虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范国家科技支撑计划项目可行性论证报告.doc

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1、国家科技支撑计划项目可行性论证报告国家科技支撑计划项目可行性论证报告 项目名称： 虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范 项目编号： XXXXBXXXX00 项目组织单位： 教育部科技司 中华人民共和国科学技术部 XXXX 年十二月 1 项目信息表项目信息表 项目编号XXXXBXXXX00计划类别国家科技支撑计划 项目名称虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范 项目类别重大项目 重点项目项目密级 所属领域 能源 资源 环境 农业 材料 制造业 交通运输 信息产业与现代服务业 人口与健康 城镇化与城市发展 公共安全与其他社会事业 单位名称国家教育部组织机构代码 360 所在地区北京市单位性质 部

2、门 地方 企业 其他 通讯地址北京西单大木仓胡同 37 号邮政编码100816 姓 名XXX性 别女职 务副司长 联系电话传真 组 织 单 位 信 息 联系人 电子信箱jXXXX 参与组织单位 科技部项目主管司高新技术发展及产业化司 项目起始时间XXXX 年 1 月项目结束时间2011 年 12 月实施年限3 年 申请支撑计划拨款 1686 万元 其他财政拨款万元 单位自有货币资金6500 万元 经费预算8186 万元 其他资金万元 论证日期XXXX 年 12 月 11 日专家组长房庆 落实纲要的任务 明确列入纲要信息产业与现代服务业领域现代服务业信息支撑技术及大 型应用软件优先主题。 2 与

3、重大工程或重大 装备的结合情况 属于国家对高等教育实施“质量工程”的关键配套技术。 创新类型原始创新 集成创新 引进消化吸收再创新 研究内容 （300 字） 制定虚拟实验开发、评价及管理规范，攻克虚拟实验教学可视化设计关键技 术、设计虚拟实验教学资源构件的多领域建模与装配平台、建立虚拟实验智 能指导与管理系统，研发具有自主知识产权、集实物仿真、创新设计、智能 指导和高效管理于一体，具有良好自主性、交互性、可扩展性和安全性的虚 拟实验教学平台，构建相应的虚拟实验环境，满足一定规模用户的并发访问， 达到共享优质教学资源、加强学生创新能力和综合素质培养、有效提高教育 质量的目的。并以此平台为支撑，选

4、择四个学科进行应用示范，研究以第三 方服务为主的虚拟实验运营模式和公共服务体系。 考核目标及 技术经济指标 （300 字） 制定虚拟实验开发、评价和管理规范，提交 5 项规范或标准；攻克虚拟实验 共性关键技术，申报国家发明专利 20 项以上，软件著作权 20 项以上；在国 内外期刊和学术会议上发表论文 70 篇以上；研发具有自主知识产权、面向服 务架构的开放式虚拟实验教学支撑平台，支持不少于 20 门课程、100 个虚拟 实验，支持不少于 6 万用户同时在线进行实验；以第三方服务方式，在 50 所 高校开展示范应用，建设 20 个实验教学示范中心，三年内受益用户不少于 120 万人，直接经济效

5、益 1000 万元以上；培养一支虚拟实验方面的研究开发 和服务队伍，培养虚拟实验研究开发和教学的复合型、高层次专业人才 250 人以上。 产学研结合情况 （300 字） 由国内知名的重点大学作为科研开发和人才培养的基地，承担本项目关键技 术及系统的研制，以及高层次复合型人才的培养，为产业发展提供技术创新 的动力和支撑；示范工程课题由电大在线远程教育技术有限公司组织牵头， 以建立面向终身学习的虚拟实验公共服务体系为切合点，基于市场需求驱动， 探索市场运作的模式，培育虚拟实验第三方服务运营商，发展现代教育服务 业；以普通高校面授教育、高校远程学历教育为主要示范应用领域，通过大 规模的示范应用，探索

6、出切实可行的虚拟实验公共服务管理和运营模式，加 快虚拟实验教学产业链的形成。 项目、人才、基地 统筹（300 字） 本项目以国内知名高校和企业的专家、教授、工程技术人员组建技术攻关团 队，采用产学研相结合的模式进行技术合作。其中虚拟实验的标准、规范、 关键技术和平台的研究主要由高校负责，虚拟实验第三方服务运营模式的探 索研究由企业和高校共同完成。通过本项目的研究，依托课题的承担高校， 建立 35 个虚拟实验研究和培训基地，培养 810 名在虚拟实验领域具有国际 水平的学科带头人，培养 150 名研究生，100 名高级工程技术人才，全面提升 我国在虚拟实验领域的自主创新能力。 预期主要成果形式

