組裝計(jì)算機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)室

摘 要: 本文首先分析了我國近年來高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的困境，為了緩解高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)壓力，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，就高校組裝計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課的現(xiàn)狀提出了構(gòu)建組裝計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)想，即用軟件代替硬件，用編程模擬實(shí)驗(yàn)的全過程。功能是讓學(xué)生采用虛擬儀器完成組裝過程，以達(dá)到學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)組裝的目的。

關(guān)鍵詞: 虛擬實(shí)驗(yàn)室 虛擬實(shí)驗(yàn) 體系結(jié)構(gòu) 功能 功能模塊

隨著高等教育的深化改革和招生規(guī)模的急劇擴(kuò)大，我國高校普遍陷入了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困境，主要表現(xiàn)在硬件設(shè)施不足、教學(xué)時(shí)空受限、教學(xué)方法和內(nèi)容落后。在計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)快速發(fā)展的前提下，充分利用計(jì)算機(jī)資源的虛擬實(shí)驗(yàn)室成為解決這些現(xiàn)存問題、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要選擇。

1.虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能

1.1教育功能

讓學(xué)生通過使用虛擬或真實(shí)儀器、裝置或系統(tǒng)的模擬裝置來熟悉實(shí)驗(yàn)過程，掌握相關(guān)技術(shù):能滿足不同知識(shí)背景學(xué)生的要求，根據(jù)其能力、實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)等調(diào)整資源模塊，保證學(xué)生在單獨(dú)使用模擬環(huán)境時(shí)能進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)操作。

1.2輔助設(shè)計(jì)功能

例如現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，是運(yùn)用EDA(Electronic Design Automation)，在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，在EDA平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)、下載、綜合、仿真，然后在實(shí)際條件下進(jìn)行測試。EDA模擬軟件將儀器、儀表、模擬器件、數(shù)字器件等直觀地反映在計(jì)算機(jī)屏幕上，可靈活地改變電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，反復(fù)觀察實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并動(dòng)態(tài)顯示電路的波形。

1.3協(xié)同實(shí)驗(yàn)和研究功能

虛擬實(shí)驗(yàn)室利用當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和設(shè)施，使參與試驗(yàn)的人員在遠(yuǎn)程相互合作，進(jìn)行試驗(yàn)研究，為分布在世界各地的研究人員提供共同從事一個(gè)項(xiàng)目的分布式問題解決環(huán)境。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及功能

2.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

組裝計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循開放性、交互性、安全性、易于維護(hù)等原則。構(gòu)建一個(gè)完整的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停情_發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)室必須完全網(wǎng)絡(luò)化的要求，以及計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的特性及課程的教學(xué)要求，我們設(shè)計(jì)如圖所示的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)室體系結(jié)構(gòu)。

2.2系統(tǒng)功能

2.2.1網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)

2.2.1.1用戶管理子系統(tǒng)。從安全性角度考慮，按權(quán)限由高到低將用戶分為管理員、教師、學(xué)生和普通用戶4個(gè)等級。管理員可對整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行控制管理;教師能夠編寫、修改和更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)材料，確定實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交的具體事項(xiàng)和修改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，網(wǎng)上與學(xué)生交流，等等;學(xué)生能進(jìn)入各子系統(tǒng)，能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;普通用戶僅能進(jìn)行網(wǎng)上討論、仿真運(yùn)行已有的實(shí)驗(yàn)和瀏覽系統(tǒng)的教學(xué)資料。

2.2.1.2教學(xué)管理子系統(tǒng)。包括實(shí)驗(yàn)選擇、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、師生交互等。實(shí)驗(yàn)選擇子項(xiàng)包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容瀏覽，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇。實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理子項(xiàng)包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告的上傳，教師對實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批閱，學(xué)生下載批閱后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。該子項(xiàng)可確定實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容、提交的時(shí)間，并對報(bào)告提交進(jìn)行時(shí)限管理。師生交互子項(xiàng)主要實(shí)現(xiàn)師生和學(xué)生之間的網(wǎng)上交流，并可通過電子郵件和BBS的方式實(shí)現(xiàn)。

