虚拟实验系统的技术特点及其教学应用

3．1．2　虚拟实验系统的技术特点及其教学应用

1）虚拟实验是一种技术

（1）技术的定义

长久以来，人们根据角度、属性、种类和应用场所的不同，对技术的定义多达百十种。综合看来，比较全面和完备的有以下三种：

“技术是人类为了满足社会需要而依靠自然规律和自然界的物质、能量和信息，来创造、控制、应用和改进人工自然系统的活动的手段和方法。”^[16]

“技术是人类在自身生存和社会发展所进行的实践活动中，为了达到预期的目的而根据客观规律对自然、社会进行调节、控制、改造的知识、技能、手段、规则、方法的集合。”^[17]

“技术是人类在实践活动中，根据实践经验和科学原理所创造或发明的各种物质手段（如工具、机器、仪表等）及经验、方法、技能、技巧等。”^[18]

在以上三种对技术一词的定义中，虽然描述方法和定义角度有所不同，但是，这三种定义基本上表达了一个共同的概念，可以总结如下：

技术是人类根据已知客观规律创造人工系统，并通过控制、应用和改造这个系统来发现新的客观规律，以加强对客观世界的认识，新的客观认识被用于新的人工系统构建，发现更新的客观规律，进一步认识客观世界。因此，技术是一个周而复始的过程，是在人类不断认识自然、改造自然、利用自然的无尽过程中不断得以更新的、永无止境的过程。

经过以上的定义和分析，再对“技术”一词做进一步抽象的描述。在上述内容中，人类是明显意义上的主体；客观规律以及依其而构建的人工系统，包括该系统的控制、应用和改造可以认为是工具；有待被认识和研究的客观世界是客体。因此，简而言之，可以将技术抽象地描述为主体将工具作用于客体，使得客体为主体所认识、所利用。

（2）技术的要素分析

根据技术的定义，技术包含三个要素，即人类、人工系统、客观世界。人类是这三个方面形成技术要素的触发者和构建者。技术三要素以人类所认识的客观规律为基础，通过构建人工系统发现新的客观规律，认识客观世界，并不断地将新的客观认识用于重构新的人工系统来不断加深对客观世界的新的客观认识，如此形成一个循环往复的过程。如图3－1所示是技术要素的示意框图。

图3-1　技术要素示意框图

依据前文对技术的抽象性描述，也可以给出三个更为简练的技术要素，即：主体、工具、客体。主体根据对客体的已有认识，创造和开发工具，控制、应用和改造工具，作用于客体并对客体产生认识，主体对客体的认识将被运用于创造和开发新的工具，进一步认识客体。如图3－2所示是抽象技术要素示意框图。

综上所述，对技术一词的定义，包含了技术要素以及要素之间循环更新过程的两个方面。一般来说，符合技术一词定义的内容，包含三个主要的技术要素，并且要素之间具备循环更新的过程，那么就可以称之为技术。

图3-2　抽象技术要素示意框图

（3）虚拟实验的技术定义

虚拟实验是实验设计人员根据已知的实验规律构建虚拟实验系统，通过操作、应用、改造和优化虚拟实验系统，控制和运行实验项目，发现新的实验现象，分析得出新的实验规律，从而认识物质特性和相关的理论知识，新的理论认识将更新实验设计人员已知的实验规律，重构新的虚拟实验系统，进一步发现新的实验现象，分析得出新的实验规律，从而加深对物质特性和理论知识的认识。

（4）虚拟实验的技术要素分析

根据虚拟实验的技术定义，虚拟实验包含了主体、工具、客体三个方面的技术要素，分析如下：

①主体

对于虚拟实验来说，主体指的是实验设计人员。这里的实验设计人员包括仪器设备生产人员、实验项目设计人员，实验操作人员。在虚拟实验中，主体——实验设计人员是虚拟实验系统的构建者，是虚拟实验运行的操作者，是虚拟实验现象发现和结果分析的处理者。

②工具

在虚拟实验中，所谓的工具要素包括了作为主体的实验设计人员已知的实验规律、依其构建的虚拟实验系统，以及对虚拟实验系统所进行的操作、应用、改造和优化。

③客体

在虚拟实验中，客体主要是指实验项目设计中所确定需要认识的物质性质，包括在实验中发现的新的实验现象、依其分析得出的新的实验规律和对物质性质的认识。

如图3－3所示是虚拟实验技术要素示意框图。从图中可以看出，虚拟实验符合技术的定义内容，包含了主体、工具和客体三个方面的技术要素，并且各要素之间的关系具备了循环更新的过程。

根据对技术的定义描述和对技术要素的分析，详细地考察虚拟实验的技术定义和相关的要素分析，虚拟实验在定义内容上，符合了技术定义的要求，同时虚拟实验所包含的技术要素也符合了技术必须具备三个方面要素的要求，要素之间具备循环更新的关系。因此，虚拟实验是一种技术。