7、专利 技术标准 新产品（或农业新品种） 新工艺（或新方法、新模式） 新装置 新材料 计算机软件 论文论著 研究（咨询）报告 人才培养 基地建设 其他 3 预期知识产权分析 （300 字） 目前，我国在虚拟实验技术标准和规范制定上尚处于空白，没有正式标准和 规范发布，与国外发达国家相比，存在一定差距。但我国在虚拟实验教学领 域积累了丰厚的实践经验，在虚拟实验的共性关键技术和大型平台的研发上 积累了大量的研究成果。在此基础上，通过本项目的实施预期可以制定虚拟 实验开发、评价及管理规范或国内标准草案 4 项，形成国际标准草案 1 项， 攻克虚拟实验共性关键技术，申报国家发明专利 20 项，软件著作权

8、 20 项。 预期取得的 技术标准分析 （300 字） 本项目针对我国虚拟实验教学的现状，重点研究制定虚拟实验教学的相关技 术标准，形成适用于我国虚拟实验教学实施的技术标准体系，制定虚拟实验 的评价、管理和基础软件跨平台规范，实现平台和资源的高度共享和可扩展 性，通过多种标准与规范的有机结合，解决分布式的实验教学与现有的教学 系统协同工作的问题。通过遵循标准和规范，不同单位开发的虚拟实验模块 和实验资源可以协同工作，从而提高其共享性和复用性。本项目将形成国际 标准草案 1 项，行业规范和国内标准草案 4 项，开发接口标准测试软件 1 套， 开发构件描述工具软件 1 套。 预期成果的作用 形成自

9、主研发能力 规模生产 试点示范 推广应用 突破关键技术 其他 拟分解的课题及其承 担单位选择方式 虚拟实验开发、评价及管理规范的研究与测试（公开发布指南） 、虚拟实验教 学可视化设计关键技术研究（公开发布指南） 、虚拟实验教学资源构件的多领 域建模与装配平台（公开发布指南） 、虚拟实验智能指导与管理系统的研发 （公开发布指南） 、开放式虚拟实验支撑平台的设计与开发（定向委托） 、虚 拟实验应用示范工程（定向委托） 。 专家论证意见 XXXX 年 12 月 11 日，科技部高新技术发展及产业化司在北京组织召开 了“十一五”国家科技支撑计划“虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范”重 点项目可行性

10、研究报告论证会。专家组认真听取了项目的情况汇报，审查了 所提交的项目可行性研究报告等资料，经过质询和讨论，形成如下论证意见： 1、该项目符合国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020） 中信息产业与现代服务业优先主题“现代服务业信息支撑技术及大型应用软件” 的要求，对于促进虚拟实验教学环境的开发、应用、第三方服务及产业化， 提高我国高等教育实践教学水平，培养创新型人才具有重要意义。 2、该项目面向虚拟实验教学的需求，建立开放式的虚拟实验支撑平台， 选择物理、机械工程、计算机科学与技术等学科，开发虚拟实验教学资源， 形成第三方服务为主的运营方式并进行示范应用，项目总体目标明确，定位 合理

11、。 3、该项目针对虚拟实验教学环境的建设，开展虚拟实验教学资源构件的 实体可视化与交互、多领域建模与装配、虚拟实验智能指导与管理、开放式 虚拟实验支撑平台、虚拟实验运营服务模式，以及相关规范的研究，技术路 线合理，技术有创新，任务设置与总目标关系紧密，考核指标明确。 4、该项目具有较好的前期技术基础、人才队伍和研发环境，研发与应用 结合紧密，项目管理体制合理。 专家组一致同意通过该项目可行性研究报告，建议尽快启动。 4 目目 录录 项目信息表项目信息表.1 目目 录录.4 一、项目摘要一、项目摘要.6 1. 立项意义立项意义6 2. 总体目标总体目标6 3. 考核指标考核指标7 4. 课题设置

12、课题设置8 5. 投资概算投资概算8 6. 实施年限实施年限8 二、项目的意义和必要性二、项目的意义和必要性.9 1. 项目的意义项目的意义9 2. 项目的需求分析项目的需求分析11 3. 相关领域的国内外技术技术现状及发展趋势相关领域的国内外技术技术现状及发展趋势13 三、国内现有基础三、国内现有基础.17 四、项目总体目标，实施年限，年度计划安排与阶段目标，具体考核指标四、项目总体目标，实施年限，年度计划安排与阶段目标，具体考核指标.25 1项目总体目标项目总体目标.25 2项目实施年限项目实施年限.25 3年度计划安排与阶段目标年度计划安排与阶段目标.25 4具体考核指标具体考核指标.2

