西部高校发展虚拟实验的必要性与可行性研究

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摘要 旨在对西部高校发展虚拟实验的必要性与可行性做出论证，为此对甘肃省高校实验教学进行抽样调查和走访，统计并分析甘肃省高校发展虚拟实验的各种因素，并就西部省份高校发展虚拟实验的可行性进行探讨。

关键词 西部高校；虚拟实验；必要性；可行性

中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1671-489X(2012)15-0006-04

近年来，随着通信、计算机、多媒体和网络等先进技术的迅速发展，使得虚拟现实技术在实验教学领域应用成为可能。将虚拟现实技术应用到实验室，因而产生虚拟实验，虚拟实验的出现为科学研究与实验教学的发展带来新的思路。

1 虚拟实验概念

关于虚拟实验的定义，研究者从不同的角度和程度上有各种描述。

1）从基本组成形式来看，虚拟实验是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，即实验场所，用户可以通过增加新的物体、建立新的实验并把它们转化成超文本文件来扩充实验室[1]。

2）从实现原理和工具来看，虚拟实验是以数学理论、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[2]。

3）从实验的效果来看，虚拟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[3]。

上述各种观点，虽然表述不同，但在关于虚拟实验本质的看法上，并没有大的差异。当然，过多地纠缠于虚拟实验的概念定义的描述，没有实质性的意义，如何支持虚拟实验的发展，开发、设计虚拟实验以及将其科学合理地应用到实验教学中，提高实验教学质量，促进实验教学发展，才是研究虚拟实验的重点。

2 研究现状

虚拟实验出现以后，因其良好的应用前景，各国均投入大量的资金和人力进行研究。美国作为虚拟实验研究开展最早的国家，在该领域已经取得一些进展，其中代表性研究成果有伊利诺伊大学的Nmrscope系统，俄勒冈大学物理系主办的VLAB物理实验网站，麻省理工学院的WebLab在线设备检测实验室等。其他发达国家也在虚拟实验的研究和应用方面取得一些成果，典型代表如德国Ruhr大学开发的Vclab实验室[4]，新加坡国力大学电子工程系开发的用于工程教育的虚拟实验室，澳大利亚RMIT大学的John Ball和Kate Patrick设计的虚拟实验等。

与西方发达国家相比，我国虚拟实验的研究起步比较晚，在研究进展及技术上有一定的差距。但随着近年来政府相关投入的增加和研究者的重视，虚拟实验在我国已经得到快速发展。国内自主研发的典型虚拟实验系统有华中科技大学的液压回路性能和液压元件装拆虚拟实验[5]，北京大学的基于WWW支持大计算量和交互式的网上虚拟实验室的基本结构（3WNVLAB）[6]，北京师范大学研制的Evlab系统，北京东方仿真控制技术有限公司开发的化工原理仿真实验系统，等等。

3 西部高校开展虚拟实验建设的必要性

西部12个省份，70%的国土面积上生活着全国大约30%的人口。2007年的统计数据显示，西部在全国的高等教育格局中处于相对弱势地位，拥有的高校数仅占全国高校总数的24.4%，国家重点实验室占14.9%，一级学科国家重点学科占11%，中国科学院院士占7%，中国工程院院士占10%，博士学位授权点占17.2%。现任兰州大学校长周绪红在一次采访中表示，西部地区的高等教育有“六少”：重点高校少、直属高校少、重点学科少、重点实验室少、研究生（论坛）学位授权点少、招生名额少。

3.1 甘肃省高校概况介绍

甘肃省有专科层次以上普通高校30余所，其中“211工程大学”1所，省部共建大学1所，普通本科院校12所，其他皆为专科院校和高职院校。仅以甘肃省高校为例，教学仪器缺额为4.4亿元，图书缺额为98万册，教学实验用房缺额为175万平方米。省财政每年可用于高校的基建投入仅有1 000万元左右，省属院校建设主要依靠银行贷款，总负债已高达49亿元，每年支付利息需3亿多元，且息滚息，对本来就投入不足的省属高校无疑是雪上加霜。曾有政协委员在政协甘肃省九届五次会议召开的“教育发展专题联组座谈会”上，做过一份关于“巨额债务困扰甘肃高校正常发展”的调查报告[7]，报告中指出，甘肃省30余所普通高校，负债49亿元，年利息近4亿元，高校资金短缺，基础设施建设严重滞后，已成为影响高校稳定的重要因素，成为高校扩招后教育教学质量不能完全保证的重要诱因，成为制约高等教育持续健康发展的主要瓶颈。

