基于虛擬仿真技術的計算機實驗系統開發研究

蘇毓洲 方健煒 潘璟琳 霍英

摘要： 實驗教學是計算機技術課程教育中不可缺少的教學環節。然而，由于我國實驗教學起步較晚，目前絕大多數高校的實驗教學存在著實驗課時偏少、實驗內容陳舊、實驗設備落后等問題，導致學生的學習興趣低、實踐和創新思維能力普遍偏弱。本研究提出采用B/S架構模式和軟件模塊化設計的基于虛擬仿真技術的計算機實驗平臺的教學新模式。并通過一系列的實驗及調查數據，驗證了該平臺的使用可提高學生學習信息技術的興趣和學生的學習效率，打破對時間和地點的限制。

關鍵詞： 計算機技術實驗教學;實踐應用能力;虛擬仿真技術;實驗教學系統

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）17-0264-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1虛擬仿真技術概述

虛擬仿真技術是用一個虛擬的系統模仿另一個真實系統，該技術主要應用于網絡協議的構建。[1]虛擬仿真實驗教學是用計算機創建一個可視化實驗操作環境，通過操作虛擬實驗儀器或設備，模擬一定條件下的實驗環境，進行各種實驗，如對實驗員有一定危險性的化學實驗，或實驗成本較高的計算機網絡攻防實驗，甚至用于模擬原子彈爆炸當量的物理實驗等，達到與真實實驗環境相一致的效果和要求。雖然虛擬仿真技術在我國發展較晚，但得到了各行業的重視并迅速發展。虛擬仿真實驗教學系統的應用開始在國內高校普及應用，并取得了良好的教學效果。

2基于虛擬仿真技術的計算機實驗教學模式的特點

運用虛擬仿真試驗平臺的教學模式以學生為訓練主體，把硬件進行軟件化[2]，將硬件的功能由軟件去實現，屏蔽掉一些復雜的硬件設計過程。利用現有實驗室的硬件設備和軟件平臺，構建虛擬實驗室，將抽象知識變得動態化，提供互動平臺及時答疑。學生通過平臺實踐對實驗原理有更加清晰的理解，并且將實驗結果在用戶操作端寫實驗報告和實驗分析[3]，教師通過系統可以設置實驗內容，隨時查看學生的實驗完成情況，對學生的操作進行評分[4]。

2.1基于虛擬仿真實驗平臺教學模式的特點

1） 開放性：與傳統需要到實驗機房才能進行實驗的教學模式不同的是，新實驗教學模式只需要一臺可以上網的電腦，學生可以隨機進行實驗操作。[5]

2） 沉浸性：無論是教師的講解還是學生自己實驗操作時，新教學模式將會通過動畫視頻講解和逼真的實操環境，讓學生收獲更大。

3） 交互性：新實驗教學模式所提供的模擬環境不僅能夠作用于人，同時，學生的操作上傳至系統進行響應。[6]

4） 獨立性：新教學模式提供了更多的實踐時間，在實踐的過程中，或多或少會遇到實驗中所出現的各種問題，這時候要求學生的主見，培養他們的獨立性，與此同時實踐能力和創新能力得到鍛煉。

2.2基于虛擬仿真實驗平臺教學模式的優勢

1） 新模式發展空間性大，不受地點、時間、設備更新速度緩慢以及時間的安排而受到制約。

2） 新實驗教學模式可以呈現目前設備不支持的實驗

3） 計算機虛擬實驗教學平臺突破了客觀條件對實驗的制約，如環境污染、違法、設備缺乏、實驗危險性過高。

4） 虛擬仿真計算機教學平臺與理論知識相結合，對于教師而言，通過感官教學，調動感官來進一步提升學生的興趣，通過動畫講解，把苦澀難懂的知識點形象化，易于理解。[7]同時，學生在原有實驗基礎上可以改變參數，按照自己的想法去設計實驗，不再是停留在驗證性實驗階段，實驗過程中和對實驗結果的分析上獲得新思維。[8]

5） 借助對多媒體技術，如音頻、視頻、圖像，虛擬仿真技術、傳感技術、輸入輸出技術構建高度虛擬現實的仿真實驗教學環境，實現互動實驗教學，激發學生的自主實踐興趣，培養學生的系統思維[9]。

3虛擬仿真試驗教學系統設計與開發

3.1平臺架構

虛擬仿真實驗教學平臺硬件系統包括2臺或以上服務器主機，文件服務器，數據庫系統以及高性能網絡設備，其中代理服務器與上游服務器之間有專網專線相通，以保證各服務器在內網之間高速通信;軟件系統包括前端與后端兩個部分管理系統。前端以網頁形式為人機交互界面，后端基于數據庫與虛擬仿真技術建設網站的后臺核心架構。系統采用軟件模塊化設計，教師、學生與管理員的使用權限不同，故以前、后臺頁面專供不同人員使用。由于課程實驗內容的快速更新，面向的實驗對象多，而B/S架構模式簡化了客戶端的操作，又降低了系統運維的復雜性和成本支出，提高了系統安全性。同時B/S架構的集成度高，解決了網絡資源分散，難于管理的問題。用戶只要安裝有瀏覽器即可隨時進行? 實驗教學和實驗操作，故本文提出的基于虛擬仿真技術開發的實驗教學系統使用B/S架構。如圖1所示。

