高校虛擬電子實驗室建設淺談

摘要：隨著各高校的擴招和專業(yè)的擴建，基礎實驗室的建設就受到資金、師資等方面條件的制約。文中主要闡述了傳統(tǒng)基礎實驗室的弊端，提出了建設虛擬實驗室的優(yōu)點和初步的構建方案，為今后地方工科院校實驗室建設和改革實驗教學提供一些基本思路。

關鍵詞：傳統(tǒng)實驗室；虛擬實驗室；仿真平臺；虛擬仿真

一、傳統(tǒng)實驗室的弊端

1.實驗室建設費用高

傳統(tǒng)的實驗室主要依賴費用高昂的實驗設備，存在前期投入大、后期維護費用高，開展過程受時間、地點、人力、物力和財力等問題所限制，致使實驗教學無法有效開展，實驗教學質量難以達到預期的效果。

2.教師指導難以到位

有限的教師很難在有限的時間內(nèi)細致地指導大批的學生，設計性和探究性實驗更是難以開展。

3.教學目標難以實現(xiàn)

培養(yǎng)動手能力、設計能力和創(chuàng)新能力是實驗教學的重要目標，但是目前學生主要根據(jù)實驗指導書來進行驗證性實驗，有些實驗操作訓練不足，創(chuàng)新能力難以提升。

在傳統(tǒng)實驗室中也主要以實驗箱為主。學生在實驗中對于元件參數(shù)的修改和數(shù)據(jù)的測定受到很大的限制，缺少靈活性和創(chuàng)造性。相對于傳統(tǒng)實驗室的各種弊病，虛擬電子實驗室則體現(xiàn)出其低廉、靈活、易于維護等優(yōu)點，完全可以取代傳統(tǒng)的基礎實驗室。

二、虛擬實驗室的概念及組成

虛擬實驗室（Virtual laboratory）的概念，于1989年由美國的William Wolf教授最早提出，用來描述一個計算機網(wǎng)絡化的虛擬實驗室環(huán)境。

仿真平臺采用多媒體技術在計算機上建立虛擬實驗環(huán)境，提供可操作的虛擬實驗儀器，使學生在互聯(lián)網(wǎng)上通過接近真實的人機交互界面完成實驗，在計算機上營造一個可輔助、部分替代傳統(tǒng)實驗各種操作環(huán)節(jié)的相關軟硬件操作環(huán)境。學生在互聯(lián)網(wǎng)上可靈活地實現(xiàn)選實驗、觀看演示實驗、做實驗、創(chuàng)新、提交實驗報告、查看成績等過程，不受時間、地點等因素的影響，大大地節(jié)約了時間、空間和資源。

教學管理主要由教師、教務人員和系統(tǒng)管理員來完成。包括用戶管理、開課管理、教學管理、實驗管理、系統(tǒng)維護等內(nèi)容，為實驗教學環(huán)境提供服務并開展應用。

教師在教學管理系統(tǒng)中主要負責教學管理、實驗批改、實驗指導和成績的評定等工作。可以根據(jù)實驗教學大綱和要求，維護系統(tǒng)預加的課程典型實驗，進行查看、修改、刪除。同時可以根據(jù)本校的個性化教學要求重新設計添加自己的實驗，同時可以制定每個典型實驗的標準答案、批改規(guī)則、指導規(guī)則，以便系統(tǒng)能夠自動評判學生提交的實驗結果以及智能指導學生如何做實驗。可以通過智能演示系統(tǒng)提高學生實驗的成功率，也可以通過系統(tǒng)可視和語音系統(tǒng)對正在做實驗的學生進行在線監(jiān)控和在線指導。這就大大地減少了教師的工作量，對實驗的處理也更加靈活和方便。

系統(tǒng)管理員主要對系統(tǒng)用戶賬號和實驗學生班級分組進行管理，對參加實驗教學的角色和相應權限進行維護，同時還可以對系統(tǒng)角色進行添加和權限設定。查看用戶的登錄記錄和操作日志。

