摘 要 虚拟现实技术是一个很流行的名词，基于此项技术的相关应用得到人们的高度关注和开发利用。其中虚拟实验室的开发与应用是其在教育领域实验教学方面的一项应用，它给传统实验教学注入新的血液，为新时期课程改革提供了支持。针对目前的研究与应用现状，对虚拟现实技术、虚拟实验室的相关概念进行阐述，并对相对得到关注较少的初中物理虚拟实验室的构建进行初步设计与探究。
关键词 虚拟现实技术；虚拟实验室；中学物理实验
中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2012)06-0121-02
Pre-test of Virtual Laboratory and Application in Physics Experiment of Middle School//Li Kun
Abstract Virtual reality technology is a very popular term, the application based on this technology get lots of attention and developed very well. The development and application of Virtual Laboratory is one of the experiment teaching aspects application in the field of education. It has injected new blood into the traditional experimental teaching, and provides support for the curriculum reform. In view of the present status of research and application, the thesis expounds the concepts the virtual reality technology of virtual laboratory, and do the preliminary designing and researching to set up the Junior Middle School Physics Virtual Laboratory.
Key words virtual reality technology; virtual laboratory; school physics experiment
Author’s address School of Education，Hebei University，Baoding, Hebei, China 071000
随着计算机技术和互联网技术的飞速发展，虚拟现实技术的发展也大大得到推动，虚拟实验室也相继应运而生。虚拟实验室是基于虚拟现实技术而建立的，通过计算机完成操作的虚拟的实验空间，它作为传统的真实实验室的补充与辅助手段，对其发挥着积极且显著的作用。目前的虚拟实验室几乎都是在高校中建立的，针对的大多是高校学生的研究、探索性实验，而对于中学实验并没有得到足够的重视与开发应用。作为义务教育阶段的中学学生，虚拟实验室的建立也是非常需要的。本文针对虚拟实验室及其在中学物理实验中的应用展开分析，以促进中学物理实验教学，并为以后的相关研究与设计开发提供依据和参考。
1 虚拟现实技术与虚拟实验室
1.1 虚拟现实技术
1）虚拟现实技术的定义及特征。虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是指采用以计算机技术为核心的现代高科技手段生成逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等一体化的虚拟环境，用户借助一些特殊的输入/输出设备，采用自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互，相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验[1]。它具有沉浸性、交互性、想象性三大特性。
2）虚拟现实技术的类型。根据用户参与虚拟现实的不同形式以及沉浸的程度不同，虚拟现实技术分为三类：①桌面式虚拟现实，也被称为“窗口仿真”，计算机屏幕作为用户观察虚拟环境的窗口，通过各种输入设备与虚拟现实世界交互。②沉浸式虚拟现实，是最理想的追求目标，实现的主要方式是戴上特制的头盔显示器、数据手套以及身体部位跟踪器，通过听觉、触觉和视觉完全沉浸到虚拟世界中；③共享性虚拟现实，多个客户端通过计算机网络连接在一起，同时进入由服务器构筑的虚拟空间，共同体验虚拟经历，从而达到协同操作的目的。
1.2 虚拟实验室及其优势
