基于Web的虛擬實驗室的研究和應用

摘 要: 遠程教育是現代教育理念中舉足輕重的一部分，而實踐操作環節則是制約遠程教育模式更加完善的關鍵因素。本文首先對遠程教育中基于Web的虛擬實驗室的應用可行性進行了分析，然后對虛擬實驗室進行了簡介，描述了基于Web的虛擬實驗室的體系結構和特點，并對虛擬實驗室的技術實現進行了闡述，最后對虛擬實驗室在遠程教育的應用功能進行了分析。

關鍵詞: 遠程教育 虛擬實驗室 Web

1.引言

隨著計算機技術，網絡技術和多媒體技術的飛速發展，遠程教育已經成為一種新的教育模式。我國高職教育以培養應用型、技能型人才為理念，以培養學生的技術應用能力為目標，實驗教學在教學計劃中占有較大比重;而實驗的內容要求越來越高，實驗器材、設備的相對落后影響了實驗教學的發展和學生實踐能力的培養。隨著虛擬實驗技術的成熟，人們開始認識到虛擬實驗在教育領域的應用價值。因此，基于Web的虛擬實驗室成為日前值得深度探討的課題之一。

2.基于Web的虛擬實驗室

基于Web的虛擬實驗室是指在網絡環境下虛擬現實技術生成的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統，包括相應實驗室環境、有關的實驗儀器設備、實驗對象，以及實驗信息資源等。網絡虛擬實驗室可以是某一現實實驗室的真實實現即遠程控制實驗，也可以是虛擬構想成的實驗室即仿真實驗。

網絡虛擬實驗室具有以下特點。

(1)仿真性。在虛擬現實技術支持下，虛擬實驗室內的虛擬儀器與實際儀器功能相同，操作方法也一樣，實驗者在虛擬實驗室里做實驗，與在現實實驗室里同樣方便。這是因為虛擬實驗室無論對于現實的環境或是對于想象的環境，都是虛擬的但又是逼真的。

(2)資源共享性。基于網絡的虛擬實驗室既可供本地學員使用，又可供異地學員使用，用戶可以共享數據、軟件、硬件等相關資源。這個特性能夠減少重復投資，大大節約投資成本。

(3)互動性。基于網絡，各地學員之間可以互相交流，教師可以實時進行實驗輔導、實驗報告批改等工作，便于學員解決問題和教師了解學員的實驗效果和實驗成績的評估。

(4)用戶自主性。學員可以自主地選擇實驗時間，任何時間、任何地點都可以做實驗。學員可以制定自己使用虛擬儀器的方式，允許采取必要的措施保護自己的數據、資料。

3.基于Web的虛擬實驗室構建

(1)構建虛擬儀器實驗室的整體方案

實現模式基于Web的虛擬實驗室基本結構如圖1所示。系統允許幾個用戶同時進行遠方實驗。他們能夠使用Web客戶端通過網絡服務器訪問虛擬實驗室。

客戶端就是網絡瀏覽器，不需要任何軟件的安裝和維護工作，可直接通過IP地址訪問虛擬實驗室網站，它既是信息交換的平臺，又是Java Applet運行時的環境。服務器端由網絡服務器、數據庫服務器及中間件組成。這種體系結構利用超文本傳輸協議HTTP的消息傳遞機制，客戶端通過瀏覽器訪問服務器發出服務請求，服務器進行相應的處理后將響應結果返回給客戶端。

(2)虛擬儀器實驗室的實現方案

對于虛擬實驗室系統所要實現的目標來說，瀏覽器/服務器模式比客戶機/服務器模式更適合、更易于實現。所以，我們采用瀏覽器/服務器(B/S)模式作為網絡虛擬實驗室的基本體系結構。采用這種三層的B/S模式能使系統具有良好的適應性及擴展性。在本地端的實驗操作中，學生在應用程序服務器端可以直接調用實驗模塊進行實驗;遠程用戶只需通過瀏覽器就可通過Internet登陸虛擬實驗室網站，向Web服務器提出實驗請求，并進行相關實驗操作。登陸網站以后，瀏覽器會根據實驗需要從Web服務器中載入實驗網頁，這樣用戶不需要安裝任何專業軟件就可以進行實驗，從而使客戶端的需求降到最低。采用這種結構，將實驗的實現過程與表現分開，在后期的維護和擴展時只需更改相應的模塊就可以實現整個虛擬實驗室的更新。

(3)虛擬儀器實驗室的關鍵技術

客戶端的開發采用JavaApplet技術及HTML網頁編程技術。Java Applet技術具有普通Java程序所具有的平臺無關性，能嵌入到網絡瀏覽器中隨網頁一起下載到客戶端，并在瀏覽器中運行，是Java技術在Internet上的主要應用形式。Java Applet不能獨立運行，必須由支持Java瀏覽器解釋執行，它通過APPLET標簽嵌入到HTML文件中，當瀏覽器請求該網頁并遇到APPLET標簽時，瀏覽器發送請求到服務器上獲取與該APPLET程序有關的所有類文件，并在Java虛擬機的支持下解釋執行，實現與用戶的交互。引入Java Applet技術后，信息與用戶之間就由顯示和瀏覽的關系轉變成一種實時的、動態的交互關系，大大提高了Web處理復雜事物的能力。

服務器端采用Java Application及JNI技術開發，主要功能是接收客戶端傳來的有關用戶電路設計的相關信息。系統利用COM組件技術，對這些信息進行分析，并將分析結果返回客戶端，由客戶端的Applet處理后以可視化的、易理解的形式顯示給用戶。

4.結語

相對于傳統的實驗教學方式，網絡虛擬實驗室有以下幾個優點。

(1)網絡虛擬實驗室可以大幅降低實驗室改造、建設、維護的基金，時間，空間成本，提高使用效率。

(2)提高學生接受新事務的能力。

(3)節省實驗經費，保證實驗安全。

(4)徹底打破時間和空間的限制。

虛擬技術在本世界進入了一個成熟發展的階段，它在一定深度和廣度上得到了發展和拓展，將對發展，探討現代教育思想，提高教育技術水平，改善實驗環境，優化實驗過程，完善遠程教育，培養具有創新意識和創新能力的人才有著重大深遠的意義。

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基金來源:桂林航天工業高等專科學校校內課題——通信網絡虛擬實驗平臺