基于在線實驗室的教學模式的研究*

劉外喜 ，劉文喜 ，喻 萍 ，吉國平 ，胡 曉

（1.廣州大學 電子信息工程系，廣東 廣州510006；2.湖南省茶陵一中，湖南 茶陵412400；3.中國人民解放軍91708部隊，廣東 廣州510320）

當前，國家大力提倡培養適應社會發展需要的具有創新思維、實踐能力的高素質人才，同時，國家提倡建設學習型社會，鼓勵終身學習。在信息時代，如何培養適應信息技術高速發展的人才是大學教育面臨的一個重要問題，其中加強實驗教學是一種有效的途徑，而在當前的教學中，實驗教學是一個薄弱環節，主要存在以下問題[1-5]。

(1)在當前的實驗教學中普遍采用3種方法：①利用上課時間在實驗室做實驗，由于設備數量有限，無法滿足人手一臺設備，實驗效果有限；②純虛擬實驗，主要利用軟件模擬實驗設備和環境。這種方法中實驗設備工作過程過于理想，并且學生做實驗是一個被動接受的過程，實驗步驟、內容都是預先設定好的，觀察到的結果太過理想化，無法達到通過實驗發現問題、思考問題、解決問題的目的，不利于培養學生的創新能力；③學生自己購買儀器做實驗，這種方法不僅給學生在經濟上造成困難且缺乏教師指導，實驗效果無法保證。

(2)實驗設備更新較慢。由于各種客觀原因，不可能采購所有新技術的實驗設備，并且數量也不可能太多，因此教學和實驗內容普遍滯后于當前技術的發展[6]。

(3)實驗測試設備少、更新慢。隨著當前信息技術的飛速發展，對測試設備的要求越來越高，并且在一些創新型實驗中，需要用到一些特殊用途的測試設備，一般實驗室無法滿足該要求。

實驗設備在整個實驗體系結構中占據著重要的位置，因為缺乏符合教育理念的實驗設備而會導致實驗教學方法陳舊、實驗內容脫節于技術發展等問題，正是為了解決這一反應鏈中的根本問題——實驗設備問題，本文提出了構建可編程的、網絡化的實驗平臺方案，并以此為依托探索信息類課程模塊式、開放式、網絡化的實驗教學方法。

當前，國內外已經有一些科研單位進行了與網絡化實驗室相關的研究，但僅僅限于如何利用虛擬儀器技術構建遠程測量系統，無法實現對遠程實驗室設備的編程控制，例如美國Illinois大學的Nmrscope系統[7]、西班牙大學的電子儀器虛擬工作臺[8]、卡耐基-梅隆大學的虛擬實驗室[9]和意大利帕瓦多大學的遠程虛擬教育實驗室[9]。國內的一些大學也開展了相關的研究，如清華大學利用虛擬儀器構建了汽車發動機檢測系統以及四川大學基于虛擬儀器的設計思路[4，5]。但到目前為止，關于在線實驗室建設的相關研究還不多。

1系統實現

本論文主要分為實驗平臺的搭建和新教學方法的探索兩部分。其中新教學方法的探索在后面闡述，下面以4個實驗項目為例闡述系統的基本實現思想。

1.1路由協議實驗的實現思想

如圖1所示，在線虛擬網絡實驗平臺的軟件體系機構為三層架構：后臺服務器、應用服務器、客戶端[4]，采用了瀏覽器/服務器(B/S)的網絡計算模式?？蛻舳送瓿膳c用戶的交互、拓撲網絡的設計以及虛擬設備的配置交互。應用服務器可以置于網絡中的任何位置，運行在任何操作系統上，處理客戶端實驗網絡拓撲配置，完成客戶端與后臺服務器之間的通信轉接。后臺服務器采用Dynamips軟件模擬實際的設備，通過采用應用服務器生成拓撲所需要的參數，管理和維護需要模擬的設備[4]。

圖1 路由實驗項目實現框圖

1.2重構TCP三次握手和重構HTTP交互過程實驗項目的實現

重構TCP三次握手即服務器端捕獲客戶端訪問服務器時所經歷的TCP三次握手過程，將三次握手的報文按照協議的格式展現給實驗者，這樣不僅可以加深實驗者對TCP三次握手過程的理解，還可以加深對TCP/IP協議棧內容的理解。

HTTP是應用層的一個重要協議，當前很多應用都是基于HTTP協議的。重構HTTP交互實驗項目的目的是幫助實驗者理解這一重要協議，本文所述在線實驗室就是以WEB的形式基于HTTP協議的應用程序，因此把實驗者訪問服務器的HTTP交互過程捕獲下來，并以圖表的形式按照時間序列展現給實驗者，這樣可以讓實驗者看到訪問過程在計算機網絡中運行的報文細節，達到加深理解的目的，即“所做即所見”。

