网络虚拟实验是一种基于计算机技术并利用现代网络进行知识传输和学习知识的新型教育形式，它是以网络、现代媒体为主进行的一种教与学分离的现代教育模式。在传统的实验教学中，由于实验系统的构建模式不够完善，实验项目的开发受到影响，限制了学生参与实验的开发和独立操作，学生的动手能力和创新思维能力没有得到有效的训练和培养。因而，如何更好地发展网络虚拟实验、什么样的教学方式更为先进，成为越来越多人关心和探讨的课题。
现代信息技术为实验教学的设计与实施提供了新的手段，拓展了实验设计和开发的范围。在网络虚拟实验环境下，通过计算机在网络中模拟一些实验现象，不仅仅能够提高远程教育的教学效果，更加重要的是对一些缺乏实验条件的学生，通过网络同样能够“身临其境”地观察实验现象，甚至和异地的学生合作进行实验。基于网络的虚拟实验教学，在时空开放的虚拟环境中完成实验教学，按照实验要求，可无顾虑地随时进入虚拟实验环境，自由地进行实验和实验研究。它在很大程度上将改造传统实验教学条件和环境，为高等教育的现代化带来新的机遇、需求与挑战。
二、虚拟实验的发展和基本特点
1.虚拟现实技术。虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是以计算机技术为主，由高速计算机系统创建的一种令人感到身临其境、可以获得与环境交互体验的虚拟世界。通过视、听、触觉等作用于使用者，对使用者的控制行为作出动态的交互反应。由于多维信息系统具有亲临其境的真实感和超越现实的虚拟性，一改人与机器之间生硬、被动的交互形式，展现的是一个开放和谐、更加人性化和个性化的环境，带来了人机交互的新概念和新方法。
2.虚拟实验。虚拟实验作为近年来随着计算机技术和网络技术的发展而兴起的一种实验技术或实验方法还处在不断深化和不断发展的阶段。虚拟实验应包括这样几个方面：数字化的实验教学资源（虚拟实验、在线辅导材料等）、实验教学指导，计算机化的面向过程实验教学管理以及计算机化的实验室管理。从实验教师来看，数字化实验室是实验教学、实验教学教务管理、实验室设备管理、实验室开放教学管理为一体的管理系统；从学生来看，数字化实验室更是一个以学生为中心的、开放性的、人性化的实验教学支持服务系统。
3.虚拟实验的发展概况。我国在基于虚拟现实技术的虚拟实验方面，起步较晚，但取得了较好的研究成果，尤其是近几年有了长足的发展，受到广泛的重视。在中国科技期刊数据库（重庆维普）中我们检索到与“虚拟实验”相关的研究论文（1998年2月～2007年12月）共861篇，分别分布在431种刊物上。从年代分布上看，文献量在逐年增加。统计结果表明：从1998年开始，我国的学者、专家开始对与“虚拟实验”有关的领域进行了研究。自2000年以来，研究论文逐年增加，呈现迅速增长趋势，2006、2007年发表论文分别是2000年的9.7倍和7.5倍，是1998年的97倍和75倍。这反映了1998年到至今为止“虚拟实验”的研究已受到人们的关注和重视，研究成果迅速增长，同时在学校实验教学中得到了广泛的应用，占有非常重要的地位。
4.虚拟实验的基本特点。概括起来，虚拟实验具有以下特点：（1）开放性。一个数字化实验应该是开放的，它的开放不仅是时间和空间上的开放，更为重要的是教学内容与教学方式的开放。时间上的开放是指利用常规教学时间外的空余时间对外开放教学，充分利用实验资源；空间的开放是指尽可能开放实验室的实验场所；而教学内容的开放是指在实验内容安排上应做到在验证性实验基础上开发更多的综合性、开发性、研究性的实验；教学方式的开放是指学生可以结合自身情况，有针对性地选择实时晚上实验教学、实验模拟演示、虚拟实验指导、实验答疑与讨论、虚拟实验测试与考核等教学方式来学习，以达到最佳效果。（2）人性化。借助虚拟现实技术“建设”起来的虚拟实验室，视觉环境生动逼真，极富感染力，人机交互友好和谐。