虚拟实验
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虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实(又称VR)等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境,实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目,所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。
虚拟实验建立在一个虚拟的实验环境(平台仿真)之上,而注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性。
虚拟实验实验有称为电子实验,和动态体验,虚拟实验的效果就在于能与现实结合,通过实验来确定我们生活中是不是想能完成现在的实验现象。
虚拟仿真实验是指在计算机系统中,采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境,实验者可以像在真实的环境中一样,完成各种预定的实验项目,所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。虚拟仿真实验由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成的一个创造和引导模拟实验的交互环境,用户可以通过增加新的物体、建立新的实验并把他们转化成超文本文件来扩充实验室。
虚拟仿真实验是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及与其应用领域有关的专业技术为基础,以计算机和各种物理效应设备为工具,采用“面向对象”思想创建的能够实时操作的、非实在的实验空间,在此环境中,实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目。
虚拟仿真实验室易于构建、易于实现,便于异地在线检测和远程测控,可以运用网络技术及现有设备搭建功能强大的实验系统,从而节省大量的购置设备费用,显著降低实验室建设和管理成本。虚拟仿真实验可以提供开放式实验环境。学生可以打破时间和地域的限制完成相关的教学实验。
某些理论知识高度概括抽象或者所涉及的领域属于宏观和微观,现实世界难以找到具体的案例进行演示 。部分专业课程的实验室教学资源有限,开放时间有限,不能满足学生随时进行自主学习和动手实践的要求。部分理论教学要构建物理演示系统成本高、操作困难,缺乏让学生动手实践的条件。
为解决传统理论教学与学生工程化培养之间的矛盾,拓展实验教学的深度和广度、提高实验教学实效,实现理论与实践教学的密切结合,同时也尽可能减少实验成本和潜在危害,在课堂基础理论教学上,利用专业的仿真软件,采用多媒体技术以及网络通讯平台,构建具有高度真实感、直观性和精确性虚拟仿真实验教学平台, 是专业实验教学的有益补充和创新 。
虚拟实验的实现将有效缓解很多高校在经费、场地、器材等方面普遍面临的困难和压力,而且开展网上虚拟实验教学能够突破传统实验对“时、空”的限制,无论是学生还是教师,都可以自由、无顾虑地随时随地上网进入虚拟实验室,操作仪器,进行各种实验,有助于提高实验教学质量。
网上虚拟实验室的开发与应用将会对实验教学改革产生变革性的影响。
虚拟实验国家相关政策[1]
虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容,是学科专业与信息技术深度融合的产物。虚拟仿真实验教学中心建设工作坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想,以全面提高高校学生创新精神和实践能力为宗旨,以共享优质实验教学资源为核心,以建设信息化实验教学资源为重点,持续推进实验教学信息化建设和实验教学资源开放共享,推动高等学校实验教学改革与创新。
虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,学生在虚拟环境中开展实验,达到教学大纲所要求的教学效果。
虚拟仿真实验教学中心建设应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则,实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。在涉及高危或极端的环境,不可及或不可逆的操作,高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时,提供可靠、安全和经济的实验项目。
虚拟仿真实验教学中心重点开展资源、平台、队伍和制度等方面的建设,形成持续服务实验教学,保证优质实验教学资源开放共享的有机整体。
(一)虚拟仿真实验教学资源
充分体现学校学科专业优势,积极利用企业的开发实力和支持服务能力,系统整合学校信息化实验教学资源,以培养学生综合设计和创新能力为出发点,创造性地建设与应用软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等优质教学资源,推动信息化条件下自主学习、探究学习、协作学习等实验教学方法改革,提高教学能力,丰富教学内容,拓展实践领域,降低成本和风险,开展绿色实验教学。鼓励自主创新和拥有自有知识产权。
(二)虚拟仿真实验教学的管理和共享平台
按照服务与资源相结合的原则,建设学校统一的具有开放性、扩展性、兼容性、前瞻性的虚拟仿真实验教学管理和共享平台,高效管理实验教学资源,全面提供搜索导航服务,及时发布资源应用信息,切实扩大资源影响力度,实现校内外、本地区及更大范围内的实验教学资源共享,满足多学科专业、多学校和多地区开展虚拟仿真实验教学的需要。探索高等学校、科研院所、企业共建共管共享的新模式,构建可持续发展的虚拟仿真实验教学服务支撑体系。
(三)虚拟仿真实验教学和管理队伍
建设教学、科研、技术、管理人员相结合,核心骨干人员相对稳定,年龄、职称、知识、能力结构合理的虚拟仿真实验教学团队,形成一支教育理念先进,教学科研水平高,信息技术应用能力强,实践经验丰富,团结协作、勇于创新的虚拟仿真实验教学和管理队伍。
(四)虚拟仿真实验教学中心的管理体系
以虚拟仿真实验教学资源的充分使用和更大范围开放共享为目标,系统制定并有效实施保障虚拟仿真实验教学的教师工作绩效考核、经费使用管理、实验教学中心维护与可持续发展等政策措施,建立有利于激励学生学习和提高学生创新能力的教学效果考核、评价和反馈机制。
国家虚拟仿真实验教学项目,将依托国家虚拟仿真实验教学项目共享平台(实验空间,www.ilab-x.com)