能。因此，有必要将人工智能技术与神经网络技术引入网络虚拟实验系统的设计与开发，实现网络虚拟实验系统的“自适应性”功能。
五 结束语
本文在查阅大量资料的基础上，阐述了当前国内外网络虚拟实验系统的研究现状，分析了当前研究的不足，进而预测出下一步网络虚拟实验系统的发展趋势。笔者相信，随着计算机技术、网络技术、多媒体技术、人工智能技术、神经网络以及教育学、心理学等多学科综合发展，以及网络带宽的提高，网络虚拟实验系统的建设将取得更大的进展，远程教学将有更加美好的明天。
参考文献
[1]Tuttas.J,Wagner.B.Distributed Online Laboratories[EB/OL].2005-12-30.
[2]Budhu.M.Virtual Laboratories for Engineering Education.[EB/OL].
[3]Guzmán.J.L, Berenguel.M, RodrÍguez.F, et al. Web-based remote control laboratory using a greenhouse scale model [J]. Computer Applications in Engineering Education, 2005, 13(2):111-124.
[4]Szczytowski.P.VCLab as an Example of Gridifying Virtual Scientific xperiments[EB/OL].
[5]ERTUGRUL. N.Towards Virtual Laboratories: Survey of Lab View-based Teaching/Learning Tools and Future Trends[J]. International Journal of Engineering Education, 2000,16(3):171-180.
[6]李敏,李仁发,杨大山,等.基于虚拟原型技术的虚拟网络实验室[J].计算机工程与应用,2002,(7):151-153.
[7]郝宁,余雪丽.分布式虚拟实验系统实现技术的研究[J].太原理工大学学报,2003,(5):578-581.
[8]董亚波,吴迪,朱淼良.基于对象Petri网的远程虚拟实验过程模型[J].电路与系统学报,2003,8(4):68-72,81.
[9]谭守标,霍剑青,王晓蒲.虚拟实验软件的建模方法与实现技术[J].小型微型计算机系统,2003,(12):2239-2243.
[10]宋善德,杜毓,欧阳星明.面向对象的交互式虚拟实验平台的设计与实现[J].计算机工程与科学,2005,27(8): 54-59.
[11]University of Oregon Department of Physics.Physics Applets.[EB/OL].
[12]Johns Hopkins university.Java virtual physics laboratory [EB/OL]. [20]崔光佐,程旭,杨芙清.基于WWW的网上虚拟实验室设计与实现[EB/OL]. [21]车皓阳,余胜泉,何克抗.构建基于WEB的虚拟实验室[EB/OL]. [22]单美贤,李艺.虚拟实验原理与教学应用[M].北京:教育科学出版社,2005.23.