通过计算机网络系统，研究人员或学生将不受时空的限制，随时随地与同行协作，共享仪器设备、数据、资源，得到远程指导及与同行相互研讨。（3）交互性。学生进行实验学习时，还可以通过实验教材、在线实验大纲、实验指导书、BBS讨论区、实验教师E-mail、同学等各种渠道获得学习上的帮助。在实际操作中，也可以通过联网计算机、实验台板、实验指导教师等获取帮助，真正做到LAA（Learn Anytime Anywhere），充分体现学生的主体性。（4）自主化。网络虚拟实验相当于为每个学生提供了一个自己的实验室，他们可以自主地、自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪器，进行各种实验。
三、虚拟实验在高校教学的作用
1.有利于挖掘学校潜能。相对于实际实验来说，虚拟实验其实是对虚拟物的操作，实验过程中所涉及“设备”或“部件”多是“虚拟”的，它通过虚拟现实技术，可以从各个角度，甚至从物体内部在计算机上精确、清晰地展现实际中难以观察到的特征和过程，真正体现了“一台计算机就是一个实验室”的优越性。引入虚拟实验可改善高等教育的教学环境，扩大学校的承载能力，适应当前我国学校扩招的发展需求。
2.建设“常新型”实验实训基地。虚拟实验环境是利用虚拟现实技术，建造虚拟演练的现代化实验实训基地，易于控制和维护，使用成本低，安全可靠性高，可根据发展需要“生成”新设备，也可使“设备”和实验内容在虚拟环境中不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展，以培养高素质的应用型人才。
3.促进数字化校园建设。虚拟现实所需的超高速、多媒体的数据传输，大容量的数据存储，以及数据处理的分布式与并行化无疑是促进学校信息化建设的催化剂。它能为教育技术专业队伍提供一个高起点的科研环境，促进教育技术学的学科建设更上一个新层次。
4.发展远程教育实验教学。在虚拟实验环境下，通过计算机网络系统，学生可以获得丰富的在线资料和及时的实验教学指导，使资源由一校“独占”变为多校“共享”，这为远程教育教学点提供了开放的虚拟实验环境。因此，虚拟实验的诞生发展，将有效地解决远程教育中实验教学与远程教育模式不匹配的矛盾，切实地提高远程教育质量。
5.学生的知识体系在深度和广度上得到拓展。学生能灵活地掌握运用自己的实验时间，不受传统真实实验室关闭和开放时间的限制，重点攻克自己的难点，不必受实验课程和指导书的限制；能按照自己的进度、自主地选择自己所需要的实验内容。同时，有利于加强对学生自学能力的培养。学生通过实验课件，靠自己自学，摆脱了传统实验教学教师做一遍、学生跟着做的弊端。从而可以开拓学生视野，激发学生实验的兴趣，有助于学生创新思维能力和动手能力的培养。
四、虚拟实验与学校教学整合模式——虚实互补、优化整合
虚拟实验室能为实验的教与学提供最优化的实验教学资源，为实验室的教师提供简便有效的实验室管理、教学方案与方法，为学生提供虚拟与现实相结合的优化的实验环境与资源，使学生与实验发生最方便简捷的沟通，在真实的实验环境中利用最少的时间，掌握基本的实验操作技能，并在此基础上能进行一些力所能及的创造性、开发性的实验研究。虚拟实验在教学中所发挥的作用是十分明显的，但是虚拟的环境也有着它明显的不足，不容忽视：（1）完全虚拟，没有实物，缺乏真实实验的氛围；（2）实验过程理想化，对真实实验中的一些细节缺乏模拟，这不利于学生发现实验中的问题；（3）学生进行实验时间、地点上单独分散，指导教师不方便掌握实验情况，不利于教师及时地发现“教与学”两方面的问题；（4）人机对话，缺乏师生情感交流，难以贯彻“因材施教”的原则。
那么怎样避开虚拟实验不足，利用优势，促进培养目标的实现呢？
长期以来，我们在真实实验的教学工作方面，积累了十分丰富的教学经验。真实实验的优势在于学生在真实地接触仪器的情况下，直接面对问题，有利于训练学生解决实际问题的能力，这正是虚拟实验的不足所在。因此，我们可以取长补短，优势互补。
