虚拟实验的发展模式

2．2．1　虚拟实验的发展模式

1）模拟实验

模拟实验（Simulation Experiment）是选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一个系统来表示它们的过程。模拟实验是根据物理模型与实际系统间的相似性，来研究实际系统某些行为特征的实验方法^[5]。

早在我国宋代，著名思想家沈括在《梦溪笔谈》卷七中载曰：“日月之形如丸。何以知之？以月盈亏可验也。月本无光，犹银丸。日耀之乃光而。光之初生，日在其傍，故光侧而所见才如钩；日渐远，则斜照，而光稍满，如一弹丸，以粉涂其半，侧视之，则粉状如钩；对视之，则正圆。此有以知其如丸也。”^[6]在这里，古人用半面涂粉的弹丸来模拟月亮的形态，是根据太阳和月亮的形状所产生的一种自然的联想，虽然不是模拟实验方法的完整运用，但是却具备了模拟实验的初步思想，是人类认识自然的进步。随着社会生产力迅速发展的要求不断深入，人们开始系统地运用模拟实验来促进工业技术的革新和工程领域的发展。例如，达·芬奇的扑翼机设计，莱特兄弟的风洞实验设计^[7]。

模拟实验系统的设计思想如图2－1所示，抽取和提炼原有系统的行为和特征，用以构建另外一个系统，这个系统称作模拟系统，根据模拟系统和原有系统之间的相似性可以对原有系统进行研究。

图2-1　模拟实验系统

2）仿真实验

仿真实验（Emulation Experiment）是用另一个数据处理系统，主要是用硬件来全部或部分地模仿某一数据处理系统，以至于模仿的系统能像被模仿的系统一样接收同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。仿真实验是利用数学模型或数学—物理效应模型，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究的实验方法^[8]。例如，为了破解巨型行星上的小月形物体的奥秘，美国康奈尔大学的行星科学家们使用世界上最强大的电脑群进行建模，对10亿年前木星上的小月形物体的运动情况进行仿真，解释了其不寻常的运行轨道^[9]。

仿真实验系统的设计可以用如图2－2所示的过程来描述。建模活动是通过对实体系统的观测或检测，在忽略次要因素及不可检测变量的基础上，用物理或数学的方法进行描述，从而获得实体系统的简化模型，并对其进行一定的算法处理，使其成为合适的能被计算机接收的“可计算模型”即仿真模型。编程过程是系统设计的主要工作过程，是用相应的计算机语言按系统仿真模型编写计算机软件程序。

图2-2　仿真实验系统

3）虚拟实验

虚拟实验（Virtual Experiment）是利用软件技术构建系统的逻辑结构模型，结合相关硬件构成虚拟系统，并利用网络技术实现网络化虚拟系统。

如图2－3所示是虚拟实验系统的设计模式示意图。根据实验物体以及研究内容，利用软件构成总体的逻辑结构模型，并对相关硬件以及实验仪器进行控制和操作，形成虚拟系统的整体结构。运用网络将虚拟系统的实验范围进行扩展，实现系统的分布式构建和实验过程的多方协作处理。在整个实验过程中，充分利用了计算机的控制、处理和协调功能。与仿真实验相比，虚拟实验运用计算机处理的数据是从实际的实验对象和实验仪器中获得的，实验的结果能够正确表征实验对象的特性，反映本质联系。同时，计算机中的软件程序能够反向控制实验对象和实验仪器中的信号输出，使实验结果具有针对性，增加了对实验对象认识的明确性。

图2-3　虚拟实验系统