远程教育及虚拟实验室
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一、多媒体远程教育
远程教育是为克服传统的面对面教育模式的某些不足(招生人数有限、教育方法不灵活、教育资金浪费等)而产生的一种新型教育模式.最初的远程教育是函授教育;此后出现了由广播电台传播信息的广播大学;当电视普及以后,电视大学应运而生.在上述三种远程教育方法中,以电视大学的教学方式最优.不仅能听到声音,而且可以看到图像.我国从1978年开通了电视大学至今,已有数以百万计的人接受了这种教育.但是,电视大学作为一种教学方法,也有其不足.首先,这种方式不灵活、不方便,授课须定点定时.其次,教学内容有局限性,文科专业(外语、财会、管理等)和部分理科专业(数学等)适于电视大学.以实验为不可或缺的某些专业(多数工科专业、部分理科专业)在电视大学中不能充分实现或根本无法实现.近些年来,随着计算机技术与通信技术的迅速发展,出现了教育多媒体系统,它能够交互地同时处理、传输、管理文本、图形、图像、语言、视频、动画等多种形式的信息.多媒体远程教育系统在一定程度上弥补了电视大学的某些不足,但仍不能实现实验操作.网上虚拟实验室的出现,使远程教育更趋完善,为教育发展史写下了光辉的一页.在不足20年时间里,因特网在全球得到了迅速发展,已成为当今世界上覆盖面最大、信息资源最丰富的计算机信息网络.作为远程教育的关键———教学信息的传递,因特网无疑具有明显的优势.虚拟实验室正是建立在以因特网为信息载体的基础上,它的产生向人们展示了信息时代一种全新的教育方式和科学研究方式[1].
二、虚拟实验室是今后高层次远程教育的发展主流
函授、广播、电视等远程教育模式的所有功能,在因特网上均能轻易实现.只要建立一个教育网站,用户就不再受时空的限制,访问教育网站就能够接受到远程教育.但仅限于此还不能充分体现出因特网强大的信息传递功能.基于因特网的虚拟实验室的出现,将远程教育提升到更高的层次上.虚拟实验室(VirtualLaboratory)概念,是由美国弗吉尼亚大学(UniversityofVirginia)的威廉•沃尔夫(WilliamWolf)教授于1989年首先提出的,它描述了一个计算机网络化的虚拟实验室环境,致力于构筑一个综合不同工具和技术的信息化、网络化的集成环境.在这个环境里,用户可以非常有效地利用世界上分布的各种数据、信息、仪器设备及人力等资源[2].
虚拟实验室提出的初衷是为了方便科学研究工作,科研人员在远程即可从事研究工作:使用仪器设备、共享数据资源、交流信息等.虚拟实验室实质上是一个分布式计算机系统,在该系统中,配置有遥控、遥测能力的网络化研究设备和数据采集平台,有支持协作活动的各种工具,建有可以支持数据共享的数字式图书馆.加入到因特网的虚拟实验室可视为建立了一个可以演示、操纵、控制实验的特殊网站.用户可以在任何时候,从任何地点访问虚拟实验室网站.它的建立大大提高了实验教学的伸缩性和适应性.不同的学科专业的虚拟实验室有各自的特点.但无论是哪个学科专业的虚拟实验室都是由各自的虚拟仪器(VirtualInstrumentation)组成的.虚拟仪器是指通过应用程序将计算机与功能化硬件结合起来,用户通过友好的图形界面来操作计算机,从而完成了对被测对象的数据采集、分析、判断、显示和数据存储等.虚拟仪器与传统仪器相比,有其相同的一面,又有不同的一面.相同点是:虚拟仪器同样具有三大功能,即数据采集、数据分析处理、结果显示.虚拟仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬件的测控能力结合起来,实现仪器的功能运作.