6） 由于虛擬仿真實驗教學平臺使用B/S模式，數據處理與虛擬化實驗應用都在本地服務器上運行，而虛擬化實驗應用進程在每個用戶啟用時系統資源開銷較大，傳統的單系統在高并發訪問時將會引發卡頓甚至系統崩潰，這將嚴重影響教師與學生的使用體驗，因此我們采用分布式系統進行開發，當用戶訪問分布式系統時采用輪詢和IP_hash的請求方式，實現用戶請求時的負載均衡，當某一服務器崩潰或出錯的情況下，虛擬教學系統并不會完全無法使用，從而優化了用戶的體驗，提高了系統的魯棒性。[10]

3.2系統設計

虛擬實驗教學平臺網站的功能模塊分為前臺和后臺功能模塊，其中前臺功能模塊只提供給教師與學生等普通用戶訪問，后臺功能模塊只提供給網站管理人員訪問，讓工作人員能夠對網站的進行維護和管理。模塊結構如圖2所示。

3.2.1前臺功能模塊

1） 用戶模塊：用于存儲學生信息，供學生選課，便于學生登錄后進行實驗操作。信息管理中統計學生的選課情況，讓學生了解該課程的熱門程度與剩余可選課程等信息。

2） 課程模塊：學生登錄成功后，老師課前發布的公告能夠讓學生及時了解到老師最新發布的實驗教學內容，課件能夠讓同學進行預習，當學生遇到難以解決的問題時，能夠在討論區中提問，老師或者其他同學及時回答，形成實時性主體教學。為了檢測學生的學習情況，提供測驗或者作業了解各學生學習情況，并對實驗結果以及操作進行評分。

3） 具體課程模塊：該模塊是對各個實驗課程的簡介，介紹各個課程需要的基礎知識、相關實驗等，同時展示該課程在以往的同學學習中遇到有趣的問題與內容分享，組成一個趣味事跡分享論壇，提高學生的學習樂趣。

4） 在線信息：由于教師提供的課程難度參差不齊，學生在課程學習中遇到較難的問題時可以通過在線論壇進行發帖提問，學生與老師能在在線論壇中分享自己的解決方法，同時也能夠在論壇中拓展實驗的課外內容，促進學生的全面發展，其次同學和老師可以通過發布活動信息，私下進行內容的探討與研究，進行課題探討。

3.2.2后臺管理模塊

管理員信息統計：負責管理員的權限設置，其中包括課程、趣味論壇和趣味事跡內容的增刪改查和審核權限，以防止惡意人員發布不良消息和隨意發布選課內容等。

綜合管理系統： 該模塊負責管理學生與教師群體的人員信息，以方便記錄學生的上課情況、選課情況和作業上交情況等，同時對教師發布的實驗課題進行審查，管理員能夠把最新課題在課題公告中進行展示，同時對課題的上傳的課件進行檢測預覽等，以確保課題的完整和可用，同時對趣味論壇下的帖子進行管理審查，防止惡意人員發布不良信息等。

3.2.3系統后端設計框架

虛擬教學平臺的WEB應用是基于Centos操作系統服務的，用戶在瀏覽器訪問虛擬教學平臺的 JSP/HTML頁面和系統資源時，由Centos操作系統控制完成。Java虛擬機（JVM）的搭建，Tomcat服務器的配置，作為JavaWeb應用的容器，負責jsp、servlet和靜態資源html的調用，提供學生與教師等用戶訪問虛擬教學平臺的網頁。Nginx服務器部署，反向代理訪問Tomcat服務器，代理緩存完整的HTTP請求包[10]，而后轉發到的Tomcat服務器，以減小應用服務器的負擔，用戶訪問系統時利用IP_hash綁定，使用戶在同一IP訪問的tomcat服務器不變，從而實現session的資源共享。當用戶需要獲取靜態資源時，可到文件服務器的共享區獲取，實現靜態資源的同步共享。Vsftpd服務器的配置，提供FTP服務，可以為教師或學生建立虛擬用戶，為教師的課件上傳與刪除，學生作業的上傳與課件下載等提供服務。MySql數據庫的安裝與配置，存儲虛擬教學平臺中各模塊的信息部分，包括學生的個人信息、教師的個人信息、學生的選課信息、學生的作業上交情況、教師的課件上傳情況、討論區提問與回復信息。如圖3所示。

3.2.4 基于虛擬仿真技術的SSM框架及分布式環境部署

虛擬教學平臺是基于B/S瀏覽器-服務器模式開發的，采用Spring MVC+Spring+Mybatis （SSM） 的設計框架進行后端開發，SSM是基于B/S 三層架構模式進行開發的框架，其中包括：表現層（SpringMVC），業務層（Service），持久層（MyBatis）。如圖4所示。

