網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的構(gòu)建

摘要：針對職業(yè)類院校實驗建設(shè)現(xiàn)狀及困境，利用虛擬實驗室技術(shù)對實踐教學(xué)進行改革，在分析了虛擬實驗室的特點，對虛擬實驗室和系統(tǒng)架構(gòu)和開發(fā)的技術(shù)手段作了較為詳細(xì)的分析，對網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的功能模塊進行詳盡的劃分及設(shè)計。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室；系統(tǒng)架構(gòu)；開發(fā)技術(shù)

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識：A文章編號：1009-3044(2008)32-1055-02

Network Virtual Laboratory Construction

FENG Gang， YANG Guo-chun

(Computer Department of Huaian College of Information Technology， Huai'an 223003， China)

Abstract: Aim at the present condition of the occupation college experiment construction and dilemma， make use of a virtual laboratory technique to practice the teaching carry on reform， is analyzing the distinguishing feature of virtual laboratory， made more detailed analysis to the virtual laboratory and the means of the technique of system structure and development and carry on a detailed demarcation and design to the function mold piece of network virtual laboratory.

Key words: network virtual laboratory; system construction; development technology

1 引言

隨著職業(yè)教育的發(fā)展，學(xué)生規(guī)模急劇膨脹，職業(yè)類院校實驗室建設(shè)規(guī)模嚴(yán)重滯后于迅速膨脹的學(xué)生規(guī)模。如果仍然采用傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法，就目前職業(yè)類學(xué)校經(jīng)濟狀況，想通過擴大實驗室的規(guī)模添大量儀器設(shè)備來滿足傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，一般是難以實現(xiàn)的，因此改變傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式迫在眉睫。

現(xiàn)代信息技術(shù)特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)所引發(fā)的教育手段觀念和模式的革命，使基于網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)模式極大地動搖了傳統(tǒng)教學(xué)的基本模式，產(chǎn)生出一種教學(xué)雙方彼此互動的全新教育模式，基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室就是以計算機網(wǎng)絡(luò)為核心，將虛擬儀器通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析和遠(yuǎn)程操作的一個系統(tǒng)。

建立基于虛擬儀器技術(shù)的虛擬實驗室系統(tǒng)，以軟件編程代替實際實驗，并提供實驗項目的遠(yuǎn)程訪問服務(wù)，能夠有效解決職業(yè)類院校中由于實驗資源緊張帶來的一系列問題，已成為職業(yè)類院校實驗室建設(shè)的一種必然趨勢。

2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室概述

虛擬實驗室（Virtual Laboratory），亦稱合實驗室（Col Laboratory），最早由美國弗吉尼亞大學(xué)（University of Virginia）的威廉·沃爾夫（William Wolf）教授于1989年提出的。它描述了一個計算機網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境，致力于構(gòu)筑一個綜合不同工具和技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化的集成環(huán)境。在這個環(huán)境里，用戶可以非常有效的利用世界上分布的各種數(shù)據(jù)、信息、儀器設(shè)備及人力等資源。

它與傳統(tǒng)實驗教學(xué)相比，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室具有如下特點：

1) 可降低科研成本和節(jié)省研究經(jīng)費，并能夠充分發(fā)揮現(xiàn)有科學(xué)儀器的作用，提高使用效率，尤其是通過聯(lián)網(wǎng)后能實現(xiàn)大型科學(xué)儀器的資源共享，避免了大型儀器設(shè)備的重復(fù)添置、購買和浪費。

2) 突破了傳統(tǒng)實踐教學(xué)模式受時間、地點的限制，并且可以利用計算機網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)提高實踐教學(xué)效率，更好地培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題、解決問題的能力。進一步提高學(xué)生的實踐技能。

