虚拟实验室建设

1．项目研究总述

实验是科学研究的重要手段，在科学技术高度发达的今天，大大小小的实验室遍布全球各地的科研院所、企业和学校。传统的实验离不开实验器材、实验设备和原材料等实验用品，它已经不能完全满足实验工作者的需求。

1．1 虚拟实验室与虚拟实验技术

随着网络技术、虚拟现实技术和仿真技术的发展，为实验科学提供了一种新的研究方法—虚拟实验室。

虚拟实验室(Virtual Laboratory，VL)，最早在1989年由美国University of Virginia的William WoIf 教授提出，其初衷是为了方便不同实验室中的科研人员共享彼此的数据、仪器，并能交流思想和进行远程合作。近年来，由于虚拟仪器和网络技术的飞速发展，通过网络来构建虚拟实验室成为可能。网络虚拟实验室的实现基础是多媒体技术、网络技术和仪器技术的结合，同时虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予了虚拟实验室智能化的特征。现在世界上许多国家已经在虚拟实验室的研究上加大投入，以美国为例:1991年底，美国国家科学基金会(NSF)美国国家科学研究顾问委员会所属的计算机与远程通信部组成了“全国(科学)合作实验室委员会”，此后，美国联邦政府投入资金在海洋学、天体物理学和分子生物学三大领域建造了各自的虚拟实验室。此外，1998-2006年间，NFS 资助了多个虚拟实验室研究项目，最多的投资达到4亿美元，比较少的也有一两百万美元。目前，虚拟实验室已经对科学研究、教育培训等领域产生了越来越重要的影响，因此对于虚拟实验室的研究具有广阔的应用前景。

虚拟实验是随着现代计算机技术的进步而产生和发展的一种实验模式。但它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。虚拟实验主要依托的技术是虚拟现实技术和虚拟仪器技术，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，操作人员进入其中，产生逼真的身临其境感，并像在真实世界中一样地与该环境进行实时操纵和相互交流。虚拟仪器技术使计算机成为全能的电子仪器，利用现代计算机强大的图形环境，建立界面友好的虚拟仪器，操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行，完成对被测对象的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。实验教学相对于理论教学而言更具有直观性、实践性和创新性，他是许多学科特别是理工科教学中的重要环节之一。实验教学在加强学生素质教育与培养创新能力方面起着重要的、不可替代的作用。因此，我们需要通过网络实现实验仪器设备资源共享的一种技术，网络虚拟实验室应运而生，虚拟实验一般是通过虚拟实验室而进行的，利用网络进行数据传送、处理和控制的远程实验。虚拟实验室是今后的远程教育发展主流的必要成份，将远程教育提升到更高的层次上。

网络虚拟实验就是在WEB中创建出一个可视化的三维环境，通过鼠标的点击以及拖拽操作，用户可以进行虚拟的实验，其中每一个可视化的三维物体代表一种实验对象。网络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，实现的基础是多媒体计算机技术、网络技术与仪器技术的结合，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。无论是学生还是教师，都可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪器，进行各种实验。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。通过网络虚拟实验室，访问者只要拥有一台连接到Internet的电脑就可以不受时间、地域的限制操作实验，达到所谓的随时随地做实验的目的。它对提高教学水平具有很大的促进作用。它的产生向人们展示了信息时代一种全新的教育方式和科学研究方式。网络虚拟实验室的出现，使远程教育更趋完善，也使远程教育成为真正的“网络学习”。

1.2 网络虚拟实验室在国内外的发展现状

虚拟实验室（Virtual laboratory）概念，最早在1989年由美国的William Wolf教授提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。美国国家研究委员会定义为[10]：虚拟实验室是一个无墙的中心。研究人员能在其中从事科学研究和工程设计，不必顾及地理位置的限制，实现同行间、同事间的互动；共享仪器、设备、数据、计算资源以及数字图书馆的信息。该定义强调三个方面的问题：一是现代实验室应当是一个无墙的中心，这个中心可以有逻辑上的限制，但没有物理空间的限制，其基础是Internet；二是协同工作环境；三是充分地实现资源共享。