图3-3　虚拟实验技术要素示意框图

2）虚拟实验系统的技术特点

（1）基于计算机技术，具备先进性和精确性

计算机是虚拟实验系统的控制中心，它作为虚拟实验系统中硬件和软件的协调者、本地和网络的连接者以及管理端和客户端的服务者，在系统中占据了不可替代的重要位置。计算机作为技术和控制的核心部分，以其高性能、高运算速度和高精确性以及不断创新和发展的态势直接提升和影响了虚拟实验系统的整体技术水平和运行效率，以及相应的创新模式和高速发展水平。

①高度的运算能力

运算速度快是计算机的显著特点之一。相对于其他的计算工具而言，即使是20世纪中期诞生的第一台计算机ENIAC，其每秒5 000次的运算速度也是非常惊人的，目前最新的计算机运算速度已经达到每秒万亿次，这样的运算速度对于处理运算量大、复杂程度高的问题是一个重要的保证。在虚拟实验系统中，计算机以其高度的运算能力来帮助解决复杂的实验难题，完成复杂的实验项目。

首先，计算机高度的运算能力可以有效地缩短实验时间。有一些实验项目因为运算量大、仪器处理速度慢等原因，需要持续很长的时间才能完成，这是相对不够理想的实验状态，同时，这样的实验项目由于时间上的特别要求，一般不容易走进普通的实验课堂，对于课程知识的完整性和连续性是不利的。以计算机为控制中心的虚拟实验系统具备了高度的运算能力，可以有效地加快实验数据分析和处理的速度，缩短实验时间，优化实验状态，帮助高难度的实验项目走进教学课堂，扩大学生的知识面，完善课程知识结构的系统性。

其次，计算机高度的运算能力可以解决复杂的实验难题。在一些复杂的实验项目中，例如，观察天体运动和相关现象的实验项目，往往涉及需要处理巨量的实验观察数据，解决含有上千个未知数的大型方程组，在普通的实验系统中，这种“巨型”的实验项目一般需要巨大的实验系统、庞大的工作组和几代人的共同参与和努力才能得以完成。这对于加快人类认识自然的进程，进行更详细的科学研究是不利的。在虚拟实验系统中，计算机高度的运算能力不仅指的是运算速度快，而且具有智能的分析数据和处理问题的特点，可以帮助人们解决复杂的实验难题，开拓更多更有意义的探索性实验项目，帮助人类进行复杂性科学研究，以及对自然世界的深度认识和探索。

在虚拟实验系统中，计算机作为整个系统的控制中心，以其高度的运算能力从缩短实验时间和解决实验难题两个方面促进了复杂的实验项目得以顺利完成。运用计算机高度的运算能力来提高实验系统的处理速度和整体性能，是虚拟实验系统相对于传统实验系统非常突出的特色和显著的优势所在。

②有效的控制方式^[19]

控制论的创始人维纳下的定义是：控制论是研究生物与机器中关于信息（information）的传递（transmission）和处理（processing），以及借助于信息的传递和处理来实现控制（control）的科学^[20]。控制指的是某一个主体即控制器（controller）使其他的对象即效应器（effector）按一定的目的来动作^[21]。

在传统实验系统中，实验仪器将测得的实验数据和信号经过变送器连续不断地送到调节仪表，调节仪表把算得的信号连续不断地送到执行机构。如图3-4所示，在这个过程中，实验过程的触发以及实验数据和信号的产生是由实验仪器设备端决定的，实验步骤、过程、方式、实验数据类型、传输方式等都是固定不变，并且是难以修改的。

图3-4　传统控制过程示意图

在虚拟实验系统中，计算机作为控制中心，在实验项目执行之前根据具体的实验要求，从整体上设计实验过程中的实验数据和信号采集和传输、实验数据和信号分析和处理以及实验控制命令的发布方式等。当计算机需要某一个物理量时，就会发出相应的采集命令到采样器，这时候，系统的的采样开关才会接通，并对这个物理量进行采样，然后把结果送到模／数转换装置，从而得到二进制代码的数字式信号，并送到计算机的输入通道，再经程序送到计算机的内存中。经过计算机的计算和分析处理，需要再次执行的数据会被送到数／模转换装置变成模拟信号进入系统保存器，离散的数字信号转变成连续的模拟信号进行执行，执行结果根据需要再次反馈至计算机进行分析、处理和调节。

如图3-5所示，计算机在虚拟实验系统中的控制过程是一个闭环控制及反馈系统，由计算机进行控制的实验过程从实验开始到实验结束，包括其中多次的反馈及调节，形成了一个完整的控制系统，这种有效的控制方式，使得虚拟实验系统的整体性能发生了质的飞跃。

