基于远程教育的理工科虚拟实验技术研究
李凯
摘? 要：讨论了理工科虚拟实验技术在远程教育应用中的重大意义，紧密围绕远程教育的发展，着重探讨了虚拟实验技术对实践教学的促进作用;详细分析了虚拟实验技术的特点，重点研究了虚拟实验技术目前在远程教育中的应用分类及其实现技术。提出了虚拟实验技术软、硬件环境建设;结合实践分析，指出理工科虚拟实验技术实现中存在的现状问题，提出了相应的解决措施。指出虚拟实验技术在一定程度上能够激发学生的学习兴趣和参与感，增进学生的探索精神。
关键词：远程教育;虚拟实验技术;虚拟实验应用;虚拟实验实现
中图分类号：G640 文献标志码：A? ? ? ? ?文章编号：2096-000X（2021）06-0056-04
Abstract： This paper discusses the significance of virtual experiment technology of science and engineering in the application of distance education， focuses on the development of distance education， and explores the promoting effect of virtual experiment technology on practical teaching. The characteristics of virtual experiment technology are analyzed in detail， and the application classification and realization technology of virtual experiment technology in distance education are mainly studied. The construction of software and hardware environment for virtual experiment technology is proposed. Based on practical analysis， the paper points out the existing problems in the realization of virtual experiment technology of science and engineering， and puts forward corresponding solutions. It is pointed out that virtual experiment technology can stimulate students' interest in learning and sense of participation to a certain extent， and enhance their spirit of exploration.
Keywords： distance education; virtual experiment technology; virtual experiment application; virtual experiment implementation
一、虚拟实验技术在远程教育中的意义
（一）远程教育的发展与现状
远程教育是伴随通讯技术和互联网技术的发展所产生的一种现代教育方式。在互联网技术支持下，远程教育进一步突破了传统的课堂教学，在各种PAD、手机或终端设备支持下，学生随时可以自主灵活的上课、考试。远程教育已经成为了一种时下流行的学习方式，尤其对成人学生来说无疑更是一种极其便利的学习方式。