13、8 五、项目的研究内容，课题设置方案，课题考核指标及承担单位选择方式五、项目的研究内容，课题设置方案，课题考核指标及承担单位选择方式.30 1课题设置方案课题设置方案.30 2课题之间的时间衔接课题之间的时间衔接.32 3课题研究内容、考核指标及承担单位选择方式课题研究内容、考核指标及承担单位选择方式.32 六、项目涉及的行业共性技术、关键技术、公益技术分析，技术难点和创新点，技术六、项目涉及的行业共性技术、关键技术、公益技术分析，技术难点和创新点，技术 路线路线.56 1项目涉及的行业共性技术、关键技术、公益技术分析项目涉及的行业共性技术、关键技术、公益技术分析.56 2技术难点技术难点.5

14、7 3创新点创新点.61 4技术路线技术路线.64 七、知识产权和技术标准现状和预期分析七、知识产权和技术标准现状和预期分析.77 1国内外知识产权和技术标准状况国内外知识产权和技术标准状况.77 2预期获得的知识产权和技术标准分析预期获得的知识产权和技术标准分析.82 八、项目总投资预算，资金筹措方案，配套资金落实措施八、项目总投资预算，资金筹措方案，配套资金落实措施.84 九、项目预期成果的经济、社会效益，与国内外同类产品或技术的竞争分析，成果应九、项目预期成果的经济、社会效益，与国内外同类产品或技术的竞争分析，成果应 5 用和产业化前景用和产业化前景.85 1. 社会效益社会效益85 2

15、. 经济效益经济效益85 3. 国内外同类产品或技术的竞争分析国内外同类产品或技术的竞争分析87 4. 成果应用与产业化前景成果应用与产业化前景88 十、管理机制十、管理机制.89 1项目的组织管理措施项目的组织管理措施.89 2企业参与度、产学研联合机制企业参与度、产学研联合机制.90 3必要的外部支撑条件必要的外部支撑条件.95 4项目、人才、基地统筹计划项目、人才、基地统筹计划.95 十一、项目的风险十一、项目的风险.96 1技术风险及对策技术风险及对策.96 2市场风险及对策市场风险及对策.97 3人才风险及对策人才风险及对策.97 4项目管理风险及对策项目管理风险及对策.98 5资金

16、风险及对策资金风险及对策.98 十二、其他需要说明的事项十二、其他需要说明的事项.99 附件附件 1：相关科研成果、专利等知识产权证明材料：相关科研成果、专利等知识产权证明材料100 附件附件 2：项目其他配套资金来源（如贷款、地方部门匹配资金等）的证明材料：项目其他配套资金来源（如贷款、地方部门匹配资金等）的证明材料125 附件附件 3：项目相关技术领域的专利检索、查新报告，知识产权、技术标准分析报告：项目相关技术领域的专利检索、查新报告，知识产权、技术标准分析报告 127 专家论证意见、专家名单、报告修改意见、组织部门意见专家论证意见、专家名单、报告修改意见、组织部门意见138 6 项目可

17、行性研究报告内容项目可行性研究报告内容 一、项目摘要一、项目摘要 1. 立项意义立项意义 国家科技中长期发展规划和教育部质量工程都明确了教育公共服务体 系建设在国家知识创新体系发展中的重要任务。目前高等教育“质量工程” 中迫切需要解决规模与质量、实验资源不均衡等问题。 “十一五”期间，是我 国高等教育巩固成果、深化改革、提高质量、持续发展的关键时期。人才 培养必须坚持以强化实践教学为着力点，必须坚持以信息技术的应用作为 提高教学质量的重要手段，推进教学方法的改革，重点突破实验教学环节， 提高学生动手实践能力。 随着信息技术的发展，作为传统实验教学的一种有效的补充，虚拟实 验教学已经成为加强实践

18、教学、提高教学质量的重要手段，它不仅可以在 一定程度上代替传统的实验教学，而且可以克服传统实验的各种制约和弊 端，从而有效地解决目前实验教学中存在的诸多问题，达到优化教育资源、 提高教学质量的目的。虚拟实验教学充分考虑了新世纪人才培养模式的需 要，有利于提高学生的创新能力、动手能力和综合素质。研究成果不仅可 以有效地改善实验教学资源严重短缺和分布不均的现状，而且可以从根本 上解决远程教育中实验教学无法实施的问题。 2. 总体目标总体目标 本项目以2020 年中国教育发展纲要和国家教育事业发展“十一 五”规划纲要为指导，以构建现代教育创新体系、培养创新性人才为牵 引，融合现代教育理念，通过制定虚