图3-5　计算机控制过程示意图

③巨大的存储容量

在计算机内部有存储（记忆）信息的存储器，它能够接收输入的程序和数据，随时提供给计算机进行计算和处理，并能将中间结果和最终结果保存在存储器里。计算机中的存储器装置一般是由主存储器（一般指内存）和辅助存储器（一般指硬盘、软盘、移动硬盘等）共同构成的存储系统。随着计算机水平的迅速发展和制造工艺的逐步提高，计算机存储设备的存储容量以几何级数上涨，可以轻而易举地将大量的数据有序地保存起来。

在虚拟实验系统中，计算机将实验过程中大量的实验数据以及处理结果保存起来，并且可以按照简单的检索方式随时检索调用，这对于系统中实验任务分担、实验结果共享以及实验之后重新调用或核对实验数据等起到了重要的保证作用。

④强大的辨识能力

计算机具备强大的辨识能力是建立在计算机高度的精确性上的，计算机提高某一个观测量的精确度，就能提高相应的辨识能力。通常来说，某一个数值的精确度指的是该数值小数点后面的小数位，对于计算机强大的处理和运算能力来说，提高数值的小数位是非常容易的，并且可以达到一个很高的量，因此，强大的辨识能力是计算机的优势所在。

上面所分析的是计算机通过提高数值精确度来提高系统的辨识能力，这是精确数学在计算机上的应用。精确数学客观地认为，某一个数值的精确度越高，就越容易区分它属于哪一个集合，不属于哪一个集合，这是集合论的要求。但是在实验中，实验数据的高度精确化可能会使得实验结果变得异常离散，掩盖了实验现象本质上的规律性，不容易被人们发现。同样的，在许多领域，精确数学存在着局限性，在这样一个前提下，模糊数学开始出现，它是用定量的数学方法来研究和处理具有模糊性的现象。模糊数学从诞生开始就和计算机科学发展紧密联系在一起，在计算机的应用中，利用模糊数学来编程、构建模型和处理问题，可以更广泛、更相似地模拟人脑思维模式、接近实际情况，处理一些复杂性的任务^[22]、[23]。因此，模糊数学在计算机上的应用是从另一个方面提高了计算机的辨识能力。

计算机强大的辨识能力帮助了虚拟实验过程中实验数据的筛选、分析、处理、定位修改、优化实验结果，很多原本无法完成的实验项目或无法达到的实验精度要求在计算机强大辨识能力的帮助下得以顺利进行，使得实验作为一种重要的研究手段有效地帮助了人们开展科学研究活动，探究未知领域。以计算机和软件为核心，通过软件将计算机硬件资源与仪器有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，迅速发展的计算机水平和软件技术提升和扩展了仪器的功能，具备先进性和精确性^[24]。

（2）基于模块化和层次化设计思想，具备灵活性和开放性

在虚拟实验系统中，硬件和软件是两大重要部分，硬件是仪器的基础，软件是仪器的灵魂，软硬件结合的方式使得仪器功能易于增减和修改，改变了以前仪器功能固化在硬件上，无法升级的缺点。从软件到硬件，以及软硬件的结合都是基于模块化和层次化的设计，用户可以根据需要重组和配置各种模块，以满足实验设计的要求，具备灵活性和开放性。

①模块描述

a．软件功能模块（Function Module，FM）

FM＝｛S_n｜n∈R｝　　　　　　（3-1）

式（3-1）所示的是虚拟实验系统中的软件功能模块，其中S_n指的是软件中各种程序的选择性有序集合。这个模块属于系统中较为底层的微小模块，主要是通过编程来实现或替代一些功能，例如采集控制功能、信号放大功能、拟合计算功能等等。一般来说，FM模块主要驻留在计算机中，以高级应用程序为主，在特殊情况下，为了实现功能的需要，该模块中的程序会适当地对接口软件、硬件驱动程序等做适当的调用和联系，以保证模块功能的完整性和适用性。

b．虚拟仪器模块（Instrument Module，IM）

IM＝｛FM_n，S_n，H_n｜n∈R｝　　　　　　（3-2）

式（3-2）所示的是虚拟实验系统中的虚拟仪器模块，其中FM_n指的是上文所分析到的软件功能模块的选择性有序集合，S_n指的是软件中各种程序的选择性有序集合，H_n指的是虚拟仪器模块中各种硬件设备的选择性有序集合。IM模块属于系统中中间层次的模块，将上文所提到的软件功能模块FM作为其主要组成元素，并配以一些相关的硬件设备和用于逻辑结构和控制发布的一些命令组成，用来实现或替代虚拟实验系统中部分的虚拟仪器功能，例如在实验中经常会用到的示波器、频谱分析仪等。