上世纪80年代中期以来，部分学者将信息技术和远程教育理论结合推广，加拿大学者伽里森等人提出的三代信息技术和三代远程教育理论。他将远程教育的发展划分为三个重要阶段也就是三代[1]：函授教学;广播、电视、录像教学;电子通信技术下的远程教学。
伴随改革开放之后经济生活的迅猛发展，远程教育事业逐渐受到国家的重视，特别是在全国各地广播电视大学的创办为我国远程教育事业的发展做出了重大贡献。如今，各类院校几乎均有专门的网络教育部门，一些重点院校还专门建有相应的远程教育学院，使得远程教育不仅在数量上，更在质量上有了飞跃式的发展。
十九大报告中，习近平总书记提出对继续教育的要求，更将进一步刺激远程教育的成长与发展。通过40年的努力，我国的远程教育环境也日趋成熟[2]，形成了以普通高等院校和全国各地广播电视大学为两大重要力量的办学单位。随着时代的发展，两者之间还将广泛采取互补与合作，进一步促进了我国远程教育质量的提高。
（二）虚拟实验技术的起源
虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合信息技术[3]。在复杂传感技术、三维成像技术、高分辨显示技术和交互技术的综合作用下，产生的一种身临其境的用户体验。
在各种声光电设备刺激下，虚拟现实带领用户融入一种与现实生活视觉、听觉、触觉相逼真的环境中，通过用户的操作不断扩大感知和感受，进而成为虚拟环境的一员。
一直以来远程教育都存在一个薄弱的教学环节——实验操作。由于实验本身所具有的特殊性和操作性使得教师无法通过传统的录像复现方式给学生提供一个具体的操作体验，因此实验教学一直就成为了困扰远程教育发展的一个重要瓶颈。
虚拟实验技术起源于20世纪末，它是在虚拟现实技术发展的基础上建立起来的一项实验模拟技术。极大程度上解决了长距离与现场的矛盾，特别是理工科实践教学中一直存在的理论与实践不相融合的大問题。
（三）虚拟实验技术对远程教育的意义
实验是科学研究的方法之一，也是人类认识世界改造世界的重要方式。在各种实验设备、实验试剂、实验操作的综合作用下操作人员通过具体的实验过程进而获得客观真实的实验结果。
大多数的实验过程具有不可逆性和破坏性，一旦中途出现失误往往会导致整个实验的失败乃至生命危险。对科研人员而言，只有反复的再现实验才能确保过程的安全性和可靠性。
虚拟实验技术恰恰能够解决上述问题，在计算机技术支撑下，可以通过虚拟实验的方法来模拟实验过程和实验结果。整个实验过程中，所有的实验设备、实验试剂、实验操作乃至实验人员都是虚拟的。
从实际应用的角度来看，虚拟实验为操作者提供了一个可视化体验的电子平台;从组成特征来看，虚拟实验是一个创建、开展实验的交互环境;从技术实现角度来看，虚拟实验是互联网技术、交互技术和复杂传感技术的综合体;从教学角度来看，虚拟实验是一种借助计算机模拟和虚拟仿真完成实验活动的过程也是对传统实验的模拟与替代;从教学目标来看，虚拟实验以增进学生学习兴趣提高动手能力为目的。[4]
二、虚拟实验技术的特点
（一）打破时间和空间限制
虚拟实验技术打破了传统实验教学中，学生必须在实验场地完成操作的局限，学生可以随时随地进行操作，在终端设备的支持下学生可以更加开放的完成实验过程，使得实验设备和实验试剂将不再成为限制实验实施的重要障碍，学生可以自己掌控实验进度和实验内容。
（二）具有真实的体验感
虚拟实验技术是一项复杂的综合技术，它强调的就是模拟的真实性，也就是在互联网条件下，借助VR、AR技术构建出一种新型的实验环境，能够完全真实的模拟出在真实实验条件下的实验仪器、实验试剂的配置、连接、调节、控制、使用，最终获得一种等效于真实实验或者优于真实实验的体验效果。
（三）具有中止实验和复现的能力
虚拟实验技术最大的优势之一就是具有中止和复现能力，传统的实验操作往往不能够中止实验进程，特别是一些反应性的实验。在试剂配比完成后只能获得最终的实验数据，尽管可以追踪实验过程，但是无法获取某一特定时刻的过程状态。在虚拟实验技术的帮助下，实验者随时可以中止实验，同时获得在该条件下的实验体会，使得实验过程具有更大的可控性和观测性。此外虚拟实验技术还具有复现的能力，这就为实验数据的获取提供了极大的便利。
