论文部分内容阅读
摘要：在计算机软件的发展过程中，一种虚拟实验技术得到快速发展，并且通过网络广泛传播。WEB是现代教育网络传播的一个基本依托，构建基于WEB的虚拟实验室可以解决远程教育中的技术问题。介绍了虚拟实验室的基本特点及其体系结构，探讨虚拟实验室开发过程当中应注意的几个问题。
关键词：计算机软件；虚拟实验；现代教育技术
迅猛发展的计算机软件技术，把现代教育技术的虚拟实验引入到了实验的教学中，改变了传统的教育模式，使得教与学方式发生了革命性的变化。现在，新开发的计算机虚拟实验软件不断翻新，通过网络虚拟实验室，能够在计算机网络中模拟实验现象，它不仅仅能够提高实验教学效果，更加重要的是对一些缺乏实验条件的学生，通过网络同样能够身临其境地进行实验学习，甚至和异地的学生合作进行实验。
一、 什么是虚拟技术
虚拟技术又叫做虚拟现实技术（Virtual Reality Technology），该技术融合了传感技术、计算机图形学、人机接口技术、心理学、工程学及人工智能的综合技术。它利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、嗅觉等各种感觉，使用户通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。简单地说，虚拟技术就是用计算机创造现实世界。
二、 虚拟技术的基本特征
虚拟技术的主要特征有以下几方面：
1. 多感知性(Multi-Sensory)。所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。
2. 浸没感(Immersion)。浸没感又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。
3. 交互性(Interactivity)。指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。
4. 构想性(Imagination)。强调虚拟技术应具有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
一般来说，一个完整的虚拟系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。
三、虚拟实验室的体系结构
虚拟实验室可以使得处于不同位置的学习者同时对一个实验项目进行实验操作。和其他领域相同的是，实验工具和技术是独立于各自领域的，不同之处在于虚拟实验室中操纵的并不是真实存在的仪器和设备，而只是以软件仿真来模拟已经存在和使用的设备。虚拟实验室要求实验的参与者共享实验环境和实验规则，这种要求使得它易于在WEB上得以实现。
WEB为虚拟实验室的实现提供了一种基础平台，基于WEB的浏览器／服务器（B/S）计算模式也是实现网上虚拟实验室的一种基本模式。
服务器端通过软件技术对各种实验环境进行仿真，并接收来自客户端的实验操作请求，根据客户端不同的实验请求，调整仪器的状态，模拟产生实验的现象，输出对应的实验数据。学习者在客户端进行实验，其中实验过程中的数据和实验结果数据可以放置于服务器端，对于一些保密数据也可以在客户端独立存放。为了在多人合作实验过程保持同步，实验人员可以利用WEB或利用其他途径进行联系，服务器端的后台数据库提供了可以共享的实验数据和实验方法。
四、 构建虚拟实验室的关键技术
目前国内的虚拟实验室研究还处于萌芽阶段，国外已经有很多大学进行了这方面的研究。总结他们所使用的技术，大致可以划分为下面几类：
1. 使用JAVA进行开发。Java是一个应用非常广泛的网络编程语言，它是一种新的计算概念。首先，作为一种程序设计语言，它简单、不依赖于机器的结构、具有可移植性、安全性、并且提供了并发的机制、具有很高的性能。其次，它最大限度地利用了网络，Java的小应用程序（Applet）可在网络上运行而不受CPU和环境的限制。另外，Java还提供了丰富的类库，使程序设计者可以很方便地建立自己的系统，这一点对于构建网上虚拟实验室系统来说也是非常关键的。
