數字化校園環境下的虛擬實驗室建設思考

劉東生 王利森

（巢湖學院基礎實驗教學與實訓中心，安徽 巢湖 238000）

數字化校園環境下的虛擬實驗室建設思考

劉東生 王利森

（巢湖學院基礎實驗教學與實訓中心，安徽 巢湖 238000）

本文基于教育技術、虛擬儀器設備、數字化校園在實驗教學、科研中應用的思考，針對我院的現實和發展目標，介紹了網絡虛擬實驗室的內涵、優勢，給出了應用實例，對虛擬實驗中心建設的思路和方案進行了探討。

虛擬實驗；數字化校園

數字化校園就是利用先進成熟的計算機技術、網絡技術與數據庫技術，通過科學合理的管理規范與完備通用的技術規范，基于統一的信息標準整合、集成各種信息資源，構建安全、可靠、可擴展、易維護的綜合平臺，建設的目的主要體現在為學校“教學”和“管理”兩大功能提供的服務上。2012年我校將投資1600萬元人民幣的數字化校園建設項目，如何把握這一契機，充分利用校園資源，建設我院實驗教學虛擬平臺，構建網絡虛擬實驗教學中心，將是我們不可回避一個思考內容。

1 網絡虛擬實驗室的概述

網絡虛擬實驗室是一種基于Web技術、虛擬仿真技術構建起來的開放式網絡化的虛擬實驗教學系統，是現有各種教學實驗室的數字化和虛擬化。虛擬實驗室由虛擬實驗臺、虛擬器材庫和開放式實驗室管理系統組成。虛擬實驗室為開設各種虛擬實驗課程提供了全新的教學環境。虛擬實驗臺與真實實驗臺類似，可供學生在任何時間、任何地點自己動手配置、連接、調節和使用實驗儀器設備，利用虛擬器材庫中的器材，自由搭建實驗教學計劃中的實驗教學項目，完成綜合性、設計性實驗方案，并可通過網絡進行方案討論，提交實驗報告。在虛擬實驗室中，學生更易獲得相關的知識，科學的指導和敏捷的反饋。

2 網絡虛擬實驗室的優勢

長期以來困擾我院實驗教學發展原因，從表面上看，主要問題在于實驗教學經費投入的嚴重不足，實驗教學儀器設備緊缺和老化，實驗教學用房面積缺口較大，實驗教師隊伍不穩定，不能滿足當下各系的學科專業發展和實驗教學質量的提高。但從深層次上看，真正制約的瓶頸是，我們的教育思想和教育觀念不夠解放，現代化的教學資源不能充分利用。虛擬實驗室的建設不乏為當下我院實驗教學質量的提高提供了一個有效的問題解決方案。

2.1 節省了實驗教學經費的投入。基于數字化校園的虛擬實驗室建設，大大節省了實驗室建設中人力、物力和財力的投入，降低了實驗教學成本。實驗儀器、實驗耗材都是通過虛擬技術實現。實驗教學的改革、實驗項目的調整、實驗方案的優化，再也不受實驗設備性能的制約，有效解決了傳統實驗室中設備功能缺乏、性能老化，更新補充不到位等問題，從而影響整過教學的正常開展。

2.2 提高了實驗教學的安全系數。學生在實驗室進行實驗時可能會由于操作不慎或其他原因，使得人身安全或者儀器設備安全受到威脅甚至造成損失。在各種電子實驗中，低壓電路實驗經常會因為設備原件的老化，造成短路，損壞儀器或芯片；而高壓電路則會發生設備漏電，造成觸電事故。對于一些化學化工的高危險類實驗，我們不會親自去體驗，但通過虛擬可進行模擬仿真，強化實驗現象。

2.3 改善了實驗教學的教學環境。首先網絡化虛擬實驗室比傳統實驗室更具有開放性，他有效地打破了時間和空間的界限，學生可以靈活安排自己的實驗時間，也可以根據專業、興趣、愛好，對自己完成的綜合設計性實驗方案進行實驗。其次，他使實驗方案、實驗效果的最優化成為可能，學生不再因受實驗設備和耗材等限制，方便、快捷、及時地對某一實驗項目進行反復比較實驗。