（四）能够避免实验危险
真实条件下，许多实验往往具有一定甚至极大的危险性，这就对实验者的操作安全构成了严重威胁。虚拟实验技术可以针对实验的危险性给予补偿，实验者借助虚拟设备在整个实验过程中，能够完全避免因为实验操作失误或者实验反应剧烈所造成的人身伤害。尤其是对火灾、安全事故型实验来说更具有不可替代的作用，实验者根本不必身处危险条件下也能获得相应的真实感体验学习，极大的保障了实验者的人身安全。
（五）能够极大的节约教学成本充分利用学习资源
传统的实验因其不可复建性所消耗的实验资源不具备可再生性。下一个实验只能另行采购相应的实验试剂、实验耗材。对虚拟实验技术来说，完全不存在上述问题，操作者只需将实验条件重新设定即可进行新一轮实验。极大的解决了生物实验中，缺乏实验对象、不能反复解剖病体的困难与障碍。大大节约了教学成本，借助于视像体验技术也能够起到充分利用学习资源的效果。
（六）刺激学生的学习兴趣提高教学效果
学生在学习过程中，作为学习主体既是知识的获得者，也是学习知识的探索者。因此怎样提高学习者的学习兴趣一直是每位教育工作者追求的目标。只有刺激学生的学习兴趣，学生才能够自发的投入到学习当中，才能获得相应的学习效果。虚拟实验技术由于具有强大的操作性和体验性，因此可以极大的刺激学习者的探索精神，较之于传统的面授教学、视频教学，学生具有了更多的参与感，学习者的身份也从被动接受者转变为学习的探索者。
通过西安广播电视大学的不断探索与努力，目前我校已经自建出一批虚拟实验资源并实际应用于课堂教学，通过对学习者的调查与追踪，学生明显表示出对体验性学习的兴趣，相应的教学效果也得到了进一步的提高与落实。
综上，虚拟实验技术作为一种具有极大潜力的教学手段，已经越来越多的受到关注，同时也被应用于实践教学当中。
三、基于远程教育的理工科虚拟实验技术的应用与实现
（一）虚拟实验技术在远程教育中的应用
当前虚拟实验技术已经越来越多的应用于日常教学当中，特别是在普通高校和广播电视大学系统中已经成为了一种重要的教学方式。目前，可操作的虚拟实验主要可以分为以下几种类型。
1. 模拟实验
模拟实验是通过模拟有关情境，探寻有机体在该模拟情境下的心理和行为反应，并依据此类观察结果进行推论的研究方法[5]。模拟实验最大的特点是通过虚拟仿真技术，将文字、图像、声音、动画综合表现出来，通过模擬具体而真实的实验环境、实验条件达到与真实实验完全相同的效果。目前广州福斯特公司已经开发出的全国电大开放教育会计本科多媒体实验室即为此种类型[6]。
2. 虚拟实验室
虚拟实验室将现有各类实验仪器、实验环境进一步虚拟化，通过虚拟试验台、虚拟器材库和虚拟实验管理系统整合，构建出一整套实验环境。目前上海开大已经建立了国际结算、机电、模拟银行等一系列网上实验室。学生在登录实验室后点击“空调安装”课件，即会在电脑显示器展现出空调压缩机的三维模型，通过鼠标的拖动可以进行空调的安装与调试练习，只有逐步按照正确的流程才能最终完成实验操作[6]。
3. 虚拟实践教学平台
目前广州电大已经建设了电子商务网上实践教学平台，平台包括理论教学、自检自测、法律法规、学习交流、模拟案例等模块内容，教师可以通过平台对学生进行在线指导并完成相应的教学管理工作，此平台还能为学生实时答疑和相关支持服务工作[6]。
（二）虚拟实验技术的实现
虚拟实验技术是具有可交互的综合化信息系统，用户通过特定的设备获得虚拟实验的数据请求，通过虚拟实验平台的处理，实时将数据结果反馈回用户，并通过一定的方式展现出来。整个虚拟实验技术主要由两个重要环境构成，即硬件环境和软件环境两个部分[7]。
1. 硬件环境
虚拟实验技术的硬件环境包括了虚拟实验服务器、各种外接设备、虚拟实验数据库、相关支持平台等内容。用户通过客户端与虚拟实验服务器建立联系，在数据通道的支持下实现大批量数据的转置与接收，提交相应请求给不同的应用程序服务器进行处理，并及时体验反馈效果。
