虚拟实验及其在学科教学中的应用与研究进展

第３１卷第４期　Ｖ０１．３ｌ　Ｎｏ．４　开封教育学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｋａｉｆｅｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　２Ｏｌ１年１２月２０日　ＤｅＣ．２０　２０１１　

ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００８—９６４０．２０１１．０４．０２５　

虚拟实验及其在学科教学中的应用与研究进展　

李伟光，许苏宜，蔡永红，许　英★　

（河南大学化学化工学院，河南开封４７５００１）　

摘　要：虚拟实验以其多感知性、沉浸感强、交互性等特点在许多领域有应用价值，引起了国内外专家学者　的极大兴趣。本文介绍了虚拟现实技术、虚拟实验的定义、分类、特点、应用领域以及国内外相关研究进展。－　

关键词：虚拟现实；虚拟实验；实验教学　

中图分类号：Ｇ４３４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８—９６４０（２０１　１）０４—００７９—０３　

虚拟现实技术最早诞生于美国．起初是为了满　

足国防与航空航天的需要ｎ］。随着计算机技术和通　信技术的飞速发展，虚拟现实技术得到了长足的发　

展．被应用到更加广泛的领域——由最初的国防和　

航空航天到科研、教育、娱乐以及学科教学方面。虚　拟实验是采用虚拟现实技术进行实验的系统．它具　

有传统实验不具备的一些优势．如不受场地时间限　

制、节约成本、利用率高、易维护、环保节能、可实现　微观世界宏观化等。随着虚拟现实技术的日益成熟．　

虚拟实验技术将得到更好的发展．应用于实验教学　方面的效果也更加贴近真实实验．其应用领域和深　

度将会进一步得到拓展。　

一、虚拟现实技术　虚拟现实技术（ｖｉｒｔｕａｌ　ｒｅａｌｉｔｙ）是综合计算机图　

形技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多　

种技术而发展起来的综合性技术口］。借助虚拟现实　技术可以生成逼真的视觉、听觉、触觉等一体化的特　

定范围内的虚拟环境．用户借助必要的设备与虚拟　

环境中的物体进行交互，相互影响，从而产生亲ｌ临真　实环境的感受和体验。　

虚拟实验是南虚拟现实技术生成的适合进行虚　

拟实验的实验系统，包括实验室环境、相关的实验仪　器设备、实验操作和信息资源等　】。　二、虚拟实验　

虚拟实验可追溯至１９８９年美国弗吉尼亚大学　

Ｗｉｌｌｉａｍ　Ｗｕｌｆ教授提出的合作实验室（Ｃｏｌｌａｂｏ—　

ｒａｔｏｎ，）——研究者可以不受地理位置的约束与同行　

交流，分享数据和计算资源，使刚相关仪器设备，从　数字图书馆获得信息　］。在这个虚拟的环境中。人　

们可以根据需求共享分布在不同地域的各种数据、　资源，操作相关仪器设备，与异地的人在线交流等。　

１９９９年８月。联合国教科文组织在美国爱荷华　

州立大学召开的会议将虚拟实验室定义为：“为了实　现远程协作实验研究或其它创新活动。通过分布式　

信息和通讯技术产生并发布结果的电子平台”＿６］。　

有研究者将虚拟实验定义为借助于多媒体、仿　真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分　

替代甚至全部替代传统实验各操作环节的实验［　。　

上面的界定从虚拟现实技术、实验效果等方面　定义了虚拟实验。目前关于虚拟实验（ｖｉｒｔｕａｌ　ｌａｂｏｒ—　

ａｔｏｒｙ）Ｊ￣没有完全统一的定义。　三、虚拟实验的分类　

虚拟实验有多种分类标准（如实验学科、应用方　

向等），根据用户和虚拟实验设备互动方式的不同，　

可将虚拟实验分为三类：桌面式、沉浸式、分布式虚　拟实验。　桌面式虚拟实验．即学生通过鼠标的单击、拖拉　

等动作实现相应实验操作，在计算机屏幕上观察生　成的实验结果。　

分布式虚拟实验运行在多台计算机上，通过分　布式的网络环境学生们可以进行实时交互．共享教　

学资源和虚拟的实验环境。甚至可以和其它用户计　

算机的仿真实验设备进行交互。　沉浸式虚拟实验通常采用洞穴式立体显示装置　

（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｖｉｓｕａｌ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）或头盔　显示器（ＨＭＤ—Ｈｅａｄ　Ｍｏｕｎｔｅｄ　Ｄｉｓｐｌａｙ）等相关设备，　