由此，我们建立起“虚实互补、优化整合”这样一个模式，试图将虚拟实验室从简单的实验教学信息发布建设为一个充满交互与交流的虚拟学习社区。旨在通过虚拟实验在实验理论和实践之间架起一座桥梁，实现教学从以教师为中心转为以学生为主体，最终为学生服务。
如上图所示，我们可将此模式分成四个阶段：（1）教师编写实验指导资料及考核评定阶段。教师编写实验教程、指导书、实验大纲、实验考试大纲，并重新制订虚拟实验和实物实验相结合的考核评定方案，兼顾考核学生在线实验情况，及真实实验操作的动手能力和实验结果进行综合评定。（2）模拟实验开发阶段。由教师或开发人员开发虚拟环境，发布在线资源。首先，应根据在线实验的特殊性提供专门的实验资料，如在线实验大纲、在线实验指导等。其次，建立虚拟实验环境及实验讨论区，让每一个学生无论何时何地都能“进出”自由，根据需要，反复模拟，“潜心研究”，并相互讨论，获得教师的在线指导。（3）学生在线实验预习阶段。在每个实验进行前，要求学生进行实验前的在线预习及模拟实验，可根据实验大纲各个实验所应达到的目标，作不同的实验预习要求，并提交预习报告，作为实验考核评定的重要内容之一。这对于学生在进行真实实验时，充分搞清实验原理、实验过程和仪器设备的使用大有好处；学生还可根据各自的学习程度，或反复模拟以巩固对实验的理解、操作，或不断更新实验内容，提高实验水平。（4）真实实验阶段。真实实验是学生利用实验仪器及其上安装的真实实验系统进行实际操作的实践活动。真实实验能给学生实物感，可以消除学生在理论学习和虚拟实验中模糊的感觉。
在虚拟实验的预习阶段，通过模拟观察、分析，学生对于实验过程有了一定的了解，初步形成了认知技能和技术操作技能。在此基础上，再实际操作起来，学生已心中有数，实验目的性更加明确，对一些关键细节的步骤和易出现的问题也是有备而来。实验完成后，还可将虚拟实验和真实实验的数据结果对应起来加以比较，指导学生分析在实际实验中的各种条件对实验结果的影响，并了解各种误差产生的原因及减少误差的办法。这样显然可减少过去传统实验中常发生的盲目操作、走过场和损坏设备等现象，大大地提高了实物实验的效率，有利于培养学生在真实情景下的实际实验技能。
网络虚拟实验教学的实践表明，两种实验系统相辅相成的整合在一起使用时实验效果会更好。学生在虚拟的实验平台上都能亲自完成实验，从而让学生更直观、全方位地了解实验的各个环节及其要求，对知识的学习产生一个从感性到理性的过渡。带着这个过渡和虚拟的模糊感再到真实验环境中进一步实验，并配置验证，在发现问题、解决问题后，学生才会真正从理论到实践掌握所学的知识技能，提高实践动手能力。 ‘
由此可见，虚实互补并不是简单的虚实相加，它完全建立在学生需求和教学规律的基础上，以真实实验为最终依托，以虚拟实验为辅助，虚是手段，实是目的，在虚实交替中培养起学生的自学能力，引导学生发现问题，分析问题，最终解决问题。
五、结束语
随着信息技术和多媒体技术的逐渐成熟，在虚拟现实技术的催化下，“虚拟实验”建设也将日渐成长起来，它为我们展现的是一个开阔的教育发展前景。一方面可以提高教学效果，提高学生的学习兴趣和积极性，理解和掌握实验内容；另一方面也可以解决实验教学经费紧张、实验设备不足、实验教学设备陈旧、课程学时短和讲授内容多的矛盾，在一定程度上可以代替部分实验内容。尽管我们的认识还很肤浅，但是虚拟实验这一崭新的教学模式显现出现代高等教育及远程教育的发展趋势，并有着大量的问题有待于我们去研究、解决。从教学应用的角度出发，将虚拟实验合理地运用于传统实验教学中，对传统实验室进行优化整合，更有效地促进实验教学的改革与发展，切实提高学校实验教学的质量。
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