前言：本站為你精心整理了遠程教育及虛擬實驗室范文，希望能為你的創作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

一、多媒體遠程教育

遠程教育是為克服傳統的面對面教育模式的某些不足(招生人數有限、教育方法不靈活、教育資金浪費等)而產生的一種新型教育模式.最初的遠程教育是函授教育;此后出現了由廣播電臺傳播信息的廣播大學;當電視普及以后,電視大學應運而生.在上述三種遠程教育方法中,以電視大學的教學方式最優.不僅能聽到聲音,而且可以看到圖像.我國從1978年開通了電視大學至今,已有數以百萬計的人接受了這種教育.但是,電視大學作為一種教學方法,也有其不足.首先,這種方式不靈活、不方便,授課須定點定時.其次,教學內容有局限性,文科專業(外語、財會、管理等)和部分理科專業(數學等)適于電視大學.以實驗為不可或缺的某些專業(多數工科專業、部分理科專業)在電視大學中不能充分實現或根本無法實現.近些年來,隨著計算機技術與通信技術的迅速發展,出現了教育多媒體系統,它能夠交互地同時處理、傳輸、管理文本、圖形、圖像、語言、視頻、動畫等多種形式的信息.多媒體遠程教育系統在一定程度上彌補了電視大學的某些不足,但仍不能實現實驗操作.網上虛擬實驗室的出現,使遠程教育更趨完善,為教育發展史寫下了光輝的一頁.在不足20年時間里,因特網在全球得到了迅速發展,已成為當今世界上覆蓋面最大、信息資源最豐富的計算機信息網絡.作為遠程教育的關鍵———教學信息的傳遞,因特網無疑具有明顯的優勢.虛擬實驗室正是建立在以因特網為信息載體的基礎上,它的產生向人們展示了信息時代一種全新的教育方式和科學研究方式[1].

二、虛擬實驗室是今后高層次遠程教育的發展主流

函授、廣播、電視等遠程教育模式的所有功能,在因特網上均能輕易實現.只要建立一個教育網站,用戶就不再受時空的限制,訪問教育網站就能夠接受到遠程教育.但僅限于此還不能充分體現出因特網強大的信息傳遞功能.基于因特網的虛擬實驗室的出現,將遠程教育提升到更高的層次上.虛擬實驗室(VirtualLaboratory)概念,是由美國弗吉尼亞大學(UniversityofVirginia)的威廉•沃爾夫(WilliamWolf)教授于1989年首先提出的,它描述了一個計算機網絡化的虛擬實驗室環境,致力于構筑一個綜合不同工具和技術的信息化、網絡化的集成環境.在這個環境里,用戶可以非常有效地利用世界上分布的各種數據、信息、儀器設備及人力等資源[2].

虛擬實驗室提出的初衷是為了方便科學研究工作,科研人員在遠程即可從事研究工作:使用儀器設備、共享數據資源、交流信息等.虛擬實驗室實質上是一個分布式計算機系統,在該系統中,配置有遙控、遙測能力的網絡化研究設備和數據采集平臺,有支持協作活動的各種工具,建有可以支持數據共享的數字式圖書館.加入到因特網的虛擬實驗室可視為建立了一個可以演示、操縱、控制實驗的特殊網站.用戶可以在任何時候,從任何地點訪問虛擬實驗室網站.它的建立大大提高了實驗教學的伸縮性和適應性.不同的學科專業的虛擬實驗室有各自的特點.但無論是哪個學科專業的虛擬實驗室都是由各自的虛擬儀器(VirtualInstrumentation)組成的.虛擬儀器是指通過應用程序將計算機與功能化硬件結合起來,用戶通過友好的圖形界面來操作計算機,從而完成了對被測對象的數據采集、分析、判斷、顯示和數據存儲等.虛擬儀器與傳統儀器相比,有其相同的一面,又有不同的一面.相同點是:虛擬儀器同樣具有三大功能,即數據采集、數據分析處理、結果顯示.虛擬儀器以透明的方式把計算機資源和儀器硬件的測控能力結合起來,實現儀器的功能運作.

