虚拟仿真实验发展历程和未来趋势

虚拟仿真实验发展历程和未来趋势

谷岩

身份证：211381198108270848

摘要：本文简单陈述了虚拟仿真实验室的技术特点以及发展历程，并对其在教学领域的积极影响进行了分析，对实验室未来的发展前景进行了展望。随着科技的蓬勃发展，虚拟仿真实验室在教育领域的应用愈加广泛，弥补了传统实验教学的不足，有助于实验教学质量的改善，提升学生实践操作能力。在未来，虚拟仿真实验室将会进一步发展和完善，将会在教育领域发挥更大的作用。

关键词：虚拟现实技术；虚拟仿真实验室；实验教学

中图分类号：G434  文献标识码：A

引言

虚拟仿真实验室是综合运用信息化技术，构建符合实验需求的高度仿真实验场景。虚拟仿真实验室在教学领域的应用打破了传统实验教学模式中的种种限制，能够构建符合实践教学需求的仿真实验场景和实验对象，改善了教学环境，优化了实验教学方法，提升了课堂趣味性，促进课堂效率的提高。

一、虚拟仿真实验室概述及发展阶段

1.1概述

“虚拟化技术始于对分时操作系统的需求”[1]。虚拟仿真技术就是以网络为载体，运用计算机技术，通过一些应用软件来进行虚拟合成。虚拟实验室是由美国William Wolf教授于1989年提出：“虚拟实验室是具备很强交互性的电子化、网络化沉浸式虚拟人工环境”[2]。与真实实验相比，在虚拟仿真实验中，实验对象并不是真实存在的，是通过运用虚拟现实技术、多媒体技术、计算机编程技术等，在计算机上体现出来的。“虚拟仿真实验室具有开放性、高效性以及经济性的特点”[3]，能够确保实验过程不被其他因素干扰，同时也能避免实验所用或实验过程中所产生的有毒有害物质带来的不良影响，确保实验的安全性。

1.2发展阶段[l1]

1.2.1第一阶段

虚拟实验的第一个阶段是计算机仿真阶段。这一阶段中，人们主要是运用计算机的超强数据处理能力来对实验数值进行处理，比较注重实验的逻辑性以及确定性，实验操作者参与度很少。

1.2.2第二阶段

虚拟实验室的第二个阶段是虚拟现实阶段，通过运用虚拟现实技术，能够为实验者构建虚拟仿真实验环境和实验对象，实验者运用计算机技术、多媒体技术以及编程技术等来制定或调整实验方案，虚拟实验室能够将实验过程和实验结果以更加直观、形象的方式呈现给实验者。

1.2.3第三阶段

虚拟实验室的第三个阶段是全息虚拟现实阶段。这一阶段中，更多技术被应用到虚拟仿真实验室中，实验者借助某些设备就可以进入到构建的虚拟实验场景中，能够通过操作交互设备，如数据头盔、手套或刚性骨架衣服等来驾驭该场景，并且能够操纵场景中的各类物体，如实验设备、实验对象等，更加全面深入的参与实验活动。

二、虚拟仿真实验的优势

2.1互动性强，提高学习主动性与效率

在虚拟仿真实验室中，通过运用虚拟现实技术、人机交互技术等，能够直观、形象的呈现整个实验场景，并且，老师和学生都可以参与实验，可以观看实验变化的过程，有助于激发学生学习兴趣和探索精神，增强实验教学的互动性。在虚拟仿真实验室中，教师和学生可以通过操作计算机程序等来改变实验条件，从而能够在短时间内快速完成多个实验方案的对比，极大的提升了实验效率以及实验质量。另外，通过虚拟仿真实验，能够为学生构建可视化、游戏化的实验场景，将抽象、复杂的知识以立体、直观的方式呈现给学生，大大增加学习的趣味性，能够调动学生学习的积极性，进而在学习效率上见到可观提升。