3) 強調(diào)“網(wǎng)絡(luò)就是實驗儀器”的概念。網(wǎng)絡(luò)在實驗中充當(dāng)了以往由操作臺和設(shè)備實現(xiàn)的角色。通過建立網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，遠(yuǎn)程教育的學(xué)習(xí)者不必?fù)?dān)心缺乏實驗條件，也不必為實驗到處奔波，他們通過網(wǎng)絡(luò)中的基于虛擬儀器的虛擬實驗環(huán)境，同樣能夠“身臨其境”地觀察實驗現(xiàn)象和進行“實際”操作，甚至和異地的學(xué)習(xí)者合作進行實驗。

4) 鑒于網(wǎng)絡(luò)虛擬實實驗的開放性和共享性，資源的可重復(fù)利用率提高，系統(tǒng)組建時間縮短，功能易于擴展和管理，使學(xué)生的實驗操作機會得以增加，實驗范圍和科目得以擴大，高新技術(shù)在教育領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)勢可以充分發(fā)揮出來。

因此，用現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究虛擬實驗室及其在實踐教學(xué)及遠(yuǎn)程教學(xué)中的應(yīng)用，已成為近幾年國內(nèi)外實驗教學(xué)和遠(yuǎn)程教學(xué)的研究熱點。

3 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)架構(gòu)

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗系統(tǒng)架構(gòu)上主要有兩種架構(gòu)：C/S架構(gòu)和B/S架構(gòu)。

3.1 C/S 架構(gòu)方式

C/S結(jié)構(gòu)是一種分布式計算模式。在C/S結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，應(yīng)用程序被劃分為兩大部分：一部分是由多個用戶共享的信息與功能，這部分稱為服務(wù)器；另一部分是為每個用戶所專用，稱為客戶部分。客戶部分負(fù)責(zé)執(zhí)行前臺功能，如管理用戶接口、數(shù)據(jù)處理和報告請求等；而服務(wù)器部分執(zhí)行后臺服務(wù)，如管理共享外設(shè)、控制對共享數(shù)據(jù)庫的操縱、接受并應(yīng)答客戶機的請求等。

傳統(tǒng)的二層C/S體系結(jié)構(gòu)在單一數(shù)據(jù)庫且有安全性和快速性保障的局域網(wǎng)環(huán)境下運行，因而得到了廣泛的應(yīng)用。不足主要體現(xiàn)在：程序開發(fā)量大，系統(tǒng)維護困難，客戶機負(fù)擔(dān)過重，成本增加以及系統(tǒng)的安全性難以得到保障等等。

3.2 B/S架構(gòu)方式

在B/S結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，用戶可以通過瀏覽器向分布在網(wǎng)絡(luò)上的許多服務(wù)器發(fā)出請求。B/S結(jié)構(gòu)極大的簡化了客戶機的工作?？蛻魴C上只需安裝、配置少量的客戶端軟件即可，服務(wù)器將擔(dān)負(fù)更多的工作，對數(shù)據(jù)庫的訪問和應(yīng)用程序的執(zhí)行都將在服務(wù)器上完成。

B/S結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢在于：它可以在任何時間、任何地點（沒有局域、廣域之分）、以任何接入方式（有線或無線連接）實現(xiàn)跨平臺的網(wǎng)絡(luò)實時操作；不限定用戶使用人數(shù)，開發(fā)和使用成本都非常低；突出的易用性，客戶端采用國際標(biāo)準(zhǔn)化的瀏覽器（如IE），因而客戶端免維護、免安裝、免開發(fā)，這不但節(jié)省了內(nèi)存和存儲空間，也節(jié)省了開發(fā)時間，從而降低了成本，給應(yīng)用系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、日常維護和升級都帶來了極大的便利。

4 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)探討

4.1 使用JAVA（JVM）進行開發(fā)