2. 软件环境
软件环境分为服务端技术和客户端技术两类。
目前有很多种开发虚拟实验的软件，Visual C++、Lab VIEW、Matlab、Java、VB、Protel、DasyLab等等，其中Lab VIEW应用较为广泛。Lab VIEW是由美国国家仪器公司研制开发的使用图形化编辑语言G编写程序，输出程序为框图形式，程序框图中节点之间的数据流向决定了虚拟仪器及函数的执行顺序[8]。Lab VIEW程序包括前面板、框图程序、图标/接线端口三个部分[9]。Lab VIEW的框图形式能够将复杂的编程通过框图形式直观的展示出来，同时Lab VIEW众多的源代码设备驱动程序也为开发者提供了良好的设计基础;Lab VIEW通过连续动态的对数据的实时监测使得语言开发环境更加友好效率也更高。
客户端能够及时对虚拟仪器和虚拟实验平台的数据进行解释和反馈，同时也是人机交互的平台[10]。常用的实现客户端功能的技术有两种：一种是ActiveX技术，另一种是Java Applet技术。
ActiveX是一系列策略性面向对象程序技术和工具的称呼，ActiveX控件是可以在应用程序和网络中计算机上重复使用的程序对象。ActiveX的一大优点就是能够被大多数应用程序再使用，也可以由不同的计算机语言开发。
Java Applet是利用Java语言编写的小应用程序，可以直接嵌入到网页中，不需要第三方软件环境的支持，Java Applet的执行速度不受网络带宽或Modem存取速度的限制，用户能够更好地欣赏Applet在网页上产生的多媒体效果，有些Applet还允许同用户进行交互式操作。
四、理工科虚拟实验技术实现中的问题及对策
尽管当前理工科虚拟实验技术已广泛应用于远程教学，但仍存在很多亟待解决的问题。
（一）对理工科虚拟实验技术认识不足，需要进一步加深理解
虚拟实验技术在VR和AR以及人工智能的支持下，近几年虽然有了很大的进步与提高，但部分学者仍然秉持着虚拟实验技术不可能替代传统实验的观点，从而造成了对理工科虚拟实验技术的认识不足。虚拟实验技术不是万能的，也确实不可能完全替代真实的实验操作和实验过程，但作为一种领先的技术手段，虚拟实验技术却能够在一定程度上解决真实实验中的破坏性实验复建问题。一些教师认为，作为远程学习的工作者来说，他们已经具备了一定的实践操作能力，他们需要远程教育的真实目的仅仅是为了提高自身的理论水平加深理论与实际的关联性，因此虚拟实验技术对他们的帮助并不大[11]。针对上述意见，我校也一直在对成人学生的学习进行追踪。实践表明学生对于虚拟实验技术的渴望十分强烈，尽管有一定的动手能力，但也只是针对日常工作中的加工操作，并没有全部掌握机床设备的深层加工能力，因此对虚拟实验技术抱有很高的期待。
（二）实验环境要求较高，需要提高硬件支持
虚拟实验技术作为传统实验技术的代替与补充，相对于传统实验设备而言其实验环境要求比较高，特别是针对虚拟实验服务器和虚拟实验数据库而言，需要极大的数据传输和数据处理能力。虚拟实验设备不仅要满足基本的操作需要，同时还要具有良好的人体交互功能，从而便于操作人员获得相应的真实感知和实验过程的真实体验。
（三）优质虚拟实验资源有限，需要不断开发
虽然越来越多的高校和科研院所积极参与到虚拟实验的开发建设当中，但优质的理工科虚拟实验资源仍然十分有限。以机械学科为例，虽然已经构建出虚拟加工车间，特别是虚拟数控机床已经能够达到在数控机床形态、进给、换刀、转动惯量方面与实际的数控机床相差无几。但虚拟数控机床类别有限，虚拟刀具在虚拟坯料上的加工轨迹还比较单一，由虚拟的几何面构成的虚拟加工零件的质感还不能达到与真实实验相一致的程度，应用于数控加工零件预测方面的数据库仍显不足。这就需要在建立经验数据库的同时，应用人工智能技术，更加精准的预测虚拟零件的加工精度和表面性能，借以提高学习效果。
（四）虚拟实验技术软件支持不足，需要不断提高
