遠程教育中的虛擬實驗室研究

摘要：在遠程教育中，許多學科的課程特別是理工科課程，為了培養學生的實際動手能力和觀察能力，往往需要學生進行大量的實驗。因此，如何在網絡上創建虛擬實驗室，使接受遠程教育的學生在網上操作實驗，成為一個重要的研究課題。基于此，本文對于基于萬維網虛擬實驗室模型、虛擬實驗室的功能以及實現技術等進行了分析。

關鍵詞：遠程教育；網絡教學；虛擬實驗室

現代遠程教育的教學主要是培養學生的實踐能力、素質與創造性，使學生能夠利用Internet主動查詢自己感興趣的知識，教師也可以利用發送電子郵件、在線答疑等方式解答學生提出的問題。但在實際的教學中，理工科各專業的許多科目都是以實驗課程為基礎的，由于資金的相對緊缺使得開展遠程教育的院校的實驗室很難購買多套先進但卻昂貴的儀器設備。虛擬實驗室正是在這樣的需求下發展起來的，它借助于現代化信息技術，通過網絡技術為廣大用戶提供先進的虛擬實驗平臺，使得用戶接觸到以前根本不可能接觸到的儀器設備，更方便、更直接地接受先進的實驗教學，進行個性化的選擇學習。

虛擬實驗室模型

在遠程教育的教學模式中，主要以學生為主體，要在互聯網上創辦實驗教學基地。因此虛擬實驗室系統模型中應該包括：計算機網絡部分、瀏覽器，服務器、虛擬實驗室三大部分。(見圖1)

1.計算機網絡

虛擬實驗室技術主要是基于計算機網絡技術和各種控制技術，所以一定要選擇好計算機網絡，可以利用國內已建成的教育科研網、郵電網和金橋網等公共計算機網絡作為信息交換渠道。但是此類網絡速度一般比較低，建議采用學校內部的網絡進行以加快仿真實驗的速度。

2.瀏覽器/服務器

通過Web服務器，用戶可以訪問Web站點，控制虛擬儀器，并且獲得實驗結果。公共網關接口(CGI)和傳輸控制協議(TCP)是客戶端與Web服務器以及Web服務器與虛擬實驗室之間的主要通訊方法。通過Web瀏覽器，實驗者可實時瀏覽實驗現象，進行實驗操作。

3.虛擬實驗室

虛擬實驗室指的是為遠程教育服務的虛擬實驗系統，是有效管理整個實驗的一個教學平臺，總體構成應該包括3個基礎模塊，學生模塊：主要實現三大功能：虛擬實驗、實驗報告的處理以及在網上論壇中提問。學生可以在虛擬實驗室里進行實驗的全部操作，提交實驗報告。教師模塊：需要實現三大功能：實驗的發布、實驗報告的處理以及答復網上論壇中學生的提問。網絡實驗管理：包含用戶管理、實驗管理及資源和數據的管理。

虛擬實驗室的主要功能

1.管理虛擬儀器和實驗的功能：遠程教育中的虛擬實驗室應能添加、修改和刪除虛擬儀器和虛擬實驗，以使虛擬實驗系統適應實驗教學的要求。

2.實驗功能：這是虛擬實驗室的核心功能。每一個典型實驗在結構上又包括：實驗儀器設備、實驗內容步驟、實驗目的原理和實驗報告幾部分。

3.保存功能；保存功能是指用戶在實驗結束后，可以將實驗的結果保存下來。或用戶開始實驗后臨時有事離開，而實驗尚未結束，可將當前的實驗狀態保存下來。下次做實驗時，接著進行而無需從頭操作。

4.成績管理功能：在遠程教育中，學生做完實驗后，能夠將實驗報告提交給教師。教師對學生完成實驗的情況進行記載，并給出相應的反饋意見。

構建虛擬實驗室的技術基礎

1.虛擬儀器技術

虛擬儀器是傳統儀器功能與外形的模塊化和軟件化。虛擬儀器通常由計算機、儀器模塊和軟件三部分組成。任何一個使用者都可以通過修改軟件的方法，很方便地改變、增減儀器系統的功能與規模。

2.網絡技術

虛擬實驗室的研究內容應包括實驗者身份的確定、網絡流量的控制、客/服端的協作通信等。要實現網絡通信常要用到TCP/IP協議和HTTP協議等相關技術。

3.多媒體技術

多媒體技術的應用主要包括多媒體制作、編輯和壓縮三個方面。在開發設計中可使用包括文本、圖形、圖像、動畫、視頻、音頻等多種多媒體數據制作技術，運用photoshop等制作工具。

4.ASP技術

ASP的程序編制比HTML更方便且更有靈活性。它在Web服務器端運行，運行后再將結果以HTML格式傳送至客戶端的瀏覽器。

5.數據庫技術

數據庫技術是虛擬實驗室設計中一個重要的技術基礎，用戶的信息、實驗的信息、成績信息等都需要保存到數據庫中。

結束語

虛擬實驗室系統是—個非常復雜且龐大的系統，不僅要對虛擬儀器的編制進行合理規劃以實現網絡化，還需對實驗室的各項管理功能進行完善，包括了客戶端和服務器端的設計。另外對實驗信息、用戶信息和實驗數據等的存儲管理也是實驗室的主要組成部分，虛擬實驗室的建立，將大大推進信息化教育的發展。也將促進教學內容和教學方法的改革，虛擬實驗室應用前景廣闊。因此虛擬實驗室的推廣和應用必然會帶來良好的教學效果。

參考文獻：

[1]王群燕，商建東，胡東方，基于虛擬儀器的網絡虛擬實驗室的研究，礦山機械2009，9

[2]劉彥保計算機網絡課程改革探討，高等理科教育，2008，3