面向計算機硬件類課程的移動虛擬實驗室構建策略

黎建華　胡永良　李菡

摘要：針對高校實驗室建設的實際狀況，在分析計算機硬件類課程教學現狀的基礎上，提出基于網絡虛擬實驗室與移動學習技術構建移動虛擬實驗室的新理念，給出移動虛擬實驗的構建模型及自主交互式學習/訓練模型，說明移動虛擬實驗室的構建策略。以突破傳統的硬件類課程實驗室建設模式，為新時代下計算機硬件類課程的實驗室建設提供新的思路。

關鍵詞：硬件類課程；移動虛擬實驗室；移動學習；自主交互式；學習/訓練周期

0.引言

實驗教學作為現代教育的關鍵環節，是培養學生工程實踐能力與創新能力的重要手段。實驗室作為實驗教學的主要陣地，其設備水平直接關系到實驗項目的開展及效果。計算機硬件類課程的教學、基礎實驗與創新研究性實驗的開展必須以豐富的實驗設備及成熟的實驗條件為依托。

1.計算機硬件類課程的教學現狀

當前各高校計算機硬件類課程的教學從晶體管、計算機系統到接口電路，其內容涵蓋模擬電路、數字邏輯電路、計算機組成原理、單片機與接口技術、嵌入式系統及物聯網等。當前，計算機硬件類課程的相關實驗室建設雖然逐步完善，但實驗教學還存在諸多問題，主要表現在以下幾個方面：一是實驗步驟機械使用封閉式實驗箱，以落后原始的手動連線和觀察現象為主，按照實驗步驟應付了事，電路結構的變化不靈活；二是實驗平臺與實驗內容受限，在實驗室的構建上，如師資、教學內容和實驗設備的選擇都有一定的側重點，實驗設備與實驗內容有很大的局限性，一些實驗受各種條件的限制難以開展；三是開展實驗的時間和地點受限，學生需花費大量的時間在校內固定的電腦上，使學生的學習時間和地點受到極大限制；四是硬件設備陳舊導致學生不愿進實驗室，計算機硬件設備更新通常比較緩慢，設備陳舊老化導致實驗進度緩慢，最終使學生興趣索然，甚至不愿走進實驗室完成教師指定的實驗項目。這些問題很大程度上束縛了學生的學習興趣，更不利于學生工程創新能力的培養。

為克服實驗箱的不靈活性及實驗教學內容與設備的片面性，近年來國內諸多高校采用“以軟仿硬”的實驗方式，即在教學和實驗中使用模擬仿真軟件（如Multisim、Labview、Proteus等）搭建仿真實驗平臺，在計算機上調用元器件庫進行連線畫圖、編寫文件、確定跟蹤點、調用模擬程序，在集成軟件環境下設計硬件電路以克服硬件實物實驗條件的限制。但這些基本都在課堂或實驗室開展，實驗項目擴展有限。因此，如何克服傳統的計算機硬件實驗室建設弊端，解決實驗條件（如師資、設備等方面）的匱乏與實驗需求不斷增加的矛盾，使學生的學習不受時間、地點及設備數量的限制，促進實驗教學質量的提高，已成為當前實驗室建設的一個重要議題。

2.移動虛擬實驗室構建理念的提出

2.1網絡虛擬實驗室

隨著虛擬現實技術、仿真技術和通信網絡技術的發展，網絡虛擬實驗室（network virtual laboratory，NVL）的出現為硬件實驗的開展提供了一種新的教學方法與學習手段。網絡虛擬實驗室是采用服務器、客戶端及實驗設備構建虛擬實驗場所，學生在計算機仿真實驗環境下，利用鼠標等工具直接在網絡上完成實驗繪圖、參數設定與編程，最終獲得實驗仿真結果與現象，從而實現對真實實驗操作及實驗結果的計算機軟件模擬。同一實驗項目，可由不同時間、不同地點的多個學生共同完成。

2.2移動學習

在未來計算機硬件類課程實驗項目教學的開展過程中，學生需要一種可以擺脫時間和空間約束的學習方式，可以在課外、寢室、食堂或任何地方根據自身興趣和知識結構的需求，利用隨身攜帶的手機、iPad等移動設備進行無線網絡的訪問，隨時隨地開展基礎型實驗項目與創新性實驗項目。隨著4G無線通信技術、移動終端技術的發展和移動設備的普及，移動學習（M-Learning）成為數字學習（E-Learning）和遠程一學習（D-Leaming）后新的發展階段（如圖1所示），因此，移動學習作為一種新型的學習方式，比數字學習更進一步，可以不受計算機環境、地點的限制。

2.3移動虛擬實驗室

Batista J等人探討了移動學習與虛擬實驗室的相互關系和必要性。從長遠看，虛擬實驗室作為實驗教學資源建設的關鍵環節，向移動化學習方向發展是必然趨勢。

為增強實驗教學的靈活性，提高實驗教學的效率，真正滿足實驗的隨時隨地性、自主性和交互性，培養學生的自學及創新能力為目標，有效利用移動設備為學生提供便捷的實驗方式和豐富的學習體驗，基于移動學習與網絡虛擬實驗室的移動虛擬實驗室，能為實驗教學提供一種全新的模式，將成為一種構建硬件類實驗室的新方向。