19、拟实验相关的标准和规范，突破虚拟 实验教学环境建设中的共性关键技术，研发具有自主知识产权、集实物仿 7 真、创新设计、智能指导和教学管理于一体，具有良好自主性、交互性、 可扩展性和安全性的虚拟实验教学平台，通过若干学科的虚拟实验教学资 源建设和应用示范，实现在虚拟实验的原始创新上有突破、关键技术上有 创新，使我国在该领域的研究成果进入国际领先行列，并形成在虚拟实验 教学领域可持续发展的现代服务业支撑体系，解决我国教育面临的规模与 质量之间的矛盾，克服实验资源不均衡、创新能力不足等问题，有效地提 高人才培养的质量，建立一支学术水平高、创新能力强的研究人才队伍， 为我国在相关领域的发展提供核心技术

20、的支持。 3. 考核指标考核指标 （1）制定虚拟实验开发、评价及管理规范，提交行业规范或国内标准 草案 4 项，形成国际标准草案 1 项。 （2）攻克虚拟实验共性关键技术，申报国家发明专利 20 项以上，软 件著作权 20 项以上。 （3）在国内外期刊和学术会议上发表论文 70 篇以上。 （4）研发具有自主知识产权、面向服务架构的开放式虚拟实验教学支 撑平台，支持不少于 20 门课程、100 个虚拟实验，支持不少于 6 万用户同 时在线进行实验。 （5） 以第三方服务方式，在 50 所高校开展示范应用，建设 20 个实 验教学示范中心，三年内受益用户不少于 120 万人。 （6）培育能够提供虚

21、拟实验第三方服务的龙头示范企业，建立可持续 发展的运营模式，2010 年实现直接经济效益 1000 万元，2012 年实现直接 经济效益 3000 万元，间接经济效益 5000 万元以上。 （7）通过本项目的实施，培养一支虚拟实验方面的研究开发和服务队 伍，培养虚拟实验研究开发和教学的复合型、高层次专业人才 250 人以上。 8 4. 课题设置课题设置 本项目设置既相互关联、又相对独立的六个课题，具体设置如下： 课题一：虚拟实验开发、评价及管理规范的研究与测试 课题二：虚拟实验教学可视化设计关键技术研究 课题三：虚拟实验教学资源构件的多领域建模与装配平台研究 课题四：虚拟实验智能指导与管理系统

22、的研发 课题五：开放式虚拟实验支撑平台的设计与开发 课题六：虚拟实验应用示范工程（该课题包括计算机、电工电子、机 械工程、控制工程四个学科的虚拟实验示范工程） 5. 投资概算投资概算 本项目预计总投资 8186 万元人民币。其中申请国拨 1686 万元，自筹 6500 万元。六个课题的具体经费分解如表 1 所示。 表 1 课题经费分解表 单位：万元 序号课题名称国拨自筹合计 一虚拟实验开发、评价及管理规范的研究与测试81240321 二虚拟实验教学可视化设计关键技术研究124400524 三 虚拟实验教学资源构件的多领域建模与装配平 台研究 149400549 四虚拟实验智能指导与管理系统的研

23、发120400520 五开放式虚拟实验支撑平台的设计与开发37112001571 六虚拟实验应用示范工程84138604701 合 计168665008186 6. 实施年限实施年限 本项目实施三年，XXXX 年 1 月2011 年 12 月。 9 二、项目的意义和必要性二、项目的意义和必要性 1. 项目的意义项目的意义 中国是一个拥有 13 亿人口的发展中大国，正在举办着世界上规模最 大的教育，党的十七大报告中强调“优先发展教育，建设人力资源强国”。 提高教育质量，办人民满意的教育，为国家培养高素质、创新型和实用型 人才，从而将人口压力转变为人才优势是我国教育面临的一个重要任务， 更是建设创

24、新型国家、构建社会主义和谐社会的迫切需求。教育实践表明， 实验教学是培养学生动手能力、创新能力和综合素质的一个至关重要的环 节，有效的实验教学是从理论走向实践的一种卓有成效的教育模式，深化 实验教学改革、加强实践教学环节是国家实施“素质教育”和高等教育“质量 工程”、全面提高教育质量的重要内容。 国家科技中长期发展规划和教育部质量工程都明确了教育公共服务体 系建设在国家知识创新体系发展中的重要任务。目前高等教育“质量工程” 中迫切需要解决规模与质量、实验资源不均衡等问题。 “十一五”期间，是我 国高等教育巩固成果、深化改革、提高质量、持续发展的关键时期。人才 培养必须坚持以强化实践教学为着力点

