網上虛擬軟件開發實驗平臺的設計與實現

摘 要：剖析傳統實驗模式的缺點，論述“網上虛擬軟件開發實驗平臺”(簡稱虛擬實驗平臺)的優點、設計與實現，展示平臺的運行效果和推廣價值，提出“任何場地任何時間學習軟件開發”的思想，從技術上提出解決平臺網絡安全性的方案和進一步完善功能的思路。

關鍵詞：實驗模式；網上虛擬實驗平臺；網上虛擬軟件開發實驗平臺；虛擬實驗平臺；虛擬實驗室

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)06-175-03

Design and Implement ofInternet Software-development Virtual Experiment Platform

WEI Yanjun，LIU Zhiqiang

(Computer Teaching and Experiment Center，Xi′an Jiaotong University，Xi′an，710049，China)

Abstract：This paper dissects the weakness of traditional experiment model，the merits，design and implement of new Internet software-development Virtual Experiment Platform (VEP) has been introduced.Its running result is very good and it is worth using for college students.And then，a new idea for studying programming any time and any place has raised here.At last，in terms of technology，the network security plan and idea of function expansion of VEP has been acquired.

Keywords：experiment model；Internet virtual experiment platform；Internet virtual software-development virtual experiment platform；virtual experiment platform；virtual experiment room

當前，計算機軟件技術的發展已經達到了前所未有的水平，以互聯網技術為代表，將程序設計技術、數據庫技術和多媒體技術相融合成為當前計算機軟件技術應用的主流。市場也對計算機軟件人才的技術應用水平與實踐能力的要求越來越高，因此加強實踐能力訓練是人才勝任日益復雜的軟件開發的基石；而傳統的做法需要學習者熟悉多種大型軟件開發工具，能否盡量避開這些復雜的工具并使學習者把主要精力投入核心實踐環節，是本文論述的重心。

1 傳統軟件開發實驗模式的剖析

從20世紀90年代初期到現在的17年時間，計算機程序設計語言經歷了3個重要階段，字符界面階段(以Masm，QBasic，DBase和Turbo C等為代表)，可視化界面階段(Visual BASIC，Visual C⁺⁺，C⁺⁺Builder，Delphi，PowerBuilder和JBuilder等為代表)，平臺無關階段(Quency C⁺⁺，Eclipse等開源開發工具為代表)。當前，計算機程序設計語言以C⁺⁺，Java和匯編語言為主流，為此各廠商推出了相關的多種集編輯、編譯、連接、調試、運行和聯機幫助為一體的開發工具，非常適合中高級專業程序設計人員使用。但是這些軟件通常都比較龐大，安裝時間長，學會使用他們需要花費很多的精力。

在數據庫技術應用實踐環節上，大都以微軟公司的Access為代表的小型桌面數據庫為基礎，學習者很難過渡到像Oracle，Sybase，DB2，SQL Server，Postgre SQL和MySQL等真正大中型商用的數據庫管理系統的使用層面上。

多媒體技術應用這種新型計算機技術，一般停留于像PhotoShop，Premiere，3D Max，CorelDraw和Flash等制作工具的使用層面上，而多媒體處理算法和多媒體程序設計在實際軟件開發中的重要性被忽視。

傳統計算機軟件開發實驗模式的弊端由此顯現出來；需要安裝大量的大型軟件，花費許多時間去熟悉他們的功能和命令等，并且還潛在著軟件版權問題的困惑，學習者花在核心實驗內容上的時間相對會減少。

2 網上虛擬軟件開發實驗平臺的提出

隨著因特網的普及以及軟件技術的發展，為改革傳統實驗模式提供了技術支持和工具。人們更有理由期待充分發揮因特網的優勢，使得授學者與學習者可以隨時隨地進行計算機程序設計語言、數據庫的SQL語言和多媒體處理算法設計的教與學，并進行與此相關的各種應用實踐活動，極大地簡化軟件安裝與維護工作，突出實驗的核心任務；教和學的方式更加靈活，既可以選擇集中式實踐(傳統實踐模式)，也可以選擇分散式實踐(個性化實踐模式)，學習者可以根據自己的時間表和興趣來安排學習，無形中延長了學習時間、增加了學習的主動性和自覺性；實現真正意義上的無人值守式開放性實驗室，教師發布實驗方案、公布實驗結果可以不受時間、地點的限制，學生進行實驗活動也可以不受時間、地點、內容的限制；上述特征正是“虛擬實驗室”技術所體現的主要特征。