2. 使用ActiveX控件进行开发。ActiveX技术允许不同软件开发的组件在网络上可以互相进行操作。ActiveX使用了微软的组件对象技术使得本地的组件可以和网络上的组件进行通信，使用ActiveX开发的另一个好处在于它的代码复用性，也就是说在虚拟实验室的开发过程中，一个实验仪器可以在多个实验环境中重复使用，这一点对于持续开发过程尤为重要。这种技术使得一个大的工程项目可以划分成小块的组件，也就相当于把复杂工程简单为一个个组成部分，完成了每个组成部分之后集成起来就可以得到最終的项目。
3. 使用Vrml技术进行三维虚拟实验室的开发。Vrml是虚拟实境描述模型语言 (Virtual Reality Modeling Language) 的简称。它是描述虚拟环境中场景的一种标准，也是在网上实现虚拟的关键性技术。Vrml的基本特征包括分布式、交互式、平台无关、三维、多媒体集成、逼真自然等，被成为“第二代Web”，已经被越来越多的人们所重视。
五、 虚拟实验室的应用
将虚拟仪器技术推向网络应用，更能发挥其“软件就是仪器”的优势，更有助于形成分布式的网络测量体系，实现数据和仪器的远程共享，从而为远程测控服务。网络虚拟实验室的使用Bsda结构，由客户端、Web服务器、应用服务器以及实验设备四个模块组成，具备开发周期短，成本低的特点，同时又具有很强的兼容性和扩展性，能够大大提高仪器的使用效率。
虚拟实验技术在实验教学中具有广阔的应用、发展前景，随着虚拟实验的普及，其优越性会被越来越多的人认识。但要使虚拟实验技术真正得到推广应用，关键还是观念的改变，首先是教师观念的改变，除了具有创新精神和能力外，还应有一个科学的投资理念，在实验室建设和发展中，充分考虑投资效益，建设现代化的实验室。
虚拟实验在21世纪实验教学中必将占有重要地位，无疑会起到很大的作用。虚拟技术正成为人类认识自然、探索自然界奥妙的强有力的工具。可以预言，人作为认识主体的地位将进一步跃升，人与认识客体的关系将发生质的变化，人的创造潜能将得到更充分的发挥。
参考文献：
[1]琚新刚,李金波.虚拟现实及其应用[J].河南教育学院学报：自然科学版,2003(12).
[2]邹湘军,孙健,等.虚拟现实技术的演变发展与展望[J].系统仿真学报，2004(16).
[3]姜学智.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报,2004(23).
（岳阳职业技术学院）
关键词：计算机软件；虚拟实验；现代教育技术
迅猛发展的计算机软件技术，把现代教育技术的虚拟实验引入到了实验的教学中，改变了传统的教育模式，使得教与学方式发生了革命性的变化。现在，新开发的计算机虚拟实验软件不断翻新，通过网络虚拟实验室，能够在计算机网络中模拟实验现象，它不仅仅能够提高实验教学效果，更加重要的是对一些缺乏实验条件的学生，通过网络同样能够身临其境地进行实验学习，甚至和异地的学生合作进行实验。
一、 什么是虚拟技术
虚拟技术又叫做虚拟现实技术（Virtual Reality Technology），该技术融合了传感技术、计算机图形学、人机接口技术、心理学、工程学及人工智能的综合技术。它利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、嗅觉等各种感觉，使用户通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。简单地说，虚拟技术就是用计算机创造现实世界。
二、 虚拟技术的基本特征
虚拟技术的主要特征有以下几方面：
1. 多感知性(Multi-Sensory)。所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。
2. 浸没感(Immersion)。浸没感又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。
3. 交互性(Interactivity)。指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。
4. 构想性(Imagination)。强调虚拟技术应具有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
一般来说，一个完整的虚拟系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。