2.4 優化了實驗教學資源。虛擬實驗室建設可以充分發揮現有實驗教學資源的功能和應用，通過ORACLE集群、虛擬主機集群、服務器集群、計算機云技術等措施，共享教學資源，運用IPS入侵防御系統設置策略，確保系統的安全。就當下，也在很大程度上緩解了實驗用房緊張，保證了整過教學計劃有序執行。

2.5 降低了實驗教師和實驗技術人員的工作量。傳統實驗室的實驗教學，受到教學時間和課時量等多種因素限制，管理、技術人員也不可能及時對現場出現故障的設備進行維護、維修完畢，實驗指導教師更不可能將各種可能發生的實驗情況一一羅列出來。學生通過虛擬實驗，不僅擴大了實驗的時間和內容，而且在過程中很多實驗現象和問題，自己就迎刃而解了，再進入傳統實驗室，那叫一個字——順！同時實驗目的也更加明確。

3 軟件共享網絡虛擬實驗應用實例

學生通過網絡登錄虛擬實驗中心主頁，輸入個人信息，經過用戶認證，進入虛擬實驗室，選擇實驗教學模塊和具體的實驗項目，開展實驗。以下為電子技術實驗課程中的三極管放大電路虛擬實驗。

在模擬電子技術課程中，三極管放大電路的直流分析和交流分析是教學中的重點和難點，學生在學習初期，由于剛接觸，概念抽象，認識模糊，尤其對放大電路失真的原因、關系、本質理解不深。在虛擬實驗室該實驗項目界面，學生首先根據實驗設計方案，從器件庫中“取出”所需的各種電子元件，在界面“測試電路區域”構建出實驗電路（圖示），加電后，在設備庫中選擇萬用電表，測試靜態工作點電壓。選擇信號發生器和示波器，可方便測出上圖所示中該電路對信號的不失真放大倍數。改變基極偏置電阻值，從而改變靜態工作點，導致飽和失真與截止失真的因果關系一目了然，如圖所示。全部實驗數據整理后，形成實驗報告，在網絡上直接上傳提交，經教師批閱后，獲得實驗成績。

由于進入虛擬實驗室必須是實名登錄，他與全校的數據管理系統共享全部的信息資源，實驗的結果是有網站自動生成，所以學生無法對此實驗的過程和結論進行復制和修改，有效避免了少數學生拼湊實驗結果、抄襲實驗報告的現象。

4 網絡虛擬實驗室的建設思路

虛擬實驗室的建設應以數字化校園為依托，作為傳統實驗室建設的補充和完善，形成獨立性與統整性、學際性與開放性、主體性與合作性、現實性與靈活性的有機統一。第一，在虛擬實驗室的技術總體設計上，要符合“主體的主動性、結論的可計量性、結論的客觀性、過程的可重復型和實驗內容與結論的連續性（因果關系）”這一實驗的基本屬性。第二，在實驗教學內容和實驗項目設計上，使之不僅與專業教育相結合，同時與就業市場相結合，形成由“基本實驗-綜合實驗-設計實驗-畢業設計實踐”的由淺入深，由易到難，由簡單到綜合，一體化多層次模塊式的實驗教學體系結構。第三，在實驗教學管理上，通過開放式的管理平臺，構建出多元化的實驗教學質量監控主體體系和多層面的實驗教學質量監控客體體系，形成對實驗教學質量多要素、多角度、多層次、多形式的監控，運用實驗教學統計、評價子系統，從而及時、全面、準時、系統地掌握實驗教學的運行。第四，在建設的步驟上，要結構科學，系統開放，逐步擴充。首先要能滿足新建專業基礎學科學生的實驗預習、實驗操作、數據處理、實驗報告等實驗基本環節的急需，然后在功能上逐步擴充、性能上進一步完善，面向各學科專業有計劃進行推廣。在學校財力、人力允許的情況下，啟動儀器共享網絡虛擬實驗室建設，探索遠程控制網絡虛擬實驗室項目，直至建設成我院的校級“網絡化虛擬實驗中心”，面向企業、科研和社會進行有償服務。