25、，必须坚持以信息技术的应用作为 提高教学质量的重要手段，推进教学方法的改革，重点突破实验教学环节， 提高学生动手实践能力。 虚拟实验是以现代教育理论为指导，以计算机仿真技术、多媒体技术 和网络技术为依托而建立的一种新型实验教学系统。虚拟实验利用计算机 技术来实现各种虚拟实验环境，实验者以交互的方式进行实验操作，可以 像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，最大限度地模拟真实实 验的场景，并提供与实际实验的操作方法相类似的实践体验，为实验教学 提供了一种全新的教学模式。虚拟实验既能再现真实实验的全过程，又能 克服传统实验的各种制约和弊端，可以有效地解决目前实验教学中存在的 10 诸多问题，达

26、到优化教育资源、提高教学质量的目的。 随着信息技术的发展，作为传统实验教学的一种有效的补充，虚拟实 验教学已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段，它不仅可以在 一定程度上代替传统的实验教学，而且可以克服传统实验的各种制约和弊 端，从而有效地解决目前实验教学中存在的诸多问题。 （1）传统实验教学的局限性）传统实验教学的局限性 传统的实验教学主要依赖费用高昂的实验设备，存在前期投入大、后 期维护费用高，开展过程受时间、地点、人力、物力、财力限制等问题， 致使实验教学无法有效开展，严重影响教学质量。对各类大、专院校的实 验教学现状调查结果表明，目前主要存在教育资金投入受限、创新能力培教育资金投

27、入受限、创新能力培 养受有限资源的制约、远程教育中实验教学无法开展以及理论教学与实验养受有限资源的制约、远程教育中实验教学无法开展以及理论教学与实验 教学分离教学分离四方面的突出问题。传统实验教学的现状严重阻碍了我国教育改 革的步伐和创新人才的培养。以计算机专业的人才培养为例，对计算机人 才使用状况的一项调查结果显示：认为毕业生在实际工作中动手能力培养 不足的比例高达 70%，企业和毕业生共同反映计算机专业学生在校期间缺 乏有效的、足量的实践环节；在调查关于“现有计算机专业的课程设置存 在的问题”时，被访者回答为“学生实际动手能力培养不足”和“实验课程内 容不够丰富”者，分别占 70%和 50

28、%；相当一部分用人单位反映，学校对 学生协作精神训练不够，建议“采用更加灵活的授课方式，给学生提供更 多的实习环境，多搞些实践活动，有条件时模拟实际项目，锻炼学生的动 手能力和团队合作精神”。 （2）虚拟实验教学是保证教学质量、培养创新人才、降低教育成本的）虚拟实验教学是保证教学质量、培养创新人才、降低教育成本的 有效途径有效途径 虚拟实验与传统的实验相比，主要有如下优点： 能提供充分自主的操作空间，有利于学生创新能力的培养； 突破时间和空间的限制，使更多的学生可以参与实验； 11 可以模拟实际上难以实施或实施成本太高、破坏性太强的实验； 理论教学与实践教学可以同步实施，可以有效地提高教学质量

29、； 资金投入少、损耗小、产出高，能够有效地降低教育成本； 器件装配容易、拆除方便、实验过程效率高； 集仪器、设备、器件于一体，使用方便； 软件升级容易、易于扩展、生命周期长。 2. 项目的需求分析项目的需求分析 虚拟实验教学环境主要面向各类高、中等学校、职业学校和远程网络 教育学院进行实验教学和一些公益性质的科普和教育机构进行设计和开发。 中国是世界上人口最大的国家，正在举办世界上最大的教育，因此我们拥 有世界上大的市场。随着我国教育信息化和远程教育的发展，接受教育的 人数会不断增加，市场需求巨大，具有很好的产业化前景。 （1）高等教育）高等教育 高等教育稳步发展。2006 年，全国共有普通高

30、等学校和成人高等学校 2311 所。其中，普通高等学校 1867 所，比上年增加 75 所，成人高等学校 444 所，比上年减少 37 所。普通高校中本科院校 720 所，高职（专科）院 校 1147 所。全国共有培养研究生单位 767 个，其中高等学校 450 个，科 研机构 317 个。高等教育招生数和在校生规模持续增加。2006 年全国各类 高等教育总规模超过 2500 万人，高等教育毛入学率达到 22%。 高等教育中对实验环节主要包括课程实验、课程设计和毕业设计，要 求实验具有创新性和自主性。 （2）远程教育）远程教育 我国近几年大力发展远程教育和继续教育，着力建设全民学习、终身 学习

31、的学习型社会。截至 2006 年底，全国设立了国家级远程职业学校 2 个，省级分校 50 多所，地级分校 660 多所，县级分校（站点）5300 个， 12 开展远程培训服务的企业达 25 家，每年学历和非学历职业教育在学人员 近 80 多万人次；网络高等教育覆盖 10 个学科门类的 180 个专业，累计注 册学历教育学生 540 万人，年招生 100 多万人；开展在职人员的专业技术 人才培养和继续教育 100 多万人次，培养学历教育学生 130 多万人，开展 非学历培训项目 500 多万人次，培养农村学员 5.6 万人，培养士官学员 6 万多人；“西部远程培训计划”采用远程教育方式为西部 1