國際上對“虛擬實驗室”的定義是：他是一個無墻的中心，通過計算機網絡系統，研究人員或學習者將不受時空的限制，能隨時隨地與同行協作、共享儀器設備、共享數據和計算資源，得到教師的遠程指導以及同行間的相互研討。國際性的研究始于20世紀90年代，研究的內容包括：虛擬實驗系統的模型建立、儀器設備的遠程控制方法研究、實驗數據的遠程采集、處理與使用和接口技術研究等。以計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術為特征的“虛擬實驗室”產品也相繼在世界各地出現，其應用逐步滲透到各個教學領域，引發了實驗教學一系列深刻的變革。其代表性的成果有：環境與分子科學協作機構、遠程實驗環境、Beamline 7協作結構和醫學協作機構等。零零散散的虛擬實驗室在國內也相繼出現，但絕大部分都是仿真系統，而且多半是器件方面的模擬。國內在軟件開發方面的虛擬實驗室產品數量很少，功能也很不完善。

在克服傳統的實驗模式缺點和避免簡單的實驗模擬的前提下，這里設計出一種具有自主版權的新穎的“網上虛擬軟件開發實驗平臺”。他大大地簡化學習者進行程序設計、數據庫和多媒體實驗的煩瑣外圍步驟，突出實驗核心內容。本平臺完全構架在因特網體系上，具有簡單性、跨平臺性、用戶透明性和網絡安全性，給授學者和學習者提供一個真正的零客戶的網上虛擬實驗平臺，學習者可以在任何地方通過訪問網站進行實驗。只需具有一臺標準配置的普通計算機、安裝有一種操作系統軟件、使用瀏覽器訪問本平臺的網站就可以進行實驗。本平臺具有以學習者為主體、靈活和突出重點等特點，提出“任何場地任何時間學習軟件開發”的設想，希望能夠填補國內在這方面研究的空白。

3 網上虛擬軟件開發實驗平臺的功能、設計與實現

3.1 平臺的功能

平臺包括程序設計、數據庫SQL和多媒體等3大功能，均可以通過遠程訪問來實現。其中，程序設計功能主要包括C⁺⁺程序設計、Java程序設計和匯編程序設計等實驗，并可擴展選用其他任何一種計算機程序設計語言，對編寫的源程序可以進行遠程方式的編譯預處理、編譯、連接打包和運行等工作；編譯預處理對源程序進行格式化排版和安全性檢查，編譯生成模塊文件或類文件，連接打包生成可執行文件或可執行的壓縮包文件或安裝盤文件；運行時可以接收輸入的參數值并遠程運行，或下載到本地運行得到運行結果。數據庫功能采用標準SQL+多種關系數據庫管理系統特殊的SQL，主要支持Access、MySQL、Oracle 和SQL Server等流行的關系數據庫系統，并可擴展選用其他關系數據庫、對象關系數據庫和對象數據庫系統，可以完成訪問數據庫的9種常用功能，對表、視圖、觸發器、函數、數據類型、同義詞和存儲過程的建立(CREATE)、修改(ALTER)和刪除(DROP)；對數據的增加(INSERT)、修改(UPDATE)和刪除(DELETE)；對數據的查詢(SELECT)；對數據庫權限的管理(GRANT和REVOKE)等；還支持特殊的數據庫SQL語句。多媒體功能包括聲音、圖形和圖像的處理，目前主要支持7種圖像處理算法，包括：偏色、反轉、鏡像、轉置、浮雕、油畫和窗簾等效果。平臺的功能如圖1所示。

3.2 平臺的設計

平臺采用“瀏覽器+Web服務器+應用服務器+數據庫服務器+操作系統服務器”多層應用計算模式，采用目前流行的IE，Firefox，Opera和Netscape等瀏覽器，不需要安裝任何瀏覽器插件；Web服務器和應用服務器選用Tomcat或WebLogic或JBoss等，數據庫服務器采用Access，SQL Server，Oracle，DB2，MySQL，PostgreSQL，Interbase和HypeSonicSQL等。開發語言采用目前最流行、純面向對象和跨平臺性最好的Java語言，開發工具采用Borland公司的JBuilder。采用的開發技術還包括：多線程，JDBC，JNI，Corba，RMI，JSP，Servlet，EJB，JNDI，Connection pool和MVC等。平臺具有良好的移植性，可以無縫地安裝在目前多種主流操作系統上，比如Windows，Linux，Solaris，Mac OS和Aix中。系統設計實現中還考慮到客戶機與服務器體系的相同和相異情況，學習者可以選擇跨操作系統遠程直接運行程序，也可以將執行程序下載到本地運行。平臺中采用過濾網阻止對服務器的操作系統和數據庫系統有害的調用，以保證平臺的網絡安全性。學習者在瀏覽器中選擇選項和輸入相關源程序，并由瀏覽器發送請求給遠端的Web服務器，Web服務器將學習者的請求信息發送給生成執行體的應用服務器，應用服務器調用和執行操作系統和數據庫系統命令，并將結果回傳，最終回傳給瀏覽器調用者，如圖2所示。