虚拟实验室概念的提出至今仅为十多年的时间，但因其广阔的应用前景，国内外有很多组织都已经开展了虚拟实验系统的研究和建设工作，特别是在国外一些著名的大学，已有较多建好并投入使用的虚拟实验系统，涵盖了计算机网络、数学、人工智能[1]、生命科学[2]、化学[3]、物理、生物工程[4][5][6]通讯、3DCAD、图形图像、农业科学等教学、科研领域。

VSL（Virtual Systems Laboratory，简称VSL）虚拟系统实验室，始建于1989年，由Gentral Florida 大学教育训练研究院建立，其目标旨在提高计算机图形的艺术表现力以及改进仿真过程中的人机接口设计；美国巴尔的摩（Baltimore）约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）的化学工程系的卡尔威教授（Professor Michael Kuwait）在网络上建立了一个“虚拟实验室”，在计算机上模拟各种实验，让化学工程系的学生可以通过网络来做实验，尝试解决工程上遇到的各种问题；德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室；西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台；意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室；新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验。此外，网络虚拟实验室还在诸多领域上得到应用，如美国实施的Visible Human计划，就是通过将一具尸体进行固化处理，再用特制的机器将其切成极薄的薄片，然后将这些薄片通过扫描仪输入计算机，再通过三维重建算法构成三维人体图像，这样就将一个真正的人体显示在计算机屏幕上，并且可以在屏幕上进行旋转、剖切等操作，医学人员就可以在计算机上进行人体解剖教学、虚拟手术等。

与西方发达国家相比，国内在虚拟实验方面开展的工作还不多，但目前虚拟实验室的建设也得到了应有的重视，己有部分高校初步建立了虚拟实验室。例如：清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；中国农业大学建立了网上虚拟土壤作物系统实验室，应用计算机模拟植物在三维空间中的生长发育状况，探讨虚拟植物模型在农业领域应用的关键问题；华中理工大学机械学院建立了一个工程测试虚拟实验室，学生可以通过联网计算机终端来进行仿真实验，图像处理研究室设计了数字图像处理虚拟实验室；中国科学技术大学人工智能与计算机应用研究室最新研制出我国第一套虚拟现实教学软件“几何光学实验设计平台”。该系统完成了光学虚拟实验室的设计，通过实验所提供的一系列光学仪器，学生可以基本上完成所有的单透镜实验和组合透镜实验，并且提供了完整的文档和习题系统。

1.3构建网络虚拟实验室的必要性和意义

随着我国高等教育体制的深化改革以及招生规模的不断扩大，学生规模急剧膨胀的普通高等院校普遍陷入了实验教学的困境。特别是一般工科院校、民办院校，由于底子薄、基础差、经费紧张，实验室建设规模严重滞后于迅速膨胀的学生规模。如果仍然采用传统的实验教学方法，那么不仅要耗费巨额资金来扩大实验室的建设规模、增添大量的仪器设备，而且也要扩大实验管理人员以加强实验管理环节，尽量避免仪器设备磨损造成的经济损失，保证实验教学秩序良好进行。然而元器件的消耗是不可避免的，这巨大的经济负担对于目前各高校的经济实力来说都是难以承担的。就目前我国高校的普遍经济状况，想通过扩大实验室的规模、增添大量仪器设备来满足传统的实验教学，一般是难以实现的。

目前学生难以走进实验室的状况主要有两个原因：一是学校实验经费的不足造成实验场地、仪器设备严重缺乏；另一个原因是学校实验场地空间有限，不能满足所有学生和科研人员进入实验室进行实验，严重影响了他们的学习和研究。必须对实验教学进行全面彻底改革，改变传统实验教学模式迫在眉睫。因此，网络虚拟实验室应运而生，为实验教学提供了一种新的解决方法。