網絡教學系統的實驗模塊設計與應用

摘要:將計算機技術，數據庫技術與虛擬儀器技術相結合，用于計算機專業的實驗虛擬系統中，實現了利用網絡進行遠程控制、遠程訪問、遠程使用的功能，利用網絡技術實現了虛擬實驗室系統的網上教學、網絡管理功能，使得用戶可以通過網絡在任何地方學習實驗、預約實驗，網絡討論，提交實驗報告等。

關鍵詞:網絡教學;虛擬儀器;虛擬實驗室

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)33-9468-02

Network Teaching System Module Design and Application of Experimental

WANG Yu-bin， BO Jing-yi， WANG Qing-shi， HAN Kun， DONG Yan-rong

(Computer Department，Hebei Normal University of Sciencd Technology，Qinhuangdao 066004，China )

Abstract: Computer technology， database technology and virtual instrument technology combines computer science experiments for the virtual system， implemented using network remote control， remote access， remote access functions， the use of Internet technology and the online virtual laboratory system teaching， network management capabilities， enabling users to the network at any place learning experiments， an appointment experiment， web-based discussions， submission of test reports.

Key words: online teaching; virtual instrument; virtual laboratory

基于網絡的虛擬實驗室是在計算機技術和儀器技術的發展與結合下產生的。在高等院校和科研院所的教學科研中，需要大量的儀器設備，傳統的儀器是獨立的和功能固定的儀器。 在有些實驗中，需要的儀器設備很昂貴，但有些昂貴的儀器只用到其中一部分功能，在需求改變時，需要重新購買。虛擬儀器充分利用計算機強大的軟、硬件資源，通過應用程序和總線技術把計算機與儀器硬件有效地結合在一起，用戶可根據自己的需要任意組合多種儀器模塊，設計和組建自己的儀器系統，并可借助于軟面板在一臺計算機上實現多種儀器功能，具有高性能、高可靠性、低成本、修改方便等特點。虛擬儀器容易與計算機網絡相結合，實現資源共享，用戶在任何地方通過網絡可以訪問、操作和使用實驗室的儀器，同時可實現數據采集、傳輸、處理分析一體化，實現多人協同工作，完成大的復雜系統。基于網絡的虛擬實驗室就是通過網絡實現資源共享，利用虛擬儀器技術和網絡技術相結合，為教學、科研提供實驗用的儀器設備，并可開展網上儀器教學，使學生可通過網絡學習和使用儀器，解決實驗儀器數量不足的問題，并且可培養學生運用先進虛擬儀器技術的實踐能力和創新能力。同時，在進一步開展遠程網絡教育時，可解決原先遠程教育無法進行儀器測試實驗的問題，讓學生可通過Internet去遙控實驗室中的實驗裝置，完成非仿真式的虛擬儀器設計實驗;而且在遠程教育中，可建立遠程虛擬實驗室，學生在校外通過Internet即可進行實驗;教師和實驗室管理人員通過網絡管理實驗，與學生交流和討論問題。本文采用計算機技術、網絡技術和虛擬儀器技術設計和實現了虛擬實驗室遠程教學和管理。

網絡虛擬實驗就是在Web 中創建出一個可視化的三維環境，其中每一個可視化的三維物體代表一種實驗對象。通過鼠標的點擊以及拖曳操作，用戶可以進行虛擬的實驗。網絡虛擬實驗室實現的基礎是多媒體計算機技術、網絡技術與儀器技術的結合。虛擬儀器技術與認知模擬方法的結合也賦予虛擬實驗室的智能化特征，無論是學生還是教師，都可以自由地、無顧慮地隨時進入虛擬實驗室操作儀器，進行各種實驗。不但為實驗類課程的教學改革及遠程教育提供了條件和技術支持，還可以隨時為學生提供更多、更新、更好的儀器。通過網絡虛擬實驗室，能夠通過計算機在網絡中模擬一些實驗現象。它不僅僅能夠提高遠程教育的教學效果，更加重要的是對一些缺乏實驗條件的學生，通過網絡同樣能夠“身臨其境”的觀察實驗現象，甚至和異地的學生合作進行實驗。

