虛擬實驗室搭建與應(yīng)用

楊陽

摘 要：虛擬實驗室是并立與實體實驗室而存在的一種實驗環(huán)境，它摒棄了實體實驗室投資大、受時空約束的缺陷。本文通過網(wǎng)絡(luò)搭建虛擬實驗室，討論了幾種虛擬實驗室搭建的關(guān)鍵技術(shù)及教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗室；優(yōu)勢；搭建

1 引言

虛擬實驗室是一種借助計算機虛擬技術(shù)構(gòu)建的實驗環(huán)境，是獨立于實體實驗室之外的一種科學(xué)研究方法。在實際的應(yīng)用中，學(xué)者根據(jù)不同的角度和不同的應(yīng)用范疇給出了不同的定義。

從技術(shù)角度上來看，虛擬實驗室是指在計算機系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的各種虛擬實驗環(huán)境，實驗者可以像在真實的實驗環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實驗項目。

從功能角度來看，虛擬實驗室是一個創(chuàng)造和引導(dǎo)模擬實驗的交互環(huán)境，它由實驗所依賴的模擬程序、實驗單元、工具和參考資料組成。

從教學(xué)應(yīng)用角度來看，虛擬實驗室是教師和相關(guān)設(shè)計者借助日益發(fā)展的計算機技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器儀表技術(shù)結(jié)合起來，使得學(xué)生可以通過操作計算機來操作自定義的儀器，對被測試量進行采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲等，充分利用了最新的計算機技術(shù)來實現(xiàn)模塊重組配置，異地實時操作，擴展傳統(tǒng)實驗儀器的功能，促進教學(xué)平臺的適用性和實驗內(nèi)容的先進性。

2 虛擬實驗室優(yōu)勢

2.1 學(xué)習(xí)不受時空約束

不受時間及空間的限制，可以利用網(wǎng)絡(luò)教育提高教學(xué)效率。對于實驗任務(wù)重、實驗基地有限的中職院校而言，虛擬實驗室有非常大的實用性。學(xué)生們無需到真實的實驗室便可以完成專業(yè)課程實驗所需要的實驗作業(yè)，并能根據(jù)教師的布置，從網(wǎng)絡(luò)上適時地從事實驗，并從實驗室老師那里得到及時的幫助。

2.2 節(jié)省資金，沒有損耗

可以節(jié)省大量的實驗設(shè)備的投入。目前中職院校普遍存在著實驗室建設(shè)經(jīng)費投入嚴(yán)重不足的問題，虛擬實驗室能夠充分發(fā)揮現(xiàn)有科學(xué)儀器的作用，提高使用效率，尤其是通過互聯(lián)網(wǎng)后能實現(xiàn)大型科學(xué)儀器的資源共享，避免了大型儀器設(shè)備的重復(fù)添置、購買和浪費，并且虛擬實驗室不存在設(shè)備老化問題。

2.3 開放性，效率高

虛擬實驗具有開放性，因而容易實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及其他部件間的連接和重新組建，且組建系統(tǒng)的效率高。由于虛擬實驗系統(tǒng)的硬件和軟件的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，用戶往往只需經(jīng)歷一次組建工作。軟件技術(shù)是虛擬實驗的關(guān)鍵，虛擬儀器由于在組建上具有高效性與靈活性，能夠適應(yīng)測試功能的多樣化，以及可用表格、圖形快速準(zhǔn)確顯示結(jié)果，達到一機多用，從而具備了傳統(tǒng)實驗難以比擬的優(yōu)勢。

3 虛擬實驗室的搭建及教學(xué)應(yīng)用

3.1 虛擬實驗室搭建

Microsoft.NET是Microsoft XML Webservices平臺，它允許應(yīng)用程序通過Internet進行通信和共享數(shù)據(jù)。.NET技術(shù)極大地簡化了開發(fā)、獲取、發(fā)布網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，同時增強功能和服務(wù)互用性、集成性和擴展性。我們可以將LabView開發(fā)工具與.NET平臺相集成，將虛擬儀器的開發(fā)優(yōu)勢與.NET平臺的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)優(yōu)勢相結(jié)合，提供更快捷、更靈活、更安全的網(wǎng)絡(luò)化虛擬實驗室。搭建虛擬實驗室的關(guān)鍵技術(shù)有：