與傳統儀器不同的是:在給定計算機運算能力和必要的儀器硬件以后,構造和使用虛擬儀器的關鍵技術在于軟件,“軟件即儀器”.應用軟件程序將可選硬件(如GPIB、VXI、RS-232、DAQ等)和可重復使用源碼庫函數等軟件結合起來實現模塊間的通信、定時與觸發,源碼庫函數為用戶構造自己的虛擬儀器系統提供了基本的軟件模塊[3].當用戶的學習目的或測試要求改變時,可以方便地由用戶自行增減硬軟件模塊或重新配置系統以滿足測試要求.綜上所述,虛擬儀器是由用戶自己定義、自由組合的計算機平臺、硬件、軟件以及完成系統功能的必需附件組成的.虛擬儀器的這個特點是功能固定、彼此分離的傳統儀器所不具備的.在虛擬實驗室中所使用的儀器設備一般都具有可編程接口(例如GPIB接口等),終端的PC機通過GPIB接口和總線發送命令字符串控制儀器,也可通過GPIB接口和總線從儀器端獲得結果信息.為了實現通過計算機對可編程儀器的控制,美國國家儀器公司(NationalIn-struments,簡稱NI)開發了虛擬儀器軟件開發平臺———LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWork-bench).作為目前世界上惟一的編譯型圖形化編程語言,LabVIEW提供了虛擬儀器的圖形編程環境,把復雜、繁瑣、費時的語言編程簡化成用菜單或圖標提示的方法選擇功能或圖形,只需連接各個功能或圖形即可構成程序.LabVIEW除了具備其他語言所提供的常規函數功能外,還集成了大量生成圖形界面的模板、豐富實用的數值分析、數字信號處理功能,以及多種硬件設備驅動功能,包括RS-232、GPIB、VXI、VISA、數據采集卡DAQ等.虛擬儀器的出現不僅是實驗室的一場革命,同時也為遠程教育注入了活力.基于因特網的虛擬實驗室必將成為今后遠程教育發展的推動力.

三、虛擬實驗室在國內外發展現狀

虛擬實驗室概念的提出至今僅為十余年的時間,但因其誘人的應用前景,各國均在大力開發,已經取得了一些進展.目前,虛擬實驗室在發達國家已十分普及.美國作為當今的科技強國,為繼續保持其在科學技術領域的領先地位,尤其重視信息技術的研究,并已將虛擬實驗室列入其科研發展的戰略規劃.在1991年底,美國科學基金會、美國國家科學研究顧問委員會所屬的計算機與遠程通信部組成了一個“全國(科學)合作實驗室委員會”,其任務是調查科學家對信息技術的需求,協調科研合作關系,組織并實施具體的信息技術開發.此后,美國聯邦政府投入資金在海洋學、天體物理學和分子生物學三大領域建造了各自的虛擬實驗室作為示范工程,開展了一系列探索性研究并取得了實質性進展.

美國一些政府部門,如能源部,正在制定計劃將其所屬的科研機構過渡到虛擬實驗室環境中.目前,越來越多的科學家正投身于構筑一個覆蓋全美國的虛擬實驗室的工作中來.作為首先提出虛擬實驗室概念,并具有雄厚的科研實力和強大財力的美國,從一開始就十分重視虛擬實驗室的研究與開發,在該領域的研究已處于領先地位.虛擬儀器系統及其圖形編程語言已成為各大學理工科學生的一門必修課,其普及程度是相當廣泛的.國外的一些大學已組建了遠程虛擬實驗室.德國的漢諾威大學建立了虛擬自動化實驗室;西班牙大學電子系開發了電子儀器虛擬工作平臺;意大利帕瓦多大學建立了遠程虛擬教育實驗室;新加坡國立大學開發了遠程示波器實驗和壓力容器實驗[4-7].