表現層：包含本次虛擬仿真實驗教學平臺的所有前端JSP和HTML頁面和控制器Servlet類的內容，顯示數據庫所獲取的數據提供給學生、老師等用戶群體所能看到的頁面，同時控制和驗證用戶所提交的數據，實現用戶與后臺的之間的數據交流以及信息傳輸[9]。

業務層：處于應用程序功能拓展和數據加工的層次。負責事務邏輯處理，其任務是接受表現層發送過來的數據進行加工后傳遞給持久層，同時能夠結合持久層實現事務的原子性操作，保證平臺中教師與學生在高并發操作時出現事務混亂，從而在數據庫中形成臟數據，確保了事務的準確執行，所以業務層在項目中起承上啟下的作用。

持久層：位于三層模型中的底端，其任務是接受獲取業務層傳遞過來的數據，利用sql語句對數據庫進行請求操縱，實現對數據庫表的增加、查詢、修改、更新等功能，然后把運行結果返回給業務層。在虛擬教學實驗平臺中，數據的存儲操作都在此層中進行。

B/S三層架構模式嚴格分層，相互獨立，彼此之間的信息傳遞來源于鄰層之間的相互調用，從而實現信息的傳送[9]。 三層架構實現了模塊化設計，提高了虛擬仿真實驗教學平臺系統的復用性、移置性，規范和簡化性。

4教學效果實驗

傳統的實驗模式是通過實驗儀器，老師作為主講，學生作為接受者的一種實驗教學模式。在運用了新型計算機虛擬仿真實驗教學平臺后，老師則成為指導者，學生變為主動者。首先，老師作為指導者，在課堂公告上率先拋出一個實驗問題，同時提供動畫課件，利用動的知識內容，化抽象為具體，引起學生的興趣。其次，在學生進行實驗操作的同時，教師通過互動平臺，與各個學生進行互動，對錯誤的虛擬實驗操作進行指點糾正，與此同時，實驗平臺提供討論區，歡迎學生們一起探討實驗內容，在探討的過程中，老師會對學生進行指點，提供思路，讓學生在探索的過程中穩步前進。課程結束后，學生進行上傳交作業。老師在網上批改作業，批改完成后將作業情況反饋給學生。課堂實驗課程結束后，學生依然可以在課后在平臺上進行實驗操作。通過虛擬與實驗教學平臺方式，學生對實驗原理有了更深的了解，從而進一步提升他們的實踐動手能力。而計算機實驗教學平臺的投入，不但可以減少實驗儀器設備的耗損，還可以提高學生的實驗能力。同樣，老師還可以通過實驗教學平臺直觀地了解到同學們的到課情況、學習進度等，更方便教師管理。

4.1實驗數據

4.2實驗方案

4.2.1 單因素實驗設計

實驗假設：虛擬仿真計算機實驗教學模式有助于幫助學生理解數字邏輯的知識，提高學生學習數字邏輯的興趣和學生的學習成績，更好地掌握數字邏輯這門學科。

自變量：是否采用虛擬仿真的計算機實驗教學模式。

因變量：不同組的學生的期末成績的對比。

4.2.2 實驗無關變量控制

實驗對象的選擇上，我們選擇兩組學習能力以及學習水平大致相當的兩組學生作為對照。提高實驗結果的準確性。

采用同一個教師，于上學期教17級軟件工程3班，下學期教17級計算機科學與技術2班。

教學內容保證相同，使用同一本教材，統一教學進度和實驗的課題。

多組隨機抽取，計算平均值。

4.3實驗結果分析

在進行一年的調查后，我們對所獲取的《數字電子技術》的期末成績進行整理對比，在實驗組和對照組中分別隨機抽取35名學生，并且多次抽取，選取多次后的平均值作為最終結果進行橫向差異的顯著檢測。如表2及圖5所示。

對照組的實驗因為受制于傳統實驗教學模式的影響，實踐場地、實踐時間受到了影響，很多實驗沒有做到，對原理概念了解不深。而實驗組的同學不僅能夠隨時做實驗，完成他們許多不能做得到的實驗，還能通過動畫講解，對公式的理解更加透徹。與此同時，興趣和實踐能力得到提升。虛擬仿真計算機實驗教學能夠填補因實驗場地、試驗時間、實驗設備不足而無法做相關實驗的空缺。除此之外，為了更進一步獲得更精準的數據，我們針對17軟件工程專業3班與17計算機科學與技術2班的學生進行有關《數字邏輯》的課程實驗是否采用虛擬仿真技術的計算機教學模式進行調查，其中我們可得出虛擬仿真計算機實驗教學是對當前傳統實驗模式的完善，學生絕大多數接受虛擬實驗教學模式，但更傾向于兩者相結合一起使用提高他們的理論與實踐水平。問卷調查部分數據如下表3，表4所示：

5結論

任何一種教學模式的發展都需要科學技術的支撐，目前由于受到技術的限制，虛擬仿真計算機實驗教學還有很大的發展空間，展望未來，虛擬仿真計算機實驗教學將朝著智能語音化建模、動態環境建模、三維圖形顯示與生成建模，為教育學提供更強大的動力，讓每一位學生都能夠享受動手能力的樂趣。

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【通聯編輯：梁書】