虚拟实验中的软件问题是限制虚拟实验开发和设计的重要瓶頸，它不仅需要强大的数据开发与支持，更需要新的理论和算法支撑，目前针对理工科的虚拟实验教学相关软件还显得不太成熟。以我校自建安全技术与管理专业为例，虽然自建了一批虚拟体验资源，但其体验的真实度和画面的细致度仍有待提高。虚拟实验技术的软件支持需要仿真建模、数据计算、交互技术的强大支撑，有很多问题暂时还无法解决，即使软件的模拟度很高，仍不能完全代替具体的实验操作。只有将二者互相结合，借助虚拟实验技术为支撑，在教师和操作人员的引导下，帮助学生更好的体会实验操作和实验结果，从而更加适应现代远程教育的学习需要[15]。
（五）教师角色转化困难，需要思想转变
作为远程教育的工作者，许多教师仍存在教学认识上的角色定位不足，他们认为远程教育的重要内容就是为学生提供优质的教学资源，远程教育的重要手段就是借助多媒体和互联网技术改变传统的面授教学。因此在思想上忽略了虚拟实验技术也是优质教学资源的一种。
现代远程教育面对的学习对象不再是单一的课堂学习者，更多的是面对坐在各种电子终端前的学习者，他们的学习经验和学习能力千差万别，这就需要远程教育者能够为他们提供更多的优质资源。教师不仅仅要具备良好的专业理论知识，更需要具备相应的实际操作能力。
（六）虚拟实验技术的管理仍不到位，需要继续提高应用水平
现阶段远程教育对理工科的实践教学仍停留在传统教学范围内，大多数远程教育均不涉及实验操作，只是提供相应的实验教学视频讲解和视频录制资源，因此不能充分发挥学生自身的主动性，实验操作只能流于形式。加大实驗过程的监控力度，实施有效的实验教学指导并形成规范制度，逐步拓展理工科的实验教学，从制度上建立相应保障，将有条件开设虚拟实验技术的课程，从考核上加入对操作过程的作业要求和考核分数，切实有效的建立起对实验教学能力的考核才能起到提高教学质量的目的。
五、结束语
综上，尽管虚拟实验技术仍不能完全取代真实实验教学和实验过程，但虚拟实验技术作为一种教学方式和教学手段在现代远程教育中将会扮演更多的重要角色。远程教育工作者一定要提高认识，依托互联网和人工智能技术的发展构建智慧学习模式，摆脱现有教学中学生观看视频教学和视频讲解的固化模式，让学生参与其中，真正帮助学生锻炼创造性思维，切实提高动手能力。
通过构建不同的虚拟实验平台和虚拟实验资源，让学生真正参与到教学过程中，改变传统教学中学生被动接受的学习模式。转换学习者身份，通过互动参与依靠智慧教育模式真正实现远程教育随时可学可操作，随处可学可操作的学习氛围，从根本上激发学生的学习积极性和探索性，全面推进成人教育的改革与实施。
参考文献：
[1]杨立力.论虚拟现实技术与远程教育的结合[J].教育技术，2005（3）：61-63.
[2]朱青.现代远程教育：我国高等教育发展的趋势与方向[J].电子技术，2013（9）：84-85.
[3]李奕宁.VR技术在计算机组装与维护中的应用研究[J].电脑迷，2016（5）：59.
[4]曾靓.浅析虚拟实验在现代远程教育中的应用意义[J].科技信息，2009（3）：178.
[5]杨治良，郝兴昌.心理学辞典[M].上海：上海辞书出版社，2016：581.
[6]王者丽，范婧华.谈远程开放教育虚拟实验室的构建[J].齐齐哈尔师范高等专科学校学报，2011（2）：27-28.
[7]仲志燕.网络虚拟实验室的设计与实现[J].轻工科技，2014（3）：58-59.
[8]百度百科.LabVIEW[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/LabVIE
W/4165214.
[9]马晟.虚拟电子测量仪器技术[J].电子技术与软件工程，2017（1）：86.
[10]董树宇.基于网络的仿真实验室平台建构的探索[J].黑龙江科技信息，2013（2）：107.
[11]魏洪，惠玮.远程教育工科实践教学组织模式的建构与实践[J].继续教育，2010（6）：31-33.
