遠程教育及虛擬實驗室

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一、多媒體遠程教育

遠程教育是為克服傳統(tǒng)的面對面教育模式的某些不足(招生人數(shù)有限、教育方法不靈活、教育資金浪費等)而產(chǎn)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(xiàn)了由廣播電臺傳播信息的廣播大學(xué);當電視普及以后,電視大學(xué)應(yīng)運而生.在上述三種遠程教育方法中,以電視大學(xué)的教學(xué)方式最優(yōu).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(xué)至今,已有數(shù)以百萬計的人接受了這種教育.但是,電視大學(xué)作為一種教學(xué)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(xué)內(nèi)容有局限性,文科專業(yè)(外語、財會、管理等)和部分理科專業(yè)(數(shù)學(xué)等)適于電視大學(xué).以實驗為不可或缺的某些專業(yè)(多數(shù)工科專業(yè)、部分理科專業(yè))在電視大學(xué)中不能充分實現(xiàn)或根本無法實現(xiàn).近些年來,隨著計算機技術(shù)與通信技術(shù)的迅速發(fā)展,出現(xiàn)了教育多媒體系統(tǒng),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(tǒng)在一定程度上彌補了電視大學(xué)的某些不足,但仍不能實現(xiàn)實驗操作.網(wǎng)上虛擬實驗室的出現(xiàn),使遠程教育更趨完善,為教育發(fā)展史寫下了光輝的一頁.在不足20年時間里,因特網(wǎng)在全球得到了迅速發(fā)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(wǎng)絡(luò).作為遠程教育的關(guān)鍵———教學(xué)信息的傳遞,因特網(wǎng)無疑具有明顯的優(yōu)勢.虛擬實驗室正是建立在以因特網(wǎng)為信息載體的基礎(chǔ)上,它的產(chǎn)生向人們展示了信息時代一種全新的教育方式和科學(xué)研究方式[1].

二、虛擬實驗室是今后高層次遠程教育的發(fā)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(wǎng)上均能輕易實現(xiàn).只要建立一個教育網(wǎng)站,用戶就不再受時空的限制,訪問教育網(wǎng)站就能夠接受到遠程教育.但僅限于此還不能充分體現(xiàn)出因特網(wǎng)強大的信息傳遞功能.基于因特網(wǎng)的虛擬實驗室的出現(xiàn),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(xué)(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(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境,致力于構(gòu)筑一個綜合不同工具和技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化的集成環(huán)境.在這個環(huán)境里,用戶可以非常有效地利用世界上分布的各種數(shù)據(jù)、信息、儀器設(shè)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(xué)研究工作,科研人員在遠程即可從事研究工作:使用儀器設(shè)備、共享數(shù)據(jù)資源、交流信息等.虛擬實驗室實質(zhì)上是一個分布式計算機系統(tǒng),在該系統(tǒng)中,配置有遙控、遙測能力的網(wǎng)絡(luò)化研究設(shè)備和數(shù)據(jù)采集平臺,有支持協(xié)作活動的各種工具,建有可以支持數(shù)據(jù)共享的數(shù)字式圖書館.加入到因特網(wǎng)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(wǎng)站.用戶可以在任何時候,從任何地點訪問虛擬實驗室網(wǎng)站.它的建立大大提高了實驗教學(xué)的伸縮性和適應(yīng)性.不同的學(xué)科專業(yè)的虛擬實驗室有各自的特點.但無論是哪個學(xué)科專業(yè)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(yīng)用程序?qū)⒂嬎銠C與功能化硬件結(jié)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(shù)據(jù)采集、分析、判斷、顯示和數(shù)據(jù)存儲等.虛擬儀器與傳統(tǒng)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(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、結(jié)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(jié)合起來,實現(xiàn)儀器的功能運作.