JAVA是一種軟件編程語言，旨在為 Internet 發(fā)展而使網(wǎng)頁由靜態(tài)轉(zhuǎn)為動態(tài)，并可產(chǎn)生“小應(yīng)用程序（Applets）”的一種簡化語言，是最重要的一種網(wǎng)上通用語言。JAVA具有簡單、面向?qū)ο?、分布式、解釋型、健壯、安全以及可移植等多種特性，更重要的是，它跨平臺的特性滿足了“網(wǎng)絡(luò)計算機”的思想。JAVA小程序可下載到客戶端的瀏覽器中執(zhí)行，極大地豐富客戶端接口的表現(xiàn)形式，提高了交互能力。它可用多種語言和工具來編寫，這些獨立的組件可重用或組合使用，更使用戶的接口和交互能力進一步得到擴展。用 JAVA 語言開發(fā)的軟件可以具有可視化、可聽化、可操作化的交互、動畫。JAVA 的這些特性對基于WEB虛擬實驗室的構(gòu)建相當(dāng)有用。

4.2 .NET技術(shù)

Microsoft.NET（簡稱.NET）是微軟公司推出的面向網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)平臺的簡稱，是新一代的軟件開發(fā)方式、發(fā)行方式和使用方式。.NET技術(shù)的核心是.NET Framework，它提供了一個全新的環(huán)境，在此環(huán)境下，可以用多種語言開發(fā)出在Windows平臺上運行的各種復(fù)雜的分布式應(yīng)用程序。Microsoft.NET Framework是一個平臺，在這個平臺上可以使用多種語言開發(fā)Windows應(yīng)用程序、ASP.NETWEB應(yīng)用程序、移動Web應(yīng)用程序以及XML Web Service等。

4.3 使用VRML技術(shù)進行三維虛擬實驗室的開發(fā)

VRML（虛擬現(xiàn)實建模語言）是一種三維場景的描述性語言，是在Internet上實現(xiàn)全新虛擬世界空間的關(guān)鍵性技術(shù)。其基本原理是用文本信息描述三維場景，在Internet上傳輸，利用三維圖形生成技術(shù)在本地機上應(yīng)用多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，由VRML瀏覽器解釋生成逼真的三維虛擬場景，使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套傳感設(shè)備，或利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，進行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。

在教學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)時，能夠為學(xué)生提供生動逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，用VRML實現(xiàn)與Internet虛擬現(xiàn)實交互豐富了媒體表現(xiàn)形式、實現(xiàn)了協(xié)同工作角色的可視化管理改善協(xié)同環(huán)境的用戶界面，因而增強了協(xié)同環(huán)境的交互性。

4.4 使用ActiveX控件進行開發(fā)

ActiveX技術(shù)是Microsoft為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要而將OLE技術(shù)在Internet上的重定義，是一組使用COM使得軟件部件能夠在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行交互的技術(shù)集，被廣泛應(yīng)用于Web服務(wù)器以及客戶端的各個方面。

通過構(gòu)建ActiveX控件，能夠允許不同軟件商開發(fā)的組件在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)互操作，使得本地的組件可以和網(wǎng)絡(luò)上的組件進行通信；用ActiveX技術(shù)進行開發(fā)的另一個好處在于它的代碼可復(fù)用性。應(yīng)用ActiveX技術(shù)建立的虛擬實驗室(ActiveX組件)需要編譯成網(wǎng)絡(luò)發(fā)行文件包，并進行數(shù)字簽名，鑲嵌在網(wǎng)頁中運行。在客戶端第一次運行時，需要在注冊表中進行注冊，這給不熟悉的用戶帶來了不便。并且，ActiveX控件只能運行在基于Microsoft Windows的操作系統(tǒng)，因而移植性和通用性較差。

4.5 使用FLASH進行開發(fā)

FLASH技術(shù)采用矢量圖形技術(shù)，生成的動畫體積小，適合在網(wǎng)絡(luò)上傳播。其動作腳本語言ActionScript具有豐富的語言元素，包括常量、變量、運算符、表達(dá)式、函數(shù)、屬性、動作、對象和電影剪輯等等。具體說來，通過對FLASH中的ActionScript的深入編程來開發(fā)虛擬實驗，具有以下優(yōu)點：文件小、無極縮放不變形；通過場景變換可設(shè)計不同的界面，F(xiàn)LASH動畫支持物體拖動操作，可用于虛擬實驗室中物體的移動；ActionScript提供了XMLSocket的組件，它支持將XML對象通過Socket發(fā)送出去，并可以從服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)，這為客戶端直接與服務(wù)器通訊提供條件，也為網(wǎng)絡(luò)實時仿真實驗提供了可能。

