虛擬實驗
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虛擬實驗是指藉助於多媒體、模擬和虛擬現實(又稱VR)等技術在電腦上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬體操作環境,實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種實驗項目,所取得的實驗效果等價於甚至優於在真實環境中所取得的效果。
虛擬實驗建立在一個虛擬的實驗環境(平臺模擬)之上,而註重的是實驗操作的交互性和實驗結果的模擬性。
虛擬實驗實驗有稱為電子實驗,和動態體驗,虛擬實驗的效果就在於能與現實結合,通過實驗來確定我們生活中是不是想能完成現在的實驗現象。
虛擬模擬實驗是指在電腦系統中,採用虛擬現實技術實現的各種虛擬實驗環境,實驗者可以像在真實的環境中一樣,完成各種預定的實驗項目,所取得的學習或訓練效果等價於甚至優於在真實環境中所取得的效果。虛擬模擬實驗由實驗所依賴的模擬程式、實驗單元、工具和參考資料組成的一個創造和引導模擬實驗的交互環境,用戶可以通過增加新的物體、建立新的實驗並把他們轉化成超文本文件來擴充實驗室。
虛擬模擬實驗是以數學理論、相似原理、信息技術、系統技術及與其應用領域有關的專業技術為基礎,以電腦和各種物理效應設備為工具,採用“面向對象”思想創建的能夠實時操作的、非實在的實驗空間,在此環境中,實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種預定的實驗項目。
虛擬模擬實驗室易於構建、易於實現,便於異地線上檢測和遠程測控,可以運用網路技術及現有設備搭建功能強大的實驗系統,從而節省大量的購置設備費用,顯著降低實驗室建設和管理成本。虛擬模擬實驗可以提供開放式實驗環境。學生可以打破時間和地域的限制完成相關的教學實驗。
某些理論知識高度概括抽象或者所涉及的領域屬於巨集觀和微觀,現實世界難以找到具體的案例進行演示 。部分專業課程的實驗室教學資源有限,開放時間有限,不能滿足學生隨時進行自主學習和動手實踐的要求。部分理論教學要構建物理演示系統成本高、操作困難,缺乏讓學生動手實踐的條件。
為解決傳統理論教學與學生工程化培養之間的矛盾,拓展實驗教學的深度和廣度、提高實驗教學實效,實現理論與實踐教學的密切結合,同時也儘可能減少實驗成本和潛在危害,在課堂基礎理論教學上,利用專業的模擬軟體,採用多媒體技術以及網路通訊平臺,構建具有高度真實感、直觀性和精確性虛擬模擬實驗教學平臺, 是專業實驗教學的有益補充和創新 。
虛擬實驗的實現將有效緩解很多高校在經費、場地、器材等方面普遍面臨的困難和壓力,而且開展網上虛擬實驗教學能夠突破傳統實驗對“時、空”的限制,無論是學生還是教師,都可以自由、無顧慮地隨時隨地上網進入虛擬實驗室,操作儀器,進行各種實驗,有助於提高實驗教學質量。
網上虛擬實驗室的開發與應用將會對實驗教學改革產生變革性的影響。
虛擬實驗國家相關政策[1]
虛擬模擬實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示範中心建設的重要內容,是學科專業與信息技術深度融合的產物。虛擬模擬實驗教學中心建設工作堅持“科學規劃、共用資源、突出重點、提高效益、持續發展”的指導思想,以全面提高高校學生創新精神和實踐能力為宗旨,以共用優質實驗教學資源為核心,以建設信息化實驗教學資源為重點,持續推進實驗教學信息化建設和實驗教學資源開放共用,推動高等學校實驗教學改革與創新。
虛擬模擬實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、資料庫和網路通訊等技術,構建高度模擬的虛擬實驗環境和實驗對象,學生在虛擬環境中開展實驗,達到教學大綱所要求的教學效果。
虛擬模擬實驗教學中心建設應充分體現虛實結合、相互補充、能實不虛的原則,實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。在涉及高危或極端的環境,不可及或不可逆的操作,高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時,提供可靠、安全和經濟的實驗項目。
虛擬模擬實驗教學中心重點開展資源、平臺、隊伍和制度等方面的建設,形成持續服務實驗教學,保證優質實驗教學資源開放共用的有機整體。
(一)虛擬模擬實驗教學資源
充分體現學校學科專業優勢,積極利用企業的開發實力和支持服務能力,系統整合學校信息化實驗教學資源,以培養學生綜合設計和創新能力為出發點,創造性地建設與應用軟體共用虛擬實驗、儀器共用虛擬實驗和遠程式控制制虛擬實驗等優質教學資源,推動信息化條件下自主學習、探究學習、協作學習等實驗教學方法改革,提高教學能力,豐富教學內容,拓展實踐領域,降低成本和風險,開展綠色實驗教學。鼓勵自主創新和擁有自有知識產權。
(二)虛擬模擬實驗教學的管理和共用平臺
按照服務與資源相結合的原則,建設學校統一的具有開放性、擴展性、兼容性、前瞻性的虛擬模擬實驗教學管理和共用平臺,高效管理實驗教學資源,全面提供搜索導航服務,及時發佈資源應用信息,切實擴大資源影響力度,實現校內外、本地區及更大範圍內的實驗教學資源共用,滿足多學科專業、多學校和多地區開展虛擬模擬實驗教學的需要。探索高等學校、科研院所、企業共建共管共用的新模式,構建可持續發展的虛擬模擬實驗教學服務支撐體系。
(三)虛擬模擬實驗教學和管理隊伍
建設教學、科研、技術、管理人員相結合,核心骨幹人員相對穩定,年齡、職稱、知識、能力結構合理的虛擬模擬實驗教學團隊,形成一支教育理念先進,教學科研水平高,信息技術應用能力強,實踐經驗豐富,團結協作、勇於創新的虛擬模擬實驗教學和管理隊伍。
(四)虛擬模擬實驗教學中心的管理體系
以虛擬模擬實驗教學資源的充分使用和更大範圍開放共用為目標,系統制定並有效實施保障虛擬模擬實驗教學的教師工作績效考核、經費使用管理、實驗教學中心維護與可持續發展等政策措施,建立有利於激勵學生學習和提高學生創新能力的教學效果考核、評價和反饋機制。
國家虛擬模擬實驗教學項目,將依托國家虛擬模擬實驗教學項目共用平臺(實驗空間,www.ilab-x.com)