3.2 甘肃省高校实验教学现状调查分析

为了深入了解甘肃省高校目前的实验教学情况，笔者设计了《甘肃省高校实验教学现状调查》问卷，对甘肃省高校的实验教学进行抽样调查。调查范围涉及甘肃省办学条件较好的7所院校（见表1），它们从不同的层面上代表了甘肃省的高等教育。调查对象分为在校大学生（包括研究生）和任课教师，涉及学科多达54个，其中理工科类占88.89%。调查共发放学生问卷325份，收回有效问卷269份，问卷有效收回率为82.76%；发放任课教师问卷160份，收回有效问卷104份，问卷有效收回率为65%。根据艾尔·巴比的“问卷回收率至少要有50%才是足够的”[8]这一说法，可见本调查问卷有效回收率满足要求。

问卷从实验设备能否满足授课、学习、科研需求，实验设备存在哪些方面不足，实验课的开设情况，假设实验课开展比较差的原因等几个维度进行了调查。

1）从实验设备的满足度统计分析看，不管是学生还是教师，从学习、授课及科研角度都认为实验设备的满足度不够。其中，59.1%的学生认为无法满足其学习需求，51.0%的任课教师认为不能满足授课需求，61.5%的教师认为不能满足科研工作。

2）从实验设备现状调查分析看，教师和学生都认为经常使用的设备比较缺乏，分别占调查组中的46.2%和33.8%，占总调查人数中的37.2%，比重最大；同时有46.1%的学生、51.9%的教师认为比较昂贵的设备不足，占总调查人数的47.7%。可见，由于高校资金不足，在实验教学的投入上有限，致使经常使用的实验设备和比较昂贵的设备明显不足。

3）从实验课的开展情况来看，只有3.4%的调查者反映实验课没有开设，由此推断，甘肃省高校实验课开设基本正常，那么在实验设备不足的情况下，实验课的开设效果如何呢？从学习者的角度分析来看，60.6%的学生认为实验课没有达到预期的学习效果。

4）通过对实验教学效果不佳的原因探索的统计分析，表明导致实验教学效果不佳的直接原因之一是硬件问题，实验设备数量不足、种类不全以及经常使用的和比较昂贵的实验设备的缺乏等直接影响了实验教学效果，所占比重高达49.8%。而另一个原因是教学制度及教学进度的问题，理论课程太紧，忽略了实验课，实验课次数太少，课时数太少等也成为影响教学效果的重要原因，其所占比重为46.1%。

因此，不难看出甘肃省各高校虽然基本上都开设了实验课，但由于硬件建设及教学制度等原因，实验教学效果远没有达到教学的要求。

3.3 实验教学模式落后

实验教学最基本的目的是让学生学习实验方法、科学思维方法和学科的基本研究方法。然而实验教学组织形式和教学模式的僵化滞后严重阻碍实验教学目标的实现。在对问卷进行统计分析和对表1中7所高校走访的结果来看，实验教学（除研究生实验课程）的组织形式和教学模式普遍存在下面几个问题。

1）理论验证性实验教学成为主角。在走访中有85.3%的教务管理教师和71.7%的任课教师认为实验课的开设存在严重问题。首先，在设置实验课时，学校主要考虑什么理论课程需要实验，就开设什么实验课程，而不是在宏观上为某门学科制定具体明确的实验教学培养计划。这样的排课制度造成各实验课之间缺乏联系，综合性实验课更是无法开设，不利于学生处理问题能力的培养。其次，理论课没有讲到，实验课就不能先做，实验只起到验证理论的作用，变成理论教学的辅助手段。实验教学更重要的是培养学生运用所掌握的知识分析、解决问题的能力，而验证性实验是最低层次的实验。

2）教学内容滞后，脱离实践。由于实验室不对外开放，内部封闭，再加上实验设备在没有资金支持下不能及时更新，学科发展的新思想、新技术、新方法不能被及时吸收到实验教学中来，使得实验教学手段、教学内容更新非常缓慢，远远落后于时展的步伐。实验课只是对课本知识的重复、理论的验证，缺少实际问题的解决。学生只关心如何完成学习任务，很少思考如何利用所学的知识解释生活中的实际现象，解决实际问题。