虚拟现实技术在实验教学中的具体应用就是虚拟实验室，虚拟实验室是基于虚拟现实技术的一个虚拟空间，由于虚拟现实技术的特性，虚拟实验室有着传统实验室不可比拟的性能和特点。1）节省实验成本，实验不消耗实验材料，可不限次数地重复操作。2）安全，在虚拟实验环境中可以放心地去做各种危险实验。如虚拟的外科手术，可避免由于学生操作失误而造成“病人”死亡的医疗事故。3）在实验内容上彻底打破时间与空间的限制，学生能够观察大到宇宙天体，小至原子粒子，甚至可以停止时间的推移，以便仔细观察随时间变化的现象，如果蝇的繁殖、化石的形成。4）实验者方面，可跨越地域做实验，甚至多个实验者在不同地域协同做实验。
2 中学物理实验教学现状
2.1 中学物理实验教学的重要性
在我国初中学习属于义务教育，每个适龄儿童都要接受，其重要性自不必多说。其中物理是理科课程中非常重要的一门课程，物理实验教学是巩固学生所学理论知识、培养学生实践能力和创新精神不可缺少的教学环节，它在整个教学中的地位越来越受到教师与学生的重视。
2.2 中学物理实验教学中存在的问题
1）受资金限制，实验用品有限。在各个中学中，除了经济实力较为雄厚的一些重点中学和私立中学外，部分城市普通中学、乡镇或农村的中学的资金都不是很充足，在实验教学的仪器、用品的投资方面往往会捉襟见肘，从而导致实验用品的数量和质量都打了折扣。
2）某些实验无法实施或效果不佳。在中学物理的实验中，有一类实验是不能由学生亲自动手做的，因为这类实验是有危险性的或者是课堂教学无法完成的，如“水的沸点与气压的关系”实验，“地磁场”实验等。
3）实验方案死板，禁锢学生思路。有些中学物理实验一直沿用一种实验方案，几年甚至十几年都没有更新，而且对于一个实验每个学生看到的都是一样的方案，进行实验的过程都一样，留给学生自己动脑设计实验的空间很小，这不免禁锢了学生的思路。
4）实验室需要专人维护整理，费时又费力。几乎每个学校都会安排专门的教师来管理实验室，这是很有必要的，但是这个管理维护的工作非常繁琐，教师要面对不同种类的实验仪器、实验药品等进行归纳、整理、维修、更新，同时要保持实验室卫生、整洁的环境，可见这要耗费教师很多精力。
3 中学物理虚拟实验室构建
3.1 中学物理虚拟实验室的定位
此虚拟实验室是定位于对传统的中学物理实验教学的加强与补充。虚拟实验室的设计者和使用者必须明确的是，此虚拟实验室不能也不可能取代传统的物理实验室，虚拟实验也不可能取代真实实验，它只是作为计算机辅助教学的一种手段出现在中学物理教学中。
3.2 硬件构成
由于中学物理实验对于虚拟现实技术层次要求并不是很高以及成本限制，所以使用桌面式虚拟现实来构建虚拟实验室即可满足教学需求。硬件方面只需一个局域网的服务器和用来实验的PC机即可，各个PC机与服务器组成局域网，每个PC机就是学生的“个人实验室”。
3.3 软件构成
软件方面可以采用VRML结合3dMax进行设计开发。VRML建模的优点：1）平台无关性；2）传输速度快；3）场景结构容易创建；4）高效率的事件处理机制；5）可以增加动态和交互模型。3dMax建模功能强大，实时绘制模型直观，基于Windows平台，入门较易，操作简单。另外，在开发虚拟仪器时还可以使用专门的开发软件LabVIEW，它是一种图形化的编程语言和开发环境，利用它可以很方便、快捷地建立自己的虚拟仪器。
3.4 虚拟实验室的使用
根据各学校的教学需求和经济状况，学校可以建立单独的虚拟实验室机房，也可以将其整合到计算机机房，现在大部分中小学都建立了信息技术课的机房。学校还可以采用半开放式管理，对部分学生或者兴趣小组成员、奥赛选手长期开放。
3.5 实验室的维护
关于实验室的维护方面，虚拟实验室不需要很多专门的实验室教师负责整理维护实验用品，它只需要给学生提供辅导的物理教师和少量对PC机与局域网进行维护的技术人员即可，另外条件允许的情况下可以安排负责软件更新、增删设备的设计人员。
3.6 实验室的拓展方向
目前设计的是小型局域网内的虚拟实验室，在使用和改进过程中，还可以将实验室与校园网和Internet连接，从而与其他学校的虚拟实验室资源共享，教师和学生在家就可以通过互联网进行虚拟实验，各学校间也可以合作完成某项实验。
4 结束语
虽然虚拟物理实验室不能完全取代真实实验室，但是它作为物理实验教学的辅助是非常有效的，是对传统实验教学的重要补充，为学生提供了一种崭新的实验方式，为培养学生创新思维、实现教育资源共享提供强有力的支持，在未来的教育技术中将会是一个重要的分支。
参考文献
[1]胡小强.虚拟现实技术基础与应用[M].北京:北京邮电大学出版社,2009.
[2]刘伟善.基于虚拟仪器的中学物理实验仪系统的应用[J].中小学信息技术教育,2007(7-8):116-118.
[3]苗壮,李凡长.远程虚拟实验室系统构建研究[J].系统仿真技术,2006(4):187-191.