文献综述

1．研究背景

自1977年恢复高考，高校学生日益增多.2018年国内仅大学生人数就达到了3700万。如此飞速的学生数量增长之下，各类高校的实验器材场地均出现了紧缺的现象。同时近半个世纪科学技术迅猛发展导致，同样导致了各类高校出现了先进理论知识和实验方案与落后的实验器材和传统实验仪器不匹配的矛盾。一本合格的教材编写半年至一年算是短的，然而面对如今信息的更迭，当一本教材出版它所教的内容可能已经不是最先进的理论知识。对于实验器材，面对如今的学生基数和繁杂的专业来说，准备充足先进的实验器材所需的是一笔天文数字显然不现实。

对工科类学生而言许多的课目由于场地和实验课时的限制，学生课上只是机械地学习，缺乏思考的空间和时间，以至于对部分实验内容的理解不够充分，不利于更深层次的学习和提高。需要通过实验课程亲自去作、去观察可以进一步巩固课堂教学的理论知识，培养学生自主学习的能力。近年来，随着虚拟仪器技术和现场总线技术的发展，虚拟实验系统应运而生。将虚拟实验系统应用于实验教学能较好地解决仪器和场地不足的问题，满足学生的实验需求。

“虚拟实验室（Virtual Lab）”的概念由美国弗吉尼亚大学的教授威 廉·沃尔夫于 1989 年率先提出。它与一般的实体实验室类似，都提供了相关设备和器材供学生自己动手配置、连接、调节和使用。同时，教师也可以利用虚拟器材库中的器材自由的搭建任意可操作的实验或实验案例，使得学生和教师只要存在电子计算机和相关软件就可以进行相应的实验教学，这是虚拟实验室有别于一般实验教学课件的重要属性。随着教学仪器的发展和高校新时期实验教学所面临的新要求，将虚拟仪器引入实验教学将成为高等学校未来教学科研的重要方法和手段。

2.国内外研究情况

虚拟实验室的概念提出近30年，虚拟实验已经历了思想实验，计算机仿真和虚拟现实 3 个阶段。因其所带来的大量的人力物力的节省使得各国均在大力开发，目前已有一定成果。

2.1 国外研究现状

国外在计算机技术方面较为先进特别从计算机仿真开始美国国家仪器（NI）有限公司旗下产品因其简单的操作，庞大的数据库，强大的兼容性一直是计算机仿真的首选。且国外因其计算机技术的快速发展操作型虚拟实验系统较多。目前国外已经从计算机仿真向虚拟现实迈步，网络虚拟实验系统在发达国家已十分普及。较为代表性的成果有VLAB（美国俄勒冈大学物理系）、vclab 实验室（德国 Ruhr 大学）、美国霍华德·休斯医学研究会建立的一系列虚拟实验室。VLAB算是计算机仿真极为成功的虚拟实验系统，它将之前较为主流的单机系统转向为网络，客户只需打开网页将实验程序需要从服务器端下载，运行在客户机上即可。vclab 实验室已经向虚拟现实卖出了步伐，它可以通过直观的三维实验场景视觉效果，依赖各虚拟实验设备的仿真特性，实现对该虚拟实验的交互式操作。霍华德·休斯医学研究会建立的虚拟实验室更是可以通过一些交互设备实现对实验的亲手操作。