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[摘 要] 针对高等医学院校实验建设现状，通过网络技术和虚拟实验室技术的结合探索新的实验教学方式。本文介绍了虚拟实验室的概念、分类和特点，说明虚拟实验室是实验教学改革的好方法，并进一步阐述了虚拟实验室应用于实验教学的模式，以及虚拟实验室应用于实验教学的不足。
[关键词] 虚拟实验室 实验教学 应用
随着网络技术和虚拟仪器技术的飞速发展和高校扩招规模的加大，很多高等院校传统实验室的设备与规模已不能满足学生的实验需求，随着医患关系的紧张和病人自我保护意识的不断提高，在病人身上“实习”必将成为历史，学生的实验时间和实验空间都受到限制。尤其是在医学院校，医学实验的开展受实验动物、试剂、器材、实验准备等诸多因素的影响，试剂的配置、仪器的检修、人员的配套都使实验成本居高不下，多年来，它一直是困扰医学实验工作者的难题。对于一些常见、危险性大、要求条件苛刻的实验，通常没有机会进行实验，因而学生对这类知识的掌握也就相对薄弱。在这种情况下，学校急需构建自己的实验体系，一个能够节约成本、降低消耗、模拟实验过程、提高学生学习兴趣和实验的成功率的实验平台。网络技术和虚拟仪器技术的飞速发展，为实验和实训的发展带来新的契机，将虚拟现实技术应用到高校实验室，充分利用高校现有实验室资源构建一个突破传统实验教学模式的虚拟实验室，这已然成为诸多高校亟待解决的重要课题。
一、虚拟实验室的定义
虚拟实验室（Virtual Laboratory）概念最早是由美国弗吉尼亚大学威廉·沃尔夫(William Wolf)教授于1989年提出的，它描述了一个计算机网络化的虚拟实验室环境，是一个“无墙的研究中心”。致力于构筑一个综合不同工具和技术的信息化、网络化、可视化的集成环境，在这个环境里，用户可以非常有效地利用世界上分布的各种数据、信息、仪器设备及人力等资源。其中，每一个可视化器件代表一种实验器材，无论是学生还是教师都可以随时进入虚拟实验室操作仪器，通过鼠标的点击与拖拽，进行各种实验。虚拟实验室实质上是一个分布式计算机系统，在该系统中配备有具有遥控能力的网络化研究设备和数据采集平台，以及支持协作活动的各种工具。
美国国家研究委员会的定义为：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：一是实验室是一个无墙的中心，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；三是充分实现资源共享。
联合国教科文组织于1999年8月在美国衣阿华州立大学召开的会议确定了“虚拟科学研究中心”和“虚拟研究实验室”科研和教学模式的构想，此次会议对“虚拟实验室”的定义如下：为了实现远程协作、实验研究或其他创新活动，通过分布式信息通讯技术产生并发布结果的电子工作室。借助于计算机技术、多媒体技术、虚拟现实技术、通讯技术和数字化信息等技术构建而成的虚拟实验室，是一种基于计算机虚拟原型系统的全新科学研究与工程设计方法，是除理论与实物实验以外的第三种研究设计手段和形式。虚拟实验室的开发利用不仅在实验教学方面有显著的作用，而且在提高远程教育教学质量方面也具有重要意义。
二、虚拟实验室的分类
虚拟实验室有多种分类方法，但按其功能可以把它们分成两大类：
1.纯软件仿真形式的虚拟实验室
纯软件仿真虚拟实验室是以图片、文字、动画、仿真等形式进行原理性验证、实验内容等方面的讲解与演示，或是通过仿真实验来进行操作学习，不涉及真实的实验仪器硬件设备，只是利用软件来进行模拟实验。它是对实际的物理设备及实验过程的仿真，只需使用电脑通过网络来访问即可，它的所有内容都集中于服务器，可以有多个用户同时进行不同实验操作。
2.直接操作远程实验的虚拟实验室
这类实验室直接控制远程实验室实验设备的运行，使用的是真实的实验设备，因而它一次只允许一个用户进行实验。该类实验室不仅利用了有限的实验资源，更重要的是给了用户真实实验一样的体会，实验效果好，是目前虚拟实验室研究发展的一个重要方向。
直接操作远程实验的虚拟实验室主要包括三类：
第一类是仪器共享型虚拟实验室，服务器只能接受客户端的实验请求与实验参数，由实验硬件设备接收参数开始实验，并将实验结果返回服务器。用户可以实现仪器和实验数据共享，但不能对实验设备进行远程互动控制；
第二类是软件共享型虚拟实验室，服务器共享本地虚拟实验室模拟软件平台，接收客户端发送的实验请求，分析和处理实验参数，经过计算模拟将结果返回客户端。整个系统不涉及具体的实验仪器等硬件设备，只利用软件模拟实验的过程；
第三类是远程控制型虚拟实验室，与仪器共享型虚拟实验室最大的区别在于除了实验仪器和实验数据的共享，还可以实现客户端对实验仪器设备的远程控制。用户可以实时调整参数，控制和观看真实的实验过程。
