浅谈高校实验室信息化教学中的虚拟实验室建设

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　　摘 要 随着实验室信息化的改革与推进，高校实验教学的模式也随着新理念与新技术的出现而发生改变。在实验室信息化教学中通过虚拟实验室的建设，可以在一定程度上解决高校实验条件限制等问题，提高实验教学效果。本文也总结了虚拟实验室建设中需要关注的教学资源内容及相关技术。
　　关键词 虚拟实验室；实验室信息化；实验教学
　　引言
　　高校实验室一直是各学校重点建设的方向之一，它是教学、科研与实践相结合的重要平台，实验室的建设和管理在很大程度上影响着人才培养的质量。随着信息化技术的发展，高校实验室也在逐步向信息化的方向进行改革和发展。
　　1 高校实验室信息化概述
　　实验室的信息化并不是简单地使用信息化技术来管理实验室的日常运行维护工作，它应该是将新理念和新技术与现有的管理模式不断地融合、创新并发展的一个动态过程。高校实验室的信息化主要包括两个方面，一个是服务于实验室管理类的信息化，另一个是服务于实验室教学类的信息化[1]。
　　实验室管理类的信息化是指将网络化、数字化等信息化技术应用到实验室的建设和管理中，通过对实验室、实验仪器设备和耗材等内容进行统一的调配管理，解决了传统的人工管理模式所具有的实验室利用率低下、仪器设备维护不及时、耗材管理混乱等诸多问题，使实验室的管理和利用更加科学化、高效化的一种管理模式。实验室教学类信息化是指将信息化技术融入实验室教学中，与实际动手操作的实验教学形成互补，提升学生的学习兴趣，加深学生对相关课程的理解，锻炼学生的动手实践能力，从而促进教学的一种方法。
　　高校的实验室信息化教学通常多依赖于图片、视频教程等手段，将实验流程、操作视频和实验原理等信息传递给学生，能在一定程度上提高教学效果。但是这种方法缺乏与学生间的交流互动，而且对于部分特殊的实验，这种平面化的信息化教学无法为学生提供足够的实验细节和知识深度。如果实验室在信息化的过程中，采用虚拟仿真技术建设虚拟实验室，可以很好地解决这一问题。
　　2 建设虚拟实验室的必要性
　　2.1 虚拟仿真技术与虚拟实验室
　　虚拟仿真技术是在多媒体、人机交互、可视化技术等技术不断发展的基础之上，将仿真技术与虚拟现实等技术相结合而产生的更高层次的仿真技术。虚拟仿真技术具有三个基本特性：①沉浸性，使用者可以获得视觉、听觉、触觉、运动感觉等多种感知，进而产生身临其境的感受；②交互性，人与环境可以即时交互，所产生的反应应符合客观世界的客观规律；③构想性，虚拟仿真技术构建的环境，可以是假想的，也可以是真实存在的。
　　虚拟实验室是基于虚拟仿真技术而产生的数字化仿真系统。在虚拟实验室中，有着跟真实环境一样的实验条件，包括实验室、实验仪器设备和实验材料等。学生可以通过虚拟实验室来模拟操作预定的实验，甚至可以自由选择、搭配、调节实验器材来进行实验模拟，具有较高的自由度。
　　2.2 虚拟实验室建设的必要性
　　基于虚拟仿真技术的虚拟实验室具有以下几个优点：①补充实验条件不足，虚拟实验室可以开设一些对于实验环境或条件要求比较苛刻、需要大型或复杂设备、过程产生高消耗的实验，通常高校实验室无法面向全体学生开设这种类型的实体实验；②增强实验效果，学生可以在实验中通过对实验细节和操作的反复展现，增强对于实验的理解，也可以在接近真实的环境中发现并解决问题，培养学生的各种能力；③提高安全性，对于具有一定危险性的实验，可以通过模拟实验熟悉实验的规范操作与流程，也可以通过模拟小概率事件或者某些极端环境来锻炼学生的应急处理能力；④大数据采集，可以采集学生对虚拟实验的相关数据，并将该数据与其他数据合作开发，深入挖掘，得到对于科研、教学有价值的真实数据；⑤可扩展性好，对相关虚拟仿真软件进行升级维护就可以增加相应的新内容和功能。
　　3 虚拟实验室的资源建设及关键性技术
　　3.1 虚拟实验室的教学资源
　　虚拟实验室的教学资源主要分为四类：三维物体，立体空间，虚拟场景，虚拟实训系统[2]。三维物体是根据实际数学或物理模型构建一个三维物体，然后通过可视化技术展现出来，例如常见的仪器零件模型。立体空间是指根据真实实验环境或特殊需求构建的实验空间。虚拟场景是指模拟实际可能出现的场景，包括实验过程、小概率事件或极端情况等。虚拟实训系统可以让学生进行虚拟实验来达到学习、训练甚至考核实验相关内容的目的。
　　3.2 虚拟实验室的关键性技术
　　目前，构建虚拟实验室的关键性技术主要有[3]：
　　（1）多媒体技术。利用文字、图像、动画、声音、视频等多媒体元素进行综合展示。
　　（2）人机交互技术。借助计算机输入与输出设备，实现人与计算机对话交互的技术。
　　（3）可视化技术。应用计算机图形学和图像处理技术将大量数据以图形或图像的形式显示出来，使人能够基于三维图像直接与计算机进行实时交互。
　　（4）三维建模与仿真技术。通过结合数学知识、数学模型、物理模型等对相关物体或实验现象进行仿真建模，可以对实际的或设想的对象进行动态试验、性能分析和综合评估。
　　（5）虚拟/增强现实技术。采用虚拟现实、增强现实技术，将现实世界和虚拟世界叠加融合，产生新的可视化环境，使用者能够直接参与到仿真对象所处的环境中并与之进行实时互动。
　　（6）大数据与人工智能技术。对虛拟实验室产生的数据进行收集、分析和处理，并结合机器学习与深度学习方法，从实验大数据中获取有价值的信息，用于实验教学的指导和改进[4]。
　　4 结束语
　　虚拟实验室的应用，使得实验室信息化教学内容更加丰富。高校实验室通过虚拟实验室的建设，可以在一定程度上摆脱实验环境及条件的限制，提升实验教学效果。学生通过虚拟实验室在接近真实的环境中发现并解决问题，能够有效培养学生的发散性思维与创新性思维。因此，虚拟实验室的建设将是实验室信息化教学中非常重要的一个建设方向。
　　参考文献
　　[1] 李佳，朱振峰，任军利.高校实验室信息化建设及管理研究[J].高校实验室工作研究，2015，（02）：58-60.
　　[2] 程琼，陈晴.从“经验之塔”看虚拟仿真技术与教育教学理论的结合及应用分析[J].科教导刊（上旬刊），2019，（01）：113-114.
　　[3] 奎晓燕，刘卫国，郭克华，等.构建智能型虚拟实验平台，推进现代教育技术改革[J].计算机工程与科学，2018，40（S1）：12-15.
　　[4] 王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34（05）：214-219.
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