2.2.2虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要用于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)電路)的設(shè)計(jì)和仿真運(yùn)行，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。

2.2.3數(shù)據(jù)庫

根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)室性能要求，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫有:元器件庫，設(shè)備庫，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫，用戶庫，實(shí)驗(yàn)報(bào)告庫。

2.3系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)功能模塊共分為七大模塊。

2.3.1實(shí)驗(yàn)管理模塊

由學(xué)生管理、教師管理、儀器管理和學(xué)生成績管理等組成。在學(xué)生管理方面，學(xué)生通過瀏覽器進(jìn)行注冊登錄，登錄成功后可瀏覽實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，查看實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)資料，預(yù)約實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，在線發(fā)送和接受消息，進(jìn)行問題討論，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)登記，實(shí)驗(yàn)完成后可通過網(wǎng)絡(luò)寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交報(bào)告。教師管理方面，可對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容添加、修改、整理、刪除，對學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告列表，批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，填寫評語和成績，提交批改結(jié)果，與學(xué)生進(jìn)行討論。儀器管理方面，對新設(shè)計(jì)開發(fā)的虛擬儀器上傳并進(jìn)行分類整理，以便實(shí)驗(yàn)使用。成績管理方面對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況(實(shí)驗(yàn)次數(shù)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告，以及完成情況)給出成績，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與提供查詢，等等。

2.3.2安裝過程演示模塊

對虛擬實(shí)驗(yàn)室可用虛擬元器件、虛擬儀器設(shè)備分門別類地進(jìn)行管理，以圖形的方式直觀呈現(xiàn)出來。

2.3.3實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)模塊

包括實(shí)驗(yàn)介紹、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的重點(diǎn)及難點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求及實(shí)驗(yàn)應(yīng)注意的事項(xiàng)等。

2.3.4實(shí)驗(yàn)報(bào)告模塊

主要對學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，提供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板，供學(xué)生下載，由學(xué)生填寫相關(guān)內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，完成后上傳電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告，由教師進(jìn)行批閱，并進(jìn)行記載。

2.3.5實(shí)驗(yàn)答疑模塊

由專業(yè)教師對學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的疑難問題進(jìn)行及時(shí)解答，幫助學(xué)生順利通過實(shí)驗(yàn)。同時(shí)了解學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的掌握程度，并及時(shí)反饋、調(diào)整教學(xué)。

2.3.6論壇交流模塊

教師和學(xué)生可以通過論壇進(jìn)行充分的交流，學(xué)生可以將實(shí)驗(yàn)中的收獲、經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)及問題發(fā)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(xué)生在這樣寬松的環(huán)境下發(fā)表自己的見解，教師從中可以得到及時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)反饋信息。

2.3.7虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K

該模塊是虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要部分。學(xué)生通過該模塊進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到鞏固強(qiáng)化知識(shí)的目的。模塊內(nèi)容根據(jù)學(xué)習(xí)的具體情況及實(shí)驗(yàn)建設(shè)條件，可不斷增加。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立，可以很好地解決目前硬件設(shè)備跟不上實(shí)驗(yàn)的要求、學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間不夠用等問題，對于提高學(xué)生的動(dòng)手能力、分析問題和解決實(shí)際問題的能力具有非常重要的意義。但在具體應(yīng)用中還要注意處理好“虛擬實(shí)驗(yàn)”和“實(shí)物實(shí)驗(yàn)”的關(guān)系，不能一味地強(qiáng)調(diào)虛擬實(shí)驗(yàn)，要“虛實(shí)”結(jié)合，既相互補(bǔ)充，又各有側(cè)重，這樣才能取得很好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。同時(shí)，在虛擬實(shí)驗(yàn)中要注意培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹⒁唤z不茍的科學(xué)實(shí)驗(yàn)作風(fēng)。

參考文獻(xiàn):

[1]朱鳳，王汝傳，王海艷等.基于VRML室內(nèi)虛擬環(huán)境構(gòu)建的研究與實(shí)現(xiàn)[J].南京郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，24，(4):80-85.

[2]黃文麗等.VRML語言入門與應(yīng)用[M].北京:中國鐵道出版社，2003.