32、00 个县的 12 万名 初中小学教师进行了专题性培训。 目前，实验在远程教育中无法开展，虚拟实验可以突破时间和空间的 限制，是远程教育中实验环节的最好选择。 （3）职业教育）职业教育 近年来，我国大力发展职业教育，教育规模逐年增长。2006 年，共有 高职（专科）院校 1147 所，全日制在校生平均规模由上年的 7666 人提高 到 8148 人，中等学校 14693 所，在校生 1809.89 万人。 职业教育以培养技能型、技术型的人才为主，强调学生的动手能力培 养，实验环节要满足社会的实际需求，实验内容更新要快。 （4）基础教育）基础教育 我国通过优化教育结构，促进义务教育均衡发展，加快

33、普及高中阶段 教育等措施的实施，基础教育发展迅速。2006 年，共有小学 341600 所， 在校生人数 10711.53 万人，初中 60885 所，在校生人数 5957.95 万人，高 中 31685 所，在校生人数 4341.86 万人。 基础教育阶段的实验主要以启发式和验证式的实验为主，实验在激发 学生学习兴趣的同时，可以很好地帮助学生理解书本知识。 （5）技能培训）技能培训 2006 年，全国接受各种非学历高等教育的学生 249.56 万人次，当年 已结业 365.99 万人次；接受各种非学历中等教育的学生达 5567.25 万人次， 当年已结业 6508.43 万人次。全国职业技术

34、培训机构 17.77 万所。 13 目前的技能培训受有限资源的限制，实践环节相对更加薄弱，虚拟实 验可以很好地弥补这一不足。 3. 相关领域的国内外技术现状及发展趋势相关领域的国内外技术现状及发展趋势 虚拟实验先后经历了原理演示、器件模拟和虚拟仿真三个阶段。国外 对虚拟实验方面的研究起步早于国内，一些著名的大学和研究机构都相继 开发了自己的虚拟实验平台。美国、英国和日本，每年投入大量的资金用 于教育的信息化建设，其中虚拟实验室的建设是其中的研究重点。目前国 外在虚拟实验方面的研究主要集中在物理、化学、生物、建筑、电子信息、 机械、航空航天等领域，用来模拟一些无法用硬件实现或实现代价太高的 实验

35、，如密歇根大学的 VRiCHEL，用来探索和开发虚拟现实技术在化学 工程领域的应用；休斯顿大学和美国航空航天局联合建立的 VETL 实验室， 主要致力于虚拟现实技术在教育、训练和科学/工程数据可视化领域的研究 和开发工作；美国 Simulation Plus 公司在国家科学基金资助下的 Futurelab 虚拟实验室于 1998 年推出，产品功能面向中学教育，包括生物、地理、 自然、化学、物理等虚拟实验室，涵盖从初中到高中各个年级，学生可以 在虚拟实验室尽可能发挥自己的想象力，按自己的意愿去设计实验，既可 验证，更可创新；Simulation Plus 公司目前正在研究面向教育的工程热传 递、

36、热动力学、动力学、电子电路、流体机构、空气动力学等虚拟实验室； 虚拟网络实验室（VINT）是由 Berkeley 大学为主开发，历时近十年，目 前仍不断完善和发展，VINT 主要用于网络协议的研究与开发，VINT 引用 了软件体系结构的新思想，基于面向对象建模技术,较好地解决了系统结构 和系统建模问题。在电路模拟仿真方面，最早的软件是由加里福尼亚大学 伯克利分校的 Donald Pederson1 于 1975 年在电子研究实验室首先建立的 SPICE 软件，该软件是一种用于电路描述与仿真的语言与仿真器软件，用 于检测电路的连接和功能的完整性。基于 SPICE, 西方很多大学相继开发 14 了

37、自己的虚拟电路实验软件，如 Wake Forest 大学的 CircuitMaker、Virginia 大学的 Circuit Lab 等。在机械设计、机械制造类的 虚拟实验方面，典型的虚拟实验产品有 Predator 公司的 Virtual CNC，可以 进行 CNC 代码机床加工仿真；德国 Institute of Robotics and Mechatronics 的 VRML 2.0 Robot，可以进行机械手运动规划和模拟运动显示。 虚拟仪器与系统是虚拟实验的一个重要的研究领域。美国国家仪器公 司（NI，National Instruments）于 20 世纪 80 年代首先提出的虚