4.6 基于仿真軟件

基于類似于Matlab、LabView、NI模擬器等仿真開發(fā)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，可以利用現(xiàn)在商業(yè)化的產(chǎn)生，例如：LabView是美國NI公司推出的一種基于G語言（Graphics Language，圖形化編程語言）的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。使用LabView這種語言編程時，基本上不需要寫程序代碼，取而代之的是流程，這為虛擬儀器設(shè)計者提供了一個便捷、輕松的設(shè)計環(huán)境。利用它，設(shè)計者可以像搭積木一樣，輕松組建一個測量系統(tǒng)和構(gòu)造自己的儀器面板，而無需進行任何繁瑣的計算機代碼的編寫

5 系統(tǒng)設(shè)計的功能分析

一個完整意義上網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室不僅能完成相關(guān)的虛擬實驗仿真，還應(yīng)能完成相關(guān)實驗數(shù)據(jù)的處理，所以網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室在功能具體設(shè)計應(yīng)包含以下模塊：

5.1 公共模塊

在該模塊中，系統(tǒng)主要完成的功能：系統(tǒng)提供實驗室的一些公告信息，通過實驗設(shè)備實體的三維展示，使學(xué)生對實驗設(shè)備實體的相關(guān)知識有一個直觀的了解；學(xué)生在該模塊可以完成真實實驗的預(yù)約；教師可提供相應(yīng)的實驗安排信息，提交相應(yīng)的實驗報告模板。

5.2 虛擬仿真實驗?zāi)K

通過本模塊，學(xué)生應(yīng)能通過虛擬實驗系統(tǒng)，不僅可以按實驗教學(xué)的計劃，完成老師規(guī)定的實驗，而且能根據(jù)自己的想法，設(shè)計實驗并完成，這要求虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮實驗的自主性問題，不能規(guī)定虛擬實驗系統(tǒng)只能按規(guī)定的步驟去完成；在該模塊還能完成實驗相關(guān)數(shù)據(jù)保存，通過保存的數(shù)據(jù)，學(xué)生可通過實驗報告模塊產(chǎn)生電子的實驗報告；教師可以通過仿真系統(tǒng)，調(diào)用學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)，去動態(tài)檢查學(xué)生的實驗情況。

5.3 實驗報告處理模塊

在本模塊中，學(xué)生根據(jù)教師提交的實驗報告模板，填寫相關(guān)的內(nèi)容，實驗數(shù)據(jù)從服務(wù)器獲取自動添加，并能完成相關(guān)數(shù)據(jù)的處理，實驗報告最終提交給服務(wù)器；教師通過該模塊，下載學(xué)生的實驗報告進行批閱。針對學(xué)生自主實驗給出相應(yīng)的模板，除提交實驗數(shù)據(jù)外，學(xué)生還應(yīng)提交實驗設(shè)計，實驗相關(guān)設(shè)計圖（電路圖、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D等）。

5.4 交流模塊

該模塊完成兩大功能，其一：實驗的在線交流，在實驗過程中，學(xué)生間可以通過該模塊，相互之間進行實驗情況交流；其二：在留言部分，學(xué)生可以將實驗中遇到的問題及實驗情況反饋給教師，老師可以通過本模塊與學(xué)生進行交互，回答學(xué)生提問。

6 結(jié)束語

在文中分析基于網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室特點，對網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的系統(tǒng)構(gòu)架及軟件開發(fā)技術(shù)進行了一定深度的探討，對虛擬實驗室設(shè)計的功能目標(biāo)進行深入闡述。在職業(yè)教育高速發(fā)展的今天，伴隨著計算機相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室必將現(xiàn)代實踐教學(xué)將扮演起來越重要的角色，對職業(yè)教育中實踐教學(xué)將發(fā)揮其具大的作用。

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