【摘 要】计算机及其网络具有分布广泛、传输信息快捷和使用方便的特点，将其应用于实验教学，可以提供强有力的辅助。演示性实验的Flash动画网络演示，可以迅速发布、共享、及时更新。用Matlab开发的基于计算的模拟仿真实验，可以科学地计算、验证现实模型。基于远程控制的设备共享实验可以使实际设备远程使用，最大程度地发挥设备功能。这些都成为实验教学的新途径。

　　【关键词】 实验教学；远程实验；计算机辅助教学；仿真；虚拟现实

　　引言

　　计算机技术的迅速发展，特别是网络技术的发展和广泛应用给我们的生活、学习带来了便捷，开辟了新的广阔空间。另一方面，高等教育中的实验教学一直是困扰我们的难题。于是有了将计算机技术特别是网络技术应用于实验教学的尝试和研究。

　　计算机辅助实验教学涉及软件技术、多媒体技术、虚拟现实技术、网络技术和远程控制技术等[1]。根据采用的技术类型我认为可以将它们分为三类：

　　（1）演示性实验的网络演示；

　　（2）基于计算的虚拟仿真实验；

　　（3）设备共享的远程控制实验。

　　下面分别讨论它们的技术和应用。

　　演示性实验的网络演示

　　高等教育中许多理论和技术应用的教学需要实验演示以增强形象性效果和形象性验证。但很多实验实际操作比较困难，效果不理想，甚至有危险性。比如化学教学中的浓硫酸加水演示就非常危险，物理教学中的波的干涉、合成等演示效果不好。而采用计算机多媒体技术重现这些实验过程，可以具有很好的演示效果。

　　计算机演示实验最简单的方法是采用视频拍摄，然后播放。视频演示比较真实，但视频文件一般太大，占用空间多、网络传输速度慢、一些需要放大、仪器测量等观测的实验就拍摄困难。而且视频演示无法控制参数、交互性差。因此目前更多的是采用计算机制作矢量动画来演示实验过程和效果。

　　矢量动画主要是使用美国Macromedia公司的Flash软件制作。动画文件小但画面清晰、美观，可程序控制交互，Flash动画可嵌入网页、PPT演示文稿等。采用B/S即浏览器/服务器结构是计算机辅助演示性实验系统的结构特点。它比传统的软件结构或C/S结构具有发布快、传播广泛、资源共享、内容更新方便、用户界面统一、不必安装等优点。我们制作的大学物理实验演示网站[2]采用ASP动态网页中嵌入Flash动画，系统演示了大学物理课程的全部演示性实验，演示参数可调，具有交互性。

　　Flash演示性实验的不足是缺乏物理现实的真实形象感，可以将它与视频演示相结合，并作为学生自己真实设备实验的辅助，可以取得帮助理解、加快掌握的良好效果。

　　基于计算的模拟仿真实验

　　演示性实验虽然是真实实验的反映，但它的过程、效果是人为确定的。更加复杂的实验则无法简单的人为确定效果。比如空间飞行器的真实运动轨迹、桥梁的结构应力和变形、复杂系统的信号输出等。而基于计算的仿真模拟则具有科学性、形象性，能模拟许多不易真实进行的实验[3]。

　　基于计算的模拟仿真实验的关键是建立正确反映实验对象特性的客观数学模型，然后通过对模型的计算得到输出，然后用图形或三维动画显示输出结果。

　　用于计算机模拟仿真的软件比较多，性能突出的主要是美国Math Works公司的Matlab计算演示软件和NI公司的LabVIEW虚拟仪器软件。Matlab具有丰富的专用软件工具包和图形功能，用于理工科各专业领域的计算、仿真实验和研究，目前可以说是理工科专业学习和研究的必不可少的工具[4]。

　　例如桥梁应力实验。由于该实验具有破坏性，对于某种结构结构可承受的应力极限，不可能到真正的桥梁上进行。但由结构得到的桥梁受力数学模型是已知的，根据受力分析，我们用软件计算可以仿真得到该结构下的负荷极限、变形。并仿真显示变形效果和超极限的跨塌情形。

　　用Matlab开发的桥梁营利仿真实验界面，通过点击可以由学生自行设计桥梁结构。然后加上负荷。如图1是点击计算按钮后得到的桥梁结构的各节点的受力情况结果，点击动态情形可以得到变形和跨塌效果图。