38、拟仪器这 一概念，而这一概念则充分体现在其重要产品 LabView 中。NI 公司是虚 拟仪器的领导者，虚拟仪器通过利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活 的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。LabView 采用图形化虚拟 仪器框架，使得用户无论是否有过编程经验，都可以快速、高效地与测量 和控制硬件通信，并进行数据分析、结果分享和系统发布等各种任务。但 LabView 的工具箱比较有限，特别是在算法支持方面，影响了大型应用的 开发效率。HP 公司的 Virtual Engineering Environment 产品与 LabView 类 似，也提供了可视化虚拟仪器组件开发框架，是一款较为

39、成熟的虚拟仪器 开发软件。Matlab 则是 Math2Works 公司开发的“演算纸”式的仿真软件系 统。它提供了强大的矩阵运算功能和丰富的工程计算领域工具箱，其中 Simulink 模块通过构件拼接的方式提供了高效率的系统建模手段。但 Matlab 的界面开发能力及流程控制能力较差，并且数据采集、网络通信、 硬件控制等方面都比较繁琐, 而且脚本文件不能脱离 Matlab 这个应用程序 环境，这就制约了程序的可移植性和通用性。由于 LabView 和 Matlab 都 支持 ActiveX 的自动化技术，通过启动 Matlab 自动化服务器，实现 LabView 与 Matlab 的混合编程

40、, 互相取长补短, 充分发挥两者的优势, 可 以快速开发功能强大的智能化虚拟仪器。在测量控制类的虚拟实验方面， 典型的虚拟实验产品是 NI 公司的 LabView 和 Mathworks 的 Simulink。国 15 外大学的测量控制虚拟实验主要由这两个平台来搭建，如 Carnegie Mellon 大学用 Simulink 开发的控制理论虚拟实验环境，Michigan 大学用 LabView 搭建的工业测量实验室。 近年来教育信息化技术的发展和应用在一定程度上促进了教育的现代 化进程，传播了优质教育资源，扩大了教育对象。 “十五”期间，国内各高校 结合学科建设，在中国教育科研网的基础上，结

41、合精品课程建设和远程教 育的建设，相继开发了不同的虚拟实验教学平台，为虚拟实验教学的进一 步发展奠定了良好基础。然而，由于没有统一的平台和标准，目前各高校、 企业和培训部门等现有虚拟实验教学的发展仍存在很多问题： 目前的虚拟实验绝大多数针对某门课程进行设计，同一学科内没 有形成系列化的虚拟实验课程体系，在实验教学中受到很大限制，实用性 不高，相关学科间的实验资源也没有有效的共享； 现有实验设备的共享还仅局限于较小的地域范围和较窄的专业领 域，开放性和实用性都还不够； 各高校开发了许多的虚拟实验平台，但绝大多数虚拟实验真实感 不强，难以展现真实的实验环境，缺乏沉浸感； 虚拟实验缺乏有效的教学管理

42、、过程指导和效果评价，导致虚拟 实验的优越性在实践教学中难以发挥； 现有的虚拟实验缺乏良好的可扩展性，不利于实验教学内容的发 展和更新，灵活性和交互性不足，在很大程度上限制了学生实验设计的自 主性和创新性。 造成上述问题的根本原因在于：第一、缺少软件支撑平台，各个独立 的虚拟实验平台的底层结构和功能接口不一致，不仅开发周期长，而且平 台之间无法实现互通和资源共享，这在很大程度上阻碍了虚拟实验的发展； 第二、对体系结构、平台、构件和资源等尚未制定统一的标准和规范，导 16 致在开发虚拟实验时盲目性较大、缺乏统一的指导，可重用性差，无法实 现共享。 因此，如何综合利用现有的虚拟现实、虚拟仪器、多媒

43、体和网络通信 等技术，开发出具有良好自主性、交互性、可扩展性和安全性，集实物仿 真、创新设计、智能指导和高效管理于一体的开放式的虚拟实验平台已经 成为目前急需研究和解决的问题。 17 三、国内现有基础三、国内现有基础 近年来，国内各高校结合学科建设，在中国教育科研网的基础上，结 合精品课程建设和远程教育的建设，相继开发了不同的虚拟实验教学软件， 并一直保持着良好的发展势头。国内高校在虚拟实验及虚拟现实技术方面 的研究已经进行了多年，在关键技术领域的研究已经达到很高的水平，具 有足够的技术与人才积累。 （1）虚拟实验课程建设方面）虚拟实验课程建设方面 在电子信息学科，华中科技大学的互动型数字逻辑