3）忽视实验的主体。实验教学的组织形式机械模仿课堂教学，基本上就是按班级进行教学安排，由于同一类型的设备数量固定，这样的安排导致班级人数多的设备不够，人数少的设备闲置。虽然教学班一直是教学管理的有效载体，但它却往往是教学尤其是实验教学忽视学生个体差异的前提。在实验教学过程中，学生没有任何发言权和选择权，教师安排实验内容，准备好实验仪器，实验之前教师先对本实验的目的、原理、实验步骤进行讲解，然后演示实验[9]。学生只要照着现成的步骤，按部就班地进行实验，最后交一份实验报告即可。并且在统一的实验课结束后，实验室便关门，学生再没有接触实验的机会。这种僵化的实验教学模式漠视学生能力差异和个性的发展，并且很大程度上抑制了学生做实验的积极性和主动性，更不利于学生创新实践能力和探索精神的培养。

4）实验室设备隐性浪费。实验室的建设是高等院校除基建外投资最大的基础建设，理应在人才培养中发挥与之相称的作用。然而，笔者在调查中发现，实验室的利用不容乐观，存在隐性浪费，这些投资巨大的实验设备学生只能在固定的实验课堂上使用，实验课结束后便关门大吉。更有甚者，有些实验室因为没有相应课程的安排而闲置一个学年，学生不允许进入实验室，更无权使用实验设备。还有些单位花大资金为某项目购买了仪器，在项目结束后便搁置一旁，直至淘汰报废。

3.4 发展虚拟实验是实验教学走出困境的有效途径

在目前高校资金短缺，实验教学形同虚设的情况下，发展虚拟实验成为实验教学走出困境的有效途径。虚拟实验尽管不能完全取代传统实验，但因其与生俱来的优势将克服传统实验教学中存在的多方面困难。

1）走出资金困境。虚拟实验的实验仪器和设备都是通过软件虚拟化的，除了开发实验软件和架设虚拟实验环境的网络设备的费用外，相比大规模地购置真实实验设备、增加实验场所以及大面积地更新换代所需要的费用，虚拟实验耗资较小，并且减少了设备的损坏，也更易于更新换代。尤其对大型精密仪器的虚拟，不但节省了资金，而且学生也将有机会接触应用到。

2）突破时空的限制。虚拟实验可以突破时空的限制，这有三方面的涵义。①传统实验中由于受到实验时间和实验场所的限制，学生基本上除了在实验课堂上规定的时间内进行实验学习外，就再没有机会进入实验室了。虚拟实验则不受时间和空间限制，只需在任一有网络的地方便可进入实验室，选择性地做实验，并可反复多次实验。②虚拟实验可以模拟大到天体运行、小到原子结构等真实实验无法实现或很难实现的情况。比如，学生可以置身于虚拟的宇宙中，观察天体的运动轨迹和相互关系；学生也可以进入原子世界，观察原子的组成结构。③有些需要长时间才能观察到变化过程的实验，通过虚拟现实技术模拟，可以在短暂的时间内展示给学生观察，如种子的发芽过程、蜜蜂的工作规律等。

3）实验内容的新颖和实验方法的先进。虚拟实验本身不仅基于各种先进技术，更重要的是它是在先进教学理念的指导下建设的。虚拟实验系统建设在网络基础之上，成为实验内容快速更新的前提，加之更新升级成本较低，使得先进的教学理念可以很容易地设计到实验系统中，并且虚拟实验能够仿真世界第一流的仪器设备，为实验的先进性提供设备基础。

4）学生成为实验教学的主体。在虚拟的实验环境中，学生能够根据自己的情况，自主地选择实验内容，自我控制实验过程。在学习之前，可以对实验内容、实验仪器、实验原理等进行熟悉和理解，也可以在实验后对没有观察清楚和不理解的地方反复实验。同时，学生还可以在教学内容之外，对感兴趣的实验进行深入研究，尝试实验。学生在实验的过程中自始至终处于主体地位，充分激发学习热情、提高学习效率的同时，更有利于发散思维、创造性思维的培养，以及解决实际问题的能力的锻炼。