与传统仪器不同的是:在给定计算机运算能力和必要的仪器硬件以后,构造和使用虚拟仪器的关键技术在于软件,“软件即仪器”.应用软件程序将可选硬件(如GPIB、VXI、RS-232、DAQ等)和可重复使用源码库函数等软件结合起来实现模块间的通信、定时与触发,源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块[3].当用户的学习目的或测试要求改变时,可以方便地由用户自行增减硬软件模块或重新配置系统以满足测试要求.综上所述,虚拟仪器是由用户自己定义、自由组合的计算机平台、硬件、软件以及完成系统功能的必需附件组成的.虚拟仪器的这个特点是功能固定、彼此分离的传统仪器所不具备的.在虚拟实验室中所使用的仪器设备一般都具有可编程接口(例如GPIB接口等),终端的PC机通过GPIB接口和总线发送命令字符串控制仪器,也可通过GPIB接口和总线从仪器端获得结果信息.为了实现通过计算机对可编程仪器的控制,美国国家仪器公司(NationalIn-struments,简称NI)开发了虚拟仪器软件开发平台———LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWork-bench).作为目前世界上惟一的编译型图形化编程语言,LabVIEW提供了虚拟仪器的图形编程环境,把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能或图形,只需连接各个功能或图形即可构成程序.LabVIEW除了具备其他语言所提供的常规函数功能外,还集成了大量生成图形界面的模板、丰富实用的数值分析、数字信号处理功能,以及多种硬件设备驱动功能,包括RS-232、GPIB、VXI、VISA、数据采集卡DAQ等.虚拟仪器的出现不仅是实验室的一场革命,同时也为远程教育注入了活力.基于因特网的虚拟实验室必将成为今后远程教育发展的推动力.
三、虚拟实验室在国内外发展现状
虚拟实验室概念的提出至今仅为十余年的时间,但因其诱人的应用前景,各国均在大力开发,已经取得了一些进展.目前,虚拟实验室在发达国家已十分普及.美国作为当今的科技强国,为继续保持其在科学技术领域的领先地位,尤其重视信息技术的研究,并已将虚拟实验室列入其科研发展的战略规划.在1991年底,美国科学基金会、美国国家科学研究顾问委员会所属的计算机与远程通信部组成了一个“全国(科学)合作实验室委员会”,其任务是调查科学家对信息技术的需求,协调科研合作关系,组织并实施具体的信息技术开发.此后,美国联邦政府投入资金在海洋学、天体物理学和分子生物学三大领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工程,开展了一系列探索性研究并取得了实质性进展.
美国一些政府部门,如能源部,正在制定计划将其所属的科研机构过渡到虚拟实验室环境中.目前,越来越多的科学家正投身于构筑一个覆盖全美国的虚拟实验室的工作中来.作为首先提出虚拟实验室概念,并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国,从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发,在该领域的研究已处于领先地位.虚拟仪器系统及其图形编程语言已成为各大学理工科学生的一门必修课,其普及程度是相当广泛的.国外的一些大学已组建了远程虚拟实验室.德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室;西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台;意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室;新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验[4-7].
在国内,虚拟实验室的建设也得到了应有的重视.目前,已有部分高校初步建立了虚拟实验室.例如:清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统;华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示,供远程教育使用;四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路,研制了“航空电台二线综合测试仪”,将8台仪器集成于一体,组成虚拟仪器系统;复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等一批高校,也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研[8-11].
四、虚拟实验室的功能特点及应用前景
虚拟实验室具有传统实验室无法比拟的功能特点,决定了它在科研、教育(特别是远程教育)中的良好应用前景.1.功能特点虚拟实验室具有以下特点:(1)透明性虚拟实验室的所有数据库、硬件,甚至人员集成于一个系统,使用标准的统一命令来实现功能服务,这种透明的结构决定了虚拟实验室的透明特征.(2)资源共享性建立虚拟实验室的宗旨之一就是为了做到资源共享.为达到此目的,需要建立统一查询标准的电子图书馆、数据库、智能化检索系统、应用软件库等,用户可以共享数据、软件、硬件等相关资源.这个特性能够减少重复投资,大大节约投资成本.(3)互动操作性虚拟实验室一旦开放,即具有互动性,远程用户同样可以操作本地实验室,同时用户之间可以交流信息.