收稿日期：２０１ｌ—ｌ１—１２　通讯作者：许英（１９６３一），男，硕士生导师，副教授。研究方向：现代教育理论与技术应用。　基金项目：国家“十一五”教育科学规划项目（ＦＦＢ１０８０５６）。　

・７９・

　把学生的视觉、听觉等感觉封闭起来．营造一个虚拟　的“感觉空间”，再通过数据手套等传感装置与虚拟　

世界的对象进行交互。使学生产生一种在真实实验　环境中的感觉，所得的实验效果与真实实验相当，甚　

至优于真实的实验效果。　

四、虚拟实验的特点　与传统实验相比。虚拟实验具有多感知性、沉浸　

感、交互性等特点：　

多感知性：理想的虚拟实验应具有实验者所有　的全部感知功能——视觉、听觉、触觉、运动觉，甚至　

味觉和嗅觉。应用层次较低的虚拟实验（如桌面式虚　

拟实验）实现了视觉、听觉感知。例如，在“实验室制　

取蒸馏水”实验中，当水被加热至沸腾，温度计示数　达到ＩＯ０￣Ｃ时。可以即时听到水沸腾的声音；应用层　

次较高的虚拟实验（如沉浸式虚拟实验）可以实现视　觉、听觉、触觉、力觉等感知。　

沉浸感［８］：用户在虚拟环境中对所处的环境难　

辨真假。例如在洞穴式虚拟实验中，用户戴上相应设　

备。在高度仿真的环境中，感觉似乎置身于真实场景　中一般。　交互性：指用户可以对虚拟环境中物体进行操　

作，并得到及时的反馈信息。例如，学生使用《化学三　维分子模型》虚拟软件观察甲烷分子的三维结构时，　

可以通过鼠标随意对其旋转、移动，甲烷分子也随之　

呈现不同的构象。　

一些硬件辅助设备（如头盔立体显示镜）可以增　

强虚拟实验的交互性。学生戴上头盔立体显示镜，使　用三个自由度的空间跟踪定位器可做空间上的自由　

移动，可观察虚拟现实输出的效果，这种交互方式优　

于桌面式虚拟实验。　

此外，虚拟实验还具有利用率高、便于维护、成　

本低、易于推广、使用安全等特点。　五、虚拟实验的应用领域　虚拟实验因其多感知性、沉浸感等特点在军事　

训练、科研、教学（尤其是实验教学、远程教育）、工业　

设计、相关技能培训等方面均有较好的应用前景。　在伊拉克战争中，美军让士兵置身于模拟的伊　

拉克战场环境，练习突击、防暴等科目，提高了士兵　

应对战场突发事件的能力。　

中科院上海有机化学研究所开发了一套虚拟化　

学实验。其中的虚拟化合物结构生成系统（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）可实现如下功能：计　