　　NI公司的LabVIEW则主要擅长于基于计算的虚拟仪器，然后由虚拟仪器可以构件虚拟实验室。目前这两个软件公司都在中国各高校建立了应用基地，为各高校的实验教学和研究提供方案、技术支持，更是为宣传、推广其软件。

　　基于计算的仿真模拟还应用在大量的科学研究和工程技术上，如机械的应力实验、航空航天等。

　　远程控制的设备共享远程实验

　　网络不仅给我们提供了信息，也可以作为远程控制的通道。上面的两类实验终究都还是虚拟现实，如果通过网络来控制远端设备，并通过网络得到实际输出，则是网络辅助的真实实验。

　　基于远程控制的真实设备实验，一方面是由于昂贵的实验设备如果能提供网络共享，无疑能最大程度地发挥其功能。如美国国家实验室的能源研究计算中心的超级计算机系统，它能提供网络共享、远程控制使用，这样提高了超级计算机的利用率，更好地发挥其功能。另外一方面是由于时间和空间的限制，如医疗远程诊断、远程手术等。

　　目前高等教育中由于快速发展，实验设备、师资不足，而建立基于网络远程控制的真实设备实验，则可以提高设备利用率，学生自主登录，远程操作实验设备，并通过网络得到实验数据，本地机再根据数据来图形化仿真显示实验结果。

　　远程控制的虚拟实验室不仅应用了远程控制技术、网络技术，也涉及多媒体技术和虚拟现实技术[5]。如图2是我们基于远程控制的微机原理远程虚拟实验室结构示意图。其中大量的简单仪器、设备则采用基于计算的计算机仿真模拟，如果全部采用真实设备，这些简单的仪器设备控制复杂，但意义又不大。而将核心的实验对象8086CPU芯片、8059中断芯片、8253定时器芯片和其它接口芯片等则采用真实设备的远程控制、逻辑连接、远程输入、真实测量，然后将输出结果通过网络传输回用户[6]。

　　学生可通过因特网登录进入该虚拟实验室，可自主安排时间进行实验，也可观看他人实验，并可反复进行操作。学生在本地机的界面上模拟将芯片、器件进行电路连接，指令通过网络传输到远程实验室进行逻辑连接。然后学生将编写的汇编语言实验程序通过网络传入微机，按运行按钮则可以控制远程8086微机运行学生编写的汇编程序。运行结果输出后再通过网络传输回学生本地机屏幕显示。这样通过远程控制，学生可以和实地真实操作微机实验设备一样地作微机原理实验，并得到真实的实验结果。

　　这样，通过远程控制实验，可以不受时间、空间限制地进行实验，提高了设备利用率，也可供偏远地区学生进行实验。对于实验的误操作，系统还可以提示、报警，避免有损坏性操作，如短路连接、带电插拔等，有效地保护实验仪器设备。

　　计算机辅助实验教学技术的进一步发展

　　计算机技术特别是网络技术的应用为实验教学提供了强有力的辅助。随着计算机科学的快速发展，计算机辅助实验教学技术也会得到快速发展。

　　我们分析其发展趋势为：演示性实验向增加三维演示、互动方向发展；基于计算的仿真模拟实验研究重点则是数学模型的建立，使模型能更真实地反映客观现实，软件则是开发更多方便的专用软件工具包；基于远程控制的实验更是存在更大的发展空间，其发展方向应朝实时控制、实时反馈、设备共享、信息共享的方向发展。

　　当然，计算机辅助实验并不能完全代替真实实验，但它可以有效提高学生真实实验的正确性和实验效果，使学生理解更快、掌握更好。计算机及其网络影响着我们的生活，也为我们的实验教学提供了新的广阔途径。

　　[参考文献]

　　[1] 李仁发，周祖德，李方敏等. 虚拟实验室网络体系结构研究[J].系统仿真学报，2002，（3）：37-43.

　　[2] 长江大学大学物理实验演示网站[OL]. http://home.jznu.net/lbnet/ 2005.

　　[3] 罗兵，周贤善. 因特网教学模拟实验[J]. 中国远程教育，2001，（12）：54-56.

　　[4] 罗兵. MATLAB在远程教育中的应用[J]. 远程教育杂志，2002，（5）：18-20.

　　[5] 肖巍，王伯雄，罗秀芝. 基于网络的实验硬件远程控制系统的开发[J]. 清华大学学报（自然科学版），2002，（6）：62-67.

　　[6] 罗兵，周贤善. 基于Web的微机原理教学实验系统[J]. 荆州师范学院学报（自然科学版），2003，（5）：31-34.