1 系統結構

虛擬實驗室是一種異構的問題解決環境，它使得處于不同位置的學習者可以同時對一個實驗項目進行實驗工作。和其他領域相同的是，實驗工具和技術是獨立于各自領域的，不同之處在于虛擬實驗室中操縱的并不是真實存在的儀器和設備，而只是以軟件仿真來模擬已經存在和使用的設備。虛擬實驗室要求實驗的參與者共享實驗環境和實驗規則，這種要求使得它易于在WEB 上得以實現。網絡虛擬實驗室的構建多使用BSDA(Browser/ Serv2er/ Database Application) 結構，即客戶端/ 服務器/數據庫/ 應用程序結構。

典型的網絡虛擬實驗室由客戶端、網頁服務器端、應用服務器端以及實驗室儀器設備四部分組成。網頁服務器主要作用是提供Web 接入服務、用戶認證管理、開放式交互實驗環境以及動態網頁的生成;應用服務器主要作用是控制和管理實驗儀器、采集和處理實驗數據;數據庫的主要作用是配合用戶賬戶的管理、動態網頁的生成一級實驗數據的存儲和管理。

2 網絡虛擬實驗室功能

網絡虛擬實驗系統要真正投入使用，除了能夠進行虛擬實驗操作外，還要有一系列輔助功能模塊和管理模塊的支持。這些功能模塊成為虛擬平臺與實驗者之間的橋梁，起到幫助學生完成實驗任務，幫助管理員完成管理的作用。網絡虛擬實驗系統主要分為三個子模塊:實驗內容預習、實驗操作、實驗報告。

1)實驗內容預習:從儀器介紹、實驗原理和實驗注意事項三方面呈現。儀器介部分主要是通過3DSMAX制作三維儀器，通過文本介紹常用儀器的功能和使用法。采用文本、圖形、圖像、動畫、視頻、音效等多媒體技術呈現實驗原理的內容以及實驗場景、器材和實驗注意事項，使軟件界面清晰、美觀。

2)實驗操作:主要包括用戶對實驗初始狀態的設定、實驗過程的呈現和驗結果的呈現三部分。實驗初始狀態的設定主要是實驗參數的設定，服務器端實驗參數進行處理，將實驗運算數據返回至客戶端來控制實驗模型的變化，同返回實驗結果，如包括實驗數據和相圖等。

3)撰寫實驗報告:要簡要明實驗內容、原理、使用元件、儀器，還要記錄實驗中測試的數據、觀測的實際結果圖形等信息，同時還要對實驗結果進行相應的計算、判斷和分析。教師可在本機或是通過網絡調閱、批改學生的實驗報告，甚至檢查實驗數據和結果圖。

3 實現技術

目前網絡虛擬實驗系統常見的四種實現技術都有各自的優勢，同時也存在著這樣那樣的缺陷。

基于FLASH技術的網絡虛擬實驗系統具有界面美觀、體積小、可以直接在瀏覽器中進行操作、圖形無極放大不失真、開發周期短等特點。但是它生成的實驗環境是二維圖形，現實感不強，數據處理能力較弱，因此比較適合構建演示型網絡虛擬實驗系統。

基于三層體系結構的網絡虛擬實驗系統的設計與開發

使用VRML構建的網絡虛擬實驗系統，能夠為學生提供生動逼真的學習環境，豐富了媒體表現形式，增強了現實感，滿足遠程教育虛擬實驗系統的需要。但是它的運行需要在Web瀏覽器或VRML瀏覽器中，而且很難通過VRML對實驗數據進行處理，用此技術構建的實驗教學系統仍處于介紹性層次，學生的參與程度不高，這使得遠程教育的實驗教學目的難以達到。

基于JAVA開發的網絡虛擬實驗系統可以做到操作系統無關性，同時很多功能可以免開發或實現起來比較容易，但是平臺局限在瀏覽器中運行。雖然JAVA技術現在支持三維場景的創建，但是使用。Java3D創建虛擬場景并不容易，和VRML相比它的開發周期較長，也沒有VRML技術那么成熟。用JAVA開發的網絡虛擬實驗系統由于其網絡功能強大、簡單、高效的特點，運用非常廣泛，但是由于其運算功能不強，對于復雜模型的模擬較難實現。