c．实验项目模块（Project Module，PM）

PM＝｛IM_n，FM_n，S_n，H_n｜n∈R｝　　　　　　（3-3）

式（3-3）所示的是虚拟实验系统中的实验项目模块，其中IM_n指的是上文所分析到的虚拟仪器模块的选择性有序集合，FM_n指的是上文所分析到的软件功能模块的选择性有序集合，S_n指的是软件中各种程序的选择性有序集合，H_n指的是虚拟仪器模块中各种硬件设备的选择性有序集合。PM属于系统中较高层次的模块，将前面所分析到的软件功能模块FM和虚拟仪器模块IM作为主要组成元素，并配以一些相关的硬件设备和用于逻辑结构和控制发布的一些命令组成，用来实现某一个实验项目或实验中的某一个步骤，例如温度传感器特性研究、非线性元件伏安特性的研究等实验项目。

②模块化设计思想

图3-6所示是虚拟实验系统模块化设计思想示意图，其中PM表示系统中最高层次的实验项目模块，IM表示系统中中间层次的虚拟仪器模块，FM表示系统中最低层次的软件功能模块，各层模块之间既具有设计结构上的包含关系，又具有设计过程中的相对独立性。从上面的分析中可以清楚地看出，虚拟实验系统是基于模块化的设计思想，系统中的软件设计、虚拟仪器构建、实验项目的实现都是以模块化的形式出现。在这一设计思想的指导下，系统既具有封装性，又具有开放性。

图3-6　虚拟实验系统模块化设计思想示意图

首先，系统具有封装性，实验设计者只需通过一些简单的程序命令，选择性地将一些模块进行逻辑化和结构化，就可以形成一个新的模块，实现自己想要的功能，这个模块具备了封装性，可以被其他实验设计者或在其他的实验项目中直接调用。

其次，系统具有开放性，每一个模块是由多个下层次模块组合而成，开放性的模块设计思想使得实验设计者可以重复调用某一个或某几个模块，来实现高一层次的模块功能，而用于逻辑化和结构化的一些程序命令只需要进行细微的调整，甚至可以原封不动地加以使用，从而避免了每一个模块都需要实验设计者从头进行设计的弊端，具备了横向可重组性。

③层次化设计思想

图3-7所示是虚拟实验系统层次化设计思想示意图，其中PM表示系统中最高层次的实验项目模块，IM表示系统中中间层次的虚拟仪器模块，FM表示系统中最低层次的软件功能模块，各层模块之间既具有层次上的从属关系，又具有分属不同层次的分立性。从上面的分析中可以清楚地看出，虚拟实验系统是基于层次化的设计思想，系统中的软件设计、虚拟仪器构建、实验项目的实现等模块之间具备层次性，每一个模块都是由相对的下层次模块组成，当实验设计者需要设计新的实验项目，而这些项目之间又具有了相关性或是相类似的特性的时候，设计者不必重新设计整个系统，只需要将某一个要改变的功能所对应的某下一个层次模块进行改变，无需改变整个模块的结构，而这种设计方法是可以向下类推的，一直找到需要改变的最低层模块，从而避免了过程和结构类似的重复设计，具备了纵向的可定位性。

模块化和层次化设计思想是虚拟实验系统的重要特点，这两个设计思想贯穿于虚拟实验系统的整个设计过程。在这里，必须强调的是：首先，整个系统从实验设计过程到实验资源使用都要着眼于系统结构的标准化和统一化，在这个前提下，各模块之间的重复调用、重组配置、定位修改等设计方法都能够得以有效的实现。其次，在虚拟实验系统中，各层次的模块设计必须实现标准化和统一化，这样，多个模块之间的组合配置才能保证兼容性和适用性。在系统结构和模块设计实现标准化和统一化的前提下，模块化和层次化的设计思想保证了虚拟实验系统横向的可重组性和纵向的可定位性，既有完整的整体性，又有灵活的开放性。

图3-7　虚拟实验系统层次化设计思想示意图

（3）基于网络技术，具备时间和空间的可扩展性

从上一节对虚拟实验系统的网络部分进行的分析和描述中知道，虚拟实验系统的网络化从技术上来说，主要有多通道同步数据获取、分布式数据分析与处理、远距离多点仪器控制三个方面。从形式上来说，主要有本地协作型虚拟实验室、局域网资源共享型虚拟实验室和Internet远程控制型虚拟实验室三种类型。无论从技术角度的分析，还是从形式角度的描述，可以分析得出，虚拟实验系统网络功能的突出特点主要集中在以下三个方面：

