一、引言

    随着计算机技术的飞速发展，虚拟现实技术已经从前沿的航天、军事领域开始进入教育领域，并涉及高等教育的各个学科。计算机变成实验台，软件变成仪器，网络变成实验室的虚拟现实技术能形象生动地表现各个学科的教学内容，有效地营造随技术发展的教学环境，提升教学质量。

二、虚拟现实技术概述

虚拟现实（VirtualReality，VR）技术利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及显示技术，生成三维的虚拟环境，介入者利用键盘、鼠标等输入设备，或者带上头盔、数据手套等传感设备进入虚拟环境，在虚拟环境中实行实时交互，并且能够感知和操作虚拟环境中的各种对象，获得身临其境的感受和体验，其原理如图1所示。

图1 虚拟现实技术原理

虚拟现实技术具有沉浸感、交互性和想象力三个基本特征。在具体的教学实验中，学生能够作为主角存有于虚拟环境中，对虚拟环境内的物体实行操作并从环境中得到自然的反馈，而且当学生沉浸在多维信息空间中时，能够主动地获取知识，寻求解答，形成新的概念。

    虚拟现实技术以其诸多的优点决定了它在教育领域中的重要作用。一是避免真实实验或操作所带来的各种危险并降低真实实验的实验用品损耗；二是在虚拟实验中能够获得与真实实验一样的学习效果，还可根据实验教学发展需求“引入”新设备，持续对新设备实行扩展。三是彻底打破空间与时间的限制。总来说之，虚拟现实技术结合多媒体技术和计算机网络，能提升实验效果与效率，充分发挥教学优势。

三、虚拟实验室的实现

图2为虚拟实验室组成原理图。虚拟实验室是由虚拟现实技术生成的一类适于实行虚拟实验的实验系统，包括相对应实验室环境、相关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。在虚拟实验室中，学生能够在计算机建立的三维的模拟实验场景中从不同的视角观察一个实验对象，通过鼠标的选择或者拖曳操作便可完成与虚拟实验对象之间的交互。

图2 虚拟实验室原理图

（一）仿真实验

虚拟实验室实际上就是数字化的仿真技术在实验教学中的应用，一个真正的虚拟实验教学系统的前台是多媒体或是虚拟化的环境，后台是实时仿真的过程。

    当前的仿真软件很多，如EASY-T、VT-LINK3.3、SPW、Cadance、Mentor、MatLab、Protel2004、LabView、OpenGL、MultiGen等。在构建虚拟实验时，应根据具体需求，选择合适的开发工具。如何将计算机仿真技术与虚拟化的仪器或多媒体环境有机的结合起来是虚拟实验室建立的关键和核心技术。

 （二）支持技术

当前国内外对虚拟实验室的开发大致采用以下几种方法：

    1）使用JAVA+VRML实行开发。Java当前已经成为跨平台应用软件开发的一种规范，主要讨论对象行为。VRML是一种虚拟现实建模语言，着重于虚拟场景中对象的特征。采用JAVA+VRML混合编程是实现较复杂动态场景控制等高级交互功能的有效方法。但基于VRML虚拟现实的虚拟实验在制作上较复杂，客户端需要有大量的专业的设备（如头盔、触觉手套等），附加成本较高，并且运行VRML对客户端计算机的性能要求也很高。

2）使用ActiveX控件实行开发。ActiveX技术是Microsoft为适合网络发展的需要而将OLE技术在Internet上的重定义。在虚拟实验室的开发过程中，代码复用性对于持续开发过程尤为重要。能够利用VB、VC++、Delphi、Builder等任何一种支持COM规范的开发工具来实行ActiveX控件的开发。因为ActiveX控件只能运行在基于MicrosoftWindows的操作系统，因而移植性和通用性较差。

    3）使用QuickTimeVR实行开发。QuickTimeVR（简称QTVR）是新一代的、基于静态图像处理的实景建模的虚拟现实技术。QTVR能够应用照片、录像或数字图像等离散数据来创建虚拟环境，完成三维空间及三维物体的造型，并实现全方位观察。具有更高的真实感、更丰富的图像和更鲜明的细节特征。QTVR制作简单、周期较短、可控性也很强，对开发一些简单的网络实验教学软件的难度不大。

    4）使用FLASH实行开发。FLASH是一种基于矢量的图形系统，具有短小精悍、任意缩放、兼容性良好、嵌入ActionScript脚本功能等特点。而且Flash中的工作组功能极为强大，包含一套新的工作流程，可自动更新Flash网站的数据驱动，从而大大节约了开发者的时间。所以，FlashActionScript是网上教学虚拟实验室开发的最佳平台。

（三）功能模块设计

无论建设哪个学科的虚拟实验系统，从功能模块上均可划分为三个部分。

 1）网络服务。用户可通过网络注册个人信息并经过验证后登录虚拟实验系统。登录该系统后学生可自主选择将要实行的实验，并根据实际需要获得相关的指导。

 2）仿真实验。采用计算机仿真技术来构建实验模型，设计出用于测试的虚拟仪器设备、实验线路或回路、实验元器件或构件库、判别实验效果的评价标准等。用户选择相关的仿真实验以后，根据提示实行相关的操作，观察实验现象并记录实验结果。

 3）数据库。为虚拟实验系统提供相关的数据服务。维护虚拟实验系统的数据信息及用户的相关权限，为仿真实验提供支持。

 四、结束语

如何将虚拟现实技术很好地使用于教学中是当前教育领域发展的一个新热点。虚拟现实技术在教学中具有广阔的应用和发展前景。基于网络和虚拟现实技术的虚拟实验室是对传统实验教学模式的创新，虚拟实验室必将促进教学观念与教学形式的变革。总之，虚拟现实技术作为一种全新的媒体形式，可以营造一种生动活泼、轻松愉快的教学氛围，为学生提供丰富的感性认识，加深对教学内容的理解，提高学生的学习主动性、互动性和创造性，弥补传统实验室及实验器材难以灵活使用的缺点，将成为高校实验教学未来发展的一个方向。