探析網絡虛擬實驗室體系結構

邊　靜　賀同輝

[摘要]隨著計算機技術的不斷發展，網絡虛擬實驗室得到越來越多的應用。介紹虛擬實驗室的基本特點及其體系結構，實現虛擬實驗室的四種關鍵技術：Java、ActiveX、VRML、ASP，最后探討虛擬實驗室開發過程中應注意的幾個問題。

[關鍵詞]虛擬實驗室遠程教育技術

中圖分類號：TP3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597(2009)0210013－01

迅速崛起的現代教育技術把虛擬實驗引入到了實驗教學中。虛擬實驗的應用改變了傳統的教育模式，使得教與學方式發生了革命性的變化。

一、網絡虛擬實驗室的發展及其特點

網絡虛擬實驗就是在WEB中創建出一個可視化的環境，其中每一個可視化的物體代表一種實驗對象。通過鼠標的點擊以及拖曳等操作，用戶可以進行虛擬的實驗。網絡虛擬實驗實現的基礎是多媒體計算機技術與網絡技術的結合。

(一)印第安納州立大學的MBL化學實驗室。該實驗室在給新生開化學實驗課時用計算機來輔助做這樣一些事，用計算機采集實驗數據，用計算機展示實驗，在網上發布相關的實驗指導材料。

(二)芝加哥伊利諾伊大學數字化有機化學實驗室。該實驗室充分利用網絡資源，在網上提供了一系列的實驗教學指導：在線實驗教材；實驗教學時間表；實驗測評、形式、時間；虛擬實驗；相關教學資源的鏈接等。他們還用計算機進行實驗教學的教務管理。

(三)卡羅萊納州立大學的LAAP(Learn Anytime Anywhere Physics)。他們利用Java技術建立了基于Web的探索式虛擬物理實驗室，主要有以下幾個模塊：基于Java Applet的虛擬實驗設備和實驗設施；相關的實驗課程模塊；實驗結果評價模塊；協作學習模塊。

二、網絡虛擬實驗室體系結構

網絡虛擬實驗室應是一個集虛擬實驗教學管理系統、實驗課教學指導系統，網絡實驗仿真等為一體的功能強大的網上運行系統。各部分之間相互聯系相互補充，僅具有相對獨立性。開發虛擬環境，實現實驗仿真應是虛擬實驗室建設的核心部分。

三、構建網絡虛擬實驗室的關鍵技術

目前國內的虛擬實驗室研究還處于萌芽階段，國外已經有很多大學進行了這方面的研究。他們所使用的技術，可以看出大多可以劃分下面幾類：

(一)Java技術。Java是一個廣泛使用的網絡編程語言，它是一種新的計算概念。首先，作為一種程序設計語言，它簡單、不依賴于機器的結構、具有可移植性、安全性、并且提供了并發的機制、具有很高的性能。其次，它最大限度地利用了網絡，Java的小應用程序(applet)可在網絡上運行而不受CPU和環境的限制。另外，Java還提供了豐富的類庫，使程序設計者可以很方便地建立自己的系統，這一點對于構建網上虛擬實驗室系統來說也是非常關鍵的。

(二)ActiveX控件。ActiveX技術允許不同軟件開發的組件可以互相進行操作。ActiveX使用了微軟的組件對象技術使得本地的組件可以和網絡上的組件進行通信，使用ActiveX開發的另一個好處在于它的代碼復用性，也就是說在虛擬實驗室的開發過程中，一個實驗儀器可以在多個實驗環境中重復使用，這一點對于持續開發過程尤為重要。這種技術使得一個大的工程項目可以劃分成小塊的組件，也就相當于把復雜工程簡單為一個個組成部分，完成了每個組成部分之后集成起來就可以得到最終的項目。

(三)VRNL技術。VRML是虛擬實境描述模型語言(Virtual RealityModeling Language)的簡稱。VRML是一種建模語言，其基本目標是建立Internet上的交互式三維多媒體，也就是說，它是用來描述三維物體及其行為的，可以構建虛擬境界。用VRML實現與Internet虛擬現實交互有下面幾個好處：豐富了媒體表現形式、協同工作角色的可視化管理、改善了協同環境的用戶界面、增強了協同環境的交互性。可見，將VRML融合到網上虛擬實驗室的開發過程中，既可以增強表現力和用戶的接受力，又可以實現較好的協同工作虛擬化環境。

(四)ASP技術。ASP(Active Server Pages，動態服務器端網頁)，內含在Internet Information Server 3.0及其以上版本中，提供一個服務器端的腳本環境，用于產生和執行動態、高效率的網絡服務器程序。ASP不只是動態的網頁，它更是當今眾多的Web應用程序實作方式之一，它負責整個Web應用程序的控制部分。

四、網絡虛擬實驗室開發過程當中應注意的幾個問題

計算機軟件技術發展到今天，為虛擬實驗室開發提供了極大的方便。開發所需的系統軟件或工具均支持面向對象的程序設計。它們都有事件驅動的支持，消息循環的程序設計方法及多媒體操作技術。在開發過程當中要注意以下幾個問題：

事件觸發時機的選擇，實際操作中當某個按鈕按下后并不立即反映，需要延時回應，外部接口的輸入信號或其它信息往往是定時觸發或隨機觸發的事件，若為隨機觸發的事件則可用一定時限內的隨機數來取代固定時間。

事件聯鎖關系或動態順序關系可以存放在一張數據庫表中描述，修改方便。給定相應的條件、控制范圍，自動形成數據表，使數據和程序獨立。

模擬聲音，要使實驗達到逼真，除了模擬控制臺實物景象，還要模擬它們實驗環境中的各種聲音，如汽笛聲、按鈕按動聲、內部機械動作聲等。這樣，才能使學生在實驗室有身臨其境的感覺，全身心地投入。

模擬臺面各種動作的結果，臺面上每個控件的動作都會觸發一定的事件。這些事件在實物設備中是靠機械、電路等去完成，而現在將這些機械及電子邏輯關系使用計算機軟件實現。

故障發生器，在實際工作中除了設備正常情況下的操作，還有各種意外情況，如某些設備故障的情況。此時，要求在虛擬系統中也能模擬手柄失靈、儀表信號不顯示及自然災害發生的情況等，即給實驗增加一些難度，強化學生實際操作能力。

五、結束語

虛擬實驗技術在實驗教學中具有廣闊的應用、發展前景，隨著虛擬實驗的普及，其優越性會被越來越多的人認識。但要使虛擬實驗技術真正得到推廣應用，關鍵還是觀念的改變，首先是教師觀念的改變，除了具有創新精神和能力外，還應有一個先進的投資理念，在實驗室建設和發展中，充分考慮投資效益，建設現代化的實驗室。其次要培養一支高素質的實驗隊伍，不斷地進行知識更新，加強學習，重視信息的收集、加工、應用，了解掌握最新技術，促進實驗教學發展。虛擬實驗的應用和發展，加快了實驗室發展和實驗教學改革，促進了觀念的改變。虛擬實驗在21世紀實驗教學中必將占有重要地位，無疑會起到很大的作用。