虚拟实验室的研究与应用现状综述

引 言

近几十年来，科学技术呈现爆炸式发展，改变了很多领域的工作方式，以往人们只能在实验室做实验，但是自1989 年美国教授提出虚拟实验室的概念至今，虚拟实验室得到了极大的重视，也有了很大发展，很多传统实验室的工作内容也逐渐转移到虚拟实验室中。所谓虚拟实验室，即利用现有的数学建模技术、计算机仿真技术、多媒体技术、虚拟现实技术等构建一个用软件来模拟硬件设备进行实验的运行在计算机上的实验室。

1 虚拟实验室的现实意义

1.1 教育领域

学校里的很多课程都需要通过实验来辅助教学，尤其是理工科，但由于很多实验器材极其昂贵，并非每个学校都能负担，因此选用虚拟实验室来替代昂贵的实验仪器。

学校使用的实体实验器材会随着时间及使用次数的增加而慢慢老化、损坏，这就为学校增添了许多财务开支，而虚拟实验室却不存在这个问题，不仅可以减轻学校负担，还可以对落后地区的教育起到重要支撑作用。

在传统的教学方式中，学校可以通过让学生在实验室做实验的方式来使学生更好地理解课程内容，而远程教育则很难做到这一点。但随着Internet 技术和计算机技术的发展，学生可以通过电脑用虚拟实验室完成所需实验，完美的弥补了远程教育的缺点。

1.2 工业领域

由于虚拟实验室必须具有强大的模拟功能，可以用其对产品进行辅助设计。要设计一个新产品，进行一项工程，在完工之前无法知晓它是否满足要求，若贸然生产建造，即使只生产样品也费时费工，但如果事先用虚拟实验室进行可行性研究，在虚拟实验室中对工程进行危机测试后再生产实体，就可以节约资源。

2 发展现状

虚拟实验室由于其巨大的应用前景而受到了世界各国和各大学的高度重视，国外具有代表性的部分成果如下所示：

(1) 德国 Ruhr大学网络虚拟实验室。该实验室是一个有关控制工程的学习系统，通过虚拟现实技术模拟实验场景， 可以很好的进行交互操作。

(2) 麻省理工学院 WebLab远程实验室。提供用于进行微电子学和电路设计课程的实验教学，用户在电脑上设计电路模型，然后通过专用的Web浏览器上的远程用实物实验设备来测试。该实验室是在线虚拟实验室的杰出代表。

(3) 新 加坡国立大学远程示波器和压力容器虚拟实验室。

该实验室基于网络、虚拟现实等技术，可以远程控制实验仪器。国内具有代表性的部分成果如下所示：

(1) nobook虚拟实验室。该实验室可以为学生提供初高中课程所需实验，物理虚拟实验室尤为出色。由于使用了公式算法引擎，因此可以随意更改实验参数，使得实验更为灵活， 更贴近真实实验，是虚拟实验室商业化的代表作。

(2) 中南大学虚拟实验平台主要针对基于构件和Web 服务的虚拟实验平台中的关键技术进行研究，并设计实现计算机、通信和信息安全专业主要专业课程的虚拟实验室系统。

(3) 北 京大学地球科学虚拟仿真实验教学中心主要面向地质学、地球化学、地理信息系统、地理科学、资源环境与城乡规划管理、地球物理学、空间科学与技术、大气科学共 8 个地球学科专业以及北大基础学科通选课的实验教学，提供多层次、多方法的虚拟仿真实验教学平台和综合性强、创新性强、复杂度高的典型实验项目。

3 前沿技术与发展趋势

3.1 基于网络应用云计算技术

自从人类进入网络时代后， 网络就渗透进了各行各业，将网络技术、云计算技术应用于虚拟实验室后，便无需下载大量软件，可在网页端进行虚拟实验仪器的控制。云计算技 术（Cloud Computing） 是分布式计 算（Distributed Computing）、并行计算（Parallel Computing）、效用计算（Utility Computing）、网络存储（Network Storage Technologies）、虚拟化（Virtualization）、负载均衡（Load Balance）、热备份冗余（High Available）等技术和网络融合的产物，可以为在线虚拟实验室提供充足的计算资源和存储资源，为虚拟实验室的应用提供便利。

3.2 虚拟现实

虚拟现实又叫虚拟实境（Virtual Reality，VR），可以让使用者通过视觉、听觉、嗅觉来感受人工模拟的三维虚拟世界的技术，集计算机图形、计算机仿真、人工智能、传感、现实及网络并行处理等技术于一体，使用户身临其境。将虚拟现实技术应用于虚拟实验室可以为虚拟实验室的人机交互提供更好的体验，使虚拟实验室更接近传统实验室。

虚拟现实起步于 20 世纪 20 年代，建立在实时三维图形生成技术、多传感器交互技术、高分辨率显示技术的基础上， 具有模拟性、交互作用、人工现实、网络通信、沉浸性等特点， 可以分为非交互式体验、人- 虚拟环境交互式体验和群体- 虚拟环境交互式体验。

3.3 多人协作虚拟实验室

很多实验都需要多人协作来完成，所以建立一个可以多人协作的虚拟实验平台很有必要。CVL 就是这样一种可以满足实验者在网络空间中进行人机交互、人人交互的多人协作虚拟实验系统，CVL 可以为地域分散的用户提供一个共享协作式实验环境。虚拟实验平台基于网络和实验分工系统，不应拘泥于一个学院，一所学校，而应该是一个连接广泛的实验平台，要支持不同科研单位之间的协作研究。

4 结 语

虚拟实验室采用软硬件结合的方式，因其巨大的现实价值越来越受到人们的重视，高端虚拟实验室应用多种前沿技术，有助于推广实验教育的改革，弥补传统实验室的不足。但虚拟实验室不能完全取代传统实验室，虚拟实验室具有便捷、安全、低价的优点，但在锻炼实际操作能力方面与传统实验室还有一定差距。所以应将两者的优势互补，协同发展， 共同为科研和教育服务。