三、虚拟实验室的特点
虚拟实验室由以虚拟仪器技术为核心的仿真引擎、处理因素数据库、虚拟环境界面和虚拟操作等模块组成，学生可以在虚拟环境下进行相关内容的实验操作，并获得身临其境的实验体验。学生通过鼠标或键盘调用相关的设备、仪器、仪表甚至实验动物和试剂，根据实验要求设定实验条件和环境、设计和搭建实验、进行实验，最终得出相应的实验结果；虚拟实验室可以得到与现实实验环境相同的教学效果，并通过高效率数据库存储大量的实验数据信息资源。
虚拟实验室教学模式不同于传统的传递-接受式教学模式，它能够给学生提供所需的任何实验教学内容，学生可以根据自身情况来决定学习内容和进度，从而最大限度满足学生自学的需要。与传统实验教学相比，虚拟实验室具有如下特点：
1.突破了传统教学模式时间、地域的限制，并通过计算机网络提高实验教学效率，更好的培养学生动手能力、独立分析问题、解决问题的能力；
2.实验可以允许操作者反复尝试，没有动物、器材和试剂的消耗，无需增加额外的投资，使得实验经费大为降低；
3.去除了繁杂的实验准备工作，使带教老师和实验准备老师从开放实验中解放出来；
4.原有传统设备可以接入实验室系统，降低成本节省资源，提高资源利用率，尤其是通过联网后能实现大型科学仪器的资源共享，避免了大型仪器设备的重复购置和闲置浪费；
5.拓展实验项目，使不常见或有危险的实验在虚拟实验中定制完成，获得全面的实验信息；
6.内建题库系统，提供在线自测自评功能，随时与教师进行线上交流，获得反馈。
因此，用现代计算机网络技术研究虚拟实验室及其在实践教学及远程教学中的应用，已成为近几年国内外实验教学和远程教学的研究热点。
四、虚拟实验室的应用模式
虚拟实验室增强并扩展了实验教学的功能，以前所未有的方式将学生和实验仪器联系起来，为学生提供了崭新的实验方式。在使用虚拟实验室的过程中，如果能把虚拟过程与真实实验相比较，加强师生、学生之间的相互合作，并注重激发学生的实验兴趣、促使其进行探究，那必将会产生巨大的教育价值。虚拟实验室的应用模式主要有以下三种：
第一种模式是先做虚拟实验再做真实实验。教师可以要求学生在进行真实实验之前，可以先通过虚拟实验室进行虚拟实验，以达到预习的目的。学生通过虚拟实验预先明确实验原理，然后按照正确的实验操作进行虚拟实验，得到数据后进行处理，最终得到实验结果。当学生再做真实实验时，已了解了实验原理和目的，并可以熟练的进行实验操作了。这样的实验安排，使学生实验思路清晰、目的明确、操作熟练，缩短了做真实实验的时间，提高了实验教学效率。
第二种模式是先做真实实验再做虚拟实验。教师先安排学生进行真实实验，然后再要求学生做虚拟实验。在这种模式中，虚拟实验主要起到了复习巩固真实实验的作用，它可以帮助学生加深理解实验原理、回忆实验内容及操作、巩固实验知识。真实实验中遇到的问题，在做虚拟实验时可以多加留意，加深印象。
第三种模式是只做虚拟实验，主要是指受到实验条件限制而无法实现真实实验的部分。在医学实验中，有些实验或实验仪器设备价格高昂，或实验过程危险系数过高，这类情况下，由虚拟实验代替真实实验，可以在一定程度上弥补无法开设真实实验所带来的不便。
五、虚拟实验室的不足
与传统实验室相比，虚拟实验室仍然有很多不足，总结如下：
1、系统的开发与维护复杂。虚拟实验室不论是系统开发还是维护，甚至更新扩展，都需要用到编程语言，这要求管理者必须熟练掌握该编程语言，以编程的方式来达到目的。
2、真实感缺乏，影响动手能力的提高。通过虚拟实验室进行实验时学生虽然可以进行全步骤操作，但是不能实际接触实验仪器并操作，真实感会相对较低，学生的动手能力将无法得到大幅度的提高。
3、对网络和计算机的依赖性大。虚拟实验室是以计算机为硬件基础的，通过网络连接服务器来进行实验，一旦计算机或者网络出现问题，将无法使用。
六、结束语
虚拟实验室彻底打破时空限制，为学生提供生动逼真的实验环境，极大地调动了学生的实验积极性，在培养学生的创新思维和探索精神方面起到积极的作用。同时，还解决了硬件投资和实验成本问题。学生在虚拟实验室中，可以了解仪器结构、实验原理、操作步骤以及进行操作后出现的各种结果，还可以做带有危险性的实验和一些高消耗实验，为以后的学习及工作打下坚实的基础。在医学教育领域建立虚拟实验室，并非取代传统实验教学，而是作为一项改革与补充，加快实验室建设和实验教学改革，促进教育观念的改革。虚拟实验室在未来的实验教学中必将占有重要地位，并具有广阔的应用、发展前景。
参考文献：
[1]A. Ferrero，V. Piuri. A Simulation Tool for Virtual Laboratory Experiments in a WWW environment. IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement.1999:741~746.