與傳統(tǒng)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(gòu)造和使用虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)在于軟件,“軟件即儀器”.應(yīng)用軟件程序?qū)⒖蛇x硬件(如GPIB、VXI、RS-232、DAQ等)和可重復(fù)使用源碼庫函數(shù)等軟件結(jié)合起來實現(xiàn)模塊間的通信、定時與觸發(fā),源碼庫函數(shù)為用戶構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊[3].當用戶的學(xué)習(xí)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)儀器所不具備的.在虛擬實驗室中所使用的儀器設(shè)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(fā)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(jié)果信息.為了實現(xiàn)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(fā)了虛擬儀器軟件開發(fā)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(huán)境,把復(fù)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(gòu)成程序.LabVIEW除了具備其他語言所提供的常規(guī)函數(shù)功能外,還集成了大量生成圖形界面的模板、豐富實用的數(shù)值分析、數(shù)字信號處理功能,以及多種硬件設(shè)備驅(qū)動功能,包括RS-232、GPIB、VXI、VISA、數(shù)據(jù)采集卡DAQ等.虛擬儀器的出現(xiàn)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(wǎng)的虛擬實驗室必將成為今后遠程教育發(fā)展的推動力.

三、虛擬實驗室在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)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(yīng)用前景,各國均在大力開發(fā),已經(jīng)取得了一些進展.目前,虛擬實驗室在發(fā)達國家已十分普及.美國作為當今的科技強國,為繼續(xù)保持其在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位,尤其重視信息技術(shù)的研究,并已將虛擬實驗室列入其科研發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃.在1991年底,美國科學(xué)基金會、美國國家科學(xué)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(xué))合作實驗室委員會”,其任務(wù)是調(diào)查科學(xué)家對信息技術(shù)的需求,協(xié)調(diào)科研合作關(guān)系,組織并實施具體的信息技術(shù)開發(fā).此后,美國聯(lián)邦政府投入資金在海洋學(xué)、天體物理學(xué)和分子生物學(xué)三大領(lǐng)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(zhì)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(gòu)過渡到虛擬實驗室環(huán)境中.目前,越來越多的科學(xué)家正投身于構(gòu)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(fā),在該領(lǐng)域的研究已處于領(lǐng)先地位.虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語言已成為各大學(xué)理工科學(xué)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(xué)已組建了遠程虛擬實驗室.德國的漢諾威大學(xué)建立了虛擬自動化實驗室;西班牙大學(xué)電子系開發(fā)了電子儀器虛擬工作平臺;意大利帕瓦多大學(xué)建立了遠程虛擬教育實驗室;新加坡國立大學(xué)開發(fā)了遠程示波器實驗和壓力容器實驗[4-7].

在國內(nèi),虛擬實驗室的建設(shè)也得到了應(yīng)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(xué)利用虛擬儀器構(gòu)建了汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng);華中理工大學(xué)機械學(xué)院工程測試實驗室將其虛擬實驗室成果在網(wǎng)上公開展示,供遠程教育使用;四川聯(lián)合大學(xué)基于虛擬儀器的設(shè)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(tǒng);復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州暨南大學(xué)等一批高校,也開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研[8-11].

四、虛擬實驗室的功能特點及應(yīng)用前景

虛擬實驗室具有傳統(tǒng)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(yīng)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(shù)據(jù)庫、硬件,甚至人員集成于一個系統(tǒng),使用標準的統(tǒng)一命令來實現(xiàn)功能服務(wù),這種透明的結(jié)構(gòu)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(tǒng)一查詢標準的電子圖書館、數(shù)據(jù)庫、智能化檢索系統(tǒng)、應(yīng)用軟件庫等,用戶可以共享數(shù)據(jù)、軟件、硬件等相關(guān)資源.這個特性能夠減少重復(fù)投資,大大節(jié)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(shù)據(jù)、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(yōu)的儀器設(shè)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(wù)功能也要隨時增加,虛擬實驗室必須具備性能升級、服務(wù)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(huán)境所必需的保障條件.虛擬實驗室采取必要的措施和技術(shù)手段維護系統(tǒng)軟件、硬件以及用戶知識產(chǎn)權(quán)的安全.通常采用用戶鑒別注冊、權(quán)限驗證技術(shù),郵件、文獻加密技術(shù)等手段保證系統(tǒng)的安全性.具有安全措施的虛擬實驗室系統(tǒng)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(yīng)用前景因特網(wǎng)上的虛擬實驗室在遠程教育中具有良好的應(yīng)用前景.⑴計算機網(wǎng)絡(luò)的迅速普及為遠程教育提供了有利條件目前我國上網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)為虛擬實驗室的普及和發(fā)展提供了便利條件.⑵

