虚拟实验的现状及发展趋势研究

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1、虚拟实验的现状及发展趋势研究【摘要】院校要培养高素质技能型人才，就必须重视专业实验教学。随着信息技术的发展，作为传统实验教学的一种有效的补充，虚拟实验教学已成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段。开展虚拟实验可以有效地解决实验场地设备不足的问题，还可以利用虚拟实验开展科学研究。虚拟实验是利用计算机及仿真软件来模拟实验的环境及过程。开展虚拟实验，首先要了解虚拟实验的概念、特征与作用；英次，要研究目前国内外开展虚拟实验的现状，掌握虚拟实验的发展前景。本文从分析虚拟实验技术的理论基础出发，阐述了虚拟实验技术的分类，论述了它在实验教学中

2、的重要意义，并对虚拟实验技术在实验教学中的应用及发展趋势进行了研【关键词】虚拟实验虚拟现实计算机仿真【中图分类号ITP391.9【文献标识码】A【文章编号】1006—9682(2011)01-0105-02随着电子技术高速发展，新器件、新电路不断涌现，普通实验室的更新速度无法跟上技术的发展。此外普通实验室涉及仪器调试、管理、易损坏等问题。在实验时间和一些损耗性大的实验项冃上对学生限制过死。同样，远程教育学员一般都要在规定的时间到指定的学校集中完成实验项目，技能培养质量无法保证。院校必须考虑如何跟上实验的时代性和先进性，创设实验内容

3、丰富、训练操作扎实、不受时空限制的开放性实验环境。近年来，由于虚拟仪器、仿真技术和网络技术的飞速发展，构建虚拟实验室将会成为一种经济、高效的首选方案。一、虚拟实验的概念及发展状况1.虚拟实验的概念虚拟实验是借助多媒体、仿真以及虚拟现实(VirtualReality,英文缩写VR)技术而产生和发展的一种实验模式，它起源于20世纪末，是以计算机为控制中心，利用软件技术构建系统的逻辑结构模型，协调相关硬件设备技术形成虚拟实验系统，并通过计算机网络形成虚拟实验系统网络化，这样就可以让学生通过计算机操作，像在真实的环境中一样完成各种预定的实

4、验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。它是计算机技术、虚拟现实技术、人机交互技术结合的产物，也是教育领域应用信息技术的一种创新。虚拟实验一般是通过虚拟实验室而进行的。虚拟实验室是由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等，可以是某一现实实验室的真实实现，也可以是虚拟构想成的实验室。2.虚拟实验的发展现状虚拟实验是虚拟现实在教育重要应用领域，并逐步成为科学实验和科学研究中强有力的工具。虚拟实验是科学实验领域中较为年轻的分支，其

5、发展过程大致经历了三个阶段：(1)思维模型与逻辑分析阶段。该阶段以科学实验为基础，以逻辑推理为根据，在思想中塑造实验模型的实验方式。（2）计算机仿真阶段。20世纪60年代到80年代，其是以系统数学模型为基础，在一定假设条件下利用计算机对实验对象的数学模型进行的信息处理过程。（3）虚拟现实阶段。20世纪80年代至今，其是以虚拟现实技术为基础，通过模拟人与周围真实环境交互方式而建立的观察界面进行实验的过程。虚拟实验从形象化思维到数字化分析再到直观的虚拟现实阶段的过程中，计算机的产生与应用为虚拟实验注入了新的活力，改革了传统的实验方法，

6、扩大了认识领域，使虚拟实验变得普遍，应用得更加广泛。1.虚拟实验的特征虚拟实验与虚拟技术一样，具有以下三个基本特征：（1）交互性。交互性是指用户对虚拟实验环境内对象的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。虚拟实验环境更能强调人与虚拟世界间的自然交互，使用者不仅可以利用电脑键盘和鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔和数据手套等传感设备进行交互。（2）沉浸性。沉浸性是指虚拟现实技术能使用户感到自己处于虚拟实验环境中，成为其中的一员，由观察者变为参与者，沉浸于其中并参与虚拟实验的活动，即身临其境。使用者在虚拟实验环境中，一切

7、感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。沉浸虚拟现实运用计算机、多媒体与仿真技术等现代科学技术，营造与客观世界高度类似的虚拟环境，使人具有一种身临其境的感觉。虚拟现实模式在现实世界数据建模的基础上，釆用三维图形来表现虚拟世界，通过头盔式显示器或立体眼镜等专用辅助设备观察建模的三维物体，以获得在平面显示器上无法得到的物体深度、距离信息，并通过观察不同的图像，产生观察视差，达到身临其境的效果。（3）想象性。想象性是指最大限度发挥人类的创造力和想象力。一方面，虚拟实验的环境是人想象出來的，体现出设计者的思想；另一方面,用户可从设计好的环

8、境屮得到感性和理性上的认识，进而深化概念，产生新意和想象，与设计者产牛共鸣。二、虚拟实验在实验教学中的意义1.改变了传统的实验教学概念，为教育改革服务。虚拟实验技术的应用，要求教师必须改变实验教学观念，实现实验教师由演示者向指导者、创新者的转换。耍