①实验任务分担

在虚拟实验系统中，一个实验项目的完成基本上包括四个方面的任务：系统控制命令发布和反馈、实验数据的采集与传输、实验数据的分析和处理、实验数据和分析处理结果的显示和存储。在网络化的虚拟实验系统中，实验项目的四个方面的任务通过网络在系统中得到了最大限度的分担。

a．系统控制命令发布和反馈任务的分担

在网络化的虚拟实验系统中，系统控制命令发布和反馈任务可以由位于网络终端的计算机或系统管理器来分担。每一台计算机或系统管理器根据本地实验项目的要求，通过网络发送控制命令到位于服务器端的计算机或系统管理器，同时接收反馈命令。这样，多路任务同时进行，各自的任务明确，大大提高了时间因素上的系统效率。

b．实验数据的采集与传输任务的分担

类似于上面的分析，用户端的计算机或系统管理器根据不同的实验项目需求来发送相应的实验数据和信号采集和传输命令，各路数据及时传送到各终端计算机供系统调用和处理。因此多路数据和信号可以同时进行采集与传输，减少了实验的整体时间。另外，由于系统是根据不同终端的不同需求来进行数据采集和传输，避免了数据重复进行筛选的弊端，也有效地减少了实验时间，加快了实验进程。

c．实验数据的分析和处理任务的分担

实验数据的分析和处理任务的分担包括三个方面，第一个方面类似于上面两点的分析，是由各用户端根据实验项目需求设计相应的实验数据分析和处理程序，各自进行分析和处理，避免了将所有的任务都集中在服务器端的计算机或系统管理器；第二个方面是服务器端的计算机或系统管理器通过网络将实验项目中的数据分析和处理任务分配到各网络终端计算机，同步进行处理，加快实验速度，提高实验效率；第三个方面是每一台用户端的计算机都可以在权限允许范围内通过网络直接调用服务器端计算机或其他网络终端计算机上的实验数据分析和处理结果，避免重复计算，提高实验系统的整体效率。

d．实验数据和分析处理结果的显示和存储任务的分担

实验数据和分析处理结果的显示和存储任务的分担同样沿用了前面相似的模式，显示界面和存储方式的设计和相关设置，例如内存贴图、刷新频率设置、数据存储格式选择等都是由各网络终端的计算机根据不同需要来控制和完成，避免数据的显示和存储集中在服务器端计算机上进行，造成显示闪烁、存储量过大等弊端，是完善虚拟实验系统设计的一个重要方面。

②实验资源共享

网络带来的优势之一是实现了网络范围内的资源共享。同样的，对于网络化的虚拟实验系统来说，其网络功能的开发和实现使得各种实验资源在更广阔的范围内得到了合理共享，提高了实验资源利用率，节约了人力、物力，有效改善了现有的实验资源使用模式。网络化虚拟实验系统带来实验资源的充分共享主要体现在以下两个方面：

a．硬件资源共享

在虚拟实验系统中，硬件资源主要包括实验设备、实验仪器、实验材料、实验室环境和一些实验辅助工具。在原有的实验系统中，需要为每一个实验项目配备一套甚至多套硬件资源，并且由于不容易修改和拆卸等原因，每一个硬件只能够为一个实验项目服务，重复利用率低，重组功能差。在网络化的虚拟实验系统中，每个硬件通过网络，并通过计算机的接口技术和更多其他的硬件设备和软件系统连接在一起，在计算机的有效控制下，每一个硬件都可以被一个实验项目或不同网络终端的多个实验项目多次调用，大大提高了硬件资源的重复使用率。

b．软件资源共享

软件资源共享指的是在网络化的虚拟实验系统中，各种软件模块可以通过网络实现横向可重组配置和纵向可定位修改等模块化和层次化的设计方法，提高了软件模块的利用率，并且因为这个原因，避免了重复的设计过程，减少了设计人员的重复性工作。

网络化的虚拟实验系统从一方面来讲，硬件和软件都得到了充分的利用，节省了实验资源，减少了实验支出，从另一个方面来讲，将有限的实验资源提供给了更多的实验项目，将有限的实验条件开放给了更多的实验者。

③实验过程异地实时控制

在虚拟实验系统中，可以通过网络来实现实验过程的异地实时控制，异地实时控制在实验中的价值主要体现在时间和空间上的突破，打破时间限制，跨越空间障碍，这既是旧有实验模式的突破，也是传统实验概念的革新。

a．打破时间限制

首先，当实验者不能在必须的时间里进行实验操作，例如，在某项协作实验中，某一方不能按时到达现场进行实验，虚拟实验系统的网络功能可以提供实验者通过网络和协作方同时进行实验，保证了实验项目的按时进行，也保证了协作工作的顺利完成。