⑴數(shù)據(jù)交換技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信中，常使用TCP/IP、UDP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。LabView開發(fā)系統(tǒng)包含網(wǎng)絡(luò)通信方面的工具包或方法。

⑵組件技術(shù)。組件技術(shù)是將大而復(fù)雜的應(yīng)用軟件分成一系列的可現(xiàn)行實現(xiàn)、易于開發(fā)、理解和調(diào)整的軟件單元，即組件。虛擬實驗室中常用的組件有COM和DCOM組件、ActiveX組件和.NET組件等。

⑶CGI技術(shù)。CGI是各種應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫與WWW接口的方法和標(biāo)準(zhǔn)。利用CGI進行虛擬實驗的設(shè)計時，首先通過相應(yīng)的開發(fā)工具開發(fā)CGI程序。當(dāng)客戶端發(fā)出請求時，CGI程序在很短的時間間隔內(nèi)產(chǎn)生并發(fā)送虛擬儀器的圖像映射。這些圖像映射中通常包含按鈕和開關(guān)等熱點區(qū)。當(dāng)學(xué)生在瀏覽器端點擊這些熱點區(qū)時CGI程序根據(jù)點擊區(qū)判斷用戶的輸入，并處理相關(guān)命令，然后將結(jié)果發(fā)回瀏覽器。當(dāng)用戶請求較多時，服務(wù)器就會過載，因此，適合一些簡單、學(xué)生交互量少的應(yīng)用。

⑷Java技術(shù)。虛擬實驗室是基于網(wǎng)絡(luò)的，而且為不同的客戶端服務(wù)，因此，對安全性和平臺通用性要求極高。Java是一種面向?qū)ο蟮亩嗝襟w編程語言，具有平臺無關(guān)性、可移植性、安全性、多線程和交互式語言等特點。開發(fā)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室主要涉及的Java技術(shù)包括JavaApplet、AWT和SWING、JSP與Servlet。

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，還需要考慮其它技術(shù)，如網(wǎng)站開發(fā)技術(shù)，需要一個專門的網(wǎng)站對網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室進行管理，包括實驗項目管理、虛擬儀器的發(fā)布、維護、升級和培訓(xùn)等服務(wù)。實驗者可以選擇網(wǎng)站中已經(jīng)設(shè)計好的實驗，也可以根據(jù)網(wǎng)站中提供的虛擬儀器自行設(shè)計實驗。另外，數(shù)據(jù)庫連接技術(shù)、協(xié)同實驗技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等都是構(gòu)建時必須考慮的因素。

3.2 教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬實驗室在教學(xué)中的作用可分為三類：一是為進行真正的實驗（或操作）做準(zhǔn)備練習(xí)；二是替代傳統(tǒng)的實物實驗室；三是對傳統(tǒng)的實物實驗的結(jié)果和現(xiàn)象進行分析。因此，在實驗內(nèi)容的規(guī)劃中，應(yīng)大力開發(fā)實驗、綜合性實驗、應(yīng)用性實驗和探索性實驗。在教學(xué)設(shè)計上，突出以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，重視交互操作的過程，強調(diào)情景創(chuàng)設(shè)的效果。網(wǎng)上虛擬實驗室的建設(shè)，還必須按照實驗教學(xué)規(guī)律，結(jié)合學(xué)校當(dāng)前實際情況，逐步建立起功能完善的網(wǎng)上虛擬實驗室系統(tǒng)。

[參考文獻]

[1]張建碧.虛擬實驗室的教學(xué)應(yīng)用[J].科技信息.2009.01.

[2]徐紅，劉羽，王林.網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室建設(shè)的研究[J].實驗科學(xué)與技術(shù).2007.08.