2.2能够提供实操训练的机会

当前，不少学校由于教学经费不足，或者缺少实验设备以及实验场地等，无法正常开设教学实验课程，并且即使开设了实验课程，也无法保障每个学生都能参与实验操作。而运用虚拟现实技术，构建虚拟仿真实验室，能够有效解决这些问题，每个学生通过操作计算机就能够开展各种实验，并获得同操作真实实验一样的体验，能够对实验过程、实验原理以及其他相关知识等有更加感性的认识。另外，部分实验存在一定的危险性，并且可能会损害人体健康，传统教学中通常运用多媒体CAI教学的方式来开展这类实验的教学，学生无法直接参与实验，影响学习效果。在虚拟仿真实验环境中，学生则可以获取更多实操训练的机会，放心大胆的进行实验操作，在实验的过程中加深对知识的理解。

2.3丰富课堂教学形式

传统实验教学中，实验课程形式以及实验内容较为单一，且主要是教师来进行实验操作和讲解，不利于学生实践操作能力以及思维能力的培养。同时，在虚拟仿真实验室实现了对时空的无限扩展，教师可以在虚拟实验环境中创建多种实验项目，让学生参与进来，结合自己的实验需求来设计实验方案，使课堂教学形式更加丰富。另外，教师也可以设置实验主题，对学生进行分组，每个小组自己讨论实验方案和操作流程等，然后分享实验结果，教师再对学生的结论进行总结，指出实验过程中存在的问题以及不足之处，提供相应的解决方案，提高学生的思维能力以及自主解决问题的能力。

三、虚拟仿真实验室的发展趋势[l2]

首先，虚拟仿真实验室的功能将更加全面。在教学领域，自适应虚拟实验室将会广泛应用，虚拟仿真实验室将不仅仅作为教学平台来开展实验教学活动，未来将会对学生在虚拟实验学习中的体验进行调查和评价，推动教学模式以及教学平台的优化和完善。同时，自适应虚拟实验室能够根据学生的学习数据来修正自己的特征，为学习者构建一个符合其学习特性的获取知识与技能的虚拟实验环境。其次，在构建虚拟仿真实验室的过程中，将会融入更多的科学技术，实现多技术融合开发，同时也会增强自身的协作性。在科学实验中，参与各方共同合作是实验顺利完成的一项重要因素，通过虚拟仿真实验室的协作系统，能够实现跨部门、跨区域以及跨时区的实验协作。最后，虚拟仿真实验室的交互性将会增强，通过综合运用虚拟现实技术、数字化仿真工具等，能够让实验操作者在实验过程中获得更加真实的体验感。

四、结语

随着科技的发展，虚拟仿真实验室逐步实现多种技术的融会贯通，构建仿真实的验场景能够优化立体空间、立体物品以及实验过程的展示效果，快速便捷的调整实验方案和参数等，在较短时间内呈现不同实验方案的实验结果，提升了实验效率。虚拟仿真实验室具备功能齐全、真实感强以及可交互性等特点，随着其逐渐被应用到实验教学领域，虚拟仿真实验室成为了一种新型的教学模式。通过对这种教学模式的合理应用，能够大大提升实验教学的趣味性，吸引学生积极参与实验学习，同时也能增加学生参与实验操作的机会，也便于各种形式教学活动的开展。在不远的将来，虚拟仿真实验室将继续发挥发展其在交互性、协作性以及现实感方面的独特优势，满足更多学生对多样化实验操作的需求，从而在教学领域发挥更高的价值。

参考文献：

[1]徐艳红, 郭瑛, 王凤英.“电工学”中涉及戴维宁定理的教学方法探讨[J]. 教育教学论坛, 2015 (49): 180-181.

[2]WULF W A. The Collaboratory Opportunity[J]. Science, 1993,261(5123):854-855.

[3]李想.高职院校虚拟仿真实验室的建设与管理研究[J].计算机产品与流通,2017:261.

作者简介：

谷岩 1981年8月27日，女，汉，河北省丰润县，硕士，研究方向：教育科技产业

[l1]每个阶段的字数太少，建议进行扩充。既然题目叫做虚拟仿真实验的发展历程和未来趋势，那么内容占比上起码也要多一些

[l2]按照题目，应该为“未来趋势”。对“首先其次最后”进行分段并扩容。在“最后”里，可以额外说体验感能带来什么，如更深的印象，更好的反馈，这对学生和开发商都是希望得到的。