面向開放實驗的網絡虛擬實驗室系統設計

盛蘇英+周笑語++祡佩佩

摘要： 本文基于南通大學開放實驗教學的實際，設計并構建了一套面向開放實驗的網絡虛擬實驗室系統。系統模擬了一個突破時間、空間、區域限制的交互式實驗教學與學習環境，學生在校園網內可隨時隨地登錄網絡虛擬實驗室系統，與真實實驗室課堂進行同步實驗與互動，支持實驗教學資源共享、虛擬實驗的仿真與同步測試、實時視頻點播與交互討論，提高了虛擬實驗教學質量。

Abstract： A set of network virtual laboratory system is designed and constructed based on the open experiment teaching practice in Nantong University. The system simulates an interactive experiment teaching and learning environment which breaks through the limitation of time， space and region. Students can log in the network virtual laboratory system， and then carry on simultaneous experiment and interaction with the real laboratory classroom at anytime and anywhere. The designed system supports some functions， such as the sharing of experimental teaching resources， the virtual experiment simulation and synchronization test， real-time video-on-demand and interactive discussion. The quality of virtual experiment teaching is improved to some extent.

關鍵詞： 虛擬實驗室；開放實驗；視頻點播；虛擬實驗；交互討論

Key words： virtual laboratory；open experiment；video-on-demand；virtual experiment；interactive discussion

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）20-0173-03

0 引言

隨著教育技術的發展，傳統實驗教學模式的局限性顯得越來越為突出，而遠程教育因其具有遠距離實時交互的優勢，現已得到了廣泛應用。其中作為遠程教育核心組成部分的網絡虛擬實驗室引起了人們的極大關注，其有助于學校擴大實驗教學規模、降低實驗教學成本、提高實驗教學質量[1]。那如何科學、有效地建立網絡虛擬實驗室，更好為教師和學生服務，現已成為國內外實驗教育領域與信息化技術領域的研究熱點。

本科院校學生已逐步開始利用開放實驗室進行自主學習，同時本科院校目前正在不斷發展壯大，多校區運行已經是常態，實時的網絡虛擬實驗室成為本科院校多校區實驗課程運行的必要的手段。通過調研發現：傳統實驗教學中的面對面交流，可以保證實驗操作的及時性，固定的班級教學可以保證實驗教學的針對性，從而也保證了答疑的有效性；而在網絡虛擬實驗教學形式中，由于參與網絡學習的人數增多加之網絡的距離阻隔，使得虛擬實驗教學在操作實時性和答疑互動性方面存在問題，一定程度上制約了網絡虛擬實驗室系統的應用和推廣[2]。

以南通大學電工電子實驗中心為例，雖然之前投入運行了開放實驗教學管理系統，提供了網上教學資源共享、實驗預約、教學管理等功能，但由于其缺乏虛擬實驗的功能，學生必須步入開放實驗室才能進行實驗，因此從一定程度上制約了開放實驗的效果，尤其是隨著啟東新校區電工電子實驗課程的開設，電工電子實驗中心對建設網絡虛擬實驗室的愿望日益迫切。在近兩年啟東新校區學生的電工電子實驗課程教學過程中，學生往往會為了做一次實驗而耗費半天的時間在路上奔波，中心適時采取兩次實驗集中進行的調整方案，但極易造成實驗太集中而效果不佳的局面。

在此情況下，本文構建了一套適用于南通大學電工電子實驗中心實際的網絡虛擬實驗室系統，實現讓更多的學生通過虛擬實驗室參與到實驗活動中，讓老師更方便地開展異地實時實驗教學，并能對教學過程進行高效管理，提高實驗教學質量和效率，使教與學起到“事半功倍”的效果。

1 網絡虛擬實驗室的研究現狀

從20世紀80年代開始歐美國家就開始研究虛擬實驗室[3]，到90年代初期，國內也開始加入了這方面的研究。目前國內外專家、學者對虛擬實驗室的研究，從虛擬實驗室的研究技術上來分，主要集中在以下幾個方面：

①基于虛擬現實技術的虛擬實驗室——利用虛擬現實技術來實現場景再造，旨在提高場景的真實性、虛擬實驗室的交互性以及智能性，創設出一個能真實模擬傳統實驗教學情境的虛擬實驗室，提供自然的、多方面的交互方式。浙江大學的各位學者在這方面做了大量的工作，實現了面向遠程教育的智能虛擬實驗室[4]。

