?遠程電子虛擬培訓系統研究與開發

張英 周濤

摘? 要 針對傳統職工培訓教學的各種制約和弊端，依據電子類課程培訓教學要求，提出基于互聯網技術和虛擬儀器技術搭建遠程電子虛擬培訓系統的設計及開發方案。系統經過測試，可以實現遠程訪問和操控虛擬項目的目標，提高職工培訓教學的伸縮性和適應性。

關鍵詞 虛擬儀器;組網模式;職工培訓;遠程電子虛擬培訓系統;LabVIEW;虛擬實驗室

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）18-0026-03

1 引言

現代企業隨著生產工藝的不斷改進，生產過程自動化程度不斷提高，對企業職工的職業技能提出更高的要求。職工職業技能的提高主要依靠企業的培訓體系。然而，傳統的企業培訓模式存在諸多不足，主要表現在以下幾個方面。

1）培訓經費投入不足。根據對282家國有企業的調查，職工培訓經費投入只有工資總額的2.2%，遠低于發達國家10%～15%的水平，制約了職工培訓工作的深入開展。

2）培訓模式單一，多以課堂講授為主，偏重于知識的灌輸和書本學習，難以激發受訓職工的學習興趣;在內容安排上對技能培訓關注不夠，培訓效果不佳。

3）工學矛盾突出，培訓時間難以協調。當工作與培訓在時間上發生沖突時，往往培訓讓位于工作，使培訓流于形式。

4）受師資、時間、空間等客觀條件限制，培訓受眾少，培訓效率低。

由于傳統企業培訓模式存在上述缺點，因此有必要進行培訓教學模式的改革，探討科學的培訓教學策略，探索新型培訓教學方法。遠程虛擬培訓系統不僅提供了一種新型的遠程培訓教學模式，而且給學員提供了一種全新的學習環境，在改進傳統培訓教學方法、實現教育資源共享、提高培訓教學水平和節約資金等方面具有重要的作用和意義[1]。

2 技術背景——虛擬實驗室

網絡化的虛擬實驗室實際是一個資源共享的綜合各種技術和工具的信息平臺，通過網絡，使用者在這個平臺上可以高效地使用分布在不同地方的相關實驗的各種信息化的資源[2]。1999年，聯合國教科文組織將虛擬實驗室定義為：為實現科學研究或其他創新活動，利用分布式通信技術產生并發布結果的不受空間限制的信息體。虛擬實驗室已經發展了20多年，涉及生物工程、人工智能、生命科學、數學和物理等工業、教育領域，應用前景廣闊，發展日漸成熟。

遠程虛擬實驗室在國外十分普及，其代表性成果有：美國休斯敦大學和美國航天局合作開發了虛擬現實宇航訓練系統;麻省理工學院將遠程虛擬實驗和遠程控制實驗有機地結合，已經開發出多個遠程共享實驗室;埃及的法尤姆大學和巴林大學聯合開發了FPGA遠程實驗系統。

近年來，國內遠程虛擬實驗室的建設迅速發展，許多高校和科研機構逐步開發出一定規模的虛擬實驗系統，比較著名的有：浙江大學研制了基于網絡的工程化學實驗室系統;大連理工大學電氣工程學院與麻省理工學院合作開發了遠程虛擬實驗系統;同濟大學建筑學院采用高端的虛擬現實設備，開發了虛擬建筑實驗室。

從國內外發展狀況可以看出，遠程虛擬實驗室在各個領域都有很好的應用性、研究性和可行性。

3 系統研究的意義和目標

遠程虛擬培訓系統融合了虛擬儀器技術和計算機網絡通信技術，學員可以通過互聯網在直觀的人機交互的環境中反復操作，完成各種預定的培訓項目，提供與實物的操作方法相類似的實踐體驗。遠程虛擬操作與傳統的實際硬件操作相比，主要優點包括：提供自主的開放操作空間，有利于學員創新能力的培養;突破時間和空間的限制，使學員可以靈活方便地參與操作;可以模擬實際上難以實施或實施成本高、破壞性強的實驗;理論教學與實踐教學可以同步實施，可以有效地提高教學質量;投入資金少、損耗小，能夠有效地降低實驗成本，緩解實驗設備的不足;器件裝配容易，拆除方便，實驗過程效率高，可降低實驗設備的維護強度;實驗項目適應性強，易于擴展，生命周期長。

本文的主要目標是依據電子類課程職工培訓教學要求，利用互聯網技術，搭建一個基于虛擬儀器技術的遠程電子虛擬培訓系統。將開發的電子虛擬培訓項目放入建立的網站上，遠程用戶通過網絡瀏覽器登錄網站，首先選擇要進行的培訓項目，其次進行相應的培訓項目操作，然后觀察現象并記錄數據，最后完成培訓項目操作后提交報告，旨在為學員提供一種既經濟方便又可以滿足學員自操自訓的需求，有效提高學員職業技能水平的信息化教學手段。

4 方案設計

開發遠程虛擬培訓系統主要解決虛擬培訓項目設計、遠程通信方式選擇和網站培訓課程管理三方面的問題。首先在深入了解虛擬儀器技術的基礎上，采用圖形化編程軟件LabVIEW作為開發工具設計虛擬培訓項目;其次分析比較C/S和B/S兩種組網模式，確定系統的網絡通信模式;然后利用LabVIEW提供的Web服務器技術實現遠程通信;最后采用Moodle軟件設計遠程虛擬培訓系統的網站課程管理系統。最終實現從教師安排培訓項目到學員自主選擇培訓項目、遠程操控培訓項目、提交培訓作業，再到教師批改培訓作業并反饋給學員作業成績和評語的完整培訓教學過程。