[2]Reinhard Klein, L. Miguel Encarmacao. A Web-based Framework for the Complete Integration of Teaching Concepts and Media in Computer Graphics Education. In: T. Ottmann, I. Tomek eds. Proceeding of ED-MEDIA’97,Vancouver,Canada,1997:231~240.
[3]H Goldberg.. What is virtual instrument[J].IEEE Instrumentation &Measurement Magazine, 2000,3(4):10~13.
[4] Eliane Guimaraes. Antonio Maffeis, Jamas Pereirat, et al. REAL: A Virtual Laboratory for Mobile Robot Experiments. IEEE Transaction on education,2003,46(1):37-42.
[5]喻红，何岭松，王俊峰.WWW模式的工程测试远程教学实验基地建设.实验技术与管理.1999,16:1（第十六卷第一期）
[6] James P. Vary. Report of the Expert Meeting on Virtual Laboratories. United Nations Educational Scientific and Cultural Organization,Paris,2000:3～5.
[7] Polly Huang, John Heidemann. Minimizing Routing State for Light-weight Network Simulation . In: Fujimote eds. Proceedings of the International Symposium on Modeling. Analysis and Simulation of Computer and Telecommunication Systems (MASCOTS,01),Cincinnati, Ohio, USA.2001:108～116.
作者简介：
张晓萌,山东大学计算机科学与技术学院08级在职硕士，滨州医学院现代教育技术中心实验员。
[关键词] 虚拟实验室 实验教学 应用
随着网络技术和虚拟仪器技术的飞速发展和高校扩招规模的加大，很多高等院校传统实验室的设备与规模已不能满足学生的实验需求，随着医患关系的紧张和病人自我保护意识的不断提高，在病人身上“实习”必将成为历史，学生的实验时间和实验空间都受到限制。尤其是在医学院校，医学实验的开展受实验动物、试剂、器材、实验准备等诸多因素的影响，试剂的配置、仪器的检修、人员的配套都使实验成本居高不下，多年来，它一直是困扰医学实验工作者的难题。对于一些常见、危险性大、要求条件苛刻的实验，通常没有机会进行实验，因而学生对这类知识的掌握也就相对薄弱。在这种情况下，学校急需构建自己的实验体系，一个能够节约成本、降低消耗、模拟实验过程、提高学生学习兴趣和实验的成功率的实验平台。网络技术和虚拟仪器技术的飞速发展，为实验和实训的发展带来新的契机，将虚拟现实技术应用到高校实验室，充分利用高校现有实验室资源构建一个突破传统实验教学模式的虚拟实验室，这已然成为诸多高校亟待解决的重要课题。
一、虚拟实验室的定义
虚拟实验室（Virtual Laboratory）概念最早是由美国弗吉尼亚大学威廉·沃尔夫(William Wolf)教授于1989年提出的，它描述了一个计算机网络化的虚拟实验室环境，是一个“无墙的研究中心”。致力于构筑一个综合不同工具和技术的信息化、网络化、可视化的集成环境，在这个环境里，用户可以非常有效地利用世界上分布的各种数据、信息、仪器设备及人力等资源。其中，每一个可视化器件代表一种实验器材，无论是学生还是教师都可以随时进入虚拟实验室操作仪器，通过鼠标的点击与拖拽，进行各种实验。虚拟实验室实质上是一个分布式计算机系统，在该系统中配备有具有遥控能力的网络化研究设备和数据采集平台，以及支持协作活动的各种工具。
美国国家研究委员会的定义为：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：一是实验室是一个无墙的中心，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；三是充分实现资源共享。