其次，当一个实验项目需要非常长的时间连续进行工作，而实验者无法时时刻刻守在实验现场时，虚拟实验系统的网络功能可以提供实验者通过网络连续不间断地实时监控实验过程和实验状况，充分保证实验项目的连续性和完整性。

b．跨越空间障碍

首先，当实验者不能到达实验现场，例如，聘请外地技术专家检测实验系统，或实验课程开展远程教育等，实验者就可以通过网络跨地域实时操作实验仪器，进而完成实验项目。

其次，当某一个实验项目具有人身危险性时，实验者无法在现场参与实验，同样的，虚拟实验系统的网络功能可以帮助我们在离实验现场很远的地方通过网络进行实验，既保护了实验人员的人身安全，又保证了危险性实验项目能够顺利完成。

网络化的虚拟实验系统具备了对实验过程进行异地实时控制的功能，使得实验模式在时间和空间两个方面得以突破和扩展，相对于传统的实验理念来说，这是一个重要的突破点和转折点。

虚拟实验系统的网络化功能从实验任务分担、实验资源共享、实验过程异地实时控制三个方面对整个实验系统进行了优化和完善。实验任务分担特性将特定的实验任务分担到网络中的各部分进行并行处理，提高了实验效率；实验资源共享特性通过网络将实验中的硬件资源和软件资源等提供给更多的实验项目和更多的实验者，提高了实验资源的重复利用率；实验过程异地实时控制特性打破了时间和空间的限制，开创了崭新的实验理念和实验模式。

3）虚拟实验系统的技术特点在教学上的应用

前面分析了虚拟实验系统的三个技术特点，分别是：基于计算机技术，具备先进性和精确性；基于模块化和层次化设计思想，具备灵活性和开放性；基于网络技术，具备时间和空间的可扩展性。在本节中，讨论将虚拟实验系统运用于大学物理实验教学中，根据虚拟实验系统的三个技术特点，分析将虚拟实验和传统实验相结合对教学产生的影响和作用。

（1）知识层次深度发展

在大学物理实验教学中，保证学生对基础性知识的掌握和加强学生的知识分层次发展是协调“通才”教育和“专才”培养的重要方面。验证现有理论的正确性和探索未知领域的现象和规律是实验的两大首要任务，但一直以来，由于实验仪器的落后，阻碍了人类探索和认识世界的进程。同样的，反映到目前的大学物理实验课程教学上来说，由于供给学生使用实验仪器相对落后，而先进的仪器价格又过于昂贵，阻碍了学生掌握不同层次的科学知识，不能满足“因材施教，优生优培”的教学需要。如何在现有基础上提升实验仪器性能，在不增加或增加少量开支的基础上使实验仪器在精确性、灵敏度、可测范围等方面有一个大的飞跃，提高实验教学的质量和层次是摆在从事实验课程教学的教育者面前的一个难题。

将虚拟实验系统运用于大学物理实验教学中，根据其具备的“基于计算机技术，具备先进性和精确性”的技术特点，从计算机作为控制中心所具备的高度的运算能力、有效的控制方式、巨大的存储容量和强大的辨识能力等特性，讨论如何从以下两个方面提高教学内容的质量，强化层次化课程设置，在保证学生掌握基础性知识的同时，加强学生的知识分层次深度发展。

①加强验证性实验的精确性，挖掘深层规律

验证性实验作为验证已知规律和理论的正确性和严谨性，在科学实验中占有重要的位置。在大学物理实验教学中，开设验证性实验是帮助学生从实验中加强掌握课堂所学理论知识，这其中包括了大量的基础性知识和相关性理论。在传统实验中，由于实验仪器相对落后，实验精度不够，实验中只能观察出模糊的实验现象，测出大致的实验数据，从而简单地表征理论和规律。

将虚拟实验系统运用于实验教学，利用计算机在提高精度方面的巨大优势，帮助提高实验精确性，实验现象更清楚，实验数据的测得、筛选、分析和处理等更加清晰和准确，有利于学生在掌握一般理论的同时，探究和挖掘隐藏的实验规律，提高对理论知识的深层次认识。

②增加研究性实验的先进性，掌握前沿科学知识

研究性实验主要是以探索为目的，探索未知领域的现象和规律，在帮助人类认识和了解自然的活动中起到了重要的作用。在大学物理实验教学中，开设研究性实验是为了培养学生如何进行探索性研究，从实验现象和实验数据中发现和总结出新的实验规律和理论，加强对前沿科学知识的了解。这些涉及前沿科学知识的实验往往具有高度的复杂性，对实验仪器和设备的性能要求都很高。在传统实验教学中，由于实验仪器相对落后，研究性实验开设得很少，而且实验内容具有局限性。对于培养学生的探索精神，掌握前沿科学知识很不利。

