高校虚拟实验室建设探讨

2022-09-21

实验教学是教学活动中的一个重要环节, 对于深化学生对所学知识的理解和掌握, 培养学生分析问题和解决问题的能力起着重要的作用。

近年来, 随着高校的跨越式发展, 在校生人数大幅增加, 实验室设备和实验教学场地很难跟上发展的要求。传统的实验项目多为命题型验证性实验, 学生在教师指导下完成实验教学内容, 学生的自主性差, 学习积极性不高。虚拟实验室能够不受时间和空间的限制, 自主设定实验内容, 对于提高学生学习的积极性, 培养学生的动手能力有着很重要的意义。

1 虚拟仪器的概念

虚拟仪器 (Virtual Istrument, 简称VI) 是20世纪80年代末提出的新概念, 它的出现是仪器领域的一次重大革命。虚拟仪器是以计算机硬件和数据采集系统为基础并配以应用程序的一种软件和硬件的结合, 用来完成仪器的测量及相关功能。虚拟仪器系统主要由计算机、硬件卡、软件及附件组成, 虚拟仪器的应用程序把仪器的硬件和计算机的硬件融为一体, 把计算机强大的计算处理能力和仪器的测量控制能力相结合, 大大减小了仪器硬件成本和体积, 并利用软件实现和完善仪器的功能。软件系统是虚拟仪器的核心, 因此有“软件即仪器”之说。

2 虚拟实验室的特点

2.1 经济性

虚拟实验室只需要计算机和软件就可以做各种实验, 既减少了传统实验室建设中的大量资金投入, 又可以提高实验室的利用率。在虚拟实验过程中不会由于学生的误操作而导致实验仪器的损坏, 也不存在传统实验中实验材料的消耗。

2.2 安全性

对于一些危险性较高或对人体健康有害的实验, 一般采用多媒体CAI教学方式来取代实际的实验, 学生无法直接参与实验, 教学效果较差。虚拟实验室则能够很好的避免这一问题。

2.3 开放性

虚拟实验室与网络技术相结合, 建成网络虚拟实验室。学生可以不受时间、空间和实验次数的限制, 随时随地的进入网络虚拟实验室网站, 根据自己的想法进行实验。

2.4 针对性

传统的实验内容局限于理论的验证和对教师讲解的简单模仿, 不利于学生创新能力的培养和综合能力的提高。在虚拟实验过程中, 将实验现象, 实验结果重点突出, 使学生在有限的时间内, 有更多的时间动手, 动脑, 领会和掌握更多的知识, 而不是把时间更多的花在仪器的连接和调试方面, 使得实验效率大大提高。

2.5 准确性

传统的实验设备都是物理实体, 相同功能的实验设备由于测量精度不同, 价格差异很大。而且通过一定时间的使用后, 实验设备故障增多, 测量精度下降。虚拟仪器主要由软件构成, 受电缆长度、阻抗和仪器修正因素的影响较小, 测量准确性较高, 性能稳定, 不存在设备老化问题。

2.6 交互性

在虚拟实验的过程中, 学生可以随意的改变实验条件, 观察实验结果。虚拟软件可以根据学生要求任意放慢或加快实验进程, 从而使学生看到传统实验条件下观测不到的结果, 从而使学生在实验的过程中加深对知识的理解。

2.7 扩展性

虚拟仪器的功能可以由用户自己定义产生, 而不是像传统实验设备那样, 出厂时由厂家来设定。用户只需要在软件中加入一些通用模块, 就可以根据自己的需要对虚拟仪器功能进行设定和升级。

2.8 实用性

虚拟实验室可以开出的实验很多, 可以覆盖多个专业的实验课程, 并且能够实现自动接线、自动测量实验数据、自动实例演示、自动生成电路原理图等多种功能, 实验数据可以进行编辑、存储、打印。

2.9 真实性

虚拟实验室中所用实验元器件、电路、仪器等与实际器件性能完全相同, 虚拟实验中得到的结果与实际仪器测出的结果也相同。

3 虚拟仪器在实验教学中的应用

3.1 虚拟仪器在国外教学中的应用

由于国外对虚拟仪器的研究起步较早, 在虚拟实验室建设方面处于领先地位。比较全面和通用的是由美国国防部高级研究计划局 (DARPA) 立项, 南加利福尼亚劳伦斯伯克利实验室 (LBNL) 、加利福尼亚的伯克利大学 (UC Berkeley) 、美国施尔公司的PaloAlto研究中心 (Xero PARC) 、南加利福尼亚信息科学学院 (USC/ICI) 联合设计的网络仿真器——ns。目前正以ns为引擎, 开发一个虚拟互联网络测试平台系统VINT (Virtual InterNetwork Testbed) , 提供个专业网络设计人员作为网络性能测试工具, 目前已经有200多家科研机构和大专院校使用。美国Frostburg州立大学, 加拿大多伦多Quan-ser虚拟实验室, 新加坡国立大学也都开展了相关的研究。

3.2 虚拟仪器在国内教学中的应用

在国内的高校中, 虚拟实验室建设也得到了高度的重视。清华大学利用虚拟仪器构建汽车发动机检测系统, 中国科技大学人工智能与计算机应用研究室研制出的几何光学设计平台可以完成所有的单透光和组合透光实验, 华中理工大学、四川联合大学、淮海工学院等高校也都将虚拟实验室建成并投入到实验教学中, 收到了良好的教学效果。

3.3 虚拟仪器在远程教育上的应用

在远程教育上, 将互联网与虚拟仪器相结合, 组成一个虚拟实验室, 远端的学生可以不受时间和地域的限制, 利用浏览器在计算机上进行各种虚拟实验。教师可以在后台对学生实验进行管理, 如:对学生提出实验要求, 对实验步骤进行指导, 对学生的实验报告进行分析, 从而收到良好的实验教学效果。也可以建立网络虚拟实验室, 将虚拟仪器教学系统作为一个课件子系统连接在远程教育中心, 中心实验室的虚拟仪器将采集到的数据, 通过网络自动传送到其他学生计算机的“虚拟仪器”上, 使远端的学生与中心实验室的学生一样, 同步观察实验现象和实验结果, 进行分析处理, 并通过网络进行讨论, 从而解决了远程教育如电大、网校实验教学的难题。