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互联网的虚拟实验室构建分析

2012-05-28 19:30 来源:互联网 人参与在线咨询

 

一、关于虚拟实验室

 

1.虚拟实验室的概念

 

虚拟实验就是通过计算机虚拟实验仪器让实验者进行操作、感受实验过程、直至得到实验结果。

 

一般实验者可以通过计算机和网络、即可进行实验,如同在现实实验室里近距离进行现场操作一样。

 

在实验教学中,要进行虚拟实验一般需通过虚拟实验室。所谓“虚拟实验室”(Virtuallaboratory),是指由网络技术、计算机技术、虚拟现实技术等生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统,包括相应实验环境、有关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予虚拟实验室以智能化特征。实验者(无论是学生还是教师)可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪器,进行各种实验。虚拟实验室不但为实验类课程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支持,还可以随时为学生提供更多、更新、更好的仪器。

 

2.虚拟实验室的特点

 

虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实再现,也可以是虚拟构想成的实验室。与在现实的实验室里进行的现场实验相比,虚拟实验具有它的许多优势和特点。

 

(1)经济性。从经济角度来看,虚拟实验室的仪器设备、原器件或材料只是“概念”上的损耗,可自动修复或产生,因而它们能无限重复使用,在经济上几乎不再需要支出,即可实现“零”消耗。

 

(2)自主性。对于教育来说,虚拟实验室对非全日制学生和远程教育的学生都有非常大的帮助,他们可以不受时间及空间的限制,使自己得以随时随地在学习需要时做实验,而无需到真的实验室去,也使远程实验教学可能真正实现。在内容上实验者也不受限制,他们可以自主的选择自己所要进行的实验内容。并且实验者还可以自主的选择实验操作步骤,通过不同的方式达到最终相同的结果。

 

(3)学习性。虚拟实验室对实践性教学环节有着非常好的辅助作用。虚拟实验可以进一步提高实验对知识的巩固与深入,及时提供实验原理与设备的内部结构和工作过程、甚至是微观变化过程(如分子运动等)的呈现。强化理论与实践的结合,加深对知识的深化和巩固。

 

(4)交互性。实验者和虚拟仪器之间可以通过鼠标的点击或者拖曳操作进行交互。例如在计算机组装与维护的实验中可以将计算机中的各个部件三维化的表示出来,用户通过鼠标将他们组装成整机。

 

当然虚拟实验室也有其不足之处。虚拟实验教学基于计算机进行,学生可以接触到的仅仅是大小有限的计算机屏幕,对于实验设备的操作也是通过鼠标和键盘来完成。因此,虚拟实验室并不能完成所有科目的实验教学任务,对于那些培养学生动手操作熟练能力的实验,虚拟实验室现在是不能完全胜任的,它还不能完全取代真实实验。

 

3、虚拟实验室的体系结构及功能

 

(1)虚拟实验室的体系结构。虚拟实验室里的实验工具(计算机等)和实验方法是各自独立的,实验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使用设备。因而在计算机满足一般需求的情况下,软件的设计制作就成为虚拟实验能达到的效果好坏的关键所在。要制作一个好的适用的虚拟实验室首先要构建一个完整合理的体系结构,虚拟实验室的结构大致可以分为下几种:

 

1)单机虚拟实验室的结构设计。实验教学根据实验目的的不同,可以分为基本的实验操作训练,验证性实验,综合性实验,探索性实验等。基本的实验训练是为了训练学生掌握基本的测量方法,检验方法,培养基本的实验仪器操作技能以及实验数据的处理能力。

 

验证性实验是用实验验证已知的定理、定律,使学生从感性上把握并且理解这些定理、定律的意义,以及了解它们的形成过程。练习性实验是让学生运用所学的知识来解决问题、完成实验,巩固对所学知识的理解,培养对知识的实际应用能力。

 

探索性实验则是利用各种设备和已知条件,设计实验来探索一些虽然早已明确或是尚无人做过的,但对学生来说却都是未知的现象、规律,目的在于培养学生的探索精神和科研能力,它是课堂理论教学的一个极为重要的补充。以上的四类实验其目的不同,因而其单机虚拟实验室的结构也有区别。

 

2)网络虚拟实验室的结构设计。网络虚拟实验室就是实验者通过本地多媒体计算机或利用远程通讯工具和相应的虚拟实验仪器,进行操作、观测实验过程、直至得到实验结果的一种实验模式。

 

Internet为网络虚拟实验的实现提供了一种基础平台,基于Internet的浏览器/服务器(B/S)计算模式也是实现网上虚拟实验的基本模式。构建基于Internet的网上虚拟实验室基本结构(3WNVLAB)是指以WWW及其上的各种协议为基础实现的网上虚拟实验室。

 

(2)虚拟实验室的基本功能。基于Internet的虚拟实验室就是在WEB中创建出一个可视化的三维环境,其中每一个可视化的三维物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖曳操作,用户可以进行虚拟的实验。虚拟实验环境可以针对物理实验、化学实验、教育技术实验等各种不同的科目分别设计具体的实验环境。

 

虚拟实验室的基本功能是:1)完全基于Internet;2)三维的立体环境;3)具备可视化的实验对象;4)可用鼠标和实验对象进行交互。

 

二、虚拟实验室的开发技术

 

1.虚拟实验室的开发工具

 

目前网络课件开发工具很多,在此介绍运用于虚拟实验的主要开发工具,以下是现在比较流行的开发软件。

 

(1)框架设计软件。网络课件的框架一般使用FrontPage、DreamWeaver等网页设计软件编制。

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