②基于計算機支持協作學習技術的虛擬實驗室——基于CSCL技術，運用計算機多媒體技術、網絡技術、通信技術等構建網絡實驗教學環境，實現以協同實驗PPT瀏覽、在線實驗研討為主的虛擬教學形式[5]。國防科技大學和復旦大學的學者們通過CSCL技術實現了能夠提高在線學習效率和協作學習質量，加快協作學習任務的虛擬實驗室[6]。

③基于網絡視頻會議系統的虛擬實驗室——在現有的視頻會議系統的基礎上，通過在普通的實驗室安裝投影、電子白板、麥克風、攝像頭等硬件設備來共享各種服務，實現遠程實驗教學[7]。

④基于流媒體技術的虛擬實驗室——基于網絡技術、通訊技術、多媒體技術的交互實驗教學平臺，流媒體技術具有對視頻音頻數據的高壓縮比，能夠在網絡里穩定地進行視頻、音頻的傳輸[8]。

目前，西安交通大學、華中科技大學、上海交通大學等高校把流媒體技術應用到遠程異步教學中，但他們只在流媒體技術的基礎上構建了文檔上傳、下載以及視頻點播功能，并沒有實現真正的虛擬實驗室在線交互功能[9]。

縱觀網絡虛擬實驗室（特別是基于流媒體的網絡虛擬實驗室）的研究歷程，雖然先進的互聯網技術為虛擬實驗室的實現打下了堅實的基礎，但是仍存在諸如以下的問題：實時網絡虛擬實驗室的研究較少（現有的虛擬實驗室大多數借助于昂貴的硬件設備，而基于互聯網的實時虛擬實驗室卻相對較少）；虛擬實驗室的功能不夠完善（基于流媒體技術的虛擬實驗室不具有在線交互功能）；虛擬實驗室缺乏開放性；同時由于互動性的缺失，無法激起學生的熱情，挫傷學生參與網絡教學的積極性與主動性。

2 網絡虛擬實驗室系統設計

本文立足于南通大學開放實驗教學體系的實際情況，基于計算機技術、多媒體技術、網絡通訊技術和電氣控制技術，設計并研發了一套面向開放實驗的網絡虛擬實驗室系統。系統模擬了一個突破時間、空間、區域限制的交互式實驗教學與學習環境，學生在校園網內可以隨時隨地、“隨心所欲”地登錄網絡虛擬實驗室系統，與真實實驗室課堂進行同步實驗與互動，支持實驗教學資源的下載、虛擬實驗的仿真與同步測試、實時視頻點播與交互討論，方便學生的學和教師的教。

面向開放實驗的網絡虛擬實驗室系統采用B/S架構，物理拓撲如圖1所示，主要包括客戶端、服務器端和控制器端。

其中，客戶端允許多個用戶并行登錄網絡虛擬實驗室系統；服務器端主要負責用戶的服務請求與分析處理，以及與控制端的通信和實驗結果傳遞、保存；控制器端主要完成實驗同步測試與視頻錄制，利用工控機（現場總線設備、串行口儀器、GPIB接口卡和數據采集卡）控制相應實驗模塊和測試儀器進行某個實驗的測試，利用網絡攝像頭、幕布、投影儀、無線話筒和中控設備進行實驗課堂的現場錄制與廣播。

面向開放實驗的網絡虛擬實驗室系統采用模塊化設計理念，系統模型從功能模塊上劃分為“實驗教學資源”、“虛擬實驗室”和“基礎信息管理”三大部分，具體如圖2所示。

①實驗教學資源：

提供豐富的實驗教學資源，包括實驗設備、相關實驗芯片和部分實驗項目的視頻，實驗測試題庫，以及相應的實驗指導書。學生在實驗前，可以通過觀看視頻（如實驗芯片、實驗設備和實驗項目演示），了解本次實驗用到的芯片、實驗儀器和實驗步驟，再通過撰寫預習報告（或進行實驗預習測試）對本次實驗“做什么、怎么做、為什么這么做”三個問題的回答“了然于胸”；學生實驗完成后，可以及時進行實驗總結測試，對本次實驗加深理解。

②虛擬實驗室：

通過網絡多媒體技術、電氣控制技術和編程技術，實現了虛擬電路仿真、實驗電路同步測試、實時視頻實驗點播教學、實時視頻實驗廣播教學、多媒體實驗備課與演示和交互實驗討論等功能。