虛擬培訓項目的開發? LabVIEW是美國國家儀器公司（National Instruments，NI）推出的虛擬儀器開發平臺軟件[3]。使用LabVIEW開發出來的程序叫虛擬儀器（Virtual Instrument），縮寫為VI，其擴展名默認為.vi。一個最基本的VI由前面板、程序框圖和圖標/連接器三個部分組成。LabVIEW最主要的兩個特點是采用圖形化編程和數據流驅動程序，利用圖形組建直觀的人機交互界面，用圖標表示函數，用連線表示數據流向，多線程運行程序。目前，LabVIEW可支持Windows、UNIX、Linux、Macintosh等操作系統，廣泛應用于開發測試、測量與自動化控制系統，所以利用LabVIEW可方便地搭建自己的虛擬培訓系統。

依據此技術，筆者已經開發出電子類專業課中的一些虛擬培訓項目，包括觸發器、移位寄存器、計數器、諧振電路、二階動態電路、有源濾波電路、積分微分器、信號發生器、信號分析儀等。

組網模式的選擇和實現? 遠程虛擬培訓系統可采用基于C/S（Client/Server）模式和B/S（Browser/Server）模式的兩種網絡模型來組建：對于數據傳送量較大，要求可靠完整的傳輸數據、傳輸速率高、兼容性強的情況，可以采用C/S組網模式[4];而B/S組網模式適用于傳輸數據量小，傳輸延遲要求不高，需要遠程模擬仿真的場合。

采用B/S組網模式，降低了對客戶端的要求，并且不需要在客戶端上安裝專用的客戶端軟件，只要客戶端裝上瀏覽器，就可實現對服務器端遠程數據的監測。由于本文所開發的電子虛擬培訓系統是通過LabVIEW軟件模擬實驗過程，傳輸數據量小，實時性要求不高，因此決定采用基于B/S的網絡通信模式。

采用B/S模式構成的遠程電子虛擬培訓系統有三層體系結構：瀏覽器/Web服務器/應用程序服務器和數據庫服務器。它是將虛擬培訓項目的前面板發布到Web頁面上，以瀏覽器/服務器的方式實現網絡數據、命令傳輸，用LabVIEW虛擬儀器實現相關項目的顯示與分析，最終通過Web服務器與應用程序服務器的交互來實現相關項目的操作與控制需求。采用B/S這種組網模式，學員只需要通過客戶端的瀏覽器登錄Web服務器，向Web服務器申請控制權后即可完成培訓項目的操控;同時，教師可隨時根據培訓教學的需要，更新應用程序服務器上的虛擬培訓項目，便于后期的管理和維護，使系統具有良好的靈活性、適應性和擴展性。

遠程網站管理系統的建設? 為了增強遠程電子虛擬培訓系統的可學習性，同時便于管理培訓課程資源，本文采用Moodle軟件搭建遠程電子虛擬培訓系統的課程管理網站，將虛擬培訓項目利用Web發布的HTML文件的網址URL作為培訓課程的一部分資源鏈接到網站中。學員登錄到網站上，找到相應課程的培訓項目后就可以進行遠程操作，網站培訓項目如圖1所示。Moodle平臺是用PHP腳本語言編寫的動態網站程序，需要Apache、PHP和MySQL的支持[5]。Apache是一個Web服務器，提供WWW服務;MySQL是一個數據庫服務器，提供數據管理功能;PHP是多數開源軟件采用的開發語言及運行環境。由于Windows具有操作方便易用、界面友好、軟件豐富等優點，因此選擇Windows Server 2003 R2作為服務器操作系統。本文的Moodle平臺運行的環境為Windows+Apache+MySQL+PHP，使用適用于Windows的集成化安裝包bitnami-moodle-2.7.1-0-windows-installer

來搭建Moodle的工作環境[6]。網站課程管理系統主要功能有管理員角色的網站管理、學員角色的學習管理和教師角色的課程管理三大部分，各部分的主要功能如圖2所示。

5 結語

利用計算機網絡技術結合虛擬儀器技術開發的遠程電子虛擬培訓系統具有靈活性、開放性，教師可及時更新培訓項目，保持培訓項目的最佳適應性，又可滿足學員不受時間、地點限制的自主學習方式，使學員的個性化學習成為可能。遠程虛擬培訓系統不僅可以在一定程度上代替傳統的培訓教學，而且可以克服傳統職工培訓教學模式的各種制約和弊端，從而有效地解決目前職工培訓教學中存在的諸多問題。

參考文獻

[1]張民.遠程虛擬實驗平臺及LabVIEW實驗研究[D].太原：太原理工大學，2010.

[2]諶志群，曾文華，丁穎.基于Web的虛擬實驗系統研究與實現[J].杭州電子工業學院學報，2002（6）：53-56.

[3]火元蓮，張潔英.基于虛擬儀器技術的數字信號處理實驗室的構建[J].自動化與儀器儀表，2009（1）：89-91.

[4]景軍鋒，聶魯華，李鵬飛.基于LabVIEW的遠程控制實驗系統[EB/OL].[2010-05-05].http：//www.chinaaet.com/article/22569.

[5]潘山青，王琴.淺談Moodle在高校實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2009，26（10）：90-93.

[6]劉艷青.基于Moodle的網絡課程管理平臺的設計與應用研究[J].電腦知識與技術，2011，7（22）：5513-5514.