3.3 平臺的實現

平臺在程序功能實現上采用變通式的MVC三層構架，將數據模型層(Data Model)、顯示層(View)和控制器層(Controller)顯式地分離。本平臺中的數據模型層是數據庫系統中的一系列表、視圖、存儲過程和觸發器、JDBC數據庫引擎驅動器以及負責數據管理的JavaBean，顯示層包括HTML，Javascript和JSP，控制層包括Servlet，EJB和JSF等。由客戶端的瀏覽器頁面發出表單請求，服務器端JSP將接收到的請求傳給相應的Servlet、再由Servlet將請求消息分派給JavaBean和EJB進行事件處理，并分別通過JDBC，JNI和Corba完成訪問數據庫、實現編譯、連接和運行程序、訪問多媒體庫等任務，并將應答結果回傳給客戶端瀏覽器，如圖3所示。

3.4 典型的運行界面抓屏

平臺使用步驟按照：① 用戶注冊→ ② 用戶登錄→③ 程序設計或數據庫或多媒體實驗平臺操作→④ 用戶退出等幾個步驟。

典型的運行界面如圖4所示，其中(a)為平臺首頁，左側為3個主要功能鏈接以及平臺使用指南，右側上方為學習者注冊和登陸功能按鈕；(b)為程序設計實驗平臺的編譯和運行結果演示畫面，下方主要包括編譯、運行、中止運行和下載運行等功能按鈕；(c)為數據庫實驗平臺，訪問Oracle數據庫完成一次查詢所得到的結果演示畫面；(d)為多媒體實驗平臺，進行圖像的7種處理后的結果演示畫面。

4 網上虛擬軟件開發實驗平臺的網絡安全性考慮

由于互聯網和操作系統自身的安全性的特殊要求，以及本平臺中還需要調用操作系統和數據庫管理系統中的核心功能等原因，這里提出防止出現安全性漏洞的解決辦法，即在應用服務器與操作系統服務器和數據庫服務器之間增加網絡安全性過濾層，如圖5所示，以保證以下的一些安全性：

(1) 限制客戶機直接運行服務器上的操作系統命令；

(2) 客戶機上傳的結果均為源程序、SQL代碼和圖像文件的形式，限制直接上傳可執行文件；

(3) 限制客戶機程序和SQL語句中使用危險函數和中斷調用；

(4) 客戶機編譯好的執行程序可以下載到本機來運行，以減輕服務器的負擔；

(5) 對客戶機程序遠端運行時間有超時限制；

(6) 客戶機程序運行進程還可以由管理員管理，防止進程沖突和死鎖。

5 “網上虛擬軟件開發實驗平臺”功能的拓展思路

本平臺還需要進行以下4個方面的完善工作：

(1) 程序設計調試功能；

(2) 增加計算機程序設計語言的數量；

(3) 添加工程與多源程序文件功能；

(4) 多媒體音、視頻處理功能。

6 結 語

本平臺為程序設計、數據庫應用和多媒體應用實驗提供了一種全新的上機實驗模式，極大地簡化了實驗中的各種瑣碎的外圍環節，突出實驗核心。一年多來的實踐表明，本平臺解決了困惑多年的軟件開發上機實驗復雜性的難題，并在申報國家級精品課程和國家級示范中心過程中做出了重要貢獻。不過，本平臺目前還處于試探性研究階段，難免存在一些問題，需要繼續加以改進。

參考文獻

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作者簡介 衛顏俊 男，計算機工學碩士學位畢業，現為西安交通大學計算機教學實驗中心教師。曾經參加過多個計算機軟件項目的開發工作，多次擔任主要負責人之一。編寫過多本教材，其中兩本為十一五規劃教材。為國家級教學團隊、國家級實驗教學示范中心以及\"軟件技術基礎\"國家級精品課程的骨干教師。