因此，虚拟实验不仅可以有效解决目前实验教学中存在的各种问题，还从深度和广度上使实验教学得到提升。虚拟实验教学必将有力地推动教学内容、方法和教学模式的变革，是实验教学的发展方向，是现代化教学尤其是实验教学改革的必然趋势。

4 西部高校发展虚拟实验的可行性

4.1 可行性基础之先进技术的发展

1）计算机与网络的发展为虚拟实验提供了可靠的硬件基础。随着我国教育信息化的大力推行，校园网络的建设和计算机的普及给虚拟实验教学打下坚实的基础，并对其产生巨大的推动作用。2002年，随着“西部大学校园计算机网络建设工程”项目的启动，在国家的大力支持下，西部各高校相继建立了校园网，校园主干带宽几乎都达到1 000 Mbps，桌面带宽也达到100 Mbps。近年来，部分高校计划或正在实施校园网络升级，千兆校园网络为虚拟实验教学的实施打下坚实基础。

2）先进的开发技术为虚拟实验提供技术支持。近年来，比较流行的虚拟实验开发技术主要有VRML、JAVA\Java Applet、Quick Time VR以及3DMAX等各种Web技术，以及图形图像处理、视音频技术的发展与广泛应用，为虚拟实验的开发提供了技术保障。

3）数据库技术的发展为虚拟实验提供了强大的数据支撑。世界一流的数据库公司开发的大中型数据库，比如Oracle、SQL Server、DB2、Sybase、Informix等可以满足不同的数据存储访问需求，成为虚拟实验教学庞大的实验数据安全存储和高速访问的支撑[10]。

4.2 可行性基础之学科、人才保障

高校本身就是人才云集的地方，仅以甘肃为例，虽处落后的大西北，但不乏历史久远的百年学府（兰州大学、西北师范大学、兰州理工大学），在百年办学期间，已经形成比较稳固且门类、层次齐全（博士、硕士、本科、专科高职等）的学科，并且在各个学科都有雄厚的师资力量，其中不乏两院院士、国内学科带头人、长江学者等在学术上有领导地位的人才。完善的学科背景和雄厚的师资力量为虚拟实验的建设提供了强大的学术保障。

4.3 可行性基础之成功的经验和大量理论研究的开展

本文前面已经介绍了国内外很多典型的虚拟实验研究和应用的成功案例。在此，笔者从文献检索的角度，通过CNKI检索对国内虚拟实验研究的现状进行统计分析。以“虚拟实验”为关键词，2005～2009年为时间段进行文献检索，在题名包含“虚拟实验”的期刊论文和硕、博士学位论文研究中，检索到665篇，并按年度检索了这5年间的研究情况。结果表明，文章的篇数稳步上升，人们对“虚拟实验”的关注度逐年提升。这些研究成果也是发展虚拟实验的奠基石，为虚拟实验的建设指引了方向。

5 总结

虚拟实验的建设不仅为西部省份高校解决实验教学的问题指明了道路，还是培养高素质人才的迫切要求，也是院校现代化建设的必然趋势和提高教学效益的有效途径。虚拟实验的建设不仅可以节约在实验教学方面的投入，更重要的是可以完善高校现有的教学体系，提高高校的教学水平和教学质量，促进学生学习的自主性，培养学生的探索精神和创新精神。

参考文献

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[2]单美贤,李艺.虚拟实验原理与教学应用[M].北京:教育科学出版社,2005.

[3]汪诗林,吴泉源.开展虚拟实验系统的研究和应用[J].计算机工程与科学,2000,22(2):33-35,39.

[4]德国Ruhr大学.Virtual Control Lab[EB/OL]..

[7]贾治堂.不堪重负，甘肃一高校“关门”[EB/OL].www.gszx.省略/www/ContentsDisp.asp?id=3049&

ClassId=45.

[8]艾尔·巴比.社会研究方法[M].邱泽奇,译.北京:华夏出版社,2000.

[9]梁上燕,孙建安.对高校传统实验教学模式的反思[J].西北成人教育学报,2007(4):11-12.

[10]白娟.虚拟实验教学及其设计研究[D].西安:陕西师范大学,2005.