5 網絡虛擬實驗室的建設方案

網絡虛擬實驗室建設是基于數字化校園建設的項目基礎之上，子項目的框架結構為如圖所示：采用瀏覽器/服務器/數據和應用（BSDA，Browser/Server/Database&Application）結構，由客戶端、網頁服務器端、應用服務器端以及實驗儀器設備四部分組成。網頁服務器主要作用是提供Web接入服務、用戶認證管理、開放式交互實驗環境以及動態網頁的生成；應用服務器主要作用是控制和管理實驗儀器、采集和處理實驗數據；數據庫的主要作用則是配合用戶帳戶的管理、動態網頁的生成以及實驗數據的存儲和管理。網絡虛擬實驗室，主要由模擬仿真和實時測量兩個部分組成，如圖所示。模擬仿真部分，主要完成驗證型、原理演示型實驗，使用LabVIEW自帶的網頁發布功能，直接在Web服務器端生成嵌入實驗平臺的www網頁，用戶只需使用網頁瀏覽器即可通過互聯網訪問網絡虛擬實驗室，進行實驗，此部分是我院虛擬實驗室建設的第一步。

實時測量部分，主要完成大型儀器設備的共享型，遠程控制型的教學、科研實驗。他有一個多媒體輔助模塊，是對實際實驗平臺界面的虛擬呈現，讓學生在進入實時測量模塊之前來操作，用來檢驗學生的預習程度，讓學生預先了解實驗內容，熟悉具體的實驗步驟；另一個是實時測量模塊，它是實時測量部分的核心，負責本地實驗數據的采集，并按遠程用戶的操作要求進行分析、存儲以及顯示，可使用LabVIEW的網頁發布功能來實現，也可使用基于LabVIEW編程的Application Server模塊與客戶端API模塊來實現網絡互連，數據通信，完成遠程實驗。

6 結束語

一流的大學必須有現代化的教學、科研實驗室。與傳統的實驗室相比，現代化的教學、科研實驗室建設方向為：（1）現代化儀器設備本身應是可編程的，功能上很大程度可由使用者自行定義和設計，便于開展研究性和設計性的實驗。（2）各種測量儀器設備不應是彼此間相互孤立的，必須能與計算機相連，組成一個以計算機為中心的測量系統。（3）系統應為開放式的，能夠通過校園網形成一個網絡化的儀器與測量環境，共享實驗數據。（4）實驗室的管理應是科學、透明和規范的，通過有效的管理，提高經費投入效益，提升實驗教學質量。我院“十二·五”規劃中明確了學校發展戰略目標：“辦合格，有特色，上層次”，則在實驗室的建設和規劃上，我們必須提煉出行之有效建設方案。

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[5]王涌,李國麗.建設網絡虛擬實驗室，深化實驗教學改革[J].實驗技術與管理，2010，（9）.

ON THE CONSTRUCTION OF VIRTUAL LABORATORY IN DIGITAL CAMPUS ENVIRONMENT

LIU Dong-sheng WANG Li-sen
（Basic Experimental Teaching and Training Center of Chaohu University,Chaohu Anhui 238000）

This article introduces the connotation and advantages of network virtual laboratory,gives application examples and explores the ideas and programmes on the construction of virtual experiment center based on thinkings of the application of educational technology, virtual instrument and equipment and digital campus in experimental teaching and research, considering the reality and development objectives of our college.

virtual experiment；digital campus

book=157,ebook=12

G434

：A

：1672-2868（2012）04-0157-04

責任編輯：陳 鳳

2012-01-20

劉東生（1963-），男,安徽肥東人。巢湖學院基礎實驗教學與實訓中心高級實驗師，研究方向：教學資源開發利用。