上述兩個實驗項目的共同思想是利用服務器端的捕獲程序抓包然后解析出來，系統的架構如圖2所示，整個系統由主界面和測試界面構成。其中抓包模塊流程如圖3所示，數據的分析的流程如圖4所示，顯示模塊如圖5所示。

圖2 系統架構

圖3 抓包模塊流程圖

圖4 數據處理模塊流程圖

圖5 顯示模塊流程

當用戶登錄到主界面之后，服務器端程序將啟動SharpPcap，根據收到的請求解析出用戶的地址，然后開啟一個線程偵聽這個地址的網絡端口，接著用戶訪問測試界面。訪問的目的就是發送一次遠程請求，使得服務器能夠捕獲數據包，后臺使用抓包程序和解析程序能夠生成對應協議包的數據，并且以文本的形式存放在本地文件系統中。之后用戶回到主頁，點擊抓獲數據文件按鈕，后臺服務將解析后的離線數據發送到客戶瀏覽器，在主界面窗口顯示。

1.3重構路由路徑

在計算機網絡中，客戶端訪問服務器端需要經過中間很多跳的路由器。重構路由路徑實驗項目的目標就是將客戶端訪問服務器端所經過的路由路徑利用拓撲發現技術重新構建出來，加深實驗者對路由協議選擇路徑的理解。主要通過反向的tracert和ping等方法進行路由重構。

2教學模式的探索

2.1研究方法

先搭建實際的實驗平臺，然后在此基礎上測試、評估教學方法。主要采用抽樣調查、理論分析、模擬實驗相結合的方法進行研究。

在研究新的教學方法對學生的學習效果和心理以及教師的教學心理的影響中，設計調查問卷，隨機抽樣進行調查，得到大學生的心理特征，并進行歸納和演繹，探討大學生的心理特點，結合基于網絡環境的實驗學習的本質特征，分析大學生基于網絡環境的實驗學習的特殊性，進行教學模擬實驗，跟蹤教學效果，并根據實驗進行修正，最終形成基于網絡環境的實驗學習的教學策略。

在TRIZ理論與基于網絡環境的實驗學習的融合研究中，采用理論分析方法，將TRIZ理論與網絡學習相結合，形成新型的創新性人才培養方案，通過教學實驗進行驗證。

2.2技術路線

實現以上思想的基本步驟是：設計大學生學習心理問卷→抽樣調查廣州大學生學習心理特征→探討大學生學習心理特征→分析大學生進行網絡學習的特殊性→模擬教學實驗驗證→計算機網絡課程網絡學習的特殊要求→課程間的聯系分析→課程體系適合網絡學習的整合→教學實踐驗證→TRIZ理論與網絡學習的相生相克原理分析→TRIZ理論與研究性學習融合分析→教學實驗驗證。

本文充分分析了計算機網絡等技術的優勢，在此基礎之上提出構建可編程、網絡化的在線實驗平臺的方案。利用計算機網絡拓展實驗平臺的使用范圍，實現異地遠程在線面向實際設備的實驗。

[1]丁曉紅.遠程虛擬電子實驗室的實現技術研究[D].大連理工大學,2003.

[2]蔣英.對虛擬現實技術構建虛擬實驗室的初淺認識[J].實驗室科學,2006,2(1)：102-103.

[3]GOLDBERG H.What is virtual instrument[J].IEEE Instrumentation&Measurement Magazine,2000,3(4)：10-13.

[4]王曉梅.在線虛擬網絡實驗平臺的設計與實現[J].計算機教育，2009(18).152-154.

[5]頓愛波，唐禎安.遠程教學用虛擬電子實驗室系統研究[D].大連理工大學，2005.

[6]劉外喜.虛擬實驗室在計算機網絡課程教學中應用的設計[J].計 算機教育,2007(8)：72-76.

[7]Shen Xiaojun，RADAKRISHNAN T.Electronic commerce in a collaborative virtual world[J].Electronic Commerce Research and Application,Elsevier Science BV,2002(1)：281-300.

[8]SERRA M,WANG E,MUZIO J C.Amultimedia virtual lab for digital logic[EB/OL].Http：//www.ieee.org.

[9]CHRISTOF RoHRIG,ANDREAS JOCHHEIM.The virtual lab for controlling real experiments via intemet[EB/OL].Http：//www.ieee.org.