开放远程用户程序需要有一系列软硬件的支持,它们都是虚拟实验室的组成部分.(4)用户自主性用户可以制定自己使用的虚拟仪器的方式,允许用户采取必要的措施保护自己的数据、资料,用户具有充分的自主性.(5)扩展性在当今的信息时代里,知识更新速度十分迅速,新型的、性能更优的仪器设备更新周期越来越短.因此,虚拟实验室的硬件必须随时更新,软件也要随时升级,服务功能也要随时增加,虚拟实验室必须具备性能升级、服务功能增加的特性.(6)安全性安全性是开放的、透明的、资源共享的合作环境所必需的保障条件.虚拟实验室采取必要的措施和技术手段维护系统软件、硬件以及用户知识产权的安全.通常采用用户鉴别注册、权限验证技术,邮件、文献加密技术等手段保证系统的安全性.具有安全措施的虚拟实验室系统能够做到拒绝非法访问者进入虚拟实验室,也可以将合法访问者的不当操作及时中止[12].2.应用前景因特网上的虚拟实验室在远程教育中具有良好的应用前景.⑴计算机网络的迅速普及为远程教育提供了有利条件目前我国上网计算机已超过2000万台,而且还将以每年增加20%的速度增长.这个庞大的网络为虚拟实验室的普及和发展提供了便利条件.⑵
虚拟实验室的性能优势与传统实验室相比,虚拟实验室性能更为优秀,组建虚拟实验室必须考虑到选用当今世界上性能优秀、仪器齐全的一流设备,这些设备并不是所有院校都能拥有的,而虚拟实验室却能够提供给用户使用一流的设备.甚至像电子显微镜、天文望远镜、逻辑分析仪、大型核装置等这些昂贵、难以接触到的仪器设备,用户也能够通过访问虚拟实验室来进行学习和使用.开发用于远程教育的虚拟实验室的重点放在电子、电工、机械、土木、环境等学科更为现实.而像天体物理、核物理、海洋、分子生物学等学科的虚拟实验室用于远程科研较为适宜.⑶虚拟实验室的低成本特点有利于其发展远程教育通过计算机网络实现教育资源共享,某一学科的先进教学方法和卓越的实验条件可以为校内外的各学科广泛使用,从而可以节省许多基础设施的低水平重复建设和仪器设备重复引进的资金投入,有利于从整体上改善办学条件和提高教学水平.虚拟实验室在信息高速公路的运行,必然带来人们观念的更新和实验室革命.⑷教学方式灵活、方便基于因特网的虚拟实验室远程教育模式不同于传统的面对面的统一、死板的教学模式,它能够灵活地提供给用户(学生)不同的实验教学内容,用户(学生)可以根据实际情况确定学习内容和安排学习进程,从而可以最大限度地满足用户(学生)的不同需要.这样,既可以普及知识,又能够提高、更新知识.此外,远程教育不受时间、地域的限制,用户(学生)只要通过计算机网络便可以及时获得知识.⑸我国国情适合于发展网上远程教育我国人口众多,国民平均知识水平相对较低.在知识经济时代和科教兴国方针的指引下,国民中蕴藏着接受高层次教育和知识更新的迫切需求.由于客观条件的限制,能够进入高等院校接受教育的人毕竟有限.网上的远程教育可以满足人们渴望获得知识的要求,为因特网上虚拟实验室远程教育的发展提供了广阔前景.
五、虚拟实验室建设过程中的几点建议
我国虽然与发达国家在虚拟实验室研究方面有一定差距,至今尚未建成大规模的可覆盖全国的实用的虚拟实验室,但是已有许多高校重视并致力于虚拟实验室的研究、开发工作,并取得了一定的进展.为了使我国虚拟实验室的建设赶上发达国家,使其发挥应有的作用,根据我国的现状,提出如下建议:
⑴虚拟实验室的建立必须有组织、有规划地进行虚拟实验室从其诞生起,就因其具有资源共享、多方合作、提供多种服务、信息交流等功能,而显示出它的公益性和社会化属性.因此,虚拟实验室是属于全社会的.借鉴国外的经验,它应由政府支持并由有关部门出面组织、统筹、规划和协调.
⑵认真做好虚拟实验室的需求调查工作理工科的大多数学科专业是可以建立虚拟实验室的,但是社会对它们需求程度却是差异甚大.根据我国的国情和资金支持能力,不可能全部学科专业都建立虚拟实验室,只能是在“有所为,有所不为”的原则下,选择社会需求迫切的学科专业优先建立.这就需要调查虚拟实验室的需求,根据需求程度,分出轻重缓急,进行统筹安排.
⑶充分利用国内现有的基础设施和人力资源目前,我国的中国教学科研网(CERNET)已经建立,已有百余所高校联入该网,并通过多条国际通道进入因特网.我国开展虚拟实验室研究的基础设施和合作条件已初步具备,应充分发挥该网在我国远程教育、科研的重要作用.目前,中国教学科研网还只是一个基础设施,在此基础上建立虚拟实验室示范工程,有利于促进信息交流、合作、教育资源共享.
⑷加强国际交流、合作借鉴、学习和吸收发达国家在虚拟实验室领域的研究成果是十分有益的,不仅要学习国外成功的经验,同时也要重视国外在虚拟实验室及其相关研究的前期工作中暴露出的一些理论问题、技术问题、管理问题及政策法规问题.加强国际交流、合作是十分重要的.六、结束语虚拟实验室是信息时代的产物,它在教育、科研领域中具有广阔的应用前景,是实验教学的一个新的发展方向.它必将促进教学观念与教学形式的变革,也促进教学内容与教学方法的变革,是今后远程教育发展的主流与趋势.