學生可以利用EWB、Multisim、Quartus、Labview和Protel等仿真軟件進行電路的仿真，并將仿真結果上傳至系統；學生可以利用現場總線設備、串行口儀器、GPIB接口卡和數據采集卡等接口設備，將仿真電路下載至相應的實驗模塊進行調試；學生也可以通過工控機直接進行實驗模塊的遠程操作，實現實驗現場操作一樣的效果。

系統支持的視頻點播（Video-On-Demand）和視頻廣播（Video Broadcasting），采用windows Media多媒體技術，將視頻數據壓縮，并利用RTP/UDP協議實時傳輸視頻數據。實驗指導教師在實驗集中講解過程中，利用網絡攝像頭、投影儀、幕布和無線麥克風等設備采集實驗PPT、實驗現場搭試電路，進行視頻廣播，讓每一位在線學生都能如“身臨其境”實驗室般聆聽老師的實驗講解；在實驗過程中，學生如果遇到問題，可隨時視頻點播或查看多媒體備課與演示視頻，跟蹤老師的實驗步驟，及時排除故障；對于實驗過程中的疑問或者難以排除的故障，學生可尋求“交互實驗討論”，達到老師“親臨現場指導”的效果。

③基礎信息管理：

主要是進行學生、實驗指導教師以及虛擬實驗室（相關的工控機、實驗模塊、網絡攝像頭、幕布等硬件設備）等基礎數據的維護管理。

3 網絡虛擬實驗室系統測試

學生可以在學校任意校區的任何地方登錄“面向開放實驗的網絡虛擬實驗室系統”，進行實驗預習、網絡實時虛擬實驗（視頻觀看、虛擬實驗仿真下載、交互討論等），以及實驗消化鞏固。學生在實驗前，通過查閱實驗指導書，觀看實驗芯片、實驗設備和實驗項目演示的視頻，完成實驗預習測試，及時、有效地進行實驗預習。

學生在實驗過程中，選擇“視頻廣播”子菜單，實時觀摩實驗指導教師的集中講解，相應界面如圖3所示，有PPT、實物接線和實景講解三個圖供學生點擊切換觀看；也可以選擇“視頻點播”子菜單，觀看錄制的實驗集中講解視頻；學生可以通過仿真軟件、實驗下載調試和實驗模塊的遠程操作三種方式進行網絡虛擬實驗，其中第一種方式的界面如圖4所示，學生選擇相應實驗課程→相應實驗項目，點擊“上傳仿真文件”，將EWB的軟件仿真文件以及仿真結果上傳至系統，系統會保存每個同學的仿真文件供實驗指導教師批閱；學生間或師生間可實時開展“交互實驗討論”。

4 小結

本文構建的網絡虛擬實驗室系統為南通大學電工電子實驗中心（乃至全校兄弟實驗中心）提供了一個良好的實驗教學方式和學習平臺，一定程度上提高了教師實驗教學興趣和學生實踐興趣，實驗教學質量穩步提升，形成“良性”發展。

南通大學電工電子實驗中心的課程主要覆蓋三個校區（主校區、鐘秀校區、啟東校區），在傳統實驗教學條件下，很難有效地達到幾個校區的資源共享與協同實驗教學，通過網絡虛擬實驗室系統的試運行，初步實現了三個校區網絡虛擬實驗教學的同步開展，真正實現了實驗室空間、時間和實驗內容的開放，方便了師生共享優質網絡教學資源。

參考文獻：

[1]王涌，李國麗，應艷杰.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，2010，27（09）：85-88.

[2]陳小紅.虛擬實驗室的研究現狀及其發展趨勢[J].中國現代教育裝備，2010，17：107-109.

[3]呂睿.基于B/S體系的電工電子網絡虛擬實驗室設計研究[J].電子設計工程，2015，23（11）：57-59，63.

[4]葉時平，歐陽楊，董亞波.基于Web的數字電子虛擬實驗系統平臺[J].系統仿真學報，2008，20（08）：2092-2096.

[5]袁學倩，鄔家煒.基于協作實驗模式的虛擬實驗系統研究[J].計算機與現代化，2010（08）：23-27.

[6]辛勤.數字信號處理課程虛擬實驗室設計[J].價值工程，2010（19）：153-154.

[7]楊公義，王勝清.基于Big Blue Button為Blackboard增加交互式語音視頻虛擬課堂[J].軟件，2016，37（10）：1-6.

[8]王璁，屠幼萍.基于Flash的高電壓虛擬實驗室探索[J].電氣電子教學學報，2013，35（02）：98-100.

[9]譚勇.富互聯網環境下遠程測控實驗技術研究[D].華中科技大學碩士學位論文，2013.