虚拟实验与远程教育_汪新民

第20卷 第2期 天 中 学 刊 V ol .20 No .2 2005年4月 Journal of Tianzhong Apr .2005
收稿日期：2004-10-15
作者简介：汪新民（1953− ），男，河南固始人，黄淮学院现代教育技术系高级工程师．
虚拟实验与远程教育
汪新民，陈向东
（黄淮学院，河南 驻马店 463000）
摘 要：虚拟实验是依托“虚拟现实”技术而产生和发展起来的一种实验模式，它建立在网络技术和虚拟现实技术上．虚拟实验利用远程网络，将异地的不同用户和虚拟实验室联结起来，共享一个虚拟空间，远程学员通过网络对同一虚拟实验进行操作和观察．虚拟实验室技术在远程教学中的应用主要表现在知识学习、探索学习和技能训练3个方面．
关键词：虚拟实验；虚拟现实技术；远程教育；远程教学 远程教学包含理论教学和实验教学，在教学中许多理论课程是通过远距离的多媒体教学手段完成的．实验教学的基点是学生必须亲自动手实践，因此，相对于远程教育的理论教学模式而言，它是近距离性的．这样，在远程教育中就产生了实验教学与远程教学模式不适应的状况．虚拟现实技术的发展，推动了虚拟实验室的建设，为远程实验教学打下了基础．远程实验教学是整个远程教育中的一个重要组成部分，但远程实验教学与远程教育中的理论教学的方式是有区别的，它是建立在虚拟现实技术和网络基础上的虚拟实验． 1 虚拟实验的构成及特点
虚拟实验是依托“虚拟现实”（Virtual Reality ，英文缩写VR ）技术而产生和发展起来的一种实验模式．所谓虚拟现实技术，就是充分利用高性能的计算机硬件与软件资源及各类先进的传感器和显示器，给受众产生一种与真实环境像仿的人工虚拟环境的一种集成技术，其主要技术构成为：实时三维图形生成技术、传感交互技术、软硬件接口技术以及高分辨率显示技术等．所以，它实际上是计算机科学与技术的延伸．虚拟现实技术能够生成实时的、具有三维信息的人工虚拟环境，实验操作人员可以进入其中，产生逼真的身临其境感，并像在真实的实验室中一样进行实时“操纵”和相互交流．
虚拟实验在广义上似乎也是一种模拟实验，但
在实验的本体逼真性和应用普适性，以及在给予实验者现场实时感受和实验效果等方面，传统的计算机模拟实验是根本无法相比的．
虚拟实验一般是通过虚拟实验室而进行的，所谓虚拟实验室，是指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，包括相应的实验室环境、有关的实验仪器设备、实验材料、实验对象以及实验信息资源等．虚拟实验室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．在虚拟实验室中，实验者有逼真的感觉，似乎是在真正的实验室里近距离进行现场操作．
但普通意义上的虚拟现实，需要大型计算机、头盔式显示器、数据手套、洞穴式投影、密封仓等昂贵设备，这对一般的教育单位来说是不可能承受的，资金不足严重制约着教育领域对虚拟现实的研究和应用．但是，随着科学技术的飞速发展，虚拟现实技术出现了多样化的发展趋势，根据“沉浸”程度的高低，可以划分出4种类型的虚拟环境，其中桌面型的虚拟现实技术非常简单，需要投入的成本也不高，而且在教育领域内可应用的范围较广．
桌面虚拟现实是利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟环境的一个窗口．它通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，这些外部设备包括鼠标、追踪球、力矩球等．它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时
中图分类号：G434
文献标识码：B
文章编号：1006-5261(2005)02-0104-02
汪新民，陈向东：虚拟实验与远程教育·105·
参与者缺少完全的沉浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰．桌面虚拟现实的最大特点成本相对较低，因而应用比较广泛．常见的桌面虚拟现实技术有：基于静态图像的虚拟现实QuickTime VR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD 等．
由于在远程教学中教师和学生，学生和实验环境不在同一空间，这就需要建立共享型虚拟实验系统．共享型虚拟实验系统是利用远程网络，将异地的不同用户和虚拟实验室联结起来，共享一个虚拟空间，多个用户通过网络对同一虚拟实验进行观察和操作，达到协同工作的目的．例如，异地的电子技术专业的学生，可以通过网络，在虚拟电子线路实验室进行模拟电子线路实验，医学专业的学生可以通过网络对虚拟手术室中的“病人”进行外科手术等．
2虚拟实验室在远程教学中的应用
虚拟实验室技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，学生能够成为虚拟环境的一名参与者，在虚拟环境中扮演一个角色，这对调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难点，培养学生的技能都能起到积极的作用．虚拟实验室技术在远程教学中的应用主要有以下3个方面．
2.1知识学习
知识学习是指接受远程教育的学生利用虚拟实验系统学习各种知识，对所学的知识进行验证．虚拟实验技术在知识学习中的一个应用是再现现实生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程，为学生提供生动、逼真的感性学习材料，帮助学生解决学习中的知识难点．例如，在学习地理知识时，通过虚拟现实系统，能使学生领略到北极的自然风光；在学习物理知识时，利用虚拟实验技术，能向学生展示如原子核裂变、半导体导电机理等复杂的物理现象，供学生观察学习．
虚拟实验技术在知识学习中的另一个应用是使抽象的概念和理论直观化、形象化，方便学生对抽象概念的理解．例如，学习加速度概念时，通过虚拟演示实验，可让学生观察当改变物体所受合力的大小及方向时加速度的变化情况，使学生加深对加速度概念的理解．
2.2探索学习
学生在学习过程中所学的理论知识，可以通过虚拟实验进行验证，提出各种假设模型进行虚拟，并通过虚拟系统直观地观察这一假设所产生的结果或效果．例如，在虚拟的化学系统中，学生可以按照自己的假设将不同的分子组合在一起，电脑便虚拟出组合的物质来，通过这种探索式的学习方式，学生很有可能研究出新的物质．利用虚拟实验技术，学生还可以进行温室效应、电路设计、建筑设计等方面的探索学习，得到二氧化碳对全球气候的影响规律，设计出新的电路、新的建筑物．利用虚拟实验技术进行探索学习，有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力．
2.3技能训练
虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练．利用虚拟实验技术，可以做各种各样的技能训练，例如军事作战技能训练、外科手术技能训练、教学技能训练、体育技能训练、汽车驾驶技能训练、果树栽培技能训练、电器维修技能训练等．由于这些虚拟的训练系统无任何危险，各种实验材料和实验仪器可无限制地使用，并可对实验材料灵活赋值，因此学生可以反复练习，直至掌握操作技能．
目前，尽管虚拟现实系统的硬件设备还比较昂贵，虚拟实验技术尚未得到普及，但是，随着虚拟现实技术的不断发展和完善，随着硬件设备价格的不断降低，随着虚拟实验室软件的不断开发，虚拟实验技术作为一个新型的远程教学媒体，以其自身强大的教学优势和潜力，将会逐渐受到远程教育工作者的重视和青睐，它将进一步推动我国远程教育的发展，在远程教育领域得到广泛应用并发挥其重要作用．
参考文献：
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[3] 许维新，郭光友，魏吉庆．现代教育技术应用基础[M]．北
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〔责任编辑 张继金〕。