三、虚拟实验室的体系结构
虚拟实验室可以使得处于不同位置的学习者同时对一个实验项目进行实验操作。和其他领域相同的是，实验工具和技术是独立于各自领域的，不同之处在于虚拟实验室中操纵的并不是真实存在的仪器和设备，而只是以软件仿真来模拟已经存在和使用的设备。虚拟实验室要求实验的参与者共享实验环境和实验规则，这种要求使得它易于在WEB上得以实现。
WEB为虚拟实验室的实现提供了一种基础平台，基于WEB的浏览器／服务器（B/S）计算模式也是实现网上虚拟实验室的一种基本模式。
服务器端通过软件技术对各种实验环境进行仿真，并接收来自客户端的实验操作请求，根据客户端不同的实验请求，调整仪器的状态，模拟产生实验的现象，输出对应的实验数据。学习者在客户端进行实验，其中实验过程中的数据和实验结果数据可以放置于服务器端，对于一些保密数据也可以在客户端独立存放。为了在多人合作实验过程保持同步，实验人员可以利用WEB或利用其他途径进行联系，服务器端的后台数据库提供了可以共享的实验数据和实验方法。
四、 构建虚拟实验室的关键技术
目前国内的虚拟实验室研究还处于萌芽阶段，国外已经有很多大学进行了这方面的研究。总结他们所使用的技术，大致可以划分为下面几类：
1. 使用JAVA进行开发。Java是一个应用非常广泛的网络编程语言，它是一种新的计算概念。首先，作为一种程序设计语言，它简单、不依赖于机器的结构、具有可移植性、安全性、并且提供了并发的机制、具有很高的性能。其次，它最大限度地利用了网络，Java的小应用程序（Applet）可在网络上运行而不受CPU和环境的限制。另外，Java还提供了丰富的类库，使程序设计者可以很方便地建立自己的系统，这一点对于构建网上虚拟实验室系统来说也是非常关键的。
2. 使用ActiveX控件进行开发。ActiveX技术允许不同软件开发的组件在网络上可以互相进行操作。ActiveX使用了微软的组件对象技术使得本地的组件可以和网络上的组件进行通信，使用ActiveX开发的另一个好处在于它的代码复用性，也就是说在虚拟实验室的开发过程中，一个实验仪器可以在多个实验环境中重复使用，这一点对于持续开发过程尤为重要。这种技术使得一个大的工程项目可以划分成小块的组件，也就相当于把复杂工程简单为一个个组成部分，完成了每个组成部分之后集成起来就可以得到最終的项目。
3. 使用Vrml技术进行三维虚拟实验室的开发。Vrml是虚拟实境描述模型语言 (Virtual Reality Modeling Language) 的简称。它是描述虚拟环境中场景的一种标准，也是在网上实现虚拟的关键性技术。Vrml的基本特征包括分布式、交互式、平台无关、三维、多媒体集成、逼真自然等，被成为“第二代Web”，已经被越来越多的人们所重视。
五、 虚拟实验室的应用
将虚拟仪器技术推向网络应用，更能发挥其“软件就是仪器”的优势，更有助于形成分布式的网络测量体系，实现数据和仪器的远程共享，从而为远程测控服务。网络虚拟实验室的使用Bsda结构，由客户端、Web服务器、应用服务器以及实验设备四个模块组成，具备开发周期短，成本低的特点，同时又具有很强的兼容性和扩展性，能够大大提高仪器的使用效率。
虚拟实验技术在实验教学中具有广阔的应用、发展前景，随着虚拟实验的普及，其优越性会被越来越多的人认识。但要使虚拟实验技术真正得到推广应用，关键还是观念的改变，首先是教师观念的改变，除了具有创新精神和能力外，还应有一个科学的投资理念，在实验室建设和发展中，充分考虑投资效益，建设现代化的实验室。
虚拟实验在21世纪实验教学中必将占有重要地位，无疑会起到很大的作用。虚拟技术正成为人类认识自然、探索自然界奥妙的强有力的工具。可以预言，人作为认识主体的地位将进一步跃升，人与认识客体的关系将发生质的变化，人的创造潜能将得到更充分的发挥。
参考文献：
[1]琚新刚,李金波.虚拟现实及其应用[J].河南教育学院学报：自然科学版,2003(12).
[2]邹湘军,孙健,等.虚拟现实技术的演变发展与展望[J].系统仿真学报，2004(16).
[3]姜学智.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报,2004(23).
（岳阳职业技术学院）