联合国教科文组织于1999年8月在美国衣阿华州立大学召开的会议确定了“虚拟科学研究中心”和“虚拟研究实验室”科研和教学模式的构想，此次会议对“虚拟实验室”的定义如下：为了实现远程协作、实验研究或其他创新活动，通过分布式信息通讯技术产生并发布结果的电子工作室。借助于计算机技术、多媒体技术、虚拟现实技术、通讯技术和数字化信息等技术构建而成的虚拟实验室，是一种基于计算机虚拟原型系统的全新科学研究与工程设计方法，是除理论与实物实验以外的第三种研究设计手段和形式。虚拟实验室的开发利用不仅在实验教学方面有显著的作用，而且在提高远程教育教学质量方面也具有重要意义。
二、虚拟实验室的分类
虚拟实验室有多种分类方法，但按其功能可以把它们分成两大类：
1.纯软件仿真形式的虚拟实验室
纯软件仿真虚拟实验室是以图片、文字、动画、仿真等形式进行原理性验证、实验内容等方面的讲解与演示，或是通过仿真实验来进行操作学习，不涉及真实的实验仪器硬件设备，只是利用软件来进行模拟实验。它是对实际的物理设备及实验过程的仿真，只需使用电脑通过网络来访问即可，它的所有内容都集中于服务器，可以有多个用户同时进行不同实验操作。
2.直接操作远程实验的虚拟实验室
这类实验室直接控制远程实验室实验设备的运行，使用的是真实的实验设备，因而它一次只允许一个用户进行实验。该类实验室不仅利用了有限的实验资源，更重要的是给了用户真实实验一样的体会，实验效果好，是目前虚拟实验室研究发展的一个重要方向。
直接操作远程实验的虚拟实验室主要包括三类：
第一类是仪器共享型虚拟实验室，服务器只能接受客户端的实验请求与实验参数，由实验硬件设备接收参数开始实验，并将实验结果返回服务器。用户可以实现仪器和实验数据共享，但不能对实验设备进行远程互动控制；
第二类是软件共享型虚拟实验室，服务器共享本地虚拟实验室模拟软件平台，接收客户端发送的实验请求，分析和处理实验参数，经过计算模拟将结果返回客户端。整个系统不涉及具体的实验仪器等硬件设备，只利用软件模拟实验的过程；
第三类是远程控制型虚拟实验室，与仪器共享型虚拟实验室最大的区别在于除了实验仪器和实验数据的共享，还可以实现客户端对实验仪器设备的远程控制。用户可以实时调整参数，控制和观看真实的实验过程。
三、虚拟实验室的特点
虚拟实验室由以虚拟仪器技术为核心的仿真引擎、处理因素数据库、虚拟环境界面和虚拟操作等模块组成，学生可以在虚拟环境下进行相关内容的实验操作，并获得身临其境的实验体验。学生通过鼠标或键盘调用相关的设备、仪器、仪表甚至实验动物和试剂，根据实验要求设定实验条件和环境、设计和搭建实验、进行实验，最终得出相应的实验结果；虚拟实验室可以得到与现实实验环境相同的教学效果，并通过高效率数据库存储大量的实验数据信息资源。
虚拟实验室教学模式不同于传统的传递-接受式教学模式，它能够给学生提供所需的任何实验教学内容，学生可以根据自身情况来决定学习内容和进度，从而最大限度满足学生自学的需要。与传统实验教学相比，虚拟实验室具有如下特点：
1.突破了传统教学模式时间、地域的限制，并通过计算机网络提高实验教学效率，更好的培养学生动手能力、独立分析问题、解决问题的能力；
2.实验可以允许操作者反复尝试，没有动物、器材和试剂的消耗，无需增加额外的投资，使得实验经费大为降低；
3.去除了繁杂的实验准备工作，使带教老师和实验准备老师从开放实验中解放出来；
4.原有传统设备可以接入实验室系统，降低成本节省资源，提高资源利用率，尤其是通过联网后能实现大型科学仪器的资源共享，避免了大型仪器设备的重复购置和闲置浪费；
5.拓展实验项目，使不常见或有危险的实验在虚拟实验中定制完成，获得全面的实验信息；
6.内建题库系统，提供在线自测自评功能，随时与教师进行线上交流，获得反馈。
因此，用现代计算机网络技术研究虚拟实验室及其在实践教学及远程教学中的应用，已成为近几年国内外实验教学和远程教学的研究热点。
四、虚拟实验室的应用模式
虚拟实验室增强并扩展了实验教学的功能，以前所未有的方式将学生和实验仪器联系起来，为学生提供了崭新的实验方式。在使用虚拟实验室的过程中，如果能把虚拟过程与真实实验相比较，加强师生、学生之间的相互合作，并注重激发学生的实验兴趣、促使其进行探究，那必将会产生巨大的教育价值。虚拟实验室的应用模式主要有以下三种：
第一种模式是先做虚拟实验再做真实实验。教师可以要求学生在进行真实实验之前，可以先通过虚拟实验室进行虚拟实验，以达到预习的目的。学生通过虚拟实验预先明确实验原理，然后按照正确的实验操作进行虚拟实验，得到数据后进行处理，最终得到实验结果。当学生再做真实实验时，已了解了实验原理和目的，并可以熟练的进行实验操作了。这样的实验安排，使学生实验思路清晰、目的明确、操作熟练，缩短了做真实实验的时间，提高了实验教学效率。