算机自动选择取代基、结构片段的组合组装并通过　

结构唯一性判别等操作后给出用户期望的结构，用　

户得到结构多样性的虚拟化合物。　

・８０・　波音公司的设计人员在一个由数百台工作站组　成的虚拟世界中。无纸化设计了波音７７７飞机运输　

机＿９］，节约了设计成本，简化了设计流程。　

通过“虚拟青蛙”软件，医学专业的学生可以练　习解剖青蛙的相关操作．并观察到解剖后青蛙的内　

脏结构。　六、国内外研究进展　

（一）国外研究进展　

虚拟实验的研究兴起于上世纪四五十年代．国　外（尤其是欧美发达国家）在虚拟实验方面研究较　

早，目前在该领域处于领先地位，其虚拟实验的研究　

领域比较广泛，如软件开发、硬件开发、使用效果（与　真实实验相比）对比研究等，开发的虚拟实验主要用　

于实验教学、军事培训等方面。　

美国犹他州立大学于２００８年开发了ＰＣＲ　Ｖｉｒ—　ｔｕａｌ　Ｌａｂ，它是基于Ｗｅｂ浏览的桌面式虚拟实验，学　生通过鼠标单击、拖动等操作，根据提示信息和文本　

完成相关实验操作．并即时获得相应的实验效果和　实验信息，学生可以像在真实课堂上一样了解ＤＮＡ　

的微观结构和特性。练习ＤＮＡ提取操作。　加拿大的Ｍｏｄｅｌｓｃｉｅｎｃｅ公司开发了Ｍｏｄｅｌ　

Ｃｈｅｍｌａｂ软件．该虚拟实验可以模拟很多常规化学　

实验（如原电池反应、酸碱滴定），还能模拟一些普通　

实验室不能实现的反应（如Ｄｕｍａｓ一法测定分子的质　量和氧化还原反应动力学实验），’并实现实验的可视　

化。　

一些商业公司开发了如数据手套、力矩球等设　备。它们使虚拟实验的效果更加贴近真实实验，如力　

矩球（ｓｐａｃｅ　ｂａｌ１）通过手的扭转、挤压、摇摆等实现　

相应操作．通过球中心的张力器测量手施加的力：三　维空间交互球用于六个自由度虚拟场景的模拟交　

互，用户可从不同的角度和方位观察物体。　

在国外。虚拟实验已经走进了校园（尤其是高　校），教育工作者对虚拟实验的教学效果进行了对比　

研究．如东伦敦大学（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅａｓｔ　Ｌｏｎｄｏｎ）生　

命与健康学院（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｈｅａｌｔｈ　ａｎｄ　Ｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅ）对　在Ｓｅｃｏｎｄ　Ｌｉｆｅ中进行ＰＣＲ实验的同学与真实环境　

中实验的同学进行研究，比较两种实验方式在学习　

效果上的差异『ｌ们。　为使虚拟实验更加真实，有研究者提出了“故障　

发生器”（ｆａｕｌｔ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）：在实际工作中除正常情　

况下的操作．还有各种意外情况（如某些设备出现故　

障），故障发生器可以模拟一些意外情况发生的场景　

（如仪表信号不显示等），使实验者的体验更加贴近　

真实实验。

　（二）国内研究进展　我国在２０世纪９０年代初开始虚拟实验的相关　研究，对虚拟实验的研究主要集中在实验教学软件　

开发方面。　

我国的一些高校开发了基于计算机网络技术的　虚拟实验室．如浙江大学化学系开发了虚拟有机化　

学实验。学生可练习有机实验中的一些基本操作（如　

减压蒸馏），可以进行制备实验操作（如环己烯的合　成、正丁醚的合成），也可与教师网上交流；中科院上　

海有机化学研究所开发的虚拟化学实验室包括化合　

物致突变毒性预测系统、化学信息管理系统、有机化　合物疏水常数预测系统等ｌ７个系统：北方交通大学　

开发了电工电子实验系统．学生可以在线练习基础　

性实验、综合设计性实验、研究创新性实验。　

一些商业软件公司开发了基于中学实验的虚拟　

实验软件，如广东某公司开发了《中学仿真实验系　

统》，它包含了高中化学必修１和必修２教材中的实　验，学生可以观看视频演示，也可以在信息提示下模　

拟完成实验操作：南京某公司开发的化学虚拟实验　

室包含《仿真化学实验室》、《化学三维分子模型》和　《中学化学　科》，通过《化学三维分子模型》学生可　以多角度地观察分子的微观构象：此外还有基于　

Ｗｅｂ浏览的虚拟实验，实验内容以中学实验为主，　它们大多是桌面式虚拟实验，具有易推广，共享性强　

等特点。　

一些商业公司开发了虚拟实验的硬件设施．如　

北京某有限责任公司开发了ＵＶ一５数据手套——　手套通过通讯电缆与计算机的ＵＳＢ口相连，该手套　

被用于测量手指的弯曲情况：北京某公司还开发了　

３Ｄ立体展示系统、力反馈系统、动作捕捉系统、多点　触控系统等硬件产品。　

通过访谈、问卷调查等方式。我们了解到我国在　虚拟实验教学方面尚处于起步阶段，虚拟实验在教　

学中的普及率不高．部分学校使用了虚拟实验．但是　

应用层次较低，远远没有达到虚拟实验应有的效果。　随者科技的进步，计算机软件、硬件技术的不断　

提高。相信虚拟实验将会更加智能化，其效果会更加　真实，虚拟实验在微观现象宏观化、抽象问题具体　

化、绿色化学、节能减排等方面得到充分应用。虚拟　

实验的应用领域更加广阔，对实验教学甚至人们的　认知方式产生重大影响。我们将及时跟踪相关进展，　

为虚拟实验教学的应用提供借鉴。　

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