利用MATLAB開發的網絡虛擬實驗系統由于MATLAB本身功能的強大，在實驗數據處理和分析方面表現出極強的優勢。目前基于MATLAB的網絡虛擬實驗系統主要是使用Mat1abwebServer組件構建，服務器端接受客戶端發送的實驗請求，分析和處理實驗參數，經過計算后將結果返回客戶端。整個系統不涉及具體的實驗儀器硬件設備，客戶端無需安裝實驗運行所需的龐大的軟件，但是在瀏覽器端用戶不能看到實驗的動態過程，實驗結果也只能以靜態圖形呈現，因此適合構建需要大型計算、對實驗結果圖形呈現要求很高的網絡虛擬實驗系統。

針對已有的網絡虛擬實驗系統存在的不足，結合以上分析，結論如下:

1) 網絡虛擬實驗系統的構建技術的選擇不應該追求技術的難度，而是應該根據具體實驗課程的特點，選擇合適的技術。

2) 將多種技術混合開發，發揮各自的優勢。某一技術在具有其先進性的同時也不可避免地存在著不足。因此，一個優秀的網絡虛擬實驗系統不可能只通過單一的技術實現，在網絡虛擬實驗系統實現技術上必將形成多種實現技術相結合的局面。

目前網絡虛擬實驗系統使用多種技術混合開發的研究中，部分研究側重于研究VRML技術與JAVA技術相結合實現網絡虛擬實驗系統，突出三維立體感和交互性強的特點，但是運算功能不夠強大;部分研究運用JAVA與MATLAB技術相結合實現網絡虛擬實驗系統，突出通訊和運算功能，其實驗場景仍以二維圖形存在，缺乏現實感。計算機專業課程中涉及的實驗模型比較復雜，對于這些復雜模型的仿真需要運用專業計算軟件來進行，以確保模型運動的精確性和科學性。

因此，在分析比較各實現技術后，本系統采用VRML、JAVA和MATLAB作為開發工具，結合三種技術的長處，實現系統構建的最優化。VRML作為實驗過程的呈現工具，利用VRML技術開發3D圖像，構建虛擬實驗中的實驗環境部分。MATLAB/SIMULINK作為服務器端的計算工具，構建復雜模型的仿真和計算部分。JAVA作為實驗界面和數據通信的工具，通過VRML和JAVA的交互，對三維場景進行控制。同時利用JAVA的通訊功能，實現實驗模型與MATLAB/SMULINK之間的數據傳遞。

4 發展趨勢

隨著計算機技術、通信技術和網絡技術的發展，虛擬實驗室技術將得到進一步的發展。虛擬實驗室的發展趨勢主要有以下幾個方面:

1)將兩者相結合，引入虛擬現實技術和自然人工場景技術，使用數字化仿真工具，可使操作者與虛擬仿真環境有著全面的感官接觸與交融，使操作者有身臨其境之感，用戶使用虛擬原型交互仿真界面對虛擬原型進行操作，實驗環境更逼真。

2)是提高虛擬實驗室“自適應性”。“自適應實驗”為學習者提供一個自適應的獲取知識和技能的實驗學習環境。該系統的基本特征是能從環境中獲取信息，并能自動改善其性能。

3)是提高虛擬儀器智能化程度，增強儀器的功能。各種高性能的處理器、大容量的存儲設備，豐富的網絡資源和軟件資源，這些配置突破了傳統儀器在數據處理和存儲方面的限制，極大增強了儀器的可用性，使得虛擬實驗室在數據分析、圖形顯示等方面更受到學生的青睞。

4)是增加協作性，便于各位學生優勢互補。各門學科的實驗，越來越注重集思廣益，發揮不同類型學生能夠的聰明才智，因此根據因此基于協作虛擬原型的協同設計方法將成為協同設計實現的一種重要思路。

基于網絡的虛擬實驗系統采用先進的虛擬儀器技術，緊密結合計算機技術、網絡技術，實現了數據遠程采集、遠程教學、遠程訪問和協同工作及實驗室的計算機網絡化管理，綜合能力和實驗水平有了新的提高，并節約成本，能不斷滿足科技創新和實驗教學改革與發展的要求。 基于網絡的虛擬實驗系統的設計與實現為開展遠程教學、遠程儀器、遠程測控的研究奠定了基礎，具有廣泛的應用前景。

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