第二种模式是先做真实实验再做虚拟实验。教师先安排学生进行真实实验，然后再要求学生做虚拟实验。在这种模式中，虚拟实验主要起到了复习巩固真实实验的作用，它可以帮助学生加深理解实验原理、回忆实验内容及操作、巩固实验知识。真实实验中遇到的问题，在做虚拟实验时可以多加留意，加深印象。
第三种模式是只做虚拟实验，主要是指受到实验条件限制而无法实现真实实验的部分。在医学实验中，有些实验或实验仪器设备价格高昂，或实验过程危险系数过高，这类情况下，由虚拟实验代替真实实验，可以在一定程度上弥补无法开设真实实验所带来的不便。
五、虚拟实验室的不足
与传统实验室相比，虚拟实验室仍然有很多不足，总结如下：
1、系统的开发与维护复杂。虚拟实验室不论是系统开发还是维护，甚至更新扩展，都需要用到编程语言，这要求管理者必须熟练掌握该编程语言，以编程的方式来达到目的。
2、真实感缺乏，影响动手能力的提高。通过虚拟实验室进行实验时学生虽然可以进行全步骤操作，但是不能实际接触实验仪器并操作，真实感会相对较低，学生的动手能力将无法得到大幅度的提高。
3、对网络和计算机的依赖性大。虚拟实验室是以计算机为硬件基础的，通过网络连接服务器来进行实验，一旦计算机或者网络出现问题，将无法使用。
六、结束语
虚拟实验室彻底打破时空限制，为学生提供生动逼真的实验环境，极大地调动了学生的实验积极性，在培养学生的创新思维和探索精神方面起到积极的作用。同时，还解决了硬件投资和实验成本问题。学生在虚拟实验室中，可以了解仪器结构、实验原理、操作步骤以及进行操作后出现的各种结果，还可以做带有危险性的实验和一些高消耗实验，为以后的学习及工作打下坚实的基础。在医学教育领域建立虚拟实验室，并非取代传统实验教学，而是作为一项改革与补充，加快实验室建设和实验教学改革，促进教育观念的改革。虚拟实验室在未来的实验教学中必将占有重要地位，并具有广阔的应用、发展前景。
参考文献：
[1]A. Ferrero，V. Piuri. A Simulation Tool for Virtual Laboratory Experiments in a WWW environment. IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement.1999:741~746.
[2]Reinhard Klein, L. Miguel Encarmacao. A Web-based Framework for the Complete Integration of Teaching Concepts and Media in Computer Graphics Education. In: T. Ottmann, I. Tomek eds. Proceeding of ED-MEDIA’97,Vancouver,Canada,1997:231~240.
[3]H Goldberg.. What is virtual instrument[J].IEEE Instrumentation &Measurement Magazine, 2000,3(4):10~13.
[4] Eliane Guimaraes. Antonio Maffeis, Jamas Pereirat, et al. REAL: A Virtual Laboratory for Mobile Robot Experiments. IEEE Transaction on education,2003,46(1):37-42.
[5]喻红，何岭松，王俊峰.WWW模式的工程测试远程教学实验基地建设.实验技术与管理.1999,16:1（第十六卷第一期）
[6] James P. Vary. Report of the Expert Meeting on Virtual Laboratories. United Nations Educational Scientific and Cultural Organization,Paris,2000:3～5.
[7] Polly Huang, John Heidemann. Minimizing Routing State for Light-weight Network Simulation . In: Fujimote eds. Proceedings of the International Symposium on Modeling. Analysis and Simulation of Computer and Telecommunication Systems (MASCOTS,01),Cincinnati, Ohio, USA.2001:108～116.
作者简介：
张晓萌,山东大学计算机科学与技术学院08级在职硕士，滨州医学院现代教育技术中心实验员。