虛擬實驗室的性能優(yōu)勢與傳統(tǒng)實驗室相比,虛擬實驗室性能更為優(yōu)秀,組建虛擬實驗室必須考慮到選用當今世界上性能優(yōu)秀、儀器齊全的一流設(shè)備,這些設(shè)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(shè)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(shè)備,用戶也能夠通過訪問虛擬實驗室來進行學(xué)習(xí)和使用.開發(fā)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(huán)境等學(xué)科更為現(xiàn)實.而像天體物理、核物理、海洋、分子生物學(xué)等學(xué)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(fā)展遠程教育通過計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)教育資源共享,某一學(xué)科的先進教學(xué)方法和卓越的實驗條件可以為校內(nèi)外的各學(xué)科廣泛使用,從而可以節(jié)省許多基礎(chǔ)設(shè)施的低水平重復(fù)建設(shè)和儀器設(shè)備重復(fù)引進的資金投入,有利于從整體上改善辦學(xué)條件和提高教學(xué)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(xué)方式靈活、方便基于因特網(wǎng)的虛擬實驗室遠程教育模式不同于傳統(tǒng)的面對面的統(tǒng)一、死板的教學(xué)模式,它能夠靈活地提供給用戶(學(xué)生)不同的實驗教學(xué)內(nèi)容,用戶(學(xué)生)可以根據(jù)實際情況確定學(xué)習(xí)內(nèi)容和安排學(xué)習(xí)進程,從而可以最大限度地滿足用戶(學(xué)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(xué)生)只要通過計算機網(wǎng)絡(luò)便可以及時獲得知識.⑸我國國情適合于發(fā)展網(wǎng)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(jīng)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(wǎng)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(wǎng)上虛擬實驗室遠程教育的發(fā)展提供了廣闊前景.

五、虛擬實驗室建設(shè)過程中的幾點建議

我國雖然與發(fā)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(guī)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(fā)工作,并取得了一定的進展.為了使我國虛擬實驗室的建設(shè)趕上發(fā)達國家,使其發(fā)揮應(yīng)有的作用,根據(jù)我國的現(xiàn)狀,提出如下建議:

⑴虛擬實驗室的建立必須有組織、有規(guī)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(wù)、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(jīng)驗,它應(yīng)由政府支持并由有關(guān)部門出面組織、統(tǒng)籌、規(guī)劃和協(xié)調(diào).

⑵認真做好虛擬實驗室的需求調(diào)查工作理工科的大多數(shù)學(xué)科專業(yè)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(jù)我國的國情和資金支持能力,不可能全部學(xué)科專業(yè)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(xué)科專業(yè)優(yōu)先建立.這就需要調(diào)查虛擬實驗室的需求,根據(jù)需求程度,分出輕重緩急,進行統(tǒng)籌安排.

⑶充分利用國內(nèi)現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施和人力資源目前,我國的中國教學(xué)科研網(wǎng)(CERNET)已經(jīng)建立,已有百余所高校聯(lián)入該網(wǎng),并通過多條國際通道進入因特網(wǎng).我國開展虛擬實驗室研究的基礎(chǔ)設(shè)施和合作條件已初步具備,應(yīng)充分發(fā)揮該網(wǎng)在我國遠程教育、科研的重要作用.目前,中國教學(xué)科研網(wǎng)還只是一個基礎(chǔ)設(shè)施,在此基礎(chǔ)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(xué)習(xí)和吸收發(fā)達國家在虛擬實驗室領(lǐng)域的研究成果是十分有益的,不僅要學(xué)習(xí)國外成功的經(jīng)驗,同時也要重視國外在虛擬實驗室及其相關(guān)研究的前期工作中暴露出的一些理論問題、技術(shù)問題、管理問題及政策法規(guī)問題.加強國際交流、合作是十分重要的.六、結(jié)束語虛擬實驗室是信息時代的產(chǎn)物,它在教育、科研領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景,是實驗教學(xué)的一個新的發(fā)展方向.它必將促進教學(xué)觀念與教學(xué)形式的變革,也促進教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的變革,是今后遠程教育發(fā)展的主流與趨勢.