在國內,虛擬實驗室的建設也得到了應有的重視.目前,已有部分高校初步建立了虛擬實驗室.例如:清華大學利用虛擬儀器構建了汽車發動機檢測系統;華中理工大學機械學院工程測試實驗室將其虛擬實驗室成果在網上公開展示,供遠程教育使用;四川聯合大學基于虛擬儀器的設計思路,研制了“航空電臺二線綜合測試儀”,將8臺儀器集成于一體,組成虛擬儀器系統;復旦大學、上海交通大學、廣州暨南大學等一批高校,也開發了一批新的虛擬儀器系統用于教學和科研[8-11].

四、虛擬實驗室的功能特點及應用前景

虛擬實驗室具有傳統實驗室無法比擬的功能特點,決定了它在科研、教育(特別是遠程教育)中的良好應用前景.1.功能特點虛擬實驗室具有以下特點:(1)透明性虛擬實驗室的所有數據庫、硬件,甚至人員集成于一個系統,使用標準的統一命令來實現功能服務,這種透明的結構決定了虛擬實驗室的透明特征.(2)資源共享性建立虛擬實驗室的宗旨之一就是為了做到資源共享.為達到此目的,需要建立統一查詢標準的電子圖書館、數據庫、智能化檢索系統、應用軟件庫等,用戶可以共享數據、軟件、硬件等相關資源.這個特性能夠減少重復投資,大大節約投資成本.(3)互動操作性虛擬實驗室一旦開放,即具有互動性,遠程用戶同樣可以操作本地實驗室,同時用戶之間可以交流信息.

開放遠程用戶程序需要有一系列軟硬件的支持,它們都是虛擬實驗室的組成部分.(4)用戶自主性用戶可以制定自己使用的虛擬儀器的方式,允許用戶采取必要的措施保護自己的數據、資料,用戶具有充分的自主性.(5)擴展性在當今的信息時代里,知識更新速度十分迅速,新型的、性能更優的儀器設備更新周期越來越短.因此,虛擬實驗室的硬件必須隨時更新,軟件也要隨時升級,服務功能也要隨時增加,虛擬實驗室必須具備性能升級、服務功能增加的特性.(6)安全性安全性是開放的、透明的、資源共享的合作環境所必需的保障條件.虛擬實驗室采取必要的措施和技術手段維護系統軟件、硬件以及用戶知識產權的安全.通常采用用戶鑒別注冊、權限驗證技術,郵件、文獻加密技術等手段保證系統的安全性.具有安全措施的虛擬實驗室系統能夠做到拒絕非法訪問者進入虛擬實驗室,也可以將合法訪問者的不當操作及時中止[12].2.應用前景因特網上的虛擬實驗室在遠程教育中具有良好的應用前景.⑴計算機網絡的迅速普及為遠程教育提供了有利條件目前我國上網計算機已超過2000萬臺,而且還將以每年增加20%的速度增長.這個龐大的網絡為虛擬實驗室的普及和發展提供了便利條件.⑵

