基于校園網絡的虛擬實驗室的設計與研究

【摘要】隨著虛擬現實技術和校園網絡的發展，在基于校園網絡的基礎上，建立一個虛擬的實驗教學環境，通過虛擬現實技術、計算機網絡技術和數學建模技術等來實現實驗教學環虛擬境。并通過校園網絡實現實驗教學等各項工作。

【關鍵詞】虛擬實驗室、B/S體系、WEB發布

【中圖分類號】G420【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097(2010)05—0133—03

一 概述

實驗教學作為高校教學工作的重要組成部分，對培養學生的動手能力、分析解決問題的能力、正確的思維方法及嚴謹的工作作風等起著不可替代的作用。然而，隨著高校學生人數的不斷增加，傳統的實驗教學手段由于受到教師資源、場地、儀器和設備的限制已經不能完全滿足教學需要或者影響到了實驗教學的質量。近年來國內外許多高等院校及科研機構紛紛提出了虛擬實驗室的概念。虛擬實驗就是利用鼠標的點擊、拖動，將計算機上虛擬的各種儀器和設備，按照實驗要求、過程組裝成一個完整的實驗系統，同時在這個系統上完成整個實驗，包括實驗條件的改變、數據采集以及實驗結果的模擬、分析。它突出了“軟件即儀器”的新概念[1]。虛擬實驗室就是虛擬實驗運行的載體，使用虛擬實驗的運行環境，將虛擬實驗室推向網絡應用，建立基于網絡虛擬實驗室可以大幅度降低實驗室的建設和改造費用，并且可以提高教學質量和教學水平。目前隨著虛擬儀器技術、計算機網絡技術等信息技術的不斷發展，以及校園網絡化、信息化建設不斷深入。建立基于校園網絡的虛擬實驗室是完全可行的，是測試技術教學實驗的發展方向和國內外虛擬儀器領域研究的熱點之一[2]。越來越多的人意識到虛擬實驗室在教育領域的重要性，它除了可以輔助高校的科研工作，在實驗教學方面也有顯著的作用。

二 網絡虛擬實驗室的功能和特點

基于校園網絡虛擬實驗室是指在軟、硬件結合的前提下，用戶通過校園網絡訪問虛擬系統，在各種虛擬實驗環境下，運用各種虛擬實驗儀器、儀表等設備，對建立起來的實驗室模型進行實時仿真，構成十分逼真的虛擬教學環境[3]。基于校園網的虛擬實驗室具有以下特點:(l)系統具有全交互特性，對用戶的任何操作都能立即給出反饋。(2)系統具有資源共享特性，連接到Internet的每臺機器，只要獲得訪問權限，都可以使用虛擬實驗室提供的各種資源，進行實驗操作，用戶將不再受實際實驗中的時空限制，可根據個人情況選擇具體實驗類型。(3)系統具有安全性，安全性是開放的、透明的、資源共享的虛擬實驗環境所必需的保障條件。這個安全性不僅指保證訪問虛擬實驗室的用戶機器、數據的安全，也指虛擬實驗室能夠禁止非法用戶的訪問。(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據、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，技術更新速度十分迅速，新型的、性能更優的儀器設備和技術更新周期越來越短。因此，虛擬實驗室的硬件必須隨時更新，軟件也要隨時升級，服務功能也要隨時增加，基于校園網的虛擬實驗室必須具備性能升級服務功能增加的特性。

三 基于校園網的虛擬實驗室的設計

基于校園網的虛擬實驗室系統的總體目標是設計實現一個在校園網上的虛擬實驗室環境，利用校園網絡和設備，將所提供的虛擬儀器、實驗項目及內容放入建立的網站上。遠程用戶只需通過網絡瀏覽器，而不需要其它的特殊軟件，就可以登錄到虛擬實驗室的教學服務器上。事先在主頁上列出所有可提供的實驗項目，在相應的項目中顯示該實驗的有關內容，并同時提供具體的儀器列表和儀器設置功能。當用戶選擇了某個具體實驗后，首先可利用所提供的實驗內容進行實驗預習并了解實驗過程和此實驗目的以及實驗需要使用的儀器和儀器使用說明，然后開始實驗的具體操作，用戶可以根據具體實驗的要求來設置儀器。從涉及的對象來看，基于校園網的虛擬實驗室系統要解決虛擬儀器實驗、實驗報告以及網上實驗室管理三大主要問題。學生是網絡虛擬實驗室的最終用戶，每個用戶在系統中都有唯一的ID號，作為其出入虛擬實驗室的通行證，學生可以為自己的ID號設置密碼，訪問系統的登陸頁面，輸入各自的ID號和密碼，即可成功登陸虛擬實驗室系統，進行遠程實驗的相關操作。學生的每一步操作，都可以立即觀察到其實驗結果，當實驗完成之后，學生可以保存其實驗結果，并通過網絡將實驗報告提交給教師。教師作為虛擬實驗室系統的特權用戶，其主要任務是管理學生、發布實驗內容、批改學生提交的實驗報告、對實驗報告進行打分和綜合評價并指出其優點或不足之處，使學生從評語中對實驗學習有更加深刻的認識。虛擬實驗室的管理是網絡實驗教學得以實現的根本保證，網絡教學與常規教學相比，具有分散性大、同步與非同步并存、交互與非交互都需要等特點。網絡虛擬實驗室系統中管理的信息，不僅包含常規教學系統中涉及到的教師、學生的各類管理信息，還包括各種實驗教學資源和實驗數據的管理，因此在網絡虛擬實驗室系統中，為了完成教學，需要研究和解決許多與管理相關的技術問題，例如:如何進行用戶的身份驗證;如何使學生通過瀏覽器訪問到虛擬實驗室并保證學生上網機器的安全性;如何接收學生提交的實驗報告;并將其轉換成靜態網進行WEB發布。