在虚拟实验中，基于计算机技术的虚拟实验系统不仅具有较高的精度，保证了实验的精确性，而且在缩短实验时间，解决实验难题，进行有效的控制和反馈，对实验数据的保存、核对、检索、调用和实验结果的表达、筛选等方面具有巨大的优势。将虚拟实验和传统实验相结合，为增加研究性实验的先进性，将现代科技进步的成果渗透到物理实验课程内容中去，为前沿科学知识走进实验教学课堂，提高学生的知识层次提供了条件上的重要保证。

（2）知识体系广度发展

大学物理实验作为一门实践性课程，其目的不仅是帮助学生掌握课堂上所学的理论知识，而且帮助学生增强对理论知识之间逻辑关系的了解，增强对多学科知识综合性的掌握，保证知识体系的广度发展。就目前的大学物理实验教学来说，由于实验原理和技术的复杂性，课程的设置是以独立的实验项目来划分的，实验项目的理论比较封闭，实验原理之间的联系较少，实验仪器不易扩展，仪器功能固化在硬件上，无法升级和维护，存在容易损坏、功能单一、重复利用率低等问题，对于加强实验项目之间的相关性，扩展学生的知识体系是不利的。

虚拟实验系统基于软硬件结合、模块化和层次化设计思想，将系统分为软件功能模块、虚拟仪器模块和实验项目模块三个层次，用户可以根据实验设计的要求的需要重组和配置各种模块，仪器功能易于增减和修改，改变了以前仪器功能固化在硬件上且无法升级的缺点，在实验系统的构建和设置上具备灵活性和开放性，并且具有易优化、易维护等特点。将虚拟实验系统引入大学物理实验教学课堂，将虚拟实验方式和传统实验方式结合起来，通过虚拟实验灵活和开放的系统构建和设置特点，增加实验项目之间实验原理的相关性和多学科交叉性，促进学生掌握本学科知识体系的内在联系，加强对其他学科知识的综合了解。

①理解本学科知识体系的逻辑性

在人类认识自然的过程中逐步形成的理论体系，无论是对哪一个学科来说，每一个看似独立的理论体系之间都是相互依赖和相互联系的，也正因为这种依赖性和联系性，才能够帮助人类进一步认识和形成新的理论体系，从而不断地认识自然。在大学物理实验中，希望通过实验让学生掌握物理学科各个理论体系之间的逻辑性关系，也希望学生能够从实验中体会到各个理论体系之间的逻辑性关系存在的必然性，并逐步掌握如何通过实验寻找各个理论体系之间的逻辑性关系。

在虚拟实验系统中，其模块化和层次化的系统设计思想使得实验项目的重组重构性非常高，可以很容易地根据不同的相关程度来构建实验项目，所有的实验项目依据学科内容构成一个逻辑整体，每一个实验项目都是这个整体中与其他实验项目相关联的一个子集（单元）。在虚拟实验中，学生只需简便地通过重组重构各个模块、改写软件程序、改变参数设置等，就可以轻松地开发和实现基于相关理论的实验项目，获得对相关理论的认识，从而加深对理论之间逻辑结构的认识。因此，将虚拟实验方式应用于实验教学课堂，可以帮助学生理解本学科知识体系之间的逻辑性，并学会从逻辑性关系出发，加强对本学科知识的掌握。

②加强多学科知识的综合性^[25]、[26]

考虑到目前各个学科的相关性正在显著加强，许多新兴的交叉学科和边缘学科不断出现，大学物理实验作为高等学校理工科的必修课程，其作用是多方面的。首先，数学、化学、生物、计算机工程、建筑工程和机械工程等学科都离不开物理方面的基础知识，大学物理实验要让各个理工科专业的学生多了解基础的物理知识，掌握基本的实验技能，以促进对本专业知识的掌握。其次，通过大学物理实验课程的教学，以及物理知识作为基础在各个学科之间发挥的纽带作用来帮助学生了解其他学科的知识以及学科之间的相关性和综合性。例如，通过大学物理实验中开发实验项目的建模工作所运用到的数学知识，让学生加强对数学知识的了解，同时认识到数学是非常基本的理论工具，任何理工科学生都必须具备一定的数学基础。

在虚拟实验系统中，基于计算机的先进技术以及模块化和层次化的系统设计思想，使得高难度的复杂性实验项目得以实现。例如，图3-8所示是生物薄膜的光学性质研究实验项目，这个实验项目的开设，不仅对各个专业的学生了解物理知识、生物知识以及相关学科的知识有帮助，而且能够促进生物专业的学生掌握本专业的知识。

图3-8　生物薄膜的光学性质研究实验项目

通常来说，由于生物薄膜非常薄，仅有几个纳米，导致薄膜反射光和衬底反射光之间的变化非常小，一般的实验仪器无法区分两路光的强度；由于生物薄膜很不稳定，很容易在短时间内变性，普通的实验仪器无法达到相应的信号采集频率以及进行即时的数据处理和保存；由于生物薄膜的分子结构非常复杂^[27]，采集到的实验数据的规律性比较隐蔽，常规的实验仪器进行复杂性数学运算和分析的能力较弱，难以分析和处理这样高离散度的实验数据。