44、虚拟实验教学平台 获得了 2005 年教育部教学果二等奖并在多所学校和远程教育中使用，以 此为基础相继开发了单片机原理、微机原理、计算机组成原理和接口技术 等一系列课程的虚拟实验教学平台。在机械工程学科，华中科技大学、清 华大学、西安交通大学等高校结合机械零件、机械设计国家精品课程建设 需要，也开发了基于 3D 技术的齿轮传动、减速箱装配等虚拟实验平台。 华中科技大学机械学院仪器系针对工业测量与控制课程实验需要，开发了 DRVI 可重构虚拟仪器实验平台和 DRLInk 计算机控制平台，已在国内近 百所大学测控实验教学中使用，其成果获 2001 年度国家级教学成果二等 奖，支撑的工程测试技术基础

45、和机械控制工程基础两门课程入选国家精品 课程。华中科技大学在机械设计基础虚拟实验进行了研究，研制了机构虚 拟创新设计、虚拟装配，并投入使用，取得了很好的效果。浙江大学计算 机辅助设计与图形学国家重点实验室开发了虚拟环境行为仿真系统。中国 科技大学开发了大学物理仿真实验平台、广播电视大学开发了几何光学设 计实验平台、中国地质大学开发了虚拟晶体学研究和教学平台、北京邮电 大学网络技术研究所设计了虚拟实验系统等。同济大学在建筑工程的虚拟 实验方面具有很好的研究基础，西安电子科技大学在虚拟仪器方面具有很 18 好的研究基础。中国科技大学的“九五”国家重点科技攻关项目“大学物理计 算机仿真实验”96 年

46、由高等教育出版社出版，当时是国际国内第一套虚拟 现实型教学软件，也是第一套实验教学软件，该成果在国内和香港各高校 都得到广泛应用，同年获中国科学院教学成果一等奖，97 年获国家级教学 成果奖。同济大学在物理学科的虚拟实验研究方面也具有很好的基础，获 得多项国家和省部级奖励。中科院上海有机化学研究所的虚拟化学实验室， 涉及化学的广泛领域，可用于结构检索、自动命名、波谱模拟、结构解析、 物性计算，还可以进行分析设计，它的模块化结构使得用户可以根据自己 的需要自由选择，组合成最适合自己的虚拟现实化学实验室。在基础教育 领域，国内居领先地位的是金华科公司，该公司的仿真物理实验室和仿真 化学实验室已经基

47、本能够解决中学阶段的实验问题。 （2）虚拟实验标准与规范方面）虚拟实验标准与规范方面 标准化是信息化的前提和保证。我国于 2000 年 11 月开始启动标准化 项目，随后全国信息技术标准化技术委员会成立了教育技术分技术委员会 （CELTSC） ，经过几年的发展，目前己经形成了一个比较完整的、有中国 特色的教育信息化标准体系，即 CELTS。该体系目前包含 29 项子标准， 其中有一批标准项目即将成为国家标准。在数字化教育技术标准化领域， 目前我国已经取得较大成果。国际标准化组织（ISO）于 1999 年成立了 JTC1/SC36 委员会主要负责国际网络教育技术标准化的研究和相关标准的 制定。华

48、中师范大学、华中科技大学、清华大学等单位多次派代表赴美国、 加拿大、英国、法国、芬兰等地参加 ISO 相关工作会议，并以华中科技大 学和华中师范大学为主承担了多项国际标准的研制工作。2005 年 9 月，在 美国北卡罗来纳州举行的全体会议上，CELTSC 的代表参加了这次会议， 并主持了第六工作组的工作会议。2006 年 10 月，ISO/IEC JTC1 SC36 全体 会议在中国武汉成功召开，同时也举行了网络教育领域的开放式论坛。此 19 次会议由华中师范大学主办，是 SC36 会议第一次在中国举办，这次会议 吸引了众多网络教育领域的公司和研究团体，得到中国标准化研究院、国 家标准化管理委

49、员会、国信息技术标准化技术委员会教育技术分技术委员 会等有关学术机构的高度评价。尽管我国在教育技术标准化领域上成绩辉 煌，但是在虚拟实验标准化方向上，由于其多样性和复杂性，国内外还没 有成熟的标准体系，缺乏有针对性的模型和规范，相比于国外先进组织还 有较大的差距，针对开放式虚拟实验平台的标准规范还有待进一步进行深 入地研究。 （3）虚拟实验的可视化设计与建模方面）虚拟实验的可视化设计与建模方面 虚拟实验教学可视化设计关键技术的技术核心涉及虚拟现实技术。国 外虚拟现实技术研究起步早，取得了许多研究成果。我国开展虚拟现实技 术研究较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但国内一些重点院校已积 极投入到了这一领域的研究工作，取得了一些成果。浙江大学、清华大学 等对虚拟现实和临场感的方面进行了研究，有不少方案和方法独具特色， 例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施以及深度