基于WEB的瀏覽器/服務器(B/S)網絡模式是實現網上虛擬實驗系統的一種基本模式[5]，虛擬實驗室軟件平臺結構設計在B/S模式下，客戶端用戶只需要安裝瀏覽器，其他的工作都在服務器端完成。采集系統仍是在主機上進行，用戶可通過WEB瀏覽器與它相連，且能在本地看到與主機端一樣的前面板，并獲得完全的控制權。其他的使用者也能登錄相同的網址監視整個實驗室現場操作過程。為了減少沖突，保證客戶能在操作時間內很好地進行實驗，在一段時間內物理實驗平臺只能有一個用戶獲得控制權。B/S三層模式中，由客戶端通過HTTP向WEB服務器發送WEB請求，WEB服務器能夠自動地協調和處理來自多個客戶端的請求，應用層的應用服務器負責處理業務邏輯和數據庫訪問，應用服務器定義并實現了和數據庫的交互以及系統中的應用邏輯。

基于校園網的虛擬實驗室需要軟、硬件結合，最終達到整個真實實驗所有功能的實現，而在硬件平臺的基礎上，軟件平臺是重要部分。而軟件設計的難點和重點在于對虛擬實驗室的數據庫設計以及多媒體技術的使用。由于軟件技術的進展，越來越多的軟件功能變得越來越強大，從而減輕對技術人員的負擔。虛擬實驗室軟件平臺是整個虛擬實驗室的基礎，它是基于B/S網絡結構的。基于校園網虛擬實驗室有三種人員角色;實驗室管理員、實驗指導老師和學生。他們分別具有不同的權限。其中學生可以通過虛擬實驗室進行實驗學習、提交實驗報告、提問及查看實驗成績等功能。實驗指導老師可以通過虛擬實驗室進行實驗指導、批改實驗報告、布置實驗內容等功能。實驗超級管理員作為實驗室管理人員，具有最高權限。其主要功能為準備實驗設備、安排實驗時間和內容、發布實驗內容和報告等等。

四 結論

基于校園網的虛擬實驗室增強并擴展了實驗教學的功能，以前所未有的方式將學生和實驗設備聯系起來，為學生提供了一種嶄新的實驗方式。但是在此需要著重指出的是，虛擬實驗只是實驗教學的輔助手段，并不能完全取代實驗的實際操作過程。開展虛擬實驗教學一是起到管理者的作用，為靈活安排實驗提供很好的支持;二是起到輔助教師的作用，通過校園網絡和多種媒體形式的交互式虛擬實驗手段達到形象、生動的實驗教學目的。基于校園網的虛擬實驗室的研究解決了很多實驗條件限制的實驗教學問題，為實驗教學注入了新的活力，讓實驗教學延伸到了一個更廣泛的空間，對遠程開放實驗教學的研究具有指導和借鑒意義。

參考文獻

[1] 呂克志. 基于校園網的虛擬實驗室的研究與設計[J]. 應用安全，2008，(3): 89-90.

[2] 楊軍. 基于校園網構建虛擬實驗室[J].四川理工學院學報， 2008， 21 (10):49-52.

[3] 劉惠臨.基于校園網的虛擬實驗室的建立[J].安徽理工大學學報，2006， 26 (6):33-36.

[4] 劉瑩.基于Web的虛擬實驗室系統的研究與實現[D].成都:電子科技大學，2006.

[5] 王惠蘭.基于B/S模式的網絡虛擬實驗室設計方法及實例研究[D].吉林:吉林大學，2005.

[6] 王群燕.基于網絡的虛擬實驗室的研究與構建[D].河南:河南科技大學，2007.

[7] 范永凱，林君.構筑基于網絡的虛擬實驗室[J].微型電腦應用，2001，(11):10- 12.