虛擬實驗室的性能優勢與傳統實驗室相比,虛擬實驗室性能更為優秀,組建虛擬實驗室必須考慮到選用當今世界上性能優秀、儀器齊全的一流設備,這些設備并不是所有院校都能擁有的,而虛擬實驗室卻能夠提供給用戶使用一流的設備.甚至像電子顯微鏡、天文望遠鏡、邏輯分析儀、大型核裝置等這些昂貴、難以接觸到的儀器設備,用戶也能夠通過訪問虛擬實驗室來進行學習和使用.開發用于遠程教育的虛擬實驗室的重點放在電子、電工、機械、土木、環境等學科更為現實.而像天體物理、核物理、海洋、分子生物學等學科的虛擬實驗室用于遠程科研較為適宜.⑶虛擬實驗室的低成本特點有利于其發展遠程教育通過計算機網絡實現教育資源共享,某一學科的先進教學方法和卓越的實驗條件可以為校內外的各學科廣泛使用,從而可以節省許多基礎設施的低水平重復建設和儀器設備重復引進的資金投入,有利于從整體上改善辦學條件和提高教學水平.虛擬實驗室在信息高速公路的運行,必然帶來人們觀念的更新和實驗室革命.⑷教學方式靈活、方便基于因特網的虛擬實驗室遠程教育模式不同于傳統的面對面的統一、死板的教學模式,它能夠靈活地提供給用戶(學生)不同的實驗教學內容,用戶(學生)可以根據實際情況確定學習內容和安排學習進程,從而可以最大限度地滿足用戶(學生)的不同需要.這樣,既可以普及知識,又能夠提高、更新知識.此外,遠程教育不受時間、地域的限制,用戶(學生)只要通過計算機網絡便可以及時獲得知識.⑸我國國情適合于發展網上遠程教育我國人口眾多,國民平均知識水平相對較低.在知識經濟時代和科教興國方針的指引下,國民中蘊藏著接受高層次教育和知識更新的迫切需求.由于客觀條件的限制,能夠進入高等院校接受教育的人畢竟有限.網上的遠程教育可以滿足人們渴望獲得知識的要求,為因特網上虛擬實驗室遠程教育的發展提供了廣闊前景.

五、虛擬實驗室建設過程中的幾點建議

我國雖然與發達國家在虛擬實驗室研究方面有一定差距,至今尚未建成大規模的可覆蓋全國的實用的虛擬實驗室,但是已有許多高校重視并致力于虛擬實驗室的研究、開發工作,并取得了一定的進展.為了使我國虛擬實驗室的建設趕上發達國家,使其發揮應有的作用,根據我國的現狀,提出如下建議:

⑴虛擬實驗室的建立必須有組織、有規劃地進行虛擬實驗室從其誕生起,就因其具有資源共享、多方合作、提供多種服務、信息交流等功能,而顯示出它的公益性和社會化屬性.因此,虛擬實驗室是屬于全社會的.借鑒國外的經驗,它應由政府支持并由有關部門出面組織、統籌、規劃和協調.

⑵認真做好虛擬實驗室的需求調查工作理工科的大多數學科專業是可以建立虛擬實驗室的,但是社會對它們需求程度卻是差異甚大.根據我國的國情和資金支持能力,不可能全部學科專業都建立虛擬實驗室,只能是在“有所為,有所不為”的原則下,選擇社會需求迫切的學科專業優先建立.這就需要調查虛擬實驗室的需求,根據需求程度,分出輕重緩急,進行統籌安排.

⑶充分利用國內現有的基礎設施和人力資源目前,我國的中國教學科研網(CERNET)已經建立,已有百余所高校聯入該網,并通過多條國際通道進入因特網.我國開展虛擬實驗室研究的基礎設施和合作條件已初步具備,應充分發揮該網在我國遠程教育、科研的重要作用.目前,中國教學科研網還只是一個基礎設施,在此基礎上建立虛擬實驗室示范工程,有利于促進信息交流、合作、教育資源共享.

⑷加強國際交流、合作借鑒、學習和吸收發達國家在虛擬實驗室領域的研究成果是十分有益的,不僅要學習國外成功的經驗,同時也要重視國外在虛擬實驗室及其相關研究的前期工作中暴露出的一些理論問題、技術問題、管理問題及政策法規問題.加強國際交流、合作是十分重要的.六、結束語虛擬實驗室是信息時代的產物,它在教育、科研領域中具有廣闊的應用前景,是實驗教學的一個新的發展方向.它必將促進教學觀念與教學形式的變革,也促進教學內容與教學方法的變革,是今后遠程教育發展的主流與趨勢.