組裝計算機的虛擬實驗室

摘 要: 本文首先分析了我國近年來高校實驗教學面臨的困境，為了緩解高校實驗教學壓力，改善實驗教學條件，提高實驗教學質量，就高校組裝計算機實驗課的現狀提出了構建組裝計算機虛擬實驗室的設想，即用軟件代替硬件，用編程模擬實驗的全過程。功能是讓學生采用虛擬儀器完成組裝過程，以達到學會計算機組裝的目的。

關鍵詞: 虛擬實驗室 虛擬實驗 體系結構 功能 功能模塊

隨著高等教育的深化改革和招生規模的急劇擴大，我國高校普遍陷入了實驗教學的困境，主要表現在硬件設施不足、教學時空受限、教學方法和內容落后。在計算機和網絡通信技術快速發展的前提下，充分利用計算機資源的虛擬實驗室成為解決這些現存問題、提高實驗教學質量的重要選擇。

1.虛擬實驗室的功能

1.1教育功能

讓學生通過使用虛擬或真實儀器、裝置或系統的模擬裝置來熟悉實驗過程，掌握相關技術:能滿足不同知識背景學生的要求，根據其能力、實驗經驗等調整資源模塊，保證學生在單獨使用模擬環境時能進行各種實驗操作。

1.2輔助設計功能

例如現代電子系統的設計與分析，是運用EDA(Electronic Design Automation)，在分布式網絡環境下，在EDA平臺上進行設計、下載、綜合、仿真，然后在實際條件下進行測試。EDA模擬軟件將儀器、儀表、模擬器件、數字器件等直觀地反映在計算機屏幕上，可靈活地改變電路結構和參數，反復觀察實驗的結果，并動態顯示電路的波形。

1.3協同實驗和研究功能

虛擬實驗室利用當前網絡技術和設施，使參與試驗的人員在遠程相互合作，進行試驗研究，為分布在世界各地的研究人員提供共同從事一個項目的分布式問題解決環境。

2.虛擬實驗室系統體系結構及功能

2.1系統體系結構

組裝計算機虛擬實驗室的設計應遵循開放性、交互性、安全性、易于維護等原則。構建一個完整的虛擬實驗模型，是開發虛擬實驗的重要環節。根據虛擬實驗室必須完全網絡化的要求，以及計算機硬件系統的特性及課程的教學要求，我們設計如圖所示的計算機硬件系統虛擬實驗室體系結構。

2.2系統功能

2.2.1網絡管理平臺

2.2.1.1用戶管理子系統。從安全性角度考慮，按權限由高到低將用戶分為管理員、教師、學生和普通用戶4個等級。管理員可對整個實驗室的各個子系統進行控制管理;教師能夠編寫、修改和更新實驗教學材料，確定實驗報告提交的具體事項和修改實驗報告，網上與學生交流，等等;學生能進入各子系統，能設計實驗項目;普通用戶僅能進行網上討論、仿真運行已有的實驗和瀏覽系統的教學資料。

2.2.1.2教學管理子系統。包括實驗選擇、實驗報告管理、師生交互等。實驗選擇子項包括實驗教學內容瀏覽，實驗項目選擇。實驗報告管理子項包括實驗報告的上傳，教師對實驗報告的批閱，學生下載批閱后的實驗報告。該子項可確定實驗報告的內容、提交的時間，并對報告提交進行時限管理。師生交互子項主要實現師生和學生之間的網上交流，并可通過電子郵件和BBS的方式實現。

2.2.2虛擬實驗平臺

虛擬實驗平臺主要用于實驗項目(計算機硬件系統電路)的設計和仿真運行，是整個系統的核心部分。

2.2.3數據庫

根據虛擬實驗室性能要求，設計的系統數據庫有:元器件庫，設備庫，實驗項目庫，用戶庫，實驗報告庫。

2.3系統功能模塊

系統功能模塊共分為七大模塊。

2.3.1實驗管理模塊

由學生管理、教師管理、儀器管理和學生成績管理等組成。在學生管理方面，學生通過瀏覽器進行注冊登錄，登錄成功后可瀏覽實驗項目，查看實驗的詳細資料，預約實驗項目及做實驗的時間，在線發送和接受消息，進行問題討論，進行實驗登記，實驗完成后可通過網絡寫實驗報告并提交報告。教師管理方面，可對實驗內容添加、修改、整理、刪除，對學生提交的實驗報告列表，批改實驗報告，填寫評語和成績，提交批改結果，與學生進行討論。儀器管理方面，對新設計開發的虛擬儀器上傳并進行分類整理，以便實驗使用。成績管理方面對學生的實驗情況(實驗次數、實驗報告，以及完成情況)給出成績，并進行統計分析與提供查詢，等等。

2.3.2安裝過程演示模塊

對虛擬實驗室可用虛擬元器件、虛擬儀器設備分門別類地進行管理，以圖形的方式直觀呈現出來。

2.3.3實驗指導模塊

包括實驗介紹、實驗方法、實驗項目的重點及難點、實驗目的、實驗原理、實驗準備、實驗任務、實驗過程、實驗報告的要求及實驗應注意的事項等。

2.3.4實驗報告模塊

主要對學生完成實驗后，提供相關的實驗報告模板，供學生下載，由學生填寫相關內容以及實驗的結果，完成后上傳電子版實驗報告，由教師進行批閱，并進行記載。

2.3.5實驗答疑模塊

由專業教師對學生實驗中出現的疑難問題進行及時解答，幫助學生順利通過實驗。同時了解學生對實驗的掌握程度，并及時反饋、調整教學。

2.3.6論壇交流模塊

教師和學生可以通過論壇進行充分的交流，學生可以將實驗中的收獲、經驗和體會及問題發布到論壇上，教師可以將一些典型的問題提出來，供大家探討。學生在這樣寬松的環境下發表自己的見解，教師從中可以得到及時的實驗教學反饋信息。

2.3.7虛擬實驗模塊

該模塊是虛擬實驗室建設的重要部分。學生通過該模塊進行虛擬實驗，以達到鞏固強化知識的目的。模塊內容根據學習的具體情況及實驗建設條件，可不斷增加。

計算機網絡虛擬實驗室的建立，可以很好地解決目前硬件設備跟不上實驗的要求、學生實驗時間不夠用等問題，對于提高學生的動手能力、分析問題和解決實際問題的能力具有非常重要的意義。但在具體應用中還要注意處理好“虛擬實驗”和“實物實驗”的關系，不能一味地強調虛擬實驗，要“虛實”結合，既相互補充，又各有側重，這樣才能取得很好的實驗教學效果。同時，在虛擬實驗中要注意培養學生嚴謹的、一絲不茍的科學實驗作風。

參考文獻:

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