教務管理人員主要是根據(jù)學校的教學計劃和教學大綱進行課程計劃、開課計劃、開課審核的查看、增加、刪除、修改、發(fā)布以及相應信息的維護，同時可查詢每學期的開課情況。

學生通過登錄認證進入虛擬實驗室，可以通過自己的用戶賬號進入自己班級并可以查看本學期所開設的實驗并開始實驗。在實驗過程中，遇到問題和困難，可選擇智能演示系統(tǒng)或通過在線可視系統(tǒng)和語音系統(tǒng)請求實驗教師進行在線指導。實驗完成后可以在線提交實驗數(shù)據(jù)并可查看成績及評語。

這樣就實現(xiàn)了教、學、管理、維護為一體的開放式的教學體系。虛擬實驗室具有以下幾個特點：提供一整套完善的虛擬實驗系統(tǒng)，可以和其他教學教務系統(tǒng)無縫集成。大大地節(jié)約了資源，減輕了教師的工作量。采用多媒體手段，提供了豐富的實驗教學資源。通過智能演示系統(tǒng)對學生進行一對一的實時指導，提高了教學質量。由專家設計的典型實驗，將知識和實驗動手能力相結合能培養(yǎng)學生的動手操作能力、設計和創(chuàng)新能力。不受時間和空間的限制，只要有網(wǎng)絡的地方就是我們的實驗室。成本低，一次投入可以進行多種學科的實驗，并且便于維護和管理。

三、虛擬實驗室的建設構想

虛擬實驗室教學系統(tǒng)可以構建在校園網(wǎng)上，是學校網(wǎng)絡教學資源的一部分，屬于教學系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。若校園網(wǎng)掛在了INTERNET上面，則虛擬實驗室就擺脫了時間和空間的限制，學生就可以隨時隨地訪問虛擬實驗室，實現(xiàn)開放式的教學目的。當然，管理者和學生必須評用戶賬號和密碼才能得到相應的權限，非法用戶是無法進入虛擬實驗室并進行操作的。

虛擬實驗室的核心可以分為兩個模塊：教務管理平臺和教學平臺。

虛擬實驗室系統(tǒng)構建圖

在整個系統(tǒng)構建時可采用B/S結構。B/S結構（Browser/Server，瀏覽器/服務器模式），是WEB興起后的一種網(wǎng)絡結構模式，WEB瀏覽器是客戶端最主要的應用軟件。這種模式統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務器上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護和使用。客戶機上只要安裝一個瀏覽器（Browser），如Netscape Navigator或Internet Explorer，服務器安裝Oracle、Sybase、Informix或SQL Server等數(shù)據(jù)庫。瀏覽器通過Web Server同數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互。

B/S最大的優(yōu)點就是可以在任何地方進行操作而不用安裝任何專門的軟件，只要有一臺能上網(wǎng)的電腦就能使用，客戶端零維護。系統(tǒng)的擴展非常容易。B/S結構的使用越來越多，特別是由需求推動了AJAX技術的發(fā)展，它的程序也能在客戶端電腦上進行部分處理，從而大大地減輕了服務器的負擔 ；并增加了交互性，能進行局部實時刷新。

虛擬實驗室可以促進學生學用結合，實驗的安排更加方便靈活，不受時間和空間限制。實現(xiàn)真正意義上的開放實驗室。虛擬實驗室可減少實驗設備的維護強度，緩解當前實驗設備不足，實現(xiàn)理論教學和實踐教學的有機結合。

通過建立虛擬實驗室，可以解決電子、通信等學科中的實驗教學問題，完善現(xiàn)在實驗教學體系。當然，虛擬實驗室也有其局限性，只適用于基礎實驗室，不能替代高端的實驗室。

參考文獻：

[1] 吳丹.高校開放式網(wǎng)絡虛擬實驗室探析[J].教育科學，2011，（1）：97-98.

[2] 楊霄雪，蔡政英.虛擬實驗室資源網(wǎng)格多任務調度[J].華中科技大學學報，2011，（2）：23-26.

[3] 吳志瑋.試論高校圖書館虛擬實驗室的建設[J].廣角（上旬刊），2011，（5）：201-202.