3.移動虛擬實驗室的構建模型

移動虛擬實驗室的構建模型對于實驗室建設具有決策性和指導性意義，在建立移動虛擬實驗室模型時應綜合考慮服務器和客戶端的綜合性能，合理劃分服務器和客戶端的功能。

圖2給出了移動虛擬實驗的構建模型，主要包含移動虛擬實驗服務器（Serrer）和客戶端（Client）兩部分。移動虛擬實驗Server主要負責實驗室的日常管理、實驗教學項目發布與實驗結果分析反饋、虛擬實驗項目仿真運行以及用于存儲管理各種元件、設備、用戶等的數據庫。移動虛擬實驗的Client端通過在終端設備上運行應用程序負責實驗項目的圖形化展示、實驗項目的創建與修改及實驗仿真結果的可視化顯示。移動學習Client端作為人機交互界面的虛擬實驗環境，表現為一個電路圖形編輯器，學習者用鼠標自由拖拽器件連接電路，就像在真實電路板上搭接電路一樣。考慮到移動終端設備的性能有限，實驗過程中的仿真、調試、程序運行及數據分析都放在Server端，以減輕Client端的負擔。

移動實驗用戶借助移動終端設備（智能手機、PDA等）通過無線網絡（WiFi、無線傳感網、4G網）訪問移動虛擬實驗室Server站點，通過實驗室管理平臺進入虛擬實驗平臺及數據庫，選擇相應的實驗項目后直接在移動終端上點擊或拖拽元器件和儀器設備，進行實驗操作或繪制電路并編寫程序，然后通過網絡提交給虛擬實驗室Server站點進行分析處理，Server站點將處理的結果傳送到移動學習Client端，并對實驗中產生的各種數據進行實時的記錄、分析，然后自動生成實驗報告。教師、學生相互協作完成數據庫中的元器件、設備和實驗項目庫的動態更新，以豐富實驗項目的學習與開展。

根據虛擬實驗項目的要求，數據庫包含具有逼真外形的元器件庫、設備庫、實驗項目庫、用戶庫和實驗報告庫。元器件庫包含有基本元器件（如電阻、電容和電感等）、基本集成電路（如各種門電路、譯碼器）、復雜集成電路（如CPU、RAM/ROM、8255、8259等）；設備庫主要存放電源、信號發生器、LED顯示器等虛擬設備；通常元器件庫和設備庫可由第三方工具（如Protel、Multisim、Proteus等）提供。實驗項目庫包含基本實驗項目庫、創新性實驗項目及自由實驗項目庫，其中基本實驗項目庫存放為滿足教學的基本要求而設計的實驗項目；創新性自由實驗項目庫主要要求學生根據選定的主題進行創新性設計，存放學生設計、編輯的實驗項目；用戶庫用于保存用戶的添加、刪除等管理任務；實驗報告庫自動生成實驗報告、管理打印等功能。

4.自主交互式學習/訓練周期模型

移動學習基于行為主義理論，核心是內容設計、傳遞和無線交互，它從電腦和互聯網的內容設計與傳遞轉移到手持式設備和無線網絡的移動學習。認知主義理論在移動學習系統的設計上強調的內容就是對教學資源的分析、對學習者特征的調查以及對教學策略的設計等。因此，移動學習的模型和方式對提高學生的學習興趣與效率至關重要，探討自主交互式學習/訓練周期模型，讓學生實現按需索取專業知識。

圖4給出了一個在移動實驗用戶終端上對數字邏輯電路進行建模的自主交互式學習/訓練周期模型。

Server端發布的實驗項目通常包含文本、圖片和視頻文件等多媒體素材。Server端負責的學習/訓練任務包括用戶管理、學習/訓練的交互式實驗項目發布、學習進度管理與學習進度評價機制以及對數字化模型仿真的支持。移動實驗用戶接收Server端的實驗任務，然后利用運行在移動終端上的應用程序進行電路建模，并將建立的模型投遞給Server端，基于模擬仿真器的Server端可對接收的數據進行解釋并將仿真運行的結果返回給實驗用戶，實驗用戶端應用程序依次對返回的仿真結果進行可視化展示。在整個交互過程中，用戶也可能會收到建模錯誤的提示信息。Server端通過分析用戶的錯誤問題來決定是否重新對其進行訓練，例如設置更容易的實驗任務、額外為用戶安排與特定實驗項目相關的學習資料等。Server端對從移動實驗用戶端接收的實驗項目解答自動評估，如果對評估結果不滿意，Server端通知實驗用戶并為用戶提供相應的幫助與提示，逐步引導用戶找到訓練項目的正確答案；如果用戶答案完全或部分正確，Server端將進一步引導移動實驗用戶學習課程的其他部分或相應的實驗項目。

5.結語

筆者以計算機硬件類課程群的實驗室構建為對象，以移動性、自主交互式和創新性學習為目標，探索了移動虛擬實驗室的構建模型、學習/訓練周期模型。該模型有效減少部分實驗儀器購置、降低實驗成本；滿足實驗教學不斷提出的新要求，滿足更多更新的實驗項目要求；開展“實物實驗”難于開設的實驗項目；突破實驗的時間、地點和設備數量的限制。下一步將研究移動虛擬實驗室具體實施的技術方案，形成一套完整的“理念-構建模型-學習周期-實施技術方案”的移動虛擬實驗室構建策略。

（編輯：孫怡銘）