运用虚拟实验系统来开发这个实验项目，利用其模块化和层次化的设计思想、软／硬件模块重组功能以及接口技术等，将生物薄膜、光探测仪、传感器、计算机连接起来，由传感器传送两路反射光数据进入计算机，利用计算机的高精度和高识别能力，可以很轻松地进行区分；利用传感器和接口传输数据的便捷性、计算机高度的运算速度，保证了在短时间内完成实验，防止生物薄膜变性；利用计算机解决复杂性数据难题的能力，对实验数据进行分析和处理，得出实验规律，透彻理解生物薄膜的分子结构。从这个例子可以看出，将虚拟实验和传统实验相结合进行实验教学，可以帮助学生在掌握本学科知识的基础上，加强对多学科知识的综合性了解。

（3）教学模式维度发展

在传统的实验教学模式中，由于实验操作存在着时间和空间上的不可跨越性，学生必须在规定的时间到指定的实验室做实验，因此，实验课程教学模式的时间维度和空间维度无法扩展，存在局限性。在虚拟实验中，利用虚拟实验系统的网络功能，从以下两个方面突破了实验教学在时间上和空间上的限制。

①实现远距离操作

目前有一些实验项目由于实验时间过长，需要衔接，或是存在危险性等问题，必须由经过特别训练的专业实验操作人员才可以从事这种实验研究，因此，这一类的实验项目不能作为课程内容走进实验教学课堂。现在解决这种问题的方法是在课堂上阐述这一类实验所涉及的相关知识，定性地分析实验结果和实验规律，忽略学生进行实验观察和检验的步骤，而这对于透彻理解理论和规律是不利的^[28]。如何解决这个问题，让这部分实验内容走进实验教学课堂、充实实验内容、完善课程设置和结构体系是从事实验课程教学的教师们一直在思考的问题。

对于这个问题，虚拟实验系统利用计算机技术，通过网络传输功能进行实验过程监控、实验数据记录和实验现象观察，这样，学生可以在位于服务器端的计算机上远距离操作和控制实验项目，而不必时时刻刻守在仪器旁边。同时，实验中可以增加实验数据采集时间点，观测更多的物理量，获得更多的数据，有助于学生在更宽广的范围内横向和纵向地比较物理现象和行为。由此看出，运用虚拟实验系统的网络功能，实现虚拟实验的远距离操作可以解决某些实验项目实际操作的困难，扩充实验教学内容，完善课程设置。

②发展远程教学

实验课程的远程教学发展一直以来是一个巨大的难题，因为实验课不像理论课的远程教学，可以通过下载教学课件、教学录像、教学资料，或收看电视教学节目、在线点播等形式进行远程学习。目前，国内开展实验课程远程教学的做法是：让学生平时自学实验讲义，一学期内用两周左右的时间到学校集中学习，这种集中学习方式的弊端显而易见。国外一些远程机构的做法是：让学生购买专为教育制造的廉价的实验仪器，在家中开辟实验室进行实验课程的学习^[29]。虽然采用这种方法能够让学生自由操作仪器，培养学生自主学习的能力和创新能力，但是由于缺少教学组织和教师的有效指导，很难保证达到如期的教学目的，同时，学生之间的协作与沟通无法实现，对于培养学生的互助合作精神和沟通能力是不利的。另外，每人一套实验教学仪器将耗费大量的资金投入，对于在中国发展与推广远程教育不是一种行之有效的方法，实验课的远程教学发展是一个有待突破的方面。

在Internet技术迅速发展的条件下，虚拟实验系统运用开发软件强大的网络发布功能，以及计算机完备的信号数字化功能，将虚拟实验的操作和控制发展到了网络维度。将实验仪器与Internet结合起来，运用成熟的Internet作为传输媒介来传输实验数据和仪器控制命令，实现实验项目的异地实时操作和控制。因此，将虚拟实验系统运用于实验教学，利用虚拟实验的异地实时操作和控制功能，突破了时间和空间的限制，使得实验课程的远程教学成为可能。通过日渐普及的Internet，位于网络任何一端的学生，只要通过注册取得了相应的登录权限，就可以进行实验课程预览及选课、实验项目操作与协作完成、实验报告提交以及实验结果反馈、沟通交流和整理备份等工作。从这个角度来讲，虚拟实验技术和传统实验方式的有效结合，打破了传统的实验课程教学模式，是实验课程的远程教学发展的转折点和突破点，从时间和空间上促进了教学模式的维度发展。