虛擬實驗室的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀綜述

引 言

近幾十年來，科學(xué)技術(shù)呈現(xiàn)爆炸式發(fā)展，改變了很多領(lǐng)域的工作方式，以往人們只能在實驗室做實驗，但是自1989 年美國教授提出虛擬實驗室的概念至今，虛擬實驗室得到了極大的重視，也有了很大發(fā)展，很多傳統(tǒng)實驗室的工作內(nèi)容也逐漸轉(zhuǎn)移到虛擬實驗室中。所謂虛擬實驗室，即利用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)建模技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等構(gòu)建一個用軟件來模擬硬件設(shè)備進行實驗的運行在計算機上的實驗室。

1 虛擬實驗室的現(xiàn)實意義

1.1 教育領(lǐng)域

學(xué)校里的很多課程都需要通過實驗來輔助教學(xué)，尤其是理工科，但由于很多實驗器材極其昂貴，并非每個學(xué)校都能負(fù)擔(dān)，因此選用虛擬實驗室來替代昂貴的實驗儀器。

學(xué)校使用的實體實驗器材會隨著時間及使用次數(shù)的增加而慢慢老化、損壞，這就為學(xué)校增添了許多財務(wù)開支，而虛擬實驗室卻不存在這個問題，不僅可以減輕學(xué)校負(fù)擔(dān)，還可以對落后地區(qū)的教育起到重要支撐作用。

在傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，學(xué)?？梢酝ㄟ^讓學(xué)生在實驗室做實驗的方式來使學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容，而遠程教育則很難做到這一點。但隨著Internet 技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，學(xué)生可以通過電腦用虛擬實驗室完成所需實驗，完美的彌補了遠程教育的缺點。

1.2 工業(yè)領(lǐng)域

由于虛擬實驗室必須具有強大的模擬功能，可以用其對產(chǎn)品進行輔助設(shè)計。要設(shè)計一個新產(chǎn)品，進行一項工程，在完工之前無法知曉它是否滿足要求，若貿(mào)然生產(chǎn)建造，即使只生產(chǎn)樣品也費時費工，但如果事先用虛擬實驗室進行可行性研究，在虛擬實驗室中對工程進行危機測試后再生產(chǎn)實體，就可以節(jié)約資源。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬實驗室由于其巨大的應(yīng)用前景而受到了世界各國和各大學(xué)的高度重視，國外具有代表性的部分成果如下所示：

(1) 德國 Ruhr大學(xué)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。該實驗室是一個有關(guān)控制工程的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬實驗場景， 可以很好的進行交互操作。

(2) 麻省理工學(xué)院 WebLab遠程實驗室。提供用于進行微電子學(xué)和電路設(shè)計課程的實驗教學(xué)，用戶在電腦上設(shè)計電路模型，然后通過專用的Web瀏覽器上的遠程用實物實驗設(shè)備來測試。該實驗室是在線虛擬實驗室的杰出代表。

(3) 新 加坡國立大學(xué)遠程示波器和壓力容器虛擬實驗室。

該實驗室基于網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，可以遠程控制實驗儀器。國內(nèi)具有代表性的部分成果如下所示：

(1) nobook虛擬實驗室。該實驗室可以為學(xué)生提供初高中課程所需實驗，物理虛擬實驗室尤為出色。由于使用了公式算法引擎，因此可以隨意更改實驗參數(shù)，使得實驗更為靈活， 更貼近真實實驗，是虛擬實驗室商業(yè)化的代表作。

(2) 中南大學(xué)虛擬實驗平臺主要針對基于構(gòu)件和Web 服務(wù)的虛擬實驗平臺中的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，并設(shè)計實現(xiàn)計算機、通信和信息安全專業(yè)主要專業(yè)課程的虛擬實驗室系統(tǒng)。

(3) 北 京大學(xué)地球科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心主要面向地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、地理信息系統(tǒng)、地理科學(xué)、資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理、地球物理學(xué)、空間科學(xué)與技術(shù)、大氣科學(xué)共 8 個地球?qū)W科專業(yè)以及北大基礎(chǔ)學(xué)科通選課的實驗教學(xué)，提供多層次、多方法的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺和綜合性強、創(chuàng)新性強、復(fù)雜度高的典型實驗項目。

3 前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢

3.1 基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用云計算技術(shù)

自從人類進入網(wǎng)絡(luò)時代后， 網(wǎng)絡(luò)就滲透進了各行各業(yè)，將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計算技術(shù)應(yīng)用于虛擬實驗室后，便無需下載大量軟件，可在網(wǎng)頁端進行虛擬實驗儀器的控制。云計算技 術(shù)（Cloud Computing） 是分布式計 算（Distributed Computing）、并行計算（Parallel Computing）、效用計算（Utility Computing）、網(wǎng)絡(luò)存儲（Network Storage Technologies）、虛擬化（Virtualization）、負(fù)載均衡（Load Balance）、熱備份冗余（High Available）等技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)融合的產(chǎn)物，可以為在線虛擬實驗室提供充足的計算資源和存儲資源，為虛擬實驗室的應(yīng)用提供便利。

3.2 虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實又叫虛擬實境（Virtual Reality，VR），可以讓使用者通過視覺、聽覺、嗅覺來感受人工模擬的三維虛擬世界的技術(shù)，集計算機圖形、計算機仿真、人工智能、傳感、現(xiàn)實及網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)于一體，使用戶身臨其境。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于虛擬實驗室可以為虛擬實驗室的人機交互提供更好的體驗，使虛擬實驗室更接近傳統(tǒng)實驗室。

虛擬現(xiàn)實起步于 20 世紀(jì) 20 年代，建立在實時三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)、高分辨率顯示技術(shù)的基礎(chǔ)上， 具有模擬性、交互作用、人工現(xiàn)實、網(wǎng)絡(luò)通信、沉浸性等特點， 可以分為非交互式體驗、人- 虛擬環(huán)境交互式體驗和群體- 虛擬環(huán)境交互式體驗。

3.3 多人協(xié)作虛擬實驗室

很多實驗都需要多人協(xié)作來完成，所以建立一個可以多人協(xié)作的虛擬實驗平臺很有必要。CVL 就是這樣一種可以滿足實驗者在網(wǎng)絡(luò)空間中進行人機交互、人人交互的多人協(xié)作虛擬實驗系統(tǒng)，CVL 可以為地域分散的用戶提供一個共享協(xié)作式實驗環(huán)境。虛擬實驗平臺基于網(wǎng)絡(luò)和實驗分工系統(tǒng)，不應(yīng)拘泥于一個學(xué)院，一所學(xué)校，而應(yīng)該是一個連接廣泛的實驗平臺，要支持不同科研單位之間的協(xié)作研究。

4 結(jié) 語

虛擬實驗室采用軟硬件結(jié)合的方式，因其巨大的現(xiàn)實價值越來越受到人們的重視，高端虛擬實驗室應(yīng)用多種前沿技術(shù)，有助于推廣實驗教育的改革，彌補傳統(tǒng)實驗室的不足。但虛擬實驗室不能完全取代傳統(tǒng)實驗室，虛擬實驗室具有便捷、安全、低價的優(yōu)點，但在鍛煉實際操作能力方面與傳統(tǒng)實驗室還有一定差距。所以應(yīng)將兩者的優(yōu)勢互補，協(xié